Introduzione ai trasformatori toroidali

A trasformatore toroidale è un tipo speciale di trasformatore elettrico con una forma a ciambella. I trasformatori toroidali offrono maggiore flessibilità di progettazione, efficienza e compattezza rispetto ai trasformatori tradizionali a guscio e nucleo. Sono la soluzione ideale per dispositivi e apparecchiature a bassa tensione (fino a 15 KVA) utilizzati in applicazioni mediche, industriali, di energia rinnovabile e audio.

Un trasformatore toroidale funziona secondo i principi dell'induzione elettromagnetica, come un trasformatore lineare. Presenta un nucleo toroidale circondato da avvolgimenti primari e secondari. Quando la corrente scorre nell'avvolgimento primario, produce una forza elettromagnetica (EMF) che genera una corrente nell'avvolgimento secondario; questo processo consente di trasferire energia dalla bobina primaria a quella secondaria.

Confronto tra trasformatori toroidali e trasformatori laminati convenzionali

I trasformatori toroidali sono noti per essere più leggeri e più piccoli rispetto ai trasformatori convenzionali.

Volume e peso

Tutti gli avvolgimenti di un trasformatore toroidale sono distribuiti simmetricamente sull'intero nucleo, il che rende la lunghezza dei fili molto ridotta. È inoltre possibile ottenere una densità di flusso più elevata poiché il flusso magnetico è nella stessa direzione di rotazione del nucleo orientato a grani, consentendo un notevole risparmio di volume e peso. Il filo può essere attraversato da una maggiore densità di corrente, poiché l'intera superficie del nucleo toroidale consente un raffreddamento efficiente degli avvolgimenti in rame. Le dimensioni ridotte lo rendono più utile per i prodotti elettrici compatti.

Efficienza

Il circuito magnetico ideale del toroide, insieme alla capacità di funzionare con una densità di flusso più elevata rispetto ai laminati E-I, riduce il numero di spire di filo necessarie e/o l'area della sezione trasversale del nucleo. Entrambi i vantaggi riducono le perdite. I trasformatori toroidali hanno in genere un'efficienza del 90-95%, mentre i laminati E-I hanno un'efficienza tipica inferiore al 90%. Negli ultimi anni si è prestata maggiore attenzione all'efficienza energetica delle apparecchiature elettriche. Sono state prese in considerazione leggi che incoraggiano standard minimi di efficienza per tutti i tipi di prodotti elettrici, tra cui spiccano le apparecchiature per l'illuminazione e i computer. I trasformatori toroidali saranno probabilmente un metodo per ottenere la conformità a questi nuovi standard di efficienza energetica.

Trasformatore Hum

Il ronzio udibile è causato nei trasformatori quando gli avvolgimenti e gli strati del nucleo vibrano a causa delle forze tra le spire e le laminazioni del nucleo. Inoltre, il ronzio aumenta con il passare del tempo quando le laminazioni iniziano ad allentarsi. Tuttavia, la costruzione dei trasformatori toroidali aiuta a smorzare il rumore acustico. Il nucleo è avvolto strettamente, saldato a punti, ricotto e rivestito di resina epossidica o isolato con nastro di Mylar. L'avvolgimento uniforme del nucleo non lascia spazi vuoti e quindi non ci sono fogli sciolti che vibrano, riducendo così il ronzio. Anche se il ronzio si sente all'accensione, si riduce a un livello più silenzioso dopo pochi secondi. Inoltre, l'alta qualità dell'acciaio elettrico legato al silicone a grani orientati rende la magnetostrizione molto bassa, consentendo di eliminare quasi completamente il ronzio.

Campo randagio

Il campo disperso nei trasformatori toroidali è inferiore di circa 85-95% rispetto ai trasformatori laminati convenzionali. Il raggiungimento di bassi livelli di campo disperso è una considerazione importante per il progettista di apparecchiature, poiché il fenomeno può creare disturbi indesiderati attraverso l'interferenza con l'elettronica sensibile. Un trasformatore toroidale offre generalmente una riduzione di 8:1 dei livelli di interferenza magnetica rispetto ai tradizionali trasformatori laminati.

Flessibilità dimensionale

I trasformatori toroidali offrono un elevato grado di flessibilità dimensionale rispetto ai trasformatori laminati tradizionali. I nuclei toroidali possono essere prodotti praticamente in qualsiasi diametro o altezza.

Corrente di magnetizzazione

Le perdite di ferro in un nucleo toroidale sono molto ridotte, in genere 1,1 W/kg a 1,7 Tesla e 50 Hz. Queste basse perdite di ferro si traducono in una corrente di magnetizzazione molto ridotta, che contribuisce ai valori di temperatura tipicamente eccellenti dei trasformatori toroidali. Ciò si traduce in una forte riduzione della perdita di potenza a vuoto, che rende il trasformatore toroidale molto efficiente.

Facilità di montaggio

Il montaggio standard per taglie fino a 1000 VA prevede una singola rondella di centraggio in metallo e una vite o un bullone di montaggio, rendendo l'installazione rapida e semplice.

Altri metodi di montaggio molto diffusi sono:

• Invasatura centrale in resina con inserti in ottone o foro passante
• Piastre di montaggio senza pressione
• Incapsulamento completo in alloggiamenti di plastica o metallo
• Montaggio su PCB (foro passante)
• Montaggio su guida DIN

Aree di applicazione dei trasformatori toroidali

I trasformatori toroidali possono essere progettati e prodotti secondo un'ampia gamma di specifiche per soddisfare numerose applicazioni. Di seguito sono riportati alcuni settori applicativi tipici e gli esempi prodotti da Talema per queste applicazioni.

Sistemi audio di alta gamma

Inverter e caricabatterie

Macchine per la saldatura

Test elettromeccanici

Sistemi HVAC per locomotive

Potenza industriale trifase