Transformadores

Transformadores

Inductancia mutua

La inductancia mutua es un fenómeno básico para la operación del transformador, un dispositivo eléctrico que se usa actualmente en casi todos los campos de la ingeniería eléctrica.  Este dispositivo es una parte integral en los sistemas de distribución de potencia y se encuentra en muchos circuitos electrónicos e instrumentos de medición.  En el trabajo que a continuación analizaremos tres de las aplicaciones básicas de un transformador: aumentar o disminuir el voltaje o la corriente, funcionar como un dispositivo que iguale la impedancia y aislar (sin conexión física) una parte de un circuito de otra.

Los efectos electromagnéticos producidos entre dos circuitos que se encuentren próximos, esto es, cuando los respectivos campos magnéticos de los mismos se influencien entre sí, han sido incluidos bajo la denominación de inductancia mutua o inducción mutua. Estos fenómenos son de gran aplicación en electrónica, radio y TV. Donde los transformadores de corriente eléctrica representan un ejemplo típico de la inducción mutua entre dos circuitos.

Coeficiente de acoplamiento

La bobina a la que se aplica la fuente de alimentación se denomina el primario y la bobina a la que se aplica la carga se conoce como el secundario.

Para el primario del transformador de la figura  la aplicación de la Ley de Faraday  tendrá como resultado:

Lo que pone de manifiesto que el voltaje inducido a través del primario es directamente proporcional al número de vueltas en el primario y a la velocidad de cambio del flujo magnético que enlaza la bobina primaria. O a partir de la ecuación:

Lo cual revela que el voltaje inducido a través del primario es directamente proporcional a la inductancia del primario y a la velocidad de cambio de la corriente a través del devanado primario.

La magnitud de es, el voltaje inducido a través del secundario, se determina mediante:

En donde Ns es el número de vueltas en el devanado secundario y θr es la parte del flujo primario tetap que enlazar el devanado del secundario.  Si todo el flujo del primario enlaza el secundario, en tal caso:

El coeficiente de acoplamiento entre dos bobinas se determina mediante:

Razón de voltajes del transformador
Una de las principales aplicaciones de los transformadores es elevar y bajar la tensión, esto se consigue con relación al número de vueltas en el devanado primario y en el secundario.

El hecho de que la razón de tensiones sea igual a la razón de vueltas, puede expresarse
por la siguiente formula:
(NP/ NS )=VP/VS

donde:


NP = Número de vueltas en el devanado primario.
NS = Número de vueltas en el devanado secundario.
VP = Voltaje en el devanado primario.
VS = Voltaje en el devanado secundario. o dispositivo de aislamiento


Resisistencia de la fuente

Una fuente de tensión real está compuesta de una fuente de tensión ideal en serie con una resistenciallamada resistencia interna.

La resistencia interna de una fuente es una resistencia que se coloca en un circuito electrico a fin de modelar el efecto que poseen las fuentes de alimentacion reales cuando a partir de ellas circula una corriente. No es un componente que se puedas quitar o modificar, sino que solo modela la caida de tension en una fuente de alimentacion cuando por ella circula una corriente.

Esta resistencia interna se debe a la resistencia de salida que poseen ciertos circuitos integrados, al igual que la resistencia de los transformadores.

En fuentes de tension, la resistencia se coloca en serie, y mientras menor sea, mejor sera la fuente. En fuentes de corrientes, la resistencia se coloca en paralelo y mientras mayor sea mejor sera la fuente.

¿Cómo se obtiene la resistencia interna?

1- Se mide la tensión en los terminales de una fuente de voltajesin carga (sin RL). El voltaje medido será Vsc (voltaje sin carga)
2- Se conecta una carga y se mide elvoltaje en esta. El voltaje medido será Vcc (voltaje con carga)
3- Se mide la corriente al circuito con carga. La corriente medida será I

Una vez que se tienen estos valores se aplica la siguiente ecuación: 

R_I = (Vsc–Vcc)/I

Ejemplo:

Si Vsc = 12 Voltios , Vcc = 11.8 Voltios e I = 10 Amperios
R_I = 0.05 Ohms

Con lo expuesto se puede concluir que a más corriente demande la carga (R_L), menor será elvoltaje terminal, debido a la mayor caída en la resistencia interna (R_I).

