Tipos de Transformadores para Aplicações em Eletrônica de Potência

Criada: Fevereiro 3, 2022
Atualizada: Julho 1, 2024

Tipos Comuns de Transformadores e Especificações

Qualquer sistema de energia que requeira conversão precisa, regulação e segurança por meio de isolamento utilizará transformadores como elementos de acoplamento de energia. Até que você tenha que projetar um sistema de conversão de energia, provavelmente não olhou profundamente para os diferentes tipos de transformadores disponíveis para esses dispositivos. Tanto conversores de comutação AC-DC quanto DC-DC fazem uso de transformadores para fornecer conversão de energia galvanicamente isolada, garantindo segurança, mas isso requer a seleção do transformador correto que possa lidar com as demandas de energia e segurança do sistema.

Neste artigo, vamos olhar para algumas características dos tipos comuns de transformadores usados em eletrônica de potência, particularmente transformadores montados em placa para conversão AC-DC e DC-DC. Além dos tipos básicos de transformadores, vamos olhar para algumas das principais especificações desses componentes, pois estas limitarão a aplicabilidade para um determinado transformador. Finalmente, se você não encontrar um transformador pronto para o seu sistema, então precisará projetar um transformador para o seu sistema.

Tipos Comuns de Transformadores e Especificações

Transformadores são componentes indutivos com um material de núcleo magnético cuja função principal é converter um sinal de entrada em uma saída em (idealmente) uma tensão/corrente diferente dependendo da relação de voltas das bobinas primária e secundária. Apesar de sua construção aparentemente simples, os transformadores são componentes complexos que possuem muitas especificações importantes.

Especificações Importantes de Transformadores

Diferentes tipos de transformadores e aplicações colocarão maior foco em certas especificações. Algumas das principais especificações de transformadores incluem:

Resistência de enrolamento DC - A resistência de enrolamento influencia como os componentes magnéticos aquecerão durante a operação, particularmente em sistemas de conversão de alta potência onde muita energia pode ser perdida como aquecimento Joule.

Limite de frequência de comutação - Quando usados em conversão e regulação de energia, os transformadores terão algum limite de frequência de comutação que é determinado por seus parasitas e capacidades médias de manuseio de potência. Valores típicos para magnéticos planares de alta corrente estão na ordem de 100 kHz a 1 MHz. Também pode haver um limite de ciclo de trabalho, pois isso determinará a dissipação média de potência.

Capacitâncias de enrolamento - A capacitância entre enrolamentos e a capacitância dentro de um enrolamento determinarão como o ruído pode acoplar através das bobinas do transformador, bem como como um pulso ESD poderia se propagar através das bobinas. Também determina os limites das frequências de comutação em reguladores de potência; capacitâncias mais baixas correspondem a limites de frequência de comutação mais altos.

Indutância de fuga - Este é o principal mecanismo pelo qual a força do campo magnético será reduzida durante a operação. O campo magnético não será totalmente confinado na bobina de um componente magnético, então haverá transferência imperfeita de fluxo magnético entre as bobinas primária e secundária.

Isolamento Primário-Secundário - O isolamento entre bobinas é listado como um valor de tensão (pulsado ou DC). Esta é uma medida da resistência ao colapso entre as bobinas. A tensão de isolamento pode atingir níveis de kV em alguns transformadores. Isso é importante para a segurança em sistemas de energia isolados, pois determinará o nível de isolamento galvânico que o componente pode fornecer.

Estilo de Montagem - Os métodos de montagem em placa incluem montagem por abas, colocação SMD ou montagem através de orifício. O estilo de montagem determinará a capacidade de um transformador de resistir à vibração mecânica durante a operação.

Método de Refrigeração - Alguns transformadores, como os transformadores planares, podem ser difíceis de refrigerar via fluxo de ar forçado porque são muito compactos. Um método de refrigeração pode ser especificado para que o calor possa ser dissipado através da embalagem para um dissipador de calor ou para a placa. Alguns transformadores podem ser montados diretamente em uma caixa para proporcionar a máxima dissipação de calor.

No total, essas especificações determinarão as limitações de tensão e corrente impostas ao componente. Elas também limitarão a aplicabilidade do transformador a projetos específicos, assim categorizamos diferentes tipos de transformadores com base na aplicação elétrica em vez de níveis de potência. Estes pontos, bem como a classificação de isolamento, devem ser comparados com regulamentos de segurança ou padrões da indústria para garantir que um projeto possa atender aos alvos de segurança.

Tipos de Transformadores

A construção, embalagem e geometria de um transformador determinarão como ele é categorizado. Diferentes tipos de transformadores terão diferentes características operacionais, bem como construção (por exemplo, autotransformadores). A maioria dos transformadores são do tipo núcleo ou tipo casco, conforme mostrado no gráfico abaixo. Isso determinará seu nível de conformidade com a UL, bem como sua operação em frequências mais altas.

Transformadores de Potência

Tecnicamente todos os transformadores converterão energia, mas os transformadores de potência são especificamente projetados para conversão de energia de rede. Esses transformadores são projetados para fornecer conversão de energia de alta eficiência entre níveis de tensão de entrada. Esses componentes são usados principalmente em conversão de energia AC-AC (monofásica ou trifásica) em frequências de linha com classificações que alcançam centenas de VA ou níveis de kVA. Os limites de frequência são baixos para esses componentes, pois eles não precisam operar nas frequências de comutação encontradas em conversores DC-DC.

