I trasformatori in elettronica

Il primo parametro che caratterizza l'energia elettrica è la tensione; in secondo luogo vengono la corrente disponibile e, quindi, la potenza. La maggior parte dei circuiti elettronici funziona con valori di tensione molto bassi, che vanno più o meno da pochi volt a qualche decina di volt. Poiché la tensione di rete disponibile nelle nostre case ha un valore troppo elevato (circa 230 V) nasce la necessità di ridurre sensibilmente tale valore.
Fortunatamente, la tensione di rete è una tensione alternata e questo rende possibile usare una macchina che è fondamentale nel campo elettrico: parliamo del trasformatore (figura 1).

Princìpi fisici del trasformatore

Il trasformatore è un dispositivo di tipo elettromagnetico, ovvero che funziona grazie alle proprietà dei campi magnetici e delle relative correnti indotte. Molto schematicamente, il trasformatore è costituito da un nucleo di materiale ferromagnetico, ovvero in grado di diventare sede di un flusso magnetico; intorno a tale nucleo vengono realizzati due distinti avvolgimenti di filo elettrico, detti primario e secondario.
L'avvolgimento primario di N₁ spire, collegato ad una tensione alternata V₁, viene percorso da corrente e genera nel nucleo un flusso magnetico Φ con le stesse caratteristiche di frequenza della tensione applicata. Grazie al flusso che si genera nel nucleo magnetico, nell'avvolgimento secondario, costituito da N₂ spire, nasce a sua volta una tensione indotta V₂, prelevabile ai capi dell'avvolgimento stesso.
Che valore hanno tali tensioni? Tutto dipende dal numero di spire di ciascun avvolgimento: avendo indicato con N₁ le spire dell'avvolgimento primario e con N₂ le spire del secondario, il rapporto fra le due tensioni è esattamente uguale al rapporto fra N₁ e N₂
Per fare un esempio concreto, supponiamo che le spire dell'avvolgimento primario siano N₁= 3460, e quelle del secondario siano N₂ = 180:
se colleghiamo l'avvolgimento primario ad una tensione V₁= 230 V e andiamo a misurare la tensione ai capi dell'avvolgimento secondario, vi troviamo un valore V₂ = 230 x N₂ / N₁ = 230 x 180 / 3460 = 12 V

Quanto descritto è possibile grazie ai fenomeni dell'induzione elettromagnetica; molto brevemente, un campo magnetico che varia genera in un conduttore immerso nel campo una corrente indotta che dipende dall'intensità del campo e dalla velocità con cui esso varia.

Frequenza di lavoro e dimensioni del trasformatore

Qualcuno adesso potrebbe chiedersi: se conta unicamente il rapporto fra le spire, perchè usarne 3460 per il primario e 180 per il secondario, e non, per esempio, la metà?
La risposta, semplice per quanto possibile, è che occorre fare in modo che l'avvolgimento primario sia adatto alla tensione cui lo si deve collegare. Con le tensioni alternate, ciò che determina l'assorbimento di corrente è il valore dell'impedenza: l'avvolgimento quindi deve avere un'impedenza sufficiente ad evitare che la corrente assorbita sia eccessiva.


Per quanto visto, un piccolo trasformatore deve necessariamente avere degli avvolgimenti formati da un maggior numero di spire, avvolte con filo di piccolo diametro; ne consegue che gli avvolgimenti presentano una resistenza più elevata e, quindi, possono fornire correnti più piccole e con maggior caduta di tensione.

Dall'espressione già vista, e cioè e = 4,44 f Φ, deriva che aumentando la frequenza è possibile realizzare avvolgimenti con meno spire; è in effetti ciò che succede nel caso degli alimentatori switching, che vengono fatti lavorare a frequenze molto elevate, dell'ordine delle centinaia di kHz. La tensione di rete in entrata viene prima raddrizzata e convertita in tensione continua; successivamente un oscillatore provvede a creare una tensione alternata ad alta frequenza, che viene agevolmente portata alla tensione desiderata tramite trasformatori che possono essere molto piccoli e leggeri.
Purtroppo, all'aumentare della frequenza, le perdite nel nucleo per correnti parassite aumentano in modo inaccettabile; diventa allora necessario realizzare il nucleo con materiali particolari, come le ferriti e le polveri di ferro pressate, dove, grazie ad un legante isolante, i singoli granelli rimangono elettricamente separati l'uno dall'altro.

