Gibt es ein Dual des Transformators?

Kondensatoren und Induktivitäten sind zwei voneinander .

Ein Transformator besteht aus zwei Induktivitäten und überträgt die Leistung durch gegenseitige Induktivität über das magnetische Nahfeld (richtig?). Sie können auch das Verhältnis von Spannungen oder Strömen ändern, indem Sie das Verhältnis der Windungen am Kern ändern. Sie können sich dies so vorstellen, dass Sie eine einzelne Primärschleife mit vielen Sekundärschleifen koppeln und dann die Sekundärschleifen stapeln, sodass ihre Ausgangsspannungen summiert werden.

Gibt es ein elektrisches Doppel des Transformators? Etwas, das Kapazität nutzt und Energie durch das elektrische Nahfeld über eine Isolationsbarriere überträgt ? Eine Möglichkeit, einen einzelnen Primärkondensator mit mehreren Sekundärkondensatoren zu koppeln und diese dann zu stapeln, um eine Leistungsumwandlung durch Summieren ihrer Ausgänge durchzuführen?

Ich weiß, dass eine isolierte Versorgung mit zwei Kondensatoren hergestellt werden kann, bin mir aber nicht sicher, ob dies genau ein Dual ist oder ob es ein Äquivalent zum Anpassen des Windungsverhältnisses gibt:

Quelle

Oder vielleicht etwas im Zusammenhang damit?

Quelle

Zum Beispiel gibt es kapazitive Spannungsteiler, die aber nur die Spannung reduzieren, sie können sie nicht wie ein Spartransformator erhöhen. Es gibt Ladungspumpen, aber diese erfordern aktive Elemente wie Schalter oder Dioden, die in einem Transformator nicht vorhanden sind.

Um es kurz zu machen: Gibt es eine Möglichkeit, die Leistung (1 V, 5 A an der Primärseite auf 5 V, 1 A an der Sekundärseite) mithilfe von elektrischen Feldern anstelle von Magnetfeldern und nur passiven Bauteilen umzuwandeln? Wenn nein, warum nicht? (Elektrisches Feld Screening?)

Eigentlich ist das eine häufige Frage.

Das hat eine doppelte Bedeutung. Wenn Sie Geräte haben, die eine gemeinsame Wicklung und einen gemeinsamen Magnetfluss (magnetischer "Strom") haben, ist dies die perfekte Kombination für Geräte, die einen gemeinsamen elektrischen Leiter haben. Schönes Bild aus Wikipedia :

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Sie können sich auch " Magnetic Circuits " anschauen . Sie können anfangen, einige unterhaltsame Begriffe zu lernen, wenn Sie sich eingehend mit diesen Konzepten befassen, z. B. " Magnetic Capacitance " ( Magnetische Kapazität).

Die Art und Weise, wie Sie bestimmen können, wie viel Energie durch einen Transformator fließt, kann in einen Magnetkreis zerlegt werden, der genau wie ein Stromkreis mit verschiedenen Einheiten funktioniert. Magnetische Schaltkreise sind analog zu elektrischen Schaltkreisen , mit denen aus vielen Gründen viel einfacher zu arbeiten ist.

Stellen Sie es sich wie eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle vor. Es sind direkte Analoga, aber wenn Sie eine Spannungsquelle bauen, ist dies um einiges einfacher als eine Stromquelle.

Randnotiz

Der magnetische Fluss wird in einem Kern aufgrund der Tatsache geteilt, dass der magnetische Fluss senkrecht zum Draht ist. Das Problem mit dem elektrischen Fluss ist, dass er zwischen zwei Oberflächen zeigt, die nicht herumgeschleift sind. Wenn es sich um ein Dielektrikum drehen würde, wäre das erledigt.

