Projeto de Amplificador Valvulado/Transformador de força

Transformador Caseiro DIY

Projetar um transformador de força não é uma tarefa trivial e exige cálculos de engenharia eletrônica, por outro lado alguns cálculos podem ser simplificados, em um passo a passo para que um hobista possa calcular e montar um transformador de força e usar em suas montagens, os autores deste guia são montadores de amplificadores de áudio, especialmente entusiastas de amplificadores valvulados, por muitas vezes transformadores para valvulados são difíceis de encontrar nas prateleiras dos comércios especializados em eletrônica, temos então que recorrer a fabricantes especializados, tenha em mente que encomendar um transformador com fabricante especializado é a melhor solução prática e econômica. Este guia é para os aventureiros que dispensam a praticidade e economia, que aceitam os desafios e buscam aprender com as dificuldades, é importante salientar que projetar e montar um transformador em casa exige destreza com trabalhos manuais e intimidade com cálculos matemáticos, intimidade com cálculo usando as “Leis de Ohm” podemos lançar mão de ferramentas necessárias para isso, construindo bobinadeiras manuais, usando planilhas e calculadora.

Projetar e construir um transformador de força ou transformador elétrico envolve várias etapas e é importante considerar cuidadosamente as especificações desejadas e os requisitos de segurança.

Calcular o transformador em 6 etapas:

Aqui estão as etapas gerais para fazer um transformador elétrico, para simplificação dos cálculos vamos determinar alguns valores para os mais comuns:

Determine a finalidade e as especificações do transformador. Considerando fatores como requisitos de tensão e corrente, frequência, potência nominal e restrições de tamanho, na maioria das vezes construímos transformadores de baixa potência, usando chapas “E I”, a frequência padrão da rede elétrica brasileira é 60hz.  É importante nessa etapa levantar todas as cargas que o transformador irá suportar, Correntes, Tensões e determinar a Potência total consumida, o datasheet das válvulas pode auxiliar nessa etapa.

Cálculo do núcleo do transformador. O material do núcleo deve ter uma alta permeabilidade magnética e baixa perda por histerese, e a geometria do núcleo deve ser projetada para minimizar o vazamento de fluxo e as perdas por correntes parasitas. Para montagem caseira do transformador, chapas “E I” são a melhor escolha, se for transformador de força ou audio push-pull as chapas devem ser entrelaçadas, para trafos SE (single ended) as chapas são montadas de modo alinhado com um pequeno gap feito com papelão ou fita de poliéster. As chapas mais abundantemente distribuídas no comércio  são as chapas de grão não orientado, com permeabilidade magnética entre 9000 e 11000 Gauss dependendo do fabricante, determinamos uma média de 10000 Gauss para nossos cálculos.

Projete os enrolamentos. Os enrolamentos primário e secundário devem ser projetados para atender aos requisitos de tensão e corrente, e devem ser isolados e protegidos contra sobrecarga.

Faça um cálculo de teste, calcule se se os fios, chapas e enrolamentos são possíveis em um transformador prático, caso os enrolamentos não caibam no carretel aumenta-se o tamanho do núcleo e carretel e inicia-se novamente todos os cálculos.

Monte o transformador. Isso envolve colocar o núcleo e os enrolamentos em um invólucro adequado e fazer as conexões elétricas conforme necessário.

Teste o transformador para garantir que ele atenda às especificações desejadas e aos requisitos de segurança. Uma lâmpada série ajudará caso haja algum problema na montagem do transformador. Depois de testado pode-se executar o banho de verniz, isso ajudará a fixar as espiras e chapas no lugar.

Passo 1 - Determinar a finalidade e especificações do transformador

Nada melhor como um exemplo prático para entender o processo de projeto e construção de um transformador de força, nosso exemplo será o esquema do amplificador totalmente valvulado Fender modelo Champ 5F1, muito popular entre os montadores DIY (Do It Yourself, Faça Você Mesmo). Fizemos uma pequena modificação (MOD) no esquema original trocamos a válvula 5Y3GT por dois diodos de silício 1N4007, com essa MOD temos uma economia de cerca de USD$60,00 (sessenta dólares) preço atual dessa válvula retificadora.

