Pourquoi les transformateurs utilisent-ils autant de tours?

Les transformateurs ont des centaines de spires sur les enroulements secondaire et primaire et utilisent par conséquent des fils de cuivre très minces pour chacun. Mais pourquoi n’utilisent-ils pas moins de tours sur chaque enroulement et obtiennent le même rapport de tension?

Plus important encore, pourquoi ne pas utiliser moins de spires d'un fil plus épais pour une augmentation de la VA? (au lieu de 1000: 100 tours de fil de 22 awg, pourquoi pas 100: 10 tours de fil de 16 awg si cela augmente la VA)

Lorsque vous appliquez une tension à l'enroulement primaire d'un transformateur de puissance, du courant circule, même lorsque le circuit secondaire est ouvert. La quantité de ce courant est déterminée par l'inductance de la bobine primaire. Le primaire doit avoir une inductance suffisamment élevée pour que ce courant reste raisonnable. Pour les transformateurs de puissance 50 ou 60 Hz, cette inductance est assez élevée et vous ne pouvez généralement pas y arriver avec un petit nombre de tours dans l’enroulement.

Si vous n'aviez qu'un tour sur un noyau de fer, il pourrait avoir une inductance de (par exemple) 1 uH. Lorsque vous appliquez deux tours, l'inductance ne double pas, elle quadruple. Donc, deux tours signifient 4 uH. "Et alors?" vous pouvez dire!

Eh bien, pour une tension alternative donnée appliquée, le courant pris par cet enroulement à deux tours est égal au quart du courant pour un enroulement à un tour. Prenez note car c'est fondamental pour comprendre la saturation de base.

Qu'est-ce qui cause la saturation de base (quelque chose à éviter en grande partie)? La réponse est le courant et le nombre de tours. C'est ce qu'on appelle la force motrice magnéto et il a des dimensions d'ampères.

Ainsi, avec deux tours et un quart du courant, l’ampère (force magnéto-motrice) est la moitié de celle d’un enroulement à un tour. Donc, on peut immédiatement constater que si deux tours amènent le noyau au "bord" de la saturation, une bobine à un tour saturera considérablement et constituera un gros problème.

C'est la raison fondamentale pour laquelle les transformateurs utilisent de nombreux virages primaires. Si un certain transformateur a 800 tours et est au point de saturation, une réduction significative des tours saturera le noyau.

Que se passe-t-il lorsque le noyau sature vous pourriez demander. L'inductance commence à baisser et plus de courant est absorbé, ce qui sature le noyau de plus en plus et vous devriez voir où cela va aller.

Notez que cette réponse n'a pris en compte que l'enroulement primaire; en fait, nous ne parlons que de l'inductance de magnétisation primaire - c'est ceci et cela seul qui peut saturer le noyau. Les courants de charge secondaires ne jouent aucun rôle dans la saturation du noyau.

Notez également que les transformateurs utilisés dans les alimentations à commutation à grande vitesse ont relativement peu de tours; 10 henry à 50 Hz a une impédance de 3142 ohms et 1 mH à 500 kHz a exactement la même impédance. Pour un noyau qui produit naturellement 10 uH pour un seul tour, enrouler 1 mH nécessite dix tours (rappelez-vous, il tourne au carré dans la formule de l'inductance). Pour le même noyau à 50 Hz (impraticable bien entendu), 10 Henry nécessite 1000 tours.

Si vous avez un noyau de fer pour un transformateur, l’une de ses spécifications est "combien de tours un enroulement doit avoir par volt lorsque la fréquence est donnée". On ne peut pas contourner cette spécification et avoir moins de virages sans avoir les conséquences suivantes

• efficacité réduite
• plus de courant transversal indésirable qui ne cause que des pertes, mais ne sert à rien pour le processus de transformation de la tension

Le courant transversal peut être réduit en augmentant l'inductance de l'enroulement primaire.

La spécification tours / volt est une conséquence de la liste suivante de faits qui ont tous tendance à rendre les inductances de bobine plus petites:

• le matériau de fer a une perméabilité magnétique limitée
• le noyau de fer ne peut pas être fait de fer plein. Il est divisé en couches isolées minces pour maintenir les courants de Foucault suffisamment faibles dans le noyau. L'isolation prend son espace et c'est du fer
• le flux magnétique d'un enroulement contourne partiellement le fer et les autres enroulements
• trop de courant transversal provoque une saturation magnétique dans le fer. La saturation réduit radicalement la perméabilité magnétique

Comment on peut lutter contre ceux-ci en ajoutant plus de tours? C'est parce que l'inductance grandit comme le carré du nombre de tours. On peut arquer: Mais la magnétisation (= tourne x courant) augmente aussi! C'est vrai, mais il ne pousse que linéairement, donc assez de tours, puis finalement l'inductance est suffisamment élevée pour compenser les inconvénients.

Exactement, pas tous les inconvénients. L'espace est limité. Ainsi, plus de tours signifie que le fil doit être plus fin. Cela augmente la résistance et les pertes résistives (= chauffage).

Les transformateurs fonctionnent en transférant de l’énergie d’un flux magnétique d’un côté à l’autre.

Les deux côtés sont constitués par des inducteurs, l'inducteur primaire crée un champ magnétique qui est induit dans l'inducteur secondaire.

