Gibt es ein Dual des Transformators?

Eigentlich ist dies eine häufige Frage.

Dazu gibt es ein Dual. Wenn Sie Geräte haben, die eine gemeinsame Wicklung und einen gemeinsamen Magnetfluss (magnetischer "Strom") haben, ist dies ein perfektes Dual für Geräte, die einen gemeinsamen elektrischen Leiter teilen. Schönes Bild aus Wikipedia :

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Sie können auch einen Blick auf „ Magnetkreise “ werfen. Sie können anfangen, einige lustige Begriffe zu lernen, wenn Sie sich ausführlich mit diesen Konzepten befassen, wie " Magnetische Kapazität ", es scheint, dass mein Fluss eine Kapazität hat.

Die Art und Weise, wie Sie bestimmen können, wie viel Energie durch einen Transformator fließt, kann in einen magnetischen Kreis zerlegt werden, der genau wie ein elektrischer Kreis mit verschiedenen Einheiten funktioniert. Magnetkreise sind ein Analogon zu elektrischen Schaltkreisen , mit denen aus vielen, vielen Gründen viel einfacher zu arbeiten ist.

Stellen Sie es sich wie eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle vor. Sie sind direkte Analoga, aber wenn Sie eine Spannungsquelle bauen, ist es verdammt viel einfacher als eine Stromquelle.

Randnotiz

Der magnetische Fluss wird in einem Kern geteilt, da der magnetische Fluss senkrecht zum Draht verläuft. Das Problem beim elektrischen Fluss besteht darin, dass er zwischen zwei Oberflächen zeigt und nicht umschlungen wird. Wenn es um ein Dielektrikum geschlungen wäre, würde die Arbeit erledigt werden.

In Bezug auf den Kondensator im Inneren des anderen

Wenn das kleinere größer wird, verhält es sich am Ende wie zwei Koppelkondensatoren mit einem Vorwiderstand dazwischen. Wenn es kleiner wird, wird das elektrische Gesamtfeld minimal, aber Sie könnten dort ein großes, großes E-Feld einbauen, nicht annähernd so effektiv wie ein Transformator.

Ich fange damit an, dass ich es nicht genau weiß. Allerdings tendiere ich dazu nein zu sagen. Transformatoren sind keine "elementaren" elektrischen Komponenten. Kondensatoren und Induktivitäten (und Widerstände für diese Angelegenheit) sind alle grundlegende (komplexe) Impedanzgeräte.

Ein Transformator ist eine Zusammensetzung aus zwei Induktivitäten. Wie Sie bemerkt haben, wandelt es Energie durch das Prinzip der magnetischen Induktivität um. Insbesondere arbeitet es auf der Grundlage der räumlichen Nebenwirkung des Stroms, der durch eine Spule fließt (dh Kopplung zeitlich veränderlicher Magnetfeldlinien). Die gesamte "Aktion" in einem Kondensator beschränkt sich sozusagen auf das, was zwischen den Platten vor sich geht.

Das, was mir zu einer doppelten Analogie zu dem, was in einem Transformator vor sich geht, am nächsten kommt, ist die Idee der kapazitiven Kopplung, die ein "Übersprechen" zwischen benachbarten Spuren in Hochgeschwindigkeits-Signalisierungsbussen verursacht ...

Ja, Sie können zumindest zurücktreten, Sie können Kappen wie eine Widerstandsbrücke verwenden - legen Sie zwei in Reihe, beispielsweise in einem Verhältnis von 10: 1 (10 nF und 1 nf) über 110 V Wechselstrom, und messen Sie die Wechselspannung über 10 nF - Sie werden sehen Sie ungefähr 11 V Wechselstrom - es ist ein ziemlich ineffizienter Weg, um eine niedrigere Spannung zu erzeugen - aber es ist ein billiger Weg, wenn Sie nur ein mA oder so benötigen - aber je mehr Energie Sie abgreifen müssen (Sie benötigen größere Kappen), desto ineffizienter wird es ( wie ein Widerstandsteiler)

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

Die Hauptschwierigkeit bei der Suche nach einem Dual sehe ich darin, dass magnetische Feldlinien immer geschlossen sind, elektrische Feldlinien dagegen nicht. Das bedeutet, dass während ein Induktor allein ein in sich geschlossenes System ist und keine Energie abstrahlen muss, ein Kondensatoranker immer „sein Paar sucht“ und mehr oder weniger stark abstrahlt. Anders ausgedrückt: Wenn Sie einen Draht haben und (Hochfrequenz-)Strom einspeisen, ist es sehr wahrscheinlich, dass der Strom tatsächlich vorhanden ist, selbst wenn der Stromkreis nicht sichtbar geschlossen ist. Wo genau der Rückweg ist, hängt davon ab, was für ein großes Stück Leiter du in seiner Nähe hast (z. B. Aktenschrank, Sanitär usw.). Es ist möglich, eine gegenseitige Impedanz zu definieren , ähnlich wie die gegenseitige Induktivität zwischen Spulen in einem Transformator definiert wird.

