No artigo anterior aprendemos os conceitos básicos de um transformador. Um transformador é simplesmente um par de indutores acoplados magneticamente para permitir a indução eletromagnética entre eles. Com a ajuda de transformadores, as tensões CA podem ser aumentadas ou diminuídas com baixo custo e sem complicações. Aumentar ou diminuir as tensões CC requer circuitos complexos e caros. É por isso que a CA é utilizada para a distribuição de energia elétrica, embora a maioria dos aparelhos eletrônicos utilize CC para seu funcionamento. Os aparelhos eletrônicos convertem a rede CA em CC para seu funcionamento.
Os transformadores vêm em uma variedade de formas, tamanhos e construções. Os transformadores podem ser classificados pelo material do núcleo, geometria e construção, níveis de tensão e uso.
As classificações principais são as seguintes:
- Núcleo de Ferro Laminado
- Núcleo de ferrite
- Núcleo de Ferro em Pó
- Núcleo Aéreo
As classificações geométricas são as seguintes:
- Utilitário
- Núcleo Solenoidal
- Núcleo Toroidal
- Núcleo do Pote
As classificações dos níveis de tensão são as seguintes:
- Passo acima
- Demitir-se
- Isolamento
As classificações de uso são as seguintes:
- Poder
- Medição
- Distribuição
- Pulso
- Áudio
- SE
- RF
Núcleos de transformador
Na construção de qualquer transformador, os fabricantes procuram ter o máximo acoplamento magnético entre os dois indutores. O acoplamento magnético pode ser aumentado muitas vezes usando um material ferromagnético ou ferro em pó como núcleo. Um par de indutores enrolados em um núcleo ferromagnético tem um coeficiente de acoplamento muito melhor em comparação com o transformador com núcleo de ar. No entanto, o uso de núcleo ferromagnético tem suas próprias limitações. Os núcleos ferromagnéticos têm algumas perdas de energia devido à histerese e correntes parasitas e também são limitados pela capacidade de transporte de corrente. Além destas limitações, a escolha do material do núcleo também restringe a faixa de frequência de um transformador. De acordo com o tipo de núcleo utilizado, os transformadores são classificados da seguinte forma
Transformadores de Ferro Laminado – Esses transformadores usam aço silício como material de núcleo. O aço silício também é chamado de ferro transformador ou simplesmente ferro. O aço silício é laminado em camadas para evitar perdas devido a correntes parasitas e histerese. As correntes parasitas são correntes circulares que fluem em material magnético por magnetização. As correntes parasitas levam à perda de energia do núcleo magnético na forma de calor. Histerese é a tendência de um núcleo magnético de ser lento na aceitação do fluxo magnético flutuante. Devido às perdas por histerese e correntes parasitas, esses transformadores são adequados apenas para frequência de 60 Hz e outras frequências baixas na faixa de áudio. À medida que a frequência aumenta acima de alguns quilohertz, as perdas internas do núcleo aumentam além dos limites viáveis.
Núcleo de ferrite – Os núcleos de ferrite têm alta permeabilidade e requerem menos voltas de bobina. No entanto, em frequências acima de alguns megahertz, tais núcleos começam a apresentar perdas significativas de energia devido a correntes parasitas e histerese. É por isso que esses transformadores são adequados para frequências acima das frequências de áudio até alguns megahertz.
Núcleo de Ferro em Pó – O ferro em pó também possui alta permeabilidade e menores perdas devido à histerese e correntes parasitas em comparação com núcleos de ferrite. À medida que a frequência aumenta, a necessidade de alta permeabilidade diminui. Os transformadores com núcleo de ferro em pó são adequados para frequências muito altas até 100 MHz. Como não há necessidade de alta permeabilidade em frequências muito altas acima de 100 MHz, os transformadores de núcleo de ar são mais adequados devido à sua eficiência energética.
