Los transformadores tienen cientos de vueltas tanto en el devanado secundario como en el primario y, como resultado, usan cables de cobre muy delgados para cada uno. Pero, ¿por qué no usan menos vueltas en cada devanado y obtienen la misma relación de voltaje?
Más importante aún, ¿por qué no usar menos vueltas de un cable más grueso para aumentar la VA? (en lugar de 1000:100 vueltas de cable de 22 awg, ¿por qué no 100:10 vueltas de cable de 16 awg si esto aumentara VA)
Cuando aplica voltaje al devanado primario de un transformador de potencia, fluirá algo de corriente, incluso cuando el circuito secundario está abierto. La cantidad de esta corriente está determinada por la inductancia de la bobina primaria. El primario debe tener una inductancia lo suficientemente alta para mantener esa corriente razonable. Para transformadores de potencia de 50 o 60 Hz, esta inductancia es bastante alta y, por lo general, no se puede llegar allí con una pequeña cantidad de vueltas en el devanado.
Si tuviera solo 1 vuelta en un núcleo de hierro, podría tener una inductancia de (digamos) 1 uH. Cuando aplicas dos vueltas, la inductancia no se duplica, se cuadriplica. Entonces dos vueltas significan 4 uH. "¿Así que lo que?" ¡podrías decir!
Bueno, para un voltaje de CA dado aplicado, la corriente que toma ese devanado de dos vueltas es una cuarta parte de la corriente para un devanado de una sola vuelta. Tome nota porque esto es fundamental para comprender la saturación del núcleo.
¿Qué causa la saturación del núcleo (algo que debe evitarse en gran medida)? La respuesta es la corriente y el número de vueltas. Se llama fuerza motriz magneto y tiene dimensiones de amperios vueltas.
Entonces, con dos vueltas y un cuarto de la corriente, el amperio de vueltas (fuerza magnetomotriz) es la mitad del devanado de una sola vuelta. Entonces, inmediatamente podemos observar que si dos vueltas llevaron el núcleo al "borde" de la saturación, una bobina de una sola vuelta se saturaría significativamente y sería un gran problema.
Esta es la razón fundamental por la que los transformadores utilizan muchas espiras primarias. Si cierto transformador tiene 800 vueltas y está en el punto de saturación, reducir significativamente las vueltas saturará el núcleo.
Te preguntarás qué sucede cuando el núcleo se satura. La inductancia comienza a caer y se toma más corriente y esto satura más el núcleo y bueno, deberías ver a dónde va esto.
Tenga en cuenta que esta respuesta no ha considerado nada más que el devanado primario; en efecto, solo estamos hablando de la inductancia de magnetización primaria: es esto y solo esto lo que puede saturar el núcleo. Las corrientes de carga secundarias no juegan ningún papel en la saturación del núcleo.
También tenga en cuenta que los transformadores utilizados en fuentes de alimentación conmutadas de alta velocidad tienen relativamente pocas vueltas; 10 henry a 50 Hz tiene una impedancia de 3142 ohmios y 1 mH a 500 kHz tiene exactamente la misma impedancia. Para un núcleo que naturalmente produce 10 uH por una sola vuelta, enrollar 1 mH requiere diez vueltas (recuerde que son vueltas al cuadrado en la fórmula de inductancia). Para el mismo núcleo a 50 Hz (poco práctico, por supuesto), 10 Henry requiere 1000 vueltas.
Si tiene un núcleo de hierro para un transformador, una de sus especificaciones es "cuántas vueltas debe tener un devanado por un voltio cuando se da la frecuencia". No se puede pasar por alto esta especificación y tener menos turnos sin tener las siguientes consecuencias
La corriente transversal se puede reducir aumentando la inductancia del devanado primario.
La especificación de vueltas/voltios es una consecuencia de la siguiente lista de hechos que tienden a hacer que las inductancias de la bobina sean más pequeñas:
¿Cómo se puede luchar contra estos añadiendo más turnos? Es porque la inductancia crece como el cuadrado del número de vueltas. Uno puede arquear: ¡Pero la magnetización (=vueltas x corriente) también crece! Es cierto, pero crece solo de forma lineal, por lo que gira lo suficiente, y finalmente la inductancia es lo suficientemente alta como para superar los inconvenientes.
Exacto, no todos los inconvenientes. El espacio es limitado. Por lo tanto, más vueltas significa que el cable debe ser más delgado. Esto aumenta la resistencia y las pérdidas resistivas (=calentamiento).
Los transformadores funcionan transfiriendo energía a través del flujo magnético de un lado al otro.
Ambos lados están formados por inductores, el inductor primario crea un campo magnético, que se induce en el inductor secundario.
La inductancia determina la capacidad de crear flujo magnético ( ) de una corriente y es proporcional:
La inductancia de un inductor está determinada por el número de vueltas (además del área o tamaño):
Ver Wikipedia sobre inductancia
Por lo general, es deseable un transformador pequeño, por lo que más vueltas es mejor que un tamaño más grande (en pocas palabras).
