Fundamentos do Transformador: Entenda Tudo
Os transformadores são componentes de uma forma importante de eletrônico que pode ser usado em muitas áreas diferentes de projeto de circuitos elétricos e eletrônicos, frequências e projeto de circuitos eletrônicos em geral até o projeto de RF e além.
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Nosso tutorial sobre indutância inclui:
Indutância | Símbolos | Lei de Lenz | Auto indutância | Cálculos de reatância indutiva | Teoria da reatância indutiva | Indutância de fios e bobinas | Indutância Mútua | Transformadores
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Os transformadores são componentes eletrônicos amplamente utilizados em todos os ramos da tecnologia elétrica e eletrônica.
Eles consistem em dois ou mais enrolamentos que são isolados resistivamente, mas são acoplados magneticamente para que os sinais variáveis em um enrolamento sejam ligados a outro enrolamento.
Os transformadores são usos bem conhecidos em aplicações de energia onde são usados para transformar a tensão de operação de um valor para outro, bem como isolar resistivamente dois circuitos.
Eles também servem para isolar o circuito na saída de uma conexão direta com o circuito primário. Desta forma, eles transferem energia de um circuito para outro sem conexão direta.
No entanto, os transformadores podem ser usados em muitas outras áreas do projeto de circuitos eletrônicos, onde são usados para sinais de áudio, radiofrequência, projeto de RF, bem como em muitas outras áreas.
Os transformadores são uma forma muito importante de componente eletrônico e, embora seu custo seja alto porque em geral cada um precisa ser enrolado separadamente, eles ainda são usados em grandes quantidades e em um grande número de projetos de circuitos eletrônicos.
O QUE É UM TRANSFORMADOR
Um transformador é uma forma de componente eletrônico que usa a indutância mútua entre duas bobinas para ligar um circuito a outro.
Este é um transformador com núcleo de ar
Assim, um transformador básico consiste em dois enrolamentos. Estes são conhecidos como o primário e o secundário. Em essência, o poder entra no primário e sai no secundário. Alguns transformadores têm mais enrolamentos, mas a base de operação ainda é a mesma.
Existem dois efeitos principais que são usados em um transformador e ambos se relacionam com campos de corrente e magnéticos. No primeiro, verifica-se que uma corrente fluindo em um fio cria um campo magnético ao seu redor.
A magnitude deste campo é proporcional à corrente que flui no fio. Descobriu-se também que, se o fio for enrolado em uma bobina, o campo magnético será aumentado.
Se esse campo magnético gerado eletricamente for colocado em um campo existente e, como resultado, uma força for exercida no fio que transporta a corrente da mesma maneira que dois ímãs fixos colocados próximos um do outro se atrairão ou se repelirão. É esse fenômeno que é usado em motores elétricos, medidores e várias outras unidades elétricas.
O segundo efeito é que se um campo magnético em torno de um condutor muda, uma corrente elétrica será induzida no condutor. Um exemplo disso pode ocorrer se um ímã for movido para perto de um fio ou bobina. Nessas circunstâncias, uma força eletromotriz é induzida, mas somente quando o ímã está em movimento.
A combinação dos dois efeitos ocorre quando dois fios, ou duas bobinas são colocados juntos. Quando uma corrente muda sua magnitude no primeiro, isso resultará em uma mudança no fluxo magnético e isso, por sua vez, resultará em uma corrente sendo induzida no segundo.
Este é o conceito básico por trás de um transformador, e pode-se ver que ele só funcionará quando uma corrente alternada ou alternada estiver passando pela entrada ou circuito primário.
RELAÇÃO DE ESPIRAS DO TRANSFORMADOR
Para que uma corrente flua, uma EMF (força eletromotriz) deve estar presente. A força eletromotriz induzida depende da relação de espiras no transformador.
Verifica-se que se mais espiras estiverem presentes no primário do que no secundário, a tensão na entrada será maior que a saída e vice-versa. De fato, a tensão pode ser facilmente calculada a partir do conhecimento da relação de espiras:
Onde:
Ep é o EMF primário
Es é o EMF secundário
Np é o número de voltas no primário
Ns é o número de voltas no secundário
Se a relação de espiras Ns/Np for maior que um, o transformador fornecerá uma tensão mais alta na saída do que na entrada e é considerado um transformador elevador. Da mesma forma, um com uma relação de espiras menor que um é um transformador abaixador.
RELAÇÕES DE TENSÃO E CORRENTE NO TRANSFORMADOR
Há uma série de outros parâmetros importantes que podem ser calculados com muita facilidade. A primeira é a razão entre as correntes e tensões de entrada e saída.
O princípio da conservação de energia afirma que a energia não é criada nem destruída. Isso significa que, além de quaisquer perdas dentro do transformador que serão minimizadas no projeto, a potência de entrada deve ser igual à potência de saída.