Transformadores de núcleo de ar – Em transformadores com núcleo de ar, as bobinas primária e secundária são enroladas em um material diamagnético. O acoplamento magnético nesses transformadores acontece através do ar. Nesses transformadores, não apenas a indutância de ambas as bobinas é baixa, mas a indutância mútua também é muito baixa, de modo que há muito pouco acoplamento magnético entre as bobinas. Esses transformadores não apresentam perda de energia devido a histerese ou correntes parasitas e também são capazes de moderar altas correntes. Esses transformadores são adequados para aplicações de alta tensão onde a eficiência energética é uma preocupação primordial, como transformadores de distribuição. Eles também são adequados para aplicações de RF muito altas, acima de 100 megahertz. Em altas frequências de rádio, o valor da indutância necessária é baixo, o que pode ser facilmente alcançado por indutores de núcleo de ar, e a eficiência energética é a principal preocupação dos circuitos VHF.
Deve-se observar que o seguinte símbolo representa transformadores com núcleo de ar:
Os transformadores com núcleo magnético são representados por um símbolo no qual duas linhas paralelas são adicionadas entre os símbolos da bobina como segue:
Geometria e construção do transformador
Os transformadores também podem ser classificados pela sua forma e geometria. A forma de um transformador depende do tipo de indutor utilizado em sua construção e da forma de seu núcleo. Qualquer transformador é essencialmente um par de indutores enrolados no mesmo núcleo. As classificações são as seguintes:
Transformadores Utilitários – Transformadores utilitários são transformadores de potência nos quais o ferro laminado é usado como material do núcleo. Esses transformadores com núcleo de ferro vêm com uma variedade de formatos de núcleo, como E, L, U, I, etc., e são volumosos e pesados. O formato de núcleo mais comum usado nesses transformadores é o núcleo E ou núcleo EI porque o núcleo laminado tem o formato da letra 'E' com uma barra colocada na extremidade aberta de 'E' para completar a construção. As bobinas são enroladas no núcleo pelo método shell ou pelo método core. No método shell, ambas as bobinas são enroladas na barra central do 'E', uma sobre a outra. Isso garante o acoplamento magnético máximo entre as bobinas, mas ao custo de alta capacitância bobina a bobina. O método shell também limita a capacidade de transporte de corrente do transformador. No método core, uma bobina é enrolada na barra superior do 'E' e a outra na parte inferior. O acoplamento magnético entre as bobinas ocorre apenas devido ao fluxo magnético através do núcleo. O método do núcleo reduz em grande medida a capacitância bobina a bobina e torna possível lidar com altas tensões. Os transformadores utilitários com núcleo EI tendo um enrolamento de núcleo ou invólucro são mais comumente usados como transformadores de 60 Hz e outros transformadores de frequência de áudio.
Transformadores de bobina solenoidal – Os transformadores de núcleo solenoidal são geralmente usados como antenas loopstick para circuitos de radiofrequência. Esses transformadores possuem enrolamentos primário e secundário em núcleo cilíndrico (ferrite ou ferro em pó). As bobinas são enroladas umas sobre as outras ou separadas. Nesses transformadores, o primário captura os sinais de rádio e o secundário fornece correspondência de impedância ao primeiro estágio amplificador do circuito de rádio. Tais transformadores têm sido bastante comuns em equipamentos portáteis de comunicação de rádio.
Transformador de bobina solenóide vs bobina toroidal. (Imagem: Academia Leets)
Transformadores de núcleo toroidal – Os transformadores de núcleo toroidal têm um enrolamento primário e secundário em um núcleo toroidal e as bobinas podem ser enroladas umas sobre as outras ou separadas. Os núcleos toroidais são uma alternativa melhor aos núcleos solenoidais em circuitos de radiofrequência. Eles contêm o fluxo magnético dentro do núcleo, de modo que esses transformadores podem ser montados diretamente sem qualquer blindagem adicional, desde que as bobinas estejam isoladas. Além de não haver interferência eletromagnética, os núcleos toroidais também fornecem maior indutância por volta da bobina. Como o fluxo magnético permanece contido dentro do núcleo, os transformadores de núcleo toroidal apresentam melhor acoplamento magnético entre as bobinas.
