ÍNDICE
Qué es un transformador
Partes de un transformador
Cómo funciona
Tipos de transformadores
Parámetros de un transformador
Símbolos utilizados en los esquemas
Ejemplo de utilización
Cómo comprobar un transformador
Usos de los transformadores
RINCÓN DE LA TEORÍA. Inducción electromagnética
El vídeo
1. Qué es un transformador
Un transformador es un componente utilizado en aplicaciones eléctricas y electrónicas que permite modificar el voltaje de una corriente eléctrica. Esta modificación puede consistir en:
elevar el voltaje,
reducir el voltaje
no modificar el voltaje
Mas adelante, cuando abordemos el tipo de transformador denominado "de aislamiento", veremos esta tercera opción aparentemente extraña.
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| Transformadores elevadores/reductores |
Una cosa que hay que tener en cuenta es que un transformador sólo funciona con corriente alterna. No sirven para corriente continua. Si ponemos un transformador en un circuito por donde sólo pasa corriente continua, ésta recorrerá al transformador como si de una simple resistencia se tratara, es decir, se disipará calor, habrá una caída de tensión, pero nada más. No habrá transformación de voltaje.
Esto es debido a que los transformadores funcionan en base al fenómeno de inducción electromagnética, y este fenómeno sólo ocurre cuando hay una variación de corriente, tanto en magnitud como en sentido de dicha corriente. Es decir... corriente alterna.
2. Partes de un transformador
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| Partes de un transformador |
BOBINADO
Todo transformador tiene, como mínimo, dos bobinas o devanados de hilo conductor. Estas bobinas no están conectadas eléctricamente entre sí, están aisladas. La transferencia de corriente desde una bobina hacia la otra se produce mediante el fenómeno de inducción electromagnética.
Estos bobinados tienen un nombre:
- Primario: Es la bobina de "entrada" a la cual se le aplica la corriente a la que queremos transformar su voltaje.
- Secundario: La bobina de "salida" que nos devuelve la corriente de entrada ya transformada.
Por ejemplo, en un cargador de teléfono móvil, hay un pequeño transformador con un primario de 220 voltios (la corriente de entrada, de la red), y un secundario de 5 voltios (para cargar el móvil)
Es muy frecuente el caso de transformadores con mas de dos bobinados. En las fuentes de alimentación modernas es usual que el secundario del transformador tenga 2, 3 y 4 secundarios.
También tenemos los transformadores con salida simétrica que proporcionan un cero y dos tensiones iguales (desfasadas 180º entre sí) de modo que cuando una está en el semiciclo positivo, la otra está en el semiciclo negativo. Este tipo de secundario se utiliza para fuentes de alimentación simétricas, con una salida "cero", una tensión positiva y otra tensión de igual valor pero negativa. Hay muchos circuitos que necesitan este tipo de alimentación, y son muchos los circuitos integrados que también exigen este tipo de alimentación. El siguiente dibujo muestra un transformador sencillo y uno simétrico:
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| A la izquierda, símbolo de transformador con secundario sencillo A la derecha, con secundario simétrico de 12 + 12 |
NÚCLEO
Los bobinados del transformador suelen ir montados sobre una estructura de metal que permite que el fenómeno de inducción electromagnética ocurra de la forma mas eficiente posible y con las menores pérdidas posibles. Para hacer el núcleo se utilizan distintos materiales, a menudo aleaciones. Entre los más usados: Hierro, acero-silicio y ferrita (a veces denominada por un nombre comercial: ferroxcube). En ocasiones, el núcleo es de una sola pieza, en otras está hecho apilando chapas metálicas (ver dibujo bajo estas líneas).
También hay transformadores sin núcleo metálico, o sea, con núcleo de aire.
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| Chapas metálicas para formar el núcleo de un transformador. Por simplicidad, el dibujo muestra el bobinado directamente sobre el núcleo. En la práctica se interpone entre núcleo y bobina un material a modo de carrete hecho en cartón o plástico. |
3. Cómo funciona
En el dibujo sobre estas líneas vemos un transformador representado por dos bobinas, a la izquierda el primario, a la derecha el secundario. Vemos que el primario está diseñado para 240 voltios, y el secundario es de 12 voltios. Si aplicamos una tensión alterna de 240 voltios al primario, aparecerá de forma inmediata una tensión de 12 voltios (también alterna) en el secundario.
Es decir, hemos reducido la tensión de 240V en un factor de aprox. 20 puesto que 240 dividido entre 20 da un valor de 12. Por cierto, en este caso diríamos que este transformador tiene una relación de transformación de 20.
Hay un paralelismo entre la mecánica y la electricidad en el caso de los transformadores. Por ejemplo, en mecánica, de un par de engranajes también se habla de "relación de transmisión". Y sabemos que dos engranajes pueden disponerse de modo que el segundo engranaje gire mas despacio que el primero (pero lo hará con mas par, mas fuerza) esto sería una desmultiplicación y esto se consigue haciendo el segundo engranaje con más diámetro que el primero.
