¿Por qué los transformadores usan tantas vueltas?

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)

Básicamente, ¿está preguntando: "¿Por qué un diseñador de transformadores necesitaría un transformador que tome una entrada de 120 VCA y emita 12,6 VCA y, por lo tanto, necesite una relación de giros de 10: 1, use 1000 giros en el primario y 100 giros en el secundario en lugar de 600 giros? enciende el primario y 60 enciende el secundario? ¿Qué factor hace esa elección?" ¿Es esa tu pregunta?
"Los transformadores tienen cientos de vueltas tanto en el devanado secundario como en el primario" . No, no lo hacen, al menos no siempre. Un gran ejemplo es una pistola de soldar. Por lo general, tienen un secundario de un solo giro.
Los transformadores a menudo terminan usando el 10% de la corriente de potencia nominal solo para la magnetización del núcleo para mejorar el factor de acoplamiento más cerca de 1. Por lo tanto, incluso una pistola de soldar tiene mil vueltas en el primario para lograr esta corriente de 100 mA o más V/(2pifL) y luego usar >1 A a 120V para 125W. El número de vueltas dicta el valor de la primaria L, no el diámetro del cable. El secundario de una sola vuelta permite la alta relación de impulso de corriente. Por lo tanto, cuanto más pequeño sea el transformador, más giros se necesitarán para aumentar la impedancia sin carga y reducir la corriente sin carga a <=10 %.
Si ayuda a entender esto de manera más intuitiva, menos vueltas lo convierten en un imán horrible. Además, NO convierte funcionalmente en un cortocircuito muerto, lo cual es muy útil para un transformador de detección de corriente, pero tonto y peligroso para un transformador potencial, ya que los cortocircuitos muertos en cantidades significativas de voltaje tienden a explotar.
Lea la pregunta como: ¿por qué los transformadores usan tantas vueltas para transformar...
@Neil_UK Acusar a alguien de marionetas es acusarlo de usar deliberadamente varias cuentas para crear una falsa impresión de consenso. Acusar a alguien de eso es bastante desagradable, así que por favor no lo hagas sin pruebas. Parece abrumadoramente más probable que el autor de esta pregunta simplemente no haya utilizado la función de búsqueda del sitio.
@DavidRicherby No tengo defensa, ni siquiera estoy bajo la influencia de nada al publicar, aunque noté que a un par de personas les gustó el comentario. He conocido a personas que han usado una segunda cuenta para evitar que les digan que no hagan la misma pregunta dos veces. Eso es diferente al sockismo, del cual no lo estaba acusando. Pido disculpas y no lo volveré a hacer, ni siquiera en broma.
cualquiera que sea la respuesta... la pregunta es impresionante.

Respuestas (6)

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.

Correcto, y también mencionar la permeabilidad del núcleo del mundo real y las dimensiones del núcleo. Por ejemplo, si el mu de hierro fuera 1000 veces más alto, entonces las primarias de 1 vuelta funcionarían bien. O enrolle nuestros primarios de 1 vuelta en núcleos de hierro de varias toneladas de un metro de ancho. (Je, o deshazte de los 60 Hz y usa una red eléctrica de 30 KHz, como se hace en la industria aeroespacial).
@wbeaty No, la permeabilidad no afecta la saturación. Si desea un primario de 1 vuelta en ese tamaño de núcleo, necesitaría hierro saturado a 2000T en lugar de 2T. ¡Los núcleos de un metro de ancho funcionarían!
@mkeith Si bien la inductancia mantiene baja la corriente, la inductancia depende de la permeabilidad del núcleo, que colapsará si el flujo del núcleo supera la saturación. Debemos diseñar suficientes giros para mantener el campo central lo suficientemente bajo. Si pudiéramos duplicar la permeabilidad del hierro, mientras que eso reduciría a la mitad la corriente de magnetización consumida, no reduciría a la mitad el número de vueltas que podríamos usar.
Tenga en cuenta que la frecuencia es importante: un transformador con una clasificación VA similar que funcione en un avión a 440 Hz será mucho más pequeño y requerirá menos vueltas (y, por lo tanto, menos cobre, menos peso, etc.).

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.

