Conoscere la permeabilità del nucleo del trasformatore: La chiave per un trasformatore migliore

Vi siete mai chiesti perché un trasformatore funziona così bene? L'idea chiave si trova all'interno. Si trova in una parte chiamata nucleo del trasformatore. La cosa più importante di questo nucleo è una qualità speciale chiamata permeabilità. In questo articolo scoprirete cos'è la permeabilità. Scoprirete anche perché è così importante. Conoscere la permeabilità di un materiale del nucleo aiuta a capire come funzionano i trasformatori. Imparerete perché alcuni sono migliori di altri. E saprete come scegliere quello giusto per il vostro circuito elettrico.

Che cos'è la permeabilità magnetica nel nucleo di un trasformatore?

Pensate a un tovagliolo di carta. Alcuni asciugamani di carta possono assorbire molta acqua. Altri non riescono ad assorbirne affatto. La permeabilità magnetica è molto simile, ma riguarda i campi magnetici e non l'acqua. La permeabilità di un materiale indica la sua capacità di trattenere un campo magnetico. Un materiale ad alta permeabilità può "assorbire" molta energia magnetica. Il nucleo del trasformatore utilizza un materiale ad alta permeabilità. Questo aiuta a indicare al campo magnetico dove andare.

In un trasformatore, una corrente elettrica si muove attraverso una bobina di filo. Questo filo è chiamato avvolgimento. Questa corrente crea un campo magnetico. Il nucleo è posto all'interno di questa bobina. L'alta permeabilità del materiale del nucleo aiuta a raccogliere questo campo magnetico. Ciò rende il campo molto forte. Questo campo forte genera una corrente in un secondo avvolgimento. Se il nucleo non fosse buono, il campo magnetico sarebbe debole e si disperderebbe. Un buon nucleo aiuta il trasformatore a svolgere il suo lavoro in modo migliore. La permeabilità del nucleo è una parte molto importante della sua costruzione.

Perché è così importante un materiale d'anima ad alta permeabilità?

Il materiale del nucleo ad alta permeabilità è molto importante. Permette di creare un forte flusso magnetico utilizzando solo una piccola quantità di corrente elettrica. Questo è utile per due motivi principali. In primo luogo, aiuta a risparmiare energia. Non è necessaria una corrente elevata per far funzionare il trasformatore. Una corrente più bassa significa che il circuito spreca meno energia. In secondo luogo, è possibile realizzare un trasformatore più piccolo e meno pesante. Il nucleo può essere più piccolo perché il materiale è molto efficace nel suo lavoro.

Il compito principale del nucleo del trasformatore è quello di creare un percorso semplice per il flusso magnetico. Un materiale ad alta permeabilità ha una bassa "resistenza" al flusso magnetico. Ciò significa che il flusso generato dalla corrente primaria può muoversi facilmente. Viaggia attraverso il nucleo fino al secondo avvolgimento. Questa forte connessione è ciò che fa funzionare così bene un trasformatore senza sprechi. Un nucleo con una permeabilità più elevata determina una maggiore induttanza per una bobina con lo stesso numero di spire. Questa maggiore induttanza contribuisce a mantenere bassa la corrente di magnetizzazione. La corrente di magnetizzazione è la corrente necessaria per creare il flusso nel nucleo.

In che modo il materiale del nucleo influisce sul flusso magnetico e sulla corrente?

Il materiale del nucleo è come il cuore del trasformatore. Il tipo di materiale scelto ha un impatto diretto sul flusso magnetico e sulla corrente necessaria. Quando si invia una tensione all'avvolgimento primario, inizia a scorrere una piccola corrente. Si tratta della cosiddetta corrente di magnetizzazione. Questa corrente genera il flusso magnetico nel nucleo. Se il materiale del nucleo ha un'elevata permeabilità, una corrente molto piccola può generare una quantità di flusso molto elevata.

Questo legame tra corrente e flusso è molto importante. Un nucleo perfetto consentirebbe di produrre un flusso magnetico gigantesco con una corrente quasi nulla. I materiali dei nuclei reali non sono perfetti, ma alcuni sono molto buoni. Un buon materiale del nucleo fa sì che quasi tutto il flusso magnetico dalla prima bobina arrivi alla seconda. In questo modo il trasferimento di potenza da un circuito all'altro funziona molto bene. Un cattivo materiale del nucleo lascerebbe sfuggire il flusso magnetico. Ciò richiederebbe più corrente e sprecherebbe energia. Anche l'impedenza dell'avvolgimento primario viene modificata, perché un'elevata permeabilità causa un'elevata induttanza e un'alta impedenza induttiva.

Quali sono i diversi tipi di materiale del nucleo del trasformatore?

Non tutti i materiali per anime sono fatti allo stesso modo. Il materiale migliore per un determinato lavoro dipende da fattori quali il costo, la frequenza e il livello di potenza. Alcuni materiali comuni sono molto migliori di altri per lavori specifici. La scelta del materiale del nucleo è una fase molto importante della progettazione.