También podemos hacer lo contrario: El segundo engranaje con menos diámetro que el primero. Girará más deprisa... pero con menos par. Esto sería una "multiplicación".
Claramente se ve que el producto "par" x "velocidad" en ambos engranajes se mantiene constante (obviando las inevitables pérdidas).
Exactamente igual ocurre en los transformadores pero sustituyendo par y velocidad por tensión e intensidad. La potencia tanto en el primario como en el secundario es la misma. Y la potencia es el resultado de multiplicar tensión e intensidad. Siguiendo con nuestro ejemplo de transformador, supongamos que el secundario tiene una intensidad máxima de 1 amperio (este dato lo proporciona el fabricante) y el consumo en un momento dado es precisamente de 1 amperio. Entonces sería muy fácil deducir qué intensidad está circulando en el primario: Dividimos ese amperio por la relación de transformación que en este caso es de 20
1 Amperio dividido entre 20 = 0,050 A = 50 mA
Si multiplicamos tensión e intensidad en cada bobinado veremos la potencia en cada uno, y tiene que ser la misma.
Potencia primario = 240V x 0,050A = 12W
Potencia secundario = 12V x 1A = 12W
Por supuesto, la realidad difiere ligeramente de éstos cálculos debido a las pérdidas que siempre existen en cualquier tipo de máquina, y los transformadores no escapan a esta norma.
Otro punto importante a destacar es que los transformadores son dispositivos reversibles. Lo veremos mejor con el transformador de nuestro ejemplo. En lugar de aplicar 240V al primario para obtener 12V en el secundario, podemos aplicar 12V al secundario y tendríamos 240V en el primario. En cuanto a la intensidad, haría falta 1A en el secundario para obtener "sólo" 50mA en el primario. Aquí habría que invertir el nombre de los bobinados (el secundario pasaría a llamarse primario y viceversa) ya que dicho nombre no es intrínseco: Se entiende por primario a aquél bobinado al que se le aplica tensión, y por secundario el bobinado de salida, aquél que recibe la tensión.
Durante su funcionamiento es normal que un transformador se caliente, sobretodo si se le está pidiendo una potencia cercana a su máxima nominal. Si la corriente excede el máximo durante un tiempo significativo, el transformador se romperá. Algunos transformadores voluminosos y caros tienen una protección basada en un fusible térmico para evitar que puedan llegar a generar fuego. Lamentablemente, ese fusible no es accesible y el transformador debe desecharse.
Un transformador con los tornillos de fijación mal apretados puede ocasionar problemas de vibración (a veces perfectamente audible) en los equipos.
4. Tipos de transformadores
Hay bastantes tipos, no sólo por la forma en que son fabricados, sino también por la forma en que son utilizados.
DE ALIMENTACIÓN (Elevador o reductor)
Es el tipo más común y el que con más frecuencia nos vamos a encontrar, al menos a nivel de aficionado a la electrónica. Casi todos los equipos incluyen al menos uno formando parte de la fuente de alimentación. El primario se conecta a la red de 220 ó 125V según el caso. En los casos más sencillos hay un sólo secundario aunque lo habitual es que tengan dos, tres y a veces más, especialmente cuando se trata de fuentes conmutadas.
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El transformador de la izquierda tiene rotulado el valor "4 amps": Es la intensidad máxima del secundario. El Transformador de la derecha, más pequeño, es para 0,4 amps |
En la foto. a la izquierda, un transformador de alimentación con primario para 127 y 220 voltios. Secundario de 15 voltios. A la derecha, otro transformador, también con primario de 127/220 Voltios, pero el secundario es simétrico: Podemos usar el terminal "0" y un "18" y tendremos 18V, o podemos usar los dos terminales "18" y dejar al aire el "0" y tendremos 36 voltios.
Otro uso que se le puede dar a un transformador con secundario simétrico es hacer con él una fuente de alimentación... simétrica. Estas fuentes entregan a la salida dos tensiones (además de una tensión "cero" o "masa"): Una tensión positiva de "x" voltios respecto a esa masa, y una tensión negativa de "x" voltios respecto de esa misma masa. Hay muchos circuitos que necesitan una alimentación simétrica de este tipo. Lo veremos mejor con el esquema siguiente, una fuente que entrega un +12, un -12 y un cero.
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Fuente de alimentación simétrica +12V -12V usando un transformador simétrico de 12+12V, y dos reguladores: Uno positivo (7812) y uno negativo (7912) |
TRIFÁSICOS
Este tipo de transformadores son utilizados para distribuir la energía eléctrica de la red, desde las centrales eléctricas hasta los puntos de consumo. Elevan la tensión a valores bastante altos, en las grandes líneas, centenares de miles de voltios. Con esto se minimizan las pérdidas de electricidad por efecto Joule. Como aficionados a la electrónica es improbable que nos las veamos con uno de estos, pero bien está saber que existen.
Por supuesto, también hay transformadores trifásicos reductores para bajar la tensión a niveles utilizables por los consumidores: Industria, comercios, alumbrado público, viviendas...
