transformador - Wikilingue - Encydia
Denomina-se transformador a uma máquina eléctrica que permite aumentar ou diminuir a tensão em um circuito eléctrico de corrente alternada, mantendo a frequência. A potência que ingressa à equipa, no caso de um transformador ideal, isto é, sem perdas, tanto faz à que se obtém à saída. As máquinas reais apresentam uma pequena percentagem de perdas, dependendo de seu desenho, tamanho, etc.
O transformador é um dispositivo que converte a energia eléctrica alternada de um verdadeiro de nível de voltaje, em energia alternada de outro nível de voltaje, por médio da acção de um campo magnético. Está constituído por dois ou mais bobinas de arame, isoladas entre si electricamente pelo geral arrolladas ao redor de um mesmo núcleo de material ferromagnético. A única conexão entre as bobinas constitui-a o fluxo magnético comum que se estabelece no núcleo.
Os transformadores são dispositivos baseados no fenómeno da indução electromagnética e estão constituídos, em sua forma mais simples, por duas bobinas devanadas sobre um núcleo fechado de ferro doce ou ferro silício. As bobinas ou devanados denominam-se primário e secundário segundo correspondam à entrada ou saída do sistema em questão, respectivamente. Também existem transformadores com mais devanados; neste caso, pode existir um devanado "terciário", de menor tensão que o secundário.
Funcionamento
Se aplica-se uma força electromotriz alternada no devanado primário, as variações de intensidade e sentido da corrente alternada criarão um campo magnético variável dependendo da frequência da corrente. Este campo magnético variável originará, por indução electromagnética, o aparecimento de uma força electromotriz nos extremos do devanado secundário.
Relação de Transformação
A relação de transformação indica-nos o aumento ou decremento que sofre o valor da tensão de saída com respeito à tensão primeiramente, isto quer dizer, pela cada volt primeiramente quantos volts há na saída do transformador.
A relação entre a força electromotriz inductora (Ep), a aplicada ao devanado primário e a força electromotriz induzida (É), a obtida no secundário, é directamente proporcional ao número de espiras dos devanados primário (Np) e secundário (Ns) .
A razão da transformação (m) do voltaje entre o enrolado primário e o enrolado secundário depende dos números de voltas que tenha a cada um. Se o número de voltas do secundário é o triplo do primário, no secundário terá o triplo de tensão.
Onde: (Vp) é a tensão no devanado primário ou tensão primeiramente, (Vs) é a tensão no devanado secundário ou tensão de saída, (Ip) é a corrente no devanado primário ou corrente primeiramente, e (Is) é a corrente no devanado secundário ou corrente de saída.
Esta particularidad utiliza-se na rede de transporte de energia eléctrica: ao poder efectuar o transporte a altas tensões e pequenas intensidades, diminuem-se as perdas pelo efeito Joule e minimiza-se o custo dos condutores.
Assim, se o número de espiras (voltas) do secundário é 100 vezes maior que o do primário, ao aplicar uma tensão alternada de 230 volts no primário, se obtêm 23.000 volts no secundário (uma relação 100 vezes superior, como o é a relação de espiras). À relação entre o número de voltas ou espiras do primário e as do secundário chama-se-lhe relação de voltas do transformador ou relação de transformação.
Agora bem, como a potência da electrica aplicada no primário, em caso de um transformador ideal, deve ser igual à obtida no secundário, o produto da força electromotriz pela intensidade (potência) deve ser constante, com o que no caso do exemplo, se a intensidade circulante pelo primário é de 10 amperios, a do secundário será de sozinho 0,1 amperios (uma centésima parte).
História
Primeiros passos: os experimentos com bobinas de indução
O fenómeno de indução electromagnética no que se baseia o funcionamento do transformador foi descoberto por Michael Faraday em 1831, se baseia fundamentalmente em que qualquer variação de fluxo magnético que atravessa um circuito fechado gera uma corrente induzida, e em que a corrente induzida só permanece enquanto se produz a mudança de fluxo magnético.
A primeira "bobina de indução" para ver o uso de largo foram inventadas pelo Rev. Nicholas Calam College de Maynooth, Irlanda em 1836, um dos primeiros pesquisadores em se dar conta de que quantas mais espiras há no secundário, em relação com o enrolado primário, maior é o aumento da FEM.