In Bezug auf den Kondensator in dem anderen

Wenn der kleinere größer wird, verhält er sich wie zwei Koppelkondensatoren mit einem Vorwiderstand dazwischen. Wenn er kleiner wird, ist das gesamte elektrische Feld minimal, aber Sie könnten ein großes großes E-Feld in dieses Feld einfügen, nicht annähernd so effektiv wie ein Transformator.

Zunächst sage ich, ich weiß es nicht genau. Ich bin jedoch geneigt, nein zu sagen. Transformatoren sind keine "elementaren" elektrischen Komponenten. Kondensatoren und Induktivitäten (und Widerstände) sind allesamt grundlegende (komplexe) Impedanzelemente.

Ein Transformator besteht aus zwei Induktivitäten. Wie Sie bereits bemerkt haben, wandelt es Energie durch das Prinzip der magnetischen Induktivität um. Insbesondere basiert es auf dem räumlichen Nebeneffekt des durch eine Spule fließenden Stroms (dh der Kopplung zeitlich variierender Magnetfeldlinien). Alle "Handlungen" in einem Kondensator beschränken sich sozusagen auf das, was zwischen den Platten vor sich geht.

Die Idee der kapazitiven Kopplung, die ein "Übersprechen" zwischen benachbarten Leiterbahnen in Hochgeschwindigkeits-Signalbussen verursacht, kommt meiner doppelten Analogie zu dem, was in einem Transformator vor sich geht, am nächsten ...

Ja, Sie können zumindest einen Schritt zurücktreten. Sie können Kappen wie eine Widerstandsbrücke verwenden. Legen Sie zwei in Reihe, z. B. in einem Verhältnis von 10: 1 (10 nF und 1 nF) über 110 V Wechselstrom, und messen Sie die Wechselspannung über 10 nF Etwa 11 V Wechselstrom - dies ist eine ziemlich ineffiziente Methode, um eine niedrigere Spannung zu erzeugen. Es ist jedoch eine kostengünstige Methode, wenn Sie nur einen mA oder so benötigen. genau wie ein resistiver Teiler)

Ein Transformator ist elektrisch und magnetisch. Es ist nicht unbedingt magnetisch, daher macht es keinen Sinn, nach einem elektrischen Dual zu fragen! Wir können stattdessen fragen, was ist ein transformatorartiges Gerät, in dem Magnetismus und Elektrizität den Ort wechseln. Ich gebe dir:

Ein sich über den Primärkern änderndes Magnetfeld induziert einen Stromfluss in der Spule, der ein sich änderndes Magnetfeld im Sekundärkern induziert.

Nun gibt es eine andere Dualität, die zwischen Strom und Spannung besteht. Der Transformator hat in diesem Sinne kein Dual, weil er tatsächlich die Impedanz ändert. Wir könnten fragen, was ein Gerät ist, das den Eintritt wie eine Impedanz behandelt (diese beiden sind Duale). Aber das ist wirklich nur der Transformator selbst, nur mit einem umgekehrten Verhältnis der Wicklungen. Das heißt, ein Gerät, das die Impedanz um zwei erhöht, und ein Gerät, das die Admittanz um zwei erhöht, sind der gleiche Transformator, der nur in der entgegengesetzten Richtung verwendet wird.

Okay, ich habe das jetzt seit Monaten in meinem Kopf verfolgt. Ich habe ein paar Prototypen gebaut, um die beteiligten Bereiche zu verstehen. Ich habe endlich eine Antwort, die ich glauben kann.

Angenommen, Sie haben das ursprüngliche Konzept, einen Kondensator in einem Kondensator. Vergleichen Sie das damit:

Ich würde argumentieren, dass diese Schaltung mit unserer Vier-Platten-Anordnung identisch ist. Jede der inneren Platten unseres Vierplattenstapels ist immer noch ein Leiter mit einer großen Oberfläche und einer großen Kapazität für die Platten auf beiden Seiten. Wir haben sie als zwei separate Platten ohne Impedanz zwischen ihnen gezeichnet, aber das ändert elektrisch nichts. Jetzt sieht die Strecke bekannter aus. Es sind wirklich nur drei Kondensatoren. Und der über der Sekundärseite fügt wirklich nichts hinzu, sondern erzeugt nur einen Spannungsteiler. Das bekommen Sie ohnehin, wenn Sie eine Last anbringen.

