Diferença entre transformador e autotransformador

Esse artigo mostra a diferença entre transformadores e autotransformadores.

Transformadores – isolação

O transformador transfere a energia entre dois circuitos através de um campo magnético, sem haver necessariamente um condutor elétrico entre esses dois circuitos. Isso permite que um circuito alimente ou controle outro de forma isolada, ou mais precisamente, com isolação galvânica entre os dois.

A imagem acima mostra de forma simplificada o funcionamento de um transformador. A corrente do circuito primário gera um campo magnético. Esse campo magnético, por sua vez, gera tensão (Volts) no circuito secundário. A corrente não passa diretamente de um circuito para o outro.

Autotransformadores

O autotransformador tem o funcionamento bastante semelhante ao transformador, com a diferença de que os dois circuitos estão ligado na mesma bobina.

A imagem acima mostra de forma simplificada o funcionamento de um autotransformador. A mesma bobina é alimentada pelo circuito primário e fornece corrente para o circuito secundário.

Onde usar

O autotransformador, por usar uma bobina compartilhada entre o primário e secundário, requer menos condutores e permite o uso de um núcleo menor, o que se traduz em um transformador de tamanho menor e mais barato.

A diferença de tamanho entre um transformador e um autotransformador com as mesmas tensões e potência depende da diferença entre a tensão de primário e secundário. Quanto menor a diferença, menor o tamanho e preço do autotransformador. Quando a diferença entre as tensões é muito grande (3:1 ou mais, por exemplo) a aplicação do autotransformador já não é vantajosa e o transformador é usado.

Por ser mais barato, o autotransformador sempre é preferido quando não há necessidade de isolação entre circuitos e a diferença de tensão não é muito elevada.

O transformador é usado quando não compensar o uso do autotransformador devido à elevada diferença entre tensões, quando há necessidade de isolação, ou quando há a necessidade de filtragem de harmônicas de alta frequência. Na sequência são explicadas as vantagens da isolação e filtragem.

Transformador	Autotransformador
Há necessidade de isolação	Não há necessidade de isolação
Diferença de tensão > 3:1	Diferença de tensão < 3:1
Necessidade de filtragem de harmônicas	Não há necessidade de filtragem de harmônicas

Isolação galvânica

A isolação galvânica entre primário e secundário de um transformador pode ser necessária para evitar um curto circuito no circuito secundário ou para aumentar a segurança na operação do equipamento alimentado pelo secundário.

Curto circuito primário-secundário: Ao isolar o circuito secundário do primário, podemos conectar o circuito secundário a um terceiro circuito qualquer sem o risco de haver curto circuito. Vamos ilustrar isso através de um caso hipotético usado um autotransformador e um transformador. No caso ilustrativo temos uma máquina que precisa ser alimentada em 127V, e um dos condutores da alimentação é aterrado. No local temos disponível apenas duas fases, com 220V entre elas.

Vamos primeiramente analisar o que aconteceria se usássemos um autotransformador para alimentar a máquina. As fases que alimentam o autotransformador em 220V fazem parte de um sistema trifásico, composto por três fases com 220V entre elas, e com 127V entre cada fase e o condutor de neutro. O condutor de neutro é aterrado no quadro de entrada da instalação elétrica, portanto, a tensão entre cada fase e o aterramento também é de 127V.No autotransformador, um dos terminais da bobina é comum ao primário e secundário, no desenho acima esse terminal está ligado na fase S. Ao aterrar um dos terminais do secundário, estaremos conectando a fase S ao aterramento, e ao fazer isso provocamos um curto-circuito, pois entre a fase S e o aterramento temos 127V. Ao tentar fazer essa conexão provavelmente o disjuntor no qual está ligada a fase S iria desarmar.

Agora vamos analisar o que acontece se usando um transformador para alimentar a máquina. No transformador não há condutor ligando a bobina do primário ao secundário, assim não há passagem de corrente entre os dois circuitos. No desenho acima, ao aterrar um dos terminais da bobina do secundário, esse terminal estará com uma tensão de 127V em relação à fase S, o que não é um problema, já que não há nenhuma ligação entre as bobinas que possa provocar a passagem de corrente.

Segurança: Se um transformador tiver o circuito primário ligado à rede e o secundário ligado a um painel ou equipamento, ao isolar o circuito secundário do primário, tiramos o circuito secundário do potencial da rede e impedimos a passagem de corrente entre primário e secundário, o que diminui os riscos caso haja alguma falha na isolação do equipamento ou painel. Vamos ilustrar isso através de um caso hipotético usado um autotransformador e um transformador. No caso ilustrativo temos um painel que precisa ser alimentado em 48V. No local temos disponível um neutro e uma fase com tensão de 127V entre eles. A isolação do painel contém uma falha, permitindo que a tensão de alimentação atinja a parte acessível ao operador.

Vamos primeiramente analisar o que aconteceria se usássemos um autotransformador para alimentar o painel. A fase que alimenta o autotransformador tem uma tensão de 127V em relação ao condutor de neutro. O condutor de neutro é aterrado no quadro de entrada da instalação elétrica, portanto, a tensão entre a fase e o aterramento também é de 127V.No autotransformador, um dos terminais da bobina é comum ao primário e secundário, no desenho acima esse terminal está ligado na fase R. Se houver uma falha na isolação do painel, o operador ao tocar na parte acessível faz contato com o circuito, que está ligado à bobina do secundário do transformador, assim sendo podemos considerar que o operador faz contato com a fase R. Considerando que o operador está aterrado pelo chão, ele estará submetido a uma tensão de 127V, entre a fase R e o aterramento, e por isso ocorrerá um choque elétrico.

Agora vamos analisar o que acontece se usando um transformador para alimentar o painel. No transformador não há condutor ligando a bobina do primário ao secundário, assim não há passagem de corrente entre os dois circuitos. No desenho acima, o operador ao fazer contato com os terminais da bobina do secundário, devido a uma falha na isolação do painel, não é submetido a um choque elétrico já que não há caminho para a passagem de corrente.

Filtragem

O transformador transfere a energia entre o circuito primário e o secundário através de um campo magnético. A corrente alternada aplicada ao primário gera o campo magnético variável, que induz tensão na bobina do circuito secundário.

Para melhorar a eficiência do transformador normalmente é usado um núcleo de uma liga de ferro para concentrar e amplificar o campo magnético. Na frequência da rede, que é de 60Hz no Brasil, normalmente é usado um núcleo de lâminas de ferro.

Como a corrente aplicada ao primário é alternada, ela está continuamente mudando a polaridade do campo magnético no núcleo do transformador, ou seja, mudando 60 vezes por segundo o lado em que fica o norte e o lado em que fica o sul do campo magnético.

O ferro que compõe o núcleo tem um tempo limitado de resposta quando a corrente na bobina do primário força-o a alterar seu estado de magnetização, e por isso mudanças muito rápidas na corrente podem não ser respondidas pelo ferro na mesma velocidade. Na frequência de 60Hz o ferro responde bem, porém a medida que a frequência da corrente aplicada aumenta, essa resposta vai piorando, e assim a corrente aplicada no primário deixa de fazer efeito e acaba não gerando tensão no secundário, funcionando como um filtro de altas frequências.

Esse efeito de filtragem pode ser positivo quando se desejar que componentes parasitas de alta frequência (harmônicas) sejam filtrados pelo transformador.

A imagem mostra, de forma exagerada, o efeito de filtragem de um transformador, atenuando componentes da alta frequência e aproximando a saída de um senóide pura, que é a tensão ideal.

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