Che cos'è un trasformatore?

Un trasformatore classico viene utilizzato per trasformare una tensione elettrica alternata (tensione primaria) in un'altra tensione alternata (tensione secondaria) . Le tensioni primarie e secondarie non sono elettricamente collegate tra loro. L'esperto parla di separazione galvanica tra il lato primario e quello secondario. Nel caso più semplice, un trasformatore è costituito da una bobina primaria, un nucleo di ferro e una bobina secondaria. Le due bobine sono composte ciascuna da un avvolgimento di filo di rame, che è stato dotato di uno strato di vernice per l'isolamento. Trasformatore con bobina primaria (P) e bobina secondaria (S) ben visibili. Trasformatore di rete con tensione di uscita 9 V e 12 V. A seconda della progettazione e dell'uso previsto, la tensione secondaria può essere inferiore, uguale o superiore alla tensione primaria. Il livello della tensione di uscita è determinato dal rapporto dei giri(numero di avvolgimenti) tra bobina primaria e secondaria. La quantità di potenza che il trasformatore può trasmettere dipende dalla sezione del filo di rame utilizzato. Per l'adattamento della tensione, gli avvolgimenti primario e secondario possono essere dotati di perni di bloccaggio. In questo modo un trasformatore di rete con una bobina secondaria può emettere tensioni diverse.

A cosa servono i trasformatori?

• Per la trasmissione di potenza
  Più corrente scorre su un conduttore, maggiori sono le perdite sulla linea. Il motivo è la resistenza del conduttore. Per ridurre le perdite di conduzione si potrebbe teoricamente aumentare la sezione del conduttore. Ciò non viene fatto, in quanto i cavi diventano molto costosi a causa dell'elevato fabbisogno di materiale. È meglio aumentare la tensione con l'aiuto di un trasformatore prima della trasmissione. Questo è esattamente ciò che viene fatto in pratica ed è per questo motivo che i cavi di collegamento funzionano con tensioni estremamente elevate di diverse migliaia di volt. Usando la formula della potenza, i fatti sono facili da capire:

P = U x I Se la tensione (U) nella centrale elettrica viene trasformata di un fattore di 1.000, la corrente (I) diminuisce di un fattore di 1.000 a parità di potenza (P). La potenza dissipata, che viene calcolata secondo la formula P = I² x R (corrente² x resistenza di linea), è quindi solo 1/1.000.000 del valore senza trasformazione. In questo modo l'energia elettrica può essere trasmessa in tutto il paese. Sul lato ricevitore nelle stazioni di trasformazione e nelle sottostazioni la alta tensione viene trasformata da diverse migliaia di volt ad una tensione di 230 V, che è usuale per la rete elettrica pubblica . I cavi di collegamento sono alimentati a 10.000 V fino a 380.000 V.

• Per l'adattamento della tensione
  Anche negli alimentatori a spina vengono utilizzati trasformatori. Per lampade, apparecchi di riscaldamento, utensili elettrici o utensili da cucina, la tensione di alimentazione di 230 V è perfetta. Grazie all'elevata tensione, i cavi "sottili" con 1,5 - 2,5 mm² sono perfettamente sufficienti per l'installazione elettrica domestica. Tuttavia, per altri dispositivi come radio, impianti stereo, computer, stampanti e altri piccoli dispositivi, la tensione di 230 V è troppo alta. Per questo motivo, per l'adattamento della tensione sono necessari alimentatori in cui anche i trasformatori trovano impiego nelle più svariate versioni. Gli alimentatori possono essere installati nel dispositivo o integrati anche esternamente tra il dispositivo e la spina nella linea elettrica.

