Transformadores

Instituto Tecnológico de Tijuana

Modulo: Tópicos de ingeniería y tecnología I

Profesor: Jorge Carlos Ríos

Reporte: Transformadores

Especialidad: Ingeniería en nanotecnología

Nombres: Ochoa Rodríguez Martín Fernando

Figueroa Mendoza Francisco

Raygoza López Ernesto Alonso

Tijuana, Baja California a martes 24 de mayo del 2011

El transformador es un dispositivo que se encarga de "transformar" el voltaje de corriente alterna que tiene a su entrada en otra 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:

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 pérdidas 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 primario) = P (bobinado secundario)

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:

Inductancia mutua

Cuando el flujo magnético a través de un circuito varía con el tiempo debido a las corrientes variables en el tiempo en circuitos cercanos, se produce una FEM a través de un proceso conocido como inductancia mutua.

Se llama así porque depende de la interacción de dos circuitos.

Coeficiente de acoplamiento

El flujo del acoplamiento depende de la separación y orientación de los ejes de las bobinas y de la permeabilidad magnética del medio donde se encuentran dichas bobinas. La fracción del flujo total que abraza o acopla a las dos bobinas se llama coeficiente de acoplamiento magnético K:

Por ser φ₁₂ ≤ φ₁₁ φ₂₁ ≤ φ₂₂, el valor máximo de K es la unidad.

El coeficiente M se puede expresar en función de las autoinducciones L1 y L2 operando de la forma siguiente, multiplicando por:

que, ordenándola convenientemente, sería:

pero como: y

Tendríamos o .

Razón de vueltas

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:

dónde:

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.

Si un transformador tiene 20,000 vueltas en el devanado primario y 5,000 vueltas en el secundario, y se le aplica un voltaje de CA de 120 Volts en el primario ¿Cuál es el voltaje obtenido en el secundario?

Datos:

NP = 20,000

NS = 5,000

VP = 120 VCA

VS =?

Formula:

Despeje de V_s

Sustitución:

La corriente en el secundario es inversamente proporcional a la razón de vueltas, es decir; un transformador elevador de voltaje puede ser considerado como un transformador reductor de corriente o bien un transformador reductor de voltaje puede ser considerado como un elevador de corriente, esto se puede expresar de la siguiente manera:

Dónde:

N_P = Número de vueltas en el devanado primario.

N_S = Número de vueltas en el devanado secundario.

I_P = Corriente que circula en el devanado primario.

I_S = Corriente que circula en el devanado secundario.

Transformador de subida y bajada

En un trasformador de subida el voltaje del secundario es más alto que el voltaje del primario, mientras en un trasformador de reducción el voltaje del secundario es más bajo. Ya que a=E_P/E_S, un transformador de elevación tiene a<1, mientras que para un trasformador de reducción a>1. Si a=1, la relación de vueltas del transformador es unitaria y el voltaje del secundario es igual al voltaje del primario.

Suponga que un transformador tiene 500 vueltas en su primario y 1000 vueltas en su secundario.

1. Determine el número de vueltas

La relación de vueltas es a=E_P/E_S =500/1000=0.5.

Este es un transformador de subida 1:2.

Transformador de aislamiento

Los transformadores son máquinas eléctricas las cuales constan de dos bobinas o devanados, llamados primario y secundario, los cuales están acoplados en forma electromagnética, sin que exista unión física entre ambos devanados. Esta construcción tiene inherente el aislamiento entre el primario y el secundario, por lo tanto básicamente todo transformador es aislado, pero realmente lo importante es su aislamiento a los ruidos.

Este tipo de aislamiento tiene ciertas consideraciones especiales.

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.

Un Transformador de Aislamiento permite que la tierra sea restablecida cerca del sistema de cómputo. En realidad, el neutro está sólidamente referenciado a tierra a través de la unión y no a través de cualquier capacidad distribuida que pueda existir en la carga. Cualquier ruido de Modo Común que aparezca en el secundario tiene su corriente cortocircuitada a tierra a través de la unión neutro-tierra del transformador.

De lo anterior podemos concluir que cualquier tipo de voltaje desarrollado en la unión es por lo tanto extremadamente bajo.

Como se observa también de la figura 34, un terminal del secundario, la pantalla y el núcleo están unidos a tierra, proporcionando un solo punto de unión. Es muy claro que si el Transformador está montado en un chasis metálico haciendo parte de un Acondicionador, el chasis está unido a este punto de tierra.

Lo que realmente se hace al diseñar un Acondicionador de voltaje es tratar de hacer que la tierra y cualquier otro punto de referencia relacionada con esta, tengan la impedancia más baja posible la una con respecto a la otra. Con lo anterior obtenemos un punto "limpio" y único de referencia de tierra para cualquier cosa conectada al Acondicionador.

Tipos de transformador

Tipos de transformadores. Se denomina con este nombre al aparato eléctrico cuya función es convertir la corriente alterna de alta tensión y débil intensidad en otra de baja tensión y gran intensidad, o viceversa.

Según sus aplicaciones estos se clasifican en:

· Transformador de aislamiento: Suministra aislamiento galvánico entre el alambre primario y el secundario, por lo cual proporciona una alimentación o señal "flotante". Su relación es 1:1.

· Transformador de alimentación. Estos poseen uno o varios alambres secundarios y suministran las tensiones necesarias para el funcionamiento del equipo. A veces incorporan fusibles no reemplazables, que apagan su circuito primario en caso de una temperatura excesiva, evitando que éste se queme.

· Transformador trifásico. Poseen un trío de bobinados en su primario y un segundo trío en su secundario. Pueden adoptar forma de estrella (Y) o triángulo. A pesar de tener una relación 1:1.

· Transformador de pulsos: Esta destinado a funcionar en régimen de pulsos debido a su rápida respuesta.

· Transformador de línea o flyback: Estos son transformadores de pulsos. Con aplicaciones especiales como televisores con TRC (CRT) para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal. Entre otras propiedades, frecuentemente proporciona otras tensiones para el tubo.

· Transformador con diodo dividido: Su nombre se debe a que está constituido por varios diodos menores en tamaño, 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 triplicado.

· Transformador de impedancia: Usado como adaptador de antenas y líneas de transmisión, era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces.

· Transformador Electrónico: Se caracteriza por ser muy utilizados en la actualidad en aplicaciones como cargadores para celulares. Utiliza un Corrector de factor de potencia de utilización imprescindible en los circuitos de fuente de alimentaciones conmutadas en lugar de circuitos.

Según su construcción existen diversos tipos como son:

· Transformador de grano orientado, Auto transformador. El primario y el secundario constituyen un bobinado único. Pesa menos y es más barato que un transformador y por ello se emplea habitualmente para convertir 220V a 125V y viceversa y en otras aplicaciones equivalentes.

· Transformador toroidal. Son más voluminosos, pero el flujo magnético se confina en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault.

· Transformador de grano orientado. El núcleo se conforma por una placa de hierro de grano orientado, que se envuelve en sí misma, siempre con la misma dirección, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Las pérdidas son escasas pero es de alto costo. Estos tipos son los más utilizados, pero existen otros diversos modelos según el tipo de aplicación a la cual son destinados.

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