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Transformador
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Transformador.
Transformador.
Transformador de tres fases.
Se denomina transformador o trafo (abreviatura) a un dispositivo eléctrico que
permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna,
manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un
transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las
máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su
diseño, tamaño, etc.
El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un
cierto de nivel de voltaje, en energía alterna de otro nivel de voltaje, por medio de la
acción de un campo magnético. Está constituido por dos o más bobinas de material
conductor, aisladas entre sí eléctricamente por lo general arrolladas alrededor de un
mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la
constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.
Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción
electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas
devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o
devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o
salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con
más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión
que el secundario.
Contenido
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1 Funcionamiento
2 Relación de Transformación
3 Historia
o 3.1 Primeros pasos: los experimentos con bobinas de inducción
o 3.2 El nacimiento del primer transformador
4 Otra información de interés
5 Tipos de transformadores
o 5.1 Según sus aplicaciones
 5.1.1 Transformador elevador/reductor de voltaje
 5.1.2 Transformadores elevadores
 5.1.3 Transformadores variables
 5.1.4 Transformador de aislamiento
 5.1.5 Transformador de alimentación
 5.1.6 Transformador trifásico
 5.1.7 Transformador de pulsos
 5.1.8 Transformador de línea o Flyback
 5.1.9 Transformador diferencial de variación lineal
 5.1.10 Transformador con diodo dividido
 5.1.11 Transformador de impedancia
 5.1.12 Estabilizador de tensión
 5.1.13 Transformador híbrido o bobina híbrida
 5.1.14 Balun
 5.1.15 Transformador electrónico
 5.1.16 Transformador de frecuencia variable
 5.1.17 Transformadores de medida
o 5.2 Según su construcción
 5.2.1 Autotransformador
 5.2.2 Transformador con núcleo toroidal
 5.2.3 Transformador de grano orientado
 5.2.4 Transformador de núcleo de aire
 5.2.5 Transformador de núcleo envolvente
 5.2.6 Transformador piezoeléctrico
6 Véase también
7 Referencias
8 Enlaces externos
Representación esquemática del transformador.
Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variaciones de
intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable
dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará,
por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los
extremos del devanado secundario.
Relación de Transformación
La relación de transformación nos indica el aumento ó decremento que sufre el valor
de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, por cada
volt de entrada cuántos volts hay en la salida del transformador.
La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado
primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es
directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y
secundario (Ns) .
La razón de la transformación (m) del voltaje entre el bobinado primario y el
bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el
número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el
triple de tensión.
Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario ó tensión de entrada, (Vs) es la
tensión en el devanado secundario ó tensión de salida, (Ip) es la corriente en el
devanado primario ó corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado
secundario ó corriente de salida.
Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder
efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las
pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores.
Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del
primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se obtienen 23.000
voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de
espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del
secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de
transformación.
Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un
transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de la
fuerza electromotriz por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el
caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 amperios, la del
secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).
Historia
Transformador de núcleo laminado mostrando el borde de las laminaciones en la parte
superior de la unidad.
[editar] Primeros pasos: los experimentos con bobinas de inducción
El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento del
transformador fue descubierto por Michael Faraday en 1831, se basa fundamentalmente
en que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera
una corriente inducida, y en que la corriente inducida sólo permanece mientras se
produce el cambio de flujo magnético.
La primera "bobina de inducción" para ver el uso de ancho fueron inventadas por el
Rev. Nicholas Callan College de Maynooth, Irlanda en 1836, uno de los primeros
investigadores en darse cuenta de que cuantas más espiras hay en el secundario, en
relación con el bobinado primario, más grande es el aumento de la FEM.
Los científicos e investigadores basaron sus esfuerzos en evolucionar las bobinas de
inducción para obtener mayores voltajes en las baterías. En lugar de corriente alterna
(CA), su acción se basó en un vibrante "do&break" mecanismo que regularmente
interrumpido el flujo de la corriente directa (DC) de las pilas.
Entre la década de 1830 y la década de 1870, los esfuerzos para construir mejores
bobinas de inducción, en su mayoría por ensayo y error, reveló lentamente los
principios básicos de los transformadores. Un diseño práctico y eficaz no apareció hasta
la década de 1880, pero dentro de un decenio, el transformador sería un papel decisivo
en la “Guerra de Corrientes”, y en que los sistemas de distribución de corriente alterna
triunfo sobre sus homólogos de corriente continua, una posición dominante que
mantienen desde entonces.
En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado
en un conjunto de bobinas de inducción en el que el bobinado primario se conectaba a
una fuente de corriente alterna y los devanados secundarios podían conectarse a varias
“velas eléctricas” (lámparas de arco), de su propio diseño. Las bobinas utilizadas en el
sistema se comportaban como transformadores primitivos. La patente alegó que el
sistema podría, “proporcionar suministro por separado a varios puntos de iluminación
con diferentes intensidades luminosas procedentes de una sola fuente de energía
eléctrica”.
En 1878, los ingenieros de la empresa Ganz en Hungría asignaron parte de sus recursos
de ingeniería para la fabricación de aparatos de iluminación eléctrica para Austria y
Hungría.
En 1883, realizaron más de cincuenta instalaciones para dicho fin. Ofrecián un sistema
que constaba de dos lámparas incandescentes y de arco, generadores y otros accesorios.
