Os transformadores operam com base nos princípios da indução eletromagnética, compreendendo dois ou mais enrolamentos e um núcleo de ferro (ou ar). Quando a corrente alternada flui através do enrolamento primário, ela gera um campo magnético variável. Este campo induz força eletromotriz no enrolamento secundário, de acordo com a Lei de Faraday da Indução. A transformação de tensão ocorre por meio de ajustes na relação de espiras.

A Lei de Faraday afirma que a força eletromotriz induzida em um circuito fechado é igual à taxa negativa de variação do fluxo magnético através do circuito:

ε = -N dΦ/dt

Onde ε representa a força eletromotriz induzida, N denota as espiras da bobina e Φ significa fluxo magnético.

• Enrolamentos: Bobinas de fio isoladas que geram e recebem força eletromotriz, compreendendo circuitos primários (entrada) e secundários (saída).
• Núcleo: Material de alta permeabilidade que guia o fluxo magnético para aumentar a eficiência do acoplamento e minimizar a perda de energia.
• Isolamento: Materiais dielétricos que evitam curtos-circuitos e correntes de fuga.
• Invólucro: Carcaça protetora que oferece suporte mecânico e dissipação térmica.

Os núcleos de transformadores servem a três propósitos essenciais:

1. Orientação do Fluxo Magnético: Materiais de alta permeabilidade concentram o fluxo através dos enrolamentos, melhorando a eficiência do acoplamento.
2. Suporte do Enrolamento: Fornece integridade estrutural para evitar a deformação da bobina.
3. Redução de Perdas: O projeto e os materiais ideais do núcleo minimizam as perdas por correntes parasitas e histerese, aumentando a eficiência.

Existem três tipos principais de núcleo com base na composição do material:

Usados predominantemente em sistemas de energia, estes empregam finas laminações de aço silício.

• Alta permeabilidade magnética para orientação eficaz do fluxo
• Baixa coercividade, reduzindo as perdas por histerese
• Resistividade elevada, minimizando as correntes parasitas

Folhas de aço isoladas são empilhadas para reduzir ainda mais as perdas por correntes parasitas, restringindo os caminhos de circulação.

• Alta eficiência (tipicamente 95-99%)
• Grande capacidade de manuseio de energia (faixa de megawatt)
• Fabricação econômica

• Dimensões físicas volumosas
• Peso substancial
• Desempenho deficiente em alta frequência

Sistemas de transmissão e distribuição de energia, incluindo:

• Usinas de geração de energia (aumento de tensão)
• Subestações (redução de tensão)
• Equipamentos industriais pesados

Estes não possuem materiais ferromagnéticos, dependendo apenas do acoplamento magnético do enrolamento.

• Isolamento elétrico superior
• Perdas no núcleo insignificantes
• Construção leve
• Excelente resposta em alta frequência

• Eficiência reduzida devido ao acoplamento mais baixo
• Capacidade de energia limitada
• Suscetibilidade a interferências magnéticas externas

Aplicações especializadas que exigem:

• Correspondência de impedância de circuito RF
• Isolamento de sinal de equipamentos de áudio
• Dispositivos de detecção de campo magnético

Estes utilizam materiais de ferrite cerâmica (compósitos de óxido de ferro com níquel, manganês ou zinco).

• Alta permeabilidade com estabilidade de frequência
• Resistividade extremamente alta
• Baixas perdas em alta frequência
• Formas de fabricação versáteis

• Tamanho compacto
• Massa reduzida
• Operação superior em alta frequência
• Boa eficiência em alta frequência

• Densidade de fluxo de saturação mais baixa
• Desempenho sensível à temperatura
• Custos de material mais altos

Sistemas eletrônicos e de comunicação, incluindo:

• Fontes de alimentação de modo chaveado
• Isolamento de sinal de dispositivos eletrônicos
• Supressão de interferência de RF
• Inversores de alta frequência

A seleção do núcleo envolve a avaliação de:

• Requisitos da Aplicação: Sistemas de energia priorizam eficiência e capacidade, enquanto a eletrônica enfatiza tamanho e resposta de frequência.
• Frequência Operacional: Núcleos laminados são adequados para frequências de energia (50/60Hz), ferrites se destacam em kHz-MHz e núcleos de ar lidam com as frequências mais altas.
• Metas de Eficiência: Aplicações críticas para a energia exigem materiais de baixa perda.
• Restrições Físicas: Dispositivos portáteis exigem projetos compactos e leves.
• Considerações Térmicas: As propriedades do material devem permanecer estáveis em todas as temperaturas de operação.
• Requisitos EMC: Algumas aplicações precisam de interferência eletromagnética minimizada.

As tendências emergentes incluem:

• Materiais Avançados: Ligas nanocristalinas e amorfas que oferecem propriedades magnéticas superiores.
• Otimização do Design: Modelagem computacional para acoplamento magnético aprimorado e perdas reduzidas.
• Integração Inteligente: Sensores embutidos para monitoramento de desempenho em tempo real.
• Miniaturização: Núcleos compactos para eletrônicos portáteis.
• Adaptação de Alta Frequência: Núcleos que suportam frequências de comutação de eletrônica de potência.

Os núcleos de transformadores determinam fundamentalmente o desempenho do dispositivo em todos os parâmetros de eficiência, tamanho, peso e custo. Os transformadores de ferro laminado, núcleo de ar e ferrite servem cada um a aplicações distintas. A seleção ideal requer uma análise cuidadosa dos requisitos operacionais e das condições ambientais. As contínuas inovações em materiais e design prometem um desempenho aprimorado para atender às crescentes demandas de energia e sistemas eletrônicos.