I trasformatori funzionano secondo principi di induzione elettromagnetica, comprendenti due o più avvolgimenti e un nucleo di ferro (o aria).genera un campo magnetico variabileQuesto campo induce la forza elettromotrice nella avvolgimento secondaria secondo la legge di Faraday dell'induzione. La trasformazione della tensione avviene attraverso le regolazioni del rapporto di rotazione della avvolgimento.

La legge di Faraday afferma che la forza elettromotrice indotta in un circuito chiuso è uguale al tasso negativo di cambiamento del flusso magnetico attraverso il circuito:

ε = -N dΦ/dt

Dove ε rappresenta la forza elettromotrice indotta, N indica i giri della bobina e Φ il flusso magnetico.

• Sviluppi di carica:Coili di filo isolati che generano e ricevono forza elettromotrice, composti da circuiti primari (input) e secondari (output).
• Il nucleo:Materiale ad alta permeabilità che guida il flusso magnetico per migliorare l'efficienza dell'accoppiamento e ridurre al minimo le perdite di energia.
• Isolamento:Materiali dielettrici che impediscono cortocircuiti e correnti di perdita.
• Conclusione:Alloggiamento protettivo che offre supporto meccanico e dissipazione termica.

I nuclei dei trasformatori hanno tre finalità essenziali:

1. Guida del flusso magnetico:I materiali ad alta permeabilità concentrano il flusso attraverso gli avvolgimenti, migliorando l'efficienza dell'accoppiamento.
2. Supporto di avvolgimento:Fornisce l'integrità strutturale per prevenire la deformazione della bobina.
3. Riduzione delle perdite:La progettazione e i materiali del nucleo ottimali riducono al minimo le perdite di corrente eddy e di isteresi, migliorando l'efficienza.

Esistono tre tipi primari di nucleo in base alla composizione del materiale:

Utilizzati prevalentemente nei sistemi di alimentazione, questi utilizzano sottili laminazioni in acciaio al silicio.

• Alta permeabilità magnetica per una guida efficace del flusso
• Basso coercivo che riduce le perdite di isteresi
• Risistenza elevata che riduce al minimo le correnti di vortice

Le lamiere di acciaio isolate sono impilate per ridurre ulteriormente le perdite di corrente di vortice limitando i percorsi di circolazione.

• Alta efficienza (in genere 95-99%)
• Capacità di gestione di potenza elevata ( gamma di megawatt)
• Produzione conveniente

• Dimensioni fisiche ingombranti
• Peso sostanziale
• Performance di alta frequenza scadente

sistemi di trasmissione e distribuzione dell'energia, compresi:

• Impianti di produzione di energia elettrica (aumento di tensione)
• Sottostazioni (dispensione di tensione)
• Apparecchiature industriali pesanti

Questi non hanno materiali ferromagnetici e si basano esclusivamente su un accoppiamento magnetico avvolgente.

• Isolamento elettrico superiore
• Perdite di base trascurabili
• Costruzione leggera
• Ottima risposta ad alta frequenza

• Riduzione dell'efficienza da accoppiamento inferiore
• Capacità di potenza limitata
• Suscettibilità alle interferenze magnetiche esterne

Applicazioni specializzate che richiedono:

• Corrispondenza dell'impedenza del circuito RF
• Isolamento del segnale delle apparecchiature audio
• Dispositivi di rilevamento del campo magnetico

Questi utilizzano materiali ceramici di ferrite (composti di ossido di ferro con nichel, manganese o zinco).

• Alta permeabilità con stabilità di frequenza
• Resistenza estremamente elevata
• Basse perdite ad alta frequenza
• Forme di fabbricazione versatili

• Dimensioni compatte
• Massa ridotta
• Funzionamento ad alta frequenza superiore
• Buona efficienza ad alta frequenza

• Densità di flusso di saturazione inferiore
• Funzionamento sensibile alla temperatura
• Costi dei materiali più elevati

Sistemi elettronici e di comunicazione che comprendono:

• Forniture di alimentazione in modalità interruttore
• Isolamento del segnale del dispositivo elettronico
• Suppressione delle interferenze RF
• Invertitori ad alta frequenza

La selezione di base prevede la valutazione:

• Requisiti di applicazione:I sistemi di alimentazione danno la priorità all'efficienza e alla capacità, mentre l'elettronica pone l'accento sulla dimensione e sulla risposta di frequenza.
• Frequenza operativa:I nuclei laminati si adattano alle frequenze di potenza (50/60Hz), i ferriti eccellono a kHz-MHz e i nuclei d'aria gestiscono le frequenze più elevate.
• Obiettivi di efficienza:Le applicazioni energetiche richiedono materiali a bassa perdita.
• Limitazioni fisiche:I dispositivi portatili richiedono un design compatto e leggero.
• Considerazioni termiche:Le proprietà del materiale devono rimanere stabili a tutte le temperature di esercizio.
• Requisiti EMC:Alcune applicazioni richiedono un minimo di interferenze elettromagnetiche.

Le tendenze emergenti includono:

• Materiali avanzati:Leghe nanocristalline e amorfe con proprietà magnetiche superiori.
• Ottimizzazione del design:Modellazione computazionale per un accoppiamento magnetico migliorato e perdite ridotte.
• Integrazione intelligente:Sensori incorporati per il monitoraggio delle prestazioni in tempo reale.
• Miniaturizzazione:Core compatti per elettronica portatile.
• Adattamento ad alta frequenza:Core che supportano le frequenze di commutazione dell'elettronica di potenza.

I nuclei dei trasformatori determinano fondamentalmente le prestazioni dei dispositivi in termini di efficienza, dimensioni, peso e parametri di costo.La selezione ottimale richiede un'attenta analisi dei requisiti operativi e delle condizioni ambientaliLe continue innovazioni nei materiali e nella progettazione promettono prestazioni migliorate per soddisfare le esigenze in evoluzione di potenza e sistemi elettronici.