En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs expusieron por primera vez un
dispositivo con un núcleo de hierro llamado "generador secundario" en Londres, luego
vendió la idea de la compañía Westinghouse de Estados Unidos.
También fue expuesto en Turín, Italia en 1884, donde fue adaptado para el sistema de
alumbrado eléctrico.
El nacimiento del primer transformador
Entre 1884 y 1885, los ingenieros húngaros Zipernowsky, Bláthy y Deri de la compañía
Ganz crearon en Budapest el modelo “ZBD” de transformador de corriente alterna,
basado en un diseño de Gaulard y Gibbs (Gaulard y Gibbs sólo diseñaron un modelo de
núcleo abierto). Descubrieron la fórmula matemática de los transformadores:
Donde: (Vs) es el voltaje en el secundario y (Ns) es el numero de espiras en el
secundario, (Vp) y (Np) se corresponden al primario.
Su solicitud de patente hizo el primer uso de la palabra "transformador", una palabra
que había sido acuñada por Bláthy Ottó.
En 1885, George Westinghouse compro las patentes del ZBD y las de Gaulard y Gibbs.
Él le encomendó a William Stanley la construcción de un transformador de tipo ZBD
para uso comercial.
Este diseño se utilizó por primera vez comercialmente en 1886.
Otra información de interés
El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía
eléctrica que usaba transformadores se puso en operación en 1886 en Great Barington,
Massachussets, en los Estados Unidos de América. En ese mismo año, la electricidad se
transmitió a 2.000 voltios en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una
línea construida en Cerchi, Italia. A partir de esta pequeña aplicación inicial, la industria
eléctrica en el mundo, ha recorrido en tal forma, que en la actualidad es factor de
desarrollo de los pueblos, formando parte importante en esta industria el transformador.
El aparato que aquí se describe es una aplicación, entre tantas, derivada de la inicial
bobina de Ruhmkorff o carrete de Ruhmkorff, que consistía en dos bobinas
concéntricas. A una bobina, llamada primario, se le aplicaba una corriente continua
proveniente de una batería, conmutada por medio de un ruptor movido por el
magnetismo generado en un núcleo de hierro central por la propia energía de la batería.
El campo magnético así creado variaba al compás de las interrupciones, y en el otro
bobinado, llamado secundario y con muchas más espiras, se inducía una corriente de
escaso valor pero con una fuerza eléctrica capaz de saltar entre las puntas de un
chispómetro conectado a sus extremos.
También da origen a las antiguas bobinas de ignición del automóvil Ford T, que poseía
una por cada bujía, comandadas por un distribuidor que mandaba la corriente a través de
cada una de las bobinas en la secuencia correcta.
Tipos de transformadores
Según sus aplicaciones
Transformador elevador/reductor de voltaje
Un transformador con PCB, como refrigerante en plena calle.
Son empleados por empresas transportadoras eléctricas en las subestaciones de la red de
transporte de energía eléctrica, con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule.
Debido a la resistencia de los conductores, conviene transportar la energía eléctrica a
tensiones elevadas, lo que origina la necesidad de reducir nuevamente dichas tensiones
para adaptarlas a las de utilización.
Transformadores elevadores
Este tipo de transformadores nos permiten, como su nombre lo dice elevar la tensión de
salida con respecto a la tensión de entrada. Esto quiere decir que la relación de
transformación de estos transformadores es menor a uno.
Transformadores variables
También llamados "Variacs", toman una línea de voltaje fijo (en la entrada) y proveen
de voltaje de salida variable ajustable, dentro de dos valores.
Transformador de aislamiento
Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que
consigue una alimentación o señal "flotante". Suele tener una relación 1:1. Se utiliza
principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan directamente con la
tensión de red. También para acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en
resistencias inesianas, en equipos de electromedicina y allí donde se necesitan tensiones
flotantes entre sí.
Transformador de alimentación
Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesarias
para el funcionamiento del equipo. A veces incorporan fusibles que cortan su circuito
primario cuando el transformador alcanza una temperatura excesiva, evitando que éste
se queme, con la emisión de humos y gases que conlleva el riesgo de incendio. Estos
fusibles no suelen ser reemplazables, de modo que hay que sustituir todo el
transformador.
Transformador trifásico. Conexión estrella-triángulo.
Transformador Flyback moderno.
Transformador diferencial de variación lineal (LVDT).
Transformador trifásico
Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario. Pueden adoptar forma de
estrella (Y) (con hilo de neutro o no) o delta (Δ) y las combinaciones entre ellas: Δ-Δ,
Δ-Y, Y-Δ y Y-Y. Hay que tener en cuenta que aún con relaciones 1:1, al pasar de Δ a Y
o viceversa, las tensiones de fase varían.
Transformador de pulsos
Es un tipo especial de transformador con respuesta muy rápida (baja autoinducción)
destinado a funcionar en régimen de pulsos y además de muy versátil utilidad en cuanto
al control de tensión 220 V.
Transformador de línea o Flyback
Artículo principal: Transformador Flyback
Es un caso particular de transformador de pulsos. Se emplea en los televisores con
TRC (CRT) para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión
horizontal. Además suele proporcionar otras tensiones para el tubo (foco, filamento,
etc.). Además de poseer una respuesta en frecuencia más alta que muchos
transformadores, tiene la característica de mantener diferentes niveles de potencia de
salida debido a sus diferentes arreglos entre sus bobinados secundarios.
