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Induttore accoppiato e trasformatore

Circuiti, campi elettromagnetici e teoria delle linee di trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica

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[1] Induttore accoppiato e trasformatore

Messaggioda Foto Utentecalcolatrice » 10 mag 2020, 18:48

Oggi ho ripassato l'argomento trasformatore ed induttore accoppiato, da quello che ho capito, il trasformatore è un caso particolare di induttore accoppiato (quando i due induttori sono inseriti in nucleo magnetico in comune).
Un trasformatore, da quello che ho capito, "trasforma" semplicemente la tensione sul primario e la trasferisce completamente (idealmente, a meno di resistenze parassite) sul secondario, che la libera su un certo carico.

Quando il circuito primario di un trasformatore si apre, la corrente sul secondario va anche a zero, e tutta l'energia viene dissipata sul contatto di apertura del circuito primario, corretto?
Nel caso di induttore accoppiato, invece, la cosa è leggermente diversa, in quanto, una volta aperto il contatto sul primario, nel secondario, la corrente non va a zero ma rilascia l'energia su un eventuale carico, fino ad esaurirsi, corretto?

Mi sapreste dare anche un esempio pratico di un induttore accoppiato?

Grazie!
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[2] Re: Induttore accoppiato e trasformatore

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 11 mag 2020, 8:07

Secondo me, hai scritto tutto correttamente :ok: .
Non so fare un esempio di un induttore accoppiato che non sia un trasformatore, nel campo elettrotecnico, inteso come gestione/trasmissione di potenza elettrica.

Per trasformatore puoi anche considerare i trasformatori risonanti degli stadi amplificatori a media frequenza dei ricevitori supereterodina. Per i ricevitori a onde medie, ora in obsolescenza, sono a
467 kHz con larghezza di banda passante di circa 10 kHz, e attenuazione di circa 20 db delle frequenza distanti più di 30 kHz.

Oppure un "balun" per antenne che trasforma le impedenze e simmetrizza le tensioni
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[3] Re: Induttore accoppiato e trasformatore

Messaggioda Foto Utentecalcolatrice » 11 mag 2020, 21:47

Grazie mille della spiegazione! O_/
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[4] Re: Induttore accoppiato e trasformatore

Messaggioda Foto UtentePietroBaima » 11 mag 2020, 23:17

Gli induttori accoppiati di un flyback per esempio non formano un trasformatore.
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Io capisco le cose per come le scrivete. Per esempio: K sono kelvin e non chilo, h.z è la costante di Planck per zepto o per la zeta di Riemann e l'inverso di una frequenza non si misura in siemens.
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[5] Re: Induttore accoppiato e trasformatore

Messaggioda Foto UtentePioz » 12 mag 2020, 0:48

Un trasformatore, nel caso ideale, non accumula energia. Quindi non ci sono problemi a cambiare bruscamnte la corrente del primario, ad esempio aprendo il circuito, in quanto lui stesso non ha nulla da scaricare.
Idealmente, le induttanze degli avvolgimenti sono infinite e conta solo il rapporto spire che lega tensioni e correnti.

Un induttore accoppiato invece immagazzina energia (magnetica) e quindi alle sue porte si vede in qualche modo un induttanza. Ci sono vari modelli per descriverlo e i parametri fondamentali sono induttanza degli avvolgimenti e fattore di accoppiamento magnetico tra i due.
Negli utilizzi normali, come nel caso citato di un flyback, o nelle bobine di accensione per motori a scoppio, i due avvolgimenti lavorano in modo alternato: si carica il primario in una prima fase (con il secondario aperto), si interrompe poi il primario e si "chiude" il secondario facendo si che l'energia immagazzinata si scarichi sul circuito a valle. Se nell'aprire il primario non garantisci una chiusura al secondario, l'energia si scarica attraverso la strada piu' semplice, che puo' essere anche il primario stesso, dipende dalla bonta' con cui apri il circuito.
Questo e' l'uso normale di un induttore accoppiato. Nell'uso generale comunque nulla vieta di avere correnti al primario e al secondario contemporaneamente. Infatti questo e' quello che avviene nei trasformatori reali, dove il fattore di accoppiamento non e' mai 1 (quindi massimo) e le induttanze degli avvolgimenti non sono infinite. Per forza di cose anche loro nella vita reale sono degli induttori accoppiati.

