Um transformador é um dispositivo usado para aumentar ou reduzir a tensão em um circuito ca.
Na verdade, uma das principais vantagens da corrente alternada é que ela pode ser transmitida em alta tensão com baixa perda de potência; a seguir, a tensão pode ser reduzida para qualquer valor desejada com o uso de um transformador.
Assim, os transformadores são itens comuns em sistemas CA.
A Figura abaixo apresenta um diagrama esquemático de um transformador.
Todo condutor de uma corrente elétrica possui um campo magnético.
Se uma corrente alternada flui em um condutor, o campo magnético em torno do condutor se expande e se retrai rapidamente à medida que a corrente muda de magnitude e de direção.
Esse campo magnético que muda rapidamente cerca todos os fios que transportam a corrente alternada e possibilita o uso de transformadores.
Um transformador é composto de um enrolamento primário e um enrolamento secundário que normalmente cercam um núcleo de ferro doce laminado ou um núcleo de folha de aço recozido.
A bobina secundária pode ser enrolada em torno da bobina primária ou de uma seção separada do mesmo núcleo.
É o que ilustra a Figura seguinte.
O núcleo laminado reduz o efeito das correntes de Foucault, que, sem ele, produziriam calor e perda de potência consideráveis.
A teoria de operação dos transformadores é semelhante à de uma bobina de indução.
À medida que um fluxo de corrente é alimentado ao enrolamento primário, o campo magnético se expande e se contrai em torno do enrolamento.
Se outra bobina de indutância, a secundária, é colocada próxima à primária, ela recebe uma tensão induzida do campo magnético com mudança constante da primária.
Se a segunda bobina é conectada a um circuito, a tensão induzida produz um fluxo de corrente.
Quanto maior a frequência CA aplicada (dentro dos limites), melhor a transformação de tensão entre a primária e a secundária.
Uma ca de frequência relativamente mais alta, assim, permite o uso de transformadores menores.
Devido à reatância indutiva das bobinas primária e secundária, a tensão induzida na secundária é quase 180º fora de fase com a tensão primária.
Isso ocorre porque a corrente primária é quase 90º fora de fase com a FEM primária devido à indutância do enrolamento primário e a FEM da segunda bobina e 90º fora de fase com a da primária.
Na teoria, a FEM secundária de um circuito sem resistência seria exatamente 180º fora de fase com a FEM da primária; como nenhum circuito pode ter resistência zero, no entanto, a tensão secundaria será ligeiramente menos de 180° fora de fase com a tensão primária.
O estudo da Figura acima ajuda o aluno a entender as relações de fase em um circuito transformador.
A curva Ep representa a FEM aplicada à bobina primária do transformador.
Ip é a corrente primária, atrasada em relação à FEM primária em quase 90º devido à indutância do enrolamento primário.
Como a mudança de corrente é máxima quando a corrente inverte sua direção, a FEM máxima (Es) é induzida na secundária nesse ponto.
Quando a corrente alcança um valor máximo de 180° na curva, há um instante no qual não há mudança de corrente; assim, nesse ponto não há FEM induzida na secundária.
À medida que o valor da corrente diminui, a taxa de mudança aumenta e a FEM secundária aumenta para se opor a essa mudança.
Uma das características mais importantes do transformador é que a bobina primária pode ser deixada conectada à linha e consome pouquíssima potência a menos que o circuito secundário seja fechado.
(Linha é um termo usado para descrever uma fonte de energia CA.)
Isso ocorre devido à reatância indutiva do enrolamento primário.
A corrente primária cria um campo que induz uma FEM oposta na bobina primária.
Essa FEM oposta é chamada de FCEM e é quase igual à FEM aplicada à bobina; assim, flui apenas uma corrente mínima na bobina quando nenhuma carga é aplicada à secundária do transformador.
Podemos considerar o campo um reservatório de potência; quando o circuito secundário é fechado, a potência é retirada do reservatório.
A seguir, a corrente flui no circuito primário suficientemente para manter o fluxo do campo em um valor máximo.
Se o circuito secundário é desconectado, a potência deixa de ser retirada do campo, então é necessário pouquíssima corrente para manter a força do campo.
Com isso, vemos que o fluxo de corrente que entra no enrolamento primário está diretamente relacionado com a corrente que sai do enrolamento secundário.
Como as bobinas primária e secundária de um transformador são enroladas em torno do mesmo núcleo, as duas são afetadas pelo mesmo campo magnético.
Lembre-se que a FEM induzida em uma bobina depende da força do campo magnético e do número de voltas na bobina.
