Mengapa transformer menggunakan banyak belokan?

Transformer memiliki ratusan belokan pada belitan sekunder dan primer, dan akibatnya gunakan kabel tembaga yang sangat tipis untuk masing-masingnya. Tapi, mengapa mereka tidak hanya menggunakan putaran lebih sedikit pada setiap belitan dan mendapatkan rasio tegangan yang sama?

Lebih penting lagi, mengapa tidak menggunakan lebih sedikit putaran kawat yang lebih tebal untuk peningkatan VA? (Alih-alih 1000: 100 putaran 22 kawat awg, mengapa tidak 100: 10 putaran 16 awg kawat jika ini akan meningkatkan VA)

Ketika Anda menerapkan tegangan ke belitan utama transformator daya, sebagian arus akan mengalir, bahkan ketika sekundernya adalah rangkaian terbuka. Jumlah arus ini ditentukan oleh induktansi dari kumparan primer. Primer harus memiliki induktansi yang cukup tinggi agar arus masuk akal. Untuk transformator daya 50 atau 60 Hz, induktansi ini cukup tinggi, dan Anda biasanya tidak bisa sampai di sana dengan sedikit belokan di belitan.

Jika Anda hanya memiliki 1 menyalakan inti besi, itu mungkin memiliki induktansi dari (katakanlah) 1 uH. Ketika Anda menerapkan induktansi dua putaran tidak dua kali lipat, induktansi empat kali lipat. Jadi dua belokan berarti 4 uH. "Terus?" Anda mungkin berkata!

Nah, untuk voltase AC yang diberikan, arus yang diambil oleh belitan berliku adalah seperempat dari arus untuk belitan belokan tunggal. Perhatikan karena ini mendasar dalam memahami saturasi inti.

Apa yang menyebabkan kejenuhan inti (sesuatu yang sebagian besar harus dihindari)? Jawabannya adalah arus dan jumlah belokan. Ini disebut kekuatan motif magneto dan memiliki dimensi belokan ampere.

Jadi, dengan dua belokan dan seperempat arus, belokan ampere (gaya gerak magneto) adalah setengah dari belokan tunggal. Jadi, segera kita dapat mengamati bahwa jika dua belokan membawa inti ke "tepi" saturasi, satu putaran belitan akan secara signifikan jenuh dan menjadi masalah besar.

Ini adalah alasan mendasar mengapa transformer menggunakan banyak belokan primer. Jika transformator tertentu memiliki 800 putaran dan berada pada titik saturasi, secara signifikan mengurangi putaran akan memenuhi inti.

Apa yang terjadi ketika inti jenuh yang mungkin Anda tanyakan. Induktansi mulai turun dan lebih banyak arus diambil dan ini menjenuhkan inti lebih banyak dan baik, Anda harus melihat di mana ini akan pergi.

Perhatikan bahwa jawaban ini tidak menganggap apa pun selain belitan primer; pada dasarnya kita hanya berbicara tentang induktansi magnetisasi primer - ini dan ini saja yang dapat menjenuhkan inti. Arus beban sekunder tidak memiliki bagian untuk dimainkan dalam saturasi inti.

Perhatikan juga bahwa trafo yang digunakan dalam catu daya switching kecepatan tinggi memiliki belokan yang relatif sedikit; 10 henry pada 50 Hz memiliki impedansi 3142 ohm dan 1 mH pada 500 kHz memiliki impedansi yang persis sama. Untuk inti yang secara alami menghasilkan 10 uH untuk satu putaran, untuk memutar 1 mH membutuhkan sepuluh putaran (ingat ternyata kuadrat dalam rumus induktansi). Untuk inti yang sama pada 50 Hz (tentu saja tidak praktis), 10 henry membutuhkan 1000 putaran.

