Un transformador es un componente inteligente, pero muy simple. Su trabajo es aumentar o disminuir los voltajes. Al hacerlo, la corriente cambia en consecuencia para mantener la misma potencia en ambos lados según la ecuación P=IV.
Los transformadores, que constan de dos bobinas separadas, funcionan según el principio de la inducción electromagnética. Dado que no hay contacto físico entre las bobinas, solo pasa CA mientras la CC está bloqueada.
Conceptos básicos de electricidad
Un poco sobre voltaje y corriente
Esto puede ser muy básico, pero es importante entenderlo. En los conductores, como un alambre de cobre, hay electrones «libres» flotando.
El voltaje es una fuerza que atrae electrones.
La corriente es el flujo de electrones, medido en amperios (A).
| 1A = 6 millones de millones de millones de electrones que pasan a través de una sección transversal dada de un alambre en 1 segundo. |
Una vez, cuando se dieron cuenta de todo esto, lo estropearon y se equivocaron en la dirección del flujo de corriente. Nunca se ha corregido, por lo que denotamos el flujo de corriente de + a – y está en dirección opuesta al flujo de electrones.
CA y CC Hay 2 tipos de corrientes:
Corriente alterna (CA) y
Corriente continua (CC)
Cuando la electricidad se genera en las centrales eléctricas, es en forma de corriente alterna.
| En el caso de la corriente continua, los electrones fluyen en una dirección en el cable. En el caso de la corriente alterna, los electrones fluctúan. Van y vienen en el cable 50 veces por segundo. |
¿Dónde se utilizan los transformadores?
La electricidad se distribuye a largas distancias a través de líneas de transmisión. Ahora, el flujo de electrones genera calor, que es una forma de pérdida. Esto se debe a que, a medida que fluyen, chocan contra la estructura del cable conductor, se produce una fricción que genera calor.
Para evitar esto a lo largo de las largas líneas de transmisión, un transformador aumenta el voltaje a cientos de miles de voltios y otro transformador lo reduce justo antes de que llegue la electricidad a la ciudad.
Si bien el voltaje es muy alto, la corriente es mínima. Esto resulta en pérdidas mínimas.
Otro ejemplo es el cargador de teléfono. En la pared tenemos 230V. El cargador tiene un transformador que reduce los 230 V a 5 V.
Principio de funcionamiento de los transformadores
Para comprender el principio de funcionamiento de un transformador, hay 2 teorías relacionadas que se deben cubrir:
Campo magnético en un alambre
Campo magnético en una bobina
Caso de un alambre
Cuando un electrón pasa a través de un cable, genera un campo magnético a su alrededor. Este campo tiene una dirección. Con base en el diagrama de arriba, podemos determinar esta dirección del campo usando nuestra mano derecha. El pulgar señala el flujo de corriente, mientras que los dedos curvados muestran el campo.
Caso de un electroimán
Tomamos este cable y lo enrollamos. Terminaremos teniendo muchos cables uno al lado del otro, por lo que este campo magnético se vuelve más fuerte. Mientras que, en el caso del cable, el campo gira, en el caso de un electroimán, el campo pasa por el centro de la bobina y luego gira en un bucle.
Un electroimán es similar a un buen electroimán rojo y azul. Tiene un polo norte y un polo sur. El flujo magnético siempre apunta de norte a sur fuera de la bobina. En el caso de una corriente alterna, la corriente cambia de dirección, por lo tanto, los polos norte y sur se desplazan.
Principio de funcionamiento de un transformador
La única diferencia entre una bobina y un transformador, es que, en el transformador tenemos 2 bobinas. Las bobinas nunca se tocan, están aisladas. El flujo de corriente en la bobina primaria induce un voltaje en la bobina secundaria.
•Las bobinas primaria y secundaria se enrollan alrededor de un núcleo de hierro.
•El núcleo tiene una alta permeabilidad magnética, lo que significa que dirige el campo de la bobina primaria hacia el devanado secundario.
