Come scegliere un trasformatore

La scelta di un trasformatore potrebbe sembrare una cosa semplicissima, ma in realtà dipende da cosa dobbiamo farci. Onde evitare rischi di danneggiamenti o di incendi, il trasformatore deve essere dimensionato in base al carico da alimentare. I trasformatori sono molto usati per l’alimentazione a bassa tensione, perciò vedremo i vari tipi di alimentatori più o meno efficienti, per facilitare la vostra scelta. Infine, mostreremo come dimensionare trasformatore e rettificatore per realizzare un semplice alimentatore fai-da-te, in modo da scegliere i componenti giusti per il proprio progetto.

Un trasformatore è un apparecchio elettrico statico che trasferisce energia da un sistema di tensione a un altro mediante induzione elettromagnetica. A livello di base, tutti i trasformatori sono costituiti da una bobina metallica che trasporta la corrente elettrica e da un nucleo ferroso che crea il campo magnetico. I trasformatori sono disponibili in un’ampia gamma di tensioni. La capacità (espressa in volt-amp) determina la potenza che un particolare dispositivo può gestire prima del sovraccarico.

Il motivo per utilizzare un trasformatore è quello di abbinare la tensione del carico alla tensione di linea fornita dalla rete. Il tipo a secco è raffreddato ad aria e non contiene materiali volatili né infiammabili e il raffreddamento dipende solo dal flusso naturale di aria sulle sue bobine e dalla radiazione di calore attraverso il suo involucro. Pertanto, può essere posizionato proprio vicino al carico. L’applicazione gioca un ruolo fondamentale nella scelta del trasformatore corretto (puoi trovare un’ampia scelta di modelli a buon prezzo qui).

Vari tipi di trasformatori di tensione sul mercato.

Dimensionamento del trasformatore in base al carico

I casi in cui il carico tipico può aumentare vanno presi in considerazione quando si seleziona un particolare trasformatore. Ecco come si può dimensionare semplicemente un trasformatore.

Passo 1: determinare il KVA, gli ampere o il wattaggio richiesti dal carico.

Cerca il miglior trasformatore di tensione

Determina il KVA, gli Ampere o il wattaggio richiesto dal carico. La dimensione del trasformatore è determinata dal KVA del carico. Assicurati di aggiungere il numero totale di apparecchiature coinvolte. Le seguenti formule possono essere utilizzate per calcolare i KVA, (VA) o gli Ampere richiesti, sia per installazioni monofase che trifase:

Monofase: VA = Volt x Amp

Amp = VA / Volt

Trifase: VA = 1,73 V x A

Amp = VA / (1,73 x V)

La cosa importante è che la potenza (in VA o in KVA) del trasformatore sia uguale o superiore al VA (o KVA) del carico per gestire i requisiti attuali e per tenere conto di future espansioni. Ricordo che la monofase ha due linee di alimentazione in corrente alternata (AC), mentre la trifase ha tre linee di alimentazione AC, con ciascuna linea sfasata di 120 gradi rispetto alle altre due.

Passo 2: scoprire la tensione di alimentazione

Scopri qual è la tensione di alimentazione (o tensione disponibile) da collegare al primario del trasformatore. La tensione di rete, o tensione primaria, è la potenza disponibile dalla rete del fornitore o dalla fonte di alimentazione locale.

Il primario e il secondario di un trasformatore di tensione da telaio. Ne puoi trovare vari qui.

Passo 3: determinare la tensione richiesta dal carico

Determina la tensione richiesta dal carico. Questa è la tensione secondaria o tensione di uscita del trasformatore. La tensione di carico, o tensione secondaria, è la tensione richiesta per far funzionare il carico (luci, motore e altri dispositivi).

Passo 4: qual è la frequenza della fonte di alimentazione?

Qual è la frequenza della fonte di alimentazione e dell’apparecchiatura (normalmente 50 o 60 hertz)? La frequenza della sorgente di alimentazione e il carico devono essere gli stessi. Le seguenti tabelle possono essere utilizzate per selezionare la dimensione del trasformatore richiesta.