• Per la trasmissione del segnale
  Se i segnali provenienti da un circuito devono essere trasmessi ad un altro circuito , vengono utilizzati anche i trasformatori , o meglio i convertitori . L'esempio classico è una sorgente luminosa. I segnali acustici, che vengono intercettate all'uscita dell'altoparlante, devono azionare interruttori elettronici (tiristori) che che controllano la luce al ritmo della musica. Tuttavia, le lampade della sorgente luminosa sono collegate direttamente alla rete da 230 V. Per motivi di sicurezza, tuttavia, non è consentito che il potenziale di rete venga trasferito all'impianto stereo. È necessario un isolamento galvanico. Per questo motivo gli impulsi dell'uscita dell'altoparlante sono commutati sulla bobina primaria del trasformatore. La bobina secondaria genera quindi gli impulsi per l'azionamento delle lampade. Il blocco nero sul lato sinistro della scheda è il dispositivo di trasmissione.

Come funziona un trasformatore

La struttura di questo trasformatore di isolamento mostra chiaramente il principio di funzionamento. Se viene applicata una tensione alla bobina sul lato primario, la bobina primaria crea un campo magnetico all'accensione. Questo campo magnetico viene impacchettato e rinforzato dal nucleo di ferro. Nel breve momento in cui la bobina primaria costruisce il campo magnetico, la forza del campo magnetico aumenta dal valore zero al massimo. In questo momento nella bobina secondaria viene generata una tensione sotto forma di un picco di impulso (indotto). Se si collega una tensione continua alla bobina primaria, la corrente che scorre attraverso la bobina primaria genera un campo magnetico costante e potente, che non cambia. In questo modo non è più possibile misurare altre tensioni sulla bobina secondaria oltre al breve impulso di accensione. Il motivo è che la bobina secondaria attiva una tensione solo quando la forza del campo magnetico cambia. Per questo motivo i trasformatori non funzionano con tensione continua. Devono essere azionati con una tensione alternata. Con una tensione AC sinusoidale, ad esempio dall'alimentazione pubblica, il valore istantaneo della tensione oscilla continuamente avanti e indietro tra i due valori di picco. Di conseguenza, il campo magnetico generato dalla bobina primaria cambia in modo continuamente . In questo modo la bobina secondaria può provocare una tensione secondaria in modo permanente. In alternativa alla tensione alternata, i trasformatori possono essere azionati anche con una tensione continua (tensione continua, che si accende e si spegne a ritmo veloce).

Qual è la differenza tra trasformatore di rete e alimentatore?

Un trasformatore di rete viene alimentato sul lato primario con una tensione CA (ad es. 230 V dalla rete di alimentazione pubblica) ed emette una tensione CA alla bobina secondaria ad un livello determinato dalla sua costruzione, ad es. di 12 V. A seconda della progettazione, i trasformatori sono progettati per l'installazione o dispongono di un proprio alloggiamento con le possibilità di collegamento necessarie.

Un alimentatore funziona anche con una tensione alternata, ma oltre al trasformatore di rete comprende anche un raddrizzatore (BGR) e un condensatore (C). Per questo motivo, gli alimentatori di solito emettono una tensione ad un livello approssimativamente costante (tensione continua). Per garantire che la tensione di uscita sia  sempre alta con carichi diversi, molti alimentatori sono inoltre dotati di una stabilizzazione della tensione. Trasformatore di rete (figura superiore) e alimentatore (figura inferiore).

Che cos'è un trasformatore elettronico?

Questo trasformatore da 70 W è piccolo 11 x 5,5 x 3,5 cm e leggero solo 120 g.

Con la tensione di rete comune di 230 V/50 Hz, nell'impianto elettrico vengono generate 50 onde sinusoidali al secondo. Oggettivamente, questo è abbastanza veloce se la tensione e quindi anche la direzione della corrente viene invertita 100 volte al secondo . Nell'elettronica, tuttavia, la frequenza di 50 Hz è infinitamente lenta. Per questo motivo, se si desidera trasformare tensioni ad alte prestazioni, è necessario un grande, spessore e trasformatori pesanti. Per risparmiare materiale, peso, spazio e denaro , gli sviluppatori pieni di risorse hanno avuto l'idea di controllare trasformatori molto più velocemente . Per fare questo, basta trasformare dalla tensione di rete di 230 V alla tensione continua. Questa tensione continua viene commutata sulla bobina primaria di un trasformatore con un interruttore elettronico alla frequenza desiderata di diverse migliaia di Hertz .  Poiché questo trasformatore funziona con una frequenza molto più elevata, è molto più piccolo, più leggero e meno costoso a parità di potenza rispetto al suo partner a 50 Hz.