Transformador diferencial de variación lineal
Artículo principal: Transformador diferencial de variación lineal
El transformador diferencial de variación lineal (LVDT según sus siglas en inglés)
es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos lineales. El
transformador posee tres bobinas dispuestas extremo con extremo alrededor de un tubo.
La bobina central es el devanado primario y las externas son los secundarios. Un centro
ferromagnético de forma cilíndrica, sujeto al objeto cuya posición desea ser medida, se
desliza con respecto al eje del tubo.
Los LVDT son usados para la realimentación de posición en servomecanismos y para la
medición automática en herramientas y muchos otros usos industriales y científicos.
Transformador con diodo dividido
Es un tipo de transformador de línea que incorpora el diodo rectificador para
proporcionar la tensión contínua de MAT directamente al tubo. Se llama diodo dividido
porque está formado por varios diodos más pequeños repartidos por el bobinado y
conectados en serie, de modo que cada diodo sólo tiene que soportar una tensión inversa
relativamente baja. La salida del transformador va directamente al ánodo del tubo, sin
diodo ni triplicador.
Transformador de impedancia
Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y líneas de transmisión
(tarjetas de red, teléfonos, etc.) y era imprescindible en los amplificadores de válvulas
para adaptar la alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces.
Si se coloca en el secundario una impedancia de valor Z, y llamamos n a Ns/Np, como
Is=-Ip/n y Es=Ep.n, la impedancia vista desde el primario será Ep/Ip = -Es/n²Is =
Z/n². Así, hemos conseguido transformar una impedancia de valor Z en otra de Z/n².
Colocando el transformador al revés, lo que hacemos es elevar la impedancia en un
factor n².
Estabilizador de tensión
Es un tipo especial de transformador en el que el núcleo se satura cuando la tensión en
el primario excede su valor nominal. Entonces, las variaciones de tensión en el
secundario quedan limitadas. Tenía una labor de protección de los equipos frente a
fluctuaciones de la red. Este tipo de transformador ha caído en desuso con el desarrollo
de los reguladores de tensión electrónicos, debido a su volumen, peso, precio y baja
eficiencia energética.
Transformador híbrido o bobina híbrida
Es un transformador que funciona como una híbrida. De aplicación en los teléfonos,
tarjetas de red, etc.
Balun
Es muy utilizado como balun para transformar líneas equilibradas en no equilibradas y
viceversa. La línea se equilibra conectando a masa la toma intermedia del secundario
del transformador.
Transformador electrónico
Esta compuesto por un circuito electrónico que eleva la frecuencia de la corriente
eléctrica que alimenta al transformador, de esta manera es posible reducir drásticamente
su tamaño. También pueden formar parte de circuitos más complejos que mantienen la
tensión de salida en un valor prefijado sin importar la variación en la entrada, llamados
fuente conmutada.
Transformador de frecuencia variable
Son pequeños transformadores de núcleo de hierro, que funcionan en la banda de
audiofrecuencias. Se utilizan a menudo como dispositivos de acoplamiento en circuitos
electrónicos para comunicaciones, medidas y control.
Transformadores de medida
Entre los transformadores con fines especiales, los más importantes son los
transformadores de medida para instalar instrumentos, contadores y relés protectores en
circuitos de alta tensión o de elevada corriente. Los transformadores de medida aíslan
los circuitos de medida o de relés, permitiendo una mayor normalización en la
construcción de contadores, instrumentos y relés.
[editar] Según su construcción
Pequeño transformador con núcleo toroidal.
Como caracterizar un núcleo toroidal.
Transformador de grano orientado.
Autotransformador
Artículo principal: Autotransformador
El primario y el secundario del transformador están conectados en serie, constituyendo
un bobinado único. Pesa menos y es más barato que un transformador y por ello se
emplea habitualmente para convertir 220 V a 125 V y viceversa y en otras aplicaciones
similares. Tiene el inconveniente de no proporcionar aislamiento galvánico entre el
primario y el secundario.
Transformador con núcleo toroidal
El bobinado consiste en un anillo, normalmente de compuestos artificiales de ferrita,
sobre el que se bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo
magnético queda confinado en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y
bajas pérdidas por corrientes de Foucault.
Transformador de grano orientado
El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí
misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas
habituales. Presenta pérdidas muy reducidas pero es caro. La chapa de hierro de grano
orientado puede ser también utilizada en transformadores orientados (chapa en E),
reduciendo sus pérdidas.
Transformador de núcleo de aire
En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o
con un pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para
ajustar su inductancia.
Transformador de núcleo envolvente
Están provistos de núcleos de ferrita divididos en dos mitades que, como una concha,
envuelven los bobinados. Evitan los flujos de dispersión.
Transformador piezoeléctrico
Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado transformadores que no están
basados en el flujo magnético para transportar la energía entre el primario y el
secundario, sino que se emplean vibraciones mecánicas en un cristal piezoeléctrico.
Tienen la ventaja de ser muy planos y funcionar bien a frecuencias elevadas. Se usan en
algunos convertidores de tensión para alimentar los fluorescentes del backlight de
ordenadores portátiles.
Relación de transformación: Es la relación entre el número de espiras del
primario y del secundario, la cual es igual a la relación entre la tensión del
primario y del secundario sin carga.
Relación entre corrientes: Es inversa a la relación de transformación.
Rendimiento: Nos dice cuanta potencia se aplica al transformador y cuanta
entrega este a la carga. La diferencia se pierde en los devanados en forma de
calor por efecto JOULE, debido a que estos no tienen una resistencia nula, y
también en el núcleo debido a histéresis y corrientes de Foucault.
