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Il trasformatore: caratteristiche e funzionamento

Trasformatore con nucleo ferromagnetico

Il trasformatore, presente nella maggior parte dei circuiti elettrici, è una macchina elettrica statica usata per fornire la potenza elettrica necessaria per alimentare le varie apparecchiature elettriche.
Può funzionare solo con corrente alternata, mai con corrente continua e varia i parametri della potenza elettrica (tensione e corrente) in entrata rispetto a quelli in uscita infatti funge, a seconda della necessità, da riduttore di tensione o da elevatore di tensione.

Il trasformatore è composto da due avvolgimenti costituiti da un certo numero di spire di filo conduttore, opportunamente isolato, avvolti attorno a un nucleo di materiale ferromagnetico.
Uno di questi avvolgimenti, che prende il nome di primario, funziona da utilizzatore ed è sempre collegato alla linea di alimentazione (rete). Il secondo invece è collegato al circuito da alimentate e prende il nome di secondario.

Trasformatore

Nei circuiti elettrici il trasformatore viene generalmente rappresentato come nella figura che segue:

Rappresentazione grafica trasformatore

Generalmente il trasformatore viene utilizzato per ridurre la tensione in entrata ma capita anche di avere la necessità di usarlo per ottenere una tensione in uscita maggiore di quella in entrata, quindi prelevare dall’avvolgimento secondario una tensione maggiore rispetto a quella applicata all’avvolgimento primario.
Il trasformatore può essere composto anche da più avvolgimenti secondari questo per poter avere, in uscita, diverse tensioni. Un esempio è quando si ha la necessità di avere, in uscita, una tensione da 12V e una da 24V oppure una da 12V, una da 18V e una da 24V (in quest’ultimo caso si parla di tre avvolgimenti secondari), e così via.

Trasformatore funzionante con diverse tensioni in uscita

Vediamo ora di capire come funziona un trasformatore.
Quando l’avvolgimento primario è collegato alla rete e al secondario non è collegata nessuna apparecchiatura, quindi non è presente nessun carico, il trasformatore funziona a vuoto.
In questo caso l’unica corrente che circola nel trasformatore è quella dell’avvolgimento primario collegato alla rete, corrente che magnetizza il nucleo e che viene chiamata corrente magnetizzante. Il secondario invece è un circuito aperto.
Se si misura la tensione sull’avvolgimento secondario si avrà una tensione maggiore, anche di poco, di quella che dovrebbe erogare ma nel momento in cui viene collegato il circuito da alimentare la tensione si abbassa portandosi sul valore richiesto.

Il trasformatore può essere utilizzato sia per ridurre che per aumentare il valore della corrente in entrata, corrente collegata all’avvolgimento primario.
Se un trasformatore deve fornire una tensione secondaria che sia il doppio di quella primaria, ad esempio primaria 220V e secondaria 440V, il numero delle spire dell’avvolgimento secondario deve essere il doppio di quello dell’avvolgimento primario e se invece deve fornire una tensione secondaria quattro volte inferiore a quella primaria, ad esempio primaria 220V e secondaria 55V, il numero delle spire dell’avvolgimento secondario deve essere quattro volte inferiore a quello dell’avvolgimento primario.
Quando la tensione del secondario è maggiore rispetto a quella applicata al primario il trasformatore è chiamato elevatore di tensione mentre quando la tensione del secondario è inferiore a quella del primario il trasformatore è chiamato riduttore di tensione.

Trasformatore elevatore di tensione


Trasformatore riduttore di tensione

Detto ciò per realizzare un trasformatore basta sapere il numero delle spire del primo avvolgimento e da questo si può poi determinare il numero di spire dell’avvolgimento secondario.
Vediamo più avanti come calcolare il numero di spire del primario.

Dividendo la tensione primaria per la tensione secondaria si determina il rapporto di trasformazione di un trasformatore. Tale rapporto si indica con la lettera n.
Prendiamo per esempio il primo trasformatore che ha una tensione primaria di 220V e una secondaria di 440V. Il rapporto di trasformazione è dato dalla seguente formula:

n = 220 / 440 = 0,5

Il valore del rapporto di trasformazione è minore di 1 perché si tratta di un trasformatore elevatore di tensione dove la tensione dell’avvolgimento secondario è il doppio della tensione dell’avvolgimento primario.
Nel caso del secondo trasformatore in cui è presente una tensione primaria di 220V e una secondaria di 55V il rapporto di trasformazione ha come valore 4

