MARCO TERICO

2.1.-PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES

2.1.1- MATERIALES FERROMAGNTICOS

Son aquellos materiales que mantienen un momento magntico incluso cuando el campo

magntico aplicado se anula, entre estos materiales estn el hierro, nquel y cobalto. Este efecto

se produce debido a la fuerte interaccin magntica que tienen los tomos o electrones que

conforman al material ferromagntico.

En los materiales ferromagnticos existen regiones llamadas dominios que pueden o no estar

alineados en la misma direccin tal como lo muestra la figura 2.1.a

.

Figura 2.1. Dominios de un Material Ferromagntico:

a) dominios magnticos orientados al azar (sin campo magntico externo aplicado) y

b) dominios magnticos alineados (con un campo magntico aplicado).

La figura 2.1.a. muestra un material ferromagntico donde los campos de los dominios estn

orientados al azar ya que no hay campo externo aplicado, con lo cual el campo magntico

resultante producido por el material es nulo. En la figura 2.1.b se ha aplicado un campo externo y

los campos magnticos de los dominios se han alineado con el campo externo, teniendo ahora un

campo magntico propio.

Estos dominios se pueden alinear en una misma direccin cuando se le aplica un campo

magntico, a este proceso se le denomina Magnetizacin.

2.1.2- CAMPO MAGNTICO

El campo magntico es similar al campo gravitacional y elctrico, ya que si en una regin del

espacio existe un campo magntico y se colocara una carga en movimiento sta experimentara

una fuerza magntica (tal como se ve en la figura 2.2). Esta fuerza magntica se expresa de la

siguiente manera:

F = Q v B)

Donde: F: Fuerza magntica sobre la carga.

Q: Carga de la partcula.

v: Velocidad de la partcula.

B: Campo magntico.

Figura 2.2. Direccin de la fuerza magntica sobre una carga en movimiento.

2.1.3.-LNEAS DE FUERZA

Para poder visualizar el efecto del campo magntico se utilizan las denominadas Lneas de

Fuerza, las cuales indican la intensidad del campo en diferentes regiones del espacio. En las

figuras 2.3.a y 2.3.b muestran las lneas de fuerza del campo magntico producido por un imn y

por una espira por la cual circula una corriente I.

En las figuras anteriores se nota una similitud en cuanto a la forma de las lneas de fuerza del

campo magntico.

FLUJO MAGNTICO

El flujo magntico es una magnitud proporcional al nmero de lneas de fuerza magntica que

atraviesan una superficie S (ver figura 2.4).

Figura Flujo Magntico a travs de una superficie.

El flujo magntico se puede obtener de la siguiente expresin:

= S B dS (2.1.4.1)

Donde: : Flujo magntico (Weber W)

B: Campo magntico.

dS: rea infinitesimal.

La Ley de Gauss del Magnetismo establece que el flujo magntico neto a travs de cualquier

superficie cerrada es cero, es decir:

Bds =0

LEY DE AMPERE

La ley fundamental que expresa el origen del campo magntico por medio de una corriente

elctrica es la Ley de Ampere. Esta ley indica que el campo magntico B producido en el vaco

por una corriente I se determina por medio de la ecuacin:

B dL I 0

c

= (2.1.5.1)

Donde: B: Campo magntico producido.

dL: Diferencial de longitud.

0: Permeabilidad del Vaco ( 4 10 H / m 7 ).

I: Corriente total que atraviesa la curva de integracin c.

En el caso cuando la regin comprendida por la trayectoria de integracin es un material

ferromagntico se utiliza la ecuacin siguiente:

H I c

H dL = I

Donde: H: Vector magnetizante o Intensidad de campo magntico (Ampere-vuelta/m).

dL: Diferencial de longitud.

: Permeabilidad del material.

I: Corriente total que atraviesa la curva de integracin c.

Cuando el vector H es constante para todos los puntos de la trayectoria de longitud L,

definido por la curva C y tiene la misma direccin del elemento dL, la integral se reduce a

H*L. Adems la corriente I que atraviesa la curva C se obtiene de una serie de N espiras

recorridas por la corriente i, con esto la ecuacin 2.1.5.2 se transforma en:

HL = N i (2.1.5.3)

Al producto N I se le llama fuerza magnetomotriz (F) y se mide en Amperio-vuelta. La

relacin entre el campo magntico B y el vector magnetizante H se expresa la siguiente

manera:

B = H

Las ecuaciones anteriores indican que el campo magntico B que se crea en el material

depende de la corriente I como tambin de las propiedades del material, representadas por la

permeabilidad del material ().

La permeabilidad () de cualquier material comparada con la permeabilidad del vaco se

denomina permeabilidad relativa, es decir:

R = /

Este valor se utiliza para comparar materiales en cuanto a sus propiedades magnticas se

refiere. La permeabilidad relativa tiene un valor de 2000 a 6000 en los materiales

ferromagnticos, esto significa que con una corriente dada I los campos magnticos en dichos

materiales son de 2000 a 6000 veces mayores que en el aire.

LEY DE INDUCCIN DE FARADAY

La ley de Faraday establece que cuando existe un movimiento relativo entre el campo

magntico y el circuito se inducen tensiones en los terminales del conductor cuya magnitud

depende de la intensidad de campo, de la velocidad con que el conductor corta las lneas de flujo

y del nmero de conductores.

Faraday lleg a la conclusin que la tensin inducida vale:

Dnde : e: Tensin Inducida en el circuito.

N: Nmero de espiras de la bobina del circuito.

d: Variacin del flujo.

dt: Tiempo en que se produce la variacin de flujo.

Los signos ms y menos ( ) de la ecuacin obedecen a la Ley de Lenz que establece que el

sentido del voltaje inducido es tal que se opone a la causa que lo produce. Ms adelante se

explicar con ms detalle este aspecto.

REGLA DE FLEMING O DE LA MANO DERECHA

Esta es una regla prctica que se utiliza para determinar el sentido de la fuerza electromotriz

inducida (e) y de la fuerza magntica (F) sobre el conductor. Primero se colocan los dedos ndice,

medio y pulgar perpendiculares entre s, de forma que el ndice indique la direccin y sentido del

campo magntico B. El pulgar indica la direccin y sentido del movimiento. El dedo medio

indica la fuerza electromotriz inducida tal como lo indica la figura 2.6.

Regla de Fleming de la mano derecha

CURVA DE MAGNETIZACIN

La curva de magnetizacin de un material ferromagntico se obtiene en forma experimental,

en la cual se representa los valores del campo magntico B y el vector magnetizante H. La

figura 2.7 muestra una curva de magnetizacin particular de un material, en la cual se distinguen

las zonas caractersticas de la misma (Zona de saturacin, zona lineal y codo de saturacin).

Figura 2.7. Curva de Magnetizacin.

En la zona lineal con un pequeo aumento del campo magnetizante H se produce un gran

aumento del campo magntico B, en esta zona la permeabilidad se puede considerar constante.

En la zona de saturacin aunque se aumente el valor de H no se produce un aumento

apreciable del campo magntico B, ya que todos los dominios se encuentran alineados.

La transicin entre las zonas mencionadas se le llama codo de saturacin.

HISTRESIS

Es la tendencia que tiene el material ferromagntico de conservar su imanacin o de oponerse

a una variacin de su imanacin. Esta propiedad se observa en la curva de magnetizacin, la cual

es diferente cuando se obtiene aumentando H y cuando se disminuye H. Si se aplica

corriente alterna por el devanado del ncleo se obtiene el Ciclo de Histresis del Material

Ferromagntico el cual se muestra en la figura 2.8.

Figura 2.8. Ciclo de Histresis de un material ferromagntico.

En la figura 2.8, la variable B se define como induccin magntica y es directamente

proporcional al flujo magntico () e inversamente proporcional al rea efectiva del ncleo (A),

es decir:

En la figura 2.8, la variable H se define como intensidad de campo magntico y es

directamente proporcional a la corriente (I) y al nmero de vueltas del devanado (N) e

inversamente proporcional a la longitud media del ncleo (L), es decir:

Figura Representacin descriptiva del fenmeno de histresis, disposicin de los

dominios del material ferromagntico y onda senoidal de la corriente de magnetizacin.

En la figura 2.9. se representa la curva de magnetizacin, en donde el tramo a-b muestra que

cuando la corriente magnetizante Im (que circula por el devanado del ncleo) va aumentando,

tambin aumenta el vector magnetizante H que provoca la alineacin de todos los dominios

magnticos (anteriormente alineados al azar) del material en una direccin que produce la

saturacin del ncleo. Luego la corriente Im (como es senoidal) ahora disminuye en el mismo

sentido con lo cual el vector magnetizante H disminuye provocando la alineacin de los

dominios en sentido contrario hasta que se satura el ncleo (tramo b-c). Luego la corriente Im

vuelve a disminuir provocando el nuevo proceso de alineacin de dominios y saturacin (tramo

c-b). A partir de este momento el ciclo se comienza a repetir de nuevo, con lo cual se forma el

llamado Ciclo de Histresis.

