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Transformadores Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico 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 primarios y secundarios 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.

Este elemento eléctrico se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, ya que si aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, debido a la variación de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce la inducción de un flujo magnético variable en el núcleo de hierro.

Este flujo originará por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en el devanado secundario. La tensión en el devanado secundario dependerá directamente del número de espiras que tengan los devanados y de la tensión del devanado primario.

El propósito del núcleo de hierro es aumentar el flujo magnético a través de la bobina y proporcionar un medio en el que casi todas las líneas de campo magnético que pasan a través de una bobina lo hagan por la otra. Las pérdidas por corrientes de eddy se reducen con el uso de un núcleo laminado. La transformación de energía en energía interna en la resistencia finita de los alambres de la bobina suele ser muy pequeña. Los transformadores representativos tienen eficiencias de potencia de 90 a 99%. En la explicación que sigue se supone un transformador ideal, en el que las pérdidas de energía en los devanados y el núcleo son igual a cero.

 1 La ley de Faraday expresa que el voltaje es

 1   N1

en las terminales del circuito primario

dB dt

B Donde es el flujo magnético que pasa por cada vuelta. Si supone que todas las líneas de campo magnético permanecen dentro del núcleo de hierro, el flujo que pasa por cada vuelta del primario es igual al flujo que pasa por cada vuelta del secundario, por lo tanto el voltaje que pasa en las terminales del secundario es:

 2   N 2

dB dt

Igualando las ecuaciones anteriores y sustituyendo tenemos la siguiente ecuación

 2 

N2  1 N1

Cuando N2 N1, el voltaje de salida V2 es mayor que el voltaje de entrada V1. Esta configuración se conoce como transformador elevador. Cuando N2 ˂ N1, el voltaje de salida es menor que el voltaje de entrada, y se tiene un transformador reductor. Cuando se cierra el interruptor del circuito secundario, se induce una corriente I2 en el secundario. (En esta explicación las mayúsculas 1 y ΔV se refieren a los valores rms.) Si la carga del circuito secundario es una resistencia pura, la corriente inducida está en fase con el voltaje inducido. La potencia alimentada al circuito secundario la proporciona la fuente de CA conectada al circuito primario. En un transformador ideal, sin pérdidas, la potencia I1 ΔV1 suministrada por la fuente es igual a la potencia I2 ΔV2 en el circuito secundario. Es decir,

I1 1  I 2  2 RL El valor de las resistencias de carga

I2  secundario porque

I1 

V1

V2

determina el valor de la corriente del

RL Además, la corriente del primario es

Req , donde 2

 N Req   1 RL  N 2 Es la resistencia equivalente de la resistencia de carga cuando se ve desde el lado del primario. Este análisis permite inferir que un transformador se puede usar para acoplar resistencias entre el circuito primario y la carga. De esta forma se logra la máxima transferencia de potencia entre una fuente de potencia y la resistencia de carga. Por ejemplo un trasformador conectado entre la salida de 1kΏ de un amplificador de audio y un altavoz de 8Ώ asegura la transmisión de tanta señal de audio como sea posible al altavoz. Este ejemplo se conoce como acoplamiento de impedancias n términos de equipos estéreo.

Muchos aparatos electrónicos comunes para uso doméstico requieren voltajes bajos para funcionar de manera apropiada. Un transformador pequeño que se conecta directamente a la toma de la pared, como el que se ilustra en la fi gura, puede proporcionar el voltaje adecuado. La fotografía muestra los dos devanados enrollados alrededor de un núcleo común de hierro que se encuentra dentro de estas pequeñas “cajas negras”. Este transformador convierte los 120 V de CA del tomacorriente a 12.5 V de CA. Algunas cajas negras también utilizan diodos para convertir la corriente alterna en corriente directa. Problema: Un trasformador elevador esta diseñadopara tener un voltaje de salida de 2200V (rms) Cuando el primario se conecta auna fuente de110V(rms) a) si el devanado primario tiene 80 vueltas¿Cuántas vuelta se necesita para el secundario? b) si el resistor de carga en las terminales del secundario toma una corriente de 1.50 A ¿Cuál es la corriente del primario, suponiendo condiciones ideales? C) ¿que pasaria si? El transformador tiene una eficiencia del 95% ¿Cuál es la corriente en el primario cuando la corriente del secundario es de 1.20A. Respuesta a la a) N1=80vueltas

 2 

N2  1 N1

Utilizando la sgte ecuacion Reemplazamos:

N2 x110 80 N 2  1600vueltas

2000 

I 2  1.50 A (110)( I1 )  (2200)(1.5) I1  30 A (0.95)(110)( I1 )  (2200)(1.2) I1  25.3 A Respuesta a la b)

I 2  1.50 A Se sabe que

I1 1  I 2  2 Utilizamos la siguiente ecuacion: Reemplazamos

(110)( I1 )  (2200)(1.5) I1  30 A Respuesta a la c) El 5% de las perdidas que utiliza el secundario a un acorriente de 1.20A. Usamos la ecuacion anterior:

I1 1  I 2  2 95% Reemplazando:

(0.95)(110)( I1 )  (2200)(1.2) I1  25.3 A