Segue na Fig.1 e Fig.2 o esquema elétrico:

Consultando a datasheet das valvulas 6V6GT e da 12AX7 temos:

Tube: 6V6GT (pentodo)

Filamento: 6.3V x 0.5A x 3.2W

Placa: 250V (315Vmax) x 5.5W (10Wmax)

Impedância carga placa: 5000R

Tube: 12AX7 ou ECC83 (duplo triodo)

Filamento: 6.3V x 0.3A x 1.9W

Placa: 250V (300Vmax) x 1W

Impedância carga placa: 62500R

Para cálculo da potência temos:

P = U * I

( potência em Watts é igual a tensão em Volts vezes a corrente em Amperes)

Logo a potência total do transformador será a soma das potências individuais e adicionamos 20% de para suprir as perdas no transformador:

P= (6,3*0,45 + 250*0,052 + 6,3*0,3 + 250*0,002)*1,2 = 21,87W

As especificações do transformador de força são:

Potência P= 21,87W

(Enrolamento primário 1) EP1= 120V

(Enrolamento primário 2) EP2= 120V

Cálculo corrente Primário em 240V(soma dos dois enrolamentos), pela lei de ohm temos:

I = P/U

( Corrente em Amperes é igual a Potência em Watts dividido pela tensão em Volts)

Logo:

I = 21,87W / 240V = 0,091A

(Enrolamento Secundário 1) ES1= 6,3V x 0,8A

(Enrolamento Secundário 2) ES2= 250V x 0,027A ( em enrolamentos com center tap, cada enrolamento supre metade da corrente)

(Enrolamento Secundário 3) ES3= 250V x 0,027A

Temos então as especificações do transformador:

P= 21,87W Potência

EP1= 120V x 0,091A (Enrolamento primário 1)

EP2= 120V x 0,091A (Enrolamento primário 2)

ES1= 6,3V x 0,8A (Enrolamento Secundário 1)

ES2= 250V x 0,027A (Enrolamento Secundário 2)

ES3= 250V x 0,027A (Enrolamento Secundário 3)

Passo 2 - Cálculo do núcleo do transformador

O tipo de transformador mais fácil de montar em uma montagem caseira é o com núcleo de ferro com “Grão Não Orientado” (G.N.O.) chapas do tipo “E I”, vamos focar no tipo mais comum de transformadores para simplificação de cálculos e projeto.

Em um transformador elétrico a área da secção da perna central do empilhamento das chapas “E” é que determina a potência do transformador. A Área da Secção (S) é obtida multiplicando o tamanho da perna Central ( A) pela altura do empilhamento de chapas (B), ou seja,  S = A x B.

Quanto maior a potência que precisamos para nosso projeto, maior será o núcleo do transformador, e maior e mais pesado será o transformador. O tamanho do transformador também depende da frequência a que o transformador será submetido, a rede elétrica brasileira possui frequência padrão de 60Hz.

Vamos calcular a Área da Secção do núcleo = S para nosso exemplo prático, temos a seguinte fórmula:

S =8 Pf então substituindo os valores:

S =8 21,8760

S = 4,83cm²

Lembrando que esse valor é a área da secção da perna central das chapas “E”, extraindo a raiz quadrada desse valor procuramos por uma chapa de tamanho comercial:

S= A B =4,83 =2,2 2,2cm

Consultando tabela de chapas o valor mais aproximado é A=2,54 e empilhamento também B=2,54cm, com os valores comerciais de chapas e carretel recalculamos a Área da Secção do núcleo da perna central da chapa “E”

S=AB=2,542,54=6,45cm²

S=6,45cm²

Passo 3 - Cálculo dos enrolamentos do transformador

Conhecendo-se o tamanho do núcleo podemos obter a relação de espiras por volt, com essa relação calculamos todos os enrolamentos:

Esp/volt=1(10-82 fBmaxS)

sendo =3,14  f=60Hz e Bmax=10000Gauss

Esp/volt=1(0,0266S)=5,82 número inteiro mais próximo = 6

Esp/volt = 6 logo:

EP1= 120V x 6 = 720 Esp (Espiras)

EP2= 120V x 6 = 720 Esp

ES1= 6,3V x 6 = 38 Esp

ES2= 250V x 6 = 1500 Esp

ES3= 250V x 6 = 1500 Esp

Passo 4 - Verificação do Carretel e Ajustes Necessários

Neste passo, precisamos garantir que todas as espiras calculadas caibam fisicamente no carretel e que os fios utilizados sejam apropriados para as correntes envolvidas. Caso contrário, ajustes serão necessários.