La energa que se consume en este proceso de magnetizacin se obtiene de la fuente de

tensin que provoca la circulacin de la corriente de magnetizacin del ncleo, esto indica que la

histresis del material provoca prdidas de energa en los transformadores.

EVOLUCIN DEL TRANSFORMADOR MONOFSICO El transformador, al igual que el generador, funciona sobre un principio descubierto hace ms de un siglo por Miguel Faraday, en uno de sus experimentos. Faraday enroll dos alambres alrededor de un anillo de acero a manera de devanado, hallndose uno de ellos conectado a una pila y el otro a un instrumento para medir la corriente (Ampermetro), ver figura 2.10. Supona Faraday que al hacer pasar electricidad por el primer devanado se producira una corriente en el segundo. No sucedi as, pero en cambio, al desconectar el alambre de la pila se producira una pequea corriente en el otro alambre, la cual desapareca rpidamente. Siendo un observador cuidadoso, Faraday repiti el experimento varias veces y hall que el efecto momentneo en el segundo alambre podra producirse con solo variar la corriente del primero. El primer alambre produca un campo magntico cada vez que se haca pasar la corriente por l, y las lneas de fuerza de este campo atravesaban al segundo alambre. Cada vez que haba un cambio en las lneas de fuerza del segundo alambre, se estableca una fuerza electromotriz o voltaje que hacia fluir corriente en tanto durara la variacin en el campo magntico. Este fenmeno se denomina induccin electromagntica y se dice que la corriente producida en el segundo alambre es inducida. El anillo de

Faraday con sus dos alambres enrollados constituy en realidad el primer transformador.

EVOLUCIN DEL TRANSFORMADOR MONOFSICO El transformador, al igual que el generador, funciona sobre un principio descubierto hace ms de un siglo por Miguel Faraday, en uno de sus experimentos. Faraday enroll dos alambres alrededor de un anillo de acero a manera de devanado, hallndose uno de ellos conectado a una pila y el otro a un instrumento para medir la corriente (Ampermetro), ver figura 2.10. Supona Faraday que al hacer pasar electricidad por el primer devanado se producira una corriente en el segundo. No sucedi as, pero en cambio, al desconectar el alambre de la pila se producira una pequea corriente en el otro alambre, la cual desapareca rpidamente. Siendo un observador cuidadoso, Faraday repiti el experimento varias veces y hall que el efecto momentneo en el segundo alambre podra producirse con solo variar la corriente del primero. El primer alambre produca un campo magntico cada vez que se haca pasar la corriente por l, y las lneas de fuerza de este campo atravesaban al segundo alambre. Cada vez que haba un cambio en las lneas de fuerza del segundo alambre, se estableca una fuerza electromotriz o voltaje que hacia fluir corriente en tanto durara la variacin en el campo magntico. Este fenmeno se denomina induccin electromagntica y se dice que la corriente producida en el segundo alambre es inducida. El anillo de

Faraday con sus dos alambres enrollados constituy en realidad el primer transformador.

Figura 2.10. Experimento de Faraday

Para el funcionamiento del transformador slo se necesita la presencia de flujo mutuo

variable en el tiempo y que enlace los dos devanados, si adicionalmente se usa un ncleo de

hierro u otro material ferromagntico se obtiene una mayor eficiencia, ya que, la mayor parte

del flujo se confina a un camino definido el cual tiene una permeabilidad mucho mayor que la

del aire. La mayora de los transformadores tiene esta descripcin llamndose Transformador

de Ncleo de Hierro.

TRANSFORMADOR MONOFSICO.

El transformador es un dispositivo que convierte energa elctrica de un cierto nivel de voltaje,

en energa elctrica de otro nivel de voltaje, por medio de la accin de un campo magntico.

Est constituido por dos o ms bobinas de alambre, aisladas entre s elctricamente y arrolladas

alrededor de un mismo ncleo de material ferromagntico. Estas bobinas estn arrolladas

formando un devanado.

El arrollado que recibe la energa elctrica se denomina devanado de entrada y el arrollado del

que se toma la energa elctrica a la tensin transformada se denomina devanado de salida. En

concordancia con ello, los lados del transformador se denominan lado de entrada y lado de

salida.

En un transformador, el ncleo tiene dos misiones fundamentales:

a. Desde el punto de vista elctrico -y esta es su misin principal- es la va por que discurre el

flujo magntico siguiendo un circuito prescrito, de una columna a otra.

b. Desde el punto de vista mecnico es el soporte de los devanados que en l se apoyan.

Ciclo de histeresis

Curvas de induccin magntica y permeabilidad

Propiedades de los materiales Ferromagneticos

Materiales frrromagneticos

Los materiales ferromagnticos, compuestos de hierro y sus aleaciones con cobalto, tungsteno, nquel, aluminio y otros metales, son los materiales magnticos ms comunes y se utilizan para el diseo y constitucin de ncleos de los transformadores y maquinas elctricas. En un transformador se usan para maximizar el acoplamiento entre los devanados, as como para disminuir la corriente de excitacin necesaria para la operacin del transformador. En las maquinas elctricas se usan los materiales ferromagnticos para dar forma a los campos, de modo que se logren hacer mximas las caractersticas de produccin de par.

Estos materiales han evolucionado mucho con el paso del tiempo lo que implica mas eficiencia, reduccin de volmenes y costo, en el diseo de transformadores y maquinas elctricas.

Los materiales ferromagnticos poseen las siguientes propiedades y caractersticas que se detallan a continuacin.

Propiedades de los materiales ferromagneticos.

Aparece una gran induccin magntica al aplicarle un campo magntico.

Permiten concentrar con facilidad lneas de campo magntico, acumulando densidad de flujo magntico elevado.

Se utilizan estos materiales para delimitar y dirigir a los campos magnticos en trayectorias bien definidas.

Permite que las maquinas elctricas tengan volmenes razonables y costos menos excesivos.

Caractersticas de los materiales ferromgneticos.

Los materiales ferromgneticos se caracterizan por uno o varios de los siguientes atributos:

Pueden imanarse mucho ms fcilmente que los dems materiales. Esta caracterstica viene indicada por una gran permeabilidad relativa m /m r.

Tienen una induccin magntica intrnseca mxima Bmax muy elevada. Se imanan con una facilidad muy diferente segn sea el valor del campo magntico. Este atributo

lleva una relacin no lineal entre los mdulos de induccin magntica(B) y campo magntico.

Un aumento del campo magntico les origina una variacin de flujo diferente de la variacin que originaria una disminucin igual de campo magntico. Este atributo indica que las relaciones que expresan la induccin magntica y la permeabilidad (m ) como funciones del campo magntico, no son lineales ni uniformes.

Conservan la imanacin cuando se suprime el campo.

Tienden a oponerse a la inversin del sentido de la imanacin una vez imanados.

Materiales ferromagnticos para transformadores:

La aleacin ferromagntica ms utilizada para el diseo de ncleos de transformadores es la aleacin hierro-silicio, esta aleacin es la producida en mayor cantidad y esta compuesta por hierro esencialmente puro con 1-6% de silicio, dependiendo este porcentaje del fin a que se destine el material. Dando a esta aleacin un tratamiento trmico adecuado, se obtiene un material que comparado con el hierro, tiene mejores propiedades magnticas para campos magnticos dbiles, una resistividad mayor y sufren perdidas totales menores en el ncleo. Esta aleacin se lamina en chapas y flejes, principalmente de espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm recocidos; en el lenguaje corriente se le conoce con el nombre de acero al silicio o Chapa magntica.

Las chapas de mejor calidad presentan mayor contenido en silicio, entre el 4 y el 5. El silicio eleva la dureza del material, por lo que su porcentaje se determina segn el empleo al que se designa la chapa. Para maquinas rotatorias el limite superior es aproximadamente del 4%, teniendo en cuenta el peligro de la fragilidad. Tambin se prefieren chapas de menor contenido de silicio cuando las densidades de funcionamiento son elevadas o cuando se desea una elevada conductividad calorfica. Las perdidas en el ncleo y el coeficiente de envejecimiento aumentan al disminuir el contenido de silicio.

La fabricacin de la chapa magntica ha llegado a estar normalizada en considerable extensin por lo que los datos magnticos publicados por diversos fabricantes no se diferencian, calidad por calidad, excesivamente.

Aislamiento interlaminar

El aislamiento interlaminar se consigue formando una capa de xido natural sobre la superficie de la chapa magntica laminada plana o aplicando un revestimiento superficial. Evidentemente este tratamiento no reduce las corrientes parsitas en el interior de las chapas. Generalmente se consigue una mejora en la resistencia entre chapas recociendo la chapa bajo condiciones ligeramente oxidantes que aumentan el espesor del xido superficial y cortando entonces las formas acabadas para los ncleos.

