O Transformador

Tudo o que você precisa saber sobre o transformador...  

O símbolo para um transformador de energia pode ser qualquer um dos seguintes:

USOS
Um transformador pode oferecer mais que 30 características diferentes em um circuito, e algumas vezes, oferecer 3 ou mais ao mesmo tempo. 
Aqui estão algumas das características que ele pode oferecer:
1. Isolar uma voltagem de outra, 
2. Aumentar a voltagem,
3. Diminuir a voltagem,
4. Aumentar a corrente,
5. Diminuir a corrente,
6. Prover uma reversão de fase, 
7. Prover uma troca de fase, 
8. Prover uma voltagem de retorno (feedback) ou pulso,
9. Irradiador eletromagnético,
10. Detecção de Eletromagnetismo,
Mais uma série de efeitos quando combinado com outros componentes, tais como:
osciladores, filtros, amplificadores de sinal, atenuadores, e muito mais. 

O diagrama abaixo é um transformador simples, enrolado em um núcleo de ferro-macio ou ferrite. Se for aplicada corrente alternada ao primário, uma voltagem vai aparecer no secundário. Esse tipo de transformador não é tão eficiente quanto um  com  "caminho magnético completo" – entretanto, ele funciona.

Se o caminho magnético for completo, como mostrado no diagrama abaixo, mais energia é transferida do primário para o secundário, através do fluxo magnético. O fluxo magnético se move no sentido horário (chamado de FLUXO DE EXPANSÃO) durante a primeira metade do ciclo e no sentido anti-horário (chamado de FLUXO DESCENDENTE ou de COLAPSO), durante a segunda metade do ciclo. 

O TRANSFORMADOR DE FONTES DE ALIMENTAÇÃO
Nesta seção nós vamos discutir o transformador em seu papel como TRANSFORMADOR DE FORÇA em uma FONTE DE ALIMENTAÇÃO. 
O transformador desempenha uma função muito importante em se produzir uma fonte de alimentação com sucesso, mas é um componente sobre o qual nós tendemos a saber pouco a respeito. 
Muito poucas especificações são fornecidas com um transformador, e muito freqüentemente eles são superestimados. 
Há uma série de especificações que você precisa saber quando pretende utilizar um transformador, e a única maneira de conhecê-las é construindo um circuito experimental. Um transformador funciona muito bem até que você precise utilizar toda a sua potencia de  saída. É aí que você descobre as coisas que dão errado. 
Pegue, por exemplo, a estimativa de corrente. Quantas vezes você já viu dois transformadores diferentes. Um maior que o outro, mas ambos graduados como sendo de 12 V a 500 mA.
Há várias razões pelas quais isso pode ser verdadeiro – ou parcialmente verdadeiro. Tudo está no modo como você testa o dispositivo. Não importa como você o veja, sempre é melhor optar pelo transformador maior. Não existe uma maneira pela qual um fabricante consiga colocar “energia extra” ou “Potencia” em um transformador pequeno e fornecer uma saída “aumentada” - a menos que o transformador apresente um projeto diferente de modelo ou material ferro magnético utilizado.
A graduação de 500mA para o transformador menor pode ser para um curto espaço de tempo, ou o transformador pode ter uma voltagem de saída ligeiramente maior de modo que quando os 500 mA são exigidos, a voltagem vai cair para o valor especificado. 
O principal problema com essa voltagem mais alta que é passado para a entrada da sua fonte de alimentação e que ela precisa ser dissipada no regulador, como “calor perdido”. Isso reduz a eficiência da fonte e quando uma corrente maior for exigida, o regulador pode se desligar por proteção interna. Some-se a isso o fato que o transformador se aquece muito porque está entregando mais voltagem (e assim, mais watts) do que o necessário.
Esse é um exemplo extremo, mas é exatamente o que acontece na realidade. 
Dizemos que o transformador menor tem REGULAGEM POBRE e não é o melhor tipo para a ser usado. 
Obviamente, o melhor tipo é aquele ligeiramente maior do que o necessário, assim ele vai funcionar frio. 
Novamente, toda a matemática do mundo não vai superar a simples tarefa de “sentirmos” um transformador após ele estar trabalhando por 30 minutos ou algo assim. 
E novamente, há duas checagens a serem feitas. Verifique o transformador após 30 minutos sem carga, e novamente após 30 minutos funcionando com carga total. Isto é bem mais simples, do que fazer  um curso de 2 anos sobre projetos de transformadores. Basicamente, se o transformador estiver se aquecendo, sem carga, a densidade do fluxo no núcleo é muito alta. Ele funciona assim: À medida que a voltagem na entrada aumenta, o enrolamento primário  produz um campo magnético e esse campo passa através do material magnético no centro da bobina, chamado de NÚCLEO. O campo liga “pequenos dipolos magnéticos” no núcleo e os alinha em uma direção particular. Esses dipolos magnéticos então tem o efeito de produzir um campo magnético na direção oposta para produzir uma voltagem reversa que tem quase a mesma amplitude da voltagem de entrada. 
Se a voltagem de entrada é de 130v, em um determinado momento, a voltagem produzida pelo transformador pode ser de 125V e assim a voltagem resultante é na verdade de apenas 5 V. Isso é uma situação surpreendente, mas é exatamente assim que acontece. Para isso acontecer, você não precisa de um enrolamento secundário. Ele pode ser removido e exatamente o mesmo resultado será obtido. 
Agora, chegamos às razões porquê alguns transformadores esquentam mais do que outros. 
Há duas razões. 
O material no núcleo é ferro (chamado de ferro-macio) e ferro é um condutor de eletricidade. À medida que o fluxo passa através do núcleo ele não é absolutamente uniforme e qualquer não-uniformidade permite que se desenvolva uma pequena voltagem de uma área para outra, e essa voltagem gera um fluxo de corrente. O material do núcleo é disposto em camadas finas, chamadas laminas para criar um caminho bem longo, e assim uma resistência alta é criada de forma que o fluxo efetivo de corrente seja o menor possível. Entretanto, uma pequena corrente flui, e isso causa algum aquecimento do núcleo. 
Mas, o aquecimento maior vem do enrolamento primário. 
À medida que a voltagem no primário aumenta, mais e mais dipolos se alinham em uma direção para produzir uma voltagem reversa ou “de retorno”. Mas chega um momento em que não há mais dipolos, e a voltagem reversa não atinge a voltagem de entrada. A diferença entre as duas voltagens aumenta e assim, simplesmente pela Lei de Ohm, a corrente primária aumenta devido à resistência do enrolamento primário. Essa corrente aumentada ocorre apenas no pico de cada onda, e é assim que o transformador se aquece gradualmente – o enrolamento primário se aquece e passa seu calor para o núcleo. 
Quando uma carga é aplicada ao transformador, o fluxo magnético produzido pelo enrolamento primário atravessa as voltas do secundário e induz uma voltagem em cada volta. Essa voltagem é a “pressão” que permite um que uma corrente flua no circuito secundário. O fluxo magnético é passado ao enrolamento secundário e não tem tempo de ativar muitos dipolos. Assim, a voltagem reversa não é alta o suficiente e mais corrente flui no enrolamento primário. Se nós pegarmos mais corrente do secundário, o primário vai puxar corrente da “alimentação”. 

