Transformadores
Es la máquina eléctrica más simple —no tiene una sola parte móvil— y la que hizo posible la distribución de energía tal como existe. Sube la tensión para transportar y la baja para usar, con rendimientos que ninguna otra máquina alcanza.
01El principio
Todo sale de lo visto en electrodinámica e inducción: una corriente variable produce un flujo magnético variable, y ese flujo, al atravesar otro bobinado, induce en él una tensión. El núcleo de hierro está para que casi todo el flujo del primario pase por el secundario.
Lo que induce tensión es la variación del flujo. Con continua, el flujo es constante y no se induce nada: sólo circula corriente limitada por la resistencia del alambre, y el bobinado se quema. Conectar un transformador de red a una batería es destruirlo, y es un error que se comete una sola vez.
Relación a = 220/12 = 18,33. Si el primario tiene 1100 espiras, el secundario tiene 1100/18,33 = 60 espiras.
Con una carga que consume 5 A en el secundario, la corriente del primario es 5/18,33 = 0,273 A. La potencia: 12 × 5 = 60 W del lado de la carga, y 220 × 0,273 = 60 W del lado de la red. Baja la tensión y sube la corriente en la misma proporción.
02El transformador real: dónde se pierde energía
El ideal transferiría el 100 % de la potencia. El real pierde en dos lugares distintos, y distinguirlos es lo que permite diagnosticar una falla o calcular un rendimiento.
- Histéresis: la energía que cuesta reorientar los dominios magnéticos en cada ciclo. Se reduce con chapa de grano orientado, al silicio.
- Corrientes de Foucault: corrientes que se inducen dentro del propio núcleo. Se reducen laminando el núcleo y aislando las chapas entre sí: por eso los núcleos son un apilado de láminas y no un bloque macizo.
- Dependen de la tensión y la frecuencia, no de la carga: existen aunque el secundario esté abierto. Son las que hacen que un transformador consuma —y zumbe— sin nada conectado.
- Efecto Joule en la resistencia de los bobinados: P = I²·R.
- Dependen del cuadrado de la carga: a media carga son la cuarta parte que a plena carga.
- Son las que fijan el límite térmico del transformador y lo que se siente al tocarlo después de un rato de trabajo.
- Ensayo en vacío: se alimenta el primario a tensión nominal con el secundario abierto. Casi no circula corriente útil, así que el vatímetro mide prácticamente las pérdidas en el hierro. También da la corriente de magnetización.
- Ensayo en cortocircuito: se cortocircuita el secundario y se sube la tensión del primario hasta que circule la corriente nominal —hacen falta apenas un 3 a 6 % de la tensión nominal—. Como el flujo es chico, el hierro casi no pierde: el vatímetro mide las pérdidas en el cobre, y de ahí sale la impedancia de cortocircuito.
Con esos dos ensayos, hechos con muy poca energía, queda caracterizado un transformador de cualquier potencia. Es un método elegante y se toma en cualquier examen del tema.
Ensayo en vacío: PFe = 2 W. Ensayo en cortocircuito a corriente nominal: PCu = 4 W.
- A plena carga (60 W de salida): η = 60/(60 + 2 + 4) = 60/66 = 90,9 %
- A media carga (30 W): las del cobre caen a la cuarta parte, 1 W. η = 30/(30 + 2 + 1) = 30/33 = 90,9 %
- Al 25 % (15 W): PCu = 0,25 W. η = 15/(15 + 2 + 0,25) = 86,9 %
El rendimiento máximo está donde PCu = PFe, es decir con una carga del √(2/4) = 71 %. Y se nota lo otro: en vacío el rendimiento es cero, porque no entrega nada y sin embargo consume 2 W. Ese es el argumento contra dejar cargadores enchufados sin uso, aunque con las fuentes conmutadas modernas la cifra sea bastante menor.
03Cálculo de un transformador chico
Es un cálculo aproximado pero suficiente para bobinar uno de laboratorio, y el procedimiento se sigue usando en el taller.
- Sección del núcleo: S = 1,2 × √60 = 1,2 × 7,75 = 9,3 cm². Se elige un juego de chapas E-I cuya columna central por el apilado dé aproximadamente ese valor.
- Espiras por volt: N/V = 45 / 9,3 = 4,84.
- Primario: 220 × 4,84 = 1065 espiras.
- Secundario: 12 × 4,84 = 58 espiras, más un 5 % para compensar la caída con carga → 61 espiras.
- Corrientes: I₂ = 60/12 = 5 A; I₁ = 60/220 = 0,273 A.
