La corriente alterna (CA) en la mayoría de los electrodomésticos de su hogar solo puede provenir de líneas eléctricas que envían corriente continua (CC) mediante el uso de un transformador. A través de todos los diferentes tipos de corriente que pueden fluir a través de un circuito, ayuda tener el poder para controlar estos fenómenos eléctricos. Para todos sus usos para cambiar el voltaje de los circuitos, los transformadores dependen en gran medida de su relación de espiras.
Cálculo de la relación de vueltas del transformador
Una relación de vueltas de transformadores la división del número de vueltas en el devanado primario por el número de vueltas en el devanado secundario por la ecuación
T_R = \ frac {N_P} {N_S}
Esta relación también debe ser igual al voltaje del devanado primario dividido por el voltaje del devanado secundario, dado porVpag/ Vs. El devanado primario se refiere al inductor alimentado, un elemento de circuito que induce un campo magnético. en respuesta al flujo de carga, del transformador, y el secundario es el no alimentado inductor.
Estas relaciones son válidas bajo el supuesto de que el ángulo de fase del devanado primario es igual a los ángulos de fase del secundario por elecuaciónΦPAG = ΦS.Este ángulo de fase primario y secundario describe cómo la corriente, que alterna entre avance y direcciones inversas en los devanados primario y secundario del transformador, están sincronizados con uno otro.
Para las fuentes de voltaje de CA, como se usa con los transformadores, la forma de onda entrante es sinusoidal, la forma que produce una onda sinusoidal. La relación de vueltas del transformador le dice cuánto cambia el voltaje a través del transformador a medida que la corriente pasa de los devanados primarios a los secundarios.
Además, tenga en cuenta que la palabra "proporción" en esta fórmula se refiere a unfracción,no es una proporción real. La fracción de 1/4 es diferente de la proporción 1: 4. Mientras que 1/4 es una parte de un todo dividido en cuatro partes iguales, la proporción 1: 4 representa que, para una de algo, hay cuatro de otra cosa. La "relación" en la relación de vueltas del transformador es una fracción, no una relación, en la fórmula de la relación del transformador.
La relación de vueltas del transformador revela que la diferencia fraccional que toma el voltaje en función del número de bobinas enrolladas alrededor de las partes primaria y secundaria del transformador. Un transformador con cinco bobinas devanadas primarias y 10 bobinas devanadas secundarias cortará una fuente de voltaje a la mitad según lo indicado por 5/10 o 1/2.
Si el voltaje aumenta o disminuye como resultado de estas bobinas, se determina si se trata de un transformador elevador o un transformador reductor mediante la fórmula de relación del transformador. Un transformador que no aumenta ni disminuye el voltaje es un "transformador de impedancia" que puede medir la impedancia, la oposición de un circuito a la corriente, o simplemente indicar interrupciones entre diferentes circuitos.
La construcción de un transformador
Los componentes centrales de un transformador son las dos bobinas, primaria y secundaria, que envuelven un núcleo de hierro. El núcleo ferromagnético, o un núcleo hecho de un imán permanente, de un transformador también utiliza láminas delgadas aisladas eléctricamente de modo que que estas superficies pueden disminuir la resistencia de la corriente que pasa de las bobinas primarias a las bobinas secundarias del transformador.
La construcción de un transformador generalmente se diseñará para perder la menor cantidad de energía posible. Debido a que no todo el flujo magnético de las bobinas primarias pasa a las secundarias, habrá alguna pérdida en la práctica. Los transformadores también perderán energía debido acorrientes de Foucault, corriente eléctrica localizada causada por cambios en el campo magnético en circuitos eléctricos.
Los transformadores reciben su nombre porque usan esta configuración de un núcleo magnetizante con devanados en dos partes separadas para transformar la energía eléctrica en energía magnética a través de la magnetización del núcleo de la corriente a través del primario bobinados.
Luego, el núcleo magnético induce una corriente en los devanados secundarios, que convierte la energía magnética nuevamente en energía eléctrica. Esto significa que los transformadores siempre operan con una fuente de voltaje de CA entrante, una que cambia entre las direcciones de corriente hacia adelante y hacia atrás a intervalos regulares.
Tipos de efectos de transformadores
Aparte de la fórmula de voltaje o número de bobinas, puede estudiar transformadores para aprender más sobre la naturaleza de los diferentes tipos de bobinas. voltajes, inducción electromagnética, campos magnéticos, flujo magnético y otras propiedades que resultan de la construcción de un transformador.
En contraste con una fuente de voltaje que envía corriente en una dirección, unFuente de voltaje CAenviado a través de la bobina primaria creará su propio campo magnético. Este fenómeno se conoce como inductancia mutua.
La intensidad del campo magnético aumentaría a su valor máximo, que es igual a la diferencia en el flujo magnético dividida por un período de tiempo,dΦ / dt. Tenga en cuenta, en este caso,Φse utiliza para indicar flujo magnético, no ángulo de fase. Estas líneas de campo magnético se dibujan hacia afuera desde el electroimán. Los ingenieros que construyen transformadores también tienen en cuenta el enlace de flujo, que es el producto del flujo magnético.Φy el número de bobinas en el alambrenortecausado por el campo magnético que pasa de una bobina a la otra.
La ecuación general para el flujo magnético es
\ Phi = BA \ cos {\ theta}
para una superficie por la que pasa el campoAEn m2, campo magnéticoBen Teslas yθcomo el ángulo entre un vector perpendicular al área y el campo magnético. Para el caso simple de bobinas envueltas alrededor de un imán, el flujo viene dado por
\ Phi = NBA
para número de bobinasnorte, campo magnéticoBy sobre un área determinadaAde una superficie paralela al imán. Sin embargo, para un transformador, el enlace de flujo hace que el flujo magnético en el devanado primario sea igual al del devanado secundario.
