Neste post vamos ver como fazer simulação de transformadores com LTSpice. Com as informações apresentadas aqui também será possível fazer a simulação de indutores acoplados.
Transformadores são máquinas elétricas estáticas e reversíveis, ou seja, são máquinas elétricas que não produz nenhum movimento, ou conversão de energia elétrica em movimento, ou energia mecânica, como nos motores elétricos. São reversíveis pois se um transformador for foi projetado para converter uma tensão de 120 Vac em 12 Vac, quando alimentamos o primário com 120 Vac vamos obter no secundário 12 Vac, e caso alimentarmos o secundário com 12 Vac vamos obter 120 Vac no primário.
Os transformadores convertem energia elétrica em energia eletromagnética, que por sua vez é convertida novamente em energia elétrica. Os transformadores podem funcionar como elevadores de tensão, abaixadores de tensão ou até mesmo como isoladores para evitar choques elétricos.
Os transformadores nada mais são do que dois indutores acoplados através de um núcleo, que através da variação do fluxo eletromagnético gerado por uma bobina produza na segunda bobina uma tensão proporcional ao número de espiras.
Existem muitas equações, e detalhes construtivos a respeito de transformadores que não serão tratados neste post, o objetivo é mostrar como simular transformadores e a partir disso facilitar a simulação, por exemplo, de fontes de alimentação ou conversores DC/DC.
Abaixo são apresentados as equações para cálculo de relação de espiras, tensão e corrente de primário e secundário de um transformador ideal:
Entretanto, no ambiente de simulação utilizamos o valor da indutância e não configuramos o número de espiras ou tensão de entrada e saída de um transformador. Para isso vamos utilizar a equação a seguir como base para que possamos simular o nosso transformador.
Agora vamos para simulação.
Simulação de transformadores com LTSpice
Vamos supor que desejamos simular um transformador com duas bobinas simples, e que precisamos que a tensão de entrada seja de 120 Vac e a tensão de saída seja de 12 Vac. Para adicione dois indutores, uma fonte de alimentação e um resistor de carga, como mostrado abaixo.
Para calcular o valor da indutância, vamos definir o valor de L1 como sendo de 10 mH.
Para calcular L2 devemos dividir 120 por 12 e elevar ao quadrado, vamos obter 100, agora devemos dividir 10 mH por 100 para encontrar o valor da indutância de L2, que será de 100 uH.
Agora podemos definir os valores dos componentes para simulação. Clicando com o botão direito em cima do componente podemos definir os seus valores. No indutor L1 é importante definir um valor de resistência em série para que não ocorra nenhum erro de simulação, como mostrado abaixo.
Simulando o circuito por 100 milisegundos, obtemos o seguinte resultado.
É possível observar que não obtemos nenhuma tensão em Vout, ou seja, o nosso transformador não está funcionando.
Para que a simulação funcione adequadamente é necessário adicionar um parâmetro de simulação como mostrado na figura abaixo.
O parâmetro K diz que os indutores L1 e L2 são acoplados e o número 1 no final do parâmetro diz que o fator de acoplamento é igual a 1, ou seja, temos um acoplamento de 100 %.
Para simular mais de um transformador podem ser adicionados mais parâmetros, como K1, K2, K3, …, Kn.
Abaixo é mostrado a simulação de um transformador com derivação central.
Conclusão
Neste post vimos como fazer a simulação de transformadores com LTspice, com isso podemos fazer o projeto de fontes de alimentação lineares, projetos onde temos indutores acoplados, como por exemplo em conversores DC/DC. A simulação é uma ferramenta muito importante no projeto de circuitos eletrônicos, pois permite validar o funcionamento, verificar possíveis modo de falha e dimensionar os circuitos de acordo com as necessidades.
Isso é tudo pessoal, e até o próximo post.
Referências: