Warum verwenden Transformatoren so viele Windungen?

Transformatoren haben Hunderte von Windungen sowohl in der Sekundär- als auch in der Primärwicklung und verwenden daher jeweils sehr dünne Kupferdrähte. Aber warum verwenden sie nicht einfach weniger Windungen an jeder Wicklung und erhalten das gleiche Spannungsverhältnis?

Noch wichtiger, warum nicht weniger Windungen eines dickeren Drahtes für einen erhöhten VA verwenden? (statt 1000:100 Windungen 22 AWG Draht, warum nicht 100:10 Windungen 16 AWG Draht, wenn dies den VA erhöhen würde)

Fragen Sie im Grunde: "Warum würde ein Transformatorkonstrukteur, der einen Transformator benötigt, der 120 VAC Eingang nimmt und 12,6 VAC ausgibt und daher ein Windungsverhältnis von 10: 1 benötigt, 1000 Windungen auf der Primärseite und 100 Windungen auf der Sekundärseite anstelle von 600 verwenden schaltet die Primärseite ein und 60 Umdrehungen die Sekundärseite? Welcher Faktor trifft diese Wahl?“ Ist das Ihre Frage?
"Transformatoren haben Hunderte von Windungen sowohl in der Sekundär- als auch in der Primärwicklung" . Nein, tun sie nicht, zumindest nicht immer. Ein gutes Beispiel ist eine Lötpistole. Diese haben normalerweise eine Singleturn-Sekundärseite.
Transformatoren verbrauchen am Ende oft 10% des Nennstroms nur für die Kernmagnetisierung, um den Kopplungsfaktor näher an 1 zu bringen. So hat selbst eine Lötpistole tausend Umdrehungen auf der Primärseite, um diesen Strom von etwa 100 mA V / (2 pifL) zu erreichen dann verwenden >1 A bei 120 V für 125 W. Die Anzahl der Windungen bestimmt den Wert des primären L, nicht der Drahtdurchmesser. Die Sekundärseite mit einer Windung ermöglicht das hohe Stromverstärkungsverhältnis. Je kleiner also der Transformator ist, desto mehr Windungen sind erforderlich, um die Leerlaufimpedanz zu erhöhen und den Leerlaufstrom auf <= 10 % zu reduzieren.
Wenn es hilft, dies intuitiver zu verstehen, sind weniger Umdrehungen ein schrecklicher Magnet. Außerdem macht NO es funktional zu einem toten Kurzschluss, was für einen Strommesstransformator sehr nützlich ist, aber für einen potenziellen Transformator albern und gefährlich, da tote Kurzschlüsse über bedeutende Spannungsmengen dazu neigen, zu explodieren.
Lesen Sie die Frage als: Warum verwenden Transformatoren so viele Windungen, um zu transformieren ...
@Neil_UK Jemanden des Sockenpuppenspiels zu beschuldigen bedeutet, ihn zu beschuldigen, absichtlich mehrere Konten zu verwenden, um einen falschen Eindruck von Konsens zu erwecken. Das ist eine ziemlich üble Sache, jemandem etwas vorzuwerfen, also tun Sie das bitte nicht ohne Beweise. Es scheint überwältigend wahrscheinlicher, dass der Fragesteller die Suchfunktion der Website einfach nicht verwendet hat.
@DavidRicherby Ich habe keine Verteidigung, ich möchte nicht einmal unter dem Einfluss von irgendetwas stehen, wenn ich poste, obwohl ich bemerke, dass ein paar Leute den Kommentar mochten. Ich habe Leute getroffen, die ein zweites Konto verwendet haben, um nicht aufgefordert zu werden, dieselbe Frage zweimal zu stellen. Das ist etwas anderes als Sockismus, den ich ihm nicht vorgeworfen habe. Ich entschuldige mich und werde es nicht noch einmal tun, auch nicht im Scherz.
Was auch immer die Antwort ist ... die Frage ist großartig.

Antworten (6)

Wenn Sie Spannung an die Primärwicklung eines Leistungstransformators anlegen, fließt ein gewisser Strom, selbst wenn die Sekundärwicklung offen ist. Die Höhe dieses Stroms wird durch die Induktivität der Primärspule bestimmt. Die Primärwicklung muss eine ausreichend hohe Induktivität haben, um diesen Strom angemessen zu halten. Bei 50- oder 60-Hz-Leistungstransformatoren ist diese Induktivität ziemlich hoch, und Sie können diese Induktivität normalerweise nicht mit einer kleinen Anzahl von Windungen in der Wicklung erreichen.