Tanto el primario como el secundario están formados por tres bobinas, pues como su nombre indica, la corriente trifásica tiene tres fases. Los hay para potencias muy variables, los más grandes pueden llegar a pesar cientos de toneladas.
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| Transformador trifásico de elevada potencia |
ADAPTADOR DE IMPEDANCIA
Hay veces en que hay que conectar entre sí dos circuitos (o dispositivos) que tienen un régimen de funcionamiento muy distinto en cuanto a manejo de tensiones e intensidad. Para esto se utiliza un transformador de impedancia.
Un ejemplo bastante claro lo tenemos en la radio galena, la radio sin pilas, a la cual le dediqué un vídeo. Allí vimos un problema a la hora de conectar el sencillo circuito de la radio a los auriculares. Mientras que esta radio ofrece una impedancia mas bien elevada, los auriculares tienen una impedancia muy baja, unos ocho ohmios. Esto hace que la transferencia de corriente desde la radio a los auriculares sea muy deficiente, y los auriculares no funcionan (no se oye la radio).
Una solución puede ser utilizar auriculares de alta impedancia, pero ya hace mucho tiempo que no se fabrican y es harto difícil encontrar unos... y a saber a qué precio.
...Así que lo más efectivo y barato es utilizar un transformador de impedancia, en este caso consiste en un simple transformador de 220V/6V
El primario de 220V se conecta a la salida de la radio. Los milivoltios o microvoltios que entrega la radio serán disminuidos aún más por el transformador... pero a costa de elevar proporcionalmente la intensidad, pues intensidad (mejor que voltaje) es lo que necesita un auricular moderno de 8 Ohms.
El vídeo de la radio galena es el siguiente. En el minuto (5:25) de ese vídeo se habla sobre el asunto de la adaptación de impedancias.
TOROIDALES
Este tipo de transformador se caracteriza por tener muy pocas pérdidas por fenómenos indeseables, como son las corrientes de Focault. Otra ventaja es que interactúan menos con componentes próximos debido a que el flujo magnético está confinado en el núcleo.
Tanto el primario como el secundario se bobinan sobre un núcleo de ferrita y con forma de anillo (toro, de ahí el nombre de este transformador).
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| Transformador toroidal |
DE LÍNEAS (FLYBACK)
Utilizados en TV y monitores de TRC, en claro declive pero aún siguen usándose. Este transformador es muy fácil de reconocer por su peculiar forma.
Siempre tienen múltiples devanados, y no es raro encontrarlos con hasta siete bobinas. Su número de terminales o patillas también es elevado: Del orden de 10 terminales incluyendo el cable con la ventosa para la MAT (Muy Alta Tensión) que se conecta al TRC y proporciona la tensión anódica de más de 25.000 voltios para que el TRC acelere los electrones hasta una velocidad suficiente.
- Produce la señal que hace funcionar a las bobinas deflectoras horizontales
- También genera la tensión de foco para el TRC
- La tensión G2,
- La tensión de MAT para el TRC
- La tensión de filamento, de unos pocos voltios, para el TRC
- Genera la tensión de error del CAG (Control Automático de Ganancia)
- Produce tensiones auxiliares para otros circuitos: Sintonizador, vertical...
Acerca de obtener información de estos transformadores, hay una página web interesante que nos puede ayudar:
Enlace a la página HrDiemen.com
Portal de Hr Diemen:
Aquí podemos usar su buscador para ver un transformador de líneas determinado. Podemos buscar por la referencia del transformador, por el código de HR y también por marca y modelo de TV. Una vez encontrado, esta página nos proporciona esta información:
- Foto del transformador
- Conexionado para usar el comprobador de flyback. Hay infinidad de modelos de blyback, y cada uno tiene un número de terminales distinto, además de que esos terminales tienen una disposición también distinta y se conectan de forma distinta. Esta información es muy útil.
- Qué otros modelos de TV usan ese mismo modelo de transformador.
- Esquema interno de los devanados del transformador y mapa de terminales.
Página de HR Diemen mostrando la información de un modelo de flyback:
En la parte superior izquierda de la pantalla anterior hay un enlace que dice "view schema" (ver esquema). Si pinchamos el enlace nos saldrá el esquema interno del transformador incluyendo la identificación de cada terminal y un croquis de la disposición de los terminales. Todo un detalle...
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| Esquema interno de los bobinados con detalle de los terminales. |
Hay en el mercado comprobadores especiales para este tipo de transformadores. Una vez desmontado el transformador, se conecta al comprobador mediante varios cables con pinzas de cocodrilo y se hace la medición. El display del comprobador no sólo dice si está bien o mal, sino que también dice que tipo de falla tiene en caso de estar mal.
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| Comprobador de transformadores de líneas |
DE AISLAMIENTO
Según hemos visto ya, no hay contacto eléctrico entre primario y secundario
En un transformador de aislamiento se aprovecha esta característica para aislar a los equipos de la red. Y no se desea cambiar el voltaje, sólo se busca la cualidad de aislar. Esta es la razón de porqué estos transformadores tienen una relación de transformación 1:1, es decir, el voltaje se mantiene igual a la entrada y a la salida. Como vemos, un transformador no sólo sirve para aumentar o reducir un voltaje. También brinda seguridad.
