Trasformatori

I trasformatori sono dispositivi elettrici che trasferiscono energia tra circuiti attraverso induzione elettromagnetica. Sono fondamentali in molte applicazioni elettroniche e radioamatoriali.

Principio di Funzionamento

Un trasformatore è composto da due o più bobine avvolte attorno a un nucleo ferromagnetico. Quando una corrente alternata passa attraverso la bobina primaria, genera un campo magnetico variabile che induce una tensione nella bobina secondaria.

La relazione tra le tensioni è data dal rapporto dei numeri di spire:

$$ \frac{V_2}{V_1} = \frac{N_2}{N_1} $$

Dove:

• $V_1$ e $V_2$ sono le tensioni primaria e secondaria
• $N_1$ e $N_2$ sono i numeri di spire delle bobine

Tipi di Trasformatori

I trasformatori possono essere classificati in base al loro rapporto di trasformazione. Quelli di isolamento mantengono un rapporto 1:1 e sono utili per l’isolamento elettrico senza cambiare la tensione. I trasformatori elevatori aumentano la tensione quando il numero di spire secondarie è maggiore di quelle primarie ($N_2 > N_1$), mentre quelli riduttori la diminuiscono nel caso opposto ($N_2 < N_1$).

Trasformatori Toroidali

Un tipo particolare di trasformatore è quello toroidale, caratterizzato da un nucleo a forma di ciambella attorno al quale sono avvolti i fili. Questo design offre numerosi vantaggi pratici. Innanzitutto, riduce significativamente l’interferenza elettromagnetica esterna grazie alla forma chiusa del nucleo, che contiene meglio il campo magnetico. Inoltre, è più efficiente dal punto di vista energetico, con minori perdite per isteresi e correnti parassite, il che lo rende ideale per applicazioni dove l’efficienza è cruciale. La sua compattezza permette di risparmiare spazio nei progetti elettronici, e il rumore meccanico è ridotto al minimo poiché non ci sono lamelle vibranti come nei trasformatori tradizionali. Infine, la costruzione toroidale facilita l’avvolgimento dei fili, rendendo più semplice la produzione e la manutenzione.

Per quanto riguarda l’ordine di avvolgimento negli avvolgimenti, nei trasformatori toroidali le bobine primaria e secondaria sono avvolte concentricamente attorno al nucleo. Non c’è una regola assoluta, ma spesso l’avvolgimento primario viene posto più vicino al nucleo centrale, mentre il secondario viene avvolto sopra di esso. Questo perché l’avvolgimento più interno beneficia di un accoppiamento magnetico migliore, riducendo l’induttanza di dispersione e le perdite. In alternativa, per applicazioni ad alta frequenza come in radioamatore, si può scegliere di avvolgere prima il secondario per ottimizzare la risposta in frequenza. L’ordine dipende dal progetto specifico e dagli obiettivi di prestazione, ma in generale mira a minimizzare le interferenze e massimizzare l’efficienza.

Applicazioni in Radioamatore

• Alimentazione di circuiti RF.
• Adattamento di impedenza.
• Isolamento galvanico.

Appunti (trascrizione e riassunto)

Il trasformatore è una macchina elettrica statica, senza parti in movimento, che converte valori di tensione e corrente tra circuiti mediante induzione mutua. Funziona esclusivamente con corrente alternata. Il suo principio si basa sulla mutua induzione: due avvolgimenti, come solenoidi, sono accoppiati su un nucleo ferromagnetico. Una corrente alternata nel primario crea un flusso magnetico variabile che induce una forza elettromotrice nel secondario.

Quando applichi una tensione alternata $V_1$ al primario, scorre una corrente $I_1$. Il flusso magnetico risultante $\Phi(t)$, tipicamente sinusoidale, induce nel secondario una tensione $V_2$. Se il secondario è collegato a un carico, nel secondario scorrerà una corrente $I_2$ che fornirà potenza al carico.

Le relazioni principali includono il rapporto di trasformazione, espresso come $\dfrac{V_2}{V_1} = \dfrac{N_2}{N_1}$, e l’impedenza riflessa sul primario per un carico $Z_L$ sul secondario, calcolata come $Z_{L,ref} = \left(\dfrac{N_1}{N_2}\right)^2 ; Z_L$.

I tipi comuni di trasformatori sono quelli di isolamento con rapporto 1:1, quelli elevatori dove $N_2 > N_1$ per aumentare la tensione, e quelli riduttori dove $N_2 < N_1$ per diminuirla. Il simbolo elettrico mostra due avvolgimenti attorno a un nucleo, e il nucleo ferromagnetico concentra il flusso magnetico, migliorando l’accoppiamento tra gli avvolgimenti.

Da notare che, quando il secondario è sotto carico, le correnti secondarie influenzano quelle del primario, ma rimangono la corrente magnetizzante e la componente necessaria a generare il flusso.

Modello Ideale e Limitazioni Pratiche

La tensione $V_2$ e la relativa corrente $I_2$ prodotte nell’avvolgimento secondario sono proporzionali al rapporto tra il numero di spire dell’avvolgimento primario $N_1$ e quello del secondario $N_2$. Per un trasformatore ideale, senza perdite nel nucleo ferromagnetico e con avvolgimenti a bassa resistenza, valgono le relazioni $\dfrac{V_1}{V_2} = \dfrac{N_1}{N_2}$ e $\dfrac{I_2}{I_1} = \dfrac{N_1}{N_2}$.

Il rapporto $N_1/N_2$ si chiama rapporto di trasformazione e spesso viene indicato con la lettera $n$, anche se alcune convenzioni usano la sua inversa, quindi fai attenzione alla definizione scelta.

Non tutto il flusso generato riesce a concatenarsi ai due avvolgimenti: esiste una piccola componente di flusso disperso dovuta al percorso del flusso al di fuori del nucleo principale. Inoltre, a causa della resistenza dei conduttori negli avvolgimenti, parte dell’energia viene dissipata in calore sotto forma di perdite ohmiche. Queste perdite, insieme a quelle nel nucleo, sono solitamente piccole ma vanno considerate nei calcoli pratici.

In conclusione, per calcoli di base e appunti teorici è ragionevole usare il modello ideale e le formule presentate, tenendo però presente le limitazioni pratiche dovute a flusso disperso e perdite.

Funzione dei Nuclei di Ferrite

Oltre ai trasformatori tradizionali, i nuclei di ferrite trovano applicazione anche in configurazioni più semplici, come quando vengono infilati su un singolo filo sotto tensione. In questo caso, il nucleo di ferrite agisce come un’induttanza concentrata, creando una impedenza elevata alle frequenze radio. Questo è particolarmente utile in radioamatore per sopprimere le interferenze elettromagnetiche: il ferrite blocca le correnti ad alta frequenza che potrebbero propagarsi lungo il filo, come quelle generate da circuiti RF, impedendo che raggiungano dispositivi sensibili o che si irradino nell’ambiente. È una soluzione semplice ed efficace per migliorare la compatibilità elettromagnetica nei progetti elettronici, riducendo rumori e interferenze senza complicare il circuito.