Richtig, und erwähnen Sie auch die reale Kernpermeabilität und Kernabmessungen. Wenn zum Beispiel das Mu von Eisen zufällig 1000-mal höher wäre, dann würden 1-Turn-Primärkreise gut funktionieren. Oder wickeln Sie unsere 1-Windungs-Primärspulen auf meterbreite Multi-Tonnen-Eisenkerne. (Heh, oder lassen Sie die 60 Hz fallen und verwenden Sie ein 30-kHz-Stromnetz, wie es in der Luft- und Raumfahrt üblich ist.)
@wbeaty Nein, die Durchlässigkeit hat keinen Einfluss auf die Sättigung. Wenn Sie eine 1-Wende-Primärwicklung in dieser Kerngröße wünschen, benötigen Sie Eisen, das bei 2000 T statt 2 T gesättigt ist. Meterbreite Kerne würden funktionieren!
@mkeith Während die Induktivität den Strom niedrig hält, hängt die Induktivität von der Kernpermeabilität ab, die zusammenbricht, wenn der Kernfluss über die Sättigung steigt. Wir müssen genügend Windungen entwerfen, um das Kernfeld niedrig genug zu halten. Wenn wir die Eisenpermeabilität verdoppeln könnten, würde dies zwar den gezogenen Magnetisierungsstrom halbieren, aber nicht die Anzahl der Windungen, die wir verwenden könnten.
Beachten Sie, dass die Frequenz wichtig ist - ein Transformator mit ähnlicher VA-Bewertung, der in einem Flugzeug mit 440 Hz betrieben wird, ist viel kleiner und erfordert weniger Windungen (und damit weniger Kupfer, weniger Gewicht usw.).

Wenn Sie nur 1 Windung an einem Eisenkern hätten, könnte er eine Induktivität von (sagen wir) 1 uH haben. Wenn Sie zwei Windungen anlegen, verdoppelt sich die Induktivität nicht, sondern vervierfacht sich. Zwei Umdrehungen bedeuten also 4 uH. "Na und?" du könntest sagen!

Nun, für eine gegebene angelegte Wechselspannung ist der Strom, der von dieser Wicklung mit zwei Windungen aufgenommen wird, ein Viertel des Stroms für eine Wicklung mit einer einzigen Windung. Beachten Sie dies, da dies für das Verständnis der Kernsättigung von grundlegender Bedeutung ist.

Was verursacht Kernsättigung (etwas, das weitgehend vermieden werden sollte)? Die Antwort ist der Strom und die Anzahl der Windungen. Es heißt magneto-motorische Kraft und hat Abmessungen von Amperewindungen.

Bei zwei Windungen und einem Viertel des Stroms ist die Amperewindung (magnetomotorische Kraft) also halb so groß wie bei einer Wicklung mit einer Windung. Wir können also sofort beobachten, dass, wenn zwei Windungen den Kern an den „Rand“ der Sättigung bringen, eine Spule mit einer einzigen Windung erheblich gesättigt und ein großes Problem darstellen würde.

Dies ist der Hauptgrund, warum Transformatoren viele Primärwindungen verwenden. Wenn ein bestimmter Transformator 800 Windungen hat und sich am Sättigungspunkt befindet, wird der Kern durch eine deutliche Reduzierung der Windungen gesättigt.

Was passiert, wenn der Kern gesättigt ist, fragen Sie sich vielleicht. Die Induktivität beginnt zu fallen und es wird mehr Strom entnommen, und dies sättigt den Kern mehr und gut, Sie sollten sehen, wohin dies führt.

Beachten Sie, dass diese Antwort nichts anderes als die Primärwicklung berücksichtigt hat; Tatsächlich sprechen wir nur über die primäre Magnetisierungsinduktivität - diese allein kann den Kern sättigen. Sekundärlastströme spielen bei der Kernsättigung keine Rolle.

