2. 32. 2 Conocimiento Previo Inducción Electromagnética Inductancia 32. 3 Nivel de Conocimiento




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12-200 Electricidad y Electrónica Básicas Capítulo II TP 32 de

2.32 Transformador

2.32.1 Objetivos


  • Estudiar el efecto producido por dos bobinas cercanas en el mismo transformador.

  • Comprender el principio del transformador

  • Determinar la relación existente entre corrientes y tensiones en las dos bobinas.

  • Observar cómo la relación de vueltas las dos bobinas determina la relación entre la corriente y la tensión.

2.32.2 Conocimiento Previo


  • Inducción Electromagnética

  • Inductancia

2.32.3 Nivel de Conocimiento


  • Vea Conocimiento Previo

2.32.4 Equipamiento Necesario


1 Módulo 12-200-A de Electricidad y Electrónica Básica

2 Multímetros

O Se puede utilizar el Feedback Virtual Instrumentación en lugar de uno de los multímetros

1 Generador de Función, 100 Hz œ 5 kHz 20 V pk-pk senoidal (Feedback FG601)

2.32.5 Teoría


Estudiamos en capítulos anteriores que, si tenemos dos espiras bobinadas al mismo núcleo y una corriente circula por una de ellas, la corriente también circulará por la segunda espira siempre que se haya producido alguna variación en el valor de la corriente que circula en la primera.

Este fenómeno recibe el nombre de Inducción Electromagnética.

Un conductor por el cual circula una corriente posee un campo magnético a su alrededor que es proporcional a la magnitud de la corriente que fluye en él, por lo tanto, si la corriente cambia, también lo hace el campo magnético.

La segunda espira también está bajo la influencia de este campo y se produce un FEM en el conductor que también está bajo la influencia de ese campo.

En el ejercicio de Inductancia estudiamos esta FEM inducida como una FEM contralectromotriz y que su magnitud es proporcional a la velocidad de cambio del flujo magnético que enlaza al conductor.

Es decir, en un conductor,

e =

donde Ф es el flujo magnético.

Cuando se devana un conductor en forma de bobina, cada espira de esa bobina es atravesada por el campo magnético, por lo que la FEM inducida en cada una será:

e =

sin embargo, si existe un número N de vueltas en la bobina, el valor total de la FEM inducida será proporcional al número de vueltas en la bobina.

- N

Considere el siguiente circuito.



Fig. 1

Si se alimenta a la bobina P con una tensión alterna, fluirá por ella una corriente también alterna.

Esta corriente creará un campo magnético alterno en el núcleo que se muestra en el diagrama con línea de puntos.

Este campo se unirá a las vueltas de la segunda bobina S e inducirá una FEM en ellas que provocará el flujo de una corriente alterna en la carga del segundo circuito.

Este principio se denomina Principio del Transformador.

2.32.5.1 Relación entre la tensión y número de espiras


La tensión en el primario es de Vp Voltios. Si existe un número Np de vueltas en el bobinado del primario, la tensión en cada vuelta en el primario tendrá un valor de Voltios.

El primario formará un campo magnético, y si asumimos que TODO el flujo magnético en el primario también atravesará al secundario, entonces el mismo flujo inducirá una FEM en las vueltas del secundario.

Como una FEM de Voltios por cada vuelta en el circuito primario crea un flujo, digamos Ф, y todo este flujo enlaza también al secundario, luego la variación del flujo producirá una FEM de Voltios en cada espira del secundario también.

Si existen un número Ns de vueltas en el bobinado secundario, el total en el secundario será x Ns

Es decir:

Vs = Ns . .

Entonces:

=

Es decir que la relación entre la tensión de primario y del secundario es igual a la relación que existe entre el número de vueltas en el primario y el secundario.

Es imposible diseñar un transformador en el cual todo el flujo que se genera en el bobinado del primario se interrumpa en el bobinado secundario. Ésta, es una expresión muy común.

2.32.5.2 Relación entre corrientes y números de espiras


Con la carga resistiva conectada, la potencia en el circuito secundario Ps está dada por:

Ps = Is Vs

Una corriente primaria circula para alimentar esa carga, y la potencia en el circuito primario está dada por:

Pp = Ip Vp

Por lo general, la potencia para alimentar la carga es mucho mayor a la potencia que se necesita para crear el flujo magnético en el núcleo, por lo tanto se dice que:

Ps = Pp

 Is Vs = Ip Vp

=

=

2.32.5.3 Relación entre impedancias y números de espiras


Para el siguiente circuito, el valor de la resistencia de entrada en el transformador está dada por:

Rin =



Fig 2

Rin = =

= . N

Pero:

= RL

Rin = RL .

