Los transformadores tienen cientos de vueltas tanto en el bobinado secundario como en el primario, y como resultado utilizan cables de cobre muy finos para cada uno. Pero, ¿por qué no solo 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 el VA? (en lugar de 1000: 100 giros de cable 22 awg, ¿por qué no 100: 10 giros de cable 16 awg si esto aumentara VA)?
Cuando aplica voltaje al devanado primario de un transformador de potencia, fluirá algo de corriente, incluso cuando el circuito secundario esté abierto. La cantidad de esta corriente está determinada por la inductancia de la bobina primaria. El primario debe tener una inductancia lo suficientemente alta como para mantener esa corriente razonable. Para transformadores de potencia de 50 o 60 Hz, esta inductancia es bastante alta, y normalmente no se puede llegar con un pequeño número de giros en el devanado.
Si solo tuviera 1 vuelta en un núcleo de hierro, podría tener una inductancia de (por ejemplo) 1 uH. Cuando se aplican dos vueltas, la inductancia no se duplica, se cuadruplica. Así que dos turnos significa 4 uH. "¿Y qué?" puedes decir!
Bueno, para una tensión de CA aplicada, la corriente que toma ese devanado de dos vueltas es un cuarto 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 se debe evitar en gran medida)? La respuesta es la corriente y el número de vueltas. Se llama fuerza motriz magnética y tiene dimensiones de amperios giros.
Entonces, con dos giros y un cuarto de la corriente, los giros de amperios (fuerza motriz magneto) son la mitad de un devanado de un solo giro. Entonces, inmediatamente podemos observar que si dos vueltas llevaran el núcleo al "borde" de la saturación, una sola bobina de giro se saturaría significativamente y sería un gran problema.
Esta es la razón fundamental por la que los transformadores usan muchos giros primarios. Si un transformador determinado tiene 800 giros y está en el punto de saturación, reducir significativamente los giros saturará el núcleo.
¿Qué sucede cuando el núcleo se satura? La inductancia comienza a disminuir y se toma más corriente y esto satura el núcleo más y mejor, debes 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 esto solo lo que puede saturar el núcleo. Las corrientes de carga secundarias no tienen ninguna función que desempeñar en la saturación del núcleo.
También tenga en cuenta que los transformadores utilizados en las fuentes de alimentación de conmutación 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 produce naturalmente 10 uH para un solo giro, enrollar 1 mH requiere diez turnos (recuerde que los giros son cuadrados en la fórmula de inductancia). Para el mismo núcleo a 50 Hz (no es práctico, por supuesto), 10 henry requiere 1000 turnos.
Si tiene un núcleo de hierro para un transformador, una de sus especificaciones es "cuántas vueltas debe tener un devanado por voltio cuando se da la frecuencia". Uno no puede pasar por alto esta especificación y tener menos turnos sin tener las siguientes consecuencias
La corriente transversal puede reducirse aumentando la inductancia del devanado primario.
La especificación de voltios / voltios es una consecuencia de la siguiente lista de hechos que tienen una tendencia a hacer que las inductancias de la bobina sean más pequeñas:
¿Cómo se puede luchar contra estos agregando más turnos? Es porque la inductancia crece como el cuadrado del número de vueltas. Uno puede arque: ¡Pero la magnetización (= gira x corriente) también crece! Es cierto, pero crece solo de forma lineal, por lo tanto, lo suficiente como para que finalmente la inductancia sea lo suficientemente alta como para superar los inconvenientes.
Exactamente, no todos los inconvenientes. El espacio es limitado. Así, más vueltas significa que el cable debe ser más delgado. Esto aumenta la resistencia y las pérdidas resistivas (= calentamiento).
Los transformadores funcionan mediante la transferencia de 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 un flujo magnético (\ $ \ Phi \ $) a partir de una corriente y es proporcional:
$$ L = {d \ Phi \ over di} \ text {y} d \ Phi = L * di $$
La inductancia de un inductor está determinada por el número de vueltas (al lado del área o tamaño):
$$ N = {µ N² A \ sobre l} \ texto {(simplificado, relación reducida de longitud de bobina)} $$
Ver Wikipedia en Inductancia
Un transformador pequeño suele ser deseable, por lo que más vueltas es mejor que un tamaño más grande (simplemente, en pocas palabras).
