Bobinas Transformadores

Se denomina transformador a una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

El funcionamiento de los transformadores se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, cuya explicación matemática se resume en las ecuaciones de Maxwell.

Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario o inductor, producida esta por la corriente eléctrica que lo atraviesa, se produce la inducción de un flujo magnético en el núcleo de hierro. Según la ley de Faraday, si dicho flujo magnético es variable, aparece una fuerza electromotriz en el devanado secundario o inducido. De este modo, el circuito eléctrico primario y el circuito eléctrico secundario quedan acoplados mediante un campo magnético.

La tensión inducida en el devanado secundario depende directamente de la relación entre el número de espiras del devanado primario y secundario y de la tensión del devanado primario. Dicha relación se denomina relación de transformación.

Transformador ideal[editar]

Se considera un transformador ideal aquel en el que no hay pérdidas de ningún tipo. En la práctica no es realizable, pero es útil para comprender el funcionamiento de los transformadores reales.

En un transformador ideal, debido a la inducción electromagnética, las tensiones en los devanados son proporcionales a la variación del flujo magnético que las atraviesa y al número de espiras del devanado. Puesto que el acoplamiento magnético de los devanados se considera perfecto, se deduce que la relación entre las tensiones es inversamente proporcional a la relación entre el número de espiras de los devanados. De este modo:

${\displaystyle {\frac {V_{P}}{V_{S}}}={\frac {N_{P}}{N_{S}}}\Leftrightarrow V_{S}={\frac {N_{S}}{N_{P}}}\cdot V_{P}}$

Se denomina relación de transformación ${\displaystyle m}$ a la relación de tensiones entre el primario y el secundario. También se puede expresar en función del número de espiras de los devanados.

${\displaystyle m={\frac {V_{P}}{V_{S}}}={\frac {N_{P}}{N_{S}}}}$

Del mismo modo, al no considerarse ningún tipo de pérdidas, la potencia de entrada en el primario es igual a la potencia de salida en el secundario.

${\displaystyle V_{P}\cdot I_{P}=V_{S}\cdot I_{S}}$

Transformador real[editar]

En la práctica, un transformador ideal no es físicamente realizable. Los transformadores reales se diferencian de los ideales en los siguientes aspectos:

• Los arrollamientos o devanados tienen resistencia eléctrica y capacidades parásitas.
• En el interior del núcleo hay corrientes parásitas o corrientes de Foucault.
• El ciclo de magnetización y desmagnetización del núcleo consume energía debido a la histéresis magnética.
• El acoplamiento magnético de los devanados no es perfecto, que se traduce en una inductancia o flujo de dispersión.
• La permeabilidad magnética del núcleo depende de la frecuencia.
• La saturación magnética del núcleo provoca que la inductividad de los devanados no sea constante.
• El núcleo varía ligeramente su geometría debido a la magnetostricción.

La resistencia de los devanados, la histéresis del núcleo y las corrientes parásitas producen pérdidas de energía. Las pérdidas de energía debidas a la resistencia eléctrica de los arrollamientos se denominan pérdidas en el cobre. Las pérdidas por el efecto de la histéresis y por las corrientes parásitas se denominan pérdidas en el hierro.

Las pérdidas en el cobre dependen cuadráticamente de la corriente de carga del transformador, es decir, del cuadrado de la intensidad de cada arrollamiento. Las pérdidas en el hierro son prácticamente independientes del nivel de carga del transformador, pero proporcionales al cuadrado de la densidad de flujo magnético del núcleo. Así mismo, las pérdidas por histéresis son proporcionales a la frecuencia eléctrica, mientras que las corrientes parásitas son proporcionales al cuadrado de la frecuencia.

El flujo magnético de dispersión provoca que la tensión en el secundario sea algo menor que en un transformador ideal.

La saturación magnética limita la frecuencia mínima de funcionamiento o, dicho de otro modo, dada una frecuencia y un número de espiras, limita la tensión máxima posible del primario. Si se sobrepasan dichos límites y se satura el núcleo, aparecen grandes corrientes el en primario con poco o ningún efecto en la tensión del secundario. La saturación magnética se puede evitar incrementando el número de espiras en el primario (y por consiguiente también en el secundario) a cambio de un mayor volumen físico y mayores pérdidas en el cobre. La saturación magnética juega también un papel importante en la corriente de inserción; debido a corrientes en el primario varias veces la nominal, la saturación evita una sobrecarga en el secundario.

Corriente de inserción[editar]

La corriente de inserción o corriente transitoria de magnetización es una corriente transitoria que se produce en el momento de conectar el transformador a la red. Su magnitud puede ser de 10 veces la corriente nominal hasta 100 veces en casos raros.¹​

Componentes de un transformador[editar]

Núcleo[editar]

La disposición en láminas del núcleo ayuda a reducir las corrientes de Foucault.

El núcleo de un transformador es la zona por la que circula el campo magnético entre los devanados primario y secundario. Dependiendo de la finalidad del transformador, puede tener varias formas y estar constituido por diferentes materiales.

Material[editar]

El núcleo está formado habitualmente por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagnético) que están apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro. La función del núcleo es mantener el flujo magnético confinado dentro de él y evitar que este fluya por el aire favoreciendo las perdidas en el núcleo y reduciendo la eficiencia. La configuración por láminas del núcleo laminado se realiza para reducir las corrientes de Foucault y, consiguientemente, reducir las pérdidas de energía en el núcleo.