- Alambre del secundario: sección = 5/3 = 1,67 mm² → d = 1,46 mm (AWG 15).
- Alambre del primario: sección = 0,273/3 = 0,091 mm² → d = 0,34 mm (AWG 28).
Después hay que verificar que el bobinado entre en la ventana de la chapa: si no entra, se sube la sección del núcleo (menos espiras) o se acepta una densidad de corriente mayor a costa de más temperatura.
Por magnetostricción: las chapas cambian levemente de dimensión con el flujo, cien veces por segundo. Si están flojas, vibran y el zumbido se amplifica. Un zumbido que aumenta de golpe suele indicar chapas sueltas, sobretensión —el núcleo entra en saturación— o una espira en cortocircuito, que además lo va a calentar rápidamente.
04Transformación de impedancia
Es la tercera función del transformador, la menos evidente y la más usada en electrónica: visto desde el primario, lo que hay en el secundario aparece multiplicado por a².
Una etapa a válvulas necesita ver 5000 Ω en su placa y el parlante es de 8 Ω:
- a = √(5000/8) = √625 = 25
- Con 2500 espiras en el primario, el secundario lleva 100.
La misma idea explica el transformador de línea de 70 V de la megafonía, el balun de una antena y la razón por la que en RF se habla siempre de 50 Ω: si la carga no vale lo que la línea espera, parte de la energía vuelve, como se ve en mediciones de impedancia.
05Tipos que hay que conocer
| Tipo | Qué tiene de particular | Dónde aparece |
|---|---|---|
| De potencia | Dos bobinados separados, núcleo laminado E-I o de columnas | Fuentes, distribución, subestaciones |
| De aislación 1:1 | No cambia la tensión: separa galvánicamente | Imprescindible para medir con osciloscopio circuitos conectados a la red |
| Autotransformador | Un solo bobinado con derivación: más chico y barato | Elevadores de 110/220, arranque de motores. No aísla: primario y secundario comparten conductor |
| Toroidal | Núcleo en anillo: menos dispersión, menos zumbido, menos campo disperso | Audio de calidad, instrumentación |
| Transformador de corriente (TI) | El primario es el propio conductor; entrega una corriente proporcional (5 A típico) | Medición y protección en tableros; el mismo principio que la pinza amperométrica |
| Transformador de tensión (TT) | Reduce la tensión a un valor medible (110 V típico) | Medición en media y alta tensión |
| De alta frecuencia | Núcleo de ferrita, no de chapa | Fuentes conmutadas: al trabajar a 100 kHz el núcleo puede ser cientos de veces más chico |
Con el primario en servicio, si se abre el secundario de un TI desaparece la corriente que compensaba el flujo: el núcleo se satura y en los bornes abiertos aparecen tensiones de miles de volts. Es una de las maniobras más peligrosas de un tablero. Antes de desconectar un instrumento alimentado por un TI hay que cortocircuitar el secundario con la bornera prevista para eso.
Porque la sección del núcleo necesaria es inversamente proporcional a la frecuencia. A 50 Hz un transformador de 100 W pesa más de un kilo; a 100 kHz —dos mil veces más rápido— el mismo trabajo lo hace un núcleo de ferrita que entra en la palma de la mano. Ese es el motivo por el que hoy casi todas las fuentes son conmutadas, y también por el que producen interferencia y necesitan filtros (filtros).
06En el laboratorio
Con un transformador de laboratorio de varias derivaciones, medir la tensión de entrada y las de cada salida en vacío y calcular las relaciones. Contrastarlas con la relación de espiras si el fabricante la declara. Después bobinar 10 espiras de alambre sobre el núcleo y medir la tensión que aparece: dividiendo se obtiene experimentalmente el valor de volt por espira.
Ensayo en vacío: alimentar a tensión nominal con el secundario abierto y medir V, I y P. Ensayo en cortocircuito: con el secundario cortocircuitado, subir de a poco la tensión del primario con un variac hasta llegar a la corriente nominal, y medir. Con esos datos, calcular el rendimiento a plena carga y a media carga, y armar la curva.
Medir la tensión del secundario en vacío y con carga nominal (lámparas o resistencias). Calcular la regulación. Repetir con un transformador de mayor potencia y comparar: el más grande regula mejor. Es la razón por la que un transformador sobredimensionado da tensiones más estables.
Con un transformador de salida de audio, medir la resistencia que ve el generador con el secundario cargado con 8 Ω y con el secundario abierto. Comparar el valor medido con a²·Z₂. Después alimentar un parlante con y sin transformador desde una etapa de alta impedancia y comparar el volumen: la diferencia es la adaptación.