La inductancia tiene que coincidir con la frecuencia de la red. De lo contrario, el devanado primario permitiría ahora que fluya suficiente corriente eléctrica y, por lo tanto, magnética (para frecuencias más altas) o es más como un cortocircuito (para frecuencias más bajas). Ambos no son deseables.
Las frecuencias más bajas requieren una mayor inductancia (= más vueltas o núcleos más grandes). Esta es la razón por la que las fuentes de alimentación de conmutación, que utilizan frecuencias más altas en los cientos de kHz - MHz, utilizan transformadores tan pequeños que pueden transferir mucha más energía en comparación con los transformadores convencionales.
Una cita del artículo de Wikipedia sobre transformadores :
La FEM 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 dado puede transferir más potencia sin para alcanzar la saturación y se necesitan menos giros para lograr la misma impedancia .
(Emphasis mine.)
Ver Wikipedia en Efecto de la frecuencia en los transformadores
Entonces,
Conclusión: necesitaría hacer el transformador físicamente más grande para reducir el número de devanados. Cuando se reduce el número de devanados, se reduce la eficiencia y se aumentan las pérdidas. Y esto no suele ser deseable.
El campo magnético pico en el núcleo está relacionado con el voltaje pico aplicado por turno. Cuanto mayor sea el área del núcleo, más volts por turno 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 de las gotas de hierro, y el transformador tiene que extraer órdenes de magnitud más actuales para mantener la magnetización. Por lo tanto, esto limita estrictamente la cantidad de voltios por turno que se puede soportar, y por lo tanto le da un número mínimo de giros para cualquier devanado.
Para un núcleo toroidal pequeño (50 VA, ¿ish?) típico que tengo a mano, la sección transversal del núcleo es de 25 mm por 13 mm. Si ejecuto el núcleo con el flujo máximo a ± 1.8 T a 50 Hz, generará alrededor de 170 mV de pico por vuelta. Por lo tanto, un devanado de 12 Vrms necesitaría 100 giros, el devanado principal de 240 V necesitaría 2000. Podría usar más turnos que esto, pero un menor número de giros empujaría el núcleo a la saturación.
Si utilizara un núcleo con el área de la sección transversal de un durmiente ferroviario, 130 mm x 250 mm, podría obtener 12 Vrms en una sola vuelta, pero también un transformador bastante difícil de manejar.
Tu premisa básica es falsa, por lo que la pregunta no puede responderse.
Los transformadores vienen en muchas variedades de voltaje y corriente para sus entradas y salidas. Algunos usan muchas vueltas de cable delgado (alto voltaje, baja corriente). Algunos usan pocas vueltas de cable grueso (bajo voltaje, alta corriente).
Entonces, la respuesta a "¿Por qué no ...? es" Lo hacen "(cuando es apropiado).
Veo que esta respuesta ha recibido un número de votos negativos, y aproximadamente el mismo número 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 significaba el OP, comenzó con una premisa inexplicablemente falsa, que es que los transformadores tienen cientos de vueltas en sus primarias y secundarias y que el cable de cobre "delgado" siempre es usado. Entonces suena como uno de esos "¿Por qué no todos lo hacen de esta manera obvia" preguntas retóricas.
Esto es lo que respondí. Es la respuesta correcta a la pregunta tal como se interpretó anteriormente. Quizás eso no es lo que el OP quería decir preguntar. Quizas lo es. Tenga en cuenta que el OP no ha vuelto a proporcionar ninguna aclaración o editar la pregunta en absoluto.
Una pregunta mucho mejor habría sido acerca de las ventajas y desventajas de menos vueltas de cable grueso en comparación con más vueltas de cable delgado. El hecho de solicitarlo respetuosamente sin emitir un juicio previo o presumir premisas falsas habría obtenido una respuesta muy diferente. Sin embargo, nuevamente, eso es lo que realmente se pidió, y ni siquiera lo que parece que significaba el OP.
Incluso si el OP regresa y cambia la pregunta, dejaré que esta respuesta sirva como un recordatorio para hacer preguntas de manera correcta y sin ambigüedades, y para no comenzar por establecer suposiciones erróneas como hechos.
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