A questo punto sei sostanzialmente in grado di determinare il modello di trasformatore necessario. Per fare ciò, in realtà devi prima considerare alcuni fattori:

  • La tua apparecchiatura richiede l’isolamento elettrico dall’alimentazione o un autotrasformatore senza isolamento lo farà?
  • Per trasformatori di controllo: se si desidera un fusibile, è necessario un modello a morsettiera.
  • Il luogo in cui verrà installato il trasformatore determinerà se non è necessario alcun involucro (di tipo aperto), un involucro ventilato per interni o vari tipi di involucri che proteggono gli avvolgimenti da umidità, particelle, polvere o contaminanti.

A questo punto scegli il tipo di trasformatore di cui hai bisogno. Difficilmente si ha bisogno di trasformatori personalizzati, comunque questi possono venire prodotti da ditte specializzate o autocostruiti.

Un trasformatore fai-da-te per alta tensione.

Trasformatori per l’alimentazione a bassa tensione

Per scegliere il giusto alimentatore ci sono alcune importanti basi da capire. Prima di tutto, chiariamo alcuni termini che spesso confondono le persone ma sono importanti nella scelta del giusto alimentatore a bassa tensione. Gli alimentatori “switching” da corrente alternata (AC) a corrente continua (CC) e gli alimentatori “lineari” sono spesso termini fuorvianti per coloro che non li conoscono.

Gli alimentatori cosiddetti lineari accettano un ingresso AC (tipicamente 240 V AC o 120 V AC), riducono la tensione con un trasformatore, quindi rettificano e filtrano l’ingresso in un’uscita CC. Un alimentatore cosiddetto switching, invece, prende un ingresso AC, ma prima rettifica e filtra in CC, viene riconvertito in AC a una certa frequenza di commutazione elevata, abbassa la tensione con un trasformatore, dopodiché viene rettificato e filtrato in un’uscita CC.

La differenza tra i processi lineari e di commutazione è che consentono di utilizzare componenti diversi. L’alimentatore lineare è in genere meno efficiente, utilizza un trasformatore più grande e più pesante e componenti di filtro più grandi. L’alimentatore switching implica una maggiore efficienza grazie all’elevata frequenza di commutazione, che gli consente di utilizzare un trasformatore ad alta frequenza più piccolo e meno costoso, nonché componenti del filtro più leggeri e meno costosi.

Un moderno alimentatore switching.

C’è una differenza tra “commutazione” sul lato di ingresso e “commutazione” sul lato di uscita. Quello che abbiamo appena discusso si riferisce alla commutazione sul lato dell’uscita. Riassumendo sebbene il processo lineare sembri essere più efficiente a causa del suo processo più breve, un alimentatore switching è in realtà più efficiente. Gli alimentatori switching contengono più componenti complessivi, quindi sono generalmente più costosi, e producono più interferenze in radiofrequenza.

Vi sono poi alimentatori “stabilizzati” e “non stabilizzati”. Questi termini riguardano il circuito di controllo dell’alimentatore. In un alimentatore non stabilizzato, il transistor di commutazione rimane a un ciclo di lavoro costante, quindi non c’è nulla per controllare l’uscita. Le uscite non rimangono ad un valore definito; invece, fluttuano leggermente quando vengono applicati carichi diversi. Solo una tensione molto bassa causerà l’interruzione dell’alimentazione.

In un alimentatore stabilizzato, invece, l’uscita viene mantenuta molto vicina alla sua uscita nominale modificando il ciclo di lavoro per compensare le variazioni del carico. Ciò fornisce una migliore protezione dei dispositivi e output più accurati. Le principali differenze tra alimentatori stabilizzati e non stabilizzati sono la protezione e il prezzo. Gli alimentatori stabilizzati forniscono una migliore efficienza e protezione, ma gli alimentatori non stabilizzati hanno un costo notevolmente inferiore.

 

Scelta di un trasformatore e raddrizzatore

La produzione di una tensione in CC dalla rete AC attraverso un semplice alimentatore fai-da-te implica l’uso di un trasformatore e un raddrizzatore come mostrato di seguito. Il trasformatore cambia la tensione di rete in qualcosa di più adatto alle nostre esigenze; e il raddrizzatore rimuove la parte negativa del segnale dando un’uscita che ha solo tensioni positive.

