Identificare un Trasformatore Sconosciuto: Spire, Potenza e Riavvolgimento
Introduzione
Il trasformatore senza sigla nel cassetto è una situazione che capita a chiunque abbia recuperato un apparecchio. Le domande sono sempre le stesse: che tensione dà, quanta corrente regge, e ci posso avvolgere un secondario diverso. Le altre pagine di questo sito vanno dal progetto al pezzo; questa fa il percorso opposto, dal pezzo ai numeri, e usa solo un calibro, un tester, una bilancia e un metro di filo sottile.
Il perno di tutto è la spira di prova. Se avvolgete dieci spire di filo qualsiasi nella finestra e misurate la tensione che ci compare mentre un avvolgimento è eccitato, avete i volt per spira di quel nucleo. Dividendo la tensione applicata per quel numero ottenete quante spire ha l’avvolgimento ignoto: è una stima diretta ricavata dal rapporto di tensione, la cui accuratezza dipende dalle misure effettuate.
La cosa che rende il metodo comodo, e sicuro, è che quel rapporto non dipende dall’eccitazione. Alimentate a dodici volt e ottenete lo stesso numero di spire che otterreste alimentando a duecentotrenta. La tensione nominale presunta serve dopo, in una card separata, e solo per ricavare la densità di flusso a cui il costruttore lo faceva lavorare — che è poi il numero che vi dice se le vostre ipotesi stanno in piedi.
Come eccitarlo senza rischiare
Un trasformatore ignoto non si collega alla rete. Non perché sia complicato, ma perché non sapete se quello che pensate sia il primario lo sia davvero, se sia da 230 o da 110, e se abbia spire in corto — e in tutti e tre i casi ve ne accorgereste nel modo peggiore.
Il modo giusto è eccitarlo con una tensione alternata bassa e isolata, preferibilmente con limitazione di corrente, ricavata da un secondo trasformatore di cui sapete tutto: dodici o ventiquattro volt sono in genere sufficienti, e in caso di dubbio conviene partire ancora più in basso. Il nucleo lavorerà a una densità di flusso molto inferiore a quella nominale e il rapporto fra le tensioni — che è la sola cosa che vi serve in questa fase — resterà lo stesso. Se l’avvolgimento che state eccitando ha spire in corto, la corrente può salire rapidamente: interrompete la prova se è anomala, perché anche una sorgente a bassa tensione può scaldare o danneggiare l’avvolgimento se è in grado di fornire molta corrente.
Ma c’è una condizione, ed è quella che rende sicuro tutto il resto: dovete eccitare l’avvolgimento giusto. Un trasformatore funziona in entrambi i versi, e se gli date la tensione dal lato a bassa tensione vi fa da elevatore. Dodici volt applicati a un secondario nominale da 24 V di un trasformatore 230/24 V fanno comparire circa 115 V sul primario: il nucleo non è sovraeccitato, ma sull’altro avvolgimento compare comunque una tensione pericolosa. Se invece applicate 12 V a un avvolgimento nominale da 6 V, oltre a ottenere circa 460 V sul lato da 230 V state anche eccitando quell’avvolgimento al doppio della sua tensione nominale: in questo caso il nucleo può andare in saturazione e la corrente può salire rapidamente.
Nei normali trasformatori di rete un criterio pratico utile è partire dall’avvolgimento che presenta la resistenza maggiore: quello ad alta tensione ha in genere molte spire di filo sottile, mentre quello a bassa tensione ha poche spire di filo più grosso. Non è però una regola universale: trasformatori multiavvolgimento, prese intermedie, avvolgimenti ausiliari o costruzioni speciali possono essere ambigui. Per questo si parte con pochi volt AC e corrente limitata, si misurano tutte le tensioni indotte e si verifica il rapporto prima di aumentare l’eccitazione.
Se avete un dubbio, partite ancora più in basso: tre o quattro volt bastano spesso per leggere le spire di prova con un tester decente. E prima di toccare qualsiasi terminale, misurate. Se un altro avvolgimento presenta una tensione superiore a quella applicata, il calcolatore lo segnala: significa che quell’avvolgimento ha più spire di quello eccitato e che il collegamento va verificato prima di proseguire.
