Transformadores

1. Introdução

No emprego da energia elétrica, como acontece nas aplicações da energia mecânica, torna-se necessário, muitas vezes, a utilização de um processo capaz de converter a energia fornecida pela fonte, numa forma compatível com as necessidades da carga que se vai alimentar. É na solução deste problema que se baseia o emprego do transformador, já que ele faz variar um dos componentes do binômio corrente / tensão, acarretando, com isso, um aumento ou diminuição da outra. O transformador é, provavelmente, o dispositivo de maior uso na indústria elétrica e eletrônica. Ele é indispensável nas operações eletrônicas de um modo geral, tais como distribuição de potência em telefonia, telegrafia, rádio e radar. Sendo um dispositivo de relativa simplicidade, é empregado para elevar ou baixar tensão de C.A., casar impedância, além de possibilitar determinados acoplamentos com perda mínima de potência. Esta é a razão, devido ao seu largo emprego, porque seu estudo e conhecimentos são extremamentes necessários em nosso currículo.

2. Recordação de princípios básicos

Indução magnética: Quando um condutor corta um campo magnético, ou quando varia o campo magnético existente em torno de um condutor, há o aparecimento de uma FEM neste condutor, que se denomina FEM INDUZIDA (Faraday).

Auto-indução: Quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica, cria-se, em torno dele um campo magnético. Qualquer variação da corrente produzirá variação desse campo magnético e, assim, por este variar, aparece no condutor de uma FEM INDUZIDA.

A FEM auto-induzida dá-se também o nome de força contra eletromotriz (FCEM), para distingui-la da tensão aplicada, que é a força inicial que tende a estabelecer um fluxo de corrente, e à qual a FCEM se opõe.

Indução mútua: É o fenômeno de indução de um FEM em um circuito, pela ação de corte do condutor pelas linhas de força de um campo magnético estabelecido em um condutor de um circuito vizinho, independentemente de conexão entre eles.

3. Relação de espiras Qualquer transformador possui uma relação constante entre as espiras que constituem as bobinas do primário e do secundário. Essa relação de espiras, existente em todo o transformador, serve para determinar se o mesmo é abaixador ou elevador de tensões C.A.

Relação de espiras para a tensão: Sabemos que a FEM depende do número de espiras e da velocidade de variação do fluxo magnético ( que depende, por sua vez, da freqüência ). Como a velocidade de variação do fluxo é constante, fixada pela freqüência da corrente fornecida pelo gerador, o valor da tensão induzida em qualquer lado do transformador ( primário ou secundário ) dependerá somente, do número de espiras do lado considerado. Daí, a relação:

Ep/Np = Es/Ns ou Ep/Es = Np/Ns

Em que: Ep = tensão no primário

Es = tensão no secundário

Np = N0 de espiras do primário

Ns = N0 de espiras do secundário

Relação de espiras para a corrente: Um transformador não gera energia, e sim apenas a transforma, transformando-a de um circuito a outro. Se não houvesse perdas, a energia de saída seria igual à de entrada. Qualquer variação de tensão, resultante da transferência de energia de um circuito primário a um circuito secundário, causará uma variação inversa na corrente. Isto será provado pela relação que será deduzida a seguir. Levando-se em consideração a fórmula da potência fornecida ( P = E . I ou P = V .I ), num acoplamento unitário, isto é, em que não existem perdas, a potência do enrolamento primário passará integralmente para o secundário.

Is/Ip = Np/Ns

Em que: Ip = corrente no primário

Is = corrente no secundário

Np = N0 de espiras do primário

Ns = N0 de espiras do secundário

4. Rendimento de um transformador

a) Eficiência - É a relação entre a energia de saída e a energia de entrada do transformador, expressa em percentagem. Normalmente, é muito alta, geralmente superior a 90% ( o mais comum é entre 95 e 98% ). Só conseguiríamos 100% de eficiência no caso de acoplamento unitário, o que é muito difícil, dado as perdas comuns a qualquer transformador. A fórmula que nos permite o cálculo é a seguinte:

% eficiência = ( potência de saída / potência de entrada ) X 100

b) perdas - São 4 os motivos principais de perdas na eficiência de um transformador:

>Histerese - É a perda de energia, devido à fricção entre as moléculas, procurando alinharem-se durante as sucessivas mudanças de direção, quando os pólos mudam de nome, devido às alternâncias de sentido da C.A.

c) Saturação - É a perda de energia, quando as linhas de força do núcleo atingem um ponto em que o aumento na corrente não mais produzirá um aumento proporcional da magnetização. Pode ser evitada pela colocação do entreferro no circuito magnético.

d)Perdas no Cobre - É a dissipação de energia sob forma de calor, quando a corrente passa pela resistência do fio de cobre que constitui o enrolamento, tanto no primário quanto no secundário. Podemos evita-las pela diminuição do número de espiras. Assim, quando a relação entre a reatância indutiva do enrolamento e a resistência do fio de 10 para 1, podemos desprezar o valor da resistência.

e) Corrente de Foucault - É a perda de energia, devido à existência de pequenas correntes de curto-circuito, induzidas no material magnético do núcleo (que é feito de material condutor). Essas correntes são também chamadas correntes parasitas.