Os cientistas e pesquisadores basearam seus esforços em evoluir as bobinas de indução para obter maiores voltajes nas baterías. Em lugar de corrente alternada (CA), sua acção baseou-se em um vibrante "do&break" mecanismo que regularmente interrompido o fluxo da corrente directa (DC) das pilhas.
Entre a década de 1830 e a década de 1870, os esforços para construir melhores bobinas de indução, em sua maioria por ensaio e erro, revelou lentamente os princípios básicos dos transformadores. Um desenho prático e eficaz não apareceu até a década de 1880, mas dentro de um decenio, o transformador seria um papel decisivo na “Guerra de Correntes”, e em que os sistemas de distribuição de corrente alternada triunfo sobre seus homólogos de corrente contínua, uma posição dominante que mantêm desde então.
Em 1876, o engenheiro russo Pavel Yablochkov inventou um sistema de iluminação baseado em um conjunto de bobinas de indução no que o enrolado primário se ligava a uma fonte de corrente alternada e os devanados secundários podiam ligar a várias velas eléctricas” (lustres de arco), de seu próprio desenho. As bobinas utilizadas no sistema comportavam-se como transformadores primitivos. A patente alegou que o sistema poderia, “proporcionar fornecimento por separado a vários pontos de iluminação com diferentes intensidades luminosas procedentes de uma sozinha fonte de energia eléctrica”.
Em 1878, os engenheiros da empresa Ganz em Hungria atribuíram parte de seus recursos de engenharia para a fabricação de aparelhos de iluminação eléctrica para a Áustria e Hungria.
Em 1883, realizaram mais de cinquenta instalações para dito fim. Ofrecián um sistema que constava de dois lustres incandescentes e de arco, geradores e outros acessórios.
Em 1882, Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs expuseram pela primeira vez um dispositivo com um núcleo de ferro chamado gerador secundário" em Londres, depois vendeu a ideia da companhia Westinghouse dos Estados Unidos.
Também foi exposto em Turín, Itália em 1884, onde foi adaptado para o sistema de alumbrado eléctrico.
O nascimento do primeiro transformador
Entre 1884 e 1885, os engenheiros húngaros Zipernowsky, Bláthy e Deri da companhia Ganz criaram em Budapeste o modelo “ZBD” de transformador de corrente alternada, baseado em um desenho de Gaulard e Gibbs (Gaulard e Gibbs só desenharam um modelo de núcleo aberto). Descobriram a fórmula matemática dos transformadores:
Onde: (Vs) é o voltaje no secundário e (Ns) é o numero de espiras no secundário, (Vp) e (Np) correspondem-se ao primário.
Sua solicitação de patente fez o primeiro uso da palavra "transformador", uma palavra que tinha sido acuñada por Bláthy Ottó.
Em 1885, George Westinghouse compro as patentes do ZBD e as de Gaulard e Gibbs. Ele lhe encomendou a William Stanley a construção de um transformador de tipo ZBD para uso comercial.
Este desenho utilizou-se pela primeira vez comercialmente em 1886.
Outra informação de interesse
O primeiro sistema comercial de corrente alternada com fins de distribuição da energia eléctrica que usava transformadores se pôs em operação em 1886 em Great Barington, Massachussets, nos Estados Unidos da América. Nesse mesmo ano, a electricidade transmitiu-se a 2.000 volts em corrente alternada a uma distância de 30 quilómetros, em uma linha construída em Cerchi, Itália. A partir desta pequena aplicação inicial, a indústria eléctrica no mundo, tem percorrido em tal forma, que na actualidade é factor de desenvolvimento dos povos, fazendo parte importante nesta indústria o transformador. O aparelho que aqui se descreve é uma aplicação, entre tantas, derivada da inicial bobina de Ruhmkorff ou carrete de Ruhmkorff, que consistia em duas bobinas concêntricas. A uma bobina, telefonema primário, aplicava-se-lhe uma corrente contínua proveniente de uma batería, comutada por médio de um ruptor movido pelo magnetismo gerado em um núcleo de ferro central pela própria energia da batería. O campo magnético assim criado variava ao compás das interrupções, e no outro enrolado, chamado secundário e com muitas mais espiras, se induzia uma corrente de escasso valor mas com uma força eléctrica capaz de saltar entre as pontas de um chispómetro conectado a seus extremos.
