Transformador

Esquema de un transformador

Fig. 1: La línea de puntos verdes alrededor del núcleo de hierro muestra cómo se transporta el campo magnético alterno desde la bobina primaria a la secundaria. Wikimedia, CC-BY-SA 3.0

Hay tres partes principales que componen todos los transformadores:

• La bobina primaria: está conectada al primer circuito de corriente alterna (CA) y la tensión a través de ella es igual a la tensión de entrada del circuito. Esta tensión se denomina \(V_p\), y el subíndice se refiere al "primario".
• La bobina secundaria: está conectada al segundo circuito de CA y proporciona la tensión al segundo circuito. Esta tensión se denomina \( V_s\), con el subíndice referido al 'secundario'.
• El núcleo de hierro - une las dos bobinas, que están enrolladas en lados opuestos. No hay conexión eléctrica entre las dos bobinas, sólo están unidas por el núcleo de hierro.

¿Cómo funciona un transformador?

Por el circuito debe circular corriente alterna. La razón de esto puede entenderse considerando cómo funciona un transformador por pasos:

1. Por la bobina primaria circula la corriente alterna del circuito original. La bobina es metálica, por lo que se convierte en un electroimán y produce un campo magnético alterno. Un campo magnético alterno cambia constantemente de dirección.
2. El campo magnético cambiante es transportado alrededor del núcleo de hierro hasta la bobina secundaria, como puede verse en la figura anterior.
3. Cuando el campo magnético alterno llega a la bobina secundaria, se induce una corriente en ella, ya que la bobina actúa como un conductor.

Los puntos anteriores muestran por qué no se puede utilizar corriente continua en el primer circuito. Producirá un campo magnético que no es alterno. Como el campo magnético no cambia, no se induce corriente y, por tanto, tampoco tensión en la bobina secundaria.

Las líneas verdes discontinuas del diagrama anterior representan las líneas de campo magnético que atraviesan el núcleo de hierro.

La energía de la bobina primaria se transfiere a la secundaria mediante el campo magnético, no hay conexiones eléctricas. Esto significa que el campo magnético debe poder transferirse con gran eficacia a través del núcleo.

Para ello, debe utilizarse un material magnéticamente "blando", como una aleación de hierro con silicio. Sin embargo, parte de la energía inicial siempre se pierde en situaciones reales debido a la resistencia de los hilos y a que el núcleo de hierro se resiste al cambio del campo magnético.

Fórmula del transformador

La tensión que sale de la bobina secundaria hacia el circuito exterior está relacionada con la relación del número de espiras de las bobinas del transformador. Utilizando los símbolos de la tensión entrante y saliente, como se indica en el diagrama anterior, una fórmula sencilla relaciona el número de espiras de las dos bobinas con la tensión de salida:

$\frac{V_p}{V_s}=\frac{N_p}{N_S}$$$\frac{N_p}{N_s}=\frac{V_p}{V_s}$$

\(N_p\) representa el número de espiras de la bobina primaria y \ (N_s\) lo mismo para la bobina secundaria. La ecuación es muy sencilla y sólo dice que la relación entre el número de espiras de la bobina secundaria y el número de espiras de la bobina primaria es igual a la relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada.

Tipos de transformador

Hay dos tipos de transformadores: los transformadores elevadores y los transformadores reductores. Los nombres te dan una pista de lo que hacen: los transformadores elevadores aumentan la tensión de un circuito alterno al siguiente, mientras que los transformadores reductores la disminuyen.

Fig. 2: Un transformador elevador dentro de un microondas, Wikimedia CC SA 4.0.

Para que un transformador aumente la tensión del primer circuito al siguiente, el número de espiras de la bobina secundaria debe ser mayor que el de la bobina primaria. A la inversa, para disminuir (reducir) la tensión de un circuito al siguiente, el número de espiras de la bobina secundaria debe ser menor que el de la bobina primaria.

Ejemplos de transformadores

Los transformadores tienen muchas aplicaciones útiles. Tanto los transformadores elevadores como los reductores se utilizan en distintas situaciones.

La red nacional

La energía eléctrica se suministra en todo el Reino Unido desde centrales eléctricas que envían la electricidad por cables de alta tensión.

La razón por la que se utilizan altas tensiones para transmitir la energía eléctrica es que se consigue transmitir la misma cantidad de energía con un flujo de corriente menor a través de los cables, lo que significa que la energía perdida en forma de calor será menor. La energía se pierde porque la resistencia de los cables lucha contra la corriente, y éstos se calientan, lo que provoca una pérdida de energía térmica hacia el entorno.

Diagrama que muestra los transformadores elevadores y reductores utilizados en el sistema de transmisión de energía en Norteamérica. El sistema del Reino Unido es muy similar, aunque funciona a tensiones ligeramente diferentes.

Las altas tensiones son muy peligrosas y por eso los cables que transportan la energía eléctrica están a gran altura sobre el suelo en torres de alta tensión, como se muestra en el diagrama anterior.

Las centrales eléctricas suelen generar electricidad a \ (25\, \mathrm{kV}\). Los transformadores la elevan a una tensión de hasta 400 kV para transmitirla por los postes, y esta tensión se reduce a unos 240 V una vez que los cables de alta tensión llegan a nuestra subestación local.

Electrodomésticos

Las radios y otros aparatos electrónicos suelen funcionar con la tensión de la red eléctrica. Sin embargo, ¡su tensión de funcionamiento suele ser bastante inferior a \ (240\, \mathrm{V}\)! Hay transformadores reductores integrados en los aparatos para reducir la tensión a un nivel adecuado. Por otra parte, la tensión de funcionamiento de los hornos microondas es superior a la tensión de red de un hogar, por lo que también llevan un transformador elevador en su interior para aumentar la tensión.