PROJETANDO UM TRANSFORMADOR
Nós não vamos entrar no projeto de um transformador, pois isso está além do proposto. Há muitos transformadores no Mercado para escolhermos e você não vai conseguir construir um e gastar menos do que adquirindo um pronto. 

QUAL É A VANTAGEM EM UMA DERIVAÇÃO CENTRAL?
Existem basicamente dois tipos de enrolamentos de saída. Um é um enrolamento simples e o outro tem uma derivação. 
Antes de discutirmos as vantagens do enrolamento simples precisamos entrar em alguma teoria. 
O transformador mais eficiente tem metade da bobina enrolada com o enrolamento primário e metade com o secundário. Isso permite que um calibre de fio mais grosso seja utilizado para cada enrolamento e assim as “perdas por cobre” serão as menores. “Perdas por cobre” representam o calor gerado no enrolamento devido ao fluxo de corrente. Um enrolamento que entrega 1 Ampère, esquenta muito mais do que um pedaço comum de fio transportando 1 ampere porque o enrolamento está GERANDO a corrente e muitos “turbilhões de corrente” estão passando pelo fio. Estes podem ser encarados como corrente fluindo no sentido contrário, mas eventualmente, corrente suficiente passa no sentido correto para criar 1 amp. Se o fio é grosso, a resistência do fio é mais baixa e ele não vai se aquecer como um fio mais fino. 

Agora, vamos à comparação de um secundário simples conectado a um retificador de onda completa (4 diodos) e um secundário com derivação central conectado a dois diodos.  
O diagrama abaixo mostra essas duas disposições.

Enrolamento secundário simples Vs secundário com derivação central

No diagrama, estamos assumindo que a saída é a mesma em ambos os casos, (por exemplo, 12v a 1 amp.). No primeiro caso, o secundário está entregando corrente para a carga através  dos diodos b e c na primeira metade do ciclo e através dos diodos a e d na segunda metade de cada ciclo. Isso coloca a carga no enrolamento de dois pulsos de energia por ciclo. Adicionalmente há uma queda através dos dois diodos. 
No Segundo caso, o enrolamento A entrega corrente à carga através do diodo superior durante a primeira metade de cada ciclo, e o enrolamento B entrega corrente à carga através do diodo inferior, durante a segunda metade de cada ciclo. Cada enrolamento  tem um curto período de repouso entre os pulsos de energia. 
A questão é: Qual é o melhor circuito?
A resposta é o circuito 1. 
O circuito com a derivação central tem algumas vantagens, mas na media, o Circuito 1 é a melhor escolha.  
O transformador com derivação central está entregando energia basicamente a partir do espaço secundário no transformador a cada meio-ciclo e assim o enrolamento tem um fio mais fino (para caber no espaço) e ele ficará ligeiramente mais quente do que o de secundário-simples. O resultado é que um transformador com derivação central precisa ser acionado com mais energia para entregar a mesma saída de corrente do que um transformador com secundário simples.  