Beachten Sie auch, dass Transformatoren, die in Hochgeschwindigkeits-Schaltnetzteilen verwendet werden, relativ wenige Windungen haben; 10 Henry bei 50 Hz hat eine Impedanz von 3142 Ohm und 1 mH bei 500 kHz hat genau die gleiche Impedanz. Für einen Kern, der natürlich 10 uH für eine einzelne Windung erzeugt, erfordert das Wickeln von 1 mH zehn Windungen (denken Sie daran, dass die Windungen in der Formel für die Induktivität quadriert sind). Für denselben Kern bei 50 Hz (natürlich unpraktisch) erfordern 10 Henry 1000 Umdrehungen.

Kommentare sind nicht für längere Diskussionen gedacht; diese Konversation wurde in den Chat verschoben .
@DaveTweed Ich bin mit einem so frühen Entfernen von Kommentaren nicht einverstanden, die auf einen schwerwiegenden technischen Fehler einer Antwort hinweisen.
Und ich stimme @MassimoOrtolano nicht zu, wenn er behauptet, dass die Kernsättigung nicht durch Strom verursacht wird. Bio Savart informiert, dass der magnetische Fluss direkt proportional zum Strom ist. Dabei spielt es überhaupt keine Rolle, ob das Ding ein Trafo oder eine Rahmenantenne ist. Ich habe die Argumente gehört und akzeptiere, dass Sie Voltsekunden verwenden können, aber warum bestreitet Massimo die Verbindung zwischen Strom und Fluss. Das nenne ich mal einen technischen Defekt. Warum gibt Massimo anderen Antworten, die dasselbe sagen, nicht die gleiche langwierige Behandlung?
@MassimoOrtolano: Die Kommentare wurden nicht entfernt, sie wurden nur in einen Chatroom verschoben. Folgen Sie dem oben angegebenen Link. Und bitte setzen Sie die Diskussion dort fort. Wenn Sie zu irgendwelchen Schlussfolgerungen kommen, posten Sie sie hier.

Wenn Sie einen Eisenkern für einen Transformator haben, ist eine seiner Spezifikationen "wie viele Windungen eine Wicklung pro Volt haben muss, wenn die Frequenz gegeben ist". Man kann diese Spezifikation nicht umgehen und weniger Runden haben, ohne die folgenden Konsequenzen zu haben

  • reduzierter Wirkungsgrad
  • mehr ungewollter Querstrom, der nur Verluste verursacht, aber für den Spannungswandlungsprozess nichts nützt

Der Querstrom kann durch Erhöhen der Induktivität der Primärwicklung verringert werden.

Die Windungs-/Voltspezifikation ist eine Folge der folgenden Liste von Tatsachen, die alle dazu neigen, die Spuleninduktivitäten kleiner zu machen:

  • das Eisenmaterial hat eine begrenzte magnetische Permeabilität
  • Der Eisenkern kann nicht aus Volleisen bestehen. Es ist in dünne Isolierschichten aufgeteilt, um die Wirbelströme im Kern klein genug zu halten. Die Isolierung nimmt ihren Platz ein und das ist weg vom Bügeleisen
  • Der magnetische Fluss einer Wicklung umgeht teilweise das Eisen und die anderen Wicklungen
  • zu viel Querstrom verursacht eine magnetische Sättigung im Eisen. Die Sättigung verringert radikal die magnetische Permeabilität

Wie kann man dagegen ankämpfen, indem man weitere Runden hinzufügt? Das liegt daran, dass die Induktivität mit dem Quadrat der Anzahl der Windungen wächst. Man kann sagen: Aber die Magnetisierung (=Windungen x Strom) wächst auch! Richtig, aber es wächst nur linear, also genug gedreht, dann ist endlich die Induktivität hoch genug, um die Nachteile auszumerzen.

Genau, nicht alle Nachteile. Der Platz ist begrenzt. Mehr Windungen bedeuten also, dass der Draht dünner sein muss. Dies erhöht den Widerstand und die ohmschen Verluste (=Erwärmung).

Transformatoren funktionieren, indem sie Energie durch magnetischen Fluss von einer Seite zur anderen übertragen.

Beide Seiten bestehen aus Induktoren, der primäre Induktor erzeugt ein Magnetfeld, das in den sekundären Induktor induziert wird.