Por lo tanto, hay un cambio en el valor de la impedancia según es vista por la fuente de alimentación.

2.32.6 Ejercicio 1


El siguiente es el circuito a utilizar.



Fig. 2

El componente designado con las letras P y S es el transformador. El bobinado del transformador indicado con a letra P es el primario, y el designado con la letra S es el secundario.

Alimente el transformador con diferentes valores de magnitud de tensión de entrada y mida el valor de la tensión en el primario y el secundario y la intensidad de la corriente resultante en el primario. Utilice la Ley de Ohm para calcular la intensidad de la corriente que circula en cada caso en el secundario.

Monte el circuito como se lo demuestra en el Diagrama de Conexiones de este ejercicio.



Ejercicio 1

Diagrama de Conexiones

2.32.6.1 Actividades


Asegúrese de haber montado el circuito como lo demuestra en el Diagrama de Conexiones de este ejercicio y de que el mismo coincida con el circuito de la Fig. 3



Fig. 3

  • Configure la tensión de salida en 2.0 V EF, 3.5 kHz y mida la tensión en la bobina primaria, P, y la intensidad de la corriente.

  • Transfiera el voltímetro a la segunda bobina, S, y mida el valor de la tensión en esta.

  • Conociendo los valores de la tensión en el secundario y la resistencia en la carga, calcule la intensidad de la corriente que circula en el secundario.

  • Copie la tabla de resultados como se demuestra en la Fig. 4, de la Tabla de Resultados de este ejercicio y tabule los resultados obtenidos.

  • Repita las medidas y los cálculos para los valores de tensión de 3 V EF, 4 V EF y 5 V EF.

  • Ingrese los resultados obtenidos.

2.32.6.2 Preguntas


1. ¿Qué puede decir acerca del coeficiente de

de la variación de la tensión en el primario?

2. ¿Qué sucede con el coeficiente ?



3. ¿Puede ver alguna relación entre y ?

4. A partir de sus cálculos de , busque el coeficiente promedio de la tensión y la

relación con las vueltas en el transformador.

¿Coincide con el coeficiente 1:1.68 del transformador en el modulo?

2.32.7 Resultados


Una vez finalizado el ejercicio debería saber:

  • Medir la intensidad de la corriente y el valor de la tensión en el circuito según diferentes tensiones de entrada.

  • Determinar la relación de transformación de tensiones del transformador

  • Determinar la relación de transformación de corrientes del transformador

  • Determinar el coeficiente de relación de espiras (vueltas) del transformador.

Su informe debe incluir:

  • Los circuitos estudiados,

  • Los resultados obtenidos,

  • Los cálculos de relación de transformación.

  • Las conclusiones a las que arribó.

    Para presentar el informe utilice un procesador de texto.

    Para ingresar los valores calculados utilice una planilla de cálculo.

2.32.8 Consideraciones y Usos Prácticos


El transformador esta compuesto esencialmente de dos o más bobinas de alambre de cobre esmaltado que reciben el nombre de bobinas primaria y secundaria. Estas pueden estar devanadas a un núcleo magnético que asegura la presencia de un flujo magnético que acople las dos bobinas.

Una tensión alterna en una de esas bobinas induce otra tensión del mismo tipo en la otra bobina debido al cambio de flujo, y el valor de esa tensión esta determinado por el número de vueltas en las bobinas.

La tensión en la secundaria es menor que la en la primaria si es que el numero de vueltas es también menor.

La presencia del núcleo intensifica el flujo magnético. La relación entre la densidad del flujo producida por un material del núcleo y la densidad del mismo producida por un núcleo sin hierro en las mismas condiciones, recibe el nombre de permeabilidad relativa del material del núcleo.

Además de la variación de la tensión, el transformador se utiliza como medio para aislar partes de un circuito, siempre y cuando circule una corriente en dc, permitiendo que las mismas se comporten como un circuito simple con respecto a la variación de tensión.

Además, la impedancia conectada a un devanado se refleja con un nuevo valor sobre el otro, es decir que el valor de la impedancia cambia si se utiliza un transformador.