$\Phi$

L'inductance d'une inductance est déterminée par le nombre de tours (à côté de la zone ou de la taille):

Voir Wikipedia sur l' inductance

Un petit transformateur est généralement souhaitable, donc plus de tours est préférable à une plus grande taille (tout simplement).

L'inductance doit correspondre à la fréquence du secteur. Sinon, l'enroulement primaire laisserait maintenant suffisamment de courant électrique et donc magnétique pour circuler (pour les fréquences plus élevées) ou ressemblerait davantage à un court-circuit (pour les fréquences plus basses). Les deux n'est pas souhaitable.

Les basses fréquences nécessitent une inductance plus élevée (= plus de tours ou de plus grands cœurs). C’est la raison pour laquelle les alimentations à découpage, utilisant des fréquences plus élevées dans la plage des centaines de kHz - MHz, utilisent des transformateurs aussi petits, tout en leur permettant de transférer beaucoup plus de puissance que les transformateurs classiques.

Une citation de l' article de Wikipedia sur les transformateurs :

La FEM d'un transformateur à une densité de flux donnée augmente avec la fréquence. ^[16] En fonctionnant à des fréquences plus élevées, les transformateurs peuvent être physiquement plus compacts, car un noyau donné est en mesure de transférer davantage de puissance sans atteindre la saturation et il faut moins de tours pour obtenir la même impédance .

(Souligné par moi.)

Voir Wikipedia sur l' effet de la fréquence sur les transformateurs

Alors,

• la puissance que le transformateur doit transférer est déterminée par le courant traversant ses bobines
• le courant que le fil doit conduire détermine l'épaisseur du fil (qui joue dans la taille)
• la taille de la bobine et le nombre de tours déterminent l'inductance
• l'inductance à une certaine fréquence détermine la capacité de transfert d'énergie

Conclusion: il faudrait agrandir le transformateur physiquement pour réduire le nombre d'enroulements. En réduisant le nombre d'enroulements, vous réduisez l'efficacité et augmentez les pertes. Et ce n'est généralement pas souhaitable.

Le champ magnétique de pointe dans le noyau est lié à la tension de pointe appliquée par tour. Plus la surface du noyau est grande, plus on peut générer de volts par tour.

Le champ magnétique dans le noyau ne peut pas dépasser une certaine valeur de saturation, si la perméabilité du fer chute, et le transformateur doit tirer des ordres de grandeur supplémentaires pour maintenir la magnétisation. Cela limite donc strictement le nombre de volts par tour qui peut être supporté, et vous donne donc un nombre minimum de tours pour tout enroulement.

Pour un noyau toroïdal typique de petite taille (50 VA, ish?) Que je dois avoir à la main, la section du noyau est de 25 mm sur 13 mm. Si je fais tourner le noyau avec un flux atteignant ± 1,8 T à 50 Hz, il générera environ 170 mV de crête par tour. Ainsi, un enroulement de 12 Vrms nécessiterait 100 tours, celui du réseau 240 V, de 2000. Je pourrais utiliser plus de tours que cela, mais moins de tours amènerait le noyau à saturation.

Si j’utilisais un noyau avec la section transversale d’une traverse de chemin de fer de 130 mm x 250 mm, je pourrais obtenir 12 Vrms en un seul virage, mais aussi un transformateur assez lourd.

Votre prémisse de base est fausse, il est donc impossible de répondre à la question.

Les transformateurs sont disponibles dans de nombreuses variétés de tension et de courant pour leurs entrées et sorties. Certains utilisent de nombreux tours de fil mince (haute tension, faible courant). Certains utilisent peu de spires de fil épais (basse tension, courant élevé).

Donc, la réponse à "Pourquoi ne le font-ils pas ..." , est "Ils le font" (quand c'est approprié).

Pour ceux qui n'aiment pas cette réponse

Je vois que cette réponse a reçu un certain nombre de votes négatifs et à peu près le même nombre de votes positifs. Évidemment c'est controversé. Certains y voient une qualité médiocre, en particulier après que d'autres ont spéculé sur la véritable signification du PO dans les commentaires.

En dépit de ce que d’autres pensent du PO, il a commencé avec une prémisse extrêmement fausse, à savoir que les transformateurs ont des centaines de tours sur leurs primaires et leurs secondaires et que le fil de cuivre "mince" est toujours utilisé. Cela ressemble alors à l’une de ces questions rhétoriques du type "Pourquoi tout le monde ne le fait-il pas de façon évidente?" .

C'est ce que j'ai répondu. C'est la réponse correcte à la question telle qu'interprétée ci-dessus. Peut-être que ce n'est pas ce que le PO voulait dire. C'est peut-être. Notez que le PO n’est pas revenu pour fournir des éclaircissements ou modifier la question.

Une meilleure question aurait été de trouver un compromis entre moins de tours de fil épais et plus de tours de fil fin. Si on vous le demandait respectueusement sans avoir au préalable rendu un jugement ou supposé de fausses prémisses, la réponse aurait été très différente. Cependant, encore une fois, c’est maintenant ce qui a été demandé, et même pas ce que le PO semble signifier.

Même si le PO revient effectivement et change la question, je laisserai cette réponse être un rappel pour poser des questions correctement et sans ambiguïté, et pour ne pas commencer par énoncer de fausses hypothèses comme des faits.