TRANSFORMADORES
Los transformadores son dispositivos diseñados para transferir energía eléctrica de un circuito a otro. La conexión entre los dos circuitos para lograr esta transferencia se efectúa por medio de un campo magnético. Además de efectuar esta transferencia de energía, los transformadores son capaces de entregar valores diferentes de voltaje o corriente de CA en las terminales de salida de los valores de las terminales de entrada. La capacidad de transferir energía por medio de un campo magnético permite que se usen para crear conexiones aisladas. Los transformadores operan sobre la base del fenómeno eléctrico de la inductancia mutua. La inductancia mutua es el efecto que ocurre cuando el campo magnético de un elemento también influencia otros elementos a su alrededor. Como resultado de este acople magnético se inducen corrientes y voltajes en estos elementos.
El transformador consiste de dos bobinas (llamadas el primario y el secundario) devanados
alrededor de un núcleo común de material ferromagnético como se muestra en la figura 19. Si una corriente fluye en el devanado primario, se crea un campo magnético a su alrededor. Si otro devanado (secundario) esta en el mismo núcleo, el campo magnético del primario eslabonará al secundario. Si se aplica CD al primario no pasa nada en el secundario, pero si se aplica CA al primario el campo magnético del núcleo también variará. Puesto que un campo magnético variable luce para un conductor como un campo en movimiento, las cargas libres en el conductor experimentarán una fuerza. Debido a esta fuerza las cargas libres se mueven y originan un flujo de corriente. De esta forma, una corriente variable en el primario origina una corriente variable en el secundario de un transformador.
Figura 19.-Diagrama de un transformador.
En un transformador ideal todo el flujo magnético creado por la bobina primaria eslabona a la bobina secundaria. Ahora el voltaje del secundario depende del cambio de corriente del primario:
dt di M V2 =
donde M es Inductancia mutua entre las dos bobinas.
Dado que las bobinas del primario y secundario pueden tener diferente número de vueltas existe una razón que los relaciona:
Relación de vueltas = P
N N
S
donde Np es el número de vueltas del primario y Ns es el número de vueltas del secundario.
La relación de vueltas es la que determina qué tanto el transformador eleva o baja un
voltaje. En efecto la razón de voltaje del primario (Vp) al voltaje del secundario (Vs) es igual a la relación de vueltas como se muestra en la figura 20.
S P S P N N V V = (a) (b)
Figura 20.- (a) Transformador elevador de voltaje Np < Ns. (b) Transformador reductor de voltaje Np > Ns.
Aun cuando el transformador puede aumentar o disminuir el voltaje, hace esto
disminuyendo o aumentando respectivamente la corriente. Esto significa que un transformador elevador de voltaje es un reductor de corriente. Matemáticamente, esto se expresa así: S P S P N N I I =
donde Ip e Is son las corrientes en las bobinas primaria y secundaria.
Aparentemente un transformador nos puede dar energía ilimitada, en la realidad esto no es cierto ya que existe un compromiso entre la potencia del primario y la potencia del secundario o sea:
La formula anterior nos indica que nunca posemos obtener mas energía que la que puede entregar el transformador, existen dos formas de indicar lo anterior, una para los transformadores que se usa para distribuir la energía en las ciudades que se expresa en kilo VAR’s (miles de voltaAmperes) y la otra para los pequeños transformadores típicos para la electrónica los cuales nos indican el voltaje y la corriente del secundario suponiendo siempre que se trabaja con la línea de alimentación monofasica (127 V rms).
Los símbolos usados para los transformadores se muestran en la figura 21. Las polaridades de las bobinas del transformador se indican por medio de puntos. Representan que las terminales marcadas con un punto tienen la misma polaridad de voltaje en cada instante de un ciclo de CA y se utilizan para poder conectar convenientemente un transformador a un circuito.
Figura 21.- Símbolos para los transformadores (a) Transformador con núcleo de aire (b) Transformador con núcleo de hierro (c) Transformador con núcleo variable.
Los transformadores se construyen en muchas formas y tamaños, dependiendo de la aplicación en la cual se van a usar. Sin embargo, la mayoría de los transformadores se devanan sobre un núcleo ferromagnético y poseen un devanado primario y uno o más secundarios. El grosor de alambre de las bobinas depende de la corriente que pasaría por ellas. La mayoría de los transformadores se catalogan o por la frecuencia a la que van a trabajar o por el circuito y el tipo de aplicación en que se van a usar. Las principales categorías son:
1.- Transformadores para audiofrecuencia 2.- Transformadores para radiofrecuencia 3.- Transformadores de potencia
4.- Transformadores de aislamiento 5.- Transformadores para instrumentos 6.- Autotransformadores
TRANSFORMADOR DE
TRANSFORMADORES DE AUDIOFRECUENCIA. Estos para acoplar señales cuya frecuencia esta entre 20 y 20,000 Hz. Se usan en micrófonos, parlantes y amplificadores de audio. Los núcleos de estos transformadores son laminados. La figura 22 muestra un estilo común de construcción.
Figura 22.- Transformador de audio típico.
TRANSFORMADOR DE RADIOFRECUENCIA. Cuando los transformadores se usan para acoplar señales de alta frecuencia, no se pueden usar núcleos laminados porque las perdidas por corrientes parásitas son muy altas. En estos transformadores el núcleo es de hierro pulverizado o de ferrita. En algunos transformadores de este tipo el núcleo tiene forma de tornillo para permitir ajustarlos para sintonización. La figura 23 muestra un transformador de radiofrecuencia.
Figura 23.- Transformador de radiofrecuencia.
POTENCIA. Estos transformadores son los que se encargan del suministro de energía a los circuitos electrónicos. Estos tienen varios secundarios debido a que tienen que suministrar diferentes voltajes. En la figura 24 se muestra uno.
Figura 24.- Transformador de potencia.
TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO. Estos se usan para conectar o acoplar sin ninguna conexión eléctrica dos partes de un circuito. La razón de vueltas generalmente es de 1 : 1.
TRANSFORMADOR PARA INSTRUMENTOS. Este tipo de transformadores regularmente son de corriente. Estos transformadores realizan dos labores principalmente. (a) Extienden el rango del instrumento y (b) aíslan el instrumento de las líneas de alto voltaje. Un transformador típico se muestra en la figura 25.
Figura 25.- Transformador de corriente para instrumentos para extender el rango de medición.
AUTOTRANSFORMADOR. Estos son la excepción a la regla de que no existe conexión entre el primario y el secundario. En el autotransformador, la misma bobina sirve como devanado primario y secundario. La única bobina tiene una toma (tap) que se puede
conectar en cualquier parte a lo largo del devanado. El variac es el nombre comercial de un
autotransformador variable que se utiliza cuando se requiere una regulación manual. La figura 26 muestra un autotransformador.