Spero di averti un po' chiarito, o almeno non averti confuso di piu'
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[6] Re: Induttore accoppiato e trasformatore

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 12 mag 2020, 7:03

Il messaggio di Foto UtentePioz mi è piaciuto.

Lo riassumerei così:
Fisicamente sono sempre induttori accoppiati.

Focalizzando su tensioni sinusoidali ad ampiezza e frequenza fissa, sono trasformatori di alimentazione. (Gestisci i transitori come disturbi da neutralizzare).

Se sono tensioni sinusoidali generiche sono trasformatori di impedenza e amplificatori selettivi.

Se sono presenti grandezze elettriche non sinusoidali, si considerano transitori e scambi di energia e sono induttori accoppiati.
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[7] Re: Induttore accoppiato e trasformatore

Messaggioda Foto UtenteSandroCalligaro » 14 mag 2020, 0:43

A me è sempre sembrata arbitraria, la distinzione tra induttori accoppiati e trasformatori.
Per quel che ho visto finora, sono tutti modellabili con quello che viene solitamente chiamato, in elettrotecnica, trasformatore reale, costituito da un trasformatore ideale (o più) e altri elementi (in prima approssimazione, induttivi).
La stessa cosa si può rappresentare con matrici di auto e mutue induttanze.

È vero, invece, che ci sono applicazioni nelle quali si sfrutta l'accumulo di energia magnetica, ed altre nelle quali quell'effetto è indesiderato, ma inevitabile.

Il flyback, citato da Foto UtentePietroBaima, si spiega di solito con un trasformatore reale, nel quale l'induttanza di magnetizzazione viene considerata e, anzi, sfruttata. L'induttanza di dispersione spiega invece uno dei principali problemi del flyback.
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[8] Re: Induttore accoppiato e trasformatore

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 14 mag 2020, 23:52

Aggiungo ancora qualcosa a quanto ha detto Foto UtentePioz.

In un trasformatore l'induttanza di magnetizzazione non serve al circuito, dovrebbe essere la piu` grande possibile, in modo che non accumuli energia e non faccia scorrere corrente. Negli induttori accoppiati invece l'induttanza di magnetizzazione e` importante nel circuito, deve avere un valore ben determinato in modo da immagazzinare e rilasciare l'energia che si vuole nel tempo che si ha a disposizione e con la tensione presente nel circuito.

La differenza costruttiva fra trasformatore e induttori accoppiati e` che il trasformatore ha il nucleo con materiale ad alta permeabilita` e senza traferro. Invece gli induttori accoppiati hanno nucleo con traferro, dove viene immagazzinata l'energia, oppure di materiale a bassa permeabilita`.

Ci sono eccezioni, ma non eclatanti. Ad esempio un trasformatore di uscita di un amplificatore in classe A (a valvole) ha un traferro, ma si puo` anche dire che quel trasformatore in realta` sono degli induttori accoppiati in quanto l'induttanza di magnetizzazione in quel circuito ha una funzione importante per il circuito, accumula energia e la rilascia al carico.

In condizioni normali sia nel trasformatore che negli induttori accoppiati il coefficiente di accoppiamento fra primario e secondario deve essere il piu` possibile vicino all'unita`, anche se esistono delle eccezioni.

Come e` gia` stato detto, un esempio di induttori accoppiati si ha nel flyback, in cui in una prima fase il primario accumula energia sotto forma magnetica, mentre nella seconda fase del ciclo il secondario prende l'energia magnetica e la converte in energia elettrica per il carico.

E adesso viene il casino :-). Mi riferisco in modo specifico agli alimentatori a commutazione, ma potrebbero esserci casi analoghi a quelli descritti dopo anche in altri campi.

Ci sono (almeno) due scenari completamente diversi in cui si usano gli induttori accoppiati. Il primo e` il flyback di cui si e` gia` parlato, l'altro invece e` ad esempio dato dagli induttori accoppiati di un SEPIC o di un Cuk, oppure gli induttori accoppiati sull'uscita di un derivato dal buck ad uscite multiple, ad esempio negli alimentatori dei PC.

