CONSTRUÇÃO DE TRANSFORMADORES

Projeto e Construção de Transformadores

O transformador é um componente muito usado em eletrônica, mas muito pouco compreendido, apesar de se um dos mais fáceis de entender e fabricar.

Sua constituição é vista na foto abaixo, onde podemos identificar, entre seus componentes, o núcleo que é formado pelas chapas de ferro silício em forma de “I” e “E”, o carretel com os enrolamentos, e o caneco.

Alguns possuem uma blindagem externa, que não é mostrada aqui.

Figura 1

Torna-se necessário a familiarização com esses componentes, pois caso você for montar seu próprio transformador, deverá adquiri-los em lojas especializadas de material para transformadores.

Figura 2

Se bem que se pode também reaproveitar esses mesmos componentes de outros transformadores cuidadosamente desmontados.

Só não é recomendável o reaproveitamento dos fios dos enrolamentos.

Para dominar as técnicas de construção de transformadores será necessário uma breve explanação sobre seus princípios básicos.

Funcionamento do Transformador

Seu funcionamento está baseado no princípio da indução eletromagnética.

Quando temos uma corrente circulando por um condutor, essa criará em torno do condutor um campo eletromagnético de intensidade proporcional à intensidade da corrente e que se propaga pelo espaço, induzindo em outro condutor eletricamente isolado do primeiro, uma corrente proporcional ao campo recebido.

Figura 3

O transformador utiliza este princípio para manipular as tensões.

Para isso ele é construído a partir de dois enrolamentos separados eletricamente e envolvendo um núcleo ferromagnético para otimizar o efeito da indução eletromagnética.

Um exemplo pode ser visto na figura abaixo, onde temos um transformador composto pelo núcleo magnético e com dois enrolamentos separados:

primário, onde é aplicada a tensão, e secundário, onde se obtém a tensão desejada.

Figura 4

Como é possível notar, o transformador é construído a partir de bobinas.

Estas devem ter um determinado número de espiras no seu primário e no seu secundário.

A relação de espiras entre o primário e o secundário determinará o fator multiplicativo do transformador.

Por exemplo, se um transformador possui no primário 100 espiras e no secundário 50, o fator multiplicativo é:

r = E2 / E1 = 50 / 100 = 0,5

onde:

r = Relação de espiras (fator multiplicativo)

E1 = Nº de espiras do primário

E2 = Nº de espiras do secundário

Com este fator, uma tensão de 220 volts ligada ao primário induzirá no secundário aproximadamente 110 volts (220 x 0,5 = 110 volts).

Modificando a relação de espiras podemos construir transformadores para elevar ou reduzir tensões conforme a necessidade.

Transformadores com “r > 1” elevarão a tensão, e com “r < 1, a reduzirão.

Eficiência do Transformador

A eficiência refere-se a uma grandeza indicada pela letra grega η (eta) , que expressa a relação (%) entre a energia aplicada ao enrolamento primário do transformador e a energia retirada em seu secundário.

Por exemplo, se aplicarmos 50W em seu primário e retiramos em seu secundário 42W, teremos um ganho de:

η = Ps x 100 / Pe

onde:

η = eficiência em %

Ps = potência de saída (secundário)

Pe = potência de entrada (primário)

O resultado da fórmula acima fica assim:

η = 42 x 100 / 50 = 84%.

Os rendimentos mais comuns obtidos na construção de transformadores por processo manual, são mostrados na tabela abaixo.

Figura - Tabela de Rendimento

Regulação

Ao ligar um transformador, este apresenta uma tensão em seu secundário.

Esta tensão, geralmente, é maior quando o secundário não está conectado a nenhuma carga (diz-se que ele está em vazio).

Logo que é conectado à uma carga, a tensão do secundário cai.

Nesta situação diz-se que o transformador está em plena carga.

A regulação é a taxa de variação da tensão quando o transformador está em vazio e em plena carga.

Para obter a taxa de variação fazemos:

R = (Uv – Uc) x 100 / Uv

Onde:

R = Regulação (em%)

Uv = Tensão em vazio (em Volts)

Uc = Tensão em plena carga (em Volts)

Assim, um transformador que proporcionar uma tensão em vazio de 14 volts e uma tensão em plena carga de 12 volts, possui uma regulação de:

R = (14 – 12) x 100 / 14 = 14,28%

Essa taxa não seria aceitável na prática, onde encontramos valores entre 5% e 10%.

É visível que taxas de regulação menores indicam transformadores melhores.

Projeto de Transformadores

O cálculo de transformadores é relativamente fácil de ser realizado e é o primeiro passo para a execução do trabalho.