Dies hat einige sehr ähnliche Eigenschaften wie ein Transformator. Gleichstrom kann nicht von primär zu sekundär übertragen werden, Wechselstrom jedoch. Dadurch ist das System galvanisch getrennt. Dies macht es jedoch nicht unbedingt für praktische Zwecke isoliert! Wenn Sie Wechselstrom zwischen die Primär- und Sekundärseite eines idealen Transformators schalten, geschieht nichts. Wenn Sie Wechselstrom zwischen die Primär- und Sekundärseite dieses Stromkreises schalten, fließt viel Strom. Dies würde also einen Wechselstrom-Hi-Pot-Test nicht bestehen und Gleichtaktstörungen auf der einen Seite würden sich glücklich auf die andere Seite übertragen.

Wenn dies für eine Anwendung keine Probleme sind, kann dies gegenüber einem magnetischen Transformator einige Vorteile haben. Zum einen können Sie mehr Leistung bei höheren Frequenzen übertragen, etwas umgekehrt wie bei einem Transformator. (Abhängig vom Transformator natürlich.) Es gibt keine Unklarheiten in Bezug auf Kernmaterialien und Geometrien. Ich vermute, es ist effizienter als ein Transformator, obwohl ich keine Daten habe, die das belegen. Anstelle von Wirbelströmen, Hystereseverlusten und Wicklungsverlusten haben wir nur den ESR-Verlust in den Kondensatoren, der viel geringer sein dürfte. Und es ist DC-sicher! Wenn Sie einen Transformator mit Gleichstrom versorgen, wird der Kern gesättigt und Sie brechen wahrscheinlich etwas. Setzen Sie DC darauf und es passiert absolut nichts.

Warum können wir nicht aufrüsten, wenn es wirklich das Doppelte eines Transformators ist? Weil elektrische und magnetische Felder einige fundamentale Asymmetrien aufweisen. Ein elektrisches Feld beginnt mit einer positiven Ladung und endet mit einer negativen Ladung. Sie können einen Leiter nicht dem elektrischen Feld eines anderen Leiters aussetzen. Das elektrische Feld eines Kondensators besteht in der Regel aus zwei Leitern, und wenn Sie versuchen, einen dritten einzubringen, werden nur einige der Abschlusspunkte verschoben. (Comic-Version, ich bin kein Physiker.) Aber ein Magnetfeld endet immer dort, wo es beginnt, sodass ein einzelner Leiter ein Magnetfeld haben kann, dem der Sekundärleiter mit unterschiedlicher Geometrie ausgesetzt sein kann.

Mit anderen Worten, es liegt daran, dass elektrische Felder unipolar sind und jedes Ende auf einem separaten Teilchen liegt. Magnetfelder sind dipolar und beginnen und enden an entgegengesetzten Polen desselben Magneten und bilden Schleifen. So amüsant, @ JustJeffs Kommentar wurde invertiert! Wir brauchen wirklich einen elektrischen Dipol, keinen magnetischen Monopol!

Wenn ein Transformator aus zwei Leitern besteht, die sich ein Magnetfeld teilen, sind es zwei Leiter, die sich ein elektrisches Feld teilen. Mit anderen Worten ist das Doppel des Transformators ein Paar Kondensatoren.

Ja da ist. Es ist "Schlitzgekoppelter Wellenleiter". Es ist zwar nicht so rein wie nur 2 gekoppelte Kondensatoren, aber es basiert zu fast 100% auf der Kapazität und beinhaltet eine inhärente Induktivität, einen magnetischen Luftkern und mehr Leiter.

