Diversi tipi di trasformatori e loro applicazioni

Un trasformatore è un dispositivo ampiamente utilizzato nel dominio elettrico ed elettronico. È un dispositivo elettromagnetico che segue il principio di base dell'elettromagnetismo scoperto da Michael Faraday. Abbiamo trattato in dettaglio la costruzione e il funzionamento di Transformers nel tutorial precedente. Qui tratteremo diversi tipi di trasformatori utilizzati in diversi tipi di applicazioni. Tuttavia, tutti i tipi di trasformatori seguono gli stessi principi ma hanno un metodo di costruzione diverso. E con un po 'di sforzo puoi anche costruire il tuo trasformatore, ma durante la costruzione del trasformatore dovresti sempre seguire le tecniche di protezione del trasformatore.

Tipi di trasformatore basati sul livello di tensione

Un trasformatore può avere più tipi di costruzione. Il trasformatore non ha alcun collegamento elettrico da un lato all'altro; tuttavia, le due bobine elettricamente indipendenti possono condurre l'elettricità mediante flusso elettromagnetico. Un trasformatore può avere più bobine o avvolgimenti sia sul lato primario che su quello secondario. In molti casi, più lati primari, in cui due bobine sono collegate in serie, spesso chiamati come un centro maschiato. Questa condizione di filettatura centrale può essere vista anche sul lato secondario.

I trasformatori possono essere costruiti in modo da poter convertire il livello di tensione del lato primario in quello secondario. A seconda del livello di tensione, il trasformatore ha tre categorie. Trasformatore step down, step up e isolamento. Per il trasformatore di isolamento, il livello di tensione è lo stesso per entrambi i lati.

1. Trasformatore step-down

Il trasformatore step down è utilizzato sia nel settore dell'elettronica che in quello elettrico. Un trasformatore step-down converte il livello di tensione primaria in una tensione inferiore sull'uscita secondaria. Ciò si ottiene dal rapporto tra avvolgimento primario e secondario. Per i trasformatori step-down il numero di avvolgimenti è maggiore sul lato primario rispetto al lato secondario. Pertanto, il rapporto di avvolgimento complessivo del primario e del secondario rimane sempre superiore a 1.

Nell'elettronica, molte applicazioni funzionano a 5V, 6V, 9V, 12V, 24V o in alcuni casi 48V. Per convertire la tensione della presa di corrente monofase 230 V CA nel livello di bassa tensione desiderato, sono necessari trasformatori Step Down. Nella strumentazione così come in molti tipi di apparecchiature elettriche, il trasformatore step-down è il requisito principale per la sezione di potenza. Sono utilizzati anche negli adattatori di alimentazione e nei circuiti di ricarica dei telefoni cellulari.

In ambito elettrico, i trasformatori step-down vengono utilizzati nel sistema di distribuzione elettrica che funziona a tensione molto alta per garantire una soluzione economica e con perdite ridotte per requisiti di erogazione di potenza a lunga distanza. Per convertire l'alta tensione in una linea di alimentazione a bassa tensione, viene utilizzato il trasformatore step down.

2. Trasformatore Step-Up

Il trasformatore step-up è esattamente l'opposto del trasformatore step-down. Il trasformatore elevatore aumenta la bassa tensione primaria ad una alta tensione secondaria. Anche in questo caso si ottiene dal rapporto tra il rapporto dell'avvolgimento primario e secondario. Per il trasformatore Step Up, il rapporto tra avvolgimento primario e avvolgimento secondario rimane inferiore a 1. Ciò significa che il numero di giri nell'avvolgimento secondario è maggiore dell'avvolgimento primario.

In elettronica, trasformatori elevatori spesso utilizzati in stabilizzatori, inverter, ecc. Dove la bassa tensione viene convertita in una tensione molto più alta.

Un trasformatore elevatore viene utilizzato anche nella distribuzione di energia elettrica. L'alta tensione è richiesta per l'applicazione relativa alla distribuzione di energia. Il trasformatore elevatore viene utilizzato nella rete per aumentare il livello di tensione prima della distribuzione.