Primeiro, vamos verificar se a seção do carretel comporta todas as espiras. Para isso, precisamos conhecer as dimensões do carretel e a espessura do fio utilizado. Suponhamos que o carretel tenha dimensões de largura (L) e altura (H) de 2,54 cm cada, correspondente ao núcleo calculado anteriormente.

Vamos considerar a espessura dos fios de cobre esmaltado (bitola) a ser utilizada para cada enrolamento, de acordo com as correntes envolvidas:

• Enrolamento Primário (EP1 e EP2): Corrente de 0,091A. Um fio de 0,25 mm² é suficiente para essa corrente, com diâmetro aproximado de 0,5 mm.
• Enrolamento Secundário 1 (ES1): Corrente de 0,8A. Um fio de 0,75 mm² é apropriado, com diâmetro de cerca de 1,0 mm.
• Enrolamento Secundário 2 e 3 (ES2 e ES3): Corrente de 0,027A cada. Fio de 0,2 mm² é adequado, com diâmetro de cerca de 0,45 mm.

Agora, calculamos o espaço necessário para cada enrolamento no carretel. Vamos verificar a altura do empilhamento de espiras:

Para EP1 e EP2 (cada um):

• Espessura do fio = 0,5 mm
• Número de espiras = 720
• Altura total = 720 * 0,5 mm = 360 mm = 3,6 cm

Para ES1:

• Espessura do fio = 1,0 mm
• Número de espiras = 38
• Altura total = 38 * 1,0 mm = 38 mm = 3,8 cm

Para ES2 e ES3 (cada um):

• Espessura do fio = 0,45 mm
• Número de espiras = 1500
• Altura total = 1500 * 0,45 mm = 675 mm = 6,75 cm

Se os enrolamentos não couberem, como parece ser o caso aqui, precisaremos aumentar o tamanho do núcleo e do carretel, ou reorganizar os enrolamentos de forma mais eficiente (por exemplo, dividindo os enrolamentos em camadas e seções).

Passo 5 - Montagem do Transformador

Com as dimensões ajustadas, procedemos à montagem:

1. Preparação do Carretel: O carretel deve ser preparado com separadores de isolamento para cada camada de enrolamento.
2. Enrolamento Primário (EP1 e EP2): Enrolamos 720 espiras de fio de cobre esmaltado, garantindo que cada camada seja bem ajustada e separada por uma camada de papel isolante.
3. Enrolamento Secundário (ES1, ES2, e ES3): Enrolamos os secundários da mesma forma, garantindo o isolamento entre camadas e diferentes secundários.
4. Montagem do Núcleo: Após os enrolamentos, o núcleo "E I" é montado. Para transformadores push-pull, entrelaçamos as chapas E e I; para transformadores single-ended, usamos um pequeno gap entre as chapas com papel isolante.

Passo 6 - Teste e Finalização

Finalmente, testamos o transformador:

1. Teste de Continuidade: Verificamos a continuidade e ausência de curtos entre os enrolamentos com um multímetro.
2. Teste de Funcionamento: Ligamos o transformador à rede elétrica com uma lâmpada em série para detectar possíveis problemas iniciais.
3. Teste de Carga: Conectamos o transformador ao circuito do amplificador valvulado e medimos as tensões nos secundários sob carga para garantir que estão dentro das especificações.
4. Envernizamento: Após a validação funcional, o transformador é imerso em verniz isolante para fixar as espiras e melhorar a resistência elétrica e mecânica.

Com esses passos concluídos, você terá um transformador de força funcional e adaptado às suas necessidades específicas. Lembre-se de seguir todas as normas de segurança ao lidar com eletricidade e componentes elétricos.