Como ambas as bobinas são cortadas pelo mesmo campo magnético, a razão entre a FEM primária e a FEM secundária é proporcional à razão do número de voltas na primária e o número de voltas na secundária.
Por exemplo, se a bobina primária tem 100 voltas de fio e a secundária tem 200 voltas, a FEM da secundária terá o dobro do valor da FEM na primária.
A fórmula para esses valores é:
onde
Ep = tensão no primário
Es = tensão induzida no secundário
Np = número de voltas no enrolamento primário
Ns = número de voltas no enrolamento secundário
É óbvio que a potência produzida por um transformador não pode ser maior do que a potência de entrada.
Como a potência em um transformador é aproximadamente igual à tensão vezes a corrente, vemos que se a tensão na secundária é maior do que a tensão na primária, a corrente na secundária deve ser menor do que a corrente na primária.
Em um transformador com 100% de eficiência, a razão entre a corrente na primária e a corrente na secundária é inversamente proporcional à razão das tensões.
A fórmula para essa relação é:
As equações para tensão, corrente e número de voltas no primário e secundário para um transformador podem ser combinados da seguinte forma:
ou,
Quando a secundária de um transformador tem mais voltas de fio do que a primária e é usada para aumentar a tensão, o transformador é chamado de elevador.
Quando o transformador é usado para reduzir a tensão, ele é chamado de rebaixador.
Em muitos casos, o mesmo transformador pode ser usado como elevador ou como rebaixador.
A bobina conectada à tensão de entrada é chamada de primária e aquela conectada à carga é chamada de secundária.
Outra maneira de considerar os valores de entrada e de saída de um transformador é lembrar que a potência que entra no transformador sempre será igual à potência que sai dele.
Por ora, vamos supor que o transformador tem 100% de eficiência e sua ação não representa perda nenhuma.
Nesse caso,
e como Potência = tensão × corrente (P = E × I), podemos fazer a seguinte substituição:
E(primário) × I(primário) = E(secundário) × I(secundário)
ou
Tensão(p) × Corrente(p) = Tensão(s) × Corrente(s)
Como ambos os lados da equação devem ser iguais, vemos que se a tensão secundária do transformador aumenta, a corrente máxima disponível na secundária deve, então, diminuir em relação à primária.
A Figura mostra um exemplo de como determinar a saída de um transformador típico.
Nesse exemplo, um transformador rebaixador 100% eficiente é usado para simplificar os cálculos.
A maioria dos transformadores tem eficiência entre 90 e 98%, sendo que os transformadores maiores têm eficiências mais elevadas.
A maior parte da potência perdida pelos transformadores é transformada em calor e ruído; os transformadores esquentam e muitas vezes começam a zunir.
Se passa a ser necessário usar mais de um transformador em um circuito, com os transformadores conectados em série ou em paralelo, é importante que eles usem as fases apropriadas.
A Figura ilustra um circuito simplificado com dois transformadores conectados em série.
Observe que os terminais primários P1 do primeiro transformador e P1 do segundo estão conectados à mesma linha do suprimento de energia e que os terminais P2 dos transformadores são igualmente conectados à mesma linha do suprimento de energia.
Com os circuitos primários conectados dessa maneira, os terminais secundários S1 serão positivos ao mesmo tempo e negativos ao mesmo tempo.
Portanto, para conectar os dois circuitos secundários em série para obter tensão máxima, a S2 de um transformador deve ser conectada à S1 do outro transformador e os terminais opostos S1 e S2 devem, então, ser utilizados como terminais de saída.
Com essa estrutura, as tensões são aditivas e a saída total será de 220 V se os enrolamentos secundários individuais produzirem 110 V cada.
Se os dois enrolamentos secundários em série fossem conectados de modo que o S2 de um transformador fosse conectado ao S2 do outro, não haveria saída dos dois terminais S1, pois as tensões trabalhariam em direções opostas.
Na Figura abaixo, os transformadores estão conectados em paralelo.
Os enrolamentos primários estão conectados da mesma maneira que aqueles no circuito da Figura anterior.
Para conectar os enrolamentos secundários em paralelo, os dois terminais S1 e os dois terminais S2 são conectados à mesma linha.
A saída entre essas linhas terá, então, a mesma tensão que cada enrolamento individual e a corrente será aditiva.
Se a conexão para um dos enrolamentos secundários for revertida, será criado um curto-circuito entre os dois enrolamentos secundários e os transformadores se queimarão, ou então o disjuntor no suprimento de energia será aberto.
