Transformadores y circuitos acoplados
Los transformadores y circuitos acoplados son parte esencial de los sistemas integrados complejos.
facultad de informática · telecomunicaciones
mié. 11 de ago. 2021
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Un transformador es un dispositivo eléctrico que se utiliza actualmente en casi todo campo de la ingeniería eléctrica, desempeña un papel integral en sistemas de distribución de potencia y puede encontrarse en muchos instrumentos de medición y en circuitos electrónicos. El transformador es un circuito en el cual el campo magnético producido por la corriente que varía en el tiempo en un circuito induce voltaje en otro, es decir, los transformadores son circuitos acoplados magnéticamente. En la operación del transformador, la inductancia mutua es un fenómeno fundamental.

Descrito de otra manera, un transformador posibilita el aumento o la disminución de la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, es decir, a partir de la inducción electromagnética, el transformador convierte la energía eléctrica alterna de un nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión. En un transformador ideal la potencia de entrada es equivalente a la potencia de salida, ya que no ocurren pérdidas.

En cambio, no ocurre lo mismo en los transformadores reales, pues en estos se introducen pérdidas, aunque en bajo porcentaje. El transformador está construido por dos bobinas (en algunos casos más de dos bobinas) aisladas eléctricamente entre ellas, arrolladoras sobre un núcleo de material ferromagnético. Las bobinas se denominan “primario” y “secundario” según estén a la entrada o a la salida del sistema respectivamente. En el núcleo, fabricado normalmente de hierro o de láminas de acero, se establece un flujo magnético que es común para ambas bobinas.

Componentes base en las telecomunicaciones

Existen tres clasificaciones generales para los transformadores, transformadores de núcleo de hierro, transformadores de núcleo de aire y transformadores de núcleo de ferrita. Como se había mencionado anteriormente, el transformador se compone generalmente de dos bobinas denominadas primario y secundario. Ambas están colocadas de manera que una desarrolla un flujo variable que enlaza a la otra bobina.

Este fenómeno induce un voltaje que pasa a través de cada bobina. En relación con ello, se dijo que las clasificaciones de primario y secundario se debían a la posición a la entrada o salida del sistema, pero es más certero identificar el primario y secundario siguiendo la siguiente descripción:

«La bobina a la cual se aplica la fuente se llama primario y la bobina a la cual se aplica la carga se llama secundario»

Entre dos bobinas la inductancia mutua es directamente proporcional al cambio instantáneo del flujo que enlaza una bobina, debido a un cambio instantáneo de la corriente a través de la otra bobina. Hay dos clasificaciones importantes respecto al acoplamiento de las bobinas: bobinas fuertemente acopladas y bobinas débilmente acopladas.

La primera clasificación (fuertemente acopladas) describe cuando casi todo el flujo que produce una bobina se enlaza con el otro, esto ocurre en transformadores de núcleo de hierro. La segunda clasificación (débilmente acopladas) describe cuando un bajo porcentaje del flujo enlaza ambos arrollados, esto ocurre en transformadores de núcleo de aire y de ferrita. La ley de Faraday es la base de la operación de los transformadores. Dicha ley enuncia que el voltaje inducido en un circuito, debido a un cambio del campo magnético, es directamente proporcional a la rapidez con que varía el flujo magnético que enlaza al circuito.

Transformadores de núcleo de hierro: el modelo ideal

Un transformador básico de núcleo de hierro está compuesto por dos bobinas arrolladas sobre un mismo núcleo. En uno de los arrollados, la corriente alterna establece un flujo que enlaza el otro devanado, induciendo un voltaje en él. La potencia fluye de un circuito a otro a través del campo magnético. De forma análoga a lo que se había explicado en la parte introductoria, el arrollado (bobina) al cual se le suministra potencia se denomina primario. Por otro lado, el arrollado que recibe la potencia se le llama secundario.

Cualquiera de las dos bobinas puede utilizarse como primario o secundario, lo que quiere decir que la potencia puede lo mismo en una dirección que en la otra. Los transformadores de núcleo de hierro generalmente se usan en aplicaciones de baja frecuencia en audio y potencia. En estos transformadores, la existencia de la resistencia de arrollado o devanado, las fugas de flujo magnético y las pérdidas en el núcleo son pequeñas y, por ende, muchas veces despreciables. Cuando un transformador tiene acoplamiento perfecto, es decir las bobinas están cien por ciento acopladas, entonces el transformador es ideal.

Consta de dos (o más) bobinas con gran número de vueltas arrolladas sobre un núcleo común de permeabilidad alta. Estas características óptimas de permeabilidad del núcleo, permite que el flujo enlace a todas las vueltas de las dos bobinas. Es por ello que se afirma que en el transformador ideal existe un acoplamiento perfecto. El hecho de que el núcleo sea de hierro hace que se incremente el coeficiente de acoplamiento entre las bobinas al elevar el flujo mutuo. Se va a suponer ideal al transformador de núcleo de hierro, es decir, que todo el flujo que enlaza el primer arrollado va a enlazar también al segundo arrollado o bobina.

Funcionamiento

Para suponer ideal un transformador no se tiene en cuenta la resistencia de sus bobinas. Se supone que todo el flujo está confinado en su núcleo, se desprecian las pérdidas en el núcleo y se supone que la corriente que se necesita para establecer el flujo en el núcleo es mínima. El hecho de que se suponga ideal al transformador de núcleo de hierro, no se aleja de la realidad. Esto dado que como se había dicho anteriormente, las pérdidas son despreciables.

En la actualidad, la mayoría de los transformadores fabricados se consideran casi ideales. Además, un buen diseño de transformadores de núcleo de hierro hace que se comporten como casi ideales. Se vio que el flujo magnético total concatenado por una bobina completa de N espiras, se cumple que el enlace de flujo es NΦ.

Para el transformador ideal el enlace del flujo primario es NpΦm y el enlace del flujo secundario es NsΦm. Donde Np y Ns, son el número de vueltas del primario y secundario respectivamente y Φm, como se ha visto, es el flujo que enlaza ambas bobinas (flujo mutuo). Relacionando ambas ecuaciones, se tiene que la razón entre el voltaje del primario y del secundario; este es equivalente a la razón del número de vueltas del primario respecto a las del secundario.

Esta razón se representa con la letra “a” y se le conoce como relación de vueltas. Es importante destacar que, en dependencia de la dirección relativa de los devanados de las bobinas, ep y es están desfasados 180° o en fase. Precisamente esta es una de las ventajas de los transformadores, porque puede utilizarse para cambiarle la polaridad a un voltaje de corriente alterna, por lo que la relación de voltajes se expresa también en fasores.

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