Implementazione pratica:
Lo schema elettrico qui accanto mostra in forma semplificata l'implementazione tecnica di un trasformatore elettronico. Tramite il raddrizzatore a ponte (BGR), dalla tensione alternata di 230 V si ottiene una tensione continua di circa 320 V. Questo viene livellato con l'aiuto dei due condensatori (C1 e C2) livello esterno. Ciascuno dei due condensatori si carica a circa 160 V (mezza tensione continua).

I due interruttori elettronici (S1) e (S2) sono controllati in modo da poter chiudere sempre solo uno dei due interruttori. Se in caso di errore entrambi gli interruttori si chiudono, il fusibile (SI) si attiva immediatamente. Se l'interruttore (S1) viene chiuso, (C2) si carica alla massima tensione di esercizio tramite la bobina superiore (bobina primaria) del trasformatore di rete (TR1). Allo stesso tempo, il condensatore (C1) si scarica tramite l'interruttore (S1) e il trasformatore di rete. In questa fase la corrente passa attraverso la bobina primaria da sinistra a destra. 

Schema di commutazione semplificato di un trasformatore elettronico.

Se (S1) è aperto e (S2) è chiuso, il condensatore (C1) può caricarsi alla tensione di esercizio completa e il condensatore (C2) viene scaricato. La corrente attraverso la bobina primaria scorre da destra a sinistra. La commutazione alternata viene ora ripetuta diverse 10.000 volte al secondo. In questo modo, nella bobina inferiore (bobina secondaria) viene generata la tensione (12 V) per le lampade collegate (L).

Quali sono i tipi di trasformatori di Conrad?

• Trasformatori di rete
  Trasformatore di rete classico con piastra angolare per il montaggio. I trasformatori di rete o trasformatore di rete vengono utilizzati per convertire la tensione di rete di 230 V in una tensione adatta al rispettivo dispositivo da alimentare. I trasformatori sono alloggiati o direttamente nel rispettivo dispositivo o in un alimentatore esterno o anche in un armadio di commutazione . Per le applicazioni industriali sono disponibili anche trasformatori di rete che possono essere utilizzati con tensioni di ingresso di 400 V o più. La scelta del trasformatore adatto, oltre alla tensione primaria e secondaria, deve essere tenuta in considerazione anche la potenza che il trasformatore deve avere. Per un alimentatore da 12 V con max. 3 A è possibile selezionare il trasformatore in base alla seguente formula: 12 V x 3 A = 36 VA x fattore 1,4 = 50 VA 
  A causa del fattore 1,4, il trasformatore di rete ha un massimo di Carico di utilizzo di circa il 70% . In questo modo non viene sovraccaricato anche con un carico massimo prolungato.

• Trasformatori di sicurezza 
  In combinazione con trasformatori di rete, il concetto di trasformatore di sicurezza o anche trasformatore di protezione è ancora in uso. Questi trasformatori soddisfano particolari caratteristiche di sicurezza e sono soggetti a condizioni di prova più rigorose. Grazie alle misure di sicurezza interne, i trasformatori sono a prova di cortocircuito e hanno un isolamento rinforzato. In questo modo si garantisce che anche in caso di guasto non possa verificarsi alcun collegamento elettrico di circuiti primario e secondario. Inoltre, i trasformatori di sicurezza sono spesso dotati di dispositivi di protezione o fusibili. Trasformatore di sicurezza con alloggiamento di protezione e fusibili.

