TransformadorDe Wikipedia, la enciclopedia libre

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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[ocultar]

1 Funcionamiento 2 Relación de Transformación 3 Historia

o 3.1 Primeros pasos: los experimentos con bobinas de induccióno 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 TransformaciónLa 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 interésEl 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 = Adonde * = 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 0.02112VxV = 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 / VI = 200/ 115I = 1.73 amperios en el primario.I = 200/ 50I = 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 Diam. mm Amperaje

 

AWG Diam. mm Amperaje1 7.35 120 16 1.29 3,72 6.54 96 17 1.15 3,23 5.86 78 18 1.024 2,54 5.19 60 19 0.912 2,05 4.62 48 20 0.812 1,66 4.11 38 21 0.723 1,27 3.67 30 22 0.644 0,928 3.26 24 23 0.573 0,739 2.91 19 24 0.511 0,58

10 2.59 15 25 0.455 0,4611 2.30 12 26 0.405 0,3712 2.05 9,5 27 0.361 0,2913 1.83 7,5 28 0.321 0,2314 1.63 6,0 29 0.286 0,1815 1.45 4,8 30 0.255 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 yBobina 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 significa que:- No tiene pérdidas por calor- No hay caídas de voltaje en los bobinados de los arrollados- No hay capacitancias debido a los bobinados- No 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) yla razón de transformación (n) de un

transformadorCoeficiente "k"

Razón "n"de un transformador

Con el propósito de determinar experimentalmente:- el coeficiente k de acoplamiento- la razón n de vueltasde 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 transformadorTutorial 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 primario1.877 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 = Adonde * = 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 0.02112VxV = 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 / VI = 200/ 115I = 1.73 amperios en el primario.I = 200/ 50I = 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 Diam. mm Amperaje

 

AWG Diam. mm Amperaje

1 7.35 120 16 1.29 3,72 6.54 96 17 1.15 3,23 5.86 78 18 1.024 2,54 5.19 60 19 0.912 2,05 4.62 48 20 0.812 1,66 4.11 38 21 0.723 1,27 3.67 30 22 0.644 0,928 3.26 24 23 0.573 0,739 2.91 19 24 0.511 0,58

10 2.59 15 25 0.455 0,4611 2.30 12 26 0.405 0,3712 2.05 9,5 27 0.361 0,2913 1.83 7,5 28 0.321 0,2314 1.63 6,0 29 0.286 0,1815 1.45 4,8 30 0.255 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 elementoque reacciona contra los cambios

en la corriente a través de él,generando un voltaje que se oponeal 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 / inductoresen 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