No me estoy refiriendo a los transformadores que los equipos llevan en su interior, pues aunque también aíslan, el primario de esos transformadores está directamente conectado a la red. Me refiero a transformadores externos al equipo, de modo que el equipo no se enchufa directamente a la red sino a través de ese transformador.
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| Izquierda: Equipo conectado directamente a la red (no aislado) Derecha: Equipo conectado a la red a través de un Transf. de aislamiento |
Se suelen utilizar en entornos como equipos médicos, laboratorios, ordenadores y también es buena idea, si eres electrónico, instalar uno en el banco de trabajo para reparar equipos o en general manipular la electricidad con mayor seguridad. Es importante destacar que la protección es con respecto a tierra, pero si se tocan los dos polos de salida de un transformador de aislamiento a 220V se sufrirá una descarga tan peligrosa como corresponde a 220V.
Un transformador de aislamiento también protege a los equipos de señales indeseables e interferencias.
A veces no es fácil conseguir uno de estos transformadores. Si queremos proteger un equipo o dotar a nuestro banco de trabajo de uno de éstos, podemos usar un recurso para hacernos uno y, con un poco de suerte, nos puede salir casi gratis:
Se trata de algo tan sencillo como conectar a la red un transformador de 220V/125V. Después conectaremos el secundario de este transformador al secundario de otro transformador igual. A la salida de ese segundo transformador tendremos una tensión de 220V/125V ya completamente separada de la red.
Hay que tener en cuenta la potencia de los transformadores, pues no deberíamos conectar nada que tenga una potencia mayor que la ofrecida por los transformadores. Aún así, unos 100-200W está bien (a más potencia, transformadores mas grandes y más caros). Con esta potencia podemos conectar muchos tipos de equipos como monitores, TV, ordenadores, audio, etc. Lo de que "puede salir casi gratis" es en el caso de reciclar dos transformadores de dos equipos, pero -recuerda- ambos transformadores deben ser iguales.
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Transformador de aislamiento casero partiendo de dos transformadores iguales. Hay que tener en cuenta la potencia de estos transformadores y no conectar cargas que superen esa potencia. En el dibujo es de aprox. 250W, lo que da para conectar muchos tipos de equipamiento. |
AUTOTRANSFORMADOR
El autotransformador tiene un sólo bobinado realizado sobre un núcleo de material ferromagnético. En ese bobinado, en serie, están el primario y el secundario. Pueden ser tanto elevadores como reductores de tensión pero tienen una limitación: No pueden tener una relación de transformación superior a 3. A continuación, un esquema de autotransformador:
-Comparado con un transformador convencional, a igual voltaje y potencia requiere menos peso, menos cobre, en definitiva, menos material
- Tiene una gran eficiencia. A esto ayuda el hecho de que la transferencia de corriente primario-secundario ocurre no sólo por inducción, como en un transformador normal, sino también por conducción directa ya que primario y secundario están en serie.
Y entre sus desventajas:
- El secundario no está aislado del primario. Esto ocasiona un problema de seguridad suficientemente serio como para desaconsejar su uso en algunas aplicaciones. En muchos países esto está regulado con leyes que restringen su uso en algunas aplicaciones para evitar riesgos.
- En caso de fallo, por ejemplo que se corte una espira, puede aparecer toda la tensión en el secundario, lo que supone un riesgo para las personas y los equipos que alimente ese autotransformador.
- No filtra componentes indeseables tales como los armónicos
Los autotransformadores son muy utilizados en las centrales eléctricas y en las líneas de transmisión de electricidad. La "bobina" que genera la alta tensión para las bujías en coches y motos en realidad es un autotransformador.
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| Este conocido transformador es un autotransformador Convierte 220V en 125V y viceversa |
5. Parámetros de un transformador
Todos los componentes electrónicos tienen unas características o valores que los definen. Los transformadores también. Son los siguientes:
- Tensión primario: La tensión que se conecta al bobinado primario. No hay problema en usar una tensión menor, pero no debemos usar una mayor por riesgo de romper el primario o lo que es peor: Obtener en el secundario una tensión excesiva que pueda romper el circuito al que alimenta dicho transformador. Esta tensión suele ir marcada en el mismo transformador por el mismo fabricante con lo cual los terminales del primario estarán identificados.
- Tensión secundario: La tensión que se obtiene en el secundario cuando conectamos al primario la tensión correspondiente. También suele venir marcada por el fabricante.
- Relación de transformación: Es un parámetro importante sobretodo si nuestra tarea es diseñar circuitos (parámetro de escaso interés a la hora de reparar). Este dato no viene marcado ni lo facilita el fabricante pero es fácilmente deducible conociendo las tensiones de primario y secundario. La relación de transformación es el cociente resultado de dividir la tensión del primario entre la tensión del secundario.
La relación de transformación viene determinada por el número de espiras de los bobinados primario y secundario. A mayor número de espiras, mayor tensión y proporcionalmente menor intensidad.
En cada bobinado, el número de vueltas (espiras), la tensión y la intensidad están directamente relacionados según esta expresión:
Ejemplo:
El típico transformador de un inversor:
Tensión primario: 12V
Tensión secundario: 220V
Relación de transformación (RT): 220V / 12V = 18,51
Se trata de un transformador elevador.
Mejor, expresado de esta manera: RT = 1:18,51
La tensión en el secundario es elevada en un factor de 18,51
Por cada voltio en el primario, obtenemos 18,51 en el secundario
La intensidad en el secundario será 18,51 menor que en el primario
Potencia: El fabricante rotula en el mismo transformador la intensidad máxima que puede exigirse al secundario. La intensidad no es una unidad de potencia pero nos permite saber a qué atenernos y en cualquier caso podemos saber la potencia: Multiplicaremos la tensión del secundario (voltios) por la corriente máxima especificada por el fabricante (amperios). Ejemplo: Tensión secundario: 24V, corriente máxima: 4A. La potencia máxima que puede entregarnos este tranformador será:
P = V x I = 24V x 4A = 96W
Donde:
P = Potencia en watios
V = Voltaje del secundario, en voltios
I = Intensidad del secundario, en amperios
Si estamos reparando un equipo y tenemos que sustituir un transformador, debemos usar uno exactamente del mismo tipo.
Si por el contrario estamos creando o diseñando un circuito debemos tener en cuenta dos consideraciones a la hora de elegir el transformador adecuado:
1) Elegir bien la intensidad máxima del transformador. Hay que tener en cuenta que a más intensidad, el transformador será más grande, pesado y caro. Aún así en ocasiones viene bien sobredimensionar un poco el transformador, especialmente si se busca una gran fiabilidad. Como orientación diré que si el circuito va a consumir, digamos, un máximo de 1,5A, lo ideal sería poner el transformador de 2A. Es claramente un compromiso fiabilidad/tamaño/precio.
2) La tensión del secundario, en caso de ser rectificada y filtrada con una fuente, subirá en un factor de "raíz de dos": aproximadamente 1,41. Por ejemplo, una tensión (alterna) de 12V suministrada por el secundario subirá a unos 17V después de rectificada. Pero esto es con la fuente en vacío (sin conectarle nada). Cuando conectemos una carga a la fuente y ésta tenga que satisfacer un consumo, la tensión caerá tanto más cuanto mayor sea ese consumo descendiendo hasta ese valor de 12V. Esto no va a ocurrir si usamos una fuente estabilizada o simplemente un regulador de tensión de la familia 78XX, en este caso la tensión será estable y constante.
6. Símbolos utilizados en los esquemas
En la siguiente tabla, los símbolos utilizados para los transformadores
7. Dos ejemplos prácticos de utilización de transformadores
- Alimentación
En el vídeo, en 30:01, vemos una de las aplicaciones que con más frecuencia nos vamos a encontrar: Un transformador formando parte de una fuente. Bajo estas líneas, una fuente de alimentación moderna (de las llamadas "conmutadas") que tienen muchas ventajas frente a las clásicas. El transformador aparece en primer plano.
Ahora, vamos a hacer un sencillo montaje para hacer trabajar a un transformador: Haremos lucir un par de diodos LED de alto brillo (conectados en serie) partiendo de la tensión de red que es de 220V alterna.
Sin embargo, los LED funcionan con sólo 3V... y además de corriente continua.
Vamos a usar un transformador 220V / 6V para bajar los 220V hasta los 6 que necesitamos. Cada diodo necesita 3 volts, como son dos diodos conectados en serie, la tensión deberá ser la suma de ellos: 6V.
No importa cómo conectemos cada par de cables tanto al primario como al secundario del transformador: Recordad que estamos con corriente alterna y por tanto, no hay polaridad.
Después, a la salida del transformador, vamos a conectar un puente de diodos para convertir la corriente alterna que entrega el transformador en corriente continua que es la que necesitan los diodos. Finalmente pondremos un condensador para filtrar la componente de alterna residual.
El esquema es así:
- Adaptación de impedancia
En ocasiones hay que conectar dos circuitos o dispositivos que tienen un régimen de funcionamiento muy distinto en cuanto a voltaje y/o intensidad.
Un ejemplo lo tenemos en la radio sin pilas, la radio galena.
El sencillo circuito, con tan sólo tres componentes, funciona con tensiones muy reducidas (las que la emisora captada induce en la antena de nuestra radio), pero las intensidades son aún mas reducidas, realmente minúsculas.
Esta radio deberá excitar unos auriculares para que podamos usarla. El problema es que los auriculares necesitan una intensidad bastante mas elevada que la que puede proporcionar el circuito de la radio.
La solución: Usar un transformador de impedancia.