Die Induktivität bestimmt die Fähigkeit, einen magnetischen Fluss zu erzeugen ( Φ ) aus einem Strom und ist proportional:

L = d Φ d ich  und  d Φ = L ∗ d ich

Die Induktivität eines Induktors wird durch die Anzahl der Windungen (neben der Fläche oder Größe) bestimmt:

N = µ N ² EIN l  (vereinfachtes, reduziertes Wickelfeld-Längenverhältnis) 

Siehe Wikipedia auf Induktivität

Ein kleiner Transformator ist normalerweise wünschenswert, daher sind mehr Windungen besser als eine größere Größe (einfach ausgedrückt).

Die Induktivität muss zur Netzfrequenz passen. Sonst würde die Primärwicklung jetzt entweder genügend elektrischen und damit magnetischen Strom fließen lassen (bei höheren Frequenzen) oder gleicht eher einem Kurzschluss (bei niedrigeren Frequenzen). Beides ist nicht erwünscht.

Niedrigere Frequenzen erfordern eine höhere Induktivität (= mehr Windungen oder größere Kerne). Dies ist der Grund, warum Schaltnetzteile, die höhere Frequenzen im Hunderter-kHz-MHz-Bereich verwenden, so kleine Transformatoren verwenden, während sie im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren viel mehr Leistung übertragen können.

Ein Zitat aus dem Wikipedia- Artikel über Transformatoren :

Die EMK eines Transformators bei einer gegebenen Flussdichte nimmt mit der Frequenz zu. [16] Durch den Betrieb bei höheren Frequenzen können Transformatoren physikalisch kompakter sein, da ein bestimmter Kern mehr Leistung übertragen kann, ohne die Sättigung zu erreichen, und weniger Windungen erforderlich sind, um die gleiche Impedanz zu erreichen .

(Hervorhebung von mir.)

Siehe Wikipedia zum Einfluss der Frequenz auf Transformatoren

Damit,

  • Die Leistung, die der Transformator übertragen muss, wird durch den Strom bestimmt, der durch seine Spulen fließt
  • der Strom, den der Draht leiten muss, bestimmt die Drahtdicke (die in die Größe einfließt)
  • die Größe der Spule und die Anzahl der Windungen bestimmen die Induktivität
  • die Induktivität bei einer bestimmten Frequenz bestimmt die Fähigkeit, Energie zu übertragen

Fazit: Sie müssten den Transformator physisch größer machen, um die Anzahl der Wicklungen zu reduzieren. Wenn Sie die Anzahl der Wicklungen verringern, verringern Sie den Wirkungsgrad und erhöhen die Verluste. Und das ist in der Regel nicht erwünscht.

Das Spitzenmagnetfeld im Kern hängt mit der angelegten Spitzenspannung pro Windung zusammen. Je größer die Fläche des Kerns ist, desto mehr Volt pro Windung können erzeugt werden.

Das Magnetfeld im Kern darf einen bestimmten Sättigungswert nicht überschreiten, sonst sinkt die Permeabilität des Eisens und der Transformator muss um Größenordnungen mehr Strom ziehen, um die Magnetisierung aufrechtzuerhalten. Dies begrenzt also streng, wie viele Volt pro Windung unterstützt werden können, und gibt Ihnen so eine minimale Anzahl von Windungen für jede Wicklung.

Für einen typischen kleinen (50 VA, ish?) Ringkern, den ich zur Hand habe, beträgt der Kernquerschnitt 25 mm mal 13 mm. Wenn ich den Kern mit einem Flussmaximum von ±1,8 T bei 50 Hz betreibe, erzeugt er etwa 170 mV Peak pro Umdrehung. Eine 12-Vrms-Wicklung würde also 100 Windungen benötigen, die 240-V-Netzwicklung 2000. Ich könnte mehr Windungen verwenden, aber weniger Windungen würden den Kern in die Sättigung bringen.

Wenn ich einen Kern mit der Querschnittsfläche einer Eisenbahnschwelle, 130 mm x 250 mm, verwenden würde, könnte ich 12 Vrms in einer einzigen Windung bekommen, aber auch einen ziemlich unhandlichen Transformator.

