En el artículo anterior, discutimos la clasificación de transformadores por material del núcleo, geometría y niveles de voltaje. Los transformadores también se pueden clasificar por su aplicación y uso. Primero exploremos las dos categorías amplias de casos de uso: transformadores utilizados en el ámbito eléctrico y transformadores utilizados en el ámbito electrónico.
Los transformadores utilizados en el ámbito eléctrico se clasifican según sus aplicaciones de la siguiente manera:
- Fuerza
- Distribución
- Medición
En el ámbito de la electrónica, los transformadores se clasifican según el rango de frecuencia de funcionamiento de la siguiente manera:
- Legumbres
- Audio
- SI
- RF
Transformadores de poder
Los transformadores de potencia se utilizan para reducir el voltaje de la línea de servicios públicos de 60 Hz. Estos transformadores vienen en una variedad de tamaños, formas y relaciones de devanado. Pueden ser tan grandes como una habitación y tan pequeños como un cubo de Rubik, dependiendo de dónde se utilicen, que pueden ir desde plantas generadoras y líneas eléctricas de alto voltaje hasta alimentar aparatos eléctricos. Los transformadores de potencia se utilizan para convertir voltajes de CA (generalmente para reducción) de la línea de suministro a circuitos eléctricos o de una parte de la línea de suministro a otra. Estos transformadores generalmente se caracterizan por la tensión máxima y la capacidad de corriente de la bobina secundaria.
Los más grandes de estos transformadores se utilizan en plantas de generación. Los ingenieros no pueden hacer nada con respecto a las pérdidas de energía debido a la resistencia de los cables y la potencia consumida por las cargas. Esto les deja la opción de transmitir energía de alto voltaje a través de líneas de transmisión. Cuanto mayor es el voltaje, menor es la corriente, por lo que se minimizan las pérdidas de energía en la transmisión de energía. Los transformadores de potencia en las plantas generadoras convierten voltajes bajos de alta corriente en CA de alto voltaje y baja corriente. Las plantas de alta energía tienen transformadores de potencia más grandes que pueden transferir energía hasta 100 MVA a través de la línea de transmisión. Los transformadores de potencia medianos tienen una potencia nominal normalmente de 50 a 100 MVA, mientras que los transformadores de potencia pequeños utilizados en las centrales eléctricas locales tienen una potencia nominal normalmente de 500 a 700 KVA.
Los transformadores de potencia son más grandes que los transformadores de distribución. Están diseñados para ofrecer la máxima eficiencia energética, ya que permanecen cargados las 24 horas del día. Dichos transformadores de potencia pueden conectarse directamente al consumidor o pueden conectarse a una red de distribución. La mayoría de los transformadores de potencia tienen una configuración trifásica, mientras que algunos transformadores de potencia pequeños pueden tener una configuración monofásica. Los transformadores de potencia trifásicos son caros, aunque son muy eficientes energéticamente en comparación con los transformadores monofásicos.
Los transformadores se utilizan en diferentes puntos de las redes de transmisión. Las líneas de alta tensión transportan tensiones en KV o MT, que no pueden suministrarse directamente al consumidor. Se implementan transformadores de potencia para reducir estos voltajes a voltajes más bajos en los puntos de derivación. Las tensiones reducidas se reducen aún más dentro de la red. Finalmente, la tensión alterna se reduce a 230 V o 120 V RMS trifásico mediante transformadores de distribución para alimentar al consumidor final.
Los transformadores de potencia de pequeño tamaño se utilizan en la sección de potencia de los aparatos eléctricos para reducir aún más la red de CA a voltajes bajos que oscilan entre 5 V y 50 V. La mayoría de los electrodomésticos requieren de 5 V a 12 V para funcionar con un consumo de corriente mínimo. Los diferentes transformadores de potencia vienen en una variedad de construcciones, configuraciones y tamaños.
Transformadores automáticos
Los autotransformadores son transformadores de potencia que tienen un primario y un secundario en una bobina común. Tanto el primario como el secundario están en la misma bobina y tienen la misma dirección. El voltaje se varía cambiando la posición de la toma secundaria.
Transformadores monofásicos y trifásicos
Los transformadores de potencia pueden tener una configuración monofásica o trifásica. Los transformadores monofásicos tienen un solo par de devanados primario y secundario. Estos transformadores se utilizan generalmente en aparatos eléctricos, donde convierten niveles de voltaje a una frecuencia constante.
Los transformadores trifásicos tienen tres pares de devanados primarios y secundarios conectados entre sí. Estos transformadores son económicos en comparación con los transformadores monofásicos cuando se utilizan en generación, transmisión y distribución de energía. Las bobinas primarias y secundarias en transformadores trifásicos pueden tener varias combinaciones de conexiones en estrella y en triángulo, como conexiones estrella-estrella, estrella-triángulo, delta-triángulo o delta-estrella en los devanados primario y secundario, respectivamente.
Representación esquemática de un transformador trifásico típico (Imagen: Quora)
Transformadores de distribución
Los transformadores de distribución se utilizan en redes de distribución de energía para reducir los voltajes de las líneas de transmisión a menos de 33 KV para fines industriales y 230-440 V para fines domésticos. Generalmente se utilizan al final de una red de distribución como transformadores tipo poste y también pueden ser transformadores tipo pedestal o subterráneos en el extremo de distribución. Son pequeños, no siempre están completamente cargados y pueden tener aislamiento seco o sumergido en líquido. Pueden proporcionar suministro de energía principal monofásico o trifásico al consumidor final. Estos transformadores son de bajo costo y están diseñados para tener entre un 50 y un 70 por ciento de eficiencia energética.