Jika Anda memiliki inti besi untuk transformator, salah satu spesifikasinya adalah "berapa belokan yang harus dimiliki oleh satu belitan per satu volt ketika frekuensi diberikan". Seseorang tidak dapat melewati spesifikasi ini dan memiliki belokan lebih sedikit tanpa konsekuensi berikut

• efisiensi berkurang
• lebih banyak arus transversal yang tidak diinginkan yang hanya menyebabkan kerugian, tetapi tidak berguna untuk proses transformasi tegangan

Arus transversal dapat dibuat lebih rendah dengan meningkatkan induktansi dari belitan primer.

Turn / volt spec adalah konsekuensi dari daftar fakta berikut yang semuanya cenderung membuat induktansi kumparan lebih kecil:

• bahan besi memiliki permeabilitas magnetik yang terbatas
• inti besi tidak bisa terbuat dari besi penuh. Ini dibagi menjadi lapisan terisolasi tipis untuk menjaga arus eddy cukup kecil di inti. Insulasi mengambil ruang dan itu terlepas dari setrika
• fluks magnet satu belitan memintas sebagian besi dan belitan lainnya
• terlalu banyak arus transversal menyebabkan saturasi magnetik pada setrika. Saturasi secara radikal mengurangi permeabilitas magnetik

Bagaimana seseorang bisa melawan ini dengan menambahkan lebih banyak belokan? Itu karena induktansi tumbuh sebagai kuadrat dari jumlah belokan. Seseorang dapat bangkit: Tetapi magnetisasi (= berubah x arus) tumbuh juga! Benar, tetapi itu hanya tumbuh secara linear, sehingga cukup bergantian, maka akhirnya induktansi cukup tinggi untuk mengatasi kelemahan.

Tepatnya, tidak semua kekurangan. Ruang terbatas. Jadi lebih banyak belokan berarti bahwa kawat harus lebih tipis. Ini meningkatkan resistensi dan kerugian resistif (= pemanasan).

Transformer bekerja dengan mentransfer energi melalui fluks magnet dari satu sisi ke sisi lain.

Kedua belah pihak dibuat oleh induktor, induktor primer menciptakan medan magnet, yang diinduksi ke induktor sekunder.

$\Phi$

Induktansi induktor ditentukan oleh jumlah belokan (di samping area, atau ukuran):

Lihat Wikipedia di Induktansi

Sebuah transformator kecil biasanya diinginkan, jadi lebih banyak belokan lebih baik daripada ukuran yang lebih besar (cukup cantumkan).

Induktansi harus sesuai dengan frekuensi listrik. Kalau tidak, belitan primer akan memungkinkan arus listrik dan magnet yang cukup untuk mengalir (untuk frekuensi yang lebih tinggi) atau lebih seperti korsleting (untuk frekuensi yang lebih rendah). Keduanya tidak diinginkan.

Frekuensi yang lebih rendah memerlukan induktansi yang lebih tinggi (= lebih banyak putaran atau inti yang lebih besar). Ini adalah alasan mengapa mengganti catu daya, menggunakan frekuensi yang lebih tinggi dalam hundrets kisaran kHz - MHz, menggunakan transformator yang sangat kecil sambil dapat mentransfer daya lebih banyak dibandingkan dengan transformer konvensional.

Kutipan dari artikel Wikipedia tentang transformer :

EMF dari transformator pada kerapatan fluks yang diberikan meningkat dengan frekuensi. ^[16] Dengan beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi, transformer dapat secara fisik lebih kompak karena inti yang diberikan mampu mentransfer lebih banyak daya tanpa mencapai saturasi dan lebih sedikit putaran diperlukan untuk mencapai impedansi yang sama .

(Penekanan milikku.)

Lihat Wikipedia tentang Pengaruh frekuensi pada transformer

Begitu,

• kekuatan transformator perlu ditransfer ditentukan oleh arus yang mengalir melalui kumparannya
• arus yang harus dilakukan kawat menentukan ketebalan kawat (yang berperan dalam ukuran)
• ukuran kumparan dan jumlah putaran menentukan induktansi
• induktansi pada frekuensi tertentu menentukan kemampuan untuk mentransfer energi

Kesimpulan: Anda harus membuat trafo lebih besar secara fisik untuk mengurangi jumlah belitan. Saat mengurangi jumlah belitan, Anda menurunkan efisiensi dan menambah kerugian. Dan ini biasanya tidak diinginkan.