Los revestimientos o acabados de aislamiento pueden clasificarse ampliamente en orgnicos o inorgnicos:

a) El aislamiento orgnico consiste, en general, en esmaltes o barnices que se aplican a la superficie del acero para proporcionar una resistencia interlaminar.

La chapa magntica laminada plana con revestimiento de tipo orgnico no puede recibir un recocido de distensin sin perjudicar el valor aislante de la capa. Esta, sin embargo, resiste las temperaturas de funcionamiento normales. Algunos aislamientos orgnicos son apropiados slo en ncleos refrigerados por aire, mientras que otros pueden ser apropiados para ncleos de transformadores tanto del tipo refrigerado por aire como los de bao de aceite. El espesor de este tipo de aislamiento es de aproximadamente de 2,5 m m.

b) El aislamiento inorgnico se caracteriza, en general, por una elevada resistencia y por la capacidad de resistir las temperaturas necesarias para el recocido de distensin. Esta ideado para ncleos de transformadores refrigerados por aire o en bao de aceite.

Ref: M.I.T., Circuitos Magnticos y Transformadores, Revert, Buenos Aires 1981

Magnetismo El magnetismo es un fenmeno fsico por el que los objetos ejercen fuerzas de atraccin o repulsin sobre otros materiales. Hay materiales que presentan propiedades magnticas detectables fcilmente, como el nquel, el hierro o el cobalto, que pueden llegar a convertirse en un imn. Existe un mineral llamado magnetita que es conocido como elnico imn natural. De hecho de este mineral proviene el trmino de magnetismo. Sin embargo, todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magntico.

Historia del magnetismo: sus orgenes

La magnetita es un mineral ferromagntico, formado principalmente por xido ferroso frrico

Los fenmenos magnticos fueron conocidos por primera vez por los antiguos griegos, a travs de una mineral llamadomagnetita (de ah surge el trmino magnetismo). Se dice que se pudo observar por primera vez en la ciudad de Magnesia, en Asia Menor. Originariamente se pens que la magnetita se podra utilizar para mantener la piel joven. De hecho, Cleopatra dorma con una magnetita en la frente para retrasar el proceso de envejecimiento. Esta reputacin teraputica de la magnetita se transmiti tambin a los griegos, los cuales la usaban para la curacin de dolencias. En el siglo III a.C., Aristteles escribi acerca de las propiedades curativas de los imanes naturales, que llamaba "imanes blancos".

Posteriormente las aplicaciones basadas en el magnetismo fueron desarrollndose. Por el siglo 12 d.C., los marineros chinos ya utilizaban magnetitas como brjulas para la navegacin martima.

Para qu sirven los imanes? Un gran nmero de mdicos y sanadores utilizaron los imanes para curar diferentes problemas mdicos a lo largo de la historia. Hoy en da la ciencia mdica utiliza el magnetismo ms que nunca, por ejemplo:

La magneto encefalografa (MEG) se utiliza para medir la actividad cerebral.

La terapia de choque para volver a iniciar corazones. El uso de imanes en aplicaciones industriales y mecnicas tambin es muy comn. Los imanes son la fuerza motriz bsica para todos los motores elctricos y generadores elctricos. Los imanes

Qu es un imn?

Los imanes son los materiales que presentan las propiedades del magnetismo. Hay que destacar que estos pueden ser naturales o artificiales. El ms comn de los imanes naturales e sun mineral llamado magnetita. Los imanes pueden ser permanentes o temporales, segn el material con el que se fabriquen y segn la intensidad de campo magntico al que le sometan.

Imn artificial temporal (a) y permanente (b)

Partes de un imn: los polos magnticos

Cualquier imn presenta dos zonas donde las acciones se manifiestan con mayor fuerza. Estas zonas estn situadas en los extremos del imn y son los denominados polos magnticos: Norte y Sur.

Detalle sobre las zonas de accin de mayor fuerza magntica

Efecto repulsin y atraccin en un imn

Una de las propiedades fundamentales de la interaccin entre imanes es que los polos iguales se repelen, mientras que los polos opuestos se atraen. El efecto de atraccin y repulsin tiene que ver con las lneas de campo magnticas. Las lneas de campo magnticas exteriores suelen ir del polo Norte al polo Sur. Por lo tanto, cuando se acercan dos polos opuestos, estas lneas tienen a saltar de un polo a otro: tienden a pegarse. Y segn sea la distancia entre los dos imanes esta atraccin ser mayor o menor. En cambio, cuando se acercan dos polos iguales, estas lneas de campos no tienden a saltar de un polo a otro, si no que se empiezan a comprimir hacia su propio polo. Cuando esta compresin es mxima, las lneas de campo tienden a expandirse, lo que provoca que los polos iguales de dos imanes no puedan acercarse y se repelan.

Efecto de un imn al ser dividido en varias partes

Otra caracterstica de los imanes es que los polos no se pueden separar. Si un imn se rompe en dos partes no se obtienen un polo norte y un polo sur sino que se obtienen dos imanes, cada uno de ellos con un polo norte y un polo sur. Si tenemos un imn supendido por un hilo colocado en su centro de gravedad, observamos que siempre queda orientado hacia una misma direccin. Uno de los polos se orienta hacia el norte y otro hacia el sur, pues los polos del imn se alinean segn los polos magnticos de la Tierra,que acta como imn natural.

Sentido de los polos magnticos de la tierra

El campo magntico, flujo magntico e intensidad de campo magntico El campo magntico es la agitacin que produce un imn a la regin que lo envuelve. Es decir, el espacio que envuelve el imn en donde son apreciables sus efectos magnticos, aunque sea imperceptible para nuestros sentidos. Para poder representar un campo magntico utilizamos las llamadas lneas de campo. Estas lneas son cerradas: parten (por convenio) del polo Norte al polo Sur, por el exterior del imn. Sin embargo por el interior circulan a la inversa, de polo Sur a polo Norte. Las lneas de campo no se cruzan, y se van separando, unas de las otras, en alejarse del imn tangencialmente a la direccin del campo en cada punto.

El recorrido de las lneas de fuerza recibe el nombre de circuito magntico, y el nmero de lneas de fuerza existentes en un circuito magntico se le conoce como flujo magntico. Estas lneas nos dan una idea de:

Direccin que tendr el campo magntico. Las lneas de campo van desde el polo sur al polo norte en el interior del imn y desde el polo norte hasta el polo sur por el exterior.

La intensidad del campo magntico,tambin conocida como intensidad de campo magntico, es inversamente proporcional al espacio entre las lneas (a menos espacio ms intensidad).

En un campo magntico uniforme, la densidad de flujo de campo magntico que atraviesa una superficie plana y perpendicular a las lneas de fuerza valdr:

Donde la letra griega phi es el flujo magntico y su unidad es el Weber (Wb).

En el caso de que la superficie atravesada por el flujo magntico no sea perpendicular a la direccin de este tendremos que:

Donde alfa es el angulo que forma B con el vector perpendicular a la superficie.

Detalle de un imn con la direccin de las lneas de campo

Las propiedades magnticas de la materia Las lneas de campo magntico atraviesan todas las sustancias. No se conoce ninguna sustancia que impida la penetracin del campo magntico, pero no todas las sustancias se comportan de la misma manera. Segn su comportamiento, los materiales se pueden clasificar de la siguiente manera:

Materiales ferromagnticos

Cuando a un material ferromagntico se le somete a un campo magntico este se magnetiza: se consigue unimn artificial. Este fenmeno se conoce como imantacin. Una vez se aleja el imn del material magntico y segn la intensidad de campo magntico aplicada, este puede quedarse imantado permanentemente o mantener sus propiedades magnticas durante un periodo determinado de tiempo (imn temporal). El ferromagnetismo est presente en el cobalto, el hierro puro, en el nquel y en todas las aleaciones de estos tres materiales.

Materiales paramagnticos

Los materiales paramagnticos son aquellas sustancias, como el magnesio, el aluminio, el estao o el hidrgeno, que al ser colocados dentro de un campo magntico se convierten en imanes y se orientan en la direccin del campo. En cesar el campo magntico desaparece el magnetismo inmediatamente y, por tanto, dejan de actuar como imanes.

Materiales diamagnticos

Los materiales diamagnticos son aquellas sustancias, como el cobre, el sodio, el hidrgeno, o el nitrgeno, que en ser colocadas dentro de un campo magntico, se magnetizan en sentido contrario al campo aplicado. La permeabilidad relativa El hecho de que los materiales ferromagnticos, se queden imantados permanentemente, y que tengan la propiedad de atraer y de ser atrados con ms intensidad que los paramagnticos o diamagnticos, es debido a supermeabilidad relativa. Le permeabilidad relativa es el resultado del producto entre la permeabilidad magntica y la permeabilidad de vaco (constante magntica).

