Может ли трансформатор работать, если ядро ​​не круглое?

Я пытаюсь построить трансформатор для преобразования 12 В переменного тока в 5 В переменного тока. Вот что у меня сейчас:

Я еще не отрегулировал соотношение обмоток, но я попробовал его, просто чтобы увидеть, будет ли какой-нибудь выход, а на самом деле его нет. Я проверил ядро ​​и оно ферромагнитное, поэтому я думаю, что оно не может работать, потому что центр ядра пуст (это труба), или потому что соленоиды не могут быть выровнены, а ядро ​​должно быть круглым.

Я был бы очень признателен, если бы кто-нибудь мог объяснить мне, что не так с этим дизайном и почему он не работает (или почему он должен).

Ядро не обязательно должно быть круглым, но оно должно быть закрыто, иначе связанный поток будет очень низким.

Более того, тот факт, что труба пуста, не улучшает ситуацию, поскольку поток концентрируется там, где имеется более высокая проницаемость, то есть в сердечнике, но чистая часть сердечника в вашем случае мала. Фактически большая часть секции катушки заполнена воздухом, который обладает плохой проницаемостью.

Вы не можете закрыть ядро ​​простым куском железной проволоки. Это не будет эффективно, так как поток будет ограничен в меньшем участке провода. Имейте в виду, что поток подчиняется своего рода «закону Ома для магнитных цепей», который называется законом Хопкинсона .

Роль сопротивления принимает величина, известная как сопротивление , которая пропорциональна чистой части сердечника, где течет поток. Поток аналогичен току. Поэтому крошечный участок сильно ограничит поток. Поскольку роль напряжения принимает магнитодвижущая сила (MMF), которая зависит от тока в катушке, вы можете понять, что при одинаковом токе в первичной обмотке и высоком сопротивлении из-за магнитного потока, ограниченного в небольшом участке провода поток будет небольшим, и, следовательно, индуцированный ток во вторичной обмотке будет небольшим.

Если вы попытаетесь накачать больше тока в первичной обмотке, в результате ядро ​​будет насыщаться (сильно нелинейный эффект), в результате чего его проницаемость резко упадет, и ваша попытка будет аннулирована.

Чтобы иметь достаточную связь между двумя катушками, вам нужна замкнутая магнитная цепь с относительно низким сопротивлением. Поэтому вам нужен замкнутый путь из ферромагнитного материала с более или менее постоянным сечением, так как любое сужение в сечении приведет к увеличению сопротивления.

РЕДАКТИРОВАТЬ (подсказано полезным комментарием @Asmyldof)

Хотя выше я объяснил, почему ваша установка неэффективна для силового трансформатора , а объяснение остается в силе , при работе с трансформатором необходимо учитывать несколько моментов. Эта интересная статья о трансформерах имеет красивые картинки и углубляется в тему более подробно. Я кратко укажу два ключевых аспекта ниже.

Как я уже сказал, для обеспечения высокой связи между первичной и вторичной обмотками необходимо низкое сопротивление и закрытый сердечник. Это требует твердого ядра с замкнутым магнитным путем. По сравнению с вашей настройкой, это улучшит ситуацию, но имейте в виду, что использование ферромагнитного сердечника, который также является электропроводящим, как железо, имеет свои недостатки.

Во-первых (и это действительно важно для силового трансформатора), это потери в сердечнике. Если сердечник сделан из хорошего проводящего материала, в его поперечном сечении будут индуцированы вихревые токи, что приведет к потере мощности при нагреве Джоуля (как в резисторе). Это не единственный источник потерь в сердечнике, но для проводящих сердечников это обычно наиболее актуально. Поэтому при использовании цельного железного прутка в качестве сердечника трансформатора вы рискуете потерять много энергии, нагревая сам сердечник (поэтому сердечники из железа не являются твердыми, они все еще «заполнены», но ламинированы, то есть сделаны из множества слоев изолированного материала).

Второй ключевой аспект - это насыщенность . Если вы увеличите ток первичной обмотки выше определенного предела, ядро ​​будет насыщаться, а проницаемость будет падать, следовательно, сопротивление будет расти. В этом случае полезно не полностью замкнутое ядро. Фактически иногда сердечники построены с небольшим воздушным зазором, то есть сердечник образует почти замкнутый контур, но не совсем. Небольшой воздушный зазор имеет намного большее сопротивление, чем остальная часть сердечника, следовательно, он увеличивает общее нежелательное сопротивление ядро ​​+ зазор, что кажется плохим, но преимущество заключается в том, что зазор помогает линеаризовать ядро, т.е. ограничивает эффект насыщения. Кроме того, зазор очень мал (скажем, по толщине листа бумаги), и это предотвращает рассеивание флюса в пространстве вокруг сердечника, следовательно, оно не слишком ухудшает общую связь.