Se usa un transformador de 220V / 6V. El primario de 220V se conecta a la salida de la radio. Esto no quiere decir que en la radio hayan 220V ni mucho menos. Sencillamente la tensión que la radio aplica al transformador se reducirá en un factor de 40, lo cual quiere decir que la intensidad, como contrapartida, será 40 veces mayor. Esto nos evita buscar aquéllos auriculares antiguos de alta impedancia que ya no se fabrican y son objetos de coleccionista. Por los 3 euros que cuesta un pequeño transformador solucionamos el problema.
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| Esquema de la radio sin pilas (radio galena). T1 es el transformador de impedancia. |
8. Cómo comprobar un transformador
La verdad, este apartado puede ser tan extenso que daría él sólo para un tutorial de media hora y aún me quedaría corto...
Vamos a sintetizar para ver lo mas común, lo más frecuente.
En las distintas familias de componentes estamos acostumbrados a ver que hay componentes que son propensos a fallar, a destruirse con el uso, por ejemplo: Semiconductores y condensadores electrolíticos, y hay otros que parecen no romperse nunca, como bobinas, condensadores cerámicos...
Los transformadores ocupan un lugar intermedio. No suelen romperse con facilidad, y en algunas aplicaciones trabajan en un régimen tan poco exigente que no se rompen nunca. En otras aplicaciones sí que nos encontraremos de vez en cuando con algún transformador roto: Fuentes de alimentación especialmente las lineales (antiguas o clásicas), inversores en TV y monitores, transformadores de líneas en TV de TRC, transformadores de alta tensión de hornos microondas.. todos estos son transformadores que trabajan con bastante demanda y pueden averiarse, no con mucha frecuencia, pero tampoco es raro.
La mejor forma (en teoría) de comprobar un transformador es medir si le llega la tensión al primario y medir si está presente la tensión esperada en el secundario. Sin embargo a veces esto no es posible o no es fácil por una o más de las razones siguientes:
- No hay acceso para las puntas de prueba del polímetro
- En transformadores de alta tensión (microondas, flyback de TRC) no es prudente medir tensiones a no ser que uno sea personal especializado.
- El transformador no especifica cuales son sus terminales
- El transformador tiene múltiples devanados y no se sabe cuál es cuál.
- El circuito es crítico y poner las puntas de prueba altera el funcionamiento.
Así que en ocasiones no queda otra que optar por una de estas dos:
1. Sustituir el transformador. Método que no falla, pero a veces es engorroso y es necesario disponer del recambio.
2. Desconectar el transformador del equipo y hacer las pruebas en frío, es decir, medir resistencias en lugar de tensiones. También está el recurso de probar el transformador con una tensión mucho mas baja (mas segura) que la nominal, especialmente útil para los de alta tensión.
Sobre la primera opción anterior, nada que añadir, veamos la segunda:
Un transformador puede presentar dos anomalías:
- Devanado interrumpido, abierto, cortado
- Devanado en cortocircuito
DEVANADO INTERRUMPIDO
Como consecuencia de un golpe, calentamiento, exceso de corriente, etc, el hilo de cobre que forma un devanado puede verse roto, interrumpido, con lo cual la corriente no circula y el transformador no funciona. Normalmente se rompen los devanados de hilo mas fino, por lo tanto, en los transformadores reductores el primario es mayor candidato, mientras que en los elevadores lo será el secundario.
Forma de comprobar si un devanado está cortado: Nos aseguramos que el transformador está sin tensión. Desoldamos al menos uno de los cables. Ponemos el polímetro en la escala de resistencia (Ohmios) y aplicamos las puntas de prueba a un devanado. Debemos obtener un valor desde cercano a cero a varios cientos de ohmios. Dependerá de la sección del hilo y su longitud (número de espiras). Si obtenemos un valor "infinito", el bobinado está cortado.
A veces hay suerte y la interrupción no es interna sino que está en el mismo terminal o patilla de conexión del transformador, de forma visible. En este caso se puede intentar reparar uniendo con una simple soldadura.
DEVANADO EN CORTOCIRCUITO
El hilo de cobre que forma los devanados tiene un recubrimiento, un esmalte, que impide que pase corriente entre las espiras aunque éstas hagan contacto físico entre sí. Cuando ese esmalte se desprende y dos o más espiras hacen contacto eléctrico, se dice que el transformador está "en corto" o comunicado.
Las razones por las que esto puede ocurrir son las mismas que en la avería por interrupción: Golpes, calentamiento, vibraciones, o simple envejecimiento.
El resultado de esta anomalía es muy aleatorio. Dependerá en gran medida de las espiras afectadas. No es lo mismo que se trate de dos espiras adyacentes (que el efecto será mínimo o incluso nulo) a que se comuniquen dos espiras muy alejadas, lo que provocará un funcionamiento deficiente o un fallo total.
Detectar esta avería ya no es tan fácil, no se puede usar un óhmetro, pues la variación de resistencia por el cruce de espiras puede ser del orden de tan sólo unas décimas de ohmio.
La mejor manera de comprobar que un transformador funciona y no tiene devanados en cortocircuito es haciéndolo funcionar: Conectar la tensión de entrada al primario y medir la tensión generada en el secundario.