•La CA se alimenta en el primario (la CC no puede pasar), por lo que la dirección del campo magnético que en el núcleo cambiará continuamente de dirección.
•Basado en la Ley de Inducción Electromagnética, se generará una Fuerza Electromagnética (EMF).
Si el devanado secundario es parte de un circuito cerrado, fluirá corriente. Para que quede claro, los electrones no saltan de primario a secundario. Están a lo largo de los cables y simplemente comienzan a fluctuar de un lado a otro debido a la EMF.
| La Ley de inducción electromagnética de Faraday establece que, si un cable se coloca en un campo magnético cambiante, se generará EMF. |
¿Por qué los transformadores no funcionan con CC?
Como establece la ley de inducción electromagnética anterior, el cable debe estar en un campo magnético cambiante para que se induzca el EMF.
El campo magnético solo cambia cuando cambia la polaridad norte y sur. Si tuviéramos una corriente continua, los polos norte y sur estarían fijos, por lo tanto, no habría movimiento de campo, lo que daría como resultado que no hubiera campos electromagnéticos inducidos.
Fórmulas de transformadores
Relación de vueltas
La forma de controlar el voltaje en el lado secundario del transformador es tener una cantidad diferente de giro del cable de cobre que el primario.
Según la fórmula a continuación, cuantos más giros tengamos en el lado secundario en comparación con el primario, mayor será el voltaje inducido.
Dónde:
•IP: corriente primaria
•es: corriente secundaria
•Vp: voltaje primario
•Vs: voltaje secundario
•Np: número de vueltas en el devanado primario
•Ns: número de vueltas en el devanado secundario
La ecuación de resistencia del lado secundario
Derivemos una ecuación para la resistencia secundaria en términos de las vueltas del lado primario, así como el voltaje y la corriente primarios.
Circuito equivalente del transformador
Dónde:
Rp: resistencia del devanado primario
Rs: resistencia del devanado secundario
Re: Pérdidas por corrientes de Foucault
jXp: reactancia del devanado primario
jXs: reactancia del devanado secundario
jXm: flujo de magnetización
Circuito equivalente simplificado
Para simplificar nuestros cálculos, sumamos la resistencia y la reactancia primarias con las del lado secundario. Hacemos esto usando la ecuación de resistencia de arriba.
Esta ecuación expresa la resistencia del lado secundario en términos del voltaje y la corriente del primario. Esencialmente, es lo que ve el lado secundario a través de las bobinas. Podemos usar esto para sumar con la resistencia y la reactancia del secundario.
Resistencia e impedancia del devanado
Se dice que una bobina tiene una impedancia. La impedancia consta de dos partes: resistencia (R) y reactancia (jX). La reactancia ocurre cuando el voltaje y la corriente no están en fase. ¿Por qué sucede esto en una bobina?
A medida que el campo magnético gira, el campo magnético cambiante inducirá lo que se conoce como EMF posterior que se opone al flujo de corriente. Por lo tanto, se quedará atrás y se dice que retrasa el voltaje. Cuando esto sucede, tenemos reactancia. La parte resistiva de la impedancia es la resistencia natural del cobre.
Pérdidas por corrientes de Foucault
Como mencionamos, hay un flujo magnético que viaja a través del núcleo de hierro desde el primario al secundario. El hierro es un conductor con electrones libres, por lo que este campo magnético trata naturalmente de mover estos electrones.
Al excitar los electrones, se transfiere energía, que se disipará en forma de calor. Esta es la pérdida de energía magnética. Para evitar esto, el núcleo está formado por finas láminas laminadas que están aisladas entre sí.
De esta forma, el núcleo sigue impulsando el flujo desde el lado primario al secundario, pero la laminación evita el flujo de corriente.
Eficiencia del transformador
Hay 2 tipos de pérdidas en un transformador:
Pérdida de cobre: debido a pérdidas I^2*R
Pérdida de hierro: debido a la corriente de Foucault
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