Núcleos: Son las chapas de material ferro-magnético, hierro al que se añade una
pequeña porción de silicio. Se recubre de barniz aislante que evita la irculación de
corrientes de Foucault.
Potencia= V x I
N1/N2 = V1/V2
Fórmulas
Area = A
donde * = 0.8 si el núcleo es fino y 1.2
si el núcleo es de inferior calidad.
Se da en cm2 y está determinada por
los lados del sector azul de la figura. Es
el resultado de L x L.
El número de vueltas por voltio = A x 0.02112
El voltaje deseado para cada caso se dividirá por el resultado de este número.
Ejemplo real:Embobinar un transformador de 200 W con un V primario =
115V y un V secundario=50V.
Comenzamos por el área del transformador:
Número de vueltas por voltio:
A x 0.02112 = 14.14 x 0.02112
VxV = 0.29
Entonces:
115 V / 0.29 = 396 vueltas en el primario.
50 V / 0.29 = 172 vueltas en el secundario.
Ahora sabiendo la potencia (200W) podemos calcular la corriente presente en
ambos devanados.
I=W/V
I = 200/ 115
I = 1.73 amperios en el primario.
I = 200/ 50
I = 4 amperios en el secundario.
Si utilizamos una tabla de equivalencias en AWG como la que mostramos a
continuación sabremos el calibre del alambre a utilizar.
De acuerdo a la tabla, para el primario necesitamos comprar alambre calibre 20 y
para el secundario alambre calibre 16.
AWG
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Diam. mm
7.35
6.54
5.86
5.19
4.62
4.11
3.67
3.26
2.91
2.59
2.30
2.05
1.83
1.63
1.45
Amperaje
120
96
78
60
48
38
30
24
19
15
12
9,5
7,5
6,0
4,8
AWG
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Diam. mm
1.29
1.15
1.024
0.912
0.812
0.723
0.644
0.573
0.511
0.455
0.405
0.361
0.321
0.286
0.255
Amperaje
3,7
3,2
2,5
2,0
1,6
1,2
0,92
0,73
0,58
0,46
0,37
0,29
0,23
0,18
0,15
El transformador es un dispositivo que se encarga de "transformar" el voltaje de corriente
alterna que tiene a su entrada en otro diferente amplitud, que entrega a su salida.
Se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han arrollado varias espiras (vueltas) de
alambre conductor.
Este conjunto de vueltas se llaman bobinas y se denominan:
Bobina primaria o "primario" a aquella que recibe el voltaje de entrada y
Bobina secundaria o "secundario" a aquella que entrega el voltaje transformado.
La Bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, una corriente alterna.
Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro. Como el bobinado
secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a
través de las espiras de éste.
Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "Secundario", se generará por el
alambre del secundario un voltaje. En este bobinado secundario habría una corriente si hay
una carga conectada (el secundario conectado por ejemplo a un resistor)
La razón de transformación del voltaje entre el bobinado "Primario" y el "Secundario"
depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario
es el triple del primario. En el secundario habrá el triple de voltaje. La fórmula:
Entonces: Vs = Ns x Vp / Np
Un transformador puede ser "elevador o reductor" dependiendo del número de espiras de
cada bobinado. Si se supone que el transformador es ideal. (la potencia que se le entrega
es igual a la que se obtiene de él, se desprecian las perdidas por calor y otras), entonces:
Potencia de entrada (Pi) = Potencia de salida (Ps). Pi = Ps
Si tenemos los datos de corriente y voltaje de un dispositivo, se puede averiguar su potencia
usando la siguiente fórmula.
Potencia = voltaje x corriente
P = V x I (en watts)
Aplicando este concepto al transformador y como
P(bobinado pri) = P(bobinado sec)
entonces...
La única manera de mantener la misma potencia en los dos bobinados es que cuando el
voltaje se eleve, la corriente se disminuya en la misma proporción y viceversa. Entonces:
Así, para conocer la corriente en el secundario (Is) cuando tengo:
- Ip (la corriente en el primario),
- Np (espiras en el primario) y
- Ns (espiras en el secundario)
se utiliza siguiente fórmula: Is = Np x Ip / Ns
Circuitos equivalentes de un transformador real
Circuitos equivalentes para transformadores de potencia y
audio para video y RF (radio frecuencia)
Normalmente en los diseños y análisis donde se utilizan transformadores, es muy
común utilizar las características de éste como si fuera transformador ideal
Esto
- No
- No
- No
- No
significa que:
tiene pérdidas por calor
hay caídas de voltaje en los bobinados de los arrollados
hay capacitancias debido a los bobinados
hay pérdidas por histéresis en el núcleo, etc.
Cuando es necesario tomar en cuenta estos parámetros se utilizan circuitos
equivalentes.
Para transformadores de potencia o
de audio
Los valores son:
- Rp: es la resistencia del bobinado primario
medida directamente con un multímetro.
- Rs: es la resistencia del bobinado secundario
medida directamente con un multímetro.
En este caso el efecto piel se puede despreciar (el efecto piel causa que el valor
de la resistencia se incremente dependiendo de las dimensiones del conductor)
Lp y Ls (los bobinados primario y secundario) se comportan como en un
transformador ideal.
Esto significa que:
- Cualquier tensión que haya en el bobinado primario aparecerá en el secundario
modificado en un factor 1/n.