3. Trasformatore di isolamento

Il trasformatore di isolamento non converte alcun livello di tensione. La tensione primaria e la tensione secondaria di un trasformatore di isolamento rimangono sempre le stesse. Questo perché il rapporto tra avvolgimento primario e secondario è sempre uguale a 1. Ciò significa che il numero di spire nell'avvolgimento primario e secondario è lo stesso nel trasformatore di isolamento.

Il trasformatore di isolamento viene utilizzato per isolare il primario e il secondario. Come discusso in precedenza, il trasformatore non ha collegamenti elettrici tra primario e secondario, viene utilizzato anche come barriera di isolamento dove la conduzione avviene solo con il flusso magnetico. Viene utilizzato per motivi di sicurezza e per annullare il trasferimento del rumore dal primario al secondario o viceversa.

Tipi di trasformatore basati sul materiale del nucleo

Il trasformatore trasferisce l'energia conducendo il flusso elettromagnetico attraverso un materiale di base. Materiali di base diversi producono densità di flusso diverse. A seconda dei materiali del nucleo, vengono utilizzati diversi tipi di trasformatori nel dominio dell'alimentazione e dell'elettronica.

1. Trasformatore con anima in ferro

Il trasformatore con nucleo in ferro utilizza più piastre di ferro dolce come materiale di base. A causa delle eccellenti proprietà magnetiche del ferro, il collegamento del flusso del trasformatore con nucleo di ferro è molto alto. Pertanto, anche l'efficienza del trasformatore con nucleo di ferro è elevata.

Le piastre con anima in ferro dolce possono essere disponibili in più forme e dimensioni. Le bobine della ferita primaria e secondaria o avvolte su una bobina. Successivamente, il formatore di bobine viene montato su piastre con anima in ferro dolce. A seconda delle dimensioni e delle forme del nucleo, sul mercato è disponibile un diverso tipo di piastre del nucleo. Poche forme comuni sono E, I, U, L, ecc. Le piastre di ferro sono sottili e più piastre sono raggruppate insieme per formare il nucleo effettivo. Ad esempio, i nuclei di tipo E sono realizzati con piastre sottili con l'aspetto della lettera E.

I trasformatori con nucleo in ferro sono ampiamente utilizzati e solitamente più pesanti in termini di peso e forma.

2. Trasformatore con nucleo in ferrite

Un trasformatore con nucleo in ferrite utilizza un nucleo in ferrite a causa dell'elevata permeabilità magnetica. Questo tipo di trasformatore offre perdite molto basse nell'applicazione ad alta frequenza. Per questo motivo, i trasformatori con nucleo di ferrite vengono utilizzati in applicazioni ad alta frequenza come alimentatori switching (SMPS), applicazioni relative a RF, ecc.

I trasformatori con nucleo di ferrite offrono anche un diverso tipo di forme e dimensioni a seconda dei requisiti dell'applicazione. Viene utilizzato principalmente nell'elettronica piuttosto che nell'applicazione elettrica. La forma più comune nel trasformatore con nucleo di ferrite è il nucleo E.

3. Trasformatore toroidale

Il trasformatore con nucleo toroidale utilizza materiale del nucleo a forma di toroide, come nucleo di ferro o nucleo di ferrite. I toroidi sono materiali del nucleo a forma di anello o ciambella e ampiamente utilizzati per prestazioni elettriche superiori. A causa della forma dell'anello, l'induttanza di dispersione è molto bassa e offre un'induttanza e fattori Q molto elevati. Gli avvolgimenti sono relativamente corti e il peso è molto inferiore rispetto ai trasformatori tradizionali con la stessa potenza.

4. Trasformatore Air Core

Il trasformatore Air Core non utilizza alcun nucleo magnetico fisico come materiale del nucleo. Il collegamento del flusso del trasformatore aria-nucleo è realizzato interamente utilizzando l'aria.

Nel trasformatore con nucleo in aria, la bobina primaria è alimentata con corrente alternata che produce un campo elettromagnetico attorno ad essa. Quando una bobina secondaria viene posta all'interno del campo magnetico, secondo la legge di Faraday di induzione, la bobina secondaria viene indotta con un campo magnetico che viene ulteriormente utilizzato per alimentare il carico.

Tuttavia, il trasformatore con nucleo in aria produce una bassa induttanza reciproca rispetto al materiale del nucleo fisico come il nucleo di ferro o ferrite.

Viene utilizzato nell'elettronica portatile e nelle applicazioni relative alla radiofrequenza. A causa dell'assenza di materiale di base fisico, è molto leggero in termini di peso. Trasformatore a nucleo d'aria adeguatamente sintonizzato utilizzato anche nelle soluzioni di ricarica wireless, in cui gli avvolgimenti primari sono costruiti all'interno del caricatore e gli avvolgimenti secondari sono situati all'interno del dispositivo mirato.

Tipi di trasformatore basati sulla disposizione dell'avvolgimento

Il trasformatore può essere classificato utilizzando gli ordini di avvolgimento. Uno dei tipi più diffusi è il trasformatore ad avvolgimento automatico.

Trasformatore ad avvolgimento automatico

Fino ad ora, l'avvolgimento primario e secondario sono fissi ma nel caso di un trasformatore ad avvolgimento automatico, la bobina primaria e secondaria possono essere collegate in serie e il nodo centrale è mobile. A seconda della posizione di presa centrale, la tensione secondaria può essere variata.

L'auto non è l'abbreviazione di Automatico; piuttosto è per notificare l'auto o la singola bobina. Questa bobina forma un rapporto che consiste di due parti, primaria e secondaria. La posizione del nodo di presa centrale determina il rapporto primario e secondario variando così la tensione di uscita.

L'utilizzo più comune è il V ARIAC, uno strumento per produrre AC variabile da un ingresso AC costante. Viene anche utilizzato nella trasmissione di potenza e nelle applicazioni relative alla distribuzione in cui è necessario cambiare frequentemente le linee ad alta tensione.

Tipi di trasformatori basati sull'utilizzo

Sono disponibili anche diversi tipi di trasformatori che funzionano in un dominio specifico. Sia nel settore elettronico che in quello elettrico, diversi trasformatori dedicati vengono utilizzati come trasformatori step-down o step-up in base all'applicazione dell'applicazione. Quindi, i trasformatori possono essere classificati come di seguito in base all'utilizzo:

1. Power Domain

• Trasformatore di potenza
• Trasformatore di misura
• Trasformatore di distribuzione

2. Dominio dell'elettronica

• Trasformatore di impulsi
• Trasformatore di uscita audio

1. Trasformatori utilizzati nel dominio Power

In Electrical, il dominio Power si occupa della generazione, misurazione e distribuzione di energia. Tuttavia, è un campo molto vasto in cui i trasformatori sono una parte essenziale per consentire una conversione sicura dell'alimentazione e un'erogazione di potenza efficace alla sottostazione e agli utenti finali.

I trasformatori utilizzati nel dominio dell'alimentazione possono essere sia esterni che interni, ma principalmente esterni.

(a) Trasformatore di potenza

I trasformatori di potenza sono di dimensioni maggiori e vengono utilizzati per trasferire l'energia alla sottostazione o alla rete elettrica pubblica. Questo trasformatore funge da ponte tra il generatore di corrente e la rete di distribuzione primaria. A seconda della potenza e delle specifiche, i trasformatori di potenza possono essere ulteriormente classificati in tre categorie: trasformatori di piccola potenza, trasformatori di potenza media e trasformatori di potenza grandi. La potenza può essere superiore a 30KVA per 500-700KVA o in alcuni casi può essere uguale o superiore a 7000KVA per trasformatore di potenza nominale piccolo. Il trasformatore di potenza nominale medio può arrivare a 50-100 MVA, mentre i trasformatori di potenza nominale di grandi dimensioni sono in grado di gestire più di 100 MVA.