Las partes principales de un transformador son: el núcleo magnético, la bobina, el alambre para el bobinado, y los materiales utilizados como aislantes para los alambres y el bobinado. El transformador puede estar cerrado en un recipiente metálico que, además de ofrecer protección mecánica para las bobinas, actúa como una pantalla electromagnética o eléctrica

La relación existente entre varias características de un circuito es la siguiente:

En un transformador ideal, si

N1 = Número de vueltas en el primario

N2 = Número de vueltas en el secundario

V1 = El valor de la tensión en el primario

V2 = El valor de la tensión en el secundario

I1 = La intensidad de la corriente en el primario

I2 = La intensidad de la corriente en el secundario

Z1 = La impedancia en el primario

Z2= La impedancia en el secundario

Entonces:

= = =

2.32.8.1 El Núcleo


Comúnmente se utilizan dos tipos de núcleos construidos con delgadas capas de material magnético aisladas una de la otra y conocida como láminas, son de construcción del tipo acorazado o del tipo núcleo.

Las formas que tienen las mismas se describen en la Fig. 5.



Fig. 5

La razón por la cual se utiliza un núcleo laminado en lugar de uno sólido y magnético es para reducir, la pérdida por corrientes parásitas. Éste tipo de corrientes son inducidas dentro del material del núcleo y son el resultado del acoplamiento magnético entre la bobina primaria y el núcleo; en este caso el núcleo se comporta como la bobina secundaria.

Las inducidas reducen la eficacia del transformador. La utilización de láminas aislantes evita que la corriente circule por el núcleo, y la limita debido al aumento de resistencia del de los circuitos que supone la introducción de las láminas (conductores de menor sección).

La mayoría de los transformadores utilizados en circuitos empleados para las telecomunicaciones son pequeños y el de tipo EI (shell) es el más utilizado debido a que necesita sólo un carrete. El circuito magnético está dividido en dos trayectorias paralelas, una parte del flujo contiene un lado de la bobina, la otra parte al otro lado. La parte central del núcleo, en donde se monta la bobina, tiene el doble de la sección de los núcleos exteriores.

En algunas aplicaciones, como los transformadores de alta potencia, se prefiere el transformador de construcción tipo núcleo UI porque posee sólo una trayectoria magnética, con una bobina sobre cada brazo del núcleo.

Los núcleos están fabricados con bandas laminadas, por lo general barnizadas en uno de sus lados, y unidas firmemente.

Los transformadores de tipo acorazado (Shell ) están fabricados con láminas que presentan la siguiente forma:



Fig. 6

Un núcleo que utiliza láminas E e I, parcialmente ensamblado, es como el de la Fig. 7.



Fig. 7

Apilar e intercalar las láminas en pares alternadas otorga una buena unión entre láminas. Por ejemplo, si se arma la primera capa como en la Fig. 7(b), las siguientes capas impares se armarán de la misma manera, y las pares se armarán como en la Fig. 7(c).

Aplicando este método es posible aumentar la eficacia de la trayectoria magnética preservando las condiciones para evitar grandes pérdidas de corriente eddy.

En la Fig. 8 se ven las formas típicas de láminas utilizadas en el transformador de tipo núcleo, y se apilan las láminas intercalándolas cuando éstas forman el núcleo.



Fig. 8

Últimamente se utilizan los núcleos bobinados con bandas continuas de metal, y se los conoce como núcleos tipo C. La banda de metal se bobina a un mandril, luego se recose (annealed) , se impregna con un pegamento para evitar que las bobinas se separen, y finalmente se cortan por la mitad para permitir su acoplamiento con la bobina.

El punto en donde las caras del núcleo son cortadas recibe una terminación a máquina para asegurar que cuando se ensamblen el espacio que queda con aire entre ellas sea muy reducido. Si, en cambio, se necesitara un espacio de aire, se inserta entre las caras, el grosor del material aislante requerido. Se asegura una banda metalizada alrededor de cada bucle para mantenerlas unidas.

En el transformador de tipo acorazado de la Fig. 9 se requieren cuatro elementos del núcleo para armar el núcleo completo. Se muestran otros tamaños de elementos apropiados para armar transformadores más pequeños.



Fig. 9

2.32.8.2 Materiales del núcleo y Bobinados

Materiales del núcleo

Los núcleos de los transformadores están fabricados con una gran variedad de aceros dependiendo de las funciones que debe cumplir el dispositivo. A continuación se describen algunos de los aceros y sus funciones:

El acero de silicio posee una permeabilidad de 8000 y es utilizado en la mayoría de los transformadores de potencia y audio frecuencia.

El acero de alta permeabilidad con aleación níquel y el Mumetal, ambos con una permeabilidad relativa de 80,000 y 200,00 respectivamente, son utilizados en transformadores de audio frecuencias de banda ancha.