La inductancia tiene que coincidir con la frecuencia de la red. De lo contrario, el devanado primario ahora permitiría que fluya suficiente corriente eléctrica y, por lo tanto, magnética (para frecuencias más altas) o sería más como un cortocircuito (para frecuencias más bajas). Ambos no son deseables.
Las frecuencias más bajas requieren una inductancia más alta (= más vueltas o núcleos más grandes). Esta es la razón por la que las fuentes de alimentación conmutadas, que utilizan frecuencias más altas en el rango de cientos de kHz - MHz, utilizan transformadores tan pequeños y pueden transferir mucha más potencia en comparación con los transformadores convencionales.
Una cita del artículo de Wikipedia sobre transformadores :
La EMF de un transformador a una densidad de flujo dada aumenta con la frecuencia. [16] Al operar a frecuencias más altas, los transformadores pueden ser físicamente más compactos porque un núcleo determinado puede transferir más potencia sin llegar a la saturación y se necesitan menos vueltas para lograr la misma impedancia .
(Énfasis mío).
Ver Wikipedia sobre el efecto de la frecuencia en los transformadores
Asi que,
Conclusión: necesitaría hacer el transformador físicamente más grande para reducir la cantidad de devanados. Al reducir el número de devanados, se reduce la eficiencia y se aumentan las pérdidas. Y esto no suele ser deseable.
El campo magnético máximo en el núcleo está relacionado con el voltaje máximo aplicado por vuelta. Cuanto mayor sea el área del núcleo, más voltios por vuelta se pueden generar.
No se puede permitir que el campo magnético en el núcleo exceda un cierto valor de saturación, si lo hace, entonces la permeabilidad del hierro cae, y el transformador tiene que extraer órdenes de magnitud más de corriente para mantener la magnetización. Esto limita estrictamente la cantidad de voltios por vuelta que se pueden admitir y, por lo tanto, le brinda una cantidad mínima de vueltas para cualquier devanado.
Para un núcleo toroidal típico pequeño (¿50 VA, ish?) que tengo a mano, la sección transversal del núcleo es de 25 mm por 13 mm. Si ejecuto el núcleo con un flujo máximo de ±1,8 T a 50 Hz, generará un pico de aproximadamente 170 mV por vuelta. Entonces, un devanado de 12 Vrms necesitaría 100 vueltas, el devanado de red de 240 V necesitaría 2000. Podría usar más vueltas que esto, pero menos vueltas empujarían el núcleo a la saturación.
Si usara un núcleo con el área de la sección transversal de una traviesa de ferrocarril, 130 mm x 250 mm, podría obtener 12 Vrms en una sola vuelta, pero también un transformador bastante difícil de manejar.
Su premisa básica es falsa, por lo que la pregunta realmente no puede responderse.
Los transformadores vienen en muchas variedades de voltaje y corriente para sus entradas y salidas. Algunos usan muchas vueltas de alambre delgado (alto voltaje, baja corriente). Algunos usan pocas vueltas de alambre grueso (bajo voltaje, alta corriente).
Entonces, la respuesta a "¿Por qué no..." es "Sí lo hacen" (cuando es apropiado).
Veo que esta respuesta ha recibido una cantidad de votos negativos y aproximadamente la misma cantidad de votos positivos. Obviamente es controvertido. Algunos lo ven como de baja calidad, especialmente después de que otros hayan especulado sobre el verdadero significado del OP en los comentarios.
A pesar de lo que otros piensan que quiso decir el OP, comenzó con una premisa descaradamente falsa, que es que los transformadores tienen cientos de vueltas tanto en sus primarios como en sus secundarios y que siempre se usa un cable de cobre "delgado". Entonces suena como una de esas preguntas retóricas "¿Por qué no todos lo hacen de esta otra manera obvia?" .
Esto es lo que respondí. Es la respuesta correcta a la pregunta interpretada anteriormente. Quizás eso no es lo que el OP pretendía preguntar. Tal vez lo es. Tenga en cuenta que el OP no ha regresado para proporcionar ninguna aclaración o editar la pregunta.
Una pregunta mucho mejor habría sido sobre las ventajas y desventajas de menos vueltas de alambre grueso frente a más vueltas de alambre delgado. Eso preguntado respetuosamente sin emitir un juicio previo o presuponer premisas falsas habría obtenido una respuesta muy diferente. Sin embargo, nuevamente, eso es ahora lo que realmente se preguntó, y ni siquiera lo que parece significar el OP.
Incluso si el OP regresa y cambia la pregunta, dejaré que esta respuesta sea un recordatorio para hacer preguntas de manera adecuada y sin ambigüedades, y para no comenzar declarando suposiciones incorrectas como hechos.
broma
olin lathrop
Tony Estuardo EE75
usuario39962
zx8754
David Richerby
Neil_ES
siempre confundido