transformador
es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un
cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión,
por medio de interacción electromagnética. Está constituido por dos o
más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente y
por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.
Funcionamiento
Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, circulará por éste una corriente alterna que creará a su vez un campo magnético variable no rotativo. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario.
Relación de Transformación
La relación de transformación nos indica el aumento ó decremento que
sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de
entrada, esto quiere decir, por cada volt de entrada cuántos volts hay
en la salida del transformador.
La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) .
La relación de transformación (m) de la tensión entre
el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de
vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el
triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.
Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario ó tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el devanado secundario ó tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario ó corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario ó corriente de salida.
Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores.
Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces
mayor que el del primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios
en el primario, se obtienen 23.000 voltios en el secundario (una
relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la
relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del
secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación.
Ahora bien, como la potencia eléctrica
aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser
igual a la obtenida en el secundario, el producto de la fuerza
electromotriz por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo
que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario
es de 10 amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).
Historia
Primeros pasos: los experimentos con bobinas de inducción
El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el
funcionamiento del transformador fue descubierto por Michael Faraday en
1831, se basa fundamentalmente en que cualquier variación de flujo
magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una corriente
inducida, y en que la corriente inducida sólo permanece mientras se
produce el cambio de flujo magnético.
La primera "bobina de inducción" para ver el uso de ancho fueron
inventadas por el Rev. Nicholas Callan College de Maynooth, Irlanda en
1836, uno de los primeros investigadores en darse cuenta de que cuantas
más espiras hay en el secundario, en relación con el bobinado primario,
más grande es el aumento de la FEM.
Los científicos e investigadores basaron sus esfuerzos en evolucionar
las bobinas de inducción para obtener mayores tensiones en las
baterías. En lugar de corriente alterna (CA), su acción se basó en un
vibrante "do&break" mecanismo que regularmente interrumpido el flujo
de la corriente directa (DC) de las pilas.
Entre la década de 1830 y la década de 1870, los esfuerzos para
construir mejores bobinas de inducción, en su mayoría por ensayo y
error, reveló lentamente los principios básicos de los transformadores.
Un diseño práctico y eficaz no apareció hasta la década de 1880, pero
dentro de un decenio, el transformador sería un papel decisivo en la
“Guerra de Corrientes”, y en que los sistemas de distribución de
corriente alterna triunfo sobre sus homólogos de corriente continua, una
posición dominante que mantienen desde entonces.
En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de
iluminación basado en un conjunto de bobinas de inducción en el que el
bobinado primario se conectaba a una fuente de corriente alterna y los
devanados secundarios podían conectarse a varias “velas eléctricas”
(lámparas de arco), de su propio diseño. Las bobinas utilizadas en el
sistema se comportaban como transformadores primitivos. La patente alegó
que el sistema podría, “proporcionar suministro por separado a varios
puntos de iluminación con diferentes intensidades luminosas procedentes
de una sola fuente de energía eléctrica”.
En 1878, los ingenieros de la empresa Ganz en Hungría asignaron parte
de sus recursos de ingeniería para la fabricación de aparatos de
iluminación eléctrica para Austria y Hungría.
En 1883, realizaron más de cincuenta instalaciones para dicho fin.
Ofrecián un sistema que constaba de dos lámparas incandescentes y de
arco, generadores y otros accesorios.
En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs expusieron por primera vez
un dispositivo con un núcleo de hierro llamado "generador secundario"
en Londres, luego vendió la idea de la compañía Westinghouse de Estados
Unidos.
También fue expuesto en Turín, Italia en 1884, donde fue adaptado para el sistema de alumbrado eléctrico.
El nacimiento del primer transformador
Entre 1884 y 1885, los ingenieros húngaros Zipernowsky, Bláthy y Deri
de la compañía Ganz crearon en Budapest el modelo “ZBD” de
transformador de corriente alterna, basado en un diseño de Gaulard y
Gibbs (Gaulard y Gibbs sólo diseñaron un modelo de núcleo abierto).
Descubrieron la fórmula matemática de los transformadores:
Donde: (Vs) es la tensión en el secundario y (Ns) es el número de espiras en el secundario, (Vp) y (Np) se corresponden al primario.
Su solicitud de patente hizo el primer uso de la palabra "transformador", una palabra que había sido acuñada por Bláthy Ottó.
En 1885, George Westinghouse compro las patentes del ZBD y las de
Gaulard y Gibbs. Él le encomendó a William Stanley la construcción de un
transformador de tipo ZBD para uso comercial.
Este diseño se utilizó por primera vez comercialmente en 1886.
Otra información de interés
El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de
distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores se puso
en operación en 1886 en Great Barington, Massachussets, en los Estados
Unidos de América. En ese mismo año, la electricidad se transmitió a
2.000 voltios en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en
una línea construida en Cerchi, Italia. A partir de esta pequeña
aplicación inicial, la industria eléctrica en el mundo, ha recorrido en
tal forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos,
formando parte importante en esta industria el transformador. El aparato
que aquí se describe es una aplicación, entre tantas, derivada de la
inicial bobina de Ruhmkorff o carrete de Ruhmkorff, que consistía en dos bobinas concéntricas. A una bobina, llamada primario, se le aplicaba una corriente continua proveniente de una batería, conmutada por medio de un ruptor
movido por el magnetismo generado en un núcleo de hierro central por la
propia energía de la batería. El campo magnético así creado variaba al
compás de las interrupciones, y en el otro bobinado, llamado secundario
y con muchas más espiras, se inducía una corriente de escaso valor pero
con una fuerza eléctrica capaz de saltar entre las puntas de un chispómetro conectado a sus extremos.
También da origen a las antiguas bobinas de ignición del automóvil Ford T, que poseía una por cada bujía, comandadas por un distribuidor que mandaba la corriente a través de cada una de las bobinas en la secuencia correcta.
Tipos de transformadores
Transformador elevador/reductor de tensión
Son empleados por empresas transportadoras eléctricas en las subestaciones de la red de transporte de energía eléctrica, con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule.
Debido a la resistencia de los conductores, conviene transportar la
energía eléctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad de
reducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de
utilización. La mayoría de los dispositivos electrónicos en hogares
hacen uso de transformadores reductores conectados a un circuito rectificador de onda completa para producir el nivel de continua que necesitan. Por ejemplo, cargadores de portátiles y moviles
Transformadores variables
También llamados "Variacs", toman una línea de tensión fija (en la
entrada) y proveen de tensión de salida variable ajustable, dentro de
dos valores.
Transformador de aislamiento
Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de
manera que consigue una alimentación o señal "flotante". Suele tener una
relación 1:1. Se utiliza principalmente como medida de protección, en
equipos que trabajan directamente con la tensión de red. También para
acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en resistencias
inesianas, en equipos de electromedicina y allí donde se necesitan tensiones flotantes entre si