Medan magnet puncak di inti terkait dengan tegangan yang diterapkan puncak per putaran. Semakin besar area inti, semakin banyak volt per putaran dapat dihasilkan.

Medan magnet dalam inti tidak dapat diizinkan untuk melebihi nilai saturasi tertentu, jika hal itu terjadi maka permeabilitas dari besi turun, dan transformator harus menarik urutan magnitudo lebih banyak arus untuk mempertahankan magnetisasi. Jadi ini benar-benar membatasi berapa volt per putaran dapat didukung, dan memberi Anda jumlah belokan minimum untuk belitan apa pun.

Untuk inti toroidal kecil tipikal (50 VA, ish?) Yang harus saya tangani, penampang core 25 mm kali 13 mm. Jika saya menjalankan inti dengan fluks memuncak pada ± 1,8 T pada 50 Hz, itu akan menghasilkan sekitar 170 mV puncak per putaran. Jadi belitan 12 Vrms akan membutuhkan 100 putaran, belitan utama 240 V membutuhkan 2000 putaran. Saya bisa menggunakan lebih banyak belokan dari ini, tetapi belokan yang lebih sedikit akan mendorong inti ke saturasi.

Jika saya menggunakan inti dengan luas penampang bantalan kereta api, 130 mm x 250 mm, saya bisa mendapatkan 12 Vrms dalam satu belokan, tetapi juga transformator yang agak berat.

Premis dasar Anda salah, jadi pertanyaannya tidak bisa dijawab.

Transformer memiliki banyak variasi tegangan dan arus untuk input dan outputnya. Beberapa menggunakan banyak belokan kawat tipis (tegangan tinggi, arus rendah). Beberapa menggunakan beberapa putaran kawat tebal (tegangan rendah, arus tinggi).

Jadi jawaban untuk "Mengapa mereka tidak ..." , adalah "Mereka melakukannya" (bila perlu).

Bagi mereka yang tidak suka jawaban ini

Saya melihat jawaban ini mendapatkan sejumlah downvotes, dan tentang jumlah upvotes yang sama. Jelas itu kontroversial. Beberapa melihatnya sebagai kualitas rendah, terutama setelah orang lain berspekulasi tentang arti sebenarnya OP dalam komentar.

Terlepas dari apa yang orang lain pikirkan tentang OP, dia memulai dengan premis yang sangat keliru, yaitu bahwa transformer memiliki 100 putaran baik pada pendahuluan maupun sekundernya dan bahwa kawat tembaga "tipis" selalu digunakan. Itu kemudian terdengar seperti salah satu pertanyaan retoris "Mengapa tidak semua orang melakukannya dengan cara lain yang jelas ini."

Inilah yang saya jawab. Ini adalah jawaban yang benar untuk pertanyaan yang ditafsirkan di atas. Mungkin bukan itu yang ingin ditanyakan OP . Mungkin memang begitu. Perhatikan bahwa OP belum kembali untuk memberikan klarifikasi atau mengedit pertanyaan sama sekali.

Pertanyaan yang jauh lebih baik adalah tentang timbal balik dari lebih sedikit putaran kawat tebal versus lebih banyak putaran kawat tipis. Yang bertanya dengan hormat tanpa terlebih dahulu menghakimi atau mendahului anggapan keliru akan mendapat jawaban yang sangat berbeda. Namun, sekali lagi, itulah yang sebenarnya ditanyakan, dan bahkan bukan apa yang dimaksud OP.

Sekalipun OP benar-benar kembali dan mengubah pertanyaan, saya akan membiarkan jawaban ini sebagai pengingat untuk mengajukan pertanyaan dengan baik dan jelas, dan untuk tidak memulai dengan menyatakan asumsi yang salah sebagai fakta.