Se per qualche ragione dovete arrivare alla tensione piena, la lampada a incandescenza in serie è il limitatore classico e funziona: se il trasformatore è sano la lampada resta spenta o appena accesa, se c’è un corto si illumina e limita la corrente al posto vostro. Ma per quello che serve a questa pagina, normalmente non c’è bisogno di andare oltre poche decine di volt e conviene restare alla tensione minima che consente misure affidabili.
Parametri di riferimento
Questi non sono dati misurati sul trasformatore: frequenza, densità di corrente e coefficienti di riempimento sono valori di riferimento usati nelle stime delle card successive. Modificateli solo se sapete che il trasformatore lavora con condizioni diverse da quelle predefinite.
Card 1 — Il nucleo misurato
Sui lamierini bastano normalmente la larghezza della gamba centrale e lo spessore del pacco. Il calcolatore confronta la misura con una tabella di taglie EI e, quando la corrispondenza è univoca, usa le quote tabulate per ricavare finestra e volume; altrimenti mantiene una stima geometrica proporzionale. La larghezza totale del lamierino è facoltativa, ma permette di distinguere taglie molto vicine come EI38,4 ed EI41.
Il peso è il controllo che vale la pena fare. Il volume di ferro si calcola dalle quote, la densità del ferro-silicio è nota, quindi il peso deve tornare a meno del fattore di stipamento. Se non torna, una misura è sbagliata — e scoprirlo qui costa trenta secondi, mentre scoprirlo dopo aver avvolto costa un pomeriggio.
Sui lamierini la gamba centrale si misura sul pacco montato, ed è la colonna su cui è infilato il rocchetto. Nelle taglie EI tabellate la larghezza totale è normalmente circa tre volte la gamba centrale; alcune taglie molto vicine non sono distinguibili con sicurezza da una sola quota, perciò il tool segnala l’ambiguità invece di forzare un riconoscimento.
Card 2 — La spira di prova
Dieci spire sono un buon compromesso: abbastanza da dare una tensione comoda da leggere, poche da passare in fretta nella finestra. Il filo può essere qualsiasi cosa, anche un pezzo di cavetto sottile: non porta corrente, porta solo informazione.
L’ultimo campo serve se il trasformatore ha già altri avvolgimenti: misurate la tensione che compare su uno di essi mentre eccitate il primo, e il calcolatore vi dà anche il suo conteggio di spire e il rapporto. È così che si scopre se quel secondario da cui non sapete cosa aspettarvi darà sei volt o sessanta una volta collegato alla rete.
Se leggete una tensione sospettosamente bassa sulle spire di prova, o la sorgente fatica, controllate prima di procedere: potreste avere spire in corto, e in quel caso tutti i numeri che seguono sono aria fritta.
Se la tensione che compare sull’altro avvolgimento è più alta di quella applicata, quell’avvolgimento ha più spire di quello eccitato. Interrompete la prova prima di toccare i terminali, verificate le resistenze e ripartite con pochi volt AC e corrente limitata sull’avvolgimento più plausibile.
Card 3 — La densità di flusso di progetto
Eccitazione sinusoidale; usare valori RMS per il calcolo della densità di flusso.
Questa è soprattutto una card diagnostica: calcola la densità di flusso corrispondente alle ipotesi inserite e serve a vedere se quelle ipotesi sono plausibili. Il numero di spire è stato stimato direttamente dal rapporto di tensione e la sezione del nucleo è stata ricavata dalle misure; resta da verificare soprattutto la tensione nominale dell’avvolgimento di riferimento. Se con 230 V la densità risulta compatibile con un normale trasformatore da rete, l’ipotesi è coerente, ma non costituisce da sola una prova dell’identificazione.
Se viene un valore molto alto, una delle ipotesi può essere sbagliata: avvolgimento identificato male, tensione nominale errata, sezione del nucleo sottostimata oppure frequenza di progetto maggiore di quella impostata. Un trasformatore progettato, per esempio, per 400 Hz può avere molte meno spire di un equivalente da 50 Hz e, valutato alla stessa tensione a 50 Hz, darebbe una densità di flusso eccessiva. Se invece la densità risulta molto bassa, controllate soprattutto tensione nominale presunta, numero di spire e sezione del nucleo, oppure considerate un progetto particolarmente conservativo.
