En el artículo anterior aprendimos los conceptos básicos de un transformador. Un transformador es simplemente un par de inductores acoplados magnéticamente para permitir la inducción electromagnética entre ellos. Con la ayuda de transformadores, los voltajes de CA se pueden aumentar o disminuir a bajo costo y sin problemas. Aumentar o disminuir los voltajes de CC requiere circuitos complejos y costosos. Es por esto que se utiliza CA para distribuir energía eléctrica, aunque la mayoría de dispositivos electrónicos utilizan CC para su funcionamiento. Los dispositivos electrónicos convierten la red AC en DC para su funcionamiento.
Los transformadores vienen en una variedad de formas, tamaños y construcciones. Los transformadores se pueden clasificar por material del núcleo, geometría y construcción, niveles de voltaje y uso.
Las principales clasificaciones son las siguientes:
- Núcleo de hierro laminado
- núcleo de ferrita
- Polvo de núcleo de hierro
- Núcleo de aire
Las clasificaciones geométricas son las siguientes:
- Utilidad
- Núcleo solenoide
- Núcleo toroidal
- Núcleo de olla
Las clasificaciones de nivel de voltaje son las siguientes:
- Aumentar
- Renunciar
- Aislamiento
Las clasificaciones de uso son las siguientes:
- Fuerza
- Medición
- Distribución
- Legumbres
- Audio
- SI
- RF
Núcleos de transformador
Al construir cualquier transformador, los fabricantes intentan lograr el máximo acoplamiento magnético entre los dos inductores. El acoplamiento magnético se puede aumentar muchas veces utilizando un material ferromagnético o hierro en polvo como núcleo. Un par de inductores enrollados en un núcleo ferromagnético tiene un coeficiente de acoplamiento mucho mejor en comparación con el transformador con núcleo de aire. Sin embargo, el uso de núcleos ferromagnéticos tiene sus propias limitaciones. Los núcleos ferromagnéticos tienen algunas pérdidas de potencia debido a histéresis y corrientes parásitas y también están limitados por la capacidad de transporte de corriente. Además de estas limitaciones, la elección del material del núcleo también restringe el rango de frecuencia de un transformador. Según el tipo de núcleo utilizado, los transformadores se clasifican de la siguiente manera
Transformadores de hierro laminado : estos transformadores utilizan acero al silicio como material central. El acero al silicio también se llama hierro transformador o simplemente hierro. El acero al silicio se lamina en capas para evitar pérdidas debidas a corrientes parásitas e histéresis. Las corrientes de Foucault son corrientes circulares que fluyen en material magnético por magnetización. Las corrientes parásitas provocan la pérdida de energía del núcleo magnético en forma de calor. La histéresis es la tendencia de un núcleo magnético a aceptar lentamente un flujo magnético fluctuante. Debido a las pérdidas por histéresis y las corrientes parásitas, estos transformadores sólo son adecuados para frecuencias de 60 Hz y otras frecuencias bajas en el rango de audio. A medida que la frecuencia aumenta por encima de unos pocos kilohercios, las pérdidas internas del núcleo aumentan más allá de los límites viables.
Núcleo de ferrita : los núcleos de ferrita tienen alta permeabilidad y requieren menos vueltas de bobina. Sin embargo, en frecuencias superiores a unos pocos megahercios, dichos núcleos comienzan a experimentar importantes pérdidas de energía debido a corrientes parásitas e histéresis. Por este motivo, estos transformadores son adecuados para frecuencias superiores a las frecuencias de audio de hasta unos pocos megahercios.
Núcleo de polvo de hierro : el polvo de hierro también tiene una alta permeabilidad y menores pérdidas debido a histéresis y corrientes parásitas en comparación con los núcleos de ferrita. A medida que aumenta la frecuencia, disminuye la necesidad de una alta permeabilidad. Los transformadores con núcleo de polvo de hierro son adecuados para frecuencias muy altas de hasta 100 MHz. Como no es necesaria una alta permeabilidad a frecuencias muy altas por encima de 100 MHz, los transformadores con núcleo de aire son más adecuados debido a su eficiencia energética.
