TRANSFORMADORES

TRANSFORMADORES

Los transformadores son dispositivos diseñados para transferir energía eléctrica de un circuito a otro. Logran esta transferencia usando un campo magnetico que intersecta ambos circuitos. Además de llevar a cabo transferencias de energía, los transformadores tambien son capaces de entregar un distinto valor de corriente o de voltaje alterno en sus terminales de salida con respecto a los valores aplicados a sus terminales de entrada.

El transformador funciona empleando el fenómeno eléctrico de la inductancia mutua. Esta inductancia mutua es el efecto que se presenta cuando el campo magnetico de un elemento tambien influye en otros elementos cercanos. El resultado de ese acoplamiento magnetico es que se inducen corrientes y voltajes en los elementos cercanos

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Figura 11-14. Diagrama de un transformador

Si en el mismo núcleo esta tambien enrollada otra bobina (secundario), el campo magnetico tambien ligara la bobina secundaria. Si la corriente en el primario es continua (corriente directa), no afectará a la bobina secundaria porque el campo magnetico tambien será constante. En particular, no pasara corriente en la bobina secundaria.

El flujo de corriente que se induce en el secundario tambien tiene un voltaje asociado con él. La ley de Faraday establece que la magnitud del voltaje inducido por la variación de un flujo magnetico en una bobina de N vueltas está dada por

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donde a M se le llama la inductancia mutua que existe entre las bobinas.

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La relación de numero de vueltas en el primario al número de vueltas en el secundario es de importancia y se escribe

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En esta ecuación,  es el número de vueltas en el primario y es el número de vueltas en el secundario.[pic 5][pic 6]

En efecto, la relación del voltaje a través del primario ( ) al voltaje a traves del secundario () es igual a la relación de vueltas[pic 7][pic 8]

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Los transformadores tambien pueden conectar dos partes de un circuito sin establecer una conexión eléctrica.

Tipos de Transformadores

Los transformadores vienen en muchas formas y tamaños, dependiendo de la aplicación específica en la que se empleen. Sin embargo, la mayor parte de los transformadores comparten la propiedad de estar enrollados en un núcleo ferromagnético y de poseer un devanado primario y uno o más devanados secundarios.

Los dos tipos de transformadores que con mayor frecuencia están disponibles como productos estándar son: los transformadores de pulsos de alta frecuencia y los transformadores de potencia. Los transformadores de pulsos de alta frecuencia se emplean para acoplar señales de corriente alterna aislando al mismo tiempo los niveles de corriente directa de los circuitos primario y secundario.

Los transformadores de potencia se emplean para subir y bajar altos voltajes a las diferentes partes del equipo de comunicación o de los instrumentos de medición que utilizan alimento de potencia de 60 Hz.

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Los transformadores de potencia están blindados tambien para evitar que el campo magnetico que generan produzca señales de ruido de 60 Hz en los elementos cercanos.

Los autotransformadores son la excepción a la regla de que no hay conexión eléctrica entre los devanados primario y secundario de un transformador. La parte entre la derivación y el extremo inferior actúa como secundario. Si se necesita subir el voltaje, toda la bobina se emplea como secundario. Tambien se pueden conseguir autotransformadores variables especiales, conocidos como variac o powerstat para empleo donde se necesite regulación manual. La figura 11-16 es una fotografía de un variac desarmado.

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Figura 11-16 Variac desarmada. (Cortesía de general radio Corp.)

IMPEDANCIA

En corriente directa, la resistencia de un elemento lineal, de dos terminales, se define como la relación del voltaje a la corriente, que pasan a través de él, que por la ley de Ohm es . El equivalente en ca de la ley de Ohm en forma cartesiana es[pic 12]

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en donde a Z se le llama la impedancia del dispositivo y a X la reactancia. El reciproco de la impedancia se llama admitancia del elemento y

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en donde Y es la admitancia, G la conductancia y B la susceptancia del elemento. Se puede expresar la impedancia en forma polar y cartesiana y la relación entre ellas es

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en donde la magnitud de la impedancia,  es[pic 16]

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y el ángulo  de fase de la impedancia es[pic 18]

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Los componentes físicos reales no son ideales y en realidad poseen los tres parámetros de la impedancia (resistencia, inductancia y capacitancia). A cualquier frecuencia un elemento posee una impedancia compleja la cual, sin embargo, se puede simular mediante dos elementos de un circuito ideal, una resistencia equivalente y una inductancia equivalente o capacitancia equivalente. Si cada elemento representa un término de la expresión R + jX, se supone que están conectados en serie, ya que las impedancias de los elementos en serie son aditivas.

