Un transformateur peut-il fonctionner si le noyau n'est pas circulaire?

J'essaie de construire un transformateur pour convertir le courant alternatif 12V en 5V AC. Voici ce que j'ai en ce moment:

Je n'ai pas encore ajusté le rapport de bobine mais je l'ai essayé juste pour voir s'il y aurait une sortie et en fait il n'y en a pas. J'ai testé le noyau et il est ferromagnétique, donc je suppose que cela ne peut pas fonctionner parce que le centre du noyau est vide (c'est un tuyau), ou parce que les solénoïdes ne peuvent pas être alignés et le noyau doit être circulaire.

J'apprécierais grandement si quelqu'un pouvait m'expliquer ce qui ne va pas avec cette conception et pourquoi elle ne fonctionne pas (ou pourquoi elle devrait).

Le noyau n'a pas besoin d'être circulaire, mais il doit être fermé, sinon le flux lié sera très faible.

De plus, le fait que le tuyau soit vide n'améliore pas la situation, car le flux est concentré là où la perméabilité est plus élevée, c'est-à-dire dans le cœur, mais la section nette du cœur dans votre cas est petite. En fait, la majeure partie de la section de la bobine est remplie d'air, qui a une faible perméabilité.

Vous ne pouvez pas fermer le noyau avec un simple morceau de fil de fer. Il ne sera pas efficace, car le flux sera contraint dans la plus petite section du fil. Gardez à l'esprit que le flux obéit à une sorte de "loi d'Ohm pour les circuits magnétiques", appelée loi de Hopkinson .

Le rôle de la résistance est pris par une quantité connue sous le nom de réluctance , qui est proportionnelle à la section nette du noyau où le flux s'écoule. Le flux est analogue au courant. Par conséquent, une petite section limitera considérablement le flux. Étant donné que le rôle de la tension est pris par la force magnétomotrice (MMF) qui dépend du courant dans la bobine, vous pouvez comprendre qu'avec le même courant dans le primaire et une réluctance élevée en raison d'un flux contraint dans une petite section de fil , le flux sera faible, et donc le courant induit dans le secondaire sera faible.

Si vous essayez de pomper plus de courant dans le primaire, le noyau sera saturé (un effet fortement non linéaire), ce qui entraînera une baisse drastique de sa perméabilité, annulant votre tentative.

Pour avoir suffisamment de couplage entre les deux bobines, vous avez besoin d'un circuit magnétique fermé avec une réluctance sensiblement faible. Par conséquent, vous avez besoin d'un chemin fermé en matériau ferromagnétique avec une section plus ou moins constante, car tout rétrécissement de la section augmentera la réticence.

EDIT (invité par un commentaire utile de @Asmyldof)

Bien que, j'ai expliqué ci-dessus pourquoi votre configuration n'est pas efficace pour un transformateur de puissance , et l'explication est toujours valable, il y a quelques problèmes à prendre en compte lors du fonctionnement du transformateur. Cet article intéressant sur les transformateurs a de belles images et plonge dans le sujet plus en détail. Je soulignerai brièvement deux aspects clés ci-dessous.

Comme je l'ai dit, pour avoir un couplage élevé entre les enroulements primaire et secondaire, vous avez besoin d'une faible réluctance et d'un noyau fermé. Cela nécessite un noyau solide avec un chemin magnétique fermé. Par rapport à votre configuration, cela améliorera la situation, mais sachez que l'utilisation d'un noyau ferromagnétique qui est également électriquement conducteur, comme le fer, a ses inconvénients.

Tout d'abord (et vraiment important pour un transformateur de puissance), il y a les pertes de puissance du cœur. Si le noyau est fait d'un bon matériau conducteur, des courants de Foucault seront induits dans sa section transversale, ce qui entraînera une perte de puissance par chauffage Joule (comme dans une résistance). Ce n'est pas la seule source de pertes de cœur, mais pour les noyaux conducteurs, c'est généralement la plus pertinente. Par conséquent, en utilisant une barre de fer solide comme noyau de transformateur, vous risquez de perdre beaucoup d'énergie en chauffant le noyau lui-même (c'est pourquoi les noyaux en fer ne sont pas solides, ils sont toujours "remplis", mais stratifiés, c'est-à-dire fabriqués par de nombreuses couches de matériau isolé).

Le deuxième aspect clé est la saturation . Si vous augmentez le courant primaire au-dessus d'une certaine limite, le noyau saturera et la perméabilité baissera, donc la réticence augmentera. Avoir un cœur en boucle fermée pas complètement est, dans ce cas, bénéfique. En fait, parfois, les noyaux sont construits avec un petit espace d'air, c'est-à-dire que le noyau forme une boucle presque fermée, mais pas tout à fait. Le petit entrefer a une réticence beaucoup plus élevée que le reste du noyau, ce qui augmente la réticence globale du noyau + gap, ce qui semble mauvais, mais l'avantage est que le gap aide à linéariser le noyau, c'est-à-dire qu'il limite l'effet de saturation. De plus, l'écart est très petit (disons sur l'épaisseur d'une feuille de papier) et cela empêche le flux de se disperser dans l'espace autour du noyau, donc il n'aggrave pas trop le couplage global.