En el caso de transformadores que funcionan con alta tensión esto no es recomendable por la alta peligrosidad de la operación, es el caso de los transformadores de los hornos microondas: Al primario se le conectan 220V y en el secundario hay casi TRES MIL voltios. Hay un truco para esto: Si en vez de conectar 220V al primario le conectamos 12V, en el secundario habrá unos 130-150V y no tres mil voltios, siendo así mucho más segura la prueba.
De hecho, tengo un vídeo dedicado a esto donde se ve que este artificio funciona perfectamente. La reducción de voltaje en el secundario es lógica: El transformador cumple con su "relación de transformación": Si aplicamos al primario una tensión de 12V, que es 18.3 veces más baja que la nominal (220V), en el secundario tendremos también una tensión 18.3 veces más baja (136V) en lugar de casi 3000V.
A partir del minuto 6:47 del siguiente vídeo podéis ver este truco en acción.
Otro tipo de transformador que no es nada fácil comprobar es el usado en TV de tubo de rayos catódicos (TRC), conocido como transformador de líneas o flyback. Si hay avería en el circuito de ese transformador (etapa de línea) y están descartadas otras causas, normalmente se sustituye el flyback sin más.
También diré que hay instrumentación específica para medir o comprobar este tipo de transformadores. Se conectan los terminales del transformador a ese instrumento mediante cables con pinzas y en un instante se comprueba. Aquí tenéis un ejemplar de esos instrumentos:
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| Comprobador de flyback (transformador de líneas) |
9. RINCÓN DE LA TEORÍA. La inducción electromagnética
Definición
La inducción electromagnética es un fenómeno físico por el cual un campo magnético variable puede producir (inducir) una diferencia de potencial (voltaje) en un objeto que esté bajo la influencia de dicho campo magnético. Si ese objeto al que nos referimos es conductor de la electricidad, la tensión inducida generará también una corriente eléctrica inducida.
Sobre la definición anterior, comentar dos detalles:
1) Cuando se dice "campo magnético variable" quiere decir que ese campo puede ser realmente variable... o puede ser fijo y lo variable consiste en que el imán se desplaza en la cercanía de ese objeto.
2) Lo inverso también produce inducción: El imán permanece estático y lo que se mueve es el objeto que está en las proximidades del imán.
Descubrimiento
Los físicos de principio del siglo diecinueve sabían que la corriente eléctrica interactuaba con los imanes. Es un clásico el experimento del físico Hans Christian Oersted que demostró que una corriente eléctrica puede actuar sobre un imán. El experimento consiste en poner juntos un conductor eléctrico y un imán dispuesto de modo que pueda girar libremente (brújula) y hacer pasar una corriente eléctrica por ese conductor. Inmediatamente el imán gira a causa del campo magnético generado por la corriente. En el vídeo, en 39:50, se hace este experimento.
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| Montaje para realizar el experimento de Oersted en el cual se demuestra que una corriente eléctrica genera un campo magnético, fácilmente detectable. |
Aquéllos físicos, enseguida, se hicieron la pregunta: ¿Será factible hacer al revés? Es decir, utilizar imanes... para producir electricidad. Esta posibilidad era muy atractiva y cautivó a muchos físicos de la época.
...Y se pusieron manos a la obra. Uno de los primeros fue Michel Faraday, de hecho, a él se le atribuye el descubrimiento de la inducción electromagnética, experimento que en el vídeo se muestra en 41:49. Se trata de mover un imán en las inmediaciones de un conductor (mejor una bobina) y con un polímetro detectar cualquier tensión o corriente en la bobina. En el experimento se comprueba que el campo magnético ha de ser cambiante, de lo contrario no se induce ninguna tensión por muy potente que sea el imán o por muy cerca de la bobina que lo mantengamos.
También se comprobó que el campo magnético de un imán podía ser sustituido por el campo magnético generado por una corriente. Es decir, una bobina induce a otra bobina. Esto, de hecho, constituye la invención del transformador. También en el vídeo en 44:33 se hace este experimento con dos bobinas. Vemos que con corriente continua, la inducción no se produce salvo en dos breves instantes: El instante de la conexión y el instante de la desconexión.
Leyes de Faraday y Lenz
Estas dos leyes rigen el fenómeno de inducción electromagnética. La de Faraday nos dice cuánta corriente se crea. La de Lenz nos dice cómo.
Ley de Faraday: La tensión inducida en un objeto es directamente proporcional a la velocidad de cambio del flujo magnético que incide sobre ese objeto. Es decir, cuánto más rápido se mueva el imán (o la bobina) más tensión se induce. Cuanto más rápido gira un generador, más tensión (y corriente) produce.
