Есть ли двойной трансформатор?

38

Конденсаторы и индукторы являются двойниками друг друга .

Трансформатор состоит из двух индукторов и передает энергию через взаимную индуктивность , через магнитное ближнее поле (верно?). Кроме того, вы можете изменять соотношение напряжений или токов, изменяя соотношение витков на сердечнике. Вы можете подумать об этом как о соединении одного первичного контура со многими вторичными контурами, а затем о штабелировании вторичных контуров, чтобы их выходные напряжения суммировались.

Есть ли электрический двойник трансформатора? Что-то, что использует емкость и передает энергию через электрическое ближнее поле через изолирующий барьер? Какой-нибудь способ соединить один первичный конденсатор с несколькими вторичными конденсаторами, а затем сложить их для преобразования энергии путем суммирования их выходов?

Я знаю, что изолированный источник питания может быть построен с использованием двух конденсаторов, но я не уверен, является ли он точно двойным или есть ли эквивалент для регулировки отношения витков:

введите описание изображения здесь источник

Или, может быть, что-то связано с этим?

альтернативный текст источник

Например, существуют емкостные делители напряжения, но они только снижают напряжение, но не могут увеличить его, как автотрансформатор. Существуют зарядные насосы, но для них требуются активные элементы, такие как переключатели или диоды, которых нет в трансформаторе.

Вкратце: существует ли способ преобразования мощности (1 В, 5 А на первичной обмотке в 5 В, 1 А на вторичной обмотке) с использованием электрических полей вместо магнитных полей и только пассивных компонентов? Если нет, то почему нет? (Экранирование электрического поля?)

эндолиты
источник
2
вероятно, потребовался бы ток из магнитных монополей, чтобы каким-то образом связать их. = P
JustJeff
2
Это большой вопрос. Я надеюсь, что кто-то может ответить на это. Я склоняюсь к «нет». По крайней мере, ничего практичного. Кортук дал хороший ответ, и он, безусловно, прав, что магнитный аналог цепи трансформатора / индуктора может быть построен, но я не уверен, что это связано с фундаментальным вопросом, который задает эндолит. (У меня есть несколько костей, чтобы выбрать некоторые из пунктов, которые делает Кортук, и, надеюсь, я смогу их опровергнуть! @Kortuk, я имею в виду не оскорбления. Но магнитный поток не должен быть перпендикулярен проволочной петле, чтобы произошло соединение , с одной стороны.)
Адам Р
1
Мне пришло в голову, что мой предыдущий комментарий мог быть не совсем справедливым ... или неясным ... Перпендикулярный компонент поля B - это то, что вызывает ЭДС в петле провода. Таким образом, пока поле не является точно параллельным плоскости петли, будет существовать связь. В трансформаторе, эта точка является своего рода спорным , так как предполагается , что поле перпендикулярно к каждой петле в обмотке. Кроме того, просто мысль: возможно, стоит задать этот вопрос на форуме по физике.
Адам П
1
@avishva: Это не двойственное. Это просто способ преобразования энергии с использованием механической вибрации и пьезоэлектричества.
эндолит

Ответы:

14

На самом деле, это обычное дело удивляться.

В этом есть двойственность. Если у вас есть устройства с общей обмоткой и магнитным потоком (магнитным «током»), это идеальный вариант для устройств с общим электрическим проводником. Хорошая картинка из Википедии :

Википедия изображение потока в трансформаторе2

Вы также можете взглянуть на « Магнитные цепи ». Вы можете начать изучать некоторые забавные термины, когда углубитесь в эти понятия, например, « Магнитная емкость », и кажется, что у моего флюса есть емкость.

То, как вы можете определить, сколько энергии проходит через трансформатор, можно разбить на магнитную цепь, которая работает так же, как электрическая цепь с разными устройствами. Магнитные цепи являются аналогом электрических цепей , с которыми намного проще работать по многим причинам.

Думайте об этом как об источнике напряжения или источнике тока. Они являются прямыми аналогами, но когда вы создаете источник напряжения, это намного проще, чем источник тока.

Примечание

Магнитный поток распределяется в сердечнике из-за того, что магнитный поток перпендикулярен проводу, проблема с электрическим потоком заключается в том, что он направлен между двумя поверхностями, а не зацикливается вокруг. Если бы он зациклился на диэлектрике, работа была бы выполнена.

По отношению к конденсатору внутри другого

Если меньший становится больше, он в конечном итоге будет действовать как два конденсатора связи с последовательным резистором между ними, так как он становится меньше, общее электрическое поле будет минимальным, но вы можете поместить туда большое большое E-поле, а не почти так же эффективно, как трансформатор.

Kortuk
источник
вау, тайный ...:)
Граф Ноль
6

Начну с того, что точно не знаю. Однако я склонен сказать нет. Трансформаторы не являются "элементарными" электрическими компонентами. Конденсаторы и индукторы (и резисторы в этом отношении) являются основными (сложными) устройствами сопротивления.

Трансформатор представляет собой композицию из двух индукторов. Как вы заметили, он преобразует энергию по принципу магнитной индуктивности. В частности, он работает на основе пространственного побочного эффекта тока, протекающего через катушку (т. Е. Связи изменяющихся во времени линий магнитного поля). Все «действия» в конденсаторе, так сказать, ограничиваются тем, что происходит между пластинами.

Наиболее близкой вещью, которую я могу придумать к двойной аналогии с тем, что происходит в трансформаторе, является идея емкостной связи, которая вызывает "перекрестные помехи" между соседними трассами в высокоскоростных сигнальных шинах ...

vicatcu
источник
4

да, вы можете, по крайней мере, уйти в отставку, вы можете использовать колпачки, как резистивный мост - положите два последовательно, скажем, в соотношении 10: 1 (10 нФ и 1 нф) на 110 В переменного тока и измерьте напряжение переменного тока на 10 нФ - вы будете примерно 11 В переменного тока - это довольно неэффективный способ сделать более низкое напряжение - но это дешевый способ, если вам нужно только мА или около того - но чем больше энергии вам нужно подключить (вам нужны большие колпачки), тем более неэффективным он становится ( просто как резистивный делитель)

Taniwha
источник
2
Строго говоря, это неэффективно. Он не теряет энергию в конденсаторах, как резистивный делитель. Сильноточный емкостный делитель имеет большой $ \ cos \ varphi $, но это означает реактивную мощность и, следовательно, отсутствие нагрева.
jpc
Есть ли способ увеличить выходное напряжение, как у автотрансформатора, или просто уменьшить его? Реактивное сопротивление исчезает, когда оно загружено, как трансформатор с короткозамкнутой вторичной обмоткой?
эндолит
3

Трансформатор электрический и магнитный. Он не является строго магнитным, поэтому нет смысла просить электрический двойник! Вместо этого мы можем спросить, что такое трансформатороподобное устройство, в котором магнетизм и электричество меняются местами. Я дам тебе:

введите описание изображения здесь

Изменяющееся магнитное поле, поступающее через первичный сердечник, вызывает протекание тока в катушке, которое вызывает изменяющееся магнитное поле во вторичном сердечнике.

Теперь есть другая двойственность, это между током и напряжением. В этом смысле трансформатор не имеет двойника, потому что он фактически меняет сопротивление. Мы могли бы спросить, что такое устройство, которое рассматривает вход как сопротивление (эти два являются двойными). Но это действительно только сам трансформатор, только с перевернутым соотношением обмоток. Другими словами, устройство, которое увеличивает импеданс на два, и устройство, которое увеличивает импеданс на два, - это один и тот же трансформатор, просто используемый в противоположном направлении.

Kaz
источник
«Трансформатор электрический и магнитный». Как же так? Вы можете экранировать электрические поля, и он все еще работает нормально.
эндолит
@endolith Электрические поля индуцируются в катушках. Нет напряжения без электрического поля, так как это разность потенциалов между двумя точками в поле. Я бы даже глупо утверждал даже непрофессионалу, что трансформатор не является электрическим устройством. (Для чего нужны провода, и почему он ничего не делает, если он не подключен?) Если вы порежете трансформатор пополам, что у вас будет? Электро- магнит.
Каз
Понятия не имею, почему это опровергнуто - звучит как отличный ответ для меня. Это устройство с входом и выходом магнитного потока, соотношения потоков могут контролироваться соотношением витков, магнитные цепи связаны электрическим. Во всех смыслах это двойник трансформатора.
Фил Фрост,
@PhilFrost Наконец, некоторые благодарности за это! Спасибо.
Каз
Я также хотел бы отметить, что если кто-то может заставить магнитный поток перемещаться по спирали, например, делая катушку из ферритового материала , то провод может быть тором, и у вас будет нечто, похожее на трансформатор.
Фил Фрост
3

Хорошо, я преследовал это в моей голове уже несколько месяцев. Я построил пару прототипов, как упражнение в понимании соответствующих областей. У меня наконец есть ответ, которому я могу верить.

Скажем, у вас есть оригинальная концепция, конденсатор внутри конденсатора. Сравните это с этим:

схематический

Я бы сказал, что эта схема идентична нашей схеме с четырьмя пластинами. Каждая из внутренних пластин нашего пакета из четырех пластин по-прежнему является проводником с большой площадью поверхности и большой емкостью к пластинам с обеих сторон. Мы нарисовали их как две отдельные пластины без импеданса между ними, но это электрически ничего не меняет. Теперь схема выглядит более знакомой. Это действительно только три конденсатора. И тот, что на вторичном контуре, на самом деле ничего не добавляет, он просто создает делитель напряжения. Вы получите это, когда приложите нагрузку в любом случае.

Это имеет некоторые очень похожие свойства с трансформатором. DC не может перейти от первичного к вторичному, но AC может. Это делает систему гальванически развязанной. Однако это не обязательно делает его изолированным для практических целей! Если вы поместите переменный ток между первичной и вторичной обмоткой идеального трансформатора, ничего не произойдет. Если вы поместите переменный ток между первичным и вторичным контурами этой цепи, вы получите много тока. Таким образом, это провалило бы тест высокого напряжения переменного тока, и синфазный шум с одной стороны благополучно перешел бы на другую.

Если это не проблема для приложения, это может иметь некоторые преимущества по сравнению с магнитным трансформатором. Во-первых, вы можете передавать больше энергии на более высоких частотах, в некоторой степени обратное преобразователю. (Конечно, в зависимости от трансформатора.) Нет никаких проблем с материалами и геометрией сердечника. Я подозреваю, что он более эффективен, чем трансформатор, хотя у меня нет данных, чтобы продемонстрировать это. Вместо вихревых токов, потерь на гистерезис и потерь на обмотке все, что у нас есть, это потери на ЭПР в конденсаторах, которые, как я ожидаю, будут намного ниже. И это DC-безопасно! Если вы поставите постоянный ток на трансформатор, ядро ​​насыщается, и вы, вероятно, что-то сломаете. Поставь DC на это, и абсолютно ничего не происходит.

Теперь, почему мы не можем подняться, если это действительно двойной трансформатор? Потому что электрические поля и магнитные поля имеют некоторые фундаментальные асимметрии. Электрическое поле начинается с положительного заряда и заканчивается отрицательным зарядом. Вы не можете подвергать проводник электрическому полю другого проводника; электрическое поле конденсатора определенно включает в себя два проводника, и если вы попытаетесь ввести третий, он просто перемещает некоторые из оконечных точек. (Мультипликационная версия, я не физик.) Но магнитное поле всегда заканчивается там, где оно начинается, поэтому один проводник может иметь магнитное поле, которому вторичное устройство может подвергаться с различной геометрией.

Другими словами, это потому, что электрические поля являются однополярными, с каждым концом на отдельной частице. Магнитные поля являются диполярными, начинающимися и заканчивающимися на противоположных полюсах одного и того же магнита, образуя петли. Так забавно, что комментарий @JustJeff был перевернут! Нам действительно нужен электрический диполь, а не магнитный монополь!

Если трансформатор представляет собой два проводника, разделяющих магнитное поле, его двойным будет два проводника, разделяющих электрическое поле. Другими словами, сдвоенный трансформатор представляет собой пару конденсаторов.

Стивен Коллингс
источник
Если вам просто нужна изоляция постоянного тока между двумя сторонами, вам не нужен конденсатор в середине, а просто обычная емкостная связь.
Фил Фрост,
1
Если вы хотите получить более высокое напряжение, просто сделайте средний конденсатор, состоящий из параллельно соединенных и изолированных нескольких пластин внутри. И затем соедините эти пластины последовательно. N отдельных пластин будут умножать напряжение в N раз.
hkBattousai
@hkBattousai Ты уверен? Можете ли вы нарисовать схему?
эндолиты
2

Да, есть. Это "щелевой волновод". Хотя он не такой чистый, как всего 2 соединенных конденсатора, но он основан почти на 100% емкости и включает в себя внутреннюю индуктивность, магнитный воздушный сердечник и больше проводников.


источник
3
Можете ли вы уточнить? На что это похоже? Чем он отличается? Поиск Google просто находит академические статьи.
эндолит
Скажем, горизонтальный паз в стене является емкостным (сторона E-Field «трансформатора E-Field»). Верхняя и нижняя (потолочные и напольные) пластины резонатора или волновода являются «верхней стороной» «трансформатора электронного поля». Так что это похоже на трансформатор, показанный на картинке в оригинальном вопросе. Вопрос был «этот шаблон известен как существующее устройство?». Ответ - да.
2

Моя идея двойного - это дипольная антенна или, шире говоря, любая антенна .

Я вижу основную трудность в поиске двойственного в том, что линии магнитного поля всегда замкнуты, а линии электрического поля - нет. Это означает, что, хотя индуктор сам по себе является автономной системой и не нуждается в излучении энергии, конденсаторная арматура всегда будет «искать свою пару» и излучать в большей или меньшей степени. Иными словами, если у вас есть провод и ввод тока (высокой частоты), очень вероятно, что ток действительно будет присутствовать, даже если цепь не будет видимо замкнутой. То, где именно находится обратный путь, зависит от того, какой большой кусок проводника у вас есть рядом (например, картотека, сантехника и т. Д.). Можно определить взаимное сопротивление , очень похоже на то, как определяется взаимная индуктивность между катушками в трансформаторе.

Граф ноль
источник
Линии электрического поля конденсатора также всегда закрыты, не так ли? Но я думаю, что вы на что-то здесь. Линии электрического поля заканчиваются на поверхности проводников, а не проходят через линии магнитного поля и катушки. Трансформаторы связывают несколько вторичных катушек с одной первичной, пропуская через них одни и те же линии магнитного поля, но если вы попытаетесь ограничить электрическое поле, чтобы оно «прошло» через несколько пластин, это не сработает. Электрические поля не проходят через проводящие объекты. Это может быть принципиальной разницей.
эндолит
1
Я имел в виду нечто гораздо более приземленное: тот факт, что линии магнитного поля всегда должны быть замкнуты, подразумевается тем, что вы никогда не сможете отделить магнитный северный полюс от магнитного южного полюса; магнит будет иметь их обоих (если вы сломаете один, в области разлома у вас снова будет противоположный полюс). Между тем, положительный и отрицательный электрический заряд (между которыми у вас есть электрическое поле), может быть разделен в пространстве. (На самом деле, если это не так, общий заряд может быть аннулирован, если абсолютные значения зарядов равны.)
Count Zero
1
Таким образом, электрический трансформатор потребовал бы магнитных монополей?
эндолиты
1

Уильям Бити отвечает на ваш вопрос в «ПРАВИЛЬНОЙ УГЛОВОЙ СХЕМЕ - или - Электроника переменного тока для инопланетных умов» ?

Трансформатор часто изображается в виде катушки медного провода слева, катушки медного провода справа и ферритового кольца в середине, проходящего через центр каждого.

В этой статье предлагается возможность использования ферритовой «катушки» слева, ферритовой «катушки» справа и медного кольца в середине, проходящего через центр каждой из них.

davidcary
источник
1
Эта статья довольно сумасшедшая ...
Кевин Вермеер
Думаю, это что-то вроде двойственности, но я прошу кое-что, что соединяет электрические цепи, используя электрическое поле вместо магнитного поля.
эндолит
1

Основная проблема заключается в том, что индукторы включают « многосвязное пространство«В чисто электростатических электронных полях, если заряд перемещается из точки А в точку В, он всегда проходит одно и то же падение потенциала, независимо от сумасшедшего пути, по которому он может идти. Но с изменением b-полей, добавленных к смеси, если заряд, движущийся от А к В, должен составлять один, два, три круга, которые заключают в себе изменяющийся магнитный поток, затем заряд пересекает падение потенциала 1x, 2x или 3x. потенциал. Таким образом, с точки зрения напряжения, если вы идете по кругу, вы никогда не вернетесь к своей начальной точке, и если вы будете многократно ходить вокруг и вокруг, вы окажетесь все дальше и дальше от того места, где вы начали (и, следовательно, если вы протолкни руку через катушку с быстрорастущим током, ФУНДАМЕНТАЛЬНО РАЗНАЯ РУКА выходит с другой стороны!)

Если бы у нас были «магнитные» проводники, полные подвижных магнитных монополей, то катушка, намотанная из такого проводника, была бы намного лучше двойной катушки обычной катушки.

