Leren over doorlaatbaarheid van de transformatorkern: De sleutel tot een betere transformator

Heb je je ooit afgevraagd waarom een transformator zo goed werkt? Het sleutelidee zit aan de binnenkant. Het zit in een onderdeel dat de transformatorkern wordt genoemd. Het belangrijkste aan deze kern is een speciale eigenschap die permeabiliteit wordt genoemd. In dit artikel kom je te weten wat permeabiliteit is. Je leert ook waarom het zo belangrijk is. Als je de permeabiliteit van een kernmateriaal kent, kun je beter zien hoe transformatoren werken. Je leert waarom sommige beter zijn dan andere. En je weet hoe je de juiste kiest voor je elektrische circuit.

Wat is magnetische permeabiliteit in een transformatorkern?

Denk aan een papieren handdoek. Sommige papieren handdoeken kunnen veel water opnemen. Andere kunnen helemaal niet veel water opnemen. Magnetische permeabiliteit lijkt hier veel op, maar dan voor magnetische velden in plaats van water. De permeabiliteit van een materiaal vertelt je hoe goed het is in het vasthouden van een magnetisch veld. Een materiaal met een hoge doorlaatbaarheid kan veel magnetische energie "absorberen". De transformatorkern maakt gebruik van een materiaal met een hoge doorlaatbaarheid. Dit helpt om het magnetische veld te laten zien waar het naartoe moet.

In een transformator beweegt een elektrische stroom door een spoel van draad. Deze draad wordt een wikkeling genoemd. Deze stroom creëert een magnetisch veld. De kern wordt in deze spoel geplaatst. De hoge permeabiliteit van het kernmateriaal helpt om dit magnetische veld samen te brengen. Dit maakt het veld erg sterk. Dat sterke veld maakt vervolgens een stroom in een tweede wikkeling. Als de kern niet goed was, zou het magnetische veld zwak zijn en zich verspreiden. Een goede kern helpt de transformator om zijn werk veel beter te doen. De doorlaatbaarheid van de kern is een zeer belangrijk onderdeel van de constructie.

Waarom is een kernmateriaal met hoge doorlaatbaarheid zo belangrijk?

Een kernmateriaal met een hoge permeabiliteit is erg belangrijk. Hiermee kun je een sterke magnetische flux creëren door slechts een kleine hoeveelheid elektrische stroom te gebruiken. Dit is nuttig om twee belangrijke redenen. Ten eerste helpt het om energie te besparen. Je hebt geen grote stroomsterkte nodig om de transformator te laten werken. Een lagere stroom betekent dat er minder energie wordt verspild in het circuit. Ten tweede betekent het dat je een transformator kunt maken die kleiner is en minder weegt. De kern kan kleiner zijn omdat het materiaal zo goed zijn werk doet.

De belangrijkste taak van de transformatorkern is een eenvoudig pad te maken dat de magnetische flux kan volgen. Een materiaal met een hoge permeabiliteit heeft een lage "weerstand" tegen magnetische flux. Dit betekent dat de flux die door de primaire stroom wordt gemaakt, gemakkelijk kan bewegen. Hij reist door de kern naar de tweede wikkeling. Deze sterke verbinding zorgt ervoor dat een transformator zo goed werkt zonder verspilling. Een kern met een hogere permeabiliteit zal leiden tot een hogere inductie voor een spoel met hetzelfde aantal windingen. Deze hogere inductantie helpt om de magnetisatiestroom laag te houden. De magnetiseerstroom is de stroom die je nodig hebt om de flux in de kern te maken.

Hoe beïnvloedt kernmateriaal de magnetische flux en stroom?

Het kernmateriaal is als het hart van de transformator. Het soort materiaal dat je kiest heeft een directe invloed op de magnetische flux en de stroom die je nodig hebt. Wanneer je een spanning naar de primaire wikkeling stuurt, begint er een kleine stroom te lopen. Dit wordt de magnetisatiestroom genoemd. Deze stroom zorgt voor de magnetische flux in de kern. Als het kernmateriaal een hoge doorlaatbaarheid heeft, kan een heel klein stroompje een heel grote hoeveelheid flux maken.