Transformadores de núcleo de pote – Os transformadores Pot Core têm o primário e o secundário enrolados em uma das metades, um sobre o outro ou um ao lado do outro. Os núcleos do potenciômetro fornecem a maior indutância possível com a vantagem óbvia da autoproteção. Uma das principais desvantagens dos transformadores pot core é a capacitância bobina a bobina. Devido à capacitância bobina a bobina e à indutância excepcionalmente alta de ambas as bobinas, os transformadores com núcleo de potenciômetro são adequados apenas para baixas frequências. Em altas frequências, o valor requerido de indutância é baixo e a reatância capacitiva precisa ser essencialmente minimizada.
Níveis de tensão dos transformadores
A aplicação mais comum de um transformador é moderar tensões CA. Um transformador pode aumentar, diminuir ou deixar os níveis de tensão CA intactos. Esta é a classificação de transformadores mais fácil, mas mais importante. Eles são os seguintes:
Transformador step-up – Em um transformador elevador, o secundário possui um número de voltas maior que o primário. Como a relação de espiras do primário para o secundário é menor que 1, a tensão aplicada ao primário é aumentada para uma tensão mais alta no secundário. Conseqüentemente, isso ocorre ao custo de níveis de corrente mais baixos no enrolamento secundário. Os transformadores elevadores são usados em estabilizadores e inversores onde tensões CA mais baixas precisam ser convertidas em tensões mais altas. Eles também são usados em redes de energia para aumentar os níveis de tensão CA antes da distribuição.
Arquitetura de nível de tensão de um transformador elevador, onde o secundário possui maior número de espiras que o primário. (Imagem: top-ee.com)
Transformadores redutores – Em um transformador abaixador, o primário possui um número maior de voltas que o secundário. Como a relação de espiras do enrolamento primário para secundário é maior que 1, a tensão secundária é menor que a tensão primária. Transformadores abaixadores são comumente usados em aplicações eletrônicas. Os circuitos eletrônicos normalmente requerem 5V, 6V, 9V, 12V, 18V ou 24V para sua operação. Transformadores abaixadores são comumente usados em circuitos de fonte de alimentação antes dos retificadores para reduzir a rede elétrica de 120 V ou 240 V CA para os níveis de baixa tensão necessários. Na distribuição de energia, transformadores redutores são usados para reduzir altas tensões para fornecer energia elétrica aos pólos. Isso garante eficiência energética e economia na distribuição de energia elétrica.
Arquitetura de tensão de um transformador abaixador onde o primário possui maior número de espiras que o secundário. (Imagem: top-ee.com)
Transformadores de Isolamento – Os transformadores de isolamento possuem o mesmo número de voltas no primário e no secundário. Como a razão entre o número de voltas do primário para o secundário é exatamente 1, os níveis de tensão permanecem os mesmos em ambos os enrolamentos. Esses transformadores são usados para fornecer isolamento elétrico entre circuitos eletrônicos ou para cancelar a transferência de ruído de um circuito para outro. Os transformadores de isolamento precisam ter alto acoplamento indutivo e acoplamento capacitivo mínimo. É por isso que esses transformadores são projetados para ter um número mínimo de voltas em bobinas separadas enroladas em um núcleo altamente magnético e autoprotegido.
Os transformadores de isolamento também são usados para conectar circuitos balanceados e não balanceados. Circuitos balanceados são aqueles que podem ser conectados de qualquer maneira através de uma porta. Os circuitos não balanceados são aqueles que precisam ser conectados de maneira específica através de uma porta. As cargas balanceadas e desbalanceadas podem ser conectadas via transformador de isolamento aterrando a derivação central no lado balanceado. Se as cargas balanceadas e desequilibradas tiverem a mesma impedância, então o transformador de isolamento deverá ter uma relação de espiras de 1. Se uma carga balanceada e desequilibrada tiver uma relação de impedância diferente, a relação de espiras deverá ser correspondente ao quadrado da relação de impedância. Os transformadores de isolamento também são usados para acoplar estágios amplificadores em transmissores e receptores de radiofrequência.
No próximo artigo continuaremos com a classificação dos transformadores por utilização. Pelo uso, os transformadores pertencem amplamente ao domínio elétrico ou eletrônico. No domínio elétrico, os transformadores são geralmente classificados por suas respectivas aplicações. No domínio eletrônico é fácil e óbvio classificar os transformadores pela frequência do sinal de sua operação.