Cualquier medición con osciloscopio sobre un circuito conectado a la red debe hacerse con transformador de aislación. La masa del osciloscopio está unida a la tierra del tomacorriente: si se la conecta a un punto vivo, se produce un cortocircuito franco a través del instrumento. Un autotransformador no sirve para esto, porque no separa los circuitos.
07Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| Se calienta mucho sin carga | Espira en cortocircuito, chapas mal aisladas o tensión de alimentación superior a la nominal (saturación). |
| La tensión de salida cae mucho al conectar la carga | Mala regulación: transformador subdimensionado o alambre demasiado fino. |
| Zumba más que de costumbre | Chapas flojas, sobretensión o principio de falla en un bobinado. |
| El fusible del primario se quema al conectar | Corriente de irrupción (inrush): al energizar en el peor instante, el flujo se suma al remanente y satura. Se resuelve con fusible retardado o NTC de arranque. |
| Da la tensión correcta pero no entrega corriente | Se está midiendo en vacío. Un transformador con espiras en corto o de potencia insuficiente da bien en vacío y se cae con carga. |
| El secundario de 12 V mide 13,5 V | Es normal: los transformadores chicos se bobinan con un 5 a 10 % de más para compensar la caída con carga. |
| Se quemó al conectarlo a continua | Sin variación de flujo no hay reactancia inductiva: sólo queda la resistencia del alambre, que es muy baja. |
| Un autotransformador «no aísla» y hubo un accidente | Correcto: comparte conductor entre entrada y salida. Para aislar hace falta uno de dos bobinados separados. |
| Chispazo al desconectar un instrumento de un TI | Se abrió el secundario del transformador de corriente. Hay que cortocircuitarlo antes. |
08Autoevaluación
Un transformador de 220 a 24 V con 1100 espiras en el primario: ¿cuántas tiene el secundario?
a = 220/24 = 9,17. N₂ = 1100/9,17 = 120 espiras.
Si el secundario entrega 4 A, ¿qué corriente toma el primario del ejemplo anterior?
I₁ = I₂/a = 4/9,17 = 0,436 A. Verificación por potencia: 24 × 4 = 96 W y 220 × 0,436 = 96 W.
¿En qué se diferencian las pérdidas del hierro de las del cobre?
Las del hierro (histéresis y Foucault) dependen de la tensión y la frecuencia y son prácticamente constantes: existen aun en vacío. Las del cobre son I²R y crecen con el cuadrado de la carga.
¿Con qué carga es máximo el rendimiento?
Cuando las pérdidas del cobre igualan a las del hierro. Con PFe = 2 W y PCu = 4 W a plena carga, eso ocurre al √(2/4) = 71 % de la carga nominal.
¿Para qué sirve el ensayo en cortocircuito y por qué no destruye el transformador?
Para medir las pérdidas en el cobre y la impedancia de cortocircuito. No lo destruye porque se aplica sólo un 3 a 6 % de la tensión nominal: apenas la necesaria para que circule la corriente nominal.
¿Por qué el núcleo se hace con chapas y no con hierro macizo?
Para cortar las corrientes de Foucault. En un bloque macizo, el flujo variable induce corrientes internas que lo calientan inútilmente. Laminando y aislando las chapas se reduce muchísimo esa pérdida.
Se quiere adaptar una carga de 4 Ω a una fuente de 900 Ω: ¿qué relación de espiras?
a = √(900/4) = √225 = 15. Es decir, 15 espiras en el primario por cada una del secundario.
¿Qué diferencia hay entre un autotransformador y un transformador de aislación?
El autotransformador tiene un solo bobinado con derivación: entrada y salida comparten un conductor y no hay separación galvánica. El de aislación tiene dos bobinados independientes, y por eso es el único que sirve para trabajar con seguridad sobre circuitos de red.
¿Por qué el transformador de una fuente conmutada es tan chico?
Porque trabaja a decenas o cientos de kHz en vez de 50 Hz. La sección de núcleo necesaria es inversamente proporcional a la frecuencia, así que a 100 kHz alcanza con un núcleo de ferrita diminuto.
Un transformador de 100 VA se alimenta con 240 V en vez de 220. ¿Qué pasa?
El flujo aumenta proporcionalmente y el núcleo se acerca a la saturación: la corriente de vacío crece mucho más que la tensión, el transformador zumba y se calienta. Es la falla típica cuando la red está alta o cuando se conecta un transformador de 220 a una red de 240 V sin derivación adecuada.