Che cos’ è il trasformatore e come funziona?

Il trasformatore
Trasformatore
Trasformatore

Partiamo subito spiegando che cos’ è il trasformatore e come è fatto.

Che cos’ è il trasformatore

Il trasformatore è’ una macchina elettrica che funziona solo in corrente alternata, esso viene usato per trasferire potenza elettrica da un livello di tensione ad un altro. 
Il trasformatore è costituito da un nucleo magnetico e da almeno due avvolgimenti. Gli avvolgimenti posso essere di più. Gli avvolgimenti sono classificati in base al numero di spire, quello ad alta tensione (AT) con più alto numero di spire (a sezione minore) e quello di bassa tensione (BT) con un minor numero di spire (a sezione maggiore). Si definisce in elettrotecnica come una macchina statica, perchè non ci sono elementi rotanti, l’ unica cosa che “gira” sono gli elettroni. Questo serve a trasformare la tensione e l’intensità di corrente in entrata in una tensione e intensità differente in uscita, tenendo però costante la potenza elettrica.

Si tratta di una macchina che funziona in corrente alternata ed è soprattutto utilizzata per il trasporto dell’energia elettrica, nel suo percorso dalle centrali elettriche alle utenze, che siano domestiche o industriali. Ad esempio nelle linee elettriche nei paesi e città scorre alta tensione (possono arrivare oltre 300kv!). Hanno deciso di elevare così tanto la tensione per ridurre notevolmente la sezione dei cavi. Vengono usati due trasformatori, uno all’ “entrata” e uno all’ “uscita”, dove il trasformatore in entrata innalza la tensione mentre quello in uscita la abbassa per le utenze.

Come è fatto?
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Come è fatto

Il trasformatore è generalmente composto da tra tre elementi principali:

  1. Il circuito di entrata
  2. Il circuito di uscita
  3. Un nucleo centrale ferromagnetico, chiamato Generatore

I circuiti elettrici di entrata e di uscita sono isolati fra loro, e hanno la caratteristica di essere reversibili: cioè sono potenzialmente invertibili, ovvero il circuito di entrata può diventare quello di uscita e/o viceversa. Il circuito in entrata riceve una tensione alternata, che viene in seguito trasformata dal circuito in uscita, funzionando sia come “amplificatore” sia come “riduttore” di tensione. Le spire avvolte possono essere chiamate anche solenoidi.

Questi due circuiti sono avvolti attorno a un nucleo ferromagnetico. Il nucleo ferromagnetico è composto da materiali particolari, perchè devono essere ferromagnetici (si può intuire già dall’ insieme delle parole ferromagnetico). Ora ti dirò due parole sulle proprietà di questi materiali. Per iniziare il nome di questa proprietà è Ferromagnetismo.
Il ferromagnetismo è la proprietà di alcuni materiali di magnetizzarsi molto intensamente sotto l’azione di un campo magnetico esterno e di restare a lungo magnetizzati quando il campo si annulla, diventando così magneti.

Un esempio per capire meglio il ferromagnetismo

Per capire meglio questo concetto si può fare riferimento all’ elettrocalamita e/o elettromagnete. Questo è un semplice elemento costituito da un nucleo ferromagnetico e un solenoide ( una bobina di molte spire di filo elettrico ). Il solenoide è avvolto attorno al nucleo ferromagnetico. Lo scopo dell’elettromagnete è di generare un campo magnetico da una corrente elettrica  (clicca sul link per sapere di più).

Elettromagnete
Esempio di elettromagnete

Un ‘ elettromagnete si trova, ad esempio, dallo sfascia carrozze. Si usa per spostare grosse quantità di metallo da una parte all’ altra. L’ elettromagnete è molto usato: ad esempio all’ interno dei relè, motorini d’ avviamento, campanelli ecc ecc…

Come funziona il trasformatore?

Ora vedremo il funzionamento di questo componente, ovviamente te lo spiegherò in modo semplice senza nessuna formula e/o calcolo da fare.

In breve: Questo dispositivo funziona collegando semplicemente il circuito di entrata direttamente alla rete di alimentazione elettrica; a questo punto la corrente elettrica passerà attraverso il generatore, che grazie al campo magnetico spingerà una corrente indotta attraverso il circuito in uscita. Il tutto si basa grazie alla corrente indotta.