Ecco una tabella dei materiali più comuni per i nuclei dei trasformatori e per quali scopi vengono spesso utilizzati:

Ogni materiale ha un proprio valore di permeabilità. Un nucleo di ferro è una buona scelta per molti lavori a bassa frequenza. Per un circuito ad alta frequenza, è necessario un materiale come la ferrite. L'utilizzo di un materiale sbagliato per un'alta frequenza può generare molto calore e causare grandi perdite nel nucleo.

Come si misura la permeabilità di un nucleo?

Ci si potrebbe chiedere: "Come si misura la permeabilità di un nucleo?". Non basta guardarlo per scoprirlo. Ma c'è un modo speciale per trovare questa importante qualità. È possibile trovare il valore costruendo un induttore e facendo alcune letture elettriche. Per prima cosa, si prende il nucleo che si vuole testare. Poi si avvolge una bobina di filo attorno ad esso. È necessario sapere quante volte il filo fa il giro. In questo modo si ottiene un semplice induttore.

Successivamente, si invia una tensione CA all'avvolgimento e si misura la corrente CA che lo attraversa. Utilizzando la tensione e la corrente, si può trovare l'impedenza dell'induttore. L'impedenza di un induttore deriva principalmente dalla sua induttanza a una certa frequenza. Per questo motivo, è possibile calcolare l'induttanza. Esiste una semplice formula che collega l'induttanza, il numero di spire, le dimensioni del nucleo e la sua permeabilità. È possibile modificare la formula per risolvere la permeabilità del materiale del nucleo. Questo modo di misurare le qualità magnetiche è molto utile. Per misurarle nel modo giusto, è necessario mantenere bassa la corrente. In questo modo non si spinge il nucleo verso la saturazione.

Che cos'è la curva B-H e che cosa ci può mostrare sulla permeabilità?

La curva B-H è un grafico speciale. Ci dice tutto sul materiale di un nucleo magnetico. È uno strumento molto utile. La "H" sulla linea in basso rappresenta l'intensità del campo magnetico. Si può pensare che sia il lavoro svolto. È prodotta dalla corrente nella bobina. La "B" sulla linea che sale lungo il lato è la densità di flusso. È il risultato del lavoro svolto. Mostra quanto flusso magnetico viene spremuto nel nucleo.

Un buon materiale di base vi darà un grande risultato (B) per un po' di lavoro (H). Ciò significa che la curva B-H sarà molto ripida all'inizio. La pendenza della linea su questa curva è la permeabilità. Una linea che sale più velocemente significa una permeabilità più elevata. La curva b-h mostra anche il limite di saturazione. Dopo un certo punto, la linea sul grafico diventa piatta. Ciò significa che anche se si invia più corrente, non è possibile ottenere un flusso maggiore nel nucleo. Il nucleo è pieno, il che si chiama saturazione. L'osservazione di questa curva aiuta a conoscere il limite del nucleo. Questa curva di bh è diversa per ogni tipo di materiale.

In che modo la frequenza influisce sul lavoro del materiale di base?

La frequenza della corrente alternata fa una grande differenza per il nucleo di un trasformatore. Un materiale del nucleo che funziona molto bene a bassa frequenza può essere pessimo ad alta frequenza. Questo accade a causa delle perdite del nucleo. A una frequenza più elevata, alcuni tipi di perdita di energia all'interno del nucleo diventano molto più grandi. L'energia persa si trasforma in calore. Il calore è dannoso per il circuito del trasformatore.

I due problemi principali ad alta frequenza sono l'isteresi e le correnti parassite. La perdita per isteresi si verifica perché occorre energia per capovolgere il campo magnetico nel nucleo. Questo avviene ripetutamente a ogni ciclo della corrente alternata. L'altro problema sono le correnti parassite. Si tratta di piccole correnti elettriche che girano in cerchio all'interno del materiale del nucleo stesso. Sono generate dalla variazione del flusso magnetico. Queste correnti non svolgono alcun lavoro utile. Producono solo calore e sprecano energia. I materiali come la ferrite hanno una resistenza elettrica molto elevata, o resistività. Questa qualità aiuta a bloccare le correnti parassite. Questo li rende una buona scelta per l'uso ad alta frequenza. Un nucleo di ferro diventerebbe molto caldo ad alta frequenza.

Cosa sono le perdite di nucleo e come si collegano alla permeabilità?

Le perdite del nucleo sono come una tassa sull'energia utilizzata dal trasformatore. Sono l'energia che si perde nel nucleo. La maggior parte di questa energia persa si trasforma in calore. Un trasformatore con perdite di nucleo elevate non è molto bravo nel suo lavoro. È necessario scegliere un materiale per il nucleo che abbia perdite basse per la frequenza utilizzata. La permeabilità è collegata a questo aspetto, ma una permeabilità elevata non sempre significa che la perdita sarà bassa.