Também dá origem às antigas bobinas de ignición do automóvel Ford T, que possuía uma pela cada bujía, comandadas por um revendedor que mandava a corrente através da cada uma das bobinas na sequência correcta.
Tipos de transformadores
Segundo suas aplicações
Transformador elevador/redutor de voltaje
São empregues por empresas transportadoras eléctricas nas subestaciones da rede de transporte de energia eléctrica, com o fim de diminuir as perdas por efeito Joule. Devido à resistência dos condutores, convém transportar a energia eléctrica a tensões elevadas, o que origina a necessidade de reduzir novamente ditas tensões para as adaptar às de utilização.
Transformadores elevadores
Este tipo de transformadores permitem-nos, como seu nome o diz elevar a tensão de saída com respeito à tensão primeiramente. Isto quer dizer que a relação de transformação destes transformadores é menor a um.
Transformadores variáveis
Também chamados "Variacs", tomam uma linha de voltaje fixo (na entrada) e proveen de voltaje de saída variável ajustable, dentro de dois valores.
Transformador de isolamento
Proporciona isolamento galvánico entre o primário e o secundário, de maneira que consegue uma alimentação ou sinal "flutuante". Costuma ter uma relação 1:1. Utiliza-se principalmente como medida de protecção, em equipas que trabalham directamente com a tensão de rede. Também para acoplar sinais procedentes de sensores longínquos, em resistências inesianas, em equipas de electromedicina e ali onde se precisam tensões flutuantes entre si.
Transformador de alimentação
Podem ter uma ou várias bobinas secundárias e proporcionam as tensões necessárias para o funcionamento da equipa. Às vezes incorporam fusibles que cortam seu circuito primário quando o transformador atinge uma temperatura excessiva, evitando que este se queime, com a emissão de fumaças e gases que implica o risco de incêndio. Estes fusibles não costumam ser reemplazables, de maneira que há que substituir todo o transformador.
Transformador trifásico
Têm três enrolados em seu primário e três em seu secundário. Podem adoptar forma de estrela (E) (com fio de neutro ou não) ou delta (Δ) e as combinações entre elas: Δ-Δ, Δ-E, E-Δ e E-E. Há que ter em conta que ainda com relações 1:1, ao passar de Δ a E ou vice-versa, as tensões de fase variam.
Transformador de pulsos
É um tipo especial de transformador com resposta muito rápida (baixa autoinducción) destinado a funcionar em regime de pulsos e além de muito versátil utilidade quanto ao controle de tensão 220 V.
Transformador de linha ou Flyback
É um caso particular de transformador de pulsos. Emprega-se nos televisores com TRC (CRT) para gerar a alta tensão e a corrente para as bobinas de deflexão horizontal. Ademais costuma proporcionar outras tensões para o cano (foco, filamento, etc.). Além de possuir uma resposta em frequência mais alta que muitos transformadores, tem a característica de manter diferentes níveis de potência de saída devido a seus diferentes arranjos entre seus enrolados secundários.
Transformador diferencial de variação linear
O transformador diferencial de variação linear (LVDT segundo suas siglas em inglês) é um tipo de transformador eléctrico utilizado para medir deslocações lineares. O transformador possui três bobinas dispostas extremo com extremo ao redor de um cano. A bobina central é o devanado primário e as externas são os secundários. Um centro ferromagnético de forma cilíndrica, sujeito ao objecto cuja posição deseja ser medida, se desliza com respeito ao eixo do cano.
Os LVDT são usados para a realimentación de posição em servomecanismos e para a medida automática em ferramentas e muitos outros usos industriais e cientistas.
Transformador com diodo dividido
É um tipo de transformador de linha que incorpora o diodo rectificador para proporcionar a tensão contínua de MAT directamente ao cano. Chama-se diodo dividido porque está formado por vários diodos mais pequenos repartidos pelo enrolado e conectados em série, de maneira que a cada diodo só tem que suportar uma tensão inversa relativamente baixa. A saída do transformador vai directamente ao ánodo do cano, sem diodo nem triplicador.
