Construya su Propio Transformador

Por Harold P. Strand PARTE I - EL DISEÑOEL DISEÑAR y construir pequeños transformadores monofásicos, como los empleados por experimentadores en electricidad y radio-técnicos, constituye una ocupación interesante e instructiva. Aun cuando es posible comprar transformadores de voltajes corrientes, con frecuencia se requieren voltajes especiales para tareas experimentales o aparatos nuevos. Es mucho más económico el construir uno mismo tal transformador que encargar su construcción a terceros.Un transformador elemental consiste de un núcleo de hierro laminado sobre el cual se envuelve una bobina de alambre aislado. Esta bobina puede ser de devanado simple, con empalmes, como un transformador de automóvil, o compuesto de dos bobinas separadas, como en las Figs. 1 y 5. Este último tipