¿Puede funcionar un transformador si el núcleo no es circular?

Question

Estoy tratando de construir un transformador para convertir la energía de 12V AC a 5V AC. Esto es lo que tengo en este momento:

Todavía no he ajustado la relación de la bobina pero lo he probado para ver si había alguna salida y de hecho no la hay. He probado el núcleo y es ferromagnético, así que mis conjeturas son o bien no puede funcionar porque el centro del núcleo está vacío (es un tubo), o porque los solenoides no pueden ser alineados y el núcleo tiene que ser circular.

Agradecería mucho que alguien me explicara qué tiene de malo ese diseño y por qué no funciona (o por qué debería hacerlo).

Answer 1

No es necesario que el núcleo sea circular, pero debe estar cerrado, ya que de lo contrario el flujo vinculado será muy bajo.

Además, el hecho de que el tubo esté vacío no mejora la situación, ya que el flujo se concentra donde hay mayor permeabilidad, es decir, en el núcleo, pero la sección neta del núcleo en tu caso es pequeña. De hecho, la mayor parte de la sección de la bobina está llena de aire, que tiene poca permeabilidad.

No se puede cerrar el núcleo con un simple trozo de alambre de hierro. No será efectivo, ya que el flujo estará limitado en la sección más pequeña del cable. Tenga en cuenta que el flujo obedece a una especie de "ley de Ohm para circuitos magnéticos", llamada Ley de Hopkinson .

El papel de la resistencia lo asume una cantidad conocida como reticencia que es proporcional a la sección neta del núcleo por donde fluye el flujo. El flujo es análogo a la corriente. Por lo tanto, una sección pequeña limitará mucho el flujo. Como el papel de la tensión lo asume el fuerza magnetomotriz (MMF) que depende de la corriente en la bobina, se puede entender que con la misma corriente en el primario y una alta reluctancia debido a un flujo constreñido en una pequeña sección de alambre, el flujo será pequeño, y por lo tanto la corriente inducida en el secundario será pequeña.

Si intentas bombear más corriente en el primario, el resultado será que el núcleo se saturará (un efecto fuertemente no lineal), con la consecuencia de que su permeabilidad caerá drásticamente, anulando tu intento.

Para tener un acoplamiento suficiente entre las dos bobinas se necesita un circuito magnético cerrado con una reluctancia sustancialmente baja. Por lo tanto, se necesita un camino cerrado de material ferromagnético con una sección más o menos constante, ya que cualquier estrechamiento de la sección aumentará la reluctancia.

EDITAR (motivado por un útil comentario de @Asmyldof)

Aunque, he explicado más arriba por qué su configuración no es eficiente para una potencia transformador Aunque la explicación sigue siendo válida, hay un par de cuestiones que hay que tener en cuenta cuando se trata del funcionamiento de los transformadores. Este interesante artículo sobre los transformadores tiene bonitas fotos y profundiza en el tema. A continuación señalaré brevemente dos aspectos clave.

Como he dicho, para poder tener un alto acoplamiento entre el devanado primario y el secundario se necesita una baja reluctancia y un núcleo cerrado. Esto requiere un núcleo sólido con una trayectoria magnética cerrada. En relación con su configuración, esto mejorará la situación, pero tenga en cuenta que el uso de un núcleo ferromagnético que también es conductor de la electricidad, como el hierro, tiene sus inconvenientes.

En primer lugar (y realmente importante para un transformador de potencia) están las pérdidas de potencia en el núcleo. Si el núcleo está hecho de un buen material conductor, se inducirán corrientes de Foucault en su sección transversal y esto causará pérdidas de potencia por Calentamiento por joules (como en una resistencia). Esta no es la única fuente de pérdidas en el núcleo, pero para los núcleos conductores suele ser la más relevante. Por lo tanto, si se utiliza una barra de hierro maciza como núcleo del transformador, se corre el riesgo de perder mucha potencia al calentar el propio núcleo (por eso los núcleos de hierro no son macizos, sino que están "rellenos", pero laminados, es decir, hechos con muchas capas de material aislante).