MEDICIONES DE CAPACITANCIA E INDUCTANCIA

Aunque se pueden medir la capacitancia e inductancia con métodos indirectos como p. ej. la medición de las constantes de tiempo RC y L/R, esos métodos generalmente tienen una falta de exactitud. En consecuencia, la mayor parte de las mediciones de la capacitancia e inductancia de los componentes (es decir, capacitores, o inductores) se efectúan usando circuitos de puente que pueden dar resultados muy exactos.

Los métodos para medir la capacitancia y la inductancia mediante el empleo de puentes tambien se basan en el principio de establecer una condici6n de cero en un circuito de puente. El valor desconocido se calcula a partir de los otros elementos del circuito en equilibrio.

Circuitos de Puente pare Medir Valores de Capacitancia

La condici6n de equilibrio en el puente Wheatstone, que se examinó en el capítulo 10, era

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siendo  el valor desconocido de la resistencia y R1, R2 y R3 eran los valores conocidos. Si se sustituyen las resistencias del puente de Wheatstone por impedancias de naturaleza resistiva y reactiva (figura 11-17), y se aplica un voltaje de corriente alterna entre los puntos A y B del circuito, la ecuación de equilibrio es, en general,[pic 21]

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Como cualquier impedancia Z se puede expresar como un número complejo

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entonces no es tan fácil deducir una Z desconocida a partir de la condición de equilibrio como lo es encontrar R en un puente puramente resistivo. En efecto, para lograr una condición de cero, es necesario especificar dos condiciones que se igualen: una para la parte resistiva de Z y una para la parte reactiva

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Generalmente emplear dos tipos de circuitos de puentes de capacitancia para medir los valores de la capacitancia y los factores de disipación de un capacitor. Si el factor de disipación de un capacitor es pequeño (0.001 < D <0.1), se emplea el puente de comparación de capacitancia en serie [figura 11-18 a)]. Si D es mayor (0.05 < D < 50), se emplea el puente de comparación de capacitancia en paralelo [figura 11-18 b)].

Para el puente de comparación de capacitancia en serie, las impedancias de la ecuación (11-22) son y . Sustituyendo esas impedancias en la ecuaci6n (11-22) y separando las partes imaginarias y reales, se tiene que cuando se establece el equilibrio se calculan RS y CS mediante las siguientes ecuaciones:[pic 25][pic 26]

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 es el valor de la capacitancia que se desea determinar.[pic 28]

Nótese que si se escogen a  como cantidades fijas, y a  como los elementos variables, se puede lograr una condicion nula variando  y a[pic 29][pic 30][pic 31]

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Figura 11-17 Circuito puente de impedancia de corriente alterna

La condición de equilibrio para el puente de comparación de capacitancia en paralelo es

          y           [pic 33][pic 34]

En este puente,  y  son fijos y  y  son variables. Tanto  como D se leen directamente en los ajustes del puente en el estado de equilibrio. [pic 35][pic 36][pic 37][pic 38][pic 39]

Para medir capacitores en circuitos donde el ángulo de fase es casi de 90°C; el puente de Schering da lecturas más exactas que los circuitos de comparación de capacitancia. Este puente se muestra en la figura 11-18 c).

Emplea una red RC en paralelo ( y ) para , una resistencia  para  y una capacitancia  para . Por lo tanto, para un elemento desconocido en el lugar de , las condiciones de equilibrio para el puente de Schering son[pic 40][pic 41][pic 42][pic 43][pic 44][pic 45][pic 46][pic 47]

      [pic 48]

                                                            y      

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Hay dos tipos de circuitos en puente que se emplean con mayor frecuencia para determinar la inductancia. El primero, el puente de Maxwell, se adecua mejor para medir inductancias que tienen Q baja (p. ej. 1 < Q < 10). El segundo es el puente de Hay, y mide a L con mayor exactitud cuando la Q de un inductor es alta (p. ej. 10 < Q < 1000).

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