El Transformador como dIspositivo de aislamiento

Es un dispositivo que se instala entre la alimentación eléctrica y el equipo que desea proteger, generando un ambiente eléctrico aislado y eliminando el riesgo de posibles daños eléctricos.

   Transformador simple unido a una fuente de voltaje de corriente alterna.

El voltaje producido en la bobina secundaria B corresponde al doble de

la bobina primaria A.

En esta figura se muestran dos bobinas de alambre, una A formada por 4 espiras conectadas a una fuente de voltaje de corriente alterna (CA) y otra B de ocho espiras            con un foco integrado, sin ninguna conexión a una fuente de alimentación de energía eléctrica. Cuando por la bobina A circula una corriente alterna, se observa que el             foco se enciende, aunque no está conectada a ninguna fuente. Ello se debe a que al circular corriente alterna por la bobina A, genera un campo magnético cuya          intensidad varía constantemente de valor debido al cambio de la corriente en cada alternancia. pues va desde cero hasta alcanzar un valor máximo y después             disminuye para llegar otra vez a cero, con lo cual ocasiona un campo magnético variable.
 Recibe el nombre de bobina primaria la que está conectada a la fuente de voltaje de CA, y de bobina secundaria aquella donde la corriente es inducida.

Los transformadores se utilizan para elevar o disminuir el voltaje en un circuito de CA. Si lo elevan se denominan de subida o elevación, si lo disminuyen se llama de bajada o de reducción. En el ejemplo de la figura anterior tenemos un trasformador de elevación, toda vez que la bobina B o secundaria tiene el doble de espiras que            la A o primaria. Así, el voltaje inducido en B corresponde al doble del voltaje en A. Sin embargo, como al trasformar el voltaje no cambia su potencia ni su frecuencia, el      efecto que se presenta es la disminución a la mitad en la intensidad de la corriente  de la bobina B.
La corriente disminuye al aumentar el voltaje o viceversa, por que la potencia eléctrica de un transformador es la misma en la bobina primaria que en la secundaria,          pues no genera energía y prácticamente tampoco produce pérdidas de ella, así:

           

            Potencia en la primaria = Potencia en la secundaria.

                        Vp Ip = Vs Is

                       

                        Si la bobina secundaria tiene más espiras que la primaria, su fem o voltaje es mayor y viceversa. Donde la relación entre el voltaje y el número de vueltas en cada bobina se da con la siguiente expresión:

Voltaje primario =    No. de vueltas del primario

Voltaje secundario  No. de vueltas del secundario

Vp = Np

Vs    Ns

Se puede observar que el primario del transformador consta de una resistencia y de una bobina y a ese circuito le suministra potencia el generador. A su vez el primario transmite al secundario parte

El primario por constar de bobina y resistencia conlleva que haya una diferencia de fase entre la

intensidad y el voltaje. En el secundario la diferencia de fase es despreciable, ya que la resistencia

es muy grande comparada con la reactancia capacitiva de la bobina.

La potencia del primario se pude calcular mediante la ecuación.

de esa potencia. El secundario recibe una potencia y dado que el circuito es resistivo, esa potencia se emplea en generar energía calorífica.

PP = IP·VP ·cosϕ

Vp

experimento.

De esa potencia una parte de la misma 2

 ( I ·R ) se emplea en efecto térmico en la resistencia total del primario, que vale RT = 470 + 42 = 512 Ω, por tanto, la potencia que el primario puede transmitir al secundario es:

P T

2

T P P P T

La potencia que aparece en el secundario donde solo se consideran efectos resistivos vale:

S S S

Si la potencia PT se transmitiese íntegramente al secundario, entonces PT = PS, sin embargo, esto no es así, debido principalmente a que existen corrientes de Foucault y a que parte del flujo magnético procedente del primario se dispersa por el entorno y no llega al secundario.

En este experimento se calculan PT y PS ; y se analiza la relación entre ambas magnitudes.


Tipos de Transformadores

Transformador elevador/reductor de tensión

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 tensión fija (en la entrada) y proveen de tensión 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 incorpora un fusible que corta 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

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 -triángulo- (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

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. Suelen ser pequeños y económicos. 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

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 continua 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

Está 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.

Según su construcción

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 núcleo 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.