La formula della densità di flusso usa la relazione sinusoidale con tensione RMS. Le soglie automatiche del badge sono indicative soprattutto per nuclei in ferro-silicio da rete a 50/60 Hz; a frequenze diverse il calcolo di B resta valido, ma perdite nel ferro e densità di progetto richiedono una valutazione specifica. Il tool non è pensato per nuclei in ferrite o polveri magnetiche da convertitori switching.
Card 4 — Quanti VA fa
La potenza di un trasformatore non è scritta da nessuna parte sul pezzo, ma si stima per due strade indipendenti. La prima parte dal nucleo: sezione per finestra dà il prodotto d’aree, che con densità di flusso, densità di corrente e riempimento ragionevoli dice quanti VA quel ferro può sostenere. La seconda parte dal rame che c’è davvero: misurate il diametro del filo del secondario e sapete quanta corrente il costruttore aveva in mente.
Il confronto fra le due è particolarmente utile quando l’avvolgimento misurato è il secondario principale o l’unico secondario. Se le stime coincidono, il dimensionamento appare equilibrato. Se quella dal filo è molto più bassa, quell’avvolgimento è stato dimensionato per una corrente modesta rispetto a ciò che il nucleo potrebbe consentire. Nei trasformatori con più secondari, i VA ricavati da un solo filo descrivono soltanto quell’avvolgimento e non la potenza totale del trasformatore.
Per misurare il diametro del filo serve arrivarci: di solito basta scoprire l’ultimo strato del secondario. Se il filo è smaltato, il calibro misura anche lo smalto: la differenza rispetto al diametro effettivo del rame dipende dal diametro del filo e dal grado di isolamento, quindi una correzione percentuale fissa può essere solo approssimativa. Nel campo inserite, per quanto possibile, il diametro stimato del rame.
Card 5 — Resistenze e regolazione
Le due resistenze in continua sono l’ultima informazione necessaria per una prima stima della caduta a carico. Nei piccoli trasformatori da rete il primario presenta spesso una resistenza molto maggiore del secondario a bassa tensione, ma i valori assoluti dipendono fortemente da potenza, tensioni, sezione dei fili e progetto: usateli come indizio, non come criterio rigido di identificazione.
Riportando la resistenza del primario al secondario attraverso il quadrato del rapporto si ottiene la resistenza equivalente del rame. Da questa il calcolatore ricava una stima della caduta resistiva a carico e della regolazione secondo la convenzione ΔV/Vcarico. La regolazione reale può differire perché qui non viene inclusa la reattanza di dispersione né l’eventuale fattore di potenza del carico.
Il rendimento indicato tiene conto del solo rame. Le perdite nel ferro ci sono comunque e si misurano diversamente, leggendo la potenza assorbita a vuoto — che su un trasformatore recuperato è anche un buon indicatore di salute: se consuma molto più del previsto senza carico, il pacco ha problemi.
Card 6 — Aggiungere un secondario
Questo è il motivo per cui la maggior parte delle persone arriva a fare tutte le misure precedenti: sul nucleo c’è un avvolgimento che non serve, e ne serve uno diverso. Una volta stimato il numero di spire dell’avvolgimento di riferimento e assunta la sua tensione nominale, il calcolatore ricava le spire per volt nominali e da lì le spire del nuovo secondario, con una maggiorazione indicativa di qualche punto percentuale per compensare approssimativamente la caduta a carico.
Lo spazio è la parte incerta, e non c’è modo di renderla certa senza smontare. La percentuale inserita è una valutazione della finestra geometrica ancora disponibile; il calcolatore confronta poi il rame nudo richiesto con la quota utilizzabile secondo il riempimento impostato. È una verifica approssimativa: smalto, isolamento fra strati, margini e disposizione reale del filo possono richiedere più spazio. Se sfora di poco, potete valutare una densità di corrente maggiore solo tenendo conto dell’aumento di temperatura ammesso dall’applicazione.
Le spire per volt usate qui sono quelle nominali, ricavate come Np/Vp,nom dalla stima delle spire della card 2 e dalla tensione nominale presunta della card 3. Non sono i volt per spira della prova a bassa tensione: quella prova serve a ricavare il rapporto e il numero di spire senza applicare la tensione nominale al trasformatore ignoto.