Inicialmente será necessário saber a corrente e a tensão que o transformador deverá fornecer em seu secundário.

A partir daí, calcula-se a potência no enrolamento secundário através da expressão:

Ps = Us x Is

Onde:

Ps = Potência do secundário (Watts)

Us = Tensão do secundário (Volts)

Is = Corrente do secundário (Amperes)

Se o transformador possuir mais de um enrolamento secundário, será necessário aplicar a fórmula (Is) para cada um deles.

A potência do secundário será então, a soma das potências de todos os seus enrolamentos.

Em seguida, calcula-se a potência do transformador, usando o fator de eficiência (η).

Para transformadores feitos manualmente poderemos assumir a eficiência da tabela de rendimento, mostrada acima.

Sua potência será:

Pp = Ps x 100 / η

Onde:

Pp = Potência no primário (Watts)

Ps = Potência no secundário (Watts)

η = Eficiência em %.

Conhecendo-se a potência, é possível obter-se agora a seção transversal do núcleo.

É chamada seção transversal do núcleo, a área central das chapas que atravessam o centro do carretel do transformador.

Na figura abaixo, é mostrada esta área e o carretel para um melhor entendimento.

As medidas do carretel devem ser iguais as da seção transversal do núcleo, pois na montagem, este é encaixado no carretel.

Figura 5

A área interna do carretel, assim como a seção transversal do núcleo pode ser obtida através da formula:

Figura - Cálculo seção transversal do núcleo

Onde:

S = área do núcleo em (cm²)

Pp = potência do primário (Watts)

De posse dos resultados, teremos a idéia do quanto de chapas precisaremos e do tamanho do carretel.

O próximo passo será calcular a quantidade de espiras (voltas) de fio, necessárias para a construção dos respectivos enrolamentos.

Cálculo do Primário

O número de espiras do enrolamento primário, que geralmente é aquele ligado à rede elétrica, é calculado com a fórmula:

Np = E x 100.000.000 /4,44 x f x B x S

Onde:

Np = Número de espiras do primário.

E = Tensão que será aplicada ao primário.

f = Freqüência da rede em Hz.

B = Densidade de fluxo magnético do ferro em Gauss

S = Seção transversal do núcleo em cm²

A densidade do fluxo magnético de um núcleo de transformador é fornecida pelo fabricante, e varia de material para material.

Na prática podemos adotar 10.000 Gauss para chapas de ferro doce comum (igual às utilizadas em transformadores convencionais) caso não obtenha o valor correto com o vendedor.

Para enrolamento simples, por exemplo, 110 volts, a formula acima é usada diretamente.

Caso for feito enrolamentos adicionais, aplique a fórmula para cada tensão específica.

Enrolamento Secundário.

De posse dos cálculos feitos para o primário, obtemos p valor do secundário com a seguinte fórmula:

Ns = Us x Np / Up

Onde:

Ns = Nº de espiras do secundário

Np = Nº de espiras do primário

Us = Tensão do secundário

Up = Tensão do primário.

Para se obter Up e Np, caso tenha um primário de várias seções, escolha uma e adote sua tensão e seu número de espiras.

Isso é possível pois como o transformador trabalha com relações proporcionais, um enrolamento para 220 volts teria o dobro de espiras que para um de 110 volts.

A partir daí, a formula acima deve ser aplicada para cada seção do secundário, como ocorreu com os exemplos anteriormente, referentes ao primário.

Escolha do fio

Antes de escolher o fio com que irá ser enrolado o transformador, é necessário definir a densidade de corrente com que o fio deverá trabalhar.

Esta densidade refere-se à corrente que circula em determinada área do condutor.

Densidades maiores geram um aquecimento maior, e expõe o transformador a falhas, como queima e curto-circuito entre espiras.

Contudo há uma diminuição no tamanho do transformador e redução de custo.

As densidades mais usadas estão entre 1A / mm² e 2A / mm², sendo que a média 1,5A /mm² é a mais usada.

Na prática, deve-se ter em mente que 1A / mm² é uma densidade que torna o transformador muito confiável, fazendo-o trabalhar monos aquecido. Isso o tornará mais caro também, pois despenderá bem maior quantidade de material.

Tabela de Fios

A bitola do fio que deve ser empregado em cada enrolamento é calculada, então, pela fórmula:

Figura  - Cálculo da Bitola

Onde:

d = diâmetro do fio em mm

I = corrente nominal do enrolamento

J = densidade de corrente em A/mm²

Se o resultado for 0,2345, poderia optar-se pelo fio 30, cujo diâmetro é 0,2546.

Note que o arredondamento é sempre feito para um valor imediatamente superior.