Es kann nützlich sein, darauf hinzuweisen, dass ein "Eisenbahnschweller" das ist, was die Leute in den USA als "Krawatte" bezeichnen würden; Als ich den Begriff zum ersten Mal sah, bevor ich die Abmessungen las, dachte ich, der Autor bezog sich auf eine Kutsche im Pullman-Stil.
Könnten Sie bitte eine Art numerischen Hinweis darauf geben, woher Sie diese Zahlen beziehen? Ich habe mich ein wenig im Internet umgesehen und über die grundlegende N1 / N2-Formel und einige Formeln mit "magischen Zahlen" hinaus habe ich Probleme, eine kohärente Antwort zu finden, die beide beschreibt, warum man sich um die Anzahl der Windungen, die Frequenz und den Kern kümmert Größe eines Transformators. Ich würde es begrüßen, wenn Sie auch einfach ein Referenzdokument mit diesen Informationen hätten - bei all diesen (Fehl-)Informationen, die sich verbreiten, fürchte ich, dass ich möglicherweise nur ein Lehrbuch lesen muss, um einen einfachen Transformator zu entwerfen.
@inkyvoyd 25 mm x 13 mm werden von meinem Kern mit Bremssätteln gemessen, 1,8 T für den Spitzenfluss stammen aus Datenblättern für Transformatoreisen. Die Transformation zwischen Fluss, Fläche, Frequenz und Spannung ergibt sich aus dem Faradayschen Gesetz. Sie können ein funktionierendes Beispiel dafür in einer anderen meiner Antworten hier sehen

Ihre grundlegende Prämisse ist falsch, daher kann die Frage nicht wirklich beantwortet werden.

Transformatoren gibt es in vielen Spannungs- und Stromvarianten für ihre Ein- und Ausgänge. Einige verwenden viele Windungen dünnen Drahtes (Hochspannung, niedriger Strom). Einige verwenden wenige Windungen dicken Drahtes (niedrige Spannung, hoher Strom).

Die Antwort auf "Warum tun sie nicht..." lautet also "Sie tun" (wenn es angebracht ist).

An diejenigen, denen diese Antwort nicht gefällt

Wie ich sehe, hat diese Antwort eine Reihe von Abwertungen und ungefähr die gleiche Anzahl von Aufwertungen erhalten. Offensichtlich ist es umstritten. Einige sehen es als minderwertig an, besonders nachdem andere in Kommentaren über die wahre Bedeutung des OP spekuliert haben.

Ungeachtet dessen, was andere denken , dass das OP gemeint war, begann er mit einer offensichtlich falschen Prämisse, nämlich dass Transformatoren sowohl auf ihren Primär- als auch auf ihren Sekundärwicklungen Hunderte von Windungen haben und dass immer "dünner" Kupferdraht verwendet wird. Es klingt dann wie eine dieser rhetorischen Fragen „Warum macht es nicht jeder auf diese andere offensichtliche Weise?“ .

Das habe ich geantwortet. Es ist die richtige Antwort auf die oben interpretierte Frage. Vielleicht wollte das OP das nicht fragen . Vielleicht ist es. Beachten Sie, dass das OP nicht zurückgekehrt ist, um eine Klarstellung zu geben oder die Frage überhaupt zu bearbeiten.

Eine viel bessere Frage wäre über die Kompromisse von weniger dicken Drahtwindungen gegenüber mehr dünnen Drahtwindungen gewesen. Wer respektvoll gefragt hätte, ohne vorher ein Urteil zu fällen oder falsche Prämissen anzunehmen, hätte eine ganz andere Antwort bekommen. Aber noch einmal, das wurde jetzt tatsächlich gefragt und nicht einmal das, was das OP gemeint zu haben scheint.

Selbst wenn das OP zurückkommt und die Frage ändert, werde ich diese Antwort als Erinnerung stehen lassen, Fragen richtig und eindeutig zu stellen und nicht damit zu beginnen, falsche Annahmen als Fakten anzugeben.

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@laptop2d: An wen ist das gerichtet?
@laptop2d nein, dafür ist das Flag "keine Antwort" da. Dies ist der Inbegriff von niedriger Qualität.
@laptop2d Außerdem platziert das System hochgradig negativ bewertete Antworten automatisch in dieser Warteschlange. Sie müssen die Anleitung zu niedriger Qualität wirklich noch einmal lesen, bevor Sie solche Aussagen machen.
@Passe und andere. Siehe Ergänzung zur Antwort. Dies beantwortet , was gefragt wurde . Wir mögen uns bei der Interpretation dieser mehrdeutigen Frage nicht einig sein, aber dies ist eine gültige Antwort auf eine Interpretation, die nicht ausgeschlossen werden kann.
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