 

Maneiras de fixar um transformador;  
1. Fixadores de montagem. O transformador terá alças e/ou braçadeiras para montagem. 
2. Montagem em Placa de Circuito Impresso. O transformador terá pinos para passarem nos furos de uma placa de CI e serem soldados.
3. Transformadores Toroidais terão um parafuso para montagem que passa pelo centro do transformador e aparafusam-se em uma base. 
Monte somente transformadores muito pequenos diretamente em placas de CI – transformadores grandes irão quebrar as trilhas. Essa forma de montagem é bastante arriscada, pois as conexões principais ficam expostas na parte inferior da placa. Também é mais difícil adequarmos a placa a uma embalagem com um transformador pesado nela.   

CONCLUSÃO
A resposta é simples. Se você está projetando uma fonte de alimentação, apanhe (ou compre) uma gama de transformadores e teste todos em seu projeto. Sinta a temperatura após um certo tempo e cheque a capacidade de carregar cada dispositivo com a corrente necessária. Você pode até puxar mais corrente durante o “teste” para determinar se o transformador está operando ao seu máximo, ou se ainda há uma pequena reserva de corrente.
Não aceite as especificações dos fabricantes como verídicas. A maioria das especificações ou são “supostas” ou exageradas. Como pode um amplificador produzir 100 watts de saída se o transformador de força é graduado em 12V a 3,5 Amp?
O tamanho (e peso) de um transformador de força é uma indicação de sua razão VA (Volt-Ampere). Isso é a Voltagem, em corrente alternada, de saída, multiplicada pela corrente (Amps). Simplesmente consiga uma série de transformadores de força e note as suas graduações VA. 
A graduação VA não é uma escala linear. Em outras palavras, se um transformador é dobrado em peso, a razão VA pode aumentar mais do que o dobro. Isso, porque transformadores maiores possuem uma razão de eficiência mais alta.  
Note a espessura do fio no secundário. Ele deve ser a mais grossa possível. Também note a forma com que o transformador foi construído. Ele deve ser “calçado” para prevenir que os enrolamentos e as lâminas se movam ou vibrem durante o funcionamento.
Como eu disse, a resposta é simples. Sinta o transformador após 30 minutos de funcionamento. Se ele apresentar “odor” ou se aquecer muito, substitua-o por um com um de tamanho maior.

Um transformador pode ser projetado para fazer coisas bastante surpreendentes. Uma dessas coisas surpreendentes é que a corrente de saída é maior do que a de entrada!
Essa é uma característica bastante normal para um transformador e será produzida por quase qualquer transformador cujo enrolamento de saída tenha menos voltas do que o primário e seja enrolado com fio espesso. 
Como nós reduzimos o número de voltas no secundário, podemos usar um fio mais grosso e o caso extreme é um secundário simples feito com fio de cobre muito grosso. O secundário irá produzir 30, 100, ou até mesmo  500 amps. 
Mas, antes de ficar muito empolgado, você tem que perceber como isso é possível. Não pense que está conseguindo alguma coisa “de graça” – porque você não está.
Um transformador é capaz de consumir um determinado número de watts (isso é determinado pelo seu tamanho) e entregar o mesmo número de watts para o secundário. O valor dos watts é a voltagem através do primário multiplicada pela corrente através do primário. O termo exato para isso é razão VA (dizemos VA porque a voltagem e a corrente estão aumentando e abaixando, enquanto que o termo watts refere-se a valores DC  ou valores constantes.). (A saída será ligeiramente menor do que a entrada devido a perdas). 
Se nós temos um transformador com uma razão VA de 60, a saída pode ser qualquer combinação cuja resposta seja 60. 
Por exemplo, a saída pode ser 30v a 2 amp,  15v a 4amp,  10v a 6amp, 6v a 10amp, 1v a 60amp,  ou 0.5v a 120amp. 

A animação abaixo mostra como a corrente de saída vai aumentar à medida que as voltas no enrolamento secundário diminuem.
Nota: A forma de onda abaixo é diferente (oposta) à da página anterior. Ela mostra a CORRENTE de saída do secundário à medida que as voltas são diminuídas. O diagrama da página anterior mostrava a VOLTAGEM de saída.