Ley de Lenz: El sentido de la corriente inducida es tal que, mediante sus acciones electromagnéticas tiende a oponerse a la causa que lo produce. Expresado de otra manera: El campo magnético generado por la corriente inducida tiene tal polaridad que rechaza al imán (si éste se acerca a la bobina), o lo atrae (si éste se aleja de la bobina)
O dicho de forma más sencilla: El imán usado para inducir la corriente se verá frenado cuando aprovechemos esa corriente inducida. Esto es fácil comprobarlo: Si hacemos girar un generador se va a crear una tensión, pero si dejamos sus polos al aire sin conectar carga alguna, no hay corriente. Costará poco trabajo mover el generador.
Pero si conectamos una carga al generador para que esa tensión cree a su vez una corriente, veremos que el generador se vuelve "más duro" de mover. Y cuánto más consumo, más cuesta moverlo. Esto pasa con todos los generadores, desde la modesta dinamo de bicicleta, pasando por un alternador de coche, hasta el más potente generador de una central eléctrica.
La ley de Lenz podemos comprobarla en un vehículo: Coche parado, motor al ralentí. Escuchamos el sonido del motor y vemos el indicador de RPM del motor. Ahora ponemos en marcha dos o tres cosas del coche que consuman electricidad (a ser posible que no hagan ruido, como luces de carretera, luneta térmica y encendedor). Nuestro oído notará que a cada dispositivo que encendemos el motor lo acusa con un ligero descenso en la velocidad de ralentí. También se nota en el indicador de RPM del motor. La causa: La ley de Lenz: Cuanto más consumo eléctrico, más cuesta mover el alternador, y el alternador lo mueve... el motor. Si no compensamos dando una pizca más de gas, el motor baja de RPM. Cuando apagamos los dispositivos eléctricos, el motor vuelve a experimentar una ligera subida de vueltas, ya liberado del freno que suponía el alternador.
El descubrimiento de la inducción electromagnética abrió muchas puertas no sólo a la ciencia sino también al público en general: La humanidad no tardaría mucho en beneficiarse de la inducción, que permitiría crear grandes cantidades de electricidad con los generadores. Hasta ese momento, la forma de producir electricidad era mediante la pila Volta cuyas prestaciones eran bastante limitadas.
Aplicaciones de la inducción electromagnética
Actualmente, el fenómeno de inducción es aprovechado en numerosas aplicaciones, y es difícil imaginar una sociedad tecnológica sin la inducción.
Entre las principales aplicaciones:
- Transformadores: Poco que decir ya que este tutorial está dedicado a ellos.
- Electroimanes: Constan de una bobina y en su interior una barra de material ferromagnético. Cuando se aplica corriente a la bobina la barra es atraída, lo que hace que se desplace. Cuando cesa la corriente a la bobina, un resorte vuelve a poner la barra en posición de reposo. La finalidad del electroimán es realizar una acción mecánica a partir de una acción eléctrica.
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| Un electroimán. La bobina está bajo la cubierta negra de cinta aislante con los dos bornes a la vista Más arriba, el eje móvil y el muelle recuperador. Funciona a 12V y tiene fuerza para levantar más de 300 grs. |
- Generadores: Usando la inducción como principio de funcionamiento es posible generar cantidades industriales de electricidad. Se basan en una parte fija (estátor) y una parte móvil (rotor). Cuando el rotor gira, se cortan campos de fuerza y una corriente eléctrica es generada. Los hay de muchos tipos. Unos obtienen la corriente en el rotor, en un sistema de anillos y escobillas rozantes, otros la obtienen en el estátor. Unos usan imanes permanentes, otros utilizan electroimanes. La mayoría son rotatorios, pero también los hay lineales. Los hay que generan corriente alterna (alternadores) y los hay que generan corriente continua (dinamos).
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| Este generador, alternador de coche, de un diámetro poco mayor que un CD, es capaz de generar 13.8 voltios a más de 120 amperios (1.6 Kw), el equivalente a la mitad del consumo de un hogar medio |
- Motores: Hacen el trabajo inverso de los generadores: Convierten la energía eléctrica en una acción mecánica. También los hay de muchos tipos.
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| Motor eléctrico de 12V. Es reversible: Si se mueve su rotor, genera electricidad. |
- El tren de levitación magnética o Maglev: Se usan campos magnéticos para mantener el tren por encima de la vía. No hay ruedas, no hay contacto físico entre el tren y la vía, por lo tanto no hay rozamiento de rodadura, sólo el del aire. La propulsión también es realizada mediante campos magnéticos entre vía y tren. Este tipo de tren es muy silencioso y alcanza altas velocidades (más de 500 Km/h) aunque alguna desventaja debía tener: Tiene un costo muy elevado tanto en infraestructuras como en consumo.
El tren Maglev (Vídeo)
- Cocinas de inducción: Rápidas, seguras, cómodas, limpias y bastante eficientes. Utilizan el fenómeno de inducción para calentar directamente los recipientes.
- Radiodifusión y radio-control: En las antenas de las emisoras se hace circular una corriente eléctrica. En la distancia, en las antenas de los receptores se inducen unas débiles corrientes que, tras ser amplificadas y mas o menos procesadas se envían al dispositivo pertinente: Tubos de imagen TRC o LCD, altavoces, auriculares, instrumentos, indicadores, servos...
10. El Vídeo
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