Dit verband tussen stroom en flux is erg belangrijk. Met een perfecte kern zou je een gigantische magnetische flux kunnen maken met bijna nul stroom. Echte kernmaterialen zijn niet perfect, maar sommige zijn erg goed. Een goed kernmateriaal zorgt ervoor dat bijna alle magnetische flux van de eerste spoel naar de tweede spoel gaat. Hierdoor werkt de overdracht van stroom van het ene circuit naar het andere erg goed. Een slecht kernmateriaal laat de magnetische flux ontsnappen. Dit zou meer stroom nodig hebben en energie verspillen. De impedantie van de primaire wikkeling wordt ook veranderd, omdat een hoge permeabiliteit een hoge inductie en een hoge inductieve impedantie veroorzaakt.

Wat zijn de verschillende soorten transformatorkernmateriaal?

Niet alle kernmaterialen worden op dezelfde manier gemaakt. Het beste materiaal voor een bepaalde klus hangt af van zaken als de kosten, de frequentie en het vermogensniveau. Sommige gangbare materialen zijn veel beter dan andere voor specifieke taken. Het kiezen van het kernmateriaal is een zeer belangrijke stap in het ontwerp.

Hier is een tabel met veel voorkomende transformatorkernmaterialen en waar ze vaak voor worden gebruikt:

Elk materiaal heeft zijn eigen doorlaatbaarheidswaarde. Een ijzeren kern is een goede keuze voor veel banen met een lage frequentie. Voor een hoogfrequent circuit heb je een materiaal als ferriet nodig. Het gebruik van het verkeerde kernmateriaal bij een hoge frequentie kan veel warmte produceren en grote kernverliezen veroorzaken.

Hoe kun je de doorlaatbaarheid van een kern meten?

Je vraagt je misschien af: "Hoe meet je de doorlaatbaarheid van een kern?". Daar kom je niet achter door er alleen maar naar te kijken. Maar er is een speciale manier om deze belangrijke eigenschap te vinden. Je kunt de waarde vinden door een spoel te bouwen en wat elektrische metingen te doen. Eerst neem je de kern die je wilt testen. Dan wikkel je er een spoel draad omheen. Je moet weten hoeveel keer de draad rondgaat. Dit maakt een eenvoudige spoel.

Vervolgens stuur je een wisselspanning naar de wikkeling en meet je de wisselstroom die erdoorheen gaat. Aan de hand van de spanning en de stroom kun je de impedantie van de spoel bepalen. De impedantie van een spoel wordt meestal bepaald door de inductie bij een bepaalde frequentie. Hierdoor kun je de inductantie berekenen. Er is een eenvoudige formule die inductantie, het aantal windingen, de grootte van de kern en de permeabiliteit met elkaar verbindt. Je kunt de formule omdraaien om de permeabiliteit van het kernmateriaal op te lossen. Deze manier om magnetische eigenschappen te meten is erg handig. Om het op de juiste manier te meten, moet je de stroom laag houden. Dit is om de kern niet in verzadiging te brengen.

Wat is de B-H-curve en wat kan hij ons vertellen over doorlaatbaarheid?

De B-H-curve is een speciale grafiek. Het vertelt je alles over een magnetisch kernmateriaal. Het is een zeer nuttig hulpmiddel. De 'H' op de lijn onderaan is de magnetische veldsterkte. Je kunt dit zien als het werk dat je erin steekt. Het wordt gemaakt door de stroom in de spoel. De 'B' op de lijn aan de zijkant is de fluxdichtheid. Dit is het resultaat van je werk. Het laat zien hoeveel magnetische flux er in de kern wordt geperst.