Transformador de impedancia
Este tipo de transformador emprega-se para adaptar antenas e linhas de transmissão (cartões de rede, telefones, etc.) e era imprescindible nos amplificadores de válvulas para adaptar a alta impedancia dos canos à baixa dos altavoces. Se coloca-se no secundário uma impedancia de valor Z, e chamamos n a Ns/Np, como Is=-Ip/n e É=Ep.n, a impedancia vista desde o primário será Ep/Ip = -É n²Is = Z/n². Assim, temos conseguido transformar uma impedancia de valor Z em outra de Z/n² . Colocando o transformador ao revés, o que fazemos é elevar a impedancia em um factor n².
Estabilizador de tensão
É um tipo especial de transformador no que o núcleo se satura quando a tensão no primário excede seu valor nominal. Então, as variações de tensão no secundário ficam limitadas. Tinha um labor de protecção das equipas em frente a flutuações da rede. Este tipo de transformador tem caído em desuso com o desenvolvimento dos reguladores de tensão electrónicos, devido a seu volume, peso, preço e baixa eficiência energética.
Transformador híbrido ou bobina híbrida
É um transformador que funciona como uma híbrida. De aplicação nos telefones, cartões de rede, etc.
Balun
É muito utilizado como balun para transformar linhas equilibradas em não equilibradas e vice-versa. A linha equilibra-se ligando a massa a tomada intermediária do secundário do transformador.
Transformador electrónico
Este composto por um circuito electrónico que eleva a frequência da corrente eléctrica que alimenta ao transformador, desta maneira é possível reduzir drasticamente seu tamanho. Também podem fazer parte de circuitos mais complexos que mantêm a tensão de saída em um valor prefixado sem importar a variação na entrada, chamados fonte comutada.
Transformador de frequência variável
São pequenos transformadores de núcleo de ferro, que funcionam na banda de audiofrecuencias. Utilizam-se com frequência como dispositivos de acoplamento em circuitos electrónicos para comunicações, medidas e controle.
Transformadores de medida
Entre os transformadores com fins especiais, os mais importantes são os transformadores de medida para instalar instrumentos, contadores e relés protectores em circuitos de alta tensão ou de elevada corrente. Os transformadores de medida isolam os circuitos de medida ou de relés, permitindo uma maior normalização na construção de contadores, instrumentos e relés.
Segundo sua construção
Autotransformador
O primário e o secundário do transformador estão ligados em série, constituindo um enrolado único. Pesa menos e é mais barato que um transformador e por isso se emprega habitualmente para converter 220 V a 125 V e vice-versa e em outras aplicações similares. Tem o inconveniente de não proporcionar isolamento galvánico entre o primário e o secundário.
Transformador com núcleo toroidal
O enrolado consiste em um anel, normalmente de compostos artificiais de ferrita, sobre o que se bobinan o primário e o secundário. São mais volumosos, mas o fluxo magnético fica confinado no núcleo, tendo fluxos de dispersión muito reduzidos e baixas perdas por correntes de Foucault.
Transformador de grão orientado
O núcleo está formado por uma chapa de ferro de grão orientado, enrollada sobre si mesma, sempre no mesmo sentido, em lugar das lâminas de ferro doce separadas habituais. Apresenta perdas muito reduzidas mas é caro. A chapa de ferro de grão orientado pode ser também utilizada em transformadores orientados (chapa em E), reduzindo suas perdas.
Transformador de núcleo de ar
Em aplicações de alta frequência empregam-se enrolados sobre um carrete sem núcleo ou com um pequeno cilindro de ferrita que se introduz mais ou menos no carrete, para ajustar seu inductancia.
Transformador de núcleo envolvente
Estão provistos de núcleos de ferrita divididos em duas metades que, como uma concha, envolvem os enrolados. Evitam os fluxos de dispersión.
Transformador piezoeléctrico
Para certas aplicações têm aparecido no mercado transformadores que não estão baseados no fluxo magnético para transportar a energia entre o primário e o secundário, senão que se empregam vibrações mecânicas em um cristal piezoeléctrico. Têm a vantagem de ser muito planos e funcionar bem a frequências elevadas. Usam-se em alguns conversores de tensão para alimentar os fluorescentes do backlight de computadores portáteis.
Veja-se também
Referências
Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga conteúdo multimédia sobre Transformador.Commons
Wikilibros alberga um livro ou manual sobre Transformador.
- Resumem da teoria dos transformadores de potência da Universidade de Cantabria (Espanha).
- Medida da resistência de enrolados em Transformadores Artigo didáctico.
- Informação sobre Transformadores Variáveis.
- Símbolos de Transformadores.