Algunos transformadores no tienen núcleo y se les denomina transformadores sin núcleo o con núcleo de aire. Un núcleo de aire es esencialmente un núcleo sin pérdidas por histéresis o corrientes de Foucault. Sin embargo, la inductancia de dispersión es muy alta, siendo inapropiados para la transmisión de potencia. Por el contrario, tienen un ancho de banda muy alto y se emplean frecuentemente en aplicaciones de radiocomunicación. Dentro del concepto de transformadores de núcleo de aire entran también los sistemas de carga inalámbrica y las bobinas de Tesla.

Forma[editar]

Núcleo en columnas[editar]

Sección de un transformador trifásico de columnas.

Alrededor de cada columna se arrolla un devanado. Una culata superior y una culata inferior cierran el circuito magnético del núcleo.

Núcleo acorazado o núcleo envolvente[editar]

Además de las columnas, dos culatas laterales sin devanados se disponen a los lados. Evitan los flujos de dispersión.

Núcleo toroidal[editar]

Pequeño transformador con núcleo toroidal.

El núcleo consiste en un anillo (toroide), normalmente de compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo magnético queda confinado en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault.

Núcleo de grano orientado[editar]

Transformador de grano orientado.

El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Presenta pérdidas muy reducidas, pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser también utilizada en transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus pérdidas.

Núcleo de aire[editar]

En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia.

Bobinas[editar]

Material[editar]

Las bobinas son generalmente de cobre enrollado en el núcleo. Según el número de espiras (vueltas) alrededor de una pierna inducirá un voltaje mayor. Se juega entonces con el número de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifásico el número de vueltas del primario y secundario debería ser igual para todas las fases.

Disposición[editar]

El devanado primario y secundario se suelen arrollar uno dentro del otro. La razón es reducir al máximo la inductancia de dispersión y aprovechar al máximo el núcleo magnético disponible. Entre los arrollamientos es necesario una capa aislante, puesto que ambos funcionan a tensiones diferentes. Para evitar tener espesores de capa aislante demasiado gruesos, lo más habitual es encontrar el devanado de baja tensión arrollado sobre el núcleo y el devanado de alta tensión arrollado sobre el devanado de baja tensión.

Tipos De Bobinas

Las bobinas

Son componentes pasivos de dos terminales que generan un flujo magnético cuando se hacen circular por ellas una corriente eléctrica.
Se fabrican arrollando un hilo conductor sobre un núcleo de material ferromagnético o al aire.
Su unidad de medida es el Henrio (H) en el Sistema Internacional pero se suelen emplear los submúltiplos mH y mH.
Sus símbolos normalizados son los siguientes:

1. Bobina	2. Inductancia	3. Bobina con tomas fijas
4. Bobina con núcleo ferromagnético	5. Bobina con núcleo de ferroxcube	6. Bobina blindada
7. Bobina electroimán	8. Bobina ajustable	9. Bobina variable

Existen bobinas de diversos tipos según su núcleo y según tipo de arrollamiento.
Su aplicación principal es como filtro en un circuito electrónico, denominándose comúnmente, choques.

CARACTERíSTICAS

1. Permeabilidad magnética (m).- Es una característica que tiene gran influencia sobre el núcleo de las bobinas respecto del valor de la inductancia de las mismas. Los materiales ferromagnéticos son muy sensibles a los campos magnéticos y producen unos valores altos de inductancia, sin embargo otros materiales presentan menos sensibilidad a los campos magnéticos.
El factor que determina la mayor o menor sensibilidad a esos campos magnéticos se llama permeabilidad magnética.
Cuando este factor es grande el valor de la inductancia también lo es.

2. Factor de calidad (Q).- Relaciona la inductancia con el valor óhmico del hilo de la bobina. La bobina será buena si la inductancia es mayor que el valor óhmico debido al hilo de la misma.

TIPOS DE BOBINAS

1. FIJAS

Con núcleo de aire

El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas.
Una variante de la bobina anterior se denomina solenoide y difiere en el aislamiento de las espiras y la presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser cilíndrico. Se utiliza cuando se precisan muchas espiras. Estas bobinas pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en serie. Igualmente se utilizan para frecuencias elevadas.

Con núcleo sólido

Poseen valores de inductancia más altos que los anteriores debido a su nivel elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un material ferromagnético. Los más usados son la ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan potencias considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas se utilizan núcleos parecidos a los de los transformadores (en fuentes de alimentación sobre todo). Así nos encontraremos con las configuraciones propias de estos últimos. Las secciones de los núcleos pueden tener forma de EI, M, UI y L.

Bobina de ferrita	Bobina de ferrita de nido de abeja	Bobinas de ferrita para SMD	Bobinas con núcleo toroidal

Las bobinas de nido de abeja se utilizan en los circuitos sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de onda media y larga. Gracias a la forma del bobinado se consiguen altos valores inductivos en un volumen mínimo.
Las bobinas de núcleo toroidal se caracterizan por que el flujo generado no se dispersa hacia el exterior ya que por su forma se crea un flujo magnético cerrado, dotándolas de un gran rendimiento y precisión.
La bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita, normalmente cilíndricos, con aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de vista practico ya que, permite emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor.

Las bobinas grabadas sobre el cobre , en un circuito impreso tienen la ventaja de su mínimo coste pero son difícilmente ajustables mediante núcleo.

2. VARIABLES

También se fabrican bobinas ajustables. Normalmente la variación de inductancia se produce por desplazamiento del núcleo.
Las bobinas blindadas pueden ser variables o fijas, consisten encerrar la bobina dentro de una cubierta metálica cilíndrica o cuadrada, cuya misión es limitar el flujo electromagnético creado por la propia bobina y que puede afectar negativamente a los componentes cercanos a la misma.