. TRANSFORMADORES
Os transformadores vêm sendo aplicados nos diversos ramos da
eletroeletrônica, desde circuito de geração, transmissão, distribuição de
energia e também nos circuitos eletrônicos.
Um transformador é um dispositivo com a finalidade de transmitir energia
elétrica ou potência elétrica de um circuito a outro, convertendo tensões,
correntes e ou de modificar os valores da impedância elétrica de um circuito.
Trata-se de um dispositivo de corrente alternada que opera baseado nos
princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday e da Lei de Lenz, podemos
verificar um exemplo na Figura 1.
Figura 1. Transformador de baixa potência
Existem diversos modelos de transformadores, mas todos adotam o mesmo
princípio que é a utilização do campo magnético como forma de acoplamento.
As exigências técnicas e econômicas impõem à construção de grandes usinas
elétricas, de forma geral as localizadas fora dos grandes centros de
aproveitamento, pois devem utilizar a energia hidráulica dos lagos e rios das
montanhas. Surge assim a necessidade do transporte da energia elétrica pôr
meio de linhas de comprimento notável.
Devido a fatores econômicos e de construção, as seções dos condutores destas
linhas devem ser limitadas, o que torna necessária a limitação da intensidade
das correntes nas mesmas. Assim sendo, as linhas deverão ser construídas
para funcionar com uma tensão elevada, que em certos casos atinge a
centenas de milhares de volts.
Estas realizações são possíveis em virtude de a corrente alternada poder ser
transformada facilmente de baixa para alta tensão e vice-versa, por meio de
uma máquina estática, de construção simples e rendimento elevado, que é o
transformador.
1.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO
Quando o indutor é conectado a um fonte de alimentação em corrente
alternada ocorre o surgimento de um campo magnético induzido. Quando um
segundo indutor é imerso sobre esse campo magnético, ocorre o processo de
indução, onde o campo magnético é convertido pelo indutor em forma de
tensão induzida.
No modelo básico de um transformador sua estrutura é formada pôr duas
bobinas isoladas eletricamente e enroladas em torno de um núcleo comum.
Para se transferir a energia elétrica de uma bobina para a outra se utiliza o
artifício do acoplamento magnético. A bobina que recebe a energia de uma
fonte CA recebe a denominação de primário. A bobina que fornece energia
para uma carga CA é designada como secundário. O núcleo dos
transformadores usados em baixa freqüência é feito geralmente de material
magnético, comumente se usa aço laminado. Os núcleos dos transformadores
usados em altas freqüências são feitos de pó de ferro e cerâmica ou de
materiais não magnéticos. Algumas bobinas são simplesmente enroladas em
torno de fôrmas ocas não magnéticas como, por exemplo, papelão ou plástico,
de modo que o material que forma o núcleo na verdade é o ar. Se
considerarmos que um transformador funcione sobre condições ideais, a
transferência de energia de uma tensão para outra se faz sem nenhuma perda.
Figura 2. Aspecto construtivo de um transformador
A tensão elétrica induzida no secundário de um transformador é proporcional
ao número de linhas magnéticas que transpassa a bobina do secundário, por
esse motivo as bobinas são montadas sobre um material ferro magnético, de
forma a diminuir a dispersão das linhas, concentrando o campo magnético
sobre a bobina do secundário.
Com a utilização de um núcleo magnético para a melhora do fluxo magnético,
contudo surge o problema de aquecimento, devido utilização de um núcleo
maciço, assim utiliza-se chapas de ferro silicoso para construção do núcleo.
Com o núcleo laminado ocorre a redução das correntes parasitas também
conhecidas como correntes de Focault.
1.2. TRANSFORMADORES COM MAIS DE UM SECUNDÁRIO
Este modelo de transformador tem grande aplicação na área da eletrônica,
transformadores com mais de um secundário permitem a disponibilização de
vários níveis de tensão elétrica em seu secundário, a mesma filosofia se aplica
para o circuito do primário.
Figura 3. Transformador com mais de um secundário
1.2.1. Associação de bobinas em transformadores
Em transformadores com mais de um secundário é possível realizar a
associação destes a fim de obtermos valores diferenciados de tensão na saída
sem necessidade de alteração do bobinado conforme pode ser observado nas
figuras seguintes.
Figura 4. Soma de Potenciais no secundário
Figura 5. Subtração de potenciais no secundário Figura 6. Potenciais iguais com
sinais invertidos
Figura 7. Potenciais iguais com igualdade de sinal
1.3. RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO
Considerando, um transformador ideal, sendo o fluxo total,Φ, o mesmo em
ambas as bobinas, já que se desprezam os fluxos dispersos e o núcleo tem µ→
∞, as f.e.m. ’s, ε1 e ε2, induzidas nessas bobinas podemos escrever a
expressão:
Para obtenção da relação entre a tensão do primário e secundário: Sendo Rt
denominado de relação de espiras ou relação de transformação.
dN φ εν == dN φ εν ==
Esta é a primeira propriedade do transformador que é a de transferir ou
refletir as tensões de um lado para outro segundo uma constante Rt.