Meine Vorstellung von einem Dual ist die Dipolantenne , oder allgemein gesagt, jede Antenne.

Ich sehe die Hauptschwierigkeit beim Finden eines Duals in der Tatsache, dass Magnetfeldlinien immer geschlossen sind, während dies bei elektrischen Feldlinien nicht der Fall ist. Dies bedeutet, dass ein Induktor für sich genommen ein in sich geschlossenes System ist und keine Energie ausstrahlen muss, ein Kondensatoranker jedoch immer nach seinem Paar sucht und mehr oder weniger stark ausstrahlt. Anders ausgedrückt: Wenn Sie einen Draht haben und (hochfrequenten) Strom einspeisen, ist es sehr wahrscheinlich, dass der Strom tatsächlich vorhanden ist, auch wenn der Stromkreis nicht sichtbar geschlossen ist. Wo genau sich der Rückweg befindet, hängt davon ab, welches große Leiterstück sich in Ihrer Nähe befindet (z. B. Aktenschrank, Sanitär usw.). Es ist möglich, eine gegenseitige Impedanz zu definieren , sehr ähnlich wie die gegenseitige Induktivität zwischen Spulen in einem Transformator definiert ist.

Beantwortet William Beaty Ihre Frage in "RIGHT ANGLE CIRCUITRY - oder - AC Electronics for Alien Minds" ?

Ein Transformator wird oft als eine Spule aus Kupferdraht links, eine Spule aus Kupferdraht rechts und ein Ferritring in der Mitte durch die Mitte eines jeden gezogen.

Dieser Artikel schlägt die Möglichkeit vor, dass links eine Ferrit- "Spule", rechts eine Ferrit- "Spule" und in der Mitte jeweils ein Kupferring durch die Mitte verläuft.

Das Hauptproblem besteht darin, dass Induktoren einen " mehrfach verbundenen Raum " einschließen"Wenn sich eine Ladung bei rein elektrostatischen E-Feldern von Punkt A zu Punkt B bewegt, durchquert sie immer den gleichen Potentialabfall, unabhängig von dem verrückten Weg, den sie nehmen könnte Die Ladung, die von A nach B wandert, sollte einen, zwei, drei Kreise bilden, die den sich ändernden Magnetfluss einschließen, dann durchquert die Ladung den 1-fachen oder 2-fachen oder 3-fachen Potentialabfall So spannungsmäßig, wenn Sie um einen Kreis herumgehen, gelangen Sie niemals zurück zu Ihrem Ausgangspunkt, und wenn Sie wiederholt herumgehen, gelangen Sie immer weiter von dem Ort weg, an dem Sie begonnen haben Schieben Sie Ihre Hand durch eine Spule mit einem schnell ansteigenden Strom, eine GRUNDLEGEND UNTERSCHIEDLICHE HAND kommt auf der anderen Seite heraus!)

Wenn wir "Magnetisierungs" -Leiter mit beweglichen magnetischen Monopolen hätten, wäre eine aus einem solchen Leiter gewickelte Spule ein viel besseres Doppel einer herkömmlichen Spule.

Hier ist ein Nicht-Dual-Dual. Stellen Sie einen Kondensator mit einem sehr langen Dielektrikum her, wie z. B. einen PZT-Stab, der die beiden Platten verbindet. Biegen Sie nun den Stab und drehen Sie ihn zu einer Spirale. (Oder vielleicht gießen und dann aushärten lassen.) Legen Sie Wechselstrom an die Kondensatorplatten an, die Sie an den Enden des dielektrischen Stabes angebracht haben. Ratten erzeugen wie jede Spule nur ein Magnetfeld, obwohl die "Spule" ein Isolator ist. Hmm. Nicht völlig verschwendet. Wir könnten wahrscheinlich ähnliche Keramikstäbe mit einem Neonschild-Transformator verbinden und dann einen Bogen zwischen ihre Enden springen. Funktioniert bei 60 Hz möglicherweise nicht gut, verwenden Sie einen dieser 30-kHz-Neon-Festkörpertreiber.

