Bir Transformatör Neden DC'yi Engeller ancak AC'yi Geçer?

giriiş

Bir transformatör sihir gibi görünür: bir demir çekirdeği paylaşan iki tel bobini, hareketli parça içermez, ancak yine de voltajı artırabilir veya azaltabilir. Ancak ona bir pil (DC) bağlarsanız işe yarar hiçbir şey çıkmaz; bağlı tutarsanız yangın başlatabilirsiniz. Neden? Kısa cevap, bir transformatörün Faraday'ın indüksiyon yasasının kölesi olduğu ve bu yasanın yalnızca değişen bir manyetik alanı ödüllendirdiğidir.

Prensip - ve Neden Çalışıyor?

Bir transformatör karşılıklı endüksiyonla çalışır. Birincil bobindeki akım çekirdekte bir manyetik alan yaratır; eğer bu alan zamanla değişirse sekonder bobinde bir gerilim indüklenir. Faraday yasası bunu tam olarak belirtir: indüklenen voltaj

ε = −N · dΦ/dt

burada Φ manyetik akı ve N dönüş sayısıdır (RevisionDojo'nun IB-fizik notlarına göre). Denklemin neye bağlı olduğuna dikkat edin: alanın gücüne değil, akının değişim hızına . AC'de akım saniyede 50 veya 60 kez tersine döner, böylece akı daima değişir ve ikincil gerilim üretmeye devam eder. Sabit DC ile alan sabittir - dΦ/dt = 0 - yani ε = 0. Colorado Üniversitesi fizik dersinin belirttiği gibi, "giriş sabitse veya DC ise transformatörler hiçbir şey yapmaz."

DC Neden Sadece Yararsız Değil, Tehlikelidir (mühendisler için)

Normal AC altında, sürekli değişen akı, fren gibi davranan ve birincil akımı sınırlayan bir geri EMF üretir. AC'yi çıkarın ve fren kaybolur. Akımı sınırlayan tek şey, sargının küçük DC direncidir; genellikle bir ohm'un çok küçük bir kısmı. Sonuç, devasa bir akım dalgalanmasıdır; scienceinsights.org, bunun bir transformatörü saniyeler ila dakikalar içinde yok edebileceğini belirtiyor. Daha da kötüsü, tek yönlü DC akışı çekirdeği doygunluğa sürükler: geçirgenlik çöker, endüktans düşer ve sargı neredeyse kısa devre yapılmış bir tel gibi davranır (smartlifegarage.blog). Bir AC hattındaki küçük bir DC ofseti bile zararlıdır - kablolamauru.com bunun akı çalışma noktasını doyuma doğru kaydırdığını, yüksüz akımı yükselttiğini ve yüksek manyetostriksiyon uğultusunu ürettiğini (bazen 1989 Quebec elektrik kesintisinde olduğu gibi jeomanyetik olarak indüklenen akımlara bağlıdır) açıklıyor.

Uygulama Örneği

Dizüstü bilgisayar şarj cihazınızın küçük olmasının nedeni tam olarak budur. Anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS) önce duvarı AC'den DC'ye doğrultuyor, ardından bir anahtarlama çipi bu DC'yi yüksek frekanslı AC'ye (onlarca ila yüzlerce kHz) bölüyor ve ancak bundan sonra küçük bir transformatörü besliyor. Daha yüksek frekans, daha hızlı akı değişimi anlamına gelir, dolayısıyla daha küçük bir çekirdek aynı gücü aktarır (scienceinsights.org). Transformatör hala yalnızca AC üzerinde çalışıyor; biz yalnızca DC'den elektronik olarak AC üretiyoruz.

Yaygın Yanlış Kanı ve Eğlenceli Gerçek

Yanlış kanı: "Bir transformatörü ters bağlarsanız DC voltajı değişir." Hayır - DC'yi besleyin ve dönüştürülmüş bir çıktı elde etmeyin, yalnızca ısı elde edin.

Eğlenceli gerçek: Tek bileşenli "DC transformatör" diye bir şey yoktur. Pazarlamanın DC-DC "trafo" olarak adlandırdığı şey aslında tam bir dönüştürücüdür - osilatör + yüksek frekanslı transformatör + doğrultucu (smartlifegarage.blog). Illinois Üniversitesi Fizik Soru ve Cevaplarına göre, HVDC iletim hatları aynı yasaya uyuyor: DC'yi AC'ye kesiyorlar, dönüştürüyorlar ve sonra tekrar DC'ye doğrultuyorlar.

Anahtar Parametreler ve Seçim (mühendisler)

• Bir transformatörü her zaman zamanla değişen bir kaynaktan sürün; Frekansı ve dalga biçimini belirtin.
• DC raylarını yalıtmak için çıplak bir transformatör değil, bir kapasitör veya yalıtılmış bir DC-DC dönüştürücü kullanın.
• Hassas ses/endüstriyel ekipmanlarda DC engelleme kapasitörleri veya nötr nokta dirençleri ile DC dengelemesinden kaçının.
• SMPS'de, doygunluktan uzak kalmak için anahtarlama frekansına göre derecelendirilmiş bir çekirdek malzeme (ferrit/toz demir) seçin.