Ein Transformator ist elektrisch und magnetisch. Es ist nicht streng magnetisch, daher macht es keinen Sinn, nach einem elektrischen Dual zu fragen! Wir können stattdessen fragen, was ein transformatorähnliches Gerät ist, in dem Magnetismus und Elektrizität die Plätze tauschen. Ich gebe dir:

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

Nun gibt es noch eine weitere Dualität, die zwischen Strom und Spannung. Der Transformator hat in diesem Sinne kein Dual, da er tatsächlich die Impedanz ändert. Wir könnten fragen, was ein Gerät ist, das die Zulassung wie eine Impedanz behandelt (diese beiden sind dual). Aber das ist wirklich nur der Transformator selbst, nur mit einem umgekehrten Wicklungsverhältnis. Das heißt, ein Gerät, das die Impedanz um zwei erhöht, und ein Gerät, das die Admittanz um zwei erhöht, sind derselbe Transformator, der nur in der entgegengesetzten Richtung verwendet wird.

Okay, ich verfolge das jetzt seit Monaten in meinem Kopf. Ich habe ein paar Prototypen gebaut, um die beteiligten Felder zu verstehen. Endlich habe ich eine Antwort, der ich glauben kann.

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

Ich würde argumentieren, dass diese Schaltung identisch mit unserer Vier-Platten-Anordnung ist. Jede der inneren Platten unseres Vier-Platten-Stapels ist immer noch ein Leiter mit einer großen Oberfläche und einer großen Kapazität zu den Platten auf beiden Seiten. Wir haben sie als zwei separate Platten ohne Impedanz zwischen ihnen gezeichnet, aber das ändert elektrisch nichts. Jetzt sieht die Schaltung vertrauter aus. Es sind wirklich nur drei Kondensatoren. Und der über der Sekundärseite fügt wirklich nichts hinzu, er erzeugt nur einen Spannungsteiler. Das bekommst du sowieso, wenn du eine Last anbringst.

Dieser hat einige sehr ähnliche Eigenschaften wie ein Transformator. DC kann nicht von primär zu sekundär übergehen, aber AC kann. Dadurch wird das System galvanisch getrennt. Dies bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass es für praktische Zwecke isoliert ist! Wenn Sie Wechselstrom zwischen Primär- und Sekundärseite eines idealen Transformators legen, passiert nichts. Wenn Sie Wechselstrom zwischen die Primär- und Sekundärseite dieses Stromkreises schalten, erhalten Sie viel Stromfluss. Dies würde also einen AC-Hi-Pot-Test nicht bestehen, und Gleichtaktrauschen auf einer Seite würde sich problemlos auf die andere übertragen.

Wenn dies für eine Anwendung keine Probleme sind, kann dies gegenüber einem magnetischen Transformator einige Vorteile haben. Zum einen können Sie bei höheren Frequenzen mehr Leistung übertragen, so etwas wie das Gegenteil eines Transformators. (Abhängig vom Trafo natürlich.) Es gibt keine Unklarheiten bei Kernmaterialien und -geometrien. Ich vermute, dass es effizienter ist als ein Transformator, obwohl ich keine Daten habe, um dies zu demonstrieren. Anstelle von Wirbelströmen, Hystereseverlusten und Wicklungsverlusten haben wir nur die ESR-Verluste in den Kondensatoren, die ich viel geringer erwarten würde. Und es ist DC-sicher! Wenn Sie Gleichstrom an einen Transformator anlegen, wird der Kern gesättigt und Sie beschädigen wahrscheinlich etwas. Setzen Sie DC darauf, und absolut nichts passiert.

Nun, warum können wir nicht aufsteigen, wenn es wirklich das Dual eines Transformators ist? Weil elektrische Felder und magnetische Felder einige grundlegende Asymmetrien haben. 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 umfasst definitionsgemäß zwei Leiter, und wenn Sie versuchen, einen dritten einzuführen, werden nur einige der Endpunkte verschoben. (Cartoon-Version, ich bin kein Physiker.) Ein Magnetfeld endet jedoch immer dort, wo es beginnt, sodass ein einzelner Leiter ein Magnetfeld haben kann, dem die Sekundärseite mit unterschiedlicher Geometrie ausgesetzt sein kann.

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

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

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

Beantwortet William Beaty Ihre Frage in "RIGHT ANGLE CIRCUITRY - or - 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 gezeichnet, der durch die Mitte von jedem geht.

Dieser Artikel schlägt die Möglichkeit einer Ferrit-"Spule" links, einer Ferrit-"Spule" rechts und eines Kupferrings in der Mitte vor, der jeweils durch die Mitte geht.

