Transformador

O que é um transformador(trafo) elétrico?

O transformador é uma "máquina" estática (sem peças em movimento), cuja finalidade é a de transmitir, por meio de um campo magnético, energia elétrica de um circuito para outro sem ligação direta, com um nível tensão desejado sem alteração da frequência.

O transformador é um dispositivo eletromagnético constituído, no mínimo, por duas bobinas acopladas através de um núcleo magnético de elevada permeabilidade magnética. O princípio de funcionamento do transformador baseia-se no fenómeno da indução eletromagnética, e em particular da indução eletromagnética mútua entre bobinas. A principal função de um transformador é elevar ou reduzir as amplitudes da tensão ou da corrente entre as bobinas do primário e do secundário.

Executam diversas funções no circuitos elétricos, podem ter como finalidade:

• Elevar ou diminuir tensão;
• Isolar/separar circuitos;
• Igualizar("casar") impedâncias entre diferentes circuitos;
• Como componente principal em filtros de radiofrequência.

Ao contrário de outros componentes em que o símbolo é geral, o transformador tem alterações na sua representação não só em função dos materiais e número de enrolamentos mas também pela função que tem no circuito.

Simbolos Transformador

O transformador caracteriza-se pela relação de transformação entre o primário e o secundário.
r_T=N₂/N₁

O funcionamento básico do transformador é relativamente simples. Ao ligarmos o primário a uma fonte de tensão variável (normalmente sinusoidal), produz-se no núcleo do transformador um fluxo variável Φ que vai induzir o secundário. No transformador ideal, se aplicarmos ao enrolamento primário N1 (N espiras e resistência nula) uma tensão sinusoidal de amplitude E_P, o fluxo produzido em N2 é também sinusoidal na mesma frequência. A relação entre as duas grandezas é determinada pela lei de Faraday da indução magnética:

E_P=N₁(dΦ/dt)
No transformador ideal, o fluxo Φ é comum aos dois enrolamentos, pelo que a f.e.m. E_S induzida no secundário de N_S espiras é dada por,
E_S=N₂(dΦ/dt)
assim,
E_P/E_S=N₁/N₂

A razão entre a amplitude de tensões do primário e secundário é dada pela razão entre o número de espiras dos dois enrolamentos. O parâmetro
α=N₁/N₂ é razão de transformação, do transformador.
α > 1, Tensão do primário é superior ao secundário transformador abaixador.
α < 1,Tensão no secundário é superior ao primário é um transformador elevador.

Para existir indução de f.e.m. é necessário que o fluxo magnético varie, por isso, um transformador só funciona com correntes e tensões alternadas.
Como num transformador ideal (sem perdas), a potência fornecida ao primário é a mesma transferida para o secundário,

P_P=E_PI_P=E_SI_S=P_S
Assim, I_P/I_S=E_S/E_P=1/α
a relação entre as correntes no primário e no secundário é dada pelo inverso da razão de transformação.

No transformador real existem perdas resistivas (RI²) no primário e secundário (a resistência é pequena mas não é nula), e perdas no núcleo por histerese e correntes de Foucault. Os transformadores de boa qualidade têm rendimentos muito elevados, pelo que, para efeitos práticos, não se cometem erros importantes quando, na análise de circuitos, se admite tratar-se dum dispositivo ideal.

Utilização do transformador

Os transformadores são utilizados numa gama muito variada de aplicações de processamento de informação e de energia elétrica. Salientam-se, entre outras, a elevação e a redução da tensão e do número de fases em redes de transporte e distribuição de energia elétrica, a redução da tensão ou da corrente em instrumentos de medida, a adaptação de impedâncias em amplificadores sintonizados em aplicações de rádio-frequência e frequência intermédia, a adaptação de resistências em aplicações áudio, ou simplesmente o isolamento galvânico entre partes de um mesmo circuito elétrico.

O uso mais comum dos transformadores é na redução da tensão da rede elétrica (230 - 110) para uma tensão reduzida que permita colocar em funcionamento dispositivos de uso geral(Tvs, rádios, eletrodomésticos etc etc).

Indução Mútua

Quando uma corrente alternada circula por uma bobina, cria um campo magnético que é continuamente variável.

Se próximo se encontra um segundo indutor, o campo magnético variável INDUZ no segundo indutor uma tensão alternada que se denomina por indução mútua.

A energia elétrica transforma-se em energia magnética e posteriormente em energia elétrica na segunda bobina.


A indução mútua permite transferir energia sem um contato físico direto aproveitando o campo magnético sempre que a tensão seja alternada.

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Para além de outros, é possível identificar os seguintes tipos de transformadores: auto-transformadores, transformadores com múltiplos enrolamentos no secundário, transformadores com ponto médio, transformadores de medida ou de protecção, transformadores de sinal e transformadores de potência.

Existem diversos sensores que exploram o fenómeno da indução mútua entre bobinas, ou eletromagnética. Estes transdutores são designados relutivos e eletromagnéticos, e são utilizados na medição de grandezas não-elétricas, tais como deslocamento, velocidade, aceleração, binário, força, pressão, etc.