Een goed kernmateriaal geeft je een groot resultaat (B) voor slechts een klein beetje werk (H). Dit betekent dat de B-H-curve heel steil zal zijn waar hij begint. Hoe steil de lijn op deze curve is, is de permeabiliteit. Een lijn die sneller omhoog gaat, betekent een hogere permeabiliteit. De b-h-curve geeft ook de verzadigingsgrens aan. Na een bepaald punt wordt de lijn op de grafiek vlak. Dit betekent dat zelfs als je meer stroom stuurt, je niet veel meer flux in de kern kunt krijgen. De kern is vol, wat verzadiging wordt genoemd. Als je naar deze curve kijkt, weet je wat de limiet van je kern is. Deze bh-curve ziet er voor elk soort materiaal anders uit.

Hoe beïnvloedt de frequentie de werking van het kernmateriaal?

De frequentie van de wisselstroom maakt een groot verschil voor de kern van een transformator. Een kernmateriaal dat heel goed werkt bij een lage frequentie kan heel slecht zijn bij een hoge frequentie. Dit komt door kernverliezen. Bij een hogere frequentie worden sommige soorten energieverlies in de kern veel groter. Deze energie die verloren gaat, verandert in warmte. Warmte is slecht voor het transformatorcircuit.

De twee grootste problemen bij hoge frequenties zijn hysteresis en wervelstromen. Hysteresisverlies treedt op omdat het energie kost om het magnetische veld in de kern heen en weer te bewegen. Dit gebeurt steeds opnieuw bij elke cyclus van de wisselstroom. Het andere probleem zijn wervelstromen. Dit zijn kleine elektrische stroompjes die rondjes draaien in het kernmateriaal zelf. Ze worden veroorzaakt door de veranderende magnetische flux. Deze stromen doen geen goed werk. Ze produceren alleen warmte en verspillen stroom. Materialen zoals ferriet hebben een zeer hoge elektrische weerstand, of weerstand. Deze eigenschap helpt wervelstromen tegen te houden. Dit maakt ze een goede keuze voor gebruik bij hoge frequenties. Een ijzeren kern zou erg heet worden bij een hoge frequentie.

Wat zijn kernverliezen en hoe houden ze verband met permeabiliteit?

Kernverliezen zijn als een belasting op de energie die je transformator gebruikt. Het is de energie die verloren gaat in de kern. Het grootste deel van deze verloren energie wordt warmte. Een transformator met hoge kernverliezen is niet erg goed in zijn werk. Je wilt een kernmateriaal kiezen dat lage kernverliezen heeft voor de frequentie die je gebruikt. De permeabiliteit hangt hiermee samen, maar een hoge permeabiliteit betekent niet altijd dat het verlies laag zal zijn.

Er zijn twee belangrijke soorten kernverliezen die u moet kennen:

• Verlies door hysterese: Dit verlies is het gevolg van de energie die nodig is om het kernmateriaal tijdens elke wisselstroomcyclus te magnetiseren en vervolgens te demagnetiseren. De ruimte binnen de B-H lus op de B-H curve geeft aan hoeveel hysteresisverlies er is. Een materiaal met een smalle B-H-lus heeft een laag hystereseverlies.
• Wervelstroomverlies: Dit verlies wordt veroorzaakt door kleine cirkelvormige stromen. De veranderende magnetische flux veroorzaakt deze stromen in de kern. Ze stromen omdat het kernmateriaal elektriciteit kan geleiden. Ze verrichten geen nuttige arbeid en produceren alleen warmte. Om wervelstromen kleiner te maken, zijn veel kernen opgebouwd uit dunne platen die van elkaar gescheiden zijn. Deze constructie wordt laminaten. Het verbreekt het pad voor de stroom.

Het kiezen van een kernmateriaal met eigenschappen die deze verliezen verlagen is erg belangrijk. Het juiste kernmateriaal geeft je een hoge permeabiliteit en lage kernverliezen op de frequentie waar het zal werken.

Relatieve permeabiliteit vs. absolute permeabiliteit: Wat is het verschil?

Je hoort misschien twee benamingen voor permeabiliteit: relatief en absoluut. Ze zijn met elkaar verbonden, maar ze meten dingen op een iets andere manier. Het is gemakkelijk om het verschil te begrijpen. Absolute doorlaatbaarheid is de doorlaatbaarheid van de lege ruimte, of een vacuüm. Het is een basisgetal in de wetenschap dat niet verandert. Het symbool is μ₀. Het heeft een zeer kleine, vaste waarde. Het is het uitgangspunt voor het meten van alle magnetische velden.