Вот недвойственный двойственный. Сделайте конденсатор с очень длинным диэлектриком, как стержень PZT, соединяющий две пластины. Теперь согните стержень и закрутите его, чтобы сформировать катушку. (Или, возможно, отлите его, а затем запекайте, чтобы затвердеть.) Подайте переменный ток на пластины конденсатора, которые вы прикрепили к концам диэлектрического стержня. Крысы, он просто генерирует магнитное поле, как любая катушка, хотя «катушка» является изолятором. Хм. Не совсем впустую, хотя. Возможно, мы могли бы подключить аналогичные керамические стержни к неоновому трансформатору, а затем прыгнуть дугу между их концами. Может не очень хорошо работать при 60 Гц, поэтому используйте один из этих 30 КГц твердотельных неоновых драйверов.

wbeaty
источник
0

Конденсатор сконфигурирован как фильтр высоких частот, является передача информации (и энергии) через зазор , используя электрическое поле.

В этом контексте стоит отметить, что обычный «конденсатор», который вы помещаете на плату, имеет два полюса, но в этом устройстве нет необходимости. Свободный проводник, висящий в космосе, имеет (маленькую!) Емкость и является конденсатором.

dmckee
источник
Но так ли это на самом деле? Вам нужны два конденсатора для изоляции, и нет параллели с изменением соотношения напряжение / ток, как изменение витков трансформатора.
эндолит
Да, свободный проводник имеет небольшую емкость - для остальной части вселенной. Другая пластина конденсатора - это все остальное. Еще два полюса.
Фил Фрост,
0

Я не знаю, является ли модель с тремя конденсаторами выше аналогом концепции четырех пластин. (То, о чем я ломал голову последние 5 лет или около того, не имея возможности сделать какое-либо всестороннее экспериментальное исследование.)

Я хотел бы предложить, что емкостный эффект должен окружать внутренние пластины, чтобы гарантировать, что заряд на вторичной обмотке (C1 в исходной диаграмме с 4 пластинами) равен заряду на первичной обмотке. Эта проблема с двойным была указана выше с упоминанием «многосвязного пространства» в отношении магнитной связи катушек трансформатора. Здесь нам нужно иметь электростатическую связь. (Я подбрасываю слова, но надеюсь, вы меня поняли.)

Когда это будет достигнуто (предполагается, что частота источника питания высокая, чтобы обеспечить низкие реактивные сопротивления для двух конденсаторов), мы можем сказать, что если Q = CV, а Q1 = Q2, то

C1V1 = C2V2, и у вас есть что-то, что является двойным от соотношения оборотов для трансформаторов.

Мы знаем, что индуктивные трансформаторы лучше работают на низких частотах. Преобразование - и передача энергии с помощью электростатики - было бы лучше на высокой частоте, как подразумевает двойственное.

Поскольку преобразование основывается на постоянном высокочастотном обмене заряда, вы можете назвать его «Flux Capacitor», за исключением того, что я думаю, что это имя взято! :)

Мой электронный адрес: jeffrey.stokes@tafensw.edu.au. Я хотел бы предложить дальнейшее обсуждение этой идеи.

Позднее редактирование ... Если вы хотите увеличить напряжение, вам просто нужно сделать емкость первичной обмотки намного выше, чем вторичной обмотки. Создание Первичной пары внутренних пластин было бы самым простым способом, поскольку диэлектрическое расстояние естественно больше. Если бы действительно C1V1 = C2V2, как мне подсказали мои мысленные эксперименты, то в первичном случае мы имели бы более высокую емкость и более низкое напряжение. Во Вторичном мы имели бы более низкую емкость и более высокое напряжение.

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Я разработал эксперимент, используя тонкий алюминиевый лист, пластиковую пленку и нейлоновые винты, чтобы соединить практичное устройство с 4 пластинами. Электрическое соединение будет сделано на краю каждой пластины. Я буду использовать источник питания 100 кГц и нагрузку 1 кОм. Я опубликую свои результаты здесь и включу изображения волн, а также среднеквадратичное значение тока на входе и выходе. Я уменьшу их частоту пополам и проверю «связь». Кроме того, я уменьшу емкость для внешней пары, вставив дополнительные слои пленки, и определю, имеет ли это эффект увеличения выходного напряжения, как я и предсказывал.

Джефф Стоукс
источник
1
Последние три минуты я думал о схеме с тремя конденсаторами выше. Это определенно не эквивалентно. На самом деле это просто три конденсатора в серии, где один в середине падает часть напряжения. Это не более чем емкостный делитель напряжения; преобразование, в некотором смысле, и достижение изоляции, которая, конечно, является главной целью, но только делением напряжения; но никогда не повышайте напряжение! Все сводится к тому, что было сказано выше. Двойственное, выраженное как практическое устройство, должно основываться на эквивалентности между электромагнитом и электростатикой.
Джефф Стоукс