Transformadores/instrumentos de medida
Los transformadores de instrumentos se utilizan para medir corriente y voltaje de alto valor y se usan junto con instrumentos de medición de rango bajo como transformadores de relación precisa. Estos transformadores convierten alto voltaje o corriente en bajo voltaje o corriente mediante una relación precisa que puede medirse con un amperímetro, voltímetro o vatímetro típico. Estos pueden ser transformadores de corriente diseñados para usarse con un amperímetro o transformadores de potencial diseñados para usarse con un voltímetro de CA.
Un transformador de aislamiento de instrumentos 120:120 que muestra dos convenciones de marcado de polaridad (Imagen: Wikipedia).
Se trata esencialmente de transformadores de aislamiento que aíslan de forma segura la línea de suministro con el instrumento de medición. El voltaje de la línea eléctrica se reduce con precisión mediante una alta relación de rotación a un voltaje más bajo, de modo que un instrumento de medición típico pueda medirlo fácilmente. Los transformadores de corriente se conectan en serie a la línea de suministro para medir la corriente. La corriente de la línea de suministro se mide como la suma de la corriente de excitación y la corriente secundaria multiplicada por la relación de vueltas. Los transformadores de corriente de menor precisión también se utilizan como transformadores de protección.
Para medir voltajes de alto valor, el primario de los transformadores de potencial o transformadores de potencial se conecta a la línea de suministro y el voltaje de la línea de suministro se reduce a un límite seguro en el secundario. Los transformadores de tensión pueden ser de tipo electromagnético, condensador u óptico. Los tipos electromagnéticos son transformadores reductores de un solo cable, los tipos de capacitores usan un divisor de voltaje de capacitor y los tipos ópticos usan componentes optoelectrónicos.
Transformadores de pulso
Los transformadores de impulsos son transformadores de pequeño tamaño montados en PCB que se utilizan en dispositivos electrónicos para generar impulsos de amplitud fija. Estos transformadores aíslan un circuito de carga digital y le suministran pulsos de amplitud constante.
Transformadores de audio
Es más apropiado clasificar los transformadores utilizados en el dominio de la electrónica por el rango de frecuencia de su operación. Los transformadores electrónicos que operan en el rango de frecuencia de 20 Hz a 20 kHz se clasifican como transformadores de audio. Generalmente se trata de pequeños transformadores de servicios públicos con un núcleo EI laminado similar a los típicos transformadores de servicios públicos de 60 Hz. Pueden ser transformadores elevadores o reductores. Los transformadores de audio se utilizan principalmente para igualar impedancias y están diseñados para ofrecer una reactancia casi nula. Puede haber varias bobinas primarias y secundarias en un transformador de audio, que pueden estar separadas o con derivación central.
Transformadores SE
Los transformadores IF se utilizan para sintonizar señales de frecuencia intermedia. Son transformadores blindados, generalmente con núcleo de ferrita de alta permeabilidad.
Transformadores de RF
Los transformadores electrónicos utilizados en radiofrecuencias se denominan transformadores de RF. Estos pueden ser transformadores bobinados, como transformadores de servicios públicos, o pueden ser transformadores de líneas de transmisión. Los transformadores bobinados con núcleos toroidales de hierro en polvo son los más comunes. Los transformadores de RF con núcleo de aire se utilizan para aplicaciones de alta potencia. Aunque los transformadores con núcleo de hierro en polvo tienen alta permeabilidad y autoprotección, los transformadores con núcleo de aire son mucho más eficientes energéticamente aunque tienen una EMI significativa. Estos transformadores también se denominan transformadores de banda ancha y se utilizan para un rango de frecuencia de 3 MHz a 30 MHz. En frecuencias más altas, los transformadores de línea de transmisión se utilizan como antenas de cuarto de onda. Pueden ser líneas de cables paralelos o cables coaxiales.
Aplicaciones de transformadores
Los transformadores se utilizan ampliamente en el ámbito eléctrico y electrónico. En el ámbito eléctrico, los transformadores se utilizan generalmente para reducir las tensiones alternas en centrales eléctricas, redes de distribución o para medición. En electrónica, los transformadores se utilizan para muchas aplicaciones, como aumentar o reducir voltajes, igualar impedancias, generar pulsos, acoplar y aislar.
Los transformadores utilizados en el ámbito de la electrónica generalmente tienen impresas sus especificaciones, como voltaje primario, voltaje secundario y potencia nominal. En general, los esquemas de colores identifican los terminales de la bobina primaria, el devanado secundario y la toma central.
Actividad 12
Ya basta de transformadores. Ahora que conoces el funcionamiento y las especificaciones de los transformadores, es hora de probar algunos circuitos. Obtenga los diagramas de circuitos y ensúciese las manos con algunos de los circuitos de hobby que utilizan transformadores como rectificador de media onda, rectificador de onda completa, fuente de alimentación de banco simétrica de 12 V o 9 V, amplificador de potencia de audio y preamplificador. Inspeccionar el funcionamiento y las especificaciones requeridas de los transformadores utilizados en estos circuitos.
Actividad 13
Prepare una lista de algunos transformadores generadores de impulsos por sus números de pieza. Descargue e inspeccione sus hojas de datos. Descubra características eléctricas importantes mencionadas en sus fichas técnicas que pueden ser útiles en su aplicación.
En el próximo artículo, analizaremos las fuentes de alimentación.