La permeabilidad del vaco es una constante magntica cuyo valor es:

Para los materiales ferromagnticos esta permeabilidad relativa tiene que ser muy superior a 1, para los paramagnticos es aproximadamente 1, y para los diamagnticos es inferior a 1.

Histresis magntica

El estudio de la histresis tiene gran importancia en los materiales magnticos ya que produce prdidas. Las prdidas por histresis representan una prdida de energa que se manifiesta en forma de calor en los ncleos magnticos. El calor as generado reduce el rendimiento de los dispositivos con circuitos magnticos como transformadores, motores y/o generadores. La histresis es el fenmeno de inercia por el cual un material ofrece resistencia a un cambio, ya que tiene tendencia a conservar sus propiedades. Esta resistencia se manifiesta haciendo que el proceso de variacin sea distinto en un sentido contrario.

Despus de someter a una sustancia ferromagntica a la accin de un campo magntico, cuando este desaparece la sustancia manifiesta todava un cierto nivel de induccin magntica, que llamamos magnetismo remanente. La prdida de potencia es directamente proporcional al rea de la curva de histresis.

Curva de histresis magntica

La curva de histresis muestra la curva de magnetizacin de un material. Sea cual sea el material especfico, la forma siempre tiene caractersticas similares:

Al principio, la magnetizacin requiere un mayor esfuerzo elctrico. Este intervalo es la llamada zona reversible.

En un determinado punto, la magnetizacin se produce de forma proporcional. En ese punto se inicia la denominada zona lineal.

Finalmente, se llega un instante a partir del cual, por mucha fuerza magntica que induzcamos al material, ya no se magnetiza ms. Este es el llamado punto de saturacin, que determina el inicio de la llamada zona de saturacin.

La curva de histresis magntica se representa:

En horizontal la intensidad de campo magntico H.

En vertical representamos la induccin magntica B, que aparece en el material que estamos estudiando como consecuencia del campo magntico creado.

1) En el inicio, punto O, el material no ha sido magnetizado todava y la induccin magntica es nula.

2) En el tramo O-Hs, se va aumentando progresivamente la intensidad de campo magntico, y en el material aparece una induccin cada vez mayor hasta llegar al su punto de saturacin, punto Hs.

3) En el tramo entre Hs y Br, se reduce la intensidad de campo magntico en el material. La induccin tambin ser reduce pero en una proporcin menor que antes.

4) En el punto Br, se ha anulado la intensidad de campo magntico pero el material manifiesta todava un ciertomagnetismo remanente. 5) En el tramo Br-Hc, se invierte el sentido de campo magntico ( la corriente circula en sentido contrario, a travs del material).

6) En el punto Hc, la induccin(B) es nula, se ha eliminado el magnetismo remanente, para ellos ha sido necesario aplicar una intensidad Hc, llamada campo coercitivo. 7) En el tramo Hc-D, se sigue aplicando una intensidad de campo negativa, con lo que se consigue que la induccin aumente hasta el punto de saturacin D.

8) En el tramo D-Hs, se completa el ciclo. La curva no vuelve a pasar por O, a causa de la histresis.

Las prdidas que se originan en los materiales ferromagneticos debido a la histresis son proporcionales al rea del ciclo. Una medida de su amplitud la da el valor del campo coercitivo, Hc.

Por lo tanto para construir aparatos que funcionan con corriente alterna se eligen materiales con un campo coercitivo lo ms pequeo posible. En cambio, si se desean fabricar imanes permanentes, se buscan materiales con un campo coercitivo muy grande. Electromagnetismo El electromagnetismo es la parte de la electricidad que estudia la relacin entre los fenmenos elctricos y los fenmenos magnticos. Los fenmenos elctricos y magnticos fueron considerados como independientes hasta 1820, cuando su relacin fue descubierta por casualidad. As, hasta esa fecha el magnetismo y la electricidad haban sido tratados como fenmenos distintos y eran estudiados por ciencias diferentes. Sin embargo, esto cambi a partir del descubrimiento que realiz Hans Chirstian Oersted , observando que la aguja de una brjula variaba su orientacin al pasar corriente a travs de un conductor prximo a ella. Los estudios de Oersted sugeran que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenmeno: las fuerzas magnticas proceden de las fuerzas originadas entre cargas elctricas en movimiento. El electromagnetismo es la base de funcionamiento de todos los motores elctricos y generadores elctricos.

Orgenes del electromagnetismo: el experimento de Oersted Esta relacin entre la electricidad y el magnetismo fue descubierta por el fsico dans Hans Christian ersted. ste observ que si colocaba un alfiler magntico que sealaba la direccin norte-sur paralela a un hilo conductor rectilneo por el cual no circula corriente elctrica, sta no sufra ninguna alteracin. Sin embargo en el momento en que empezaba a pasar corriente por el conductor, el alfiler magntico se desviabay se orientaba hacia una direccin perpendicular al hilo conductor. En cambio, si dejaba de pasar corriente por el hilo conductor, la aguja volva a su posicin inicial.

De este experimento se deduce que al pasar a una corriente elctrica por un hilo conductor se crea un campo magntico. Campo magntico creado por una corriente elctrica Una corriente que circula por un conductor genera un campo magntico alrededor del mismo. El valor del campo magntico creado en un punto depender de la intensidad del corriente elctrico y de la distancia del punto respecto el hilo, as como de la forma que tenga el conductor por donde pasa la corriente elctrica. El campo magntico creado por un elemento de corriente hace que alrededor de este elemento se creen lneas de fuerzas curvas y cerradas. Para determinar la direccin y sentido del campo magntico podemos usar la llamada regla de la mano derecha.

La regla de la mano derecha nos dice que utilizando dicha mano, y apuntando con el dedo pulgar hacia el

sentido de la corriente, la curvatura del resto de dedos nos indicar el sentido del campo magntico

En el caso de un hilo conductor rectilneo se crea un campo magntico circular alrededor del hilo y perpendicular a l.

Cuando tenemos un hilo conductor en forma de espira, el campo magntico sera circular. La direccin y el sentido del campo magntico depende del sentido de la corriente elctrica.

Cuando tenemos un hilo conductor enrollado en forma de hlice tenemos una bobina o solenoide. El campo magntico en su interior se refuerza todava ms en existir ms espiras: el campo magntico de cada espira se suma a la siguiente y se concentra en la regin central.

Espira por la cual circula una corriente, esta corriente genera un campo magntico a su alrededor

Una aplicacin muy comn de las bobinas es utilizarlas como electroimanes. Este tipo de electroimanes consiste en una bobina, por donde circula una corriente elctrica, y un ncleo ferromagntico, colocado en el interior de la bobina. Cuando por la bobina circula una corriente elctrica, el ncleo de hierro se convierte en un imn temporal. Cuantas ms espiras tenga la bobina, mayor ser su campo magntico. Fuerza electromagntica Cuando una carga elctrica est en movimiento crea un campo elctrico y un campo magntico a su alrededor. As pues, este campo magntico realiza una fuerza sobre cualquier otra carga elctrica que est situada dentro de su radio de accin. Esta fuerza que ejerce un campo magntico ser la fuerza electromagntica. Si tenemos un hilo conductor rectilneo por donde circula una corriente elctrica y que atraviesa un campo magntico, se origina una fuerza electromagntica sobre el hilo. Esto es debido a que el campo magntico genera fuerzas sobre cargas elctricas en movimiento. Si en lugar de tener un hilo conductor rectilneo tenemos un espiral rectangular, aparecern un par de fuerzas de igual valor pero de diferente sentido situadas sobre los dos lados perpendiculares al campo magntico. Esto no provocar un desplazamiento, sino que la espira girar sobre si misma.

Espira rectangular girando de un campo magntico

La direccin de esta fuerza creada se puede determinar por laregla de la mano izquierda.

Si la direccin de la velocidad es paralela a la direccin del campo magntico, la fuerza se anula y la trayectoria de la partcula ser rectilnea.

Si la direccin de la velocidad es perpendicular al campo magntico la fuerza vendr dada por la expresin:

Y si esta fuerza es perpendicular al plano formado por la velocidad y el campo magntico, la partcula entonces describir una trayectoria circular.

Si la direccin de la velocidad es oblicua a la del campo magntico, la partcula describir una trayectoria en espiral.

Faraday-Lenz, la induccin electromagntica y la fuerza electromotriz inducida La induccin electromagntica es la produccin de corrientes elctricas por campos magnticos variables con el tiempo. Este fenmeno es justamente el contrario al que descubri Oersted, ya que es la existencia de un campo magntico lo que nos producir corrientes elctricas. Adems, la corriente elctrica incrementa en aumentar la rapidez con la que se producen las variaciones de flujo magntico.