El radio metal, de una aleación de hierro níquel con una permeabilidad máxima de 20,000, es utilizado en transformadores de audio y radio frecuencias bajas.

El Rometal, de una aleación de hierro níquel con una gran resistividad y una permeabilidad máxima relativa de 5000, también se utiliza en transformadores de bajas radio frecuencias.

Los ferritos son materiales magnéticos de cerámica que se utilizan para varias frecuencias MHz.
Bobinados

El espesor del alambre que se utiliza para el devanado de la bobina se estima en términos de la intensidad de la corriente que debe transportar. Por ejemplo, algunos fabricantes utilizan la regla, 3 A/mm2 como parámetro para la primera elección de alambre. El incremento de la temperatura, y la regulación de la misma determinan la elección final.

El espacio que ocupa el alambre, especialmente con espesores finos de alambre, depende del tipo de aislación utilizada y de la sección transversal del conductor.

Se puede ahorrar espacio utilizando alambres barnizados (esmaltados) en lugar de alambres cubiertos por seda o algodón.

Durante el proceso de bobinado el cable se coloca en sobre un carrete, con un aislante adecuado, y la primera capa de vueltas de alambre se bobina sobre el material aislante. Dependiendo de los requerimientos de diseño, se puede colocar el material aislante sobre esta capa de vueltas y entre las capas siguientes. Los bobinados individuales se separan con el material aislante, y si es necesario con pantallas electrostáticas. Los terminales de conexión de cada bobinado se aíslan cuidadosamente y se devana sobre la bobina completa una o más capas de material aislante.

Como se dijo anteriormente, un transformador en su forma más sencilla posee dos bobinados conocidos como el bobinado primario y el secundario. Para una mayor eficacia en la operación, es importante que el acople magnético entre los dos bobinados sea muy bueno, y para lograrlo, los dos bobinados deben estar dispuestos sobre el núcleo de una o varias maneras dependiendo de los requerimientos de frecuencia de operación y de circuito.

Cuando un transformador está funcionando a baja frecuencia y alta densidad de flujo, se puede obtener una gran eficiencia en su funcionamiento simplemente al bobinar la bobina del secundario sobre el primario.

No es necesario tener dos bobinados separados en un transformador, aunque por mayor seguridad esto es necesario si uno de los bobinados tiene alta tensión. En el auto transformador se utiliza un bobinado que actúa como el primario y el secundario.

A continuación se ilustra el principio del auto transformador.



Fig. 10

Este esta compuesto de un bobinado adherido en varios puntos para brindar una fracción de la tensión del primario durante la carga del secundario. (para adherir el bobinado se extrae un cable desde cualquier punto del bobinado que no sea su extremo).

En la Fig. 10 se ve un transformador reductor (la tensión en el secundario E2 es menor que la tensión en el primario E1), sin embargo al intercambiar E1 y E2 obtenemos un transformador elevador.

Cuando la diferencia de tensión entre el primario y el secundario es insignificante, el tamaño del auto transformador es mucho más reducido que aquel transformador que posee dos bobinados y con la misma potencia; sin embargo cuando esa diferencia de tensión es considerable existen pocas ventajas en utilizar el auto-transformador.

Una de esas desventajas es el contacto eléctrico directo entre el primario y el secundario, lo cual en condiciones desfavorables, puede causar el desperfecto de equipo.

Por ejemplo, si se utiliza el transformador con una E1 mayor a E2, se produce una ruptura en un punto X del bobinado y en toda la tensión principal aplicada al lado que posee una tensión menor.

2.32.8.3 Impregnación y Materiales Aislantes


Una vez devanada la bobina se impregna químicamente con una cera mineral o con un buen barniz, ofreciendo protección contra los daños mecánicos, previniendo el ingreso de humedad, y también mejorando la fuerza dieléctrica de los materiales aislantes. Si la bobina funciona en bajas temperaturas, se utiliza la cera, en cambio si funciona en altas temperaturas se emplea el barniz.

El grupo principal de materiales aislantes está compuesto por baquelita, papel, algodón, seda, barniz y esmalte para aislar alambres. Los carretes están fabricados con baquelita y la aislación del alambre se realiza con algodón, seda, o esmalte. El papel o el barniz se utilizan entre las capas de la bobina cuando se requiere una cobertura final para todo el bobinado.

2.32.9 Tabla de Resultados




Tensión primaria Vp(ef)

Corriente primaria Ip(mA)ef

Tensión secundaria Vs(Vef)

Corriente secundaria Is(mA ef)





2
















3
















4
















5
















Fig. 4

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