Autres liens intéressants sur les transformateurs:

• Bases des transformateurs

• Transformers Construction

Il "fonctionnera" dans un sens, comme n'importe quel autre transformateur, mais comme le circuit de flux n'est fermé que par une fuite de champ magnétique d'une extrémité du noyau à l'autre, sa réticence sera énorme, et donc ce sera beaucoup moins efficace que vous ne le souhaiteriez. Ceci est normalement modélisé comme une "inductance de fuite".

Mesurer l'inductance primaire avec le circuit ouvert secondaire. C'est ce qu'on appelle l'inductance primaire. Mesurez à nouveau avec le court-circuit secondaire et vous devriez voir l'inductance primaire diminuer légèrement, car vous avez placé "l'inductance de fuite" en parallèle avec elle. Le calcul de l'inductance de fuite vous permettra de calculer la perte de votre transformateur.

Dans un bon transformateur, l'inductance de fuite est égale ou inférieure à 1% de l'inductance primaire: dans la vôtre, elle est probablement 10 fois supérieure à l'inductance primaire.

En fait, si vous regardez l'antenne à tige de ferrite dans une radio AM, vous verrez plusieurs enroulements; il agit à la fois comme antenne, circuit accordé et transformateur. Le plus petit enroulement transfère une petite proportion de l'énergie du circuit accordé dans l'amplificateur et le mélangeur RF.

Mais ce n'est pas un transformateur efficace pour la conversion de puissance.

Vous pouvez l'améliorer en pliant la tige en "U" ou mieux, en la rondant dans un anneau avec un espace, puis le flux doit simplement sauter l'espace, ce qui donne une moindre réticence. Lorsque vous réduisez la largeur de l'espace, la réluctance diminue, tout comme l'inductance de fuite, ce qui augmente l'efficacité du transformateur.

Le mieux est de combler entièrement l'écart

Cependant, parfois un petit espace est laissé (défini par l'épaisseur d'un morceau de papier!) Délibérément, pour maintenir la densité de flux vers le bas pour éviter de saturer le noyau. Cela se fait généralement dans les transformateurs de signaux, où la distorsion de saturation est un problème, pas dans les transformateurs de conversion de puissance.

Non, le matériau magnétique n'a pas besoin de former une boucle fermée, mais cela vous permettra de fabriquer un transformateur plus petit pour la même quantité d'énergie. Les lignes de champ magnétique seront toujours en boucle, la seule question est de savoir si vous leur fournissez du matériel agréable à suivre facilement ou non.

Cependant, le problème dans votre cas est que vous utilisez un noyau conducteur. Le tuyau métallique agit comme un secondaire de court-circuit, ce qui donne à votre enroulement secondaire peu de chances de ramasser beaucoup de choses. Vous avez construit un radiateur à induction, pas un transformateur.

De plus, vous mettez AC dans le primaire, non? Les transformateurs fonctionnent uniquement sur AC. C'est le changement du champ magnétique qui induit une tension aux bornes du secondaire.

Comme indiqué dans d'autres réponses, oui, cela devrait fonctionner, juste avec un mauvais transfert de puissance (aussi longtemps que vous utilisez AC).

En fait, ce que vous avez est assez proche d'un transducteur de position LVDT avec une seule bobine secondaire.

Si vous avez collé une barre d'acier à l'intérieur du tuyau, vous pouvez faire varier le raccord et obtenir un signal de sortie variable. Cet effet pourrait être amélioré en utilisant un mince tuyau en plastique et une barre de fer qui occupe autant d'espace central que possible. Notant que cela n'en fera pas nécessairement un meilleur transformateur pour vos besoins, mais c'est un côté intéressant.

Sur la photo, il semble que vous ayez placé les bobines les unes à côté des autres. Cette configuration vous donne le moins de flux coupant à travers l'enroulement secondaire. Pour améliorer le couplage, vous devez enrouler le secondaire sur le primaire. L '"efficacité" du couplage dépendra de ce que vous utilisez comme noyau (air, tube creux, tube plein, etc.), mais l'action du transformateur doit fonctionner! Si vous utilisez 200 tours sur le primaire et 100 tours sur le secondaire, la sortie doit correspondre à 1/2 de la tension d'entrée. La taille des fils déterminera les capacités actuelles des enroulements, mais pas la tension.