1.4. TIPO DE TRANSFORMADOR QUANTO A RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO
No que refere-se a relação de transformação podemos classificar os
transformadores em três tipos:
a) Transformador elevador; b) Transformador rebaixador; c) Transformador
isolador;
1.4.1. TRANSFORMADOR ELEVADOR
Este tipo de transformador tem como caracteriza a elevação de tensão no
secundário, ou seja, a relação de transformação é menor do que 1(Np<Ns).
1.4.2. TRANSFORMADOR REBAIXADOR
Nesta condição o transformador fornece no secundário um valor de tensão
inferior a do primário sendo a relação de transformação maior do que 1
(Np>Ns).
1.4.3. TRANSFORMADOR ISOLADOR
Os transformadores isoladores são muito utilizados em locais onde se deseja
isolar eletricamente duas redes, tem grande aplicação em laboratório de
eletrônica, como característica a relação de transformação é igual a 1(Np=Ns).
1.5. RELAÇÃO DE POTENCIA EM TRANSFORMADORES
A quantidade de energia absorvida da rede elétrica e denominada potência
elétrica do primário, se partimos do conceito que trata-se de um
transformador ideal não teremos perdas por aquecimento, perdas magnéticas
e assim toda a energia que foi absorvida da rede será convertida, ou seja a
potência elétrica será idêntica para primário e secundário.
A partir da relação de potência entre primário e secundário podemos obter as
correntes de cada malha, já que P=V.I.
1.6. ESPECIFICAÇÃO DE TRANSFORMADORES
A especificação de transformadores deve fornecer no mínimo as seguintes
informações: a) Tensões do primário; b) Tensões do Secundário; c) Correntes
do Secundário;
Para a especificação 120/220V 12V-2A 24V-1A apresenta um transformador
com as características:
a) Primário:
Entrada 120V ou 220V; b) Secundário:
Uma saída com 12V-2A; Uma saída com 24V-1A;
1.7. RELAÇÃO DE FASE ENTRE AS TENSÕES PRIMARIO E SECUNDÁRIO
A tensão induzida no secundário do transformador é gerada quanto o fluxo
magnético Φ corta as espiras do secundário gerando um fem. Induzida, como a
tensão induzida é sempre oposta à tensão indutora, podemos afirmar que a
tensão no secundário tem sentido inverso a forma de onda do primário, ou
seja, estão defasadas em 180º com relação à tensão no primário.
Com base na inversão de ciclos entre primário e secundário, nota-se que
ocorre a inversão de polaridade para cada semiciclo.
1.8. TRANSFORMADOR COM DERIVAÇÃO CENTRAL SECUNDÁRIO
Com grande aplicação na eletrônica os transformadores com tap central
fornecem para um mesmo secundário dois níveis de tensão. Normalmente o
tap central fica aterrado fornecendo uma referencia de terra, ou seja, nível de
0V.
Com a mesma característica do transformador referido anteriormente ocorre a
defasagem de 180º entre o primário e secundário com relação a tensão,
porém neste transformador temos dois canais de utilização
1.9. AUTOTRANSFORMADORES
Um autotransformador é um componente cujos enrolamentos primário e
secundário coincidem parcialmente. Conforme se ilustra na Figura 8, os
acessos ao primário e ao secundário são coincidentes ou com as extremidades
ou com pontos intermédios do enrolamento, sendo um dos terminais do
primário sempre coincidente com um dos do secundário. O autotransformador
pode se comportar como rebaixador ou como elevador dependendo da forma
como foi retirado os terminais de conexão.
Figura 8. Autotransformador diagrama de funcionamento
Em qualquer dos casos, a relação de transformação é dada pelo cociente entre
o número de espiras.
N Rt =
Uma das conseqüências da coincidência parcial entre os enrolamentos do
primário e do secundário é a perda de isolamento galvânico entre as bobinas.
Porém o autotransformador apresenta um vasto conjunto de vantagens face
aos transformadores comuns, como no que concerne ao seu custo (um único
enrolamento e em certos casos, com condutores de menor secção), ao
volume, à queda de tensão e ao rendimento (menores perdas nos
enrolamentos). Os autotransformadores são vulgarmente utilizados na
elevação e na redução da tensão em redes de distribuição de energia elétrica,
na sintonia e adaptação entre antenas e pré-amplificadores em receptores de
telecomunicações.
1.10. SIMBOLOGIA DE TRANSFORMADORES Figura 9. Simbologia de
transformadores