Estos hechos permitieron enunciar la ley que se conoce como la Ley de Faraday-Lenz.

La ley de Faraday-Lenz

Basado en el principio de conservacin de la energa, Michael Faraday pensaba que si una corriente elctrica era capaz de generar un campo magntico, entonces un campo magntico deba tambin producir una corriente elctrica. En 1831 Faraday llev a cabo una serie de experimentos que le permitieron descubrir el fenmeno de induccin electromagntica . Descubri que, moviendo un imn a travs de un circuito cerrado de alambre conductor, se generaba una corriente elctrica, llamada corriente inducida. Adems, esta corriente tambin apareca al mover el alambre sobre el mismo imn quieto. Faraday explic el origen de esta corriente en trminos del nmero de lneas de campo atravesados por el circuito de alambre conductor, que fue posteriormente expresado matemticamente en la hoy llamada Ley de Faraday, una de las cuatro ecuaciones fundamentales del electromagnetismo.

La Ley de Faraday nos dice que :

"La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de signo opuesto a la rapidez con que varia el flujo magntico que atraviesa un circuito, por unidad de tiempo. Para determinar el sentido de una corriente inducida se utiliza la llamada Ley de Lenz, que formulaba que: "La corriente inducida crea un campo magntico que se opone siempre a la variacin de flujo magntico que la ha producido.

Estas leyes se pueden resumir en la siguiente expresin:

Donde se establece que el cociente entre la variacin de flujo() respecto la variacin del tiempo(t) es igual a la fuerza electromotriz inducida(). El signo negativo viene dado por la ley de Lenz , y indica el sentido de la fuerza electromotriz inducida, causa de la corriente inducida. La corriente inducida, pues, se debe al movimiento relativo que hay entre la bobina y el imn. La induccin electromagntica constituye un fenmeno destacado en el electromagnetismo. Se han desarrollado un sin nmero de aplicaciones prcticas de este fenmeno fsico:

El transformador , que se emplea para conectar un telfono mvil a la red.

La dinamo de una bicicleta.

El alternador de una gran central hidroelctrica .

La induccin electromagntica en una bobina

Para entender correctamente qu es la induccin electromagntica analizaremos una bobina (componente del circuito elctrico en forma de espiral que almacena energa elctrica):

Cuando el imn y la bobina estn en reposo el galvanmetro no seala paso de corriente elctrica a travs de la bobina.

Si acercamos un imn a esta bobina, observamos que el galvanmetro marca el paso de una corriente elctrica en la bobina.

Si alejamos el imn, el galvanmetro marcar el paso de la corriente elctrica a travs de la bobina, pero de sentido contrario a cuando lo acercbamos.

Si en vez de mover el imn movemos la bobina, podemos comprobar los mismos efectos a travs del galvanmetro.

De esta experiencia se puede deducir que el corriente dura mientras se realiza el movimiento del imn o de la bobina y es ms intenso como mas rpido se haga este movimiento. La corriente elctrica que aparecen a la bobina es la corriente inducida. Corrientes de Foucault Las corrientes de Foucault, tambin conocidas como corrientes parsitas, fueron descubiertas por el fsico francs Lon Foucault en 1851, al construir un dispositivo que utilizaba un disco de cobre el cual se mova en un campo magntico intenso.

Este fenmeno se produce cuando un material conductor atraviesa un campo magntico variable (o viceversa. En este caso, el movimiento relativo entre el material conductor y el campo magntico variable, causa una circulacin de electrones, o corriente inducida a travs del material conductor. Estas corrientes circulares, de Foucault crean campos magnticos variables con el tiempo, que se oponen al sentido del flujo del campo magntico aplicado.

Las corrientes de Foucault, y los campos opositores generados sern mayores cuanto:

Ms fuerte sea el campo magntico aplicado.

Mayor la conductividad del conductor.

Mayor la velocidad relativa de movimiento. Las corrientes de Foucault crean prdidas de energa a travs del efecto Joule, que es un fenmeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente elctrica, parte de la energa cintica de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los tomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Sin embargo, hay infinidad de aplicaciones que se basan en las corrientes de Foucault, como:

Los hornos de induccin, de gran utilidad en la industria ya que funcionan a altas frecuencias y congrandes corrientes.

Las corrientes Foucault, tambin, son la base del funcionamiento de los detectores de metales. Tambin estn presentes en los sistemas de levitacin magntica usado en los trenes. Pero las corrientes parsitas tambin disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnticos variables, como los transformadores de ncleo de hierro y los motores elctricos. Estas prdidas son minimizadas utilizando ncleos con materiales magnticos que tengan baja conductividad elctrica (como por ejemplo ferrita) o utilizando delgadas hojas de acero elctrico, apiladas pero separadas entre s mediante un barniz aislante u oxidadas tal que queden mutuamente aisladas elctricamente. En general, las corrientes de Foucault son indeseadas, ya que representan una disipacin de energa en forma de calor, pero, como ya hemos visto, estas corrientes son la base de muchas aplicaciones. Tambin son la causa principal del efecto pelicular en conductores que transportan corriente alterna , lo que crea la mayor parte de las prdidas en el transporte de la electricidad. El transformador Un transformador es una mquina esttica de corriente alterno, que permite variar alguna funcin de la corriente como el voltaje o la intensidad, manteniendo la frecuencia y la potencia, en el caso de un transformador ideal.

Para lograrlo, transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada en magnetismo para volver a transformarla en electricidad, en las condiciones deseadas, en el devanado secundario. La importancia de los transformadores, se debe a que, gracias a ellos, ha sido posible el desarrollo de la industria elctrica. Su utilizacin hizo posible la realizacin prctica y econmica del transporte de energa elctrica a grandes distancias.

Componentes de los transformadores elctricos Los transformadores estn compuestos de diferentes elementos. Los componentes bsicos son:

Modelizacin de un transformador monofsico ideal

Ncleo: Este elemento est constituido por chapas de acero al silicio aisladas entre ellas. El ncleo de los transformadores est compuesto por las columnas, que es la parte donde se montan los devanados, y las culatas, que es la parte donde se realiza la unin entre las columnas. El ncleo se utiliza para conducir el flujo magntico, ya que es un gran conductor magntico.

Devanados: El devanado es un hilo de cobre enrollado a travs del ncleo en uno de sus extremos y recubiertos por una capa aislante, que suele ser barniz. Est compuesto por dos bobinas, la primaria y la secundaria. La relacin de vueltas del hilo de cobre entre el primario y el secundario nos indicar la relacin de transformacin. El nombre de primario y secundario es totalmente simblico. Por definicin all donde apliquemos la tensin de entrada ser el primario y donde obtengamos la tensin de salida ser el secundario.

Esquema bsico y funcionamiento del transformador

Esquema bsico de funcionamiento de un transformador ideal

Los transformadores se basan en la induccin electromagntica . Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario, es decir una tensin, se origina un flujo magntico en el ncleo de hierro. Este flujo viajar desde el devanado primario hasta el secundario. Con su movimiento originar una fuerza electromagntica en el devanado secundario. Segn la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca esta variacin de flujo. En el caso de corriente continua el transformador no se puede utilizar.

La relacin de transformacin del transformador elctrico

Una vez entendido el funcionamiento del transformador vamos a observar cul es la relacin de transformacin de este elemento.

Donde N p es el nmero de vueltas del devanado del primario, N s el nmero de vueltas del secundario, V p la tensin aplicada en el primario, V s la obtenida en el secundario, I s la intensidad que llega al primario, I p la generada por el secundario y r t la relacin de transformacin. Como observamos en este ejemplo si queremos ampliar la tensin en el secundario tenemos que poner ms vueltas en el secundario (N s), pasa lo contrario si queremos reducir la tensin del secundario. Tipos de transformadores elctricos Hay muchos tipos de transformadores pero todos estn basados en los mismos principios bsicos, Pueden clasificarse en dos grandes grupos de tipos bsicos: transformadores de potencia y de medida.

Transformadores de potencia

Los transformadores elctricos de potencia sirven para variar los valores de tensin de un circuito de corriente alterna, manteniendo su potencia. Como ya se ha explicado anteriormente en este recurso, su funcionamiento se basa en el fenmeno de la induccin electromagntica. Transformadores elctricos elevadores Los transformadores elctricos elevadores tienen la capacidad de aumentar el voltaje de salida en relacin al voltaje de entrada. En estos transformadores el nmero de espiras del devanado secundario es mayor al del devanado primario.

Modelado de un transformador elevador

Transformadores elctricos reductores Los transformadores elctricos reductores tienen la capacidad de disminuir el voltaje de salida en relacin al voltaje de entrada. En estos transformadores el nmero de espiras del devanado primario es mayor al secundario. Podemos observar que cualquier transformador elevador puede actuar como reductor, si lo conectamos al revs, del mismo modo que un transformador reductor puede convertirse en elevador.