Tipi di trasformatori

In commercio esistono diversi tipi di trasformatori, ciascuno più o meno adatto ad un certo tipo di impiego; naturalmente, poiché credo che pochi di noi si dilettino con alimentatori switching, parleremo in questo caso dei comuni trasformatori fatti per funzionare a 50 Hz.
La prima differenza consiste nel tipo di nucleo utilizzato.
I trasformatori classici utilizzano un nucleo composto da tanti lamierini sottili, fra loro isolati, affiancati fino ad ottenere lo spessore richiesto; la divisione della sezione del nucleo in tante lamine permette di ridurre la formazione di correnti parassite.
Trasformatori relativamente più recenti sono quelli detti "toroidali", a causa della forma del nucleo utilizzato; si tratta in questo caso di un nucleo in ferrite, che può essere realizzato come blocco unico, oppure in due pezzi che vengono poi assemblati e bloccati l'uno contro l'altro. A parità di potenza, il trasformatore toroidale risulta più piccolo e leggero, e produce un flusso disperso quasi nullo.

Per piccole potenze, come ad esempio per alimentare strumenti di misura, risultano molto convenienti i trasformatori "incapsulati" (cosiddetti perché affogati in un blocco di resina); hanno pin di uscita per circuiti stampati e si trovano spesso in offerta a pochi euro presso le grandi catene di distribuzione in rete.

Un'altra differenza si riscontra nel numero degli avvolgimenti. Mentre il primario è quasi sempre uno solo, gli avvolgimenti secondari possono essere anche due o più, ed avere delle prese aggiuntive.
In figura 3 vediamo alcuni casi:
- Il trasformatore più comune è quello con secondario unico; per raddrizzare la tensione alternata sono necessari quattro diodi nella classica configurazione a ponte.
- In alcuni trasformatori il secondario ha una presa centrale, che in genere corrisponde ad un valore di tensione intermedio; per esempio, in un trasformatore indicato come 12-0-12, troviamo una tensione di 12V fra un estremo ed il centro, ed altrettanto fra il centro e l'altro estremo; in questo caso è possibile raddrizzare la tensione alternata usando due soli diodi.
- Il trasformatore con due secondari separati è quello che consente la maggiore elasticità d'impiego.

Nell'esempio di figura 4 (immagine a) si ipotizza un trasformatore con due secondari, ciascuno da 12 V e in grado di fornire una corrente di 0,5 A:
- nel caso indicato con b i due secondari sono collegati in serie, ottenendo una tensione doppia (24V) con una corrente sempre di 0,5A;
- nel caso indicato con c invece i due secondari sono collegati in parallelo, mantenendo la tensione di 12 V, ma potendo così contare su una corrente doppia (e cioè di 1 A).

Un altro notevole vantaggio del trasformatore è che esso, pur trasferendo energia da un circuito primario ad un circuito secondario, permette di mantenere i due circuiti completamente isolati dal punto di vista elettrico; il trasferimento di energia avviene infatti grazie unicamente ad un concatenamento magnetico.

Come si riconoscono gli avvolgimenti di un trasformatore

Disponendo di un trasformatore che magari è rimasto chiuso nel cassetto per anni, o che nemmeno ricordavamo di avere, può succedere che nasca qualche dubbio su quali siano i morsetti da collegare alla tensione di rete.
A questo scopo è importante ricordare che l'avvolgimento primario di un trasformatore progettato per funzionare a 230 Vac ha una resistenza che consente di distinguerlo senza alcun dubbio dagli avvolgimenti a bassa tensione. Mentre questi ultimi hanno una resistenza di pochi ohm, la resistenza dell'avvolgimento primario assume valori che possono spaziare dalle decine alle centinaia di ohm. In genere, maggiore è la potenza del trasformatore, minore è la resistenza del primario: per un trasfromatore da 200 VA potrà capitare di leggere valori di 10 ohm o poco più, mentre per trasformatori da 30 o 50 VA troveremo valori fra 30 e 50 ohm; trasformatori più piccoli, per esempio quelli incapsulati, possono presentare reistenze anche superiori ad 1 kohm.
Muniti quindi di un buon tester, lo disponiamo sulla misura di resistenza, per un valore massimo di 2 kohm; con i puntali dobbiamo poi toccare, in tutte le combinazioni possibili, i vari fili (o morsetti), e prendere nota dei valori letti.
Come esempio, immaginiamo di avere un trasformatore come quello di figura 6:
- mettiamo i puntali sui morsetti 1 e 2: leggiamo 0,8 ohm
- con i puntali fra 1 e 3, leggiamo 1,6 ohm
- con i puntali fra 1 e 4: troviamo aperto (non c'è continuità elettrica)
- con i puntali fra 1 e 5: come sopra, non c'è continuità elettrica - con i puntali fra 4 e 5: leggiamo 65 ohm
Poiché il valore più alto risulta fra i morsetti 4 e 5, e si tratta di un valore corrispondente ad un avvolgimento ad alta tensione, concludiamo che tali morsetti sono quelli da collegare alla rete.