Esistono due tipi principali di perdite di nucleo da conoscere:

• Perdita per isteresi: Questa perdita è dovuta all'energia necessaria per magnetizzare e poi smagnetizzare il materiale del nucleo durante ogni ciclo di corrente alternata. Lo spazio all'interno dell'anello B-H sulla curva B-H indica la quantità di perdita di isteresi. Un materiale con un anello B-H sottile ha una bassa perdita di isteresi.
• Perdita per correnti parassite: Questa perdita è dovuta a piccole correnti circolari. Il flusso magnetico variabile genera queste correnti all'interno del nucleo. Esse fluiscono perché il materiale del nucleo può trasportare elettricità. Non svolgono alcun lavoro utile e producono solo calore. Per ridurre le correnti parassite, molti nuclei sono costruiti con fogli sottili separati. Questa costruzione è chiamata laminazioni. Interrompe il percorso della corrente.

La scelta di un materiale del nucleo con qualità tali da ridurre queste perdite è molto importante. Il materiale del nucleo giusto offre un'elevata permeabilità e basse perdite del nucleo alla frequenza in cui deve funzionare.

Permeabilità relativa vs. Permeabilità assoluta: Qual è la differenza?

Si possono sentire due nomi per la permeabilità: relativa e assoluta. Sono collegati, ma misurano le cose in modo leggermente diverso. È facile capire la differenza. Permeabilità assoluta è la permeabilità dello spazio vuoto, o del vuoto. È un numero di base della scienza che non cambia. Il suo simbolo è μ₀. Ha un valore molto piccolo e fisso. È il punto di partenza per la misurazione di tutti i campi magnetici.

Permeabilità relativa è ciò di cui si parla di solito quando si parla di un materiale di base. Il suo simbolo è μᵣ. Indica quante volte un materiale è migliore nel trasportare il flusso magnetico rispetto allo spazio vuoto. Per esempio, se un materiale ha una permeabilità relativa di 2.000, significa che è in grado di focalizzare un campo magnetico 2.000 volte meglio dello spazio vuoto. La permeabilità assoluta di un materiale si può trovare con una semplice formula. Basta moltiplicare la sua permeabilità relativa per la permeabilità assoluta del vuoto. Per la maggior parte dei lavori, ciò che serve davvero è la permeabilità relativa. Permette di confrontare un materiale con un altro.

Come si sceglie il nucleo magnetico migliore per il trasformatore?

Scegliere il nucleo magnetico giusto può sembrare difficile. Ma è semplice se si conoscono le domande giuste da porre. È necessario abbinare il materiale del nucleo e la sua forma al lavoro che il circuito deve svolgere. Un buon nucleo vi fornirà l'induttanza necessaria. Inoltre, gestirà la giusta quantità di corrente senza raggiungere la saturazione. E manterrà basse le perdite del nucleo. Anche la forma del nucleo (come un nucleo toroidale o a vaso) fa parte della costruzione.

Ecco le cose più importanti a cui pensare quando si sceglie un nucleo:

• Frequenza di funzionamento: È per un lavoro a bassa frequenza, come in un alimentatore? O per un lavoro ad alta frequenza, come in un circuito radio? Questa è la domanda più importante. Vi aiuterà a scegliere tra un elenco più ristretto di materiali.
• Permeabilità necessaria: È necessaria una permeabilità molto alta per ottenere un'elevata induttanza in un'area ridotta? Oppure è sufficiente un valore di permeabilità più basso?
• Limite di saturazione: Quanta corrente passerà attraverso l'avvolgimento? È necessario scegliere un nucleo che non raggiunga la saturazione a causa di questa corrente. Per trovare questo limite, si può controllare la curva B-H del materiale del nucleo.
• Perdite di base: È importante che il circuito funzioni bene senza sprechi? Se volete ridurre il calore e risparmiare energia, cercate un materiale che abbia basse perdite di isteresi e di correnti parassite alla vostra frequenza di lavoro.
• Dimensioni e forma: Il nucleo deve essere della dimensione giusta per il progetto. Alcune forme comuni sono toroidale, E-core e pot core. La forma può anche aiutare a proteggere l'avvolgimento da un campo magnetico esterno.

Pensare a questi aspetti vi aiuterà a scegliere il nucleo migliore per il vostro circuito elettrico. Il nucleo giusto farà funzionare il vostro induttore o trasformatore proprio come desiderate.

Cose fondamentali da ricordare

• Permeabilità è la capacità di un materiale di trattenere un campo magnetico. Un'elevata permeabilità è spesso ciò che si desidera.
• Un'elevata permeabilità nucleo consente di creare un forte magnetismo flusso con una piccola corrente.
• Il Curva B-H è un grafico che mostra la permeabilità e saturazione limite di un materiale di base.
• Perdite del nucleo (come l'isteresi e le correnti parassite) sprecano energia rendendo calore. Peggiorano man mano che il frequenza sale.
• Scegliere un materiale di base in base al funzionamento del circuito frequenza per ottenere il risultato migliore.
• Permeabilità relativa è un numero che confronta un materiale allo spazio vuoto. È il più utile valore per confrontare i diversi core.