Lo schema seguente mostra un raddrizzatore a ponte; può essere utilizzato un solo diodo raddrizzatore, ma è meno efficiente; e poiché i diodi al silicio sono poco costosi, il design del ponte è diventato quasi universale. Utilizzerò come esempio un alimentatore con un’uscita a 12V DC; tuttavia la semplice teoria consentirà di progettare alimentatori per qualsiasi voltaggio e corrente desiderati. Si potrà così sviluppare il progetto per un’alimentazione variabile di 2 A fino a 30 V.

Caduta di tensione e perdite da considerare

Raddrizzatore: un singolo diodo raddrizzatore al silicio in conduzione diretta sviluppa una tensione di circa 0,7 V (ma può arrivare fino a 2 V). In generale, consentiamo una caduta di circa 2V per la configurazione del raddrizzatore a ponte. Trasformatore: si verificano perdite anche negli avvolgimenti del trasformatore; tuttavia un trasformatore da 220 V: 30 V a 10 A fornirà solitamente un’uscita di 30 V rms quando fornisce la corrente nominale. Ciò significa che la tensione a vuoto sarà maggiore.

Questi diagrammi mostrano la tensione in diversi punti del circuito, sulla base di un trasformatore 240: 12V. Qui puoi vedere l’uscita dal trasformatore. L’uscita è un’onda sinusoidale centrata intorno a 0 volt. La tensione di picco Vpk è 1,414 (radice quadrata di 2) volte l’uscita RMS – il valore indicato dai trasformatori. Ad esempio, per un trasformatore da 240 V: 12V la tensione di picco sarà 1,414 volte 12 = 17V.

Questo semplice diagramma (curva blu) mostra l’uscita dal ponte raddrizzatore. Puoi vedere la “gobba” negativa dal segnale AC sopra che è stata “capovolta” dal gruppo raddrizzatore del ponte. La tensione di picco è ora 17 V – 2 V = 15 V. La tensione RMS è di circa 10,6 V a pieno carico. Si alza quando il carico si riduce. La tensione media è 9,27. Puoi anche vedere la parte piatta vicino allo zero dove nessuno dei diodi raddrizzatori ha iniziato a condurre.

Il segnale nel diagramma di sopra (in blu) può essere visto (vedi la curva in rosso) come una tensione CC costante di 9,27 V con un segnale variabile sovrapposto di circa 15 V da picco a picco e un valore medio di 0 V. Il valore rms di questo segnale è di circa 15/2 x 1,414 = 5.4V.

Ma come si realizza in pratica un alimentatore fai-da-te e soprattutto come si scelgono i componenti da utilizzare? Immaginiamo di voler progettare e costruire un alimentatore per funzionare da rete a 240 V AC. Deve alimentare un motore 12V DC che funziona per lunghi periodi di tempo e nell’uso normale assorbe un massimo di 2A dall’alimentazione. Ecco l’analisi quantitativa.

Avremo bisogno di un trasformatore da 12V 2A = 24W o più. Come raddrizzatore puoi usare un raddrizzatore a ponte in silicio valutato con una tensione inversa di picco di 200 V e una corrente diretta media di 4 A. A questo punto dobbiamo effettuare il calcolo del calore prodotto. In uso ci sarebbe una corrente di 2 A e una caduta di tensione diretta di circa 0,9 V per diodo (scheda tecnica) o di 1,8 V su entrambi. Pertanto il calore dissipato è: 2 A x 1,8 V = 3,6 W.

Due esempi di raddrizzatore di tensione a ponte.

La resistenza termica all’aria (dalla scheda tecnica) è di 22 gradi C per watt, quindi l’alimentatore sarebbe 22 x ​​3,6 = 80 gradi sopra la temperatura ambiente. È un po’ troppo caldo, quindi aggiungeremo un piccolo dissipatore di calore o fisseremo il raddrizzatore a una custodia di metallo. Se proprio vogliamo stare tranquilli possiamo aggiungere una piccola ventola raffreddante, riducendo l’amperaggio disponibile.

Il circuito illustrato sarebbe adatto per caricare la batteria di un’auto o azionare un motore a corrente continua. In queste applicazioni l’ondulazione non è importante. L’uscita di questo alimentatore come sopra sarebbe 12V – 1,8 = 10,2V circa. Il motore funzionerebbe bene. Tuttavia, la maggior parte delle applicazioni richiede un’uscita livellata e per fornirla occorre un condensatore. L’aggiunta di un condensatore aumenterebbe la tensione di uscita media, in pratica il livellamento.