Другие интересные ссылки о трансформаторах:

• Основы трансформаторов

• Строительство трансформаторов

Он будет «работать» в некотором смысле, как и любой другой трансформатор, но поскольку цепь магнитного потока замыкается только из-за утечки магнитного поля от одного конца сердечника к другому, его нежелательное сопротивление будет огромным, и поэтому оно будет очень менее эффективно, чем вы хотели бы. Обычно это моделируется как «индуктивность рассеяния».

Измерьте первичную индуктивность с помощью вторичной разомкнутой цепи. Это называется первичной индуктивностью. Повторно измерьте вторичное короткое замыкание, и вы увидите, что первичная индуктивность немного уменьшится, поскольку вы поместили «индуктивность рассеяния» параллельно с ней. Расчет индуктивности рассеяния позволит вам рассчитать потери в вашем трансформаторе.

В хорошем трансформаторе индуктивность рассеяния составляет 1% или менее от первичной индуктивности: у вас она, вероятно, в 10 раз больше от первичной индуктивности или более.

На самом деле, если вы посмотрите на антенну с ферритовым стержнем в AM-радио, вы увидите несколько обмоток; он действует как антенна, настроенная схема и трансформатор. Наименьшая обмотка передает небольшую часть энергии от настроенной цепи в РЧ усилитель и микшер.

Но это не эффективный трансформатор для преобразования энергии.

Вы можете улучшить его, согнув стержень в «U» или лучше, закругив его в кольцо с зазором, тогда поток просто должен прыгнуть зазор, давая меньшее нежелание. По мере уменьшения ширины зазора уменьшается сопротивление, равно как и индуктивность рассеяния, что повышает КПД трансформатора.

Лучше всего полностью сократить разрыв

Тем не менее, иногда небольшой зазор оставляют (установленным толщиной листа бумаги!) Намеренно, чтобы снизить плотность потока, чтобы избежать насыщения сердечника. Обычно это делается в сигнальных трансформаторах, где проблема искажения от насыщения, а не в преобразователях мощности.

Нет, магнитный материал не должен образовывать замкнутый контур, но это позволит вам сделать меньший трансформатор для того же количества энергии. Линии магнитного поля всегда будут в петле, единственный вопрос в том, предоставите ли вы хороший материал для них, чтобы они легко следовали, или нет.

Однако проблема в вашем случае заключается в том, что вы используете проводящий сердечник. Металлическая труба действует как вторичное короткое замыкание, давая вашей вторичной обмотке мало шансов собрать большую часть чего-либо. Вы построили индукционный нагреватель, а не трансформатор.

Кроме того, вы ставите AC в основной, верно? Трансформаторы работают только на переменном токе. Это изменение магнитного поля, которое вызывает напряжение на вторичной обмотке.

Как указано в других ответах, да, это должно работать, только при плохой передаче энергии (так же, как вы используете переменный ток).

На самом деле то, что у вас есть, очень близко к датчику положения LVDT с одной вторичной катушкой.

Если вы вставили стальной стержень внутрь трубы, вы можете изменить соединение и получить изменяющийся выходной сигнал. Этот эффект можно улучшить, используя тонкую пластиковую трубу и железный стержень, занимающий как можно большую часть центрального пространства. Отмечая, что это не обязательно сделает его лучшим трансформатором для ваших целей, но это интересно.

Из рисунка видно, что вы поместили катушки «рядом» друг с другом. Эта конфигурация дает вам наименьшее количество потока резки через вторичную обмотку. Чтобы улучшить сцепление, вам необходимо намотать вторичную обмотку поверх первичной. «Эффективность» муфты будет зависеть от того, что вы используете в качестве сердечника (воздух, полая труба, сплошная труба и т. Д.), Но действие трансформатора должно работать! Если вы используете 200 витков на первичной и 100 витков на вторичной, выходное напряжение должно составлять 1/2 от входного напряжения. Размер проводов будет определять текущие возможности обмоток, но не напряжение.