De acuerdo aLey de Faraday,puede calcular la tensión inducida en los devanados primario o secundario del transformador calculandoN x dΦ / dt. Esto también explica por qué la relación de vueltas del transformador del voltaje de una parte del transformador a la otra es igual al número de bobinas de una a la otra.
Si tuvieras que comparar elN x dΦ / dtde una parte a la otra, eldΦ / dtse cancelaría debido a que ambas partes tienen el mismo flujo magnético. Finalmente, puede calcular los amperios-vueltas de un transformador como el producto de la corriente por el número de bobinas como método para medir la fuerza de magnetización de la bobina.
Transformadores en la práctica
Las redes de distribución de energía envían electricidad desde las centrales eléctricas a los edificios y casas. Estas líneas eléctricas comienzan en la planta de energía donde un generador eléctrico crea energía eléctrica a partir de alguna fuente. Podría ser una presa hidroeléctrica que aprovecha el poder del agua o una turbina de gas que utiliza la combustión para crear energía mecánica a partir del gas natural y la convierte en electricidad. Esta electricidad, lamentablemente, se produce comoVoltaje DCque debe convertirse a voltaje CA para la mayoría de los electrodomésticos.
Los transformadores hacen que esta electricidad sea utilizable mediante la creación de fuentes de alimentación de CC monofásicas para hogares y edificios a partir del voltaje de CA oscilante entrante. Los transformadores a lo largo de las redes de distribución de energía también garantizan que el voltaje sea una cantidad adecuada para los sistemas eléctricos y electrónicos de la casa. Las redes de distribución también utilizan "buses" que separan la distribución en múltiples direcciones junto con los disyuntores para mantener distribuciones separadas distintas entre sí.
Los ingenieros a menudo dan cuenta de la eficiencia de los transformadores utilizando la ecuación simple para la eficiencia como
\ eta = \ frac {P_O} {P_I}
Fo potencia de salidaPAGOy potencia de entradaPAGI. Basado en la construcción de diseños de transformadores, estos sistemas no pierden energía por fricción o resistencia del aire porque los transformadores no involucran partes móviles.
La corriente de magnetización, la cantidad de corriente necesaria para magnetizar el núcleo del transformador, es generalmente muy pequeña en comparación con la corriente que induce la parte primaria de un transformador. Estos factores significan que los transformadores suelen ser muy eficientes con eficiencias del 95 por ciento o más para la mayoría de los diseños modernos.
Si tuviera que aplicar una fuente de voltaje de CA al devanado primario de un transformador, el flujo magnético que se induce en el núcleo magnético continuará induciendo un voltaje de CA en el devanado secundario en la misma fase que la fuente Voltaje. Sin embargo, el flujo magnético en el núcleo permanece 90 ° por detrás del ángulo de fase del voltaje de la fuente. Esto significa que la corriente del devanado primario, la corriente de magnetización, también se retrasa con respecto a la fuente de voltaje de CA.
Ecuación del transformador en inductancia mutua
Además del campo, flujo y voltaje, los transformadores ilustran los fenómenos electromagnéticos de mutuo inductancia que da más potencia a los devanados primarios de un transformador cuando se conecta a un suministro.
Esto sucede como la reacción del devanado primario a un aumento de carga, algo que consume energía, en los devanados secundarios. Si agregó una carga a los devanados secundarios a través de un método como aumentar la resistencia de sus cables, Los devanados primarios responderían extrayendo más corriente de la fuente de energía para compensar esto. disminución.Inductancia mutuaes la carga que coloca en el secundario que puede usar para calcular el aumento de corriente a través de los devanados primarios.
Si tuviera que escribir una ecuación de voltaje separada para los devanados primario y secundario, podría describir este fenómeno de inductancia mutua. Para el devanado primario,
V_P = I_PR_1 + L_1 \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} -M \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
para corriente a través del devanado primarioIPAG, resistencia a la carga del devanado primarioR1, inductancia mutuaMETRO, inductancia del devanado primarioLI, devanado secundarioISy cambio en el tiempoΔt. El signo negativo frente a la inductancia mutua.METROmuestra que la fuente de corriente experimenta inmediatamente una caída de voltaje debido a la carga en el devanado secundario, pero, en respuesta, el devanado primario aumenta su voltaje.
Esta ecuación sigue las reglas de escritura de ecuaciones que describen cómo la corriente y el voltaje difieren entre los elementos del circuito. Para un circuito eléctrico cerrado, puede escribir la suma del voltaje en cada componente como igual a cero para mostrar cómo cae el voltaje en cada elemento del circuito.
Para los devanados primarios, escribe esta ecuación para tener en cuenta el voltaje a través de los devanados primarios (IPAGR1), el voltaje debido a la corriente inducida del campo magnéticoL1ΔIPAG/Δty el voltaje debido al efecto de la inductancia mutua de los devanados secundariosM ΔIS/Δt.
De manera similar, puede escribir una ecuación que describa las caídas de voltaje en los devanados secundarios como
M \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} = I_SR_2 + L_2 \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
Esta ecuación incluye la corriente del devanado secundarioIS, inductancia del devanado secundarioL2y la resistencia de carga del devanado secundarioR2. La resistencia y la inductancia están etiquetadas con subíndices 1 o 2 en lugar de P o S, respectivamente, ya que las resistencias y los inductores a menudo se numeran, no se indican con letras. Finalmente, puede calcular la inductancia mutua de los inductores directamente como
M = \ sqrt {L_1L_2}