• Trasformatori di comando
  I trasformatori di controllo vengono utilizzati nel settore industriale. I trasformatori di controllo vengono utilizzati nel settore dell'energia e dell'automazione e nella costruzione di armadi elettrici. I trasformatori di controllo garantiscono un'alimentazione affidabile di circuiti di controllo e di corrente ausiliaria e consentono, grazie alle formule aggiuntive, un adattamento perfetto alla rete elettrica locale. In caso di guasto, la corrente di cortocircuito nel circuito di controllo viene limitata e le interferenze generate dalla commutazione di carichi induttivi vengono ridotte. Ai trasformatori di controllo

• Trasformatori di alimentazione compatti
  I trasformatori di alimentazione compatti sono molto più di semplici trasformatori di rete tradizionali. Oltre al trasformatore sono integrati nella custodia anche il raddrizzatore e il condensatore elettrolitico di carica . In questo modo i trasformatori di alimentazione compatti non emettono tensione alternata, ma una tensione continua. Con Trasformatori di alimentazione compatti per la sperimentazione (vedi figura), diversi collegamenti di tensione CA sono condotti verso l'esterno. L'utente può decidere autonomamente se utilizzare il raddrizzatore interno e il condensatore elettrolitico di carica. I trasformatori di alimentazione compatti sono ideali per la sperimentazione e la progettazione. Ai trasformatori di alimentazione compatti

• Trasformatori per circuiti stampati
  Trasformatore da PCB con linguette di fissaggio laterali per il montaggio. Trasformatori da PCB o per schede sono preferibilmente utilizzati come 2>trasformatori principali per piccoli apparecchi che non hanno un fabbisogno energetico troppo elevato. I trasformatori sono incapsulati in alloggiamento in plastica e hanno collegamenti verso il basso. In questo modo sono perfettamente progettati per il montaggio su schede. Con piccoli trasformatori per circuiti stampati la resistenza meccanica dei giunti a saldare è perfettamente sufficiente a dare al trasformatore una sufficiente tenuta. In caso di trasformatori più grandi, le linguette sono in genere montate sull'alloggiamento, con il quale il trasformatore può essere avvitato alla scheda. Quando si seleziona il trasformatore PCB corretto , i valori elettrici come la tensione primaria e secondaria, così come la corrente e la potenza, e le distanze tra i piedini di collegamento devono essere controllati attentamente.

• Trasformatori alogeni
  I trasformatori alogeni sono stati utilizzati in passato preferibilmente per l'alimentazione di lampade alogene a bassa tensione. I trasformatori sono stati realizzati in precedenza come trasformatori con avvolgimento primario e secondario, ma li hanno resi molto ingombranti, pesanti e costosi. Nel frattempo, i trasformatori alogeni sono offerti come trasformatori elettronici, che possono anche essere installati in modo molto più facile e nascosto. Se le lampade alogene vengono sostituite con lampade a LED a risparmio energetico, possono verificarsi problemi con alcuni trasformatori elettronici. Grazie alla corrente di esercizio molto bassa della lampada a LED, può essere impossibile raggiungere il carico minimo richiesto da alcuni trasformatori elettronici. La struttura sottile consente un'installazione nascosta.

• Trasformatori toroidali 
  La struttura rotonda offre vantaggi ma anche costi maggiori. Grazie alla struttura circolare, i trasformatori toroidali hanno un'efficienza migliore rispetto ai trasformatori a blocco. Anche il campo magnetico di dispersione è molto più basso. Questo è anche il motivo per cui i trasformatori toroidali vengono montati in impianti HiFi. Altri vantaggi sono il ridotto fabbisogno di spazio, un peso ridotto e praticamente nessun rumore di ronzio. Tuttavia, lo sforzo di produzione è notevolmente più elevato, il che rende i trasformatori anche più costosi. I trasformatori toroidali ad alte prestazioni richiedono necessariamente un limitatore di corrente di accensione sotto forma di PTC. 

• Trasformatori in serie
  I trasformatori di prealimentazione vengono utilizzati per l'adattamento della tensione. Questo può accadere se, ad esempio, un dispositivo americano progettato per 110 V/60 Hz deve essere fatto funzionare per un periodo di tempo limitato nella rete elettrica europea a 230 V/50 Hz. I trasformatori di prealimentazione, tuttavia, cambiano solo la tensione e non la frequenza di rete. Tuttavia, nella maggior parte dei casi ciò è piuttosto acritico. Per consentire l'uso individuale dei trasformatori in serie, alcuni dispositivi consentono la regolazione individuale della tensione di ingresso e della tensione di uscita . Trasformatore di prealimentazione con alloggiamento e prese di spina di rete adatte. 