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .
@DaveTweed No estoy de acuerdo con una eliminación tan temprana de comentarios que señalan una falla técnica grave en una respuesta.
Y no estoy de acuerdo con @MassimoOrtolano cuando afirma que la saturación del núcleo no es causada por la corriente. Bio Savart informa que el flujo magnético es directamente proporcional a la corriente. Y no importa nada si la cosa es un transformador o una antena de cuadro. Escuché los argumentos y acepto que puede usar segundos de voltios, pero ¿por qué Massimo niega el vínculo entre corriente y flujo? Eso es lo que yo llamo un defecto técnico. ¿Por qué Massimo no está dando el mismo tratamiento prolongado a otras respuestas que dicen lo mismo?
@MassimoOrtolano: Los comentarios no se han eliminado, solo se han movido a una sala de chat. Siga el enlace proporcionado arriba. Y por favor continúe la discusión allí. Si llegas a alguna conclusión, publícala aquí.

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

  • eficiencia reducida
  • más corriente transversal no deseada que solo causa pérdidas, pero no hace nada útil para el proceso de transformación de voltaje

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:

  • el material de hierro tiene una permeabilidad magnética limitada
  • el núcleo de hierro no puede estar hecho de hierro completo. Está dividido en finas capas aisladas para mantener las corrientes de Foucault lo suficientemente pequeñas en el núcleo. El aislamiento toma su espacio y eso se quita de la plancha.
  • el flujo magnético de un devanado pasa parcialmente por alto el hierro y los otros devanados
  • demasiada corriente transversal provoca la saturación magnética en el hierro. La saturación reduce radicalmente la permeabilidad magnética.

¿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 ( Φ ) de una corriente y es proporcional:

L = d Φ d i  y  d Φ = L ∗ d i

La inductancia de un inductor está determinada por el número de vueltas (además del área o tamaño):

norte = µ norte ² A yo  (relación área de bobinado-longitud simplificada y reducida) 

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,

  • la potencia que el transformador necesita transferir está determinada por la corriente que fluye a través de sus bobinas
  • la corriente que el cable tiene que conducir determina el grosor del cable (que influye en el tamaño)
  • el tamaño de la bobina y el número de vueltas determinan la inductancia
  • la inductancia a una determinada frecuencia determina la capacidad de transferir energía

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.

Puede ser útil tener en cuenta que una "cama de tren" a la que la gente en los EE. UU. se referiría como una "corbata"; cuando vi el término por primera vez, antes de leer las dimensiones, pensé que el autor se refería a un vagón estilo Pullman.
¿Podría proporcionar algún tipo de referencia numérica de dónde obtiene estas cifras? He buscado un poco en Internet y más allá de la fórmula básica N1/N2 y algunas fórmulas de "números mágicos". Tengo problemas para encontrar una respuesta coherente que describa por qué a uno le importa la cantidad de vueltas, la frecuencia y el núcleo. Tamaño de un transformador. Le agradecería que simplemente tuviera un documento de referencia con esta información; con toda esta (incorrecta) información difundida, me temo que podría necesitar leer un libro de texto para diseñar un transformador simple.
@inkyvoyd 25 mm x 13 mm se mide desde mi núcleo con calibradores, 1,8 T para el flujo máximo proviene de las hojas de datos para transformadores de hierro. La transformación entre flujo, área, frecuencia y voltaje proviene de la Ley de Faraday. Puedes ver un ejemplo trabajado de esto en acción en otra de mis respuestas aquí

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).

A los que no les gusta esta respuesta

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.

No marque las respuestas como de baja calidad a menos que sean spam o no sean una respuesta. Si no te gusta, dale un voto negativo.
@laptop2d: ¿A quién va dirigido?
@ laptop2d no, para eso está el indicador "no es una respuesta". este es el epítome de la baja calidad.
@laptop2d también, el sistema coloca automáticamente respuestas muy votadas en esa cola. Realmente necesita volver a leer la guía sobre Baja calidad antes de hacer afirmaciones como esa.
@Passe y otros. Ver adición a la respuesta. Esto responde a lo preguntado . Es posible que no estemos de acuerdo con la interpretación de esta pregunta ambigua, pero esta es una respuesta válida a una interpretación que no se puede descartar.
¿Por qué los transformadores usan tantas vueltas?
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