Modelado de un transformador reductor

Autotransformadores

Modelizacin de un autotransformador

Se utilizan cuando es necesario cambiar el valor de un voltaje, pero en cantidades muy pequeas. La solucin consiste en montar las bobinas de manera sumatoria. La tensin, en este caso, no se introducira en el devanado primario para salir por el secundario, sino que entra por un punto intermedio de la nica bobina existente. Esta tensin de entrada (V p) nicamente recorre un determinado nmero de espiras (N p), mientras que la tensin de salida (V s) tiene que recorrer la totalidad de las espiras (N s).

Transformadores de potencia con derivacin Son transformadores de elevacin o reduccin, es decir, elevadores o reductores, con un nmero de espiras que puede variarse segn la necesidad. Este nmero de espiras se puede modificar siempre y cuando el transformador no est en marcha. Normalmente la diferencia entre valores es del 2,5% y sirve para poder ajustar el transformador a su puesto de trabajo.

Transformadores elctricos de medida

Sirven para variar los valores de grandes tensiones o intensidades para poderlas medir sin peligro.

Transformadores elctricos de intensidad El transformador de intensidad toma una muestra de la corriente de la lnea a travs del devanado primario y lo reduce hasta un nivel seguro para medirlo. Su devanado secundario est enrollado alrededor de un anillo de material ferromagntico y su primario est formado por un nico conductor, que pasa por dentro del anillo.

El anillo recoge una pequea muestra del flujo magntico de la lnea primaria, que induce una tensin y hace circular una corriente por la bobina secundaria. Transformador elctrico potencial Se trata de una mquina con undevanado primario de alta tensin y uno secundario de baja tensin. Su nica misin es facilitar una muestra del primero que pueda ser medida por los diferentes aparatos.

Posibles conexiones de un transformador trifsico con la fuente de alimentacin

Transformadores trifsicos

Debido a que el transporte y generacin de electricidad se realiza de forma trifsica, se han construido transformadores de estas caractersticas.

Hay dos maneras de construirlos: una es mediante tres transformadores monofsicos y la otra con tres bobinas sobre un ncleo comn.

Esta ltima opcin es mejor debido a que es ms pequeo, ms ligero, ms econmico y ligeramente ms eficiente.

La conexin de este transformador puede ser:

Estrella-estrella

Estrella-tringulo

Tringulo-estrella

Tringulo-tringulo Transformador ideal y transformador real En un transformador ideal, la potencia que tenemos en la entrada es igual a la potencia que tenemos en la salida, esto quiere decir que:

Pero en la realidad, en los transformadores reales existen pequeas prdidas que se manifiestan en forma de calor. Estas prdidas las causan los materiales que componen un transformador elctrico. En los conductores de los devanados existe una resistencia al paso del corriente que tiene relacin con la resistividad del material del cual estn compuestos. Adems, existen efectos por dispersin de flujo magntico en los devanados. Finalmente, hay que considerar los posibles efectos por histresis o las corrientes de Foucault en el ncleo del transformador.

Prdidas en los transformadores reales

Las diferentes prdidas que tiene un transformador real son:

Prdidas en el cobre: Debidas a la resistencia propia del cobre al paso de la corriente Prdidas por corrientes parsitas: Son producidas por la resistencia que presenta el ncleo ferro

magntico al ser atravesado por el flujo magntico.

Prdidas por histresis: Son provocadas por la diferencia en el recorrido de las lneas de campo magntico cuando circulan en diferente sentido cada medio ciclo.

Prdidas a causa de los flujos de dispersin en el primario y en el secundario: Estos flujos provocan una auto inductancia en las bobinas primarias y secundarias.

Aplicaciones de los transformadores Los transformadores son elementos muy utilizados en la red elctrica. Una vez generada la electricidad en el generador de las centrales, y antes de enviarla a la red, se utilizan los transformadores elevadores para elevar la tensin y reducir as las prdidas en el transporte producidas por

el efecto Joule. Una vez transportada se utilizan los transformadores reductores para darle a esta electricidad unos valores con los que podamos trabajar. Los transformadores tambin son usados por la mayora de electrodomsticos y aparatos electrnicos, ya que estos trabajan, normalmente, a tensiones de un valor inferior al suministrado por la red Por ltimo hacer mencin a que uno de los elementos de seguridad elctrica del hogar utiliza transformadores. Se trata del diferencial . Este dispositivo utiliza transformadores para comparar la intensidad que entra con la que sale del hogar. Si la diferencia entre estos es mayor a 10 mA desconecta el circuito evitando que podamos sufrir lesiones.

http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/

TRANSFORMADOR

El transfomrador componente elctrico que tiene la capacidad de cambiar el nivel del voltaje y

de la corriente, mediante dos bobinas enrolladas alrededor de un ncleo o centro comn. El

ncleo est formado por una gran cantidad de chapas o lminas de una aleacin

de Hierro y Silicio. sta aleacin reduce las prdidas por histresis magntica (capacidad de

mantener una seal magntica despus de ser retirado un campo magntico) y aumenta la

resistividad del Hierro.

Funcionamiento de un transformador

El cambio de voltaje o corriente que hace un Transformador se sucede gracias a que el

devanado secundario es inducido por un campo magntico producido por el devanado primario

en conjunto con el ncleo. El cambio de voltaje o corriente, que entrega el transformador es

inverso, es decir que cuando el transformador aumenta el voltaje, la corriente baja; y cuando el

voltaje baja, la corriente sube. Esto nos lleva a una ley: la energa que entrega un

transformador, no puede ser superior a la energa que entra en l.

Aunque el devanado primario y el secundario estn aislados por cartn, papel parafinado,

prespn o plstico, el campo magntico se transmite del devanado primario al secundario.

Existe una relacin entre las vueltas del devanado primario y el devanado secundario. Esta

relacin, determina el voltaje de salida del transformador y son iguales, la relacin entre las

vueltas de los devanados y los voltajes de entrada y salida.

Cuando el devanado primario es igual al devanado secundario (1:1), el voltaje y la corriente de

entrada, son iguales al voltaje y corriente de salida. En este caso este transformador slo sirve

para hacer un aislamiento galvnico, es decir que podemos tocar la corriente de salida sin ser

electrocutados.

Al cambiar las vueltas de alambre del devanado secundario, cambia el voltaje de salida del

transformador. Ejemplo: si por cada vuelta del devanado primario, damos tres vueltas en el

secundario; tendramos, en el caso de aplicar una tensin de 10voltios en la entrada, en la

salida seran 30 voltios. Y Cuando enrollamos una vuelta de alambre en el secundario por cada

tres vueltas del primario; en el caso de aplicar una tensin a la entrada de 30 voltios,

tendramos a la salida 10 voltios.

A continuacin veremos un mtodo prctico que permite conocer las caractersticas del

transformador para su Amplificadoro cualquier otro aparato. En realidad existen muchas

formas de evaluar y calcular un transformador, la que propondremos, conduce de forma fcil y

con bastante precisin al modelo del transformador que necesitamos.

El punto de partida es determinar la potencia que entrega cada canal del amplificador, si el

amplificador es estereofnico. Cada canal aportar la mitad de la potencia del amplificador. Si es

un amplificador monofnico, la potencia total ser la entregada por la nica salida.

Veamos un ejemplo: teniendo un Amplificador estreo de 100 vatios, significa que cada

canal es de 50 vatios, o sea que la potencia que entrega canal es 50 vatios. En este caso

usaremos parlantes de 8 ohmios, es decir la impedancia del parlanteRL, es de 8 ohmios,

determinados por el fabricante del circuito integrado de salida o del diseo en s.

Esto quiere decir que la tensin real (RMS) del transformador necesario para alimentar este

amplificador, es igual al voltaje continuo que consume el amplificador, dividido entre la raz

cuadrada de 2, (1.4141). Ahora bien, por aquello de las prdidas es aconsejable incrementar el

valor obtenido en unos dos o voltios.

