Introduccin: El transformador es un aparato que de una corriente
alterna de determinada tensin, permite obtener otra corriente
alterna de distinta tensin. En esencia consiste en un ncleo de
hierro en el que por una parte se hace un arrollamiento con el
alambre por el cual circula la corriente alterna cuya tensin se
quiere transformar (primario), y por otra se hace otro
arrollamiento, de donde se obtendr la corriente alterna a la tensin
deseada (secundario). El ncleo de hierro constituye un circuito
magntico, por el cual las variaciones de flujo se realizan con
facilidad. En los sistemas de transmisin de energa elctrica desde
la planta generadora hasta el consumidor, se desea la corriente
mnima prctica (por tanto la diferencia de potencial mxima prctica)
de tal modo que la disipacin i2R en la lnea de transmisin sea la
mnima posible, permitiendo as tambin reducir las secciones de los
conductores y en consecuencia su costo. Esto se logra elevando la
tensin mediante un transformador elevador. En muchos
electrodomsticos los transformadores juegan un papel importante,
reduciendo la tensin de la lnea a valores manejables por sus
componentes y aportando a la seguridad del usuario. Operando sobre
la base de la ley de induccin de Faraday, el transformador no tiene
un equivalente en corriente continua. Principio de funcionamiento:
En la figura se muestra dos bobinas devanadas alrededor de un ncleo
de hierro. El devanado primario de Np vueltas, est conectado a un
generador de corriente alterna cuya fem est dada por E=Em sen t. El
devanado secundario de Ns vueltas, es un circuito abierto en tanto
est abierto el interruptor S, lo cual se supone por el momento.
Entonces no existe corriente en el devanado secundario.
Despreciamos tambin los elementos de disipacin como la resistencia
de ambos devanados.
Segn las condiciones anteriores el devanado es una inductancia
pura. La corriente en el primario (corriente magnetizante, muy
pequea) imag(t), se atrasa respecto a la diferencia de potencial
del primario p(t) en 90. Sin embargo la pequea corriente alterna en
el primario induce un flujo magntico alternado (t) en el ncleo del
hierro, y suponemos que este flujo eslabona las vueltas de los
devanados del secundario. Objetivo del proyecto: Comprender el
principio del transformador Calcular y armar un transformador
reductor de 110 Vca a 14 Vca . Observar cmo la relacin de vueltas
entre las dos bobinas determina la relacin entre la tensin en cada
una. Instrumentos y materiales utilizados: En la construccin del
transformador de este ensayo se utilizaron los siguientes
materiales: Alambre esmaltado de 0,35mm para el primario (150
gr). Alambre esmaltado de 1mm para el secundario (180 gr). Ncleo
acorazado de laminacin 112. Cable 1,5mm, x3m. Estao para soldar.
Cinta aisladora.
Herramientas: Pinza pelacables, alicate, destornilladores.
Tijeras. Regla. Soldador de estao. Multmetro digital. Cmara
fotogrfica digital Calculadora cientfica
Realizacin del Proyecto: Generalidades: Generalmente un
transformador como el que vamos a realizar est compuesto por dos
arrollamientos montados sobre un ncleo de chapas aisladas de hierro
silicio, de aproximadamente 0,35mm de espesor, formando paquetes
ensamblados.
Las partes del ncleo rodeadas por las bobinas se llaman
columnas, y la unin entre ellas culatas o yugos. Suponiendo que las
bobinas sean de igual longitud lb y de una altura hb despreciable,
ambas estarn concatenadas al mismo flujo alterno que circula por el
ncleo y se desprecia el flujo de dispersin. Suponiendo adems que
carecen de resistencia las bobinas y que la permeabilidad del
hierro es infinita; tendremos entonces que las prdidas en el hierro
y en el cobre sern nulas, cumplindose por lo tanto la relacin ideal
de transformacin. Segn la ubicacin de las bobinas, los
transformadores se pueden clasificar en: 1. Bobinado en una sola
columna. 2. Bobinado en dos columnas: a. Con primario y secundario
separados en cada columna. b. Con primario y secundario repartidos
en ambas columnas. 3. Bobinado central sobre ncleo acorazado. Este
ltimo es el ms apto para pequeos transformadores por reducir
sensiblemente las prdidas. Clculo Clculo de la seccin del ncleo.