Assim, a tensão de entrada vezes a corrente é igual à da saída:
Onde:
Vp é a tensão primária de entrada
Vs é a tensão secundária ou de saída
Ip é a corrente no enrolamento primário
Is é a corrente no enrolamento secundário
Por exemplo, tome o caso de um transformador de rede que fornece 25 volts a um amp. Com uma tensão de entrada de 250 volts, isso significa que a corrente de entrada é apenas um décimo de amp.
Obviamente, algumas perdas ocorrem, mas a eficiência da maioria dos transformadores é muito alta e, portanto, essas perdas são normalmente ignoradas. Normalmente o que acontece é que a tensão secundária cai quando o transformador é colocado sob carga.
TRANSFORMAÇÃO DE IMPEDÂNCIA DO TRANSFORMADOR
Para alguns transformadores, o número de espiras no primário será o mesmo que no secundário, e a corrente e a tensão na entrada serão as mesmas que na saída.
No entanto, onde a relação de espiras não é 1:1, a relação de tensão e corrente será diferente na entrada e na saída. A partir da relação simples mostrada acima, será visto que a relação entre a tensão e a corrente muda entre a entrada e a saída se a relação de espiras não for 1:1.
Por exemplo, um transformador com uma relação de espiras de 2:1 pode ter uma entrada de 20 volts com uma corrente de 1 ampere, enquanto na saída a tensão será de 10 volts a 2 amperes.
Como a relação de tensão e corrente determina a impedância, pode-se observar que o transformador pode ser utilizado para alterar a impedância entre a entrada e a saída. De fato, a impedância varia com o quadrado da razão de espiras, conforme visto por:
Onde:
Zp é a impedância do circuito primário
Zs é a impedância do circuito secundário
Np é o número de espiras no enrolamento primário
Ns é o número de espiras no enrolamento secundário
NÚCLEOS DE TRANSFORMADOR
Os exemplos descritos até agora foram todos para transformadores com núcleo de ar. Um dos problemas com esses transformadores com núcleo de ar é que o fluxo magnético entre as duas bobinas não está bem ligado. O fluxo do primário não será canalizado para que a quantidade máxima do fluxo realmente se conecte com o circuito secundário e isso leva a níveis significativos de ineficiência.
Para obter uma melhor ligação de fluxo entre os circuitos primário e secundário de um transformador, é usado um núcleo ferromagnético.
Os enrolamentos primário e secundário são enrolados em torno do núcleo e, em seguida, contém o fluxo dos enrolamentos e liga os dois ou mais enrolamentos de forma muito mais eficaz.
Uma variedade de materiais e formas de núcleo podem ser usados dependendo do projeto do circuito eletrônico, dos requisitos e das frequências em uso.
Alguns transformadores podem usar núcleos de ferro em camadas, enquanto outros podem usar ferrite, etc. A forma e o material reais dependem do que é necessário.
APLICAÇÕES E CIRCUITOS DE TRANSFORMADORES
Os transformadores são usados em muitas áreas de projeto de circuitos eletrônicos e radiofrequência, projeto de RF.
Um de seus principais usos é dentro de fontes de alimentação. Aqui, o transformador é usado para alterar a tensão de entrada da rede elétrica ou da rede (cerca de 240 V em muitos países e 110 V em muitos outros) para a tensão necessária para alimentar o equipamento.
Com a maioria dos equipamentos atuais usando tecnologia de semicondutores, as tensões necessárias são muito menores do que a tensão da linha de alimentação de entrada.
Além disso, o transformador isola a alimentação do secundário da rede, tornando a alimentação do secundário muito mais segura. Se a alimentação fosse tomada diretamente da rede elétrica, haveria um risco muito maior de choque elétrico.
Os dois enrolamentos de um transformador de potência são bem isolados um do outro. Isso evita qualquer probabilidade de o enrolamento secundário ficar energizado.
Os transformadores também foram usados para uma variedade de outras funções em projetos de circuitos eletrônicos.
Uma aplicação foi como um transformador de saída de áudio. Aqui, a alta impedância do estágio de saída foi convertida para a baixa impedância mais usual necessária para um alto-falante. Esta abordagem foi usada em alguns rádios portáteis transistorizados iniciais, bem como em rádios usando válvulas/tubos.
Outro uso para transformadores, novamente dentro de rádios, era como transformadores de FI. Estes não apenas forneceram o casamento de impedância entre os estágios, mas também foram ajustados para fornecer a seletividade.
Além desses exemplos, os transformadores são processados em muitos outros projetos de circuitos eletrônicos, projetos de RF e outras áreas.
Os transformadores são um elemento essencial de muitos circuitos, fornecendo as transformações de tensão e impedância necessárias, bem como isolando os dois lados do transformador em termos da tensão CC.
O transformador é um componente inestimável na cena eletrônica de hoje. Apesar do fato de que circuitos integrados e outros dispositivos semicondutores parecem ser usados em quantidades cada vez maiores, não há substituto para o transformador. O fato de ser capaz de isolar e transferir energia de um circuito para outro enquanto altera a impedância, garante que ele seja uma ferramenta exclusiva para projetistas de eletrônicos.
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