A causa dell'elevata generazione di energia, anche la costruzione di un trasformatore di potenza è fondamentale. La costruzione include solide periferiche isolanti e un sistema di raffreddamento ben bilanciato. I trasformatori di potenza più comuni sono riempiti di oli.

Il principio principale del trasformatore di potenza è convertire la corrente ad alta tensione a bassa tensione in una corrente a bassa tensione ad alta tensione. Ciò è necessario per ridurre al minimo la perdita di potenza nel sistema di distribuzione dell'alimentazione.

Un altro parametro importante per il trasformatore di potenza è la disponibilità di fase. Tipicamente i trasformatori di potenza funzionano in sistemi trifase, ma in alcuni casi vengono utilizzati anche trasformatori di piccola potenza monofase. I trasformatori di potenza trifase sono i più costosi ed efficienti dei trasformatori di potenza monofase.

(b) Trasformatore di misura

Il trasformatore di misura viene spesso definito trasformatore di misura. Questo è un altro strumento di misura comunemente usato nel dominio della potenza. Un trasformatore di misura viene utilizzato per isolare l'alimentazione principale e convertire la corrente e la tensione in un rapporto inferiore alla sua uscita secondaria. Misurando l'uscita, è possibile misurare la fase, la corrente e la tensione della linea di alimentazione effettiva.

L'immagine sopra mostra la costruzione del trasformatore di corrente.

(c) Trasformatore di distribuzione

Viene utilizzato nell'ultima fase del sistema di distribuzione dell'energia. I trasformatori di distribuzione sono trasformatori step-down, che converte l'alta tensione di rete nella tensione richiesta dal cliente finale, 110 V o 230 V. Può anche essere monofase o trifase.

I trasformatori di distribuzione possono essere sia più piccoli che più grandi, a seconda della capacità di conversione o dei valori nominali.

I trasformatori di distribuzione possono essere ulteriormente classificati in base al tipo di isolamento utilizzato. Può essere del tipo secco o può essere immerso in un liquido. È realizzato utilizzando piastre in acciaio laminato per lo più costruite a forma di C come materiale di base.

Il trasformatore di distribuzione ha anche un diverso tipo di classificazione in base alla posizione in cui viene utilizzato. Il trasformatore può essere montato su un palo di servizio, in tal caso viene chiamato trasformatori di distribuzione montati su palo. Può essere posizionato all'interno di una camera sotterranea, montato su una piattaforma di cemento (trasformatore di distribuzione montato su piastra) o all'interno di una scatola di acciaio chiusa.

Generalmente, i trasformatori di distribuzione hanno una potenza nominale inferiore a 200kVA.

2. Il trasformatore utilizzato nel dominio dell'elettronica

Nell'elettronica vengono utilizzati vari piccoli trasformatori miniaturizzati che possono essere montati su PCB o fissati all'interno della custodia del prodotto di piccole dimensioni.

(a) Trasformatore di impulsi

I trasformatori di impulsi sono uno dei trasformatori montati su PCB più utilizzati che producono impulsi elettrici in un'ampiezza costante. Viene utilizzato in vari circuiti digitali in cui è necessaria la generazione di impulsi in un ambiente isolato. Pertanto, i trasformatori di impulsi isolano il primario e il secondario e distribuiscono gli impulsi primari al circuito secondario, spesso porte logiche digitali o driver.

Trasformatori di impulsi costruiti correttamente dovrebbero richiedere un adeguato isolamento galvanico, nonché piccole perdite e capacità parassite.

(b) Trasformatore di uscita audio

Audio Transformer è un altro trasformatore comunemente usato nel dominio dell'elettronica. Viene utilizzato specialmente nelle applicazioni relative all'audio in cui è richiesta la corrispondenza dell'impedenza. Il trasformatore audio bilancia il circuito e i carichi dell'amplificatore, tipicamente un altoparlante. Il trasformatore audio può avere più bobine primarie e secondarie, separate o con presa centrale.

Quindi abbiamo coperto vari tipi di trasformatori, oltre a questo ci sono altri trasformatori per scopi speciali ma sono fuori dallo scopo di questo articolo.