Por ejemplo; si su amplificador se alimenta con 34 voltios DC, entonces la tensin RMS del

transformador se calcular de la

siguiente manera:

Voltaje RMS = 34/ 2

34 / 1.4141 = 24 voltios AC

Lo quel es igual a: Voltaje RMS = 24 voltios

A estos 24 voltios es aconsejable sumarle unos 2 voltios, dando como resultado 26 voltios AC

La potencia del transformador define la dimensin del ncleo. La potencia no es otra cosa que el

producto de la multiplicacin entre el voltaje y el amperaje del transformador. As:

PT = V RMS x I RMS

Por ejemplo en el caso anterior calculamos un voltaje de 24 voltios (RMS) y una corriente

de 5 Amperios, entonces la potencia ser:

PT = 24V X 5Amp = 120 vatios

Tabla AWG

Calibre Mils circulares Dimetro mm Amperaje

7 20,818 3.67 44.2

8 16,509 3.26 33.3

9 13,090 2.91 26.5

10 10,383 2.59 21.2

11 8,234 2.30 16.6

12 6,530 2.05 13.5

13 5,178 1.83 10.5

14 4,107 1.63 8.3

15 3,257 1.45 6.6

16 2,583 1.29 5.2

17 2,048 1.15 4.1

18 1.624 1.02 3.2

19 1.288 0.91 2.6

20 1,022 0.81 2.0

21 810.1 0.72 1.6

22 642.4 0.65 1.2

23 0.509 0.57 1.0

24 0.404 0.51 0.8

25 0.320 0.45 0.6

La razn de aumentar dos

voltios en el devanado

secundario, es proveer un

margen de prdida producido

por el consumo de los diodos

rectificadores y en la

resistencia natural del

transformador.

Para que su transformador

responda adecuadamente y

entregue la corriente deseada,

debe construirse con alambre

de cobre del calibre apropiado.

Como hallar el calibre del alambre del devanado secundario

Para saber el calibre adecuado del alambre del devanado secundario, se debe averiguar los

amperios de consumo del amplificador y luego consultar la Tabla AWG. En este caso el

amplificador consume 5 amperios que obtuvimos de dividir la potencia en watts del amplificador,

entre el voltaje de salida (devanado secundario). Si miramos la tabla AWG, vemos que el

alambre calibre 16, soporta5.2 amperios, aunque en la practica, se puede usar un calibre mas

delgado, por ejemplo un 17, (No baje mas de un punto el calibre, ya que podra recalentarse el

transformador o no entregar la potencia requerida).

Vale recordar que si no sabemos los amperios de consumo, basta con dividir la potencia del

amplificador entre los voltios de salida del transformador.

Claro est que si el amplificador es de transistores, el devanado secundario se haya sumando los

amperios que consumen los transistores. Por ejemplo cuando un amplificador trabaja con 4

transistores 2SC5200 y sabemos que cada uno de estos requiere 1.3 amperios, tenemos un

total de 5.2 amperios que equivalen al alambre calibre 16.

Como hallar el calibre del alambre del devanado primario

Para hallar el calibre del alambre del devanado primario, primero hayamos el amperaje. Esto se

consigue de dividir los vatios del amplificador, entre el voltaje del toma corriente o de la red

pblica de su pas.

En este caso tenemos un suministro de 120 voltios en la red pblica.

Amperios = Watts RMS/ Voltios de entrada

Lo quel es igual a:

Amperios = 120W / 120V = 1 Amp

120 watts dividido 120 voltios, igual a: 1 amperio. Si observamos en nuestra tabla AWG, el

calibre mas cercano es el 23.

26 0.254 0.40 0.5

27 0.202 0.36 0.4

28 0.160 0.32 0.3

29 0.126 0.28 0.26

30 0.100 0.25 0.20

Como hallar el rea del ncleo del transformador

Ahora la seccin del ncleo se relaciona con la potencia total de la siguiente forma:

Seccin del ncleo = PT

La seccin del ncleo es igual a la raz cuadrada de la potencia total.

Como vimos anteriormente obtuvimos 120 vatios de potencia, para el transformador. Entonces

la seccin del ncleo debe ser:

Seccin del ncleo = 120 = 10.95 cms cuadrados

Esto quiere decir que nos servir un ncleo de 3.3 cms de ancho, por 3.3 cms de largo, lo que

equivale a una rea del ncleo de 10.89 centmetros cuadrados, aunque no necesariamente

tiene que ser cuadrado. Las lminas o chapas que mas se aproximan, tienen 3.2 cms de largo

en su centro, tendramos que colocar la cantidad de chapas que nos den unos 3.6 cms de ancho

para lograr esa rea. La Formaleta comercial para este caso es de 3.2 cm por 4 cm que tiene

una potencia disponible de 163 Watts. Esta potencia de averigu de elevar al cuadrado el rea

del ncleo.

3.2 x 4 = 12.8 cms2

12.8 x 12.8 = 163.84W

Es mejor siempre usar un tamao de ncleo ms grande del que necesitamos para estar

sobrados en potencia y no tener problemas al meter el alambre.

Medida para definir el ancho del ncleo sumando chapas o lminas de hierro

Medida para definir el largo del ncleo

En las figuras, se aprecia el ncleo del transformador visto por encima, la seccin del ncleo

ser el producto del largo en centmetros por el ancho en centmetros. Este debe corresponder al

valor calculado cuando menos, como dijimos anteriormente, si es mayor tanto mejor, pues

otorga cierto margen de potencia.

Calculo del nmero de espiras del alambre de cobre

Existe una constante que es el nmero 42, no vamos a entrar en detalles acerca del origen de

este numero, puesto que la idea no es ahondar en matemticas, si no lograr que personas con

poco conocimiento logren hacer transfomradores.

Para calcular el nmero de espiras o vueltas de alambre de cobre, en nuestro ejemplo, se divide

42 entre los 12.8 cms2, que son el rea del ncleo de 3.2 x 4.

Nmero de espiras = 42 / 12.8 Cm2

42 dividido 12.8 = 3.28 espiras o vueltas de alambre por voltio.

Esto quiere decir, que para el devanado primario, son 120 voltios del toma corriente,

multiplicado por 3.28, es igual a:393 espiras o vueltas de alambre de cobre. Si en su pais el

voltaje de la red pblica es de 220V, se multiplica, 220 voltios por 3.28 = 721 vueltas en el

devanado primario.

Para hallar el nmero de espiras del devanado secundario, se toman los 26 voltios del

transformador y se multiplican por3.28 obteniendo 85 espiras o vueltas de alambre.

Ahora que ya sabemos los calibres de alambre a usar y el nmero de vueltas, podemos hacer

nuestro Transformador.

Conexin de dos transformadores simples

En el caso que se nos dificulte conseguir un

transformador con TAPcentral, una opcin

muy sencilla es conectar dos transformadores

simples (Sin TAP central).

En la figura se muestra como se hace la

conexin correcta para convertir nuestros dos

transformadores sencillos, en un transformador con TAPcentral. Adems como se duplica la

cantidad de hierro de las chapas, se aumenta un poco la potencia, mejorando el rendimiento de

los dos trasformadores.

Transformadores en paralelo

En otras ocasiones se hace difcil conseguir

transformadores de amperajes altos y no

podemos conseguir los materiales para

hacerlo.

Como solucin para este problema se pueden

conectar dos transformadores en paralelo y

as duplicar el amperaje y mantener el

voltaje.

Por ejemplo: Necesitamos un transformador

de 18+18 voltios AC, con una corriente de 12

amperios, para alimentar el amplificador

de 300W con TDA7294.

Podemos conectar en paralelo dos transformadores de 18+18V AC, con una corriente de 6

amperios y as obtendremos el transformador que requerimos para este proyecto.

Si lo desea, puede utilizar un programa llamado transformer calculation, que hace el trabajo

de clculo por usted. Para que los clculos con este programa salgan correctamente, es

necesario sumar dos milmetros a cada lado del ncleo, Puesto que la formaleta donde se enrolla

el alambre ocupa espacio de alambre.

Otra opcin es usar el programa oficial de nuestro sitio Web, que fue creado por Jaider

Martnez, uno de nuestros fieles seguidores. Es un software gratuito para calcular las

dimensiones, vueltas de alambre y su calibre, con slo ingresar el voltaje y el amperaje.

Algunos ejemplos de clculos para realizacin de transformadores

Por Federico Michelutti de Argentina.

Antes de realizar los ejemplos deberemos tener en cuenta la siguiente informacin:

Tabla de ncleo de formaletas

Medida del rea del ncleo en centmetros. Compare el rea del ncleo con el ms cercano en la

tabla, use esta o el rea inmediatamente ms grande a la que necesita y con el nmero de

vueltas por voltio, calcule las vueltas de alambre del devanado primario y secundario.