Das Hauptproblem besteht darin, dass Induktoren „ vielfach zusammenhängenden Raum “ beinhalten.“ Bei rein elektrostatischen E-Feldern durchläuft eine Ladung, wenn sie sich von Punkt A nach Punkt B bewegt, immer den gleichen Potentialabfall, unabhängig von dem verrückten Weg, den sie nehmen könnte Die Ladung, die sich von A nach B bewegt, sollte einen, zwei, drei Kreise bilden, die einen sich ändernden Magnetfluss einschließen, dann durchquert die Ladung den 1-fachen oder 2-fachen oder 3-fachen Potentialabfall Potenzial. Wenn Sie also im Kreis herumgehen, kommen Sie nie wieder zu Ihrem Ausgangspunkt zurück, und wenn Sie immer wieder herumgehen, landen Sie immer weiter von dem Ort entfernt, an dem Sie begonnen haben. (Und daher, wenn Sie Schieben Sie Ihre Hand durch eine Spule mit einem schnell ansteigenden Strom, kommt eine GRUNDSÄTZLICH ANDERE HAND auf der anderen Seite heraus!)

Wenn wir "magnetische" Leiter voller beweglicher magnetischer Monopole hätten, dann wäre eine aus einem solchen Leiter gewickelte Spule ein viel besseres Dual einer herkömmlichen Spule.

Hier ist ein nicht-duales Dual. Machen Sie einen Kondensator mit einem sehr langen Dielektrikum, wie einem PZT-Stab, der die beiden Platten verbindet. Biegen Sie nun den Stab und schrauben Sie ihn zu einer Spule. (Oder vielleicht gießen und dann zum Aushärten backen.) Wenden Sie Wechselstrom an den Kondensatorplatten an, die Sie an den Enden des dielektrischen Stabs befestigt haben. Ratten, es erzeugt nur ein Magnetfeld, genau wie jede Spule, obwohl die "Spule" ein Isolator ist. Hmm. Allerdings nicht ganz verschwendet. Wir könnten wahrscheinlich ähnliche Keramikstäbe mit einem Neonschild-Transformator verbinden und dann einen Bogen zwischen ihren Enden überspringen. Funktioniert möglicherweise nicht gut bei 60 Hz, verwenden Sie also einen dieser 30-kHz-Solid-State-Neon-Treiber.

Ein als Hochpassfilter konfigurierter Kondensator überträgt mithilfe des elektrischen Felds Informationen (und Energie) über die Lücke.

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

Ich weiß nicht, ob das obige Modell mit drei Kondensatoren tatsächlich ein Analogon zum Konzept mit vier Platten ist. (Etwas, worüber ich in den letzten 5 Jahren oder so gerätselt habe, ohne die Gelegenheit, eine umfassende experimentelle Studie durchzuführen.)

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) gleich der Ladung auf der Primärseite ist. Auf dieses Problem mit dem Dual wurde oben mit einer Erwähnung von "mehrfach verbundenem Raum" in Bezug auf die magnetische Kopplung der Spulen des Transformators hingewiesen. Hier brauchen wir eine elektrostatische Kopplung. (Ich werfe Worte herum, aber ich hoffe, Sie verstehen, was ich meine.)

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

C1V1 = C2V2 und Sie haben etwas, das das Dual der Windungszahl für Transformatoren ist.

Wir wissen, dass induktive Transformatoren bei niedriger Frequenz besser sind. Die Umwandlung - und Übertragung von Energie durch Elektrostatik - wäre bei hoher Frequenz besser, wie dies der Dual implizieren würde.

Da die Transformation auf dem ständigen HF-Ladungsaustausch beruht, könnte man es einen "Flusskondensator" nennen, außer dass ich denke, dass dieser Name vergeben ist! :)

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

Eine späte Bearbeitung ... Wenn Sie die Spannung erhöhen möchten, müssen Sie nur die Kapazität der Primärseite viel höher als die der Sekundärseite machen. Die Primärseite zum inneren Plattenpaar zu machen, wäre der einfachste Weg, da der dielektrische Abstand natürlich größer ist. Wenn tatsächlich C1V1 = C2V2 ist, wie mir meine Gedankenexperimente nahegelegt haben, hätten wir in der Primärseite eine höhere Kapazität und eine niedrigere Spannung. In der Sekundärseite hätten wir eine geringere Kapazität und eine höhere Spannung.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Ich habe ein Experiment mit dünnem Aluminiumblech, Plastikfolie und Nylonschrauben entwickelt, um ein praktisches 4-Platten-Gerät zusammenzuhalten. Der elektrische Anschluss erfolgt am Rand jeder Platte. Ich verwende eine 100-kHz-Versorgung und eine 1-kOhm-Last. Ich werde meine Ergebnisse hier veröffentlichen und Bilder der Wellen sowie des RMS-Stroms ein- und ausschließen. Ich werde ihnen die Frequenz halbieren und die "Kopplung" überprüfen. Außerdem werde ich die Kapazität für das äußere Paar durch Einfügen zusätzlicher Filmschichten verringern und feststellen, ob dies den Effekt hat, die Ausgangsspannung zu erhöhen, wie ich es vorhergesagt habe.