- Cualquier corriente que haya en el bobinado secundario aparecerá en el
secundario modificada en un factor n.
- Una impedancia a través de Ls se refleja en Lp multiplicada por un factor igual a
1/n2. (ver transformador ideal)
Donde n: es la razón de transformación o razón de vueltas entre los bobinados
primario y secundario
La resistencia Rh representa las pérdidas por histéresis en el núcleo.
Usualmente es varias veces mayor en magnitud que la reactancia XLp. (reactancia
del bobinado primario). Dependiendo de su magnitud se podría despreciar.
Para transformadores de vídeo y RF
En este caso el efecto piel no es
despreciable y hace que los valores de
Rs y Rp sea mayores que los valores de
medición directa en los bobinados.
Se supone que son transformadores
que no tienen un acoplamiento magnético perfecto debido a que tienen núcleo
de aire o ferrita.
El subíndices k indica acoplamiento y el subíndice L fugas en las reactancias. Así:
- LP = LPL + LPk
- LS = LSL + LSk
- k = LPk / LP = LSk / LS
Valores de k (índice de acoplamiento) para transformadores con núcleo de
aire:
- k = 0.95 : cuando el arrollamiento de los bobinados están juntos (dos cables
arrollados juntos)
- k = 0.90: cuando el arrollamiento primario está sobre el secundario
- k = 0.35: cuando los arrollamiento están uno después del otro y su longitud es
igual a la mitad del diámetro
- k = 0.10: cuando los arrollamiento están uno después del otro y su longitud es
igual a 2 diámetros
CP y CS representan las capacitancias de los arrollamientos que van de 0.01 a 0.02
pF por vuelta.
Enlaces relacionados
- Autotransformador
- Transformador ideal
- Corriente alterna
- Electromagnetismo
- Fuente de alimentación
- Bobina
- Embobinado y reparación de transformadores
- Cálculo de transformadores
- Utilización del transformador de potencia
Autotransformador
El autotransformador es un transformador donde una parte
del devanado es común tanto al primario como al secundario.
El principio de funcionamiento es el mismo que el de el
transformador común, entonces la relación de transformación
entre las tensiones y las corrientes y el número de vueltas se
mantiene.
Las corrientes primaria y secundaria están en oposición y la
corriente total que circula por las espiras en común es igual a
la diferencia de la corriente del devanado de baja tensión y el
devanado de alta tensión.
Para que un autotransformador funcione adecuadamente, los
dos devanados deben tener el mismo sentido de bobinado.
Autotransformador reductor
- Si se aplica una tensión alterna entre los puntos A y B, y se
mide la tensión de salida entre los puntos C y D, se dice que el
autotransformador es reductor de tensión.
relación de vueltas Ns / Np < 1
Autotransformador elevador
- Si se aplica una tensión alterna entre los puntos C y D, y se
mide la tensión de salida entre los puntos A y B, se dice que el
autotransformador es elevador de tensión.
relación de vueltas Ns / Np > 1
Los autotransformadores tienen la ventaja sobre los
transformadores comunes, de un peso y costo menor. En lugar
de tener un bobinado de alta tensión de N1 espiras, se debe
preveer, para el bobinado de baja tensión, con un número N2
de espiras, un número de espiras adicional de N1 - N2.
También hay que tomar en cuenta que el conductor de la
sección común del bobinado, debe de tener una sección de
cobre en función de la diferencia de corrientes entre baja y
alta tensión.
Otra ventaja es la de no necesitar aislamiento entre los
bobinados primario y secundario. Sin embargo esto trae la
desventaja de que el bobinado primario no es independiente
del secundario.
Esto causa peligro para una persona, pues entre tierra y el hilo
común del secundario y el primario, existe la tensión del
primario. Ver diagrama del autotransformador reductor.
Determinar el coeficiente de acoplamiento (k) y
la razón de transformación (n) de un
transformador
Coeficiente "k"
Razón "n"
de un transformador
Con el propósito de determinar experimentalmente:
- el coeficiente k de acoplamiento
- la razón n de vueltas
de un transformador
utilizaremos los diagramas y las fórmulas que a continuación se muestran.
Implementando el diagrama anterior se miden los voltajes V1 y V2 del transformador, con
un generador conectado a V1 (el primario)
Implementando el diagrama anterior se miden los voltajes V3 y V4 del transformador, con el
generador conectado a V3 (el secundario)
Una vez obtenidos estos datos, se utilizan las siguientes fórmulas:
Si el coeficiente de acoplamiento k del transformador es cercano a la unidad (1), la razón
de vueltas es simplemente V2/V1
Nota: V1, V2, V3 y V4 se pueden medir con un multímetro u osciloscopio
Cálculo de un transformador
Tutorial que muestra el método a seguir para el bobinado de
un transformador cuando se tiene el núcleo y se conocen
los voltajes para el primario y el secundario.
Fórmula: Area= A X B
Siendo A = 4 cm y B = 5 cm, entonces: Area = 4 cm x 5 cm
= 20 cm²
Constante: (K) = 37.54
Espira = Significa una vuelta en el carretón.
