Trasformatori: principio di funzionamento e utilizzo
Il trasformatore trasferisce energia elettrica tra due o più avvolgimenti attraverso un campo magnetico variabile. Permette di aumentare o diminuire una tensione alternata, adattare impedenze e creare isolamento galvanico. In questa guida vediamo primario e secondario, rapporto di spire, corrente, potenza apparente, perdite, saturazione del nucleo e criteri pratici di scelta.
Che cos’è un trasformatore?
Un trasformatore è un dispositivo elettromagnetico statico che trasferisce energia da un circuito a un altro attraverso un flusso magnetico variabile. Nei trasformatori classici non esiste un collegamento elettrico diretto tra primario e secondario.
Trasforma tensione
Può aumentare o ridurre una tensione alternata.
Trasferisce energia
La potenza passa attraverso il campo magnetico del nucleo.
Isola
Primario e secondario possono essere galvanicamente separati.
Primario, secondario e nucleo magnetico
| Parte | Funzione |
|---|---|
| Primario | Avvolgimento collegato alla sorgente. |
| Secondario | Avvolgimento che fornisce energia al carico. |
| Nucleo | Guida il flusso magnetico e migliora l’accoppiamento. |
Principio di funzionamento
Una tensione alternata applicata al primario produce una corrente magnetizzante e quindi un flusso magnetico variabile nel nucleo. Questo flusso concatena anche il secondario.
La variazione del flusso genera una forza elettromotrice negli avvolgimenti. Il trasformatore sfrutta quindi l’induzione elettromagnetica.
Legge di Faraday
Più rapidamente varia il flusso o maggiore è il numero di spire, maggiore è la tensione indotta. Il segno negativo esprime la legge di Lenz: la tensione indotta si oppone alla variazione che la genera.
Rapporto di spire e rapporto di tensione
In un trasformatore ideale la tensione è proporzionale al numero di spire.
V2 = 230 × (100 / 1.000) = 23 V.
Rapporto di corrente
In un trasformatore ideale la potenza in ingresso e quella in uscita sono uguali. Di conseguenza, se la tensione scende, la corrente disponibile può aumentare.
Potenza apparente e VA
I trasformatori AC vengono spesso specificati in voltampere (VA).
S = 12 × 2 = 24 VA.
Trasformatore elevatore e riduttore
| Tipo | Rapporto spire | Effetto |
|---|---|---|
| Riduttore | N2 < N1 | V2 < V1 |
| Elevatore | N2 > N1 | V2 > V1 |
| 1:1 | N2 ≈ N1 | V2 ≈ V1, utile per isolamento. |
Isolamento galvanico
Se primario e secondario sono avvolgimenti elettricamente separati, il trasformatore crea isolamento galvanico. È una caratteristica fondamentale in molti alimentatori e strumenti.
Perché la frequenza è importante?
Dimensioni del nucleo e numero di spire dipendono fortemente dalla frequenza. A 50 Hz servono trasformatori molto più grandi rispetto a quelli usati a decine o centinaia di kHz negli alimentatori switching.
Tipi di nucleo
Lamierini EI
Classici trasformatori di rete a 50/60 Hz.
Toroidale
Compatto, basso flusso disperso e buon rendimento.
Ferrite
Usata soprattutto ad alta frequenza negli switching.
Perdite e rendimento reale
Un trasformatore reale dissipa parte dell’energia.
| Perdita | Origine |
|---|---|
| Perdite nel rame | Resistenza degli avvolgimenti, I²R. |
| Isteresi | Energia persa nei cicli di magnetizzazione del nucleo. |
| Correnti parassite | Correnti indotte nel materiale magnetico. |
| Flusso disperso | Parte del flusso non concatena entrambi gli avvolgimenti. |
| Perdite addizionali | Effetto pelle, prossimità, vibrazioni, capacità parassite. |
Saturazione del nucleo
Il nucleo può gestire soltanto una densità di flusso limitata. Se viene spinto oltre la propria zona utile, entra in saturazione e l’induttanza magnetizzante crolla.
Tensione a vuoto e tensione sotto carico
Un trasformatore reale può fornire a vuoto una tensione secondaria maggiore del valore nominale. Quando colleghiamo il carico, resistenza degli avvolgimenti e flussi dispersi causano una caduta.
Autotrasformatore: perché è diverso?
L’autotrasformatore usa un unico avvolgimento con una o più prese intermedie. Una parte delle spire è comune a ingresso e uscita.
Applicazioni pratiche dei trasformatori
Riduzione della rete prima di raddrizzatore e regolatore.
Trasferimento di energia ad alta frequenza con isolamento.
Adattamento di impedenza e isolamento.
Trasformatori di corrente e tensione.
Magnetics Ethernet per isolamento e accoppiamento.
Accensione, inverter e applicazioni specialistiche.
Come scegliere un trasformatore
| Parametro | Cosa controllare |
|---|---|
| Tensione primaria | Compatibilità con la sorgente. |
| Tensione secondaria | Valore RMS richiesto a carico. |
| VA | Potenza apparente sufficiente per il carico. |
| Frequenza | 50/60 Hz oppure alta frequenza secondo progetto. |
| Isolamento | Tensione di isolamento e classe di sicurezza. |
| Numero secondari | Singolo, doppio, presa centrale, avvolgimenti separati. |
| Regolazione | Caduta di tensione tra vuoto e pieno carico. |
| Temperatura | Classe termica e condizioni ambientali. |
| Montaggio | PCB, chassis, toroidale, incapsulato. |
Sicurezza con i trasformatori di rete
Un trasformatore collegato direttamente alla rete richiede cablaggi, fusibili, distanze di isolamento, materiali e contenitore adatti alla tensione utilizzata.