• Trasformatori variabili, trasformatori regolabili
  Un trasformatore regolabile/variabile fornisce tensioni di uscita individuali. I trasformatori regolabili/variabili vengono utilizzati principalmente nella tecnologia di misurazione e regolazione, nei laboratori elettronici e nel settore dei servizi. Con questi trasformatori è possibile generare diverse tensioni di uscita con una tensione di ingresso di 230 V/50 Hz. A questo scopo, la tensione di uscita viene regolata con un contatto a scorrimento rotante su una bobina di trasformazione a forma di anello. Questo rende molto facile determinare come, ad esempio, il televisore collegato può compensare le fluttuazioni di tensione all'ingresso . I trasformatori possono essere progettati come autotrasformatore con un solo avvolgimento senza isolamento galvanico (vedi schizzo in figura) o come trasformatore di isolamento di controllo con due avvolgimenti.

• Autotrasformatori
  Un autotrasformatore consiste solitamente di una bobina, che ha una o più prese per la tensione di uscita . I trasformatori di segnale vengono utilizzati preferibilmente quando la tensione di ingresso e di uscita sono molto vicine l'uno all'altro. Perché con un autotrasformatore solo la differenza di tensione tra ingresso e uscita viene trasformata. Un isolamento galvanico tra la tensione di ingresso e quella di uscita non è presente in un autotrasformatore. Gli autotrasformatori si presentano con un solo avvolgimento. 

• Trasformatori di isolamento da laboratorio 
  Trasformatore da laboratorio con regolazione e separazione galvanica. I trasformatori di isolamento da laboratorio vengono utilizzati su circuiti elettronici per lavori di sviluppo, assistenza o riparazione. Per evitare cortecircuiti con strumenti di misura con messa a terra e scosse elettriche mortali, il circuito o il dispositivo in lavorazione deve essere isolato dal potenziale di rete. Questo isolamento galvanico viene raggiunto tramite un trasformatore di isolamento a cui deve essere collegato il dispositivo da riparare. I trasformatori di isolamento hanno una tensione di uscita fissa o la tensione di uscita può essere impostata individualmente. In questo caso si parla di un trasformatore di separazione regolabile. A causa dell'isolamento galvanico dal sistema di alimentazione, anche i trasformatori di isolamento in uscita non hanno alcun contatto di terra di protezione oppure, nel caso di prese per apparecchi a freddo, la terra di protezione non è collegata all'uscit

• Trasformatori PA
  Il funzionamento di più altoparlanti su un impianto di amplificazione è critico, in quanto gli altoparlanti non possono essere cablati l'uno con l'altro in modo semplice. Ma negli edifici pubblici, nei ristoranti o negli hotel è spesso necessario il funzionamento simultaneo di più casse acustiche. In questo caso, i trasformatori PA (Public address), per annunci pubblici risolvono e aiutano. All'uscita dell'amplificatore è collegato un trasformatore PA, che sul lato primario (lato di ingresso) ha gli stessi valori di collegamento di una cassa acustica. I segnali dell'amplificatore (musica o voce) vengono ora convertiti sul lato secondario del trasformatore PA (100 V). Negli altoparlanti (LS1 - LS4) viene utilizzato anche un trasformatore PA, che trasforma gli impulsi elevati sulla linea da 100 V in una tensione compatibile con l'altoparlante. Sulla linea da 100 V è possibile collegare in parallelo più trasformatori PA con i relativi altoparlanti. Anche le lunghe linee tra l'altoparlante e l'amplificatore non hanno più alcun ruolo. Con i trasformatori PA è possibile azionare più altoparlanti.

