¿Cómo los devanados en un transformador residencial crean un punto muerto y por qué los hots están en la fase opuesta?

El transformador no se manifiesta neutral: la barra de tierra sí lo hace.

Oalmenosdebería,segúnloscódigoseléctricos.Elcableado"neutral" está conectado a la "conexión a tierra de seguridad" en exactamente un punto, y la conexión a tierra de seguridad está conectada a esta gran barra de cobre atascada en la tierra. Es "neutral" porque está conectado a la Tierra, y dado que probablemente también esté tocando (quizás de manera indirecta) la Tierra, el neutral no le producirá una descarga (sin fallas en el cableado, por lo que hay una conexión a tierra separada, que debería es lo mismo que neutral).

Como un esquema, se ve así:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Debido a que el "neutro" es la toma central del transformador, en cualquier punto, el voltaje en el neutro estará exactamente a la mitad entre los voltajes de los "hots". Por lo tanto, V1 es 120V, V2 es 120V, y si sumas los dos juntos obtienes 240V en V3. O dicho de otra manera, V1 = V2, en términos de CA o voltajes de CC en cualquier momento.

La razón por la que están en la fase opuesta debe ser evidente a partir del esquema: V1 tiene neutral en el lado "-", mientras que V2 lo tiene en el lado "+". Como dibujé el esquema, V1 y V2 están realmente en fase, pero si invirtió V2 para que el "-" estuviera en punto muerto, entonces estarían en la fase opuesta. Debido a que se trata de CA, el lado que es neutral y el caliente es irrelevante en gran medida, excepto cuando se consideran detalles menores como la seguridad.

El transformador secundario consiste en un cable realmente largo. Los 'hots' están conectados a los extremos del cable, y el 'neutral' está conectado al medio. Luego, el cable se envuelve en una bobina enrollada alrededor del núcleo del transformador. La corriente que fluye a través del lado primario del transformador crea un campo magnético oscilante en el núcleo del transformador. Este campo induce un campo eléctrico en el secundario. Dado que todo el devanado experimenta el mismo campo magnético (más o menos), el voltaje inducido será el mismo a lo largo de toda la bobina. Si en un momento dado se inducen 100V a lo largo de toda la bobina y la toma "neutral" está exactamente en el medio, verá 50V entre el "neutral" y los "hots". Ahora, si considera que el 'neutral' es 'potencial cero', entonces un 'hot' estará a -50V y el otro a + 50V. Usted puede considerar que un 'caliente' tiene un potencial cero. En este caso, un 'caliente' estará a 0 V, el 'neutral' a 50 V y el otro 'caliente' a 100V. La conexión 'neutral' es realmente una cuestión de perspectiva. Esta relación se mantiene con cualquier señal que pase por el transformador. Si pasa una señal de CA y considera que el 'neutral' es 0V, entonces los dos 'hots' serán copias invertidas de cada uno. Si considera que uno de los 'hots' es cero, obtendrá dos formas de onda con la misma fase fuera del 'neutral' y la otra 'caliente', pero la forma de onda que sale del 'neutral' tendrá la mitad de la amplitud

Al ignorar los efectos parásitos como la resistencia, la inductancia de fuga, etc., se puede considerar que un transformador ideal con un secundario con toma central son dos transformadores sin tomas centrales: uno se conecta desde el lado de suministro a las dos patas exteriores de la salida; el otro tiene un devanado que conecta el tramo superior de la salida con el "centro", y el otro conecta el tramo inferior con el centro.

Un transformador ideal con una relación de giros T dada se comportará de tal manera que satisfaga las ecuaciones:

V(sec) = -V(pri) * T
I(sec) = I(pri) * T

Aunque los transformadores reales solo funcionan con CA (a medida que las frecuencias se vuelven más bajas, su comportamiento está dominado cada vez más por efectos parasitarios, hasta el punto de que en DC dejarían de ser utilizables como transformadores), un transformador ideal funcionaría igualmente bien en todas las frecuencias desde DC hasta la luz del día, por lo que a veces es útil pensar en términos de DC.

En nuestro transformador de tres terminales con toma central, si los terminales están etiquetados como H, L y C, entonces, V (x) es el voltaje en el terminal x, e I (x) es la corriente que fluye hacia el terminal x , entonces

V(sec) = V(L)-V(C)
V(pri) = V(H)-V(C)
I(L) = I(sec)
I(H) = I(pri)
I(C) = -(I(L)+I(L))

Imagine que el transformador se acciona con 1 voltio entre las dos patas (con la pata "alta" positiva), y una resistencia de 1 ohmio está conectada entre la pata positiva y el centro. Lo único que está conectado a la parte inferior de la pierna es el suministro. En este escenario, cada devanado verá medio voltio a través de él, por lo que la resistencia que atraviesa uno de los devanados también verá medio voltio y pasará la mitad de un amperio. Por lo tanto, la mitad de un amplificador fluirá hacia el terminal central del transformador. Debido a que los dos devanados llevan la misma corriente, la mitad de la corriente fluirá hacia arriba y la mitad fluirá hacia abajo. La corriente (1/4 amp) que fluye hacia abajo recirculará todo a través del suministro (no tiene a dónde ir), mientras que la corriente que fluye hacia arriba (también 1/4 amp) recirculará a través de la carga. Por lo tanto, el lado superior de la resistencia se alimenta de 1/4 amp de la fuente de alimentación y 1/4 amp del transformador.

Tenga en cuenta que el hecho de que la toma central está a medio camino entre los dos voltajes se ve forzado por el hecho de que la mitad de la corriente que atraviesa la resistencia proviene del suministro y la otra mitad del devanado superior del transformador. Esencialmente, hace que la corriente a través de la resistencia sea la mitad de lo que sería si estuviera conectada directamente a través de la fuente, lo que a su vez hace que su caída de voltaje sea la mitad de la tensión de la fuente.

Como se señaló, solo los transformadores ideales funcionan en DC; Los reales no lo hacen. Por lo tanto, uno tendría que usar AC (y aceptar sus complicaciones) para modelar el comportamiento de los transformadores reales. No obstante, considerar el comportamiento de un transformador ideal con CC debería aclarar cómo un transformador real puede alimentar corriente dentro o fuera del cable neutro para mantener su voltaje a la mitad entre los otros cables.