Devido às baixas frequências, ruído ou ESD poderiam acoplar através do espaço no transformador, então o isolamento pode ser baixo em altas frequências. Uma maneira de superar isso é interligar os planos de terra de cada lado das bobinas primária e secundária com um capacitor de segurança (geralmente do tipo Y), onde a capacitância é maior que as capacitâncias parasitas do transformador. Isso direciona o ruído para longe dos circuitos sensíveis e de volta a uma conexão GND de sua escolha, criando um caminho de corrente de baixa impedância, como isso pode criar um perigo de segurança no terminal GND de uma fonte de alimentação se as correntes de ruído GND forem grandes.

Transformador Blindado

Um transformador blindado possui maior isolamento, pois o material do núcleo e a embalagem fornecem blindagem adicional contra ruídos de RF. Especificamente, isso aborda ruídos de alta frequência do lado primário (como os provenientes da energia da rede) e tenta impedir que passem para o lado secundário através dos parasitas do componente. A embalagem também impede maior transferência de tensões de surto/impulso através da capacitância entre enrolamentos.

Transformadores de Isolamento

Todo transformador proporciona isolamento, mas um transformador de isolamento é destinado a fornecer valores de isolamento muito altos para tarefas de transferência de dados de baixa potência e velocidade moderada. Eles também são adequados para fontes de alimentação de baixa tensão em sistemas de energia comercial e industrial. Algumas das aplicações de energia e dados onde um transformador de isolamento será usado incluem:

Interfaces de dados seriais isoladas (RS-485, RS-422 e RS-232)
Interfaces CAN isoladas
Laços de corrente AC isolados de 4 – 20 mA
Atuadores e transdutores
Sistemas de cartões DAQ isolados
Outras interfaces de barramento isoladas
Conversão de baixa potência em tensões padrão (24 V, 48 V, etc.)

O isolamento nessas aplicações é destinado a proteger equipamentos sensíveis de ruídos e ESD. Essas são tipicamente aplicações de corrente mais baixa, então a segurança é menos uma consideração, embora os transformadores de isolamento também proporcionem segurança para qualquer usuário que interaja com o equipamento.

Transformadores de Comutação

Esses dispositivos são projetados para uso em conversores AC-DC ou DC-DC operando em torno de frequências de comutação de kHz, como conversores flyback. De fato, os transformadores de comutação são sub-classificados como transformadores flyback, transformadores LLC, ou possivelmente algum outro nome baseado no circuito em que será usado. A frequência de comutação desses componentes será limitada pela sua indutância de enrolamento, indutância de fuga e parasitas.

Além disso, a indutância do enrolamento é importante em conversores ressonantes, pois a indutância de magnetização determinará a capacidade do conversor de funcionar como um conversor buck ou boost. Essa capacidade torna os conversores ressonantes LLC isolados muito úteis quando é necessário um rastreamento de alta precisão junto com alta saída de potência. Algumas aplicações que usam topologias de ponte isoladas estão se tornando mais populares em aplicações de carregamento rápido, como em VE's.

Transformadores de RF e Transformadores de Áudio

Esses componentes normalmente não são agrupados juntos, mas realizam funções semelhantes. Esses transformadores fornecem conversão de potência para sinais sinusoidais ou modulados, assim como outros transformadores. Sua outra função é fornecer correspondência de impedância para portas de entrada e/ou saída no dispositivo. A principal diferença entre esses componentes é a sua classificação de frequência; transformadores de áudio são obviamente limitados a frequências de áudio, enquanto transformadores de RF podem ter largura de banda chegando até aproximadamente 10 GHz. Esses componentes também estão disponíveis como transformadores de RF balun.

Autotransformador

Este tipo de transformador possui enrolamentos primários e secundários eletricamente ligados, onde os dois são separados por uma derivação ao longo do corpo da bobina ligada. Tecnicamente, qualquer um dos tipos de transformadores acima poderia ser construído como autotransformadores, mas estes são normalmente usados para conversão de energia (denominado “autotransformador de potência”). Comparado aos transformadores típicos de núcleo e de casco, um autotransformador proporciona uma acoplamento mais forte e terá menores perdas por vazamento. Para um dado nível de conversão e indutância, eles geralmente custam menos e pesam menos.

A Eletrônica de Potência Continua a Evoluir

Durante 2021, à medida que mais capital de investimento foi direcionado para empresas de tecnologia inovadoras e os veículos elétricos estão prestes a se tornar a norma, a indústria está se movendo em direção a uma maior eletrificação e entrega de energia eficiente em todos os níveis. Sistemas de conversão de energia para essas aplicações precisam entregar altas correntes em tensões moderadas enquanto fornecem isolamento, que é exatamente onde os transformadores são ideais. Sistemas de energia isolados que fornecem regulação precisa e conversão de energia de alta eficiência podem se beneficiar de alguns desses componentes adicionais:

Infelizmente para alguns sistemas de energia, um transformador padrão pronto para uso pode não estar disponível para cada projeto, e um designer precisará trabalhar com um fabricante contratado para produzir transformadores personalizados. Muitos designs de referência para produtos de energia podem usar transformadores personalizados, ou eles recomendarão um material de núcleo e um formador de bobina prontos para uso. Essas opções prontas para uso ainda podem ser montadas com um processo de enrolamento automatizado, ou um enrolamento personalizado pode ser projetado para sistemas de energia inovadores.

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