Ein Kondensator, der als Hochpassfilter konfiguriert ist, überträgt Informationen (und Energie) mithilfe des elektrischen Feldes über die Lücke.

In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass der übliche "Kondensator", den Sie auf eine Platine setzen, zwei Pole hat, aber an dieser Anordnung ist nichts erforderlich. Ein loser Leiter, der im Weltraum hängt, hat eine (kleine!) Kapazität und ist ein Kondensator.

Ich weiß nicht, ob das obige Drei-Kondensator-Modell tatsächlich ein Analogon zum Vier-Platten-Konzept ist. (Etwas, über das ich in den letzten 5 Jahren gerätselt habe, ohne die Gelegenheit zu haben, mache ich eine umfassende experimentelle Studie.)

Ich möchte vorschlagen, dass der kapazitive Effekt die inneren Platten umgeben muss, um sicherzustellen, dass die Ladung auf der Sekundärseite (C1 im ursprünglichen 4-Platten-Diagramm) der Ladung auf der Primärseite entspricht. Dieses Problem mit dem Dual wurde oben mit der Erwähnung eines "mehrfach verbundenen Raums" in Bezug auf die magnetische Kopplung der Spulen des Transformators herausgestellt. Hier brauchen wir eine elektrostatische Kopplung. (Ich werfe Worte herum, aber ich hoffe du verstehst meine Bedeutung.)

Wenn dies erreicht ist (vorausgesetzt, die Frequenz der Versorgung ist hoch, um niedrige Reaktanzen für die beiden Kondensatoren bereitzustellen), können wir sagen, dass dann Q = CV und Q1 = Q2 ist

C1V1 = C2V2 und Sie haben etwas, das das Doppelte der Ration Runden für Transformatoren ist.

Wir wissen, dass induktive Transformatoren bei niedrigen Frequenzen besser sind. Die Umwandlung - und Übertragung von Energie durch Elektrostatik - wäre bei hohen Frequenzen besser, als das Dual implizieren würde.

Da die Transformation auf dem ständigen Austausch von HF-Ladungen beruht, könnte man von einem "Flusskondensator" sprechen, außer dass ich denke, dass dieser Name vergeben ist! :)

Meine E-Mail-Adresse lautet jeffrey.stokes@tafensw.edu.au. Ich würde jede weitere Diskussion über diese Idee einladen.

Ein später Schnitt ... Wenn Sie die Spannung erhöhen möchten, müssen Sie nur die Kapazität der Primärwicklung viel höher als die der Sekundärwicklung einstellen. Das Primärteil zum inneren Plattenpaar zu machen, wäre der einfachste Weg, da der dielektrische Abstand natürlich größer ist. Wenn tatsächlich C1V1 = C2V2 ist, wie meine Gedankenexperimente mir nahegelegt haben, dann hätten wir in der Primärwicklung eine höhere Kapazität und eine niedrigere Spannung. In der Sekundärstufe hätten wir eine niedrigere Kapazität und eine höhere Spannung.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Ich habe ein Experiment mit dünnen Aluminiumblechen, Kunststofffolien und Nylonschrauben entwickelt, um ein praktisches 4-Platten-Gerät zusammenzuhalten. Der elektrische Anschluss erfolgt am Rand jeder Platte. Ich werde eine 100-kHz-Versorgung und eine 1-kOhm-Last verwenden. Ich werde meine Ergebnisse hier veröffentlichen und Bilder der Wellen sowie den RMS-Strom ein- und ausgeben. Ich werde sie die Frequenz halbieren und die "Kopplung" überprüfen. Außerdem werde ich die Kapazität für das äußere Paar verringern, indem ich zusätzliche Filmschichten einfüge und feststelle, ob dies die Wirkung hat, die Ausgangsspannung so zu erhöhen, wie ich es vorhergesagt habe.