Fórmula = K / Area = Espiras x voltios
(También AREA = Sección del núcleo = SN)
Ejemplo: 37.54 / 20 = 1.877 espiras por voltio
Así que si queremos un transformador de 120V a 18V,
tenemos:
1.877 x 120v = 225.24 espiras en el embobinado primario
1.877 x 18v = 33.78 espiras en el embobinado secundario
Fórmula para la potencia máxima: (AREA)²
Siendo Area = 20cm², entonces; Potencia máxima = (20²) =
400 Watts o Vatios
Por la ley de potencia : I = W /V, tenemos que:
IP (corriente en el primario) = 400/120 = 3.33 Amperes que
nos da: AWG # 18 (calibre del cable)
IS (corriente en el secundario) = 400/18 = 22.2 Amperes
que nos da: AWG # 10 (calibre del cable)
Uso de alambres según su amperaje
Método para determinar el número de pies de
alambre en los bobinados de un
transformador.
1- Se elige cual bobina va primero en el carrete, si es el
primario o el secundario.
2- Se mide una espira en el carrete en centímetros.
3- Se dividen los centímetros de la espira obtenida
anteriormente por un pie, el cual equivale a 30.34 cm y el
resultado será una constante la cual da pies por espira.
4- La constante se multiplica por el número de espiras del
embobinado que vaya primero y al resultado se le aumenta
un 15 %, porque irá creciendo y así se obtiene los pies de la
primera bobina.
5- La constante se multiplica por el número de espiras del
embobinado que vaya segundo y al resultado se le aumenta
un 30%, porque irá creciendo y así se obtiene los pies de la
segunda bobina.
((Un pie = 30.48 cm))
Fórmula: Una espira en centímetros/30.48 =
Constante
Así si tenemos que una espira en el primario nos da 15.5
centímetros tenemos: K= 15.5/30.48 = 0.5085
Siguiendo con los datos anteriores tenemos que:
Devanado primario:
0.5085 X 33.78 vueltas = 17.1806 + 15% = 19.7577 pies
(#10 AWG)
Devanado secundario:
0.5085 X 225.24 vueltas = 114.54 + 30% =148 pies (#18
AWG)
Peso de una bobina (bobinado)
((Una libra = 16 Onzas))
Fórmula: Onza = [pies bobina / libra x pie] x onzas /
libra
Devanado primario : 19.7577 X 16 / 31.8= 9.94 Onzas
Introducción
Muchos circuitos necesitan para su funcionamiento, una fuente de poder o alimentación.
Esta fuente de poder entrega normalmente un voltaje en corriente continua (C.C.), pero lo
que normalmente se encuentra en los tomacorrientes, de nuestras casas, es corriente
alterna (C.A.).
Para lograr obtener corriente continua, la entrada de corriente alterna debe seguir un
proceso de conversión como el que se muestra en el diagrama.
En el gráfico siguiente se ve el funcionamiento de una fuente de poder, con ayuda de un
diagrama de bloques.
También se muestran las formas de onda esperadas al inicio (Entrada en A.C.), al final
(Salida en C.C.) y entre cada uno de ellos.
Transformador
El transformador entrega en su secundario una señal con una amplitud menor a la señal de
entrada
La señal que se entrega en el secundario del transformador deberá tener un valor acorde a la
tensión (voltaje) final, de corriente continua, que se desea obtener.
Por
ejemplo:
Si se desea obtener un voltaje final en corriente directa de 12 Voltios, el secundario del
transformador deberá tener un voltaje en corriente alterna no menor a los 9 voltios,
quedando este valor muy ajustado (recordar que el valor pico el el secundario es: Vp = 1.41
x Vrms = 1.41 x 9 = 12.69 Voltios).
Si se toman en cuenta las caídas de voltaje en las diferentes etapas (bloques) de la fuente
de poder, posiblemente ya no se puedan obtener los 12 voltios esperados.
En este caso se escogería un transformador con un voltaje en el secundario de 12 voltios
c.a.. Con este voltaje en c.a. se obtiene un voltaje pico: Vp = 1.41 x 12 = 16.92 voltios.
Rectificador
- El rectificador convierte la señal anterior en una onda de corriente continua pulsante, y en
el caso del diagrama, se utiliza un rectificador de 1/2 onda (elimina la parte negativa de
la onda.)
Filtro
- El filtro, formado por uno o más condensadores (capacitores), alisa o aplana la onda
anterior eliminando el componente de corriente alterna (c.a.) que entregó el rectificador.
Los capacitores se cargan al valor máximo de voltaje entregado por el rectificador y se
descargan lentamente cuando la señal pulsante del desaparece. Ver el diagrama anterior y
proceso de descarga de un capacitor
Regulador
- El regulador recibe la señal proveniente del filtro y entrega un voltaje constante sin
importar las variaciones en la carga o del voltaje de alimentación.
En otras palabras:
- Los transformadores se utilizan para disminuir o elevar voltajes de corriente alterna. En
nuestro caso para disminuir el voltaje.
- Los rectificadores están formados por diodos y se utilizan el proceso de transformación de
una señal de corriente alterna a corriente continua, permitiendo el paso o no de los
semiciclos de ondas de corriente alterna.
- Los filtros, pueden ser de varios tipos y se utilizan para eliminar los componentes de C.A.
no deseados.
- Los reguladores son un grupo de elementos o un elemento electrónico, que se encarga de
que el voltaje de salida no varíe de su valor nominal en cualquier condición.
- La señal de entrada, que va al primario del transformador, es una onda senoidal cuya
amplitud dependerá del lugar en donde vivimos (110 / 220VAC. u otro). Ver unidades de
medida básica en electrónica.
