چرا یک ترانسفورماتور DC را مسدود می کند اما AC را عبور می دهد؟

مقدمه

یک ترانسفورماتور مانند جادویی به نظر می رسد: دو سیم پیچ سیم مشترک یک هسته آهنی، بدون قطعات متحرک، با این حال می تواند یک ولتاژ را بالا یا پایین کند. اما یک باتری (DC) را به آن وصل کنید و هیچ چیز مفیدی بیرون نمی آید - و اگر آن را متصل نگه دارید، ممکن است آتش سوزی شود. چرا؟ پاسخ کوتاه این است که یک ترانسفورماتور برده قانون القایی فارادی است و این قانون فقط به یک میدان مغناطیسی در حال تغییر پاداش می دهد.

اصل - و چرا کار می کند

یک ترانسفورماتور با القای متقابل عمل می کند. جریان در سیم پیچ اولیه یک میدان مغناطیسی در هسته ایجاد می کند. اگر آن میدان با گذشت زمان تغییر کند ، ولتاژی را در سیم پیچ ثانویه القا می کند. قانون فارادی دقیقاً بیان می کند: ولتاژ القایی

ε = -N · dΦ/dt

که در آن Φ شار مغناطیسی و N تعداد چرخش ها است (بر اساس یادداشت های IB-physics RevisionDojo). توجه کنید که معادله به چه چیزی بستگی دارد: نرخ تغییر شار، نه قدرت میدان. با AC، جریان 50 یا 60 بار در ثانیه معکوس می شود، بنابراین شار همیشه در حال تغییر است و ثانویه به تولید ولتاژ ادامه می دهد. با DC ثابت، میدان ثابت است - dΦ/dt = 0 - بنابراین ε = 0. همانطور که درس فیزیک دانشگاه کلرادو می گوید، "ترانسفورماتورها هیچ کاری نمی کنند اگر ورودی ثابت یا DC باشد."

چرا DC خطرناک است، نه فقط بی فایده (برای مهندسان)

تحت AC معمولی، شار دائماً در حال تغییر یک EMF پشتی ایجاد می کند که مانند ترمز عمل می کند و جریان اولیه را محدود می کند. AC را بردارید و آن ترمز ناپدید می شود. تنها چیزی که جریان محدود کننده باقی می ماند، مقاومت DC کوچک سیم پیچ است - اغلب کسری از اهم. نتیجه یک موج عظیم جریان است. Scienceinsights.org اشاره می کند که این می تواند یک ترانسفورماتور را در چند ثانیه تا چند دقیقه از بین ببرد. بدتر از آن، شار DC یک طرفه هسته را به سمت اشباع سوق می دهد: نفوذپذیری فرو می ریزد، اندوکتانس کاهش می یابد، و سیم پیچ تقریباً مانند یک سیم اتصال کوتاه عمل می کند (smartlifegarage.blog). حتی یک افست کوچک DC در یک خط AC مضر است - wiringuru.com توضیح می‌دهد که نقطه عملیاتی شار را به سمت اشباع تغییر می‌دهد، جریان بی‌باری را افزایش می‌دهد و زمزمه مغناطیسی انقباض شدید ایجاد می‌کند (گاهی اوقات به جریان‌های القای ژئومغناطیسی گره می‌خورد، مانند خاموشی کبک در سال 1989).

مثال کاربردی

دقیقا به همین دلیل است که شارژر لپ تاپ شما کوچک است. منبع تغذیه حالت سوئیچ (SMPS) ابتدا AC دیوار را به DC اصلاح می کند، سپس یک تراشه سوئیچینگ آن DC را به AC با فرکانس بالا (ده ها تا صدها کیلوهرتز) تبدیل می کند و تنها پس از آن یک ترانسفورماتور کوچک را تغذیه می کند. فرکانس بالاتر به معنای تغییر سریعتر شار است، بنابراین یک هسته کوچکتر همان قدرت را منتقل می کند (scienceinsights.org). ترانسفورماتور هنوز فقط در AC کار می کند - ما فقط AC را از DC به صورت الکترونیکی تولید می کنیم.

تصور غلط رایج و واقعیت سرگرم کننده

تصور اشتباه: "ترانسفورماتور اگر آن را به عقب سیم کشی کنید، ولتاژ DC را تغییر می دهد." خیر - DC را تغذیه کنید و هیچ خروجی تغییر شکلی دریافت نمی کنید، فقط گرما دریافت می کنید.

واقعیت جالب: چیزی به نام "ترانسفورماتور DC" تک جزیی وجود ندارد. چیزی که بازاریابی یک ترانسفورماتور DC-DC می نامد، در واقع یک مبدل کامل است - نوسانگر + ترانسفورماتور فرکانس بالا + یکسو کننده (smartlifegarage.blog). طبق پرسش و پاسخ فیزیک دانشگاه ایلینویز، خطوط انتقال HVDC از قانون مشابهی پیروی می کنند: DC را به AC برش می دهند، تبدیل می کنند و سپس به DC یکسو می کنند.

پارامترهای کلیدی و انتخاب (مهندسین)

• همیشه یک ترانسفورماتور را از منبعی با زمان متغیر هدایت کنید. فرکانس و شکل موج را مشخص کنید.
• برای جداسازی ریل های DC، از یک خازن یا مبدل DC-DC ایزوله استفاده کنید – نه یک ترانسفورماتور خالی.
• از آفست DC با خازن های مسدود کننده DC یا مقاومت های نقطه خنثی در دنده های حساس صوتی/صنعتی خودداری کنید.
• در SMPS، یک ماده هسته (فریت / آهن پودری) را انتخاب کنید که برای فرکانس سوئیچینگ درجه بندی شده است تا از اشباع دور بماند.