• Trasformatori audio
  Con i trasformatori audio, è più una questione di qualità del segnale che di prestazioni. I trasformatori audio funzionano principalmente come trasformatori. Ma a differenza dei trasformatori, non è necessario trasformare in modo efficace grandi prestazioni a una determinata frequenza.   Al contrario!  I trasformatori audio devono essere in grado, ad esempio di trasmettere un'ampia gamma di frequenze come audio per microfoni con la massima qualità possibile. Il circuito del microfono e il circuito dell'amplificatore non sono collegati elettricamente tra loro (isolamento galvanico). Ma anche negli alimentatori o nella tecnologia HF o digitale, i trasformatori audio vengono utilizzati in molti modi. Qui sono chiamati trasformatori a impulsi e non devono essere progettati in modo da essere a banda larga in termini di frequenza di trasmissione.

FAQ - domande frequenti sui trasformatori

Perché alcuni trasformatori di potenza ronzano?

Quando un trasformatore ronza, si sente una risonanza meccanica del trasformatore nella frequenza di rete di 50 Hz. Il rumore di ronzio del trasformatore è spesso udibile solo in condizioni locali sfavorevoli. Se un trasformatore per un sistema di illuminazione a bassa tensione viene montato su controsoffitti o pannelli in legno, questi possono fungere da risonatori e rendere il ronzio chiaramente udibile.

Perché la potenza viene indicata in VA?

Poiché un trasformatore è un carico induttivo a causa della sua bobina in rame, la potenza è espressa in volt x ampere (VA) e non in watt.

È possibile regolare l'intensità dei trasformatori?

Fondamentalmente sì, se la potenza del dimmer è indicata in VA. Questi dimmer sono adatti per trasformatori convenzionali con bobine. Se la potenza del dimmer è specificata in watt (W), questo dimmer è adatto solo per lampade a incandescenza. I trasformatori elettronici devono essere regolati con un dimmer di taglio di fase. Questi dimmer sono indicati di conseguenza o la caratteristica di potenza "adatto per trasformatori elettronici" è indicata sulla confezione.

È possibile collegare le bobine in parallelo o in serie in un trasformatore?

Se un trasformatore è dotato di due bobine secondarie identiche, le bobine possono essere collegate in parallelo per aumentare la tensione in serie o per aumentare la corrente. Tuttavia, quando si collegano le uscite, è necessario prestare attenzione alla posizione della fase e collegare i terminali correttamente.

Perché il nucleo di ferro di un trasformatore è costituito da fogli sottili?

Nei trasformatori di rete, i fogli dinamici (lamiere in lega di ferro/silicio) vengono assemblati in modo impilato al nucleo del trasformatore. Le lamiere sono isolate l'una dall'altra per evitare le perdite causate da correnti parassite nel trasformatore. Se l'isolamento è difettoso in un punto, durante il funzionamento ciò comporta un notevole aumento del riscaldamento dell'area interessata.

Cosa distingue la bobina primaria dalla bobina secondaria per un trasformatore di rete? 

La bobina primaria ha un filo sottile con molte spire. L'esatta resistenza del filo e il numero di spire dipendono dalla potenza che il trasformatore deve trasmettere. Con la bobina secondaria il filo è molto più spesso e la bobina ha meno spire. L'esatto numero di giri dipende dalla tensione che deve essere generata in modo secondario. Lo spessore del filo dipende dalla corrente da generare.

Conclusioni

I trasformatori convertono l'elettricità in campi magnetici e i campi magnetici di nuovo in elettricità. Ma lo fanno così bene che hanno dato prova di sé nei più diversi settori della tecnologia per oltre 100 anni. Grazie alla struttura relativamente semplice, all'utilizzo di materiali robusti e all'assenza di componenti in movimento meccanico, i trasformatori sono a bassa manutenzione e di lunga durata. A condizione che si utilizzi entro i limiti indicati nei dati tecnici. Proprio queste proprietà semplici e senza problemi sono molto apprezzate dagli sviluppatori e dagli ingegneri di oggi. Per questo motivo, anche nelle più recenti attrezzature, macchine e impianti si trovano ancora trasformatori collaudati.

Alimentatore moderno con trasformatori (con bordo giallo).