Nota: A la fuente de poder también se acostumbra llamar fuente de alimentación y
fuente de voltaje o tensión
Embobinado y reparación de Transformadores
Concepto, fórmulas, ejemplo
Tutorial teórico-práctico para aprender a embobinar y reparar transformadores de
poder con potencias de hasta 1000W. Dirigido a personas con conocimientos
básicos de electrónica.
Resumen de conceptos
Relación de transformación: Es la relación entre el número de espiras del
primario y del secundario, la cual es igual a la relación entre la tensión del
primario y del secundario sin carga.
Relación entre corrientes: Es inversa a la relación de transformación.
Rendimiento: Nos dice cuanta potencia se aplica al transformador y cuanta
entrega este a la carga. La diferencia se pierde en los devanados en forma de
calor por efecto JOULE, debido a que estos no tienen una resistencia nula, y
también en el núcleo debido a histéresis y corrientes de Foucault.
Núcleos: Son las chapas de material ferro-magnético, hierro al que se añade una
pequeña porción de silicio. Se recubre de barniz aislante que evita la irculación de
corrientes de Foucault.
Potencia= V x I
N1/N2 = V1/V2
Fórmulas
Area = A
donde * = 0.8 si el núcleo es fino y 1.2
si el núcleo es de inferior calidad.
Se da en cm2 y está determinada por
los lados del sector azul de la figura. Es
el resultado de L x L.
El número de vueltas por voltio = A x 0.02112
El voltaje deseado para cada caso se dividirá por el resultado de este número.
Ejemplo real:Embobinar un transformador de 200 W con un V primario =
115V y un V secundario=50V.
Comenzamos por el área del transformador:
Número de vueltas por voltio:
A x 0.02112 = 14.14 x 0.02112
VxV = 0.29
Entonces:
115 V / 0.29 = 396 vueltas en el primario.
50 V / 0.29 = 172 vueltas en el secundario.
Ahora sabiendo la potencia (200W) podemos calcular la corriente presente en
ambos devanados.
I=W/V
I = 200/ 115
I = 1.73 amperios en el primario.
I = 200/ 50
I = 4 amperios en el secundario.
Si utilizamos una tabla de equivalencias en AWG como la que mostramos a
continuación sabremos el calibre del alambre a utilizar.
De acuerdo a la tabla, para el primario necesitamos comprar alambre calibre 20 y
para el secundario alambre calibre 16.
AWG
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Diam. mm
7.35
6.54
5.86
5.19
4.62
4.11
3.67
3.26
2.91
2.59
2.30
2.05
1.83
1.63
1.45
Amperaje
120
96
78
60
48
38
30
24
19
15
12
9,5
7,5
6,0
4,8
AWG
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Diam. mm
1.29
1.15
1.024
0.912
0.812
0.723
0.644
0.573
0.511
0.455
0.405
0.361
0.321
0.286
0.255
Amperaje
3,7
3,2
2,5
2,0
1,6
1,2
0,92
0,73
0,58
0,46
0,37
0,29
0,23
0,18
0,15
Utilización de los transformadores de potencia
Los transformadores son máquinas eléctricas estáticas que permiten
modificar los valores de voltaje y corriente con el fin de que éstos tomen los
valores más adecuados para el transporte y distribución de la energía
eléctrica.
La utilidad de los transformadores eléctricos se debe a la economía que se
obtiene al efectuar el transporte de la energía eléctrica a altos voltajes.
Acordarse de que, para la misma potencia, a mayor tensión menor corriente
circulará por el conductor y el calibre de este será menor. Y un conductor de
menor calibre es más barato.
La sección o área transversal del conductor necesaria en una línea de
transmisión es inversamente proporcional al cuadrado del valor del voltaje que
se haya adoptado para el transporte de la electricidad.
Lo anterior explica la conveniencia del empleo de altos voltajes en el transporte
de la energía eléctrica.
Así como los transformadores se utilizan para elevar el voltaje y permitir el
transporte de la corriente a largas distancias, los transformadores también se
utilizan para la reducción del voltaje a niveles aceptables para uso doméstico e
industrial
En el gráfico anterior se muestra el procedimiento general de distribusión de
energía desde su generación hasta la entrega final de esta en la industria o para
uso doméstico.
Nota:
- Muchas industrias no obienen su conexión de alimentación del punto con voltaje
de 120 / 240V sino del punto de 34.5 KV
- 1 KV = 1000 V. Ejemplo 34.5 KV = 34500 voltios.
- Los voltajes mostrados en el gráfico anterior podrían variar de un país a otro.
Definición de bobina o inductor
La bobina o inductor por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía en
forma de campo magnético
El símbolo de una bobina / inductor es:
El inductor es diferente del condensador / capacitor, que almacena energía en forma de
campo eléctrico
Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magnético,
siendo el sentido de flujo del campo magnético, el que establece la ley de la mano derecha
(ver electromagnetismo).
Al estar el inductor hecho de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro del
inductor y cierra su camino por su parte exterior.
Una característica interesante de los inductores es que se oponen a los cambios bruscos de
la corriente que circula por ellas.
Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellos (ejemplo: ser
conectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), esta
intentará mantener su condición anterior.
Este caso se da en forma continua, cuando una bobina esta conectada a una fuente de
corriente alterna y causa un desfase entre el voltaje que se le aplica y la corriente que circula
por ella.
En otras palabras:
La bobina o inductor es un elemento
que reacciona contra los cambios
en la corriente a través de él,
generando un voltaje que se opone
al voltaje aplicado y es proporcional
al cambio de la corriente.