A fim de evita-las, os núcleos são laminados, sendo as lâminas dispostas de tal forma dentro do campo magnético, que evitam ou diminuem as Correntes de Foucault, quanto ao seu sentido já que o espaço entre as lâminas é isolado, e assim há o aumento da resistência elétrica do núcleo.

5. Tipos de transformadores

a) Autotransformador - Tem o circuito de carga conectado elétrica e magneticamente á fonte. Possuem um único enrolamento, que atua como primário e secundário ( o transformador convencional possui 2 enrolamentos isolados eletricamente). Usamos o autotransformador nos seguintes casos: Quando a razão de transformação da tensão é próxima da unidade; Quando desejamos manter determinada tensão de saída, sob cargas variáveis; e por último na partida dos motores de C.A (reduz a tensão aplicada ao motor, durante o período da partida)

b) Transformadores de força - A C.A., por si só, não é superior à C.C., no que concerne ao seu uso comercial ou doméstico. Isto porque, nas transmissões de grandes quantidades de potência, através de grandes distâncias, há perda de potência sob a forma de calor, motivada pela resistência dos condutores. Daí a necessidade da transmissão de energia ser feita com alta tensão e baixa corrente, a fim de manter uma baixa perda na linha.

c) Transformadores de áudio freqüência ( AF ) - São usados nas áudiofreqüências (baixas freqüências) como transferidores de potência e casadores de impedância. Possuem núcleo de ferro e são empregados, principalmente, nos amplificadores transferidores de potência e nos microfones de carvão, encontrados nos equipamentos de comunicações.

d) Transformadores de rádio freqüência ( RF ) - Utilizam núcleo de ar, possuem baixa impedância e são utilizados nos circuitos de acoplamento de antena. Os transformadores sem núcleos são utilizados em aplicações de altas freqüências onde, por menor que seja o acoplamento magnético, se tem com facilidade uma boa transferência de energia.

e) Transformadores de freqüência intermediária ( FI ) - Nos transformadores de freqüência intermediária, são usados tubos de diâmetro inferior, sobre os quais são montadas as bobinas. O núcleo é cilíndrico e rosqueado, o que permite que ele seja aparafusado no tubo de suporte. Há tipos de núcleo que envolve as bobinas e também podem ser aparafusados a um suporte, Esses transformadores são sintonizados numa freqüência determinada, cujo valor varia de acordo com a sua aplicação:amplitude modulada, freqüência modulada ou televisão. A sintonização é feita ligando-se um capacitor de valor pré-calculado as extremidades do enrolamento primário e do enrolamento secundário do transformador. O ponto de sintonia e o acoplamento eletromagnético entre os dois enrolamentos são regulados por meio de um parafuso de ferrite. Em geral, o transformador é blindado, ou seja, fica dentro de uma caixa de material condutor, quase sempre ferro-magnético, que protege o transformador dos campos magnéticos externos e também os componentes próximos das radiações emitidas pelo próprio transformador.

f) Transformadores de saída - Utilizados, geralmente nos alto-falantes

g) Transformadores Fly-Back - Um tipo especial de transformador que possui núcleo de ferrite é mostrado na figura abaixo. Trata-se do Fly-Back ( ou transformador de saída horizontal ) usado em televisores. Este transformador tem por função gerar uma tensão muito alta (M.A.T.) da ordem de 12.000 a 25.000 volts para aceleração dos elétrons no tubo de imagem ou cinescópio.

h) Transformadores de pulsos - Existe um tipo especial de transformador, projetado para transmitir sinais pulsados em circuitos eletrônicos. Como tais sinais são extremamente rápidos e alcançam valores elevados de tensão, o transformador deve possuir características bem particulares, que evitem deformação ou retardo nos pulsos. Por isso, ele precisa exibir, entre os enrolamentos, uma boa isolação de alta tensão e uma baixa capacitância, além de uma reatância reduzida em cada enrolamento.

i)Transformadores de isolação - Isolar um circuito de outro é uma necessidade freqüente em eletrônica. Um aparelho alimentado diretamente, sem transformador, sempre possui um chassi metálico,ao qual está ligado um dos lados da rede elétrica, Um parelho assim sempre poderá dar choques aos que tocarem em seu chassi, enquanto estiverem ligados de alguma forma à terra. Para evitar esse perigo inconveniente, os técnicos de manutenção costumam instalar um transformador de isolação entre o circuito e a rede. Esse transformador tem uma relação de espiras de 1:1, isto é, não faz nenhuma conversão; simplesmente entrega a mesma tensão e corrente que recebe. Sua única função é isolar o chassi dos aparelhos de uma conexão direta com a rede elétrica.

6. Relação de fase entre as bobinas do transformador

A relação de fase entre o primário e o secundário de um transformador é indicada por um ponto em seu diagrama. Essa relação será sempre apresentada, como o sinal de saída estará, comparando-o com o sinal que está sendo aplicado no primário. O sinal de saída poderá estar em fase ou defasado do sinal de entrada, depende da maneira de como está enrolado o secundário ou os seus terminais.

Em fase: O sinal de saída possui as mesmas características do sinal de entrada, ou seja, se o sinal de entrada está crescendo o sinal na saída também estará crescendo.

Defasado: Será justamente o oposto, ou seja, um sinal crescente na entrada teremos um sinal decrescente na saída. Em ambos os casos, estamos nos referindo em relação a um determinado nível.