Il trasformatore in breve..
  1. E’ composta da 3 elementi: 1 spira o solenoide di entrata, 1 spira di uscita ed un nucleo ovviamente possono esserci molte più spire.
  2. Di solito la spira di entrata viene detta anche “primario” (qua va collegata all’ alta tensione) mentre la spira di uscita viene detta anche “secondario” e qui “esce” la tensione + bassa o + alta.
  3. Ci sono diversi tipi di trasformatori, che vedremo in seguito.
  4. Il funzionamento: L’avvolgimento con più spire viene detto “primario” e viene collegato all’ alta tensione. Quando si applica la tensione al primario, la corrente che scorre nelle spire dell’ avvolgimento fa nascere nel nucleo un flusso magnetico. In seguito a tale flusso, ai capi delle spire dell’ altro avvolgimento, detto “secondario”, si rileva la presenza di una tensione indotta.
trasformatore-come-funziona
Funzionamento
Ipotesi: creiamo un trasformatore (teoria)

Partiamo subito con un’ ipotesi ovvero pensiamo di avere un trasformatore con le spire del secondario e del primario uguali: stesso diametro e stesso numero di spire. Se il secondario avesse lo stesso numero di spire del primario, la tensione che si genera ai suoi capi sarebbe più o meno la stessa che è stata applicata ai capi del primario.

Facciamo un’ altro esempio: Creiamo un trasformatore che riduce una tensione

Poichè il nostro scopo è quello di ridurre la tensione, l’ avvolgimento secondario sarà intenzionalmente composto da un numero di spire molto minore. Supponiamo di avere questi dati:

N1= 2500 (numero spire primario)

VO= 6v (Creiamo un trasformatore che mi dia 6v al secondario)

N2?

Per trovare N2 è molto semplice perchè basta moltiplicare N1 x VO e dividere il tutto per 230v (tensione di ingresso). Infine N2 viene:

N2 = N1 x 6 / 230

Il risultato di questa semplice operazione è 65 spire. Quindi basta avvolgere 65 spire sul secondario e otterremmo 6v all’ uscita.

I diversi tipi di trasformatore

Il trasformatore si presta a molteplici utilizzi, in base alla loro posizione all’interno della rete di trasmissione e distribuzione dei circuiti elettrici: ecco i più utilizzati

  1. Il trasformatore trifase
  2. Il trasformatore di corrente
  3. Il trasformatore di tensione
  4. Il trasformatore di isolamento
Trasformatore trifase

Il trasformatore trifase è quello più comunemente utilizzato negli impianti elettrici, perché consente la trasmissione alle utenze di energia elettrica a bassa tensione.

Possono essere composti da tre trasformatori monofase indipendenti tra loro oppure da tre avvolgimenti primari e tre avvolgimenti secondari collegati a un nucleo con tre rami paralleli.

Trasformazione di corrente

Il trasformatore di corrente consente di ridurre i flussi di corrente elettrica particolarmente elevati, permettendo di abbassarla a valori in grado di poter essere facilmente misurati.

Questo trasformatore è in grado inoltre di fornire al circuito in uscita una corrente elettrica proporzionale a quella del circuito in entrata.

Trasformatore di tensione

La corrente del circuito in uscita è costante, e varia a seconda del numero di spire dell’avvolgimento dei fili conduttori.

Questi avvolgimenti possono anche avere prese intermedie, garantendo la possibilità di ottenere più valori di tensione diverse contemporaneamente.

Trasformatore di isolamento

Questa tipologia di trasformatori è prevalentemente utilizzata in ambito medico, in quanto garantisce un elevato standard di sicurezza e stabilità anche quando non è possibile utilizzare una messa a terra di tipo tradizionale.

Come è la tensione di uscita di un trasformatore?

Visto che il trasformatore per funzionare ha bisogno di una tensione alternata, anche l’ uscita sarà solo alternata. Se si vuole ottenere una tensione continua all’ uscita del trasformatore basta creare un ponte diodi. In un prossimo articolo vedremo come funziona il ponte diodi.

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