TRANSFORMADOR
![Descripción: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1d/Transformer.filament.agr.jpg?uselang=es](file:///C:\Users\HOGAR\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image002.jpg)
Se denomina transformadora un dispositivo eléctrico que permite aumentar
o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente
alterna, manteniendo la potencia.
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 nivel de tensión, en energía alterna de
otro nivel de tensión, por medio de interacción electromagnética. Está
constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente
y por lo general enrolladas 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, fabricado bien sea de hierro
dulce o de láminas apiladas de acero
eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las
bobinas o devanados se denominan primarioy 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.
Funcionamiento del
trasformador
Representación esquemática del transformador.
Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el
devanado primario, circulará por éste una corriente alterna que creará a su vez
un campo magnético variable. Este campo
magnético variable originará, por inducción, 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) .
![Descripción: \frac{Ep}{Es}=\frac{Np}{Ns}](file:///C:\Users\HOGAR\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image004.png)
La razón de la transformación (m) de la tensión 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.
![Descripción: \frac{Np}{Ns}=\frac{Vp}{Vs}=\frac{I_s}{I_p}= m](file:///C:\Users\HOGAR\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image005.png)
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.
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
tensiones 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:
![Descripción: \frac{Vs}{Vp}=\frac{Ns}{Np}](file:///C:\Users\HOGAR\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image008.png)
Donde: (Vs) es la tensión en el secundario y
(Ns) es el número 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
Transformador
de tres fases.
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, llamadosecundario y con muchas más
espiras, se inducía una corriente de escaso valor pero con una fuerza eléctrica
capaz de saltar entre las puntas de unchispómetro 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 tensión
Un transformador con PCB, como refrigerante en plena calle.
Son empleados por empresas transportadoras
eléctricas en lassubestaciones 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 fusibleque 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. Conexión
estrella-triángulo.
Transformador Flyback moderno.
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 (bajaautoinducción) 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 lostelevisores 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
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 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 losteléfonos,
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
Pequeño transformador con núcleo toroidal.
Como caracterizar un núcleo toroidal.
Transformador de grano orientado.
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.