ทำไมจึงไม่สามารถใช้ขดลวดเดียวเป็นทั้งขดลวดหลักและขดลวดรองในหม้อแปลงได้

เหตุผลหลักที่ทำให้การใช้วงจรขดลวดเดียวเป็นทั้งวงจรปฐมภูมิและทุติยภูมิของหม้อแปลงไม่สามารถทำได้นั้นอยู่บนหลักการพื้นฐานของการทำงานของหม้อแปลงและการจำเป็นในการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า นี่คือคำอธิบายโดยละเอียด:

1. หลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

หม้อแปลงทำงานตามกฎของฟาราเดย์เกี่ยวกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งกล่าวว่า การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กผ่านวงจรป้อนปิดจะเหนี่ยวนำแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ในวงจรป้อนนั้น หม้อแปลงใช้หลักการนี้โดยใช้กระแสสลับในวงจรขดลวดปฐมภูมิเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงนี้จะเหนี่ยวนำ EMF ในวงจรขดลวดทุติยภูมิ ทำให้เกิดการแปลงแรงดัน

2. ความจำเป็นในการมีวงจรขดลวดสองวงจรที่แยกจากกัน

วงจรขดลวดปฐมภูมิ: วงจรขดลวดปฐมภูมิเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดพลังงานและมีกระแสสลับไหลผ่าน ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง

วงจรขดลวดทุติยภูมิ: วงจรขดลวดทุติยภูมิตั้งอยู่บนแกนเดียวกันแต่แยกจากวงจรขดลวดปฐมภูมิด้วยฉนวน สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงผ่านวงจรขดลวดทุติยภูมิ ทำให้เกิด EMF ตามกฎของฟาราเดย์ ซึ่งสร้างกระแส

3. ปัญหาจากการใช้วงจรขดลวดเดียว

หากใช้วงจรขดลวดเดียวเป็นทั้งวงจรปฐมภูมิและทุติยภูมิ จะเกิดปัญหาดังนี้:

การเหนี่ยวนำตนเอง: ในวงจรขดลวดเดียว กระแสสลับสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง ซึ่งทำให้เกิด EMF เหนี่ยวนำตนเองในวงจรขดลวดเดียวกัน EMF เหนี่ยวนำตนเองนี้จะต้านทานการเปลี่ยนแปลงของกระแส ทำให้การส่งผ่านพลังงานไม่ได้ผล

ไม่มีการแยกทางไฟฟ้า: หนึ่งในฟังก์ชันสำคัญของหม้อแปลงคือการให้การแยกทางไฟฟ้า แยกวงจรปฐมภูมิออกจากวงจรทุติยภูมิ หากมีแค่วงจรขดลวดเดียว จะไม่มีการแยกทางไฟฟ้าระหว่างวงจรปฐมภูมิและทุติยภูมิ ซึ่งไม่ยอมรับในหลายแอปพลิเคชัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องความปลอดภัยและความแตกต่างของระดับแรงดัน

ไม่สามารถแปลงแรงดันได้: หม้อแปลงแปลงแรงดันโดยการเปลี่ยนอัตราส่วนจำนวนรอบระหว่างวงจรขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ ด้วยวงจรขดลวดเดียว ไม่สามารถเปลี่ยนอัตราส่วนจำนวนรอบเพื่อทำการขึ้นหรือลงแรงดันได้

4. ปัญหาทางปฏิบัติ

ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและแรงดัน: อัตราส่วนจำนวนรอบระหว่างวงจรขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิของหม้อแปลงกำหนดความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแส ตัวอย่างเช่น ถ้าวงจรขดลวดปฐมภูมิมี 100 รอบ และวงจรขดลวดทุติยภูมิมี 50 รอบ แรงดันทุติยภูมิจะเป็นครึ่งหนึ่งของแรงดันปฐมภูมิ และกระแสทุติยภูมิจะเป็นสองเท่าของกระแสปฐมภูมิ ด้วยวงจรขดลวดเดียว ความสัมพันธ์นี้ไม่สามารถทำได้

ผลกระทบจากการโหลด: ในทางปฏิบัติ วงจรขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงเชื่อมต่อกับโหลด หากมีแค่วงจรขดลวดเดียว การเปลี่ยนแปลงของโหลดจะส่งผลโดยตรงต่อวงจรปฐมภูมิ ทำให้ระบบไม่เสถียร

5. กรณีพิเศษ

แม้ว่าหม้อแปลงโดยทั่วไปจะต้องการวงจรขดลวดสองวงจรที่แยกจากกัน แต่ก็มีกรณีพิเศษที่สามารถใช้หม้อแปลงออโต้ (autotransformer) ได้ หม้อแปลงออโต้ใช้วงจรขดลวดเดียวพร้อมจุดตัดเพื่อทำการแปลงแรงดัน อย่างไรก็ตาม หม้อแปลงออโต้ไม่ให้การแยกทางไฟฟ้า และใช้ในแอปพลิเคชันเฉพาะที่ต้องการประหยัดค่าใช้จ่ายและขนาด

สรุป

หม้อแปลงต้องการวงจรขดลวดสองวงจรที่แยกจากกันเพื่อทำการส่งผ่านพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ การแยกทางไฟฟ้า และการแปลงแรงดัน วงจรขดลวดเดียวไม่สามารถตอบสนองความต้องการพื้นฐานเหล่านี้ได้ ดังนั้น ไม่สามารถใช้วงจรขดลวดเดียวเป็นทั้งวงจรปฐมภูมิและทุติยภูมิของหม้อแปลงได้