n = 220 / 55 = 4

In questo caso il rapporto di trasformazione è maggiore di 1 perché si tratta di un trasformatore riduttore di tensione dove la tensione primaria e quattro volte maggiore della tensione secondaria.
Inoltre dividendo il numero di spire dell’avvolgimento primario (Np) per il numero di spire dell’avvolgimento secondario (Ns) si ottiene lo stesso numero che indica il rapporto di trasformazione. Da ciò il rapporto di trasformazione è uguale al numero ottenuto dividendo il numero delle spire primarie per quello delle spire secondarie:

n = NpNs

Questo determina che se un trasformatore deve fornire una tensione secondaria tre volte maggiore della tensione primaria anche il numero delle spire dell’avvolgimento secondario deve essere di un numero tre volte maggiore delle spire dell’avvolgimento primario. Lo stesso discorso vale se un trasformatore deve fornire una tensione tre volte inferiore a quella del primario, infatti il numero delle spire dell’avvolgimento secondario deve essere tre volte inferiore al numero delle spire dell’avvolgimento primario.

Per realizzare un trasformatore è necessario conoscere prima il numero delle spire da avvolgere per l’avvolgimento primario e mediante il rapporto di trasformazione che si vuole ottenere si può calcolare il numero delle spire dell’avvolgimento secondario. Però prima di determinare il numero delle spire del primario si deve prima calcolare la f.e.m. prodotta per autoinduzione in ciascuna spira dell’avvolgimento ricorrendo alla legge di Neumann secondo il quale si deve tenere conto della variazione del flusso e del tempo durante il quale avviene questa variazione.

Nell’articolo dedicato alla corrente alternata abbiamo visto che questa corrente varia tra un valore nullo ed un valore massimo ed il flusso, essendo prodotto da una corrente alternata, varia come essa e la sua variazione sarà tanto maggiore quanto maggiore è il valore massimo. Pertanto la rapidità di variazione del flusso è uguale alla pulsazione ω della corrente che lo produce.
La pulsazione ω è data dal prodotto 2π • f
dove 2π = 6,28 e f è la frequenza della corrente espressa in Hz.
Moltiplicando la pulsazione ω per il valore massimo del flusso d’induzione si ottiene il valore della f.e.m. indotta in ciascuna spira del primario.
Dividendo questo valore per 1,41 si trova il valore efficace e visto che dividendo 2π per 1,41 il risultato è di circa 4,44 si può dire che per calcolare il valore efficace della f.e.m. indotta in ciascuna spira dell’avvolgimento primario possiamo moltiplicare 4,44 per la frequenza f della corrente e per il valore massimo del flusso d’induzione:
E = 4,44 • f • Φ
Moltiplicando questa f.e.m. per il numero delle spire primarie si ottiene il valore efficace della f.e.m. indotta nell’avvolgimento primario che è uguale alla tensione di rete applicata al primario. Quindi la tensione di rete corrisponde al prodotto del numero 4,44 per la frequenza, per il valore massimo del flusso e per il numero di spire dell’avvolgimento primario:

Vp = 4,44 • f • Φ • Np

Vp è la tensione di rete dell’avvolgimento primario
f è la frequenza della corrente
Φ è il valore massimo del flusso d’induzione
Np è il numero di spire dell’avvolgimento primario

Di conseguenza il numero Np di spire del primario si ottiene dividendo la tensione di rete per 4,44, per la frequenza f e per il valore massimo del flusso d’induzione Φ.
Da quanto detto risulta che il numero di spire del primario è tanto maggiore quanto maggiore è il valore efficace della tensione che si vuole applicare al trasformatore e per usare un trasformatore con diverse tensioni di rete basta variare il numero delle spire primarie a cui si applica ciascuna tensione.

I trasformatori possono avere l’avvolgimento primario e quello secondario con diverse prese intermedie. Di seguito un esempio di trasformatore con diverse tensioni di rete.

Trasformatore funzionante con diverse tensioni di rete

Nel primario tra l’estremo A e l’estremo C ci sono 440 spire alle quali è applicata una tensione di 220V. Dividendo a metà le 440 spire e applicando una presa intermedia (estremo B), tra l’estremo A e l’estremo B abbiamo 220 spire alle quali viene applicata una tensione di 110V cioè con valore pari alla metà della prima. Le rimanenti 220 spire comprese tra la presa intermedia estremo B e l’estremo C non vengono utilizzate.
Come per il primario anche per il secondario si possono usare prese intermedie per ottenere tensioni minori di quella presente tra gli estremi dell’avvolgimento.

Nel prossimo articolo vedremo il funzionamento del trasformatore sotto carico.

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