La differenza fra i due casi e` che nel primo, il flyback, si ha a fasi alterne trasferimento di energia fra i due avvolgimenti e se si toglie l'accoppiamento magnetico, cioe` se si usano due induttori separati, il circuito non funziona piu`.

Nel secondo caso invece anche splittando i due induttori accoppiati in due induttori singoli il circuito continua a funzionare, anche se un po' peggio.

C'e` qualcuno di importante che sostiene che questi due casi sono completamente diversi: il magnetico del flyback e` un induttore a due avvolgimenti non induttori accoppiati, mentre negli altri casi, in cui si sfrutta il fatto che la tensione su un avvolgimento dipende anche dalla derivata della corrente attraverso l'altro avvolgimento si hanno i veri e proprii induttori accoppiati.

Detto diversamente, in un flyback l'equazione che serve e` L\frac{\text{d}v}{\text{d}t} applicata alternativamente al primario e al secondario e quindi il componente e` essenzialmente un induttore con due avvolgimenti, mentre in un forward a uscite multiple (o nel SEPIC o nel Cuk), le equazioni usate sono v_1 = L_1\ \frac{\text{d}i_1}{\text{d}t} - M\ \frac{\text{d}i_2}{\text{d}t} e l'altra corrispondete per v_2.

E` importante questa distinzione? Boh? Si`, forse, ma anche no :-). Oltre all'utilizzo, bisogna anche considerare che in entrambi i casi il componente ha bisogno di un traferro o di materiale a bassa permeabilita`, quindi induttore a due avvolgimenti e induttori accoppiati sono costruttivamente uguali.

Il qualcuno di importante di cui parlavo prima e` Slobodan Cuk, che descrive le sue idee qui. Devo dire che e` sempre stato un po' polemico e negli ultimi anni ogni tanto tira fuori delle posizioni, come questa, abbastanza opinabili anche se interessanti. Pero` bisogna anche dire che tira fuori dei circuiti interessanti!
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[9] Re: Induttore accoppiato e trasformatore

Messaggioda Foto UtentePioz » 15 mag 2020, 1:10

Tirando in ballo le applicazioni strane, i trasformatori vengono usati anche nell'elettronica integrata a radio frequenza. Qui ti puoi scordare l'induttanza grande in quanto permeabilità e numero di spire sono a dir poco limitati. Per non parlare poi di area e fattore di qualità (= perdite).
Oltre al fatto di offrire isolamento DC, cosa piuttosto comoda, trasformazione di impedenza, cosa altrettanto comoda se non indispensabile, talvolta sono usati anche come protezione ESD, con notevoli benefici rispetto alle protezioni standard.

Poi i circuiti a radiofrequenza sono nella maggior parte dei casi risonanti e ciò permette di avere un sacco di vantaggi, a discapito però della banda, che è passante e relativamente stretta. Il trasformatore qui può essere utile in quanto genera, insieme alle capacità esterne (parassite e volute), un circuito del 4o ordine che presenta due risonanze. Queste possono essere sfruttate per allargare di un bel po' la banda passante. In questi casi solitamente il fattore di accoppiamento deve necessariamente essere ucciso, arrivando anche a 0.3.

Ecco, forse direi che questi accrocchi siano ben lontani da essere trasformatori rispetto alla loro definizione ideale, eppure vengono in gergo chiamati così.

Sempre in queste applicazioni esistono però anche gli induttori accoppiati, che non hanno nulla di diverso rispetto ai trasformatori a livello fisico di costruzione, se non magari la disposizione delle porte. Ad esempio in un circuito differenziale, due induttori vengono accoppiati volutamente facendo in modo che i flussi si concatenino ad aumentare l'induttanza equivalente di modo differenziale e abbassando quella equivalente di modo comune.

Ecco, quindi direi che la definizione e i termini in uso dipendendo anche fortemente dall'applicazione che si considera.
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[10] Re: Induttore accoppiato e trasformatore

Messaggioda Foto Utentemarioursino » 15 mag 2020, 10:21

Per aggiungere ancora qualcosa, si possono tirare in ballo gli induttori accoppiati per VRM di tipo buck:
https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/tutorials/5/5997.html.

Ma è un argomento piuttosto industriale/accademico, ed è un brevetto Maxim.
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