O funcionamento dos transformadores é explicado através das Leis de Faraday, que nos diz que quando um circuito sofre uma corrente variável produz um campo magnético, e quando um circuito é sujeito a um campo magnético variável é gerada uma corrente elétrica.

Tipos de transformadores

Transformador de alimentação:

O transformador de alimentação convencional é usado na conversão da tensão da rede para a tensão de funcionamento dos circuitos eletrónicos. O rendimento é muito elevado, pois funciona com frequências muito baixas, é feito normalmente com chapas de aço no núcleo, possuindo algumas vezes blindagens metálicas para evitar interferências e blindagens de resina para evitar vibrações mecânicas. 

Transformador de áudio:

Usado em aparelhos de áudio com válvula e em algumas configurações com transístores, no acoplamento entre etapas amplificadoras e na saída para os altifalantes (alto-falantes). Geralmente é semelhante ao transformador de alimentação na sua forma pode usar núcleo de aço ou ferrite. A  resposta dentro da gama de de frequências de áudio, 20 a 20000 Hz, não é perfeitamente linear, mesmo usando materiais de alta qualidade no núcleo, esta variação de eficiência ao longo da faixa de áudio limita o seu uso.

Transformador de corrente:

É usado sobretudo para efetuar medições, em cabines e painéis de controle de máquinas e motores. Consiste num anel circular ou quadrado, com núcleo de chapas de aço e enrolamento com poucas espiras, que se instala passando o cabo dentro do furo, este atua como o primário. A corrente é medida por um amperímetro ligado ao secundário.

Transformador de RF:

Os circuitos de rádio-frequência (RF, acima de 30kHz), usam transformadores no acoplamento entre  etapas dos circuitos de rádio e TV. Sua  potência em geral é baixa, e os enrolamentos têm poucas espiras, utilizando sobretudo núcleo de  ferrite. Costumam ter blindagem de alumínio, para dispersar interferências no circuito onde estão inseridos e nos equipamentos circundantes.

Transformadores de pulso:

São usados para acoplamento e separação entre circuitos, isolando o circuito de controle, de baixa tensão e potência. Têm geralmente núcleo de ferrite e invólucro plástico.

Auto transformadores

Se aplicarmos uma tensão a uma parte de um enrolamento (uma derivação) , o campo induzirá uma tensão maior nos extremos do enrolamento. Este é o princípio do auto-transformador.
Uma característica importante dele é o menor tamanho, para certa potência, que um transformador. Isto não se deve apenas ao uso de uma só bobina, mas ao facto da corrente de saída ser parte fornecida pelo lado alimentado, parte induzida pelo campo, o que reduz este, permitindo um núcleo menor, mais leve e mais barato. A desvantagem é não ter isolamento entre a entrada e a saída, limitando as aplicações.

Características de um transformador

• Tensões nominais;
• Potência nominal ( S ) : S = U*I, trata-se da potência aparente, expressa em VA;
• Correntes nominais;
• Corrente em vazio ( I0 ) diferença entre as tensões no secundário, em vazio e em carga;
• Rendimento;
• Queda de Tensão - Diferença entre as tensões no secundário, em vazio e em carga;
• Frequência.

Cálculo de um transformador

-Calculo da potencia total dos secundários.
-Divide-se a potência do secundário pelo rendimento, para transformadores construídos manualmente pode-se arbitrar o rendimento em 0,8.
-Calcula-se a secção do núcleo pela formula:


- Determina-se o número de espiras do primário pela fórmula:

Onde:

V1 = Tensão do primário
B = fluxo em linhas por centímetro quadrado
S = Área do núcleo
f = frequência em hertz

5) Sabendo que:

temos:

Onde:

E1 = tensão do primário
N1 = número de espiras do primário

Isto é um exemplo do processo de cálculo de um transformador, não é aconselhável construir um transformador baseado apenas nas informações aqui existentes.

Fórmulas utilizadas

Potência total secundário

Potencia_VA= Volts_VA*Corrente_IA
Potencia_PB = Volts_VB*Corrente_IB

Potência total secundário

Potencia_PS = (Potencia_PA +Potencia_PB)

Potência primário

Potencia_PP = PS/rendimento

Área do núcleo

S = 1.2* raiz(Potencia_PP)

Número de espiras primário

Espiras_Primário = (Volts_VP*100e+6)/(4.44*B*S*F)

Relação espiras por volt

r = Espiras_Primário/Volts_VP

Relação Corrente (Transformadores)

I1/I2 = N2/N1

• N1 número de espiras do enrolamento primário
• N2 número de espiras do enrolamento secundário
• I1 corrente no enrolamento primário em amperes (A)
• I2 corrente no enrolamento secundário em amperes (A)

Relação Tensão (Transformadores)

V1/V2 = N1/N2

• N1 número de espiras do enrolamento primário
• N2 número de espiras do enrolamento secundário
• V1 tensão no enrolamento primário em volt (V)
• V2 tensão no enrolamento secundário em volt (V)