NCLEO POTENCIA MXIMA VUELTAS POR VOLTIO REA Cm

1.6 x 1.9 9W 14 3.04

2.2 x 2.8 37W 7 6.16

2.5 x 1.8 20W 9.3 4.5

2.5 x 2.8 49W 6 7

2.8 x 1.5 17W 10 4.2

2.8 x 2.5 49W 6 7

2.8 x 3.5 96W 4.3 9.8

2.8 x 5 196W 3 14

3.2 x 3.5 125W 3.75 11.2

3.2 x 4 163W 3.3 12.8

3.2 x 5 256W 2.625 16

3.8 x 4 231W 2.76 15.2

3.8 x 5 361W 2.21 19

3.8 x 6 519W 1.85 22.8

3.8 x 7 707W 1.58 26.6

3.8 x 8 924W 1.38 30.4

3.8 x 9 1170W 1.22 34.2

3.8 x 10 1444W 1.1 38

3.8 x 11 1747W 1.004 41.8

3.8 x 12 2079W 0.921 45.6

4.4 x 9 1568W 1.06 39.6

4.4 x 10 1940W 0.95 44

4.4 x 11 2342W 0.867 48.4

4.4 x 12 2787W 0.795 52.8

Medida del ncleo:

Al multiplicar (X) (ancho del centro de las

chapas) por (Y) (fondo dado por la cantidad

de chapas), obtenemos el rea en

centmetros cuadrados, del ncleo de nuestro

transformador. Las medias en milmetros

disponibles que tenemos para (X) son: 16,

20, 22, 25, 28, 32, 38, 44, 50, 60, 70, 80,

100.

(Y) estar determinado por la cantidad de

placas o chapas que colocaremos una arriba

de la otra.

Ejemplo N 1:

Entrada: (devanado primario) 220 V

Salida 1: (devanado secundario) 60V a 4Amp

Lo primero que debemos calcular es la potencia de nuestro transformador:

En este caso: 60V x 4 Amp. = 240 watts

Ahora: si buscamos en la tabla anterior encontraremos el valor mas aproximado que es: 256W

(Estas son potencias mximas y debe estar por encima para reducir las perdidas).

NCLEO POTENCIA MXIMA VUELTAS POR VOLTIO REA Cm

3.2 x 5 256 W 2.625 16

De esta manera encontramos la medida del ncleo que mas se ajuste a nuestras necesidades:

X = 3.2 cm por Y = 5 cm

Ahora bien; al dividir la potencia de nuestro amplificador, entre el voltaje de entrada, obtenemos

el valor del amperaje para el devanado primario:

240w / 220v = 1.09 amp.

Ahora observamos en la tabla AWG

Calibre Mils Circulares Dimetro mm Amperaje

17 2.048 1.15 4.1

23 0.509 0.57 1.0

Como ven, debemos utilizar para el devanado primario, alambre magneto de calibre 23 y un

alambre calibre 17, para el devanado secundario, ya que este necesita 4 amperios.

Para calcular la cantidad las vueltas del devanado primario, debemos multiplicar las Vueltas por

voltio (2.21 segn nuestra tabla de ncleo de formaletas), por la cantidad de voltios de entrada

del transformador (voltaje de la red pblica):

220V x 2.625 = 578 vueltas para el devanado primario.

Para el devanado secundario, lo mismo pero con la salida de voltios deseada:

60V x 2.625 = 158 vueltas para el devanado secundario.

Ejemplo N 2:

Entrada: (devanado primario): 120V

Salida 1: (devanado secundario): 32 x 32V a 3Amp (utilizaremos TAP Central)

Lo primero que debemos calcular es la potencia de nuestro transformador; En este caso: 32 +

32V x 3 Amp. = 192 Watts

Ahora: si buscamos en nuestra tabla de ncleo de formaletas, encontraremos el valor que ms

se aproxima es de: 196W, (ya que son potencias mximas).

NCLEO POTENCIA MXIMA VUELTAS POR VOLTIO REA Cm

2.8 x 5 196W 3 14

De esta manera encontramos la medida del ncleo que necesitamos, que es de X = 2.8 cm

por Y = 5 cm

Ahora bien; al dividir la potencia de nuestro amplificador, entre el voltaje de entrada, obtenemos

el valor del amperaje para devanado primario:

192w / 120v = 1.6 amp.

Ahora observamos en la tabla AWG

Calibre Mils Circulares Dimetro mm Amperaje

21 810.1 0.72 1.6

18 1.624 1.02 3.2

Como ven, debemos utilizar un calibre 21 para el devanado primario, y un calibre 18, para el

devanado secundario, ya que este debe entregar 3 Amp.

Para calcular la cantidad las vueltas del devanado primario, debemos multiplicar las Vueltas por

voltio (3 segn la tabla de ncleo de formaletas), por la cantidad de voltios de entrada (red

pblica):

120V x 3 = 360 vueltas para el devanado primario.

Para el devanado secundario, hacemos lo mismo pero con la salida de voltios deseada:

64V x 3 = 192 vueltas. En este caso, al llegar a la vuelta 96, debemos soldar el cable de TAP

Central, o podemos enrollar el alambre en doble y dar slo 96 vueltas, tal como se aprecia en el

video.

Ejemplo N 3:

Entrada: 220V (devanado primario)

Salida 1: 24V a 3 Amp (devanado secundario)

Salida 2: 9V a 1.6 Amp (devanado secundario adicional)

Lo primero es calcular la potencia que deber entregar transformador, para as encontrar el

tamao del ncleo adecuado.

Para este caso tomamos la potencia del devanado secundario principal, que es: 24V x 3 Amp) =

72 watts

Luego buscamos en la tabla de ncleo de formaletas y encontramos el valor mas aproximado

por encima, que es: 96W (Tenga en cuenta estar al menos un 20% arriba, pensando en las

perdidas por corriente de foucault).

NCLEO POTENCIA MXIMA VUELTAS POR VOLTIO REA Cm

2.8 x 3.5 96W 4.3 9.8

De esta manera encontramos la medida del ncleo que necesitamos:

X = 2.8 cm por Y = 3.5cm.

Ahora bien; al dividir la potencia de nuestro amplificador, entre el voltaje de entrada, obtenemos

el valor del amperaje que debe entregar el devanado primario:

96W / 220v = 0.4 amp.

Ahora observamos en la tabla AWG

Calibre Mils Circulares Dimetro mm Amperaje

27 0.202 0.36 0.4

18 1.624 1.02 3.2

21 810.1 0.72 1.6

Como ven, debemos utilizar un calibre 27 para el devanado primario, calibre 18 para el

devanado secundario y calibre 21 para el devanado adicional.

Para calcular la cantidad las vueltas del devanado primario, debemos multiplicar las Vueltas por

voltio (4.3 segn la tabla de ncleo de formaletas) por la cantidad de voltios de entrara (voltaje

de la red pblica).

220V x 4.3 = 946 vueltas para el devanado primario

Para el devanado secundario se debe hacer lo mismo, pero con la salida de voltios deseada:

24 v x 4.3 = 103 vueltas.

Y para el Devanado Adicional, tenemos que: 9V x 4.3 = 39 vueltas.

Ejemplo N 4:

Entrada: 220V (devanado primario)

Salida 1: 33+33v a 3amp (devanado secundario)

Salida 2: 12v a 0.8amp (devanado secundario adicional)

Comencemos por calcular es la potencia de nuestro transformador:

Para este caso tomamos la potencia del devanado secundario principal, que es 33V + 33V x 3

Amp = 198 watts.

Ahora buscamos en nuestra tabla de ncleo de formaletas y encontramos el valor mas

aproximado por encima, que es: 231W (Tenga en cuenta estar al menos un 20% arriba,

pensando en las perdidas por corriente de foucault).

NCLEO POTENCIA MXIMA VUELTAS POR VOLTIO REA Cm

3.8 x 4 231W 2.76 15.2

De esta manera hemos encontrado la medida del ncleo ms adecuada para nuestro el ncleo

de nuestro transformador:

X = 3.8 cm por Y = 4 cm.

Ahora bien; al dividir la potencia de nuestro amplificador, entre el voltaje de entrada, obtenemos

el valor del amperaje del devanado primario:

231W / 220v = 1.05 Amp.

Ahora observamos en la tabla AWG

Calibre Mils Circulares Dimetro mm Amperaje

22 642.4 0.65 1.2

18 1.624 1.02 3.2

24 0.404 0.51 0.8

Como ven, debemos utilizar un calibre 22 para el devanado primario, aunque se puede usar

calibre 23, por ser muy poca la diferencia.

Para el devanado secundario usamos alambre calibre 18, ya que este devanado necesita 3 Amp

y el alambre 18 entrega 3.2 amperios. Y el devanado adicional usamos alambre calibre 24, ya

que requiere 0.8 Amp.

Para calcular la cantidad las vueltas del devanado primario, debemos multiplicar las vueltas por

voltio (2.76 segn nuestra tabla de ncleo de formaletas), por la cantidad de voltios de entrara

(voltaje de la red pblica):

220V x 2.76 = 607.2 vueltas para el devanado primario.

Para el devanado secundario, se hace lo mismo, pero con la salida de voltios deseada:

33+33 V x 2.76 = 182 vueltas. En este caso, al llegar a la vuelta 91, debemos soldar el cable

de TAP Central, o podemos enrollar el alambre en doble y dar slo 91 vueltas, tal como se

aprecia en el video.

Y para el devanado adicional tenemos que: 12Vx 2.76 = 33 vueltas.

Agradecimientos muy especiales a Federico Michelutti de Argentina.