Eletricidade e Eletrônica: Transformadores

Um transformador ou trafo é um dispositivo destinado a transmitir energia elétrica ou potência elétrica de um circuito a outro, transformando tensões, correntes e ou de modificar os valores das impedâncias elétricas de um circuito elétrico.
Inventado em 1831 por Michael Faraday, os transformadores são dispositivos que funcionam através da indução de corrente de acordo com os principios do eletromagnetismo, ou seja, ele funciona baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday-Neumann-Lenz e da Lei de Lenz, onde se afirma que é possível criar uma corrente elétrica em um circuito uma vez que esse seja submetido a um campo magnético variável, e é por necessitar dessa variação no fluxo magnético que os transformadores só funcionam em corrente alternada.

Transformador

Estrutura
Um transformador é formado basicamente de:
Enrolamento - O enrolamento de um transformador é formado de varias bobinas que em geral são feitas de cobre eletrolítico e recebem uma camada de verniz sintético como isolante.
Núcleo - esse em geral é feito de um material ferro-magnético e o responsável por transferir a corrente induzida no enrolamento primário para o enrolamento secundário.
Esses dois componentes do transformador são conhecidos como parte ativa, os demais componentes do transformador fazem parte dos acessórios complementares.
No caso dos transformadores de dois enrolamentos, é comum se denominá-los como enrolamento primário e secundário, existem transformadores de três enrolamentos sendo que o terceiro é chamado de terciário. Há também os transformadores que possuem apenas um enrolamento, ou seja, o enrolamento primário possui um conexão com o enrolamento secundário, de modo que não há isolação entre eles, esses transformadores são chamados de autotransformadores

Tipos de transformadores
Os transformadores são classificados de acordo com vários critérios. As classificações de acordo com a finalidade, o tipo, o material do núcleo e o número de fases são algumas das mais importantes.^[3]

Quanto a finalidade

Transformadores de corrente
transformadores de potencial
Transformadores de distribuição
Transformadores de força

Quanto ao tipo

Dois ou mais enrolamentos
Autotransformador

Quanto ao material do núcleo

Ferromagnético
Núcleo de ar

Quanto ao número de fases

Monofásico
Polifásico

Para se reduzir as perdas o núcleo de muitos transformadores são laminados para reduzir a indução de correntes parasitas ou de Foucault, no próprio núcleo. Em geral se utiliza aço-silício com o intuito de se aumentar a resistividade e diminuir ainda mais essas correntes parasitas. Esses transformadores são chamados transformadores de núcleo ferromagnético. Há ainda os transformadores de núcleo de ar, que possui seus enrolamentos em contato com a atmosfera.
Transformadores também podem ser utilizados para o casamento de impedâncias. Esse tipo de ligação consiste em modificar o valor da impedância vista pelo lado primário do transformador, são em geral de baixa potência.

Transformadores de potência

Os transformadores trifásicos ou de potência são destinados a rebaixar ou elevar a tensão e consequentemente elevar ou reduzir a corrente de um circuito, de modo que não se altere a potência do circuito.Esses transformadores podem ser divididos em dois grupos:

Transformador de força - esses transformadores são utilizados para gerar, transmitir e distribuir energia em subestações e concessionárias. Possuem potência de 5 até 300 MVA. Quando operam em alta tensão têm até 550 kV.

Transformador de distribuição - esses transformadores são utilizados para rebaixar a tensão para ser entregue aos clientes finais das empresas de distribuição de energia. São normalmente instalados em postes ou em câmaras subterrâneas. Possuem potência de 30 a 300 kVA; em alta tensão têm tensão de 15 ou 24,2 kV, já o transformador de baixa tensão tem 380/220 ou 220/127 V.

Autotransformadores

Nos autotransformadores os enrolamentos primário e secundário estão em contato entre si. O enrolamento tem pelo menos três saídas, onde as conexões elétricas são realizadas. Um autotransformador pode ser menor, mais leve e mais barato do que um transformador de enrolamento duplo padrão. Entretanto, o autotransformador não fornece isolamento elétrico.
Autotransformadores são muitas vezes utilizados como elevadores ou rebaixadores entre as tensões na faixa 110-117-120 volts e tensões na faixa 220-230-240 volts. Por exemplo, a saída de 110 ou 120V de uma entrada de 230V, permitindo que equipamentos a partir de 100 ou 120V possam ser usados em uma região de 230V.
Um autotransformador variável é feito expondo-se partes das bobinas do enrolamento e fazendo a conexão secundária através do deslizamento de um conector, resultando em variação na relação das espiras. Tal dispositivo é normalmente chamado pelo nome de marca Variac.

Transformador ideal

Um transformador ideal é aquele em que o acoplamento entre suas bobinas é perfeito, ou seja, todas concatenam, ou “abraçam”, o mesmo fluxo, o que vale dizer que não há dispersão de fluxo. Isso implica assumir a hipótese de que a permeabilidade magnética do núcleo ferromagnético é alta ou, no caso ideal, infinita, e o circuito magnético é fechado. Além disso, admite-se que o transformador não possui perdas de qualquer natureza, seja nos enrolamentos, seja no núcleo.

Simbologia

Alguns símbolos comumente utilizados em diagramas elétricos e eletrônicos:

	Transformador com núcleo de ar.
	Transformador com núcleo de ferro.
	Transformador de núcleo de ferro com blindagem eletrostática, que protege contra acoplamento eletrostático entre os enrolamentos.
	Autotransformador.

Transformador em vazio
Considerando, um transformador ideal, sendo o fluxo total, $\phi$ , o mesmo em ambas as bobinas, já que se desprezam os fluxos dispersos e o núcleo tem $\mu$ → ∞, as f.e.m.’s, $e_1$ e $e_2$ , induzidas nessas bobinas (adotando a convenção receptor), escrevem-se como:
$v_1\ = e_1 =N_1\frac{d\phi}{dt} [V]$
e
$v_2\ = e_2 =N_2\frac{d\phi}{dt} [V]$
Dividindo-se $v_1$ por $v_2$ chega-se à relação de tensões entre primário e secundário:
$\frac{e_1}{e_2}=\frac{v_1}{v_2}=\frac{N_1}{N_2}=a$
sendo a denominada relação de espiras ou relação de transformação. Esta é a primeira propriedade do transformador que é a de transferir ou refletir as tensões de um lado para outro segundo uma constante a.^[3]
Convencionando-se $N_1$ como a espira acoplada à DDP do circuito (primário) tem-se: para $N_1>N_2$ um abaixador de tensão e para $N_1<N_2$ um elevador de tensão.