Potencia del Transformador: La potencia del transformador depende
de la carga conectada a la misma. Esta potencia esta dada por el
producto de la tensin secundaria y la corriente secundaria Es
decir: Potencia til = tensin secundaria x corriente secundaria
P=14*1=14 Determinacin de la seccin del ncleo: La seccin del ncleo
del transformador est determinada por la potencia til conectada a
la carga. Esta seccin se calcula mediante la siguiente frmula:
Seccin = 1,1 x P Donde: S: es la seccin del ncleo en cm. P: es la
potencia til en Watts. Seccin = 1,1 x14=4.11 Clculo del nmero de
espiras Para el determinacin del nmero de espiras se utiliza la
siguiente expresin: N = V / (f x S x B x 4,4 x 108 ) Para el
bobinado primario tenemos : N1 = V1 / (f x S x B x 4,4 x 108 )
N1=120/(60* 4,733197*10000*4,4E-8) N1= 960,3349 Y para el bobinado
secundario tenemos : N2 = V2 / (f x S x B x 4,4 x 108 ) N2=14/(60*
4,733197*10000*4,4E-8) N2=112,039
Donde: N1 : es el nmero de espiras del bobinado primario. Donde:
N2 : es el nmero de espiras del bobinado secundario. f : es la
frecuencia de la red domiciliaria en Hertz (Hz). V1 : es la tensin
en el bobinado primario en Voltios (V). V2 : es la tensin en el
bobinado secundario en Voltios (V). B : es la induccin magntica en
el ncleo elegido en Gauss. Este valor puede variar entre 4.000 y
12.000 Gauss. S: es la seccin del ncleo en cm. 108 : Es una
constante para que todas las variables estn en el Sistema M.K.S. La
induccin magntica en Gauss est dada por la siguiente expresin
Determinacin de las corrientes para cada bobinado: Teniendo en
cuenta la potencia del transformador y la tensin aplicada podemos
hallar la corriente elctrica. Potencia elctrica = Tensin aplicada x
Corriente elctrica Despejando la corriente elctrica de la expresin
anterior tenemos que: Corriente = Potencia / Tensin Suponiendo que
nuestro transformador posee nicamente dos bobinados. Para el
bobinado primario tenemos: I1 = P / V1 Donde: I1 : es la corriente
elctrica del bobinado primario. P : es la potencia elctrica del
transformador. V1 : es la tensin aplicada en el bobinado primario.
I1= 14/120 I1=0,11(A) Y para el bobinado secundario tenemos: I2 = P
/ V2 Donde: I2 : es la corriente elctrica del bobinado secundario.
P : es la potencia elctrica del transformador. V2 : es la tensin
aplicada en el bobinado secundario. I2=14/14 I2=1(A) Clculo del
dimetro del alambre La densidad de corriente se toma de acuerdo a
la potencia y al tipo de uso Potencia (V.A) Densidad de corriente
(A/mm2) Servicio continuo Servicio intermitente Hasta 50 V.A 4 4 50
a 100 V.A 3,5 4 100 a 200 V.A 3 3,5 200 a 500 V.A 2,5 3,5
Generalmente tomamos el peor caso d=2,5 A/mm2 Eleccin del
laminado Podemos usar tanto el tipo de ncleo F como el tipo E e I .
Ver figura: La seccin del ncleo esta dada por el producto de los
lados A x B ,ver figura:
S=AxB Donde: A: es uno de los lados en cm. B: es el otro lado en
cm. S= 2,175591* 2,175591= 4,733197cm2 Armado del transformador
Disponemos el carrete sobre un eje montado sobre un rodamiento cuyo
eje es sujeto por una morsa. Al eje se le aade una manivela de modo
de felicitar el bobinado. En uno de los huecos que posee el carrete
para tal efecto, se sujeta un extremo del alambre que ser uno de
los bornes del arrollamiento primario. Luego se comienza a bobinar
disponiendo las espiras yuxtapuestas cuidando de no dejar espacio
entre las mismas y arrollando en forma prolija.
Una vez finalizada la primera capa se dispone sobre la misma una
cinta aislante de Mylar, alternando a cada lado del carrete el
extremo en donde se une la cinta de forma que el espesor del
bobinado resultante sea uniforme a cada lado del carrete. Hecho
esto sobre la misma se contina bobinando. Se repite el
procedimiento como tantas capas tenga el primario hasta lograr el
nmero de espiras requeridas. Una vez alcanzado ese nmero se dispone
fuera del carrete el extremo que representar el segundo borne del
primario, y se cubre esa ltima capa nuevamente con una cinta
aislante de Mylar. Siguiendo el mismo procedimiento planteado se
realiza el bobinado del secundario, teniendo en cuenta que a mitad
del nmero de espiras total del secundario se dispone de un borne
adicional y luego se contina bobinando. De esta forma se logra una
salida de tensin de 12 Vca
Una vez finalizados los arrollamientos se asla el conjunto con
una nueva cinta de Mylar y se recubren los terminales con
espaguetis. Dicho esto se completa el bobinado en s del
transformador y se procede ahora a montar sobre el carrete el ncleo
laminado. El ncleo est constituido por varias lminas compuestas por
dos piezas de hierro al silicio, una en forma de E y otra en forma
de I las cuales se van introduciendo de manera alternada en el
carrete con el objetivo de lograr que el conjunto una vez prensado
sea ms estable.
Resultados obtenidos Por razones constructivas los valores con
que se realiz el transformador son ligeramente distintos a aquellos
con los que se proyect: Siendo N1= 960,3349, N2= 112,0391, V1=120
Vca, obtenemos V2 terico:
V2= 14 Bibliografia Fsica Universitaria Novena Edicin. Francis
W. Sears , Mark W. Zemansky , Hugo D. Young , Roger A. Freedman.
Fsica II - Introduccin a la Fsica, 2da edicin. Alberto P.
Maiztegui, Jorge A. Sabato.