Relatieve doorlatendheid is waar mensen meestal over praten als ze het over een kernmateriaal hebben. Het symbool is μᵣ. Het vertelt je hoeveel keer beter een materiaal is in het transporteren van magnetische flux als je het vergelijkt met lege ruimte. Als een materiaal bijvoorbeeld een relatieve permeabiliteit van 2.000 heeft, betekent dit dat het een magnetisch veld 2.000 keer beter kan focussen dan lege ruimte dat kan. Je kunt de absolute permeabiliteit van een materiaal vinden met een eenvoudige formule. Je vermenigvuldigt gewoon de relatieve permeabiliteit met de absolute permeabiliteit van een vacuüm. Voor de meeste toepassingen heb je eigenlijk de relatieve permeabiliteit nodig. Hiermee kun je het ene kernmateriaal met het andere vergelijken.

Hoe kies je de beste magneetkern voor je transformator?

De juiste magnetische kern kiezen lijkt misschien moeilijk. Maar het is eenvoudig als je de juiste vragen weet te stellen. Je moet het materiaal van de kern en de vorm ervan afstemmen op het werk dat je circuit moet doen. Een goede kern geeft je de inductie die je nodig hebt. Hij kan ook de juiste hoeveelheid stroom aan zonder verzadiging te bereiken. En het houdt de kernverliezen laag. De vorm van de kern (zoals een ringkern of potkernvorm) maakt ook deel uit van de constructie.

Hier zijn de belangrijkste dingen waar je aan moet denken als je een kern kiest:

• Werkfrequentie: Is het voor een laagfrequente functie, zoals in een voeding? Of is het voor een hoge frequentie, zoals in een radiocircuit? Dit is de belangrijkste vraag. Het zal je helpen een keuze te maken uit een kleinere lijst van materialen.
• Permeabiliteit nodig: Heb je een zeer hoge permeabiliteit nodig om een hoge inductie op een klein oppervlak te krijgen? Of is een lagere permeabiliteitswaarde goed genoeg?
• Verzadigingslimiet: Hoeveel stroom gaat er door de wikkeling? Je moet een kern kiezen die niet verzadigd raakt door deze stroom. Je kunt de B-H-curve van het kernmateriaal bekijken om deze limiet te vinden.
• Kernverliezen: Is het belangrijk dat de schakeling goed werkt zonder verspilling? Als je minder warmte wilt produceren en stroom wilt besparen, zoek dan naar een materiaal met lage hysteresis en wervelstroomverliezen bij je werkfrequentie.
• Grootte en vorm: De kern moet de juiste grootte hebben voor je ontwerp. Enkele veel voorkomende vormen zijn ringkern, E-kern en potkern. De vorm kan ook helpen om de wikkeling te beschermen tegen een extern magnetisch veld.

Als je over deze dingen nadenkt, kun je de allerbeste kern voor je elektrische circuit kiezen. De juiste kern zorgt ervoor dat je spoel of transformator precies werkt zoals jij wilt.

Belangrijke dingen om te onthouden

• Doorlaatbaarheid is hoe goed een materiaal een magnetisch veld kan vasthouden. Een hoge permeabiliteit is vaak wat je wilt.
• Een hoge doorlaatbaarheid kern Hiermee kun je een sterke magnetische flux met een zeer kleine huidige.
• De B-H-curve is een grafiek die de permeabiliteit en verzadiging limiet van een kernmateriaal.
• Kernverliezen (zoals hysteresis en wervelstromen) verspillen energie door het maken van warmte. Ze worden erger naarmate de frequentie gaat omhoog.
• Kies een kernmateriaal gebaseerd op de werking van je circuit frequentie voor het beste resultaat.
• Relatieve doorlatendheid is een getal dat een materiaal naar de lege ruimte. Het is de nuttigste waarde om verschillende kernen te vergelijken.