Fate ora attenzione al rumore: se sentite vibrare in modo eccessivo, staccate subito, perché qualcosa non va. Nel caso che non si notino comportamenti sospetti, lasciate il trasformatore così collegato per circa un quarto d'ora, e verificate di tanto in tanto se tende a scaldare in modo sensibile; se la temperatura non cambia, potete procedere, col tester su misura di tensioni alternate, a verificare le tensioni di uscita sugli altri terminali.
Nel caso di figura 6, avendo trovato fra 1 e 3 un valore doppio rispetto a 1 e 2, è lecito pensare che 1 e 3 siano i terminali dell'avvolgimento secondario e che, il morsetto 2, sia la presa centrale di tale avvolgimento.

Chi volesse esagerare, alla ricerca di ulteriori conferme, può provare a misurare la corrente assorbita dal primario a vuoto, cioè quando sul secondario non è collegato alcun carico. Purtroppo la maggior parte dei tester economici non consente la misura delle correnti alternate; in tal caso, potete mettere il tester su misura di tensioni alternate, nella portata più bassa che trovate, e procedere come illustrato in figura 7: si tratta di interporre, su uno dei fili di rete, una resistenza R da 1 ohm; misurando la tensione ai capi della resistenza, avrete immediatamente il valore della corrente che la sta attraversando (se per esempio leggete 0,12 V, vuol dire che la corrente è di 0,12 A).
Valori normali per la corrente a vuoto sono più o meno compresi fra 50 e 100 mA.

Potenza di un trasformatore

Un trasformatore è caratterizzato non solo dalle tensioni che fornisce in uscita sugli avvolgimenti secondari, ma anche dalla sua potenza, che è poi strettamente correlata alla massima corrente erogabile.
Se un trasformatore viene classificato come 12VA (leggere Voltampere), significa che un secondario a 12V potrà fornire una corrente massima di 1 A; lo stesso trasformatore, avendo un diverso numero di spire sul secondario, potrebbe fornire per esempio 6 V con 2 A di corrente.
Come ovvio, quindi, la potenza di un trasformatore è data dal prodotto della tensione di uscita per la corrente che esso può fornire.
Occorre fare attenzione nei casi in cui i secondari siano più di uno, poichè la potenza totale dichiarata va intesa come somma della potenza disponibile sui vari avvolgimenti. Un trasformatore con due avvolgimenti, uno da 9V e 0,5 A ed un altro da 12V e 0,8 A, verrebbe classificato come trasformatore da 14 VA; se però a voi interessa usare solo l'avvolgimento da 9V, la potenza su cui potrete contare sarà solo di 4,5 VA, a causa della sezione dei fili che costituiscono l'avvolgimento.

In effetti, i fattori che determinano la potenza che un trasformatore può fornire sono:
- le caratteristiche del nucleo magnetico, ovvero le dimensioni ed il materiale, che determinano la massima induzione consentita e, di conseguenza, il flusso massimo che può instaurarsi nel nucleo
- la sezione dei fili usati per gli avvolgimenti
In linea generale, con l'aumentare della potenza aumentano le dimensioni ed il peso dei trasformatori; per i trasformatori destinati ai circuiti di tipo switching entrano tuttavia in gioco anche altri parametri, che potrebbero inficiare quanto precedentemente affermato.

Come si collega un trasformatore

Per concludere, in figura 8 sono riportati i principali schemi usati per raddrizzare una tensione alternata. Come esempio si è ipotizzato un trasformatore con uscita 12 Vca; in relazione a tale esempio, dobbiamo considerare che una tensione alternata V_ca avente valore efficace di 12 V, dopo essere stata raddrizzata e livellata con un condensatore, assume un valore V_cc = V_ca x 1,41 - 0,7 = circa 16 V (essendo 1,41 il valore di cresta dell'onda sinusoidale e 0,7V la caduta di tensione sui diodi raddrizzatori)
1) Il primo schema a sinistra è quello classico che utilizza quattro diodi
2) al centro vediamo lo schema attuabile quando il trasformatore è dotato di presa centrale; si utilizzano due diodi mentre dalla presa centrale si deriva la tensione zero (massa o ground del circuito)
3) lo schema di destra si usa con trasformatore a presa centrale quando è necessario disporre di un'alimentazione duale, ovvero di una tensione positiva e di una negativa, riferite ad uno zero centrale.