Inductancia, unidades
La inductancia mide el valor de oposición de la bobina al paso de la corriente y se miden
en Henrios (H), pudiendo encontrarse valores de MiliHenrios (mH). El valor depende de:
- El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o sea
mayor valor en Henrios).
- El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en
Henrios).
- La longitud del cable de que está hecha la bobina.
- El tipo de material de que esta hecho el núcleo, si es que lo tiene.
Aplicaciones de una bobina / inductor
- En los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes existe un elemento adicional que
acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro
- En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de
corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida
- En muchos circuitos osciladores se incluye un inductor. Por ejemplo circuitos RLC serie o
paralelo
Notas: Bobina = Inductor
En el inductor con núcleo de aire se ve que el valor de la inductancia de esta depende de el
número de vueltas (espiras), la longitud, el diámetro, el grosor de la espira, etc.
El valor de la inductancia que se puede obtener es limitado cuando el núcleo es de aire.
Para poder incrementar el valor de la inductancia de una bobina se coloca dentro de ella un
núcleo metálico de características magnéticas muy especiales, que lo que hacen es reforzar
el campo magnético.
El magnetismo del material del núcleo depende de la polarización de "los dominios
magnéticos moleculares", cuando el campo magnético que afecta el inductor cambia
continuamente.
Estos dominios deben poder cambiar su posición para que el núcleo cumpla su objetivo.
Los dominios magnéticos podrán o no seguir las variaciones del campo magnético
dependiendo del material de que está hecho el núcleo. Si esta variación del campo
magnético no puede ser seguida el núcleo pierde su razón de ser y lo dominios moleculares
se desordenan, quedando el núcleo despolarizado magnéticamente.
El material magnético que se utiliza como núcleo de la bobina depende de la frecuencia a
la que trabajará esta.
- Metal sólido: para frecuencias muy bajas.
- Metal laminado: para frecuencias de 10 hertz (Hz) a algunos kilohertz (Khz)
- Núcleos de polvo metálico: para frecuencias arriba de cientos de Kilohertz y hasta varios
cientos de Megahertz (Mhz)
- Núcleo de aire: frecuencia superiores a los 500 Megahertz. En este caso el núcleo
metálico se vuelve obsoleto.
Notas:
- 1 hertz = 1 ciclo por segundo
- Bobina = Inductor
Hay ocasiones en que se tiene una bobina o inductor con núcleo de aire y no conoce su
valor (en henrios). Ver definición de unidades comunes
Existe un método para obtener este valor si se tienen las medidas externas de la bobina /
inductor.
La fórmula a utilizar es la siguiente:
L(uH)=(0.393a2n2)/(9a+10b)
Donde:
- n: es la cantidad de espiras (vueltas de alambre) del inductor
- a: es el radio del inductor en centímetros
- b: es la longitud del arrollado del inductor en centímetros
Esta fórmula es una buena aproximación para inductores de una longitud mayor o igual a
0.8a. Ver el gráfico anterior.
Ejemplo 1:
Se tiene una bobina o inductor de 32 espiras, 13 vueltas por centímetro y 25 mm de
diámetro. Cuál será su inductancia?
- a = 25 mm / 2 = 1.25 centímetros
- b = 32 / 13 = 2.46
- n = 32
Entonces: L = (0.393 x 1.252 x 322) / (9 x 1.25 + 10 x 2.46) = 17.54 uHenrios
Ejemplo 2:
Se desea construir una bobina o inductor que sea de 10 uHenrios (uHenrys), que tenga
2.54 centímetros de diámetro y una longitud de 3.175 centímetros.
Entonces:
- a = 2.54 centímetros / 2 = 2.27 centímetros
- b = 3.175 centímetros
- L = 10 uHenrios
Se despeja de la ecuación original la variable "n" en función de todas las demás.
n = [10 x (9a + 10b) / ( 0.393 x a2)]1/2
y reemplazando los valores.....
n = [10 x (11.43 + 31.75) / 0.393 x 1.613]1/2 = 6801/2 = 26.1 espiras
Notas:
- Bobina = Inductor.
- Los paréntesis elevados a la 1/2 es lo mismo que una raíz cuadrada.
- uHenrio = microHenrio.
Bobinas / inductores
en serie
En muchas ocasiones es necesario agrupar el valor de varias bobinas o inductores que están
conectadas en serie o paralelo.
Se presenta de seguidamente el método a seguir para su simplificación.
El cálculo del inductor o bobina equivalente (LT) de inductores en serie es similar al
método de cálculo del equivalente de resistencias en serie, sólo es necesario sumarlas.
En el diagrama que sigue, hay 3 inductores o bobinas en serie.
la fórmula a utilizar es: (sumatoria de los valores de los inductores)
LT = L1 + L2 + L3
Bien para este caso particular. Pero si se quisiera poner más de 2 o 3 inductores, se usaría
la siguiente fórmula:
LT = L1 + L2 + L3 +......+ LN
donde N es el número de bobinas colocadas en serie
Bobinas / inductores en paralelo
El cálculo del inductor equivalente de varias bobinas en paralelo es similar al cálculo que se
hace cuando se trabaja con capacitores.
El caso que se presenta es para 3 inductores y se calcula con la siguiente fórmula:
1/LT = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3
Pero la fórmula se puede generalizar para cualquier número de inductores, con la siguiente
fórmula
1/LT = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3 + .... 1/LN
donde N es el número de inductores que se conectan en paralelo.
Nota: bobina = inductor