Transformadores de núcleo de aire : en los transformadores de núcleo de aire, las bobinas primaria y secundaria están enrolladas en un material diamagnético. El acoplamiento magnético en estos transformadores se realiza a través del aire. En estos transformadores, no sólo la inductancia de ambas bobinas es baja, sino que la inductancia mutua también es muy baja, por lo que hay muy poco acoplamiento magnético entre las bobinas. Estos transformadores no tienen pérdida de potencia debido a histéresis o corrientes parásitas y también son capaces de moderar corrientes altas. Estos transformadores son adecuados para aplicaciones de alto voltaje donde la eficiencia energética es una preocupación principal, como los transformadores de distribución. También son adecuados para aplicaciones de RF muy alta por encima de 100 megahercios. En altas frecuencias de radio, el valor de inductancia requerido es bajo, lo que se puede lograr fácilmente mediante inductores de núcleo de aire, y la eficiencia energética es la principal preocupación de los circuitos VHF.
Cabe señalar que el siguiente símbolo representa transformadores de núcleo de aire:
Los transformadores con núcleo magnético se representan mediante un símbolo en el que se añaden dos líneas paralelas entre los símbolos de la bobina de la siguiente manera:
Geometría y construcción del transformador.
Los transformadores también se pueden clasificar por su forma y geometría. La forma de un transformador depende del tipo de inductor utilizado en su construcción y de la forma de su núcleo. Cualquier transformador es esencialmente un par de inductores enrollados en el mismo núcleo. Las clasificaciones son las siguientes:
Transformadores de servicios públicos : los transformadores de servicios públicos son transformadores de potencia en los que se utiliza hierro laminado como material central. Estos transformadores con núcleo de hierro vienen con una variedad de formas de núcleo como E, L, U, I, etc., y son voluminosos y pesados. La forma de núcleo más común utilizada en estos transformadores es el núcleo E o núcleo EI porque el núcleo laminado tiene la forma de la letra 'E' con una barra colocada en el extremo abierto de 'E' para completar la construcción. Las bobinas se enrollan en el núcleo mediante el método de la carcasa o el método del núcleo. En el método de la concha, ambas bobinas se enrollan en la barra central de la 'E', una encima de la otra. Esto asegura el máximo acoplamiento magnético entre las bobinas, pero a costa de una alta capacitancia entre bobinas. El método de la carcasa también limita la capacidad de carga de corriente del transformador. En el método del núcleo, se enrolla una bobina en la barra superior de la 'E' y la otra en la inferior. El acoplamiento magnético entre las bobinas se produce únicamente debido al flujo magnético a través del núcleo. El método del núcleo reduce en gran medida la capacitancia de bobina a bobina y permite manejar altos voltajes. Los transformadores de servicios públicos de núcleo EI que tienen un devanado de núcleo o carcasa se usan más comúnmente como transformadores de 60 Hz y otros transformadores de audiofrecuencia.
Transformadores de bobina solenoide : los transformadores de núcleo solenoide se utilizan generalmente como antenas de bucle para circuitos de radiofrecuencia. Estos transformadores tienen devanados primarios y secundarios sobre un núcleo cilíndrico (ferrita o polvo de hierro). Las bobinas se enrollan una encima de otra o se separan. En estos transformadores, el primario captura las señales de radio y el secundario proporciona adaptación de impedancia a la primera etapa amplificadora del circuito de radio. Estos transformadores han sido bastante comunes en equipos portátiles de comunicaciones por radio.
Transformador de bobina solenoide versus bobina toroidal. (Imagen: Academia Leets)
Transformadores de núcleo toroidal : los transformadores de núcleo toroidal tienen un devanado primario y secundario en un núcleo toroidal y las bobinas pueden enrollarse una encima de otra o separarse. Los núcleos toroidales son una mejor alternativa a los núcleos solenoidales en circuitos de radiofrecuencia. Contienen el flujo magnético dentro del núcleo, por lo que estos transformadores se pueden montar directamente sin ningún blindaje adicional siempre que las bobinas estén aisladas. Además de no haber interferencias electromagnéticas, los núcleos toroidales también proporcionan una mayor inductancia alrededor de la bobina. Como el flujo magnético permanece contenido dentro del núcleo, los transformadores de núcleo toroidal presentan un mejor acoplamiento magnético entre las bobinas.