El segundo aspecto clave es saturación . Si se aumenta la corriente primaria por encima de un cierto límite, el núcleo se saturará y la permeabilidad caerá, por lo que la reluctancia aumentará. Tener un núcleo no completamente cerrado es, en este caso, beneficioso. De hecho, a veces los núcleos se construyen con un pequeño entrehierro, es decir, el núcleo forma un bucle casi cerrado, pero no del todo. El pequeño entrehierro tiene una reluctancia mucho mayor que el resto del núcleo, por lo que aumenta la reluctancia global del núcleo+entrehierro, lo que parece malo, pero la ventaja es que el entrehierro ayuda a linealizar el núcleo, es decir, limita el efecto de la saturación. Además, el hueco es muy pequeño (digamos que del grosor de una hoja de papel) y esto impide que el flujo se disperse en el espacio alrededor del núcleo, por lo que no empeora demasiado el acoplamiento global.

Otros enlaces interesantes sobre transformadores:

• Fundamentos de los transformadores

• Construcción de transformadores

Answer 2

En cierto sentido, "funcionará" como cualquier otro transformador, pero como el circuito de flujo sólo se cierra por la fuga del campo magnético de un extremo del núcleo al otro, su reluctancia será enorme y, por tanto, será mucho menos eficiente de lo que le gustaría. Esto se suele modelar como "inductancia de fuga".

Mida la inductancia del primario con el secundario en circuito abierto. A esto se le llama inductancia del primario. Vuelva a medir con el secundario en cortocircuito y debería ver que la inductancia del primario se reduce ligeramente, ya que ha puesto la "inductancia de fuga" en paralelo con ella. El cálculo de la inductancia de fuga le permitirá calcular las pérdidas de su transformador.

En un buen transformador la inductancia de fuga es del 1% o menos de la inductancia primaria: en el suyo es probablemente 10 veces la inductancia primaria o más.

En realidad, si observa la antena de barra de ferrita de una radio AM, verá varios devanados; actúa tanto como antena, circuito sintonizado y transformador. El devanado más pequeño transfiere una pequeña proporción de la energía del circuito sintonizado al amplificador y mezclador de RF.

Pero no es un transformador eficaz para la conversión de energía.

Se puede mejorar doblando la varilla en forma de "U" o, mejor, redondeándola en un anillo con un hueco, entonces el flujo simplemente tiene que saltar el hueco, dando una menor reluctancia. A medida que se reduce la anchura del hueco, la reluctancia disminuye, al igual que la inductancia de fuga, lo que aumenta la eficiencia del transformador.

Lo mejor de todo es cerrar la brecha por completo

Sin embargo, a veces se deja un pequeño hueco (¡definido por el grosor de un trozo de papel!) deliberadamente, para mantener la densidad de flujo baja y evitar la saturación del núcleo. Esto suele hacerse en los transformadores de señal, donde la distorsión por saturación es un problema, no en los transformadores de conversión de potencia.

Answer 3

No, el material magnético no necesita formar un bucle cerrado, pero eso le permitirá hacer un transformador más pequeño para la misma cantidad de potencia. Las líneas del campo magnético siempre formarán un bucle, la única cuestión es si proporcionas un material agradable para que lo sigan fácilmente o no.

Sin embargo, el problema en su caso es que está utilizando un núcleo conductor. El tubo metálico actúa como un secundario en cortocircuito, lo que hace que tu devanado secundario tenga pocas posibilidades de captar algo. Has construido un calentador de inducción, no un transformador.

Además, estás poniendo CA en el primario, ¿verdad? Los transformadores sólo funcionan con CA. Es el cambio del campo magnético lo que induce una tensión en el secundario.

Answer 4

Como se ha dicho en otras respuestas, sí debería funcionar, sólo que con poca transferencia de energía (siempre y cuando estés usando CA).

De hecho, lo que tienes es bastante parecido a un Transductor de posición LVDT con una sola bobina secundaria.

Si pones una barra de acero en el interior del tubo puedes variar el acoplamiento y obtener una señal de salida variable. Este efecto podría mejorarse utilizando un tubo de plástico fino, y una barra de hierro que ocupe el mayor espacio posible en el centro. Esto no significa que sea un mejor transformador para tus propósitos, pero es un detalle interesante.

Answer 5

Por la imagen, parece que has colocado las bobinas "al lado". Esta configuración le da la menos cantidad de corte de flujo a través del devanado secundario. Para mejorar el acoplamiento, hay que bobinar el secundario en la parte superior del primario. La "eficiencia" del acoplamiento dependerá de lo que utilices como núcleo (aire, tubo hueco, tubo sólido, etc.), ¡pero la acción del transformador tiene que funcionar! Si utilizas 200 vueltas en el primario y 100 en el secundario, la salida debería ser la mitad de la tensión de entrada. El tamaño de los cables determinará la capacidad de corriente de los bobinados, pero no la tensión.