fEste artigo tem como finalidade, ensinar o leitor a fabricar transformadores para uso diversos. Às vezes não encontramos no mercado transformadores com voltagens especiais ou quando encontramos, o custo é muito elevado. Para fabricarmos um transformador, é preciso primeiro determinar as características do trafo que precisamos, e ai fazer os cálculos para a fabricação. Bem, primeiro vamos saber o que é um campo magnético e como funciona a indução eletromagnética para que o leitor entenda como funciona um transformador.
Campo magnético e indução eletromagnética
Um campo magnético possui duas propriedades distintas, a primeira, de atrair e repelir substâncias magnéticas (ferro,cobalto e níquel) e a segunda, de indução, sendo que o mesmo pode ser natural ou artificial. Natural: Quando gerado por um imã natural na tural (magnetita) ou por fenômenos elétricos atmosféricos. Artificial: Gerado pela interferência humana, e conhecido como campo eletromagnético. Neste artigo vamos trabalhar com a propriedade de indução de um campo eletromagnético, pois a finalidade aqui é de ensinar como se fabrica um transformador. Toda corrente elétrica gera um campo magnético de igual intensidade i ntensidade desta, ou vice-versa, portanto podemos com um campo magnético ma gnético também gerar uma corrente elétrica e este fenômeno acontece pelo processo que denominamos de indução eletromagnética. Um transformador é um equipamento que através da indução eletromagnética, efetua a transformação da voltagem, tanto para maior quanto para menor.
O transformador recebe denominações: nuclear ou encouraçado de acordo com sua estrutura, trifásico, bifásico ou monofásico de acordo com suas fases, de alta ou baixa tensão de acordo com suas voltagens. Regulador de tensão, isolador de corrente ou simplesmente transformador de voltagens de acordo com suas finalidades. Nas figuras abaixo, temos um transformador tipo nuclear (fig 01) e tipo encouraçado (fig 02), ambos com duas bobinas, bobinas, uma calculada para 220 volts e outra para 12 volts ou seja, se aplicamos 220 volts no enrolamento primário, teremos 12 volts no secundário. O inverso também é verdadeiro, se aplicamos 12 volts no no enrolamento secundário, teremos 220 volts no primário, neste caso estes transformadores tem a finalidade simplesmente de transformar transfor mar a voltagem tanto para mais quanto para menos. Um transformador pode ter varias voltagens tanto no enrolamento (bobina) primário quanto no enrolamento (bobina) secundário. A voltagens em uma das bobina é diretamente proporcional ao numero de espiras em relação a outra bobina ou seja, se no secundário ao invés de 16 espiras, tivermos 150, teremos 110 volts ao invés de 12.
A diferença entre ambos esta somente na estrutura, um tem uma janela e duas pernas onde estão as duas dua s bobinas e o outro, duas janelas e três pernas com as duas bobinas enroladas na perna central. Para projetarmos um transformador, é necessário primeiro definir o tipo e a finalidade do mesmo, se para uso como estabilizador, isolador de corrente ou simplesmente como transformador de voltagem
Definindo o seu uso, vamos definir as voltagens dos enrolamentos, se os mesmos serão de uso contínuo ou intermitente e qual a potencia que necessitamos. Definindo estes dados, vamos fazer nosso projeto calculando a bitola do fio, numero de espiras de cada bobina, sessão em mm² do ferro silício etc.. Ver nas figuras 3 e 4, onde são determinadas as medidas proporcionais do ferro silício, nos dois tipos de transformadores:
No tipo de trafo cfe. fig 03 (atômoco), as quatro pernas do mesmo devem ter medidas iguais (A), e a medida da base da janela (C), não deve ultrapassar o dobro da altura (H). Já o tipo cfe. fig 04 (encouraçado), tanto as pernas laterais quanto as superiores e inferiores (A) devem ter as mesmas medidas, a perna
central de ter o dobro da medida (2A),
Neste artigo, trabalharemos com o tipo encouraçado, pois o tipo atômico não é muito usado. Encontraremos com facilidade no mercado, as chapas de ferros silício para fabricação do transformador tipo encouraçado conforme figura nº 04 Vamos determinar as características do transformador que queremos fabricar, e executar os cálculos de acordo com as mesmas.
Voltagens de entrada: ------------------------------------------ 110 + 110 volts
Voltagens de saída:-----------------------------saída:------------------------------------------------------------- 12 + 12, 9, 6, 5 volts Potencias de saída para cada voltagem-----------------------
5A
Freqüência de operação------------------------------------------- 60 hz Primeiro vamos calcular as potencias dos secundários: c) - P² = I² x E² = 5 x 12 = 60 W d) - P² = I² x E² = 5 x 12 = 60 W secundário em watts
P² = potencia do
e) - P² = I² x E² = 5 x 9 = 45 W secundário em ampér
I² = corrente do
f) - P² = I² x E² = 5 x 6 = 30 W secundário em volts
E² = tensão do
g) - P² = I² x E² = 5 x 5 = 25 W Total das potencias dos secundários: 60 + 60 + 45 + 30 + 25 = 220 W
Como todo o transformador tem perdas através do ferro e do aquecimento, vamos considerar seu rendimento em 80%., portanto: U = 80% = 80 / 100 = 0,8 A potencia do primário será de : P¹ = P² / U = 220 / 0,8 = 275 W P¹ = potencia do primário em watts U = fator de rendimento do transformador transformador Vimos que teremos que fabricar o primário para 275 watts para que possamos ter no secundário os 220 watts desejados, já considerando as perdas com o ferro e com o aquecimento do mesmo. Obs:
Primário denomina-se o enrolamento que vai receber a energia
elétrica.
Secundário denomina-se o enrolamento que vai fornecer a energia
elétrica.
Depois de fabricado este trafo (transformador), se invertermos o primário pelo secundário ou seja: Usar como entrada 9 volts no enrolamento apropriado e a saída de 220 volts. Neste caso o primário será de 9 V e o secundário de 220 V. P¹ = P² x U = 45 x 0,8 = 36 watts, portanto teremos um secundário com 36 W no total. Podemos notar que um transformador transfere a potencia potencia do primário para o secundário com perda. Prosseguindo, vamos calcular a corrente dos dos enrolamentos primários: a) - I¹ = P¹ / E¹ = 275 / 110 =
2,5 A
b) - I¹ = P¹ / E¹ = 275 / 220 = 1,25 A Então temos as seguintes correntes para os enrolamentos: a) = 2,5 A
b) = 1,25 A e c,d,e,f,g = 5 A
Vamos calcular a bitola dos fios para todos os enrolamentos: Para fazermos estes cálculos, precisamos determinar a quantidade quan tidade de corrente que poderá passa por mm² da secção do fio, sem que o mesmo esquente acima do normal. Para transformadores com trabalho de 24 hs por dia e com pouca ventilação consideramos 1 A/mm² e para transformadores com trabalho descontínuo e com boa ventilação consideramos 2 A/mm². Em nosso caso vamos considerar meio termo ou seja 1,5 A/mm², então temos: a) - S¹ = I¹ / 1,5 = 2,5 / 1,5 = 1,66 mm² = fio esmaltado 15 AWG
b) - S¹ = I² / 1,5 = 1,25 / 1,5 = 0,83 mm² = fio esmaltado 18 AWG c) - d) - e) - f) - S² = I² / 1,5 = 5 / 1,5 = 3,33 mm² = fio esmaltado 12 AWG Portanto o enrolamento primário para 110/220 V será enrolado metade com fio 15 AWG e metade com fio 18 AWG, isto para economia no valor do fio, sem alterar a capacidade e qualidade do trafo.
Ex:
Vamos calcular o numero de espiras de cada enrolamento, mas para isto precisamos calcular primeiro a secção do núcleo do trafo ou seja: S = raiz quadrada do total do P¹: = 16,58 cm² aprox.
S = raiz quadrada de 275
S
Portanto precisamos de uma determinada quantidade de chapa c hapa de ferros silício para que possamos ter a secção s ecção de 17 cm²(arredondando o valor achado).
Esta secção refere-se a perna central da ferragem do trafo cfe. figura nº 4 letra 2ª. Vamos determinar a quantidade de chapas que precisamos para um núcleo de 17 cm² em um trafo tipo encouraçado. Como área é altura (A) x largura(L), vamos v amos considerar uma chapa padrão com largura largura de 33 mm, e espessura de 0,3556 mm (chapa nº nº 29), precisamos determinar a altura para sabermos quantas chapas precisamos ou seja: A=S/L
A = 17 cm / 3,3 cm (33mm)
A = 5,15 cm
A altura do núcleo que precisamos é de 5,15 cm ou 51,5 mm, portanto dividindo a altura pela espessura teremos a quantidade de chapas de ferro silício. 51,5mm / 0,3556mm = 144,8 precisaremos de 149 chapas de ferro silício. Obs: O ideal é um núcleo quadrado, portanto podemos aumentar um pouco uma das medidas para ficarmos perto do ideal. Nosso núcleo ficou com 5,1 x 3,3 cm, podemos escolher uma chapa de ferro silício um pouco acima de 3,3 cm ou seja com 4,1 cm de largura para aproximar mais o núcleo de um quadrado. Ex: 17 cm / 4,1 cm = 4,1 cm, neste caso iremos precisar de 115 chapas cfe, cálculo abaixo: 41mm / 0,3556 = 115,2 Agora só falta o numero de espiras para fabricarmos nosso transformador, então vamos aos cálculos: Usando a fórmula fórmula mais simples: N = G x (E / S). N = num. num. de espiras G = uma uma constante cfe. tabela a baixo E = tensão S = área do núcleo núcleo Tabela da constante
f = 25hz-----------G = 77,4
f = 50hz-----------G = 58 f = 55hz-----------G = 52,2 f = 60hz-----------G = 48,4
Vamos calcular o numero de espiras do primário: N = 48,4 x (220 / 17)
N = 48,4 x 12,9
N = 625
Podemos usar também a fórmula do numero de espiras por volt: J=G/S j = num. de espiras por volt hz S = área do núcleo J = 48,4 / 17
G = constante para 60
j = 2,84 espiras por volt
2,84 x 220 = 626 espiras O enrolamento primário do nosso trafo terá duas etapas com 313 espiras cada, sedo uma com fio 15 AWG e outra com fio 18 AWG, ficando a emenda entre as duas, para entrada de 110 volts e as pontas para 220 volts. O demais enrolamento terá: c e d = 2,84 x 12 = 34 espiras cada secundários terão todos e = 2,84 x 9 = 26 espiras AWG
Os enrolamentos fio esmaltados 12
f = 2,84 x 6 = 17 espiras g = 2,84 x 5 = 14 espiras
Bem, recapitulando a matéria, para um transformador com primário de 110/220 volts e secundários de 12 + 12 volts com 60 W , 9 volts com 45 W , 6 volts com 35 W e 5 volts com 25 W, teremos:
Uma ferragem será com 115 chapas de ferro silício para transformador tipo encouraçado tendo as medidas da perna central com largura aproximada de 4,1 cm e espessura de aproximadamente de o,3556 mm, com um núcleo de aproximadamente 17 1 7 cm² de secção, tendo os enrolamentos primários 313 espiras cada , sendo um com fio esmaltado 15 AWG e o outro com fio esmaltado 18 AWG, tendo na emenda entre eles uma derivação para 110 volts. Obs: a voltagem de 110 entrará sempre no enrolamento com fio 15 AWG, e 220 na soma dos dois. Para melhorar a qualidade deste trafo, daremos uma demão de esmalte isolante em todas as chapas de ferro silício e isolaremos cada camada dos enrolamentos com um papel isolante de 0,1mm sendo que entre o primário e o secundário uma camada isolante de 0,2mm. No acabamento final de todos os enrolamentos, para proteger as pontas dos mesmos que ficarão externas, passaremos uma fita autoadesiva de papel isolante de 0,4mm. Podemos dar um banho de esmalte isolante isol ante no trafo depois de pronto. Abaixo esquema demonstrativo dos enrolamentos e trafo finalizado :
Para quaisquer outros valores é só seguir os cálculos e orientações contidas nesta matéria.