Transformadores Pot Core : los transformadores Pot Core tienen el bobinado primario y secundario en una mitad, uno encima del otro o uno al lado del otro. Los núcleos del potenciómetro proporcionan la mayor inductancia posible con la ventaja obvia de la autoprotección. Una de las principales desventajas de los transformadores de núcleo potenciómetro es la capacitancia de bobina a bobina. Debido a la capacitancia entre bobinas y a la excepcionalmente alta inductancia de ambas bobinas, los transformadores con núcleo de potenciómetro sólo son adecuados para bajas frecuencias. A altas frecuencias, el valor requerido de inductancia es bajo y la reactancia capacitiva debe minimizarse esencialmente.
Niveles de voltaje del transformador
La aplicación más común de un transformador es moderar voltajes de CA. Un transformador puede aumentar, disminuir o dejar intactos los niveles de voltaje de CA. Esta es la clasificación de transformadores más sencilla pero más importante. Son los siguientes:
Transformador elevador : en un transformador elevador, el secundario tiene una mayor cantidad de vueltas que el primario. Dado que la relación de vueltas del primario al secundario es menor que 1, el voltaje aplicado al primario aumenta a un voltaje más alto en el secundario. En consecuencia, esto se produce a costa de niveles de corriente más bajos en el devanado secundario. Los transformadores elevadores se utilizan en estabilizadores e inversores donde es necesario convertir voltajes de CA más bajos a voltajes más altos. También se utilizan en redes eléctricas para aumentar los niveles de voltaje de CA antes de la distribución.
Arquitectura de niveles de tensión de un transformador elevador, donde el secundario tiene mayor número de vueltas que el primario. (Imagen: top-ee.com)
Transformadores reductores : en un transformador reductor, el primario tiene una mayor cantidad de vueltas que el secundario. Dado que la relación de vueltas del devanado primario y secundario es mayor que 1, el voltaje secundario es menor que el voltaje primario. Los transformadores reductores se utilizan comúnmente en aplicaciones electrónicas. Los circuitos electrónicos normalmente requieren 5 V, 6 V, 9 V, 12 V, 18 V o 24 V para su funcionamiento. Los transformadores reductores se utilizan comúnmente en circuitos de suministro de energía antes de los rectificadores para reducir la red eléctrica de 120 V o 240 V CA a los niveles de bajo voltaje requeridos. En la distribución de energía, los transformadores reductores se utilizan para reducir los altos voltajes para suministrar energía eléctrica a los postes. Esto garantiza la eficiencia energética y el ahorro en la distribución de energía eléctrica.
Arquitectura de voltaje de un transformador reductor donde el primario tiene mayor número de vueltas que el secundario. (Imagen: top-ee.com)
Transformadores de aislamiento : los transformadores de aislamiento tienen el mismo número de vueltas en el primario y en el secundario. Dado que la relación entre el número de vueltas del primario al secundario es exactamente 1, los niveles de voltaje siguen siendo los mismos en ambos devanados. Estos transformadores se utilizan para proporcionar aislamiento eléctrico entre circuitos electrónicos o para cancelar la transferencia de ruido de un circuito a otro. Los transformadores de aislamiento deben tener un alto acoplamiento inductivo y un acoplamiento capacitivo mínimo. Es por eso que estos transformadores están diseñados para tener un número mínimo de vueltas en bobinas separadas enrolladas en un núcleo autoprotegido altamente magnético.
Los transformadores de aislamiento también se utilizan para conectar circuitos balanceados y desequilibrados. Los circuitos balanceados son aquellos que se pueden conectar de cualquier forma a través de un puerto. Los circuitos desequilibrados son aquellos que necesitan conectarse de forma específica a través de un puerto. Las cargas equilibradas y desequilibradas se pueden conectar mediante un transformador de aislamiento poniendo a tierra la toma central en el lado equilibrado. Si las cargas equilibradas y desequilibradas tienen la misma impedancia, entonces el transformador de aislamiento debe tener una relación de vueltas de 1. Si una carga equilibrada y desequilibrada tienen una relación de impedancia diferente, la relación de vueltas debe ser el cuadrado de la impedancia. Los transformadores de aislamiento también se utilizan para acoplar etapas amplificadoras en transmisores y receptores de radiofrecuencia.
En el próximo artículo seguiremos con la clasificación de los transformadores según su uso. Por su uso, los transformadores pertenecen en gran medida al dominio eléctrico o electrónico. En el ámbito eléctrico, los transformadores generalmente se clasifican según sus respectivas aplicaciones. En el dominio electrónico es fácil y obvio clasificar los transformadores por la frecuencia de su señal de operación.