Spielt die Anzahl der Windungen im Windungsverhältnis bei Transformatoren eine Rolle?

Die Anzahl der Windungen an einem Transformator ist von großer Bedeutung. Das Windungsverhältnis ist eine von vielen Überlegungen bei der Konstruktion eines Transformators. Im Folgenden finden Sie allgemeine Überlegungen zum Entwurf eines Transformators.

• Wie Tobalt feststellte, ist die Magnetisierungsinduktivität wichtig. Zu wenige Windungen verbrauchen auch ohne Last zu viel Strom.
• Sie benötigen ein Minimum an Windungen, um eine Sättigung des Kerns zu vermeiden. Die Anzahl der Windungen steuert die Flussdichte . Wenn der Kern gesättigt ist, sieht Ihre Primärwicklung für den Treiber wie ein Kurzschluss aus. Sie können auch steuern, wann ein Transformator gesättigt ist, indem Sie die effektive Kernfläche ändern.
• Eine zunehmende Windungszahl erhöht die Streuinduktivität (kann als Serieninduktivität entweder in den Primär- oder Sekundärleitungen modelliert werden), was unerwünscht sein kann. Es gibt Fälle, in denen eine Streuinduktivität wünschenswert ist. Die Streuinduktivität kann auch durch Steuern der physikalischen Positionierung der Wicklungen gesteuert werden und kann die Kosten einer erhöhten Baukomplexität erhöhen.
• Eine Erhöhung der Windungszahl senkt die Resonanzfrequenz des Transformators (größere Induktivität, größere Eigenkapazität). Sie möchten die Resonanzfrequenz mindestens 5x über der höchsten Betriebsfrequenz halten (meine Faustregel).
• Drahtdurchmesser und -typ (einzeln, gebündelt, Litze) sind wichtig und beeinflussen den Wicklungsverlust (Kupfer) . Für einen Transformator, der mit einer einzigen Frequenz betrieben wird, gibt es einen optimalen Drahtdurchmesser, der AC-Kupferverluste (Wirbelverluste: Proximity-Effekt , der bei Frequenzen unter etwa 1 MHz hervorsticht, und Skin-Effekt ) und DC-Kupferverluste ausgleicht. Der Proximity-Effekt kann durch die Verwendung von Bündel- oder Litzendraht reduziert werden, der Skin-Effekt kann durch die Verwendung von Litzendraht reduziert werden - beides sind teure Optionen. Der Kupferverlust ist ein wichtiger Aspekt bei Leistungstransformatoren.
• Kernverluste werden durch die Flussdichte beeinflusst. Weniger Windungen haben eine höhere Flussdichte, was einen höheren Kernverlust bedeutet. Kernverluste sind ein wichtiger Aspekt bei Leistungstransformatoren

Jedes gegebene Kernmaterial, jeder Querschnitt und jede Frequenz hat eine maximale Voltzahl pro Windung. Wenn Sie die Wicklung bei einer bestimmten Spannung verwenden möchten, benötigen Sie genügend Windungen, um diese Spannung zu unterstützen.

Zum Beispiel läuft Niederfrequenz-Netztransformatorstahl nur bis zu einem Spitzenfeld von etwa 1,7 T, bevor er gesättigt ist. Wenn Sie einen Kern von 10 mm x 20 mm hatten und ihn mit 50 Hz betreiben wollten, dann ist die schnellste Feldschwankung für eine Sinuswellenspannung 2pi.Bf = 6,28 x 1,7 x 50 = 534 T/s. In den 200 mm ² des Kerns ist das eine Spitzenflussänderungsrate von 0,1 Weber/s, was bedeutet, dass der Kern bei dieser Frequenz nur 0,1 V/Umdrehung unterstützt.

Eine 240-Vrms-Netzwicklung auf diesem Kern müsste 340 Vpeak unterstützen, würde also mindestens 3400 Windungen benötigen.

Offensichtlich hat B tatsächlich einige Vorteile. Andernfalls würden alle Transformatoren eine winzige Anzahl von Windungen verwenden. Mehr Windungen erzeugen mehr Magnetisierungsinduktivität$L_M \propto N^2$.

Stellen Sie sich einen Transformator mit offener Sekundärseite vor, der im Wesentlichen eine große Induktivität ist. Wenn Sie eine Wechselspannung mit Frequenz anschließen$f$an der Primärseite wird es eine Impedanz von sehen$2 \pi f L_M$. Wenn diese Impedanz zu niedrig ist, fließt viel Strom durch die Primärwicklung und wird wirkungslos verschwendet. Dieser überschüssige Strom ist zusätzlich zum normalen Laststrom auch vorhanden, wenn die Sekundärseite angeschlossen ist. Daher sollte der Überstrom minimiert werden und$L_M$sollte maximiert werden. In der Praxis gibt es einen Kompromiss zwischen einem ausreichend großen$L_M$und ein kleiner / billiger Transformator, so$N$wird weder <10 noch extrem hoch sein.

Beispiele:

• Für einen SMPS-Transformator, bei dem die niedrigste Frequenz vielleicht 100 kHz beträgt, brauchen Sie nicht viel$L_M$Um einen übermäßigen Primärstrom zu vermeiden, ist eine eher geringe Anzahl von Windungen in Ordnung.
• Für einen Mikrofonübertrager haben Sie eine untere Endfrequenz von vielleicht 20 Hz und außerdem möchten Sie die Signalquelle nicht zu sehr belasten, also brauchen Sie viel davon$L_M$, was 1000 Umdrehungen auf der Primärseite bedeuten kann.
• 50 Hz Netztransformatoren brauchen auch groß$L_M$, weil die Primärspannung hoch ist, die Frequenz niedrig ist und der Leerlaufstrom niedrig sein soll.

Das Transformatordesign muss viele verschiedene Variablen optimieren. Und ich bin kein Experte. Die Primärwicklung des Transformators muss jedoch genügend Windungen haben, damit sie wie eine große Induktivität wirkt und verhindert, dass übermäßiger Strom fließt. Wenn Sie einen bestimmten Transformatorkern nehmen, können Sie die Primärwicklung entweder mit vielen Windungen aus feinem Draht (Hochspannungs-Primärwicklung) oder mit weniger Windungen aus dickerem Draht (Niederspannungs-Primärwicklung) wickeln.

Aber in beiden Fällen MÜSSEN Sie den gesamten Wicklungsbereich mit Kupfer füllen, um sicherzustellen, dass der Transformator gut funktioniert und einen niedrigen Widerstand hat und seine Nennleistung handhabt.

Sie können nicht einfach eine Windung dünnen Drahtes anbringen. Das ist im Grunde ein Kurzschluss, kein Transformator. Wenn Sie also einen Transformatorkern basierend auf den Leistungsanforderungen auswählen, dann wählen Sie Ihre Betriebsspannung, dann können Sie berechnen, wie viele Windungen erforderlich sind, um eine Übersättigung des Kerns zu verhindern. DANN wählen Sie einen Drahtdurchmesser, der den verfügbaren Raum effizient ausfüllt.

So funktioniert der Designprozess mehr oder weniger. Sobald die Primärspannung eingestellt ist, wählen Sie die Anzahl der Sekundärwindungen, um die gewünschte Sekundärspannung zu erhalten. Sobald Sie die Anzahl der sekundären Windungen kennen, wählen Sie einen Drahtdurchmesser, der den Raum effektiv ausfüllt.

Im Allgemeinen haben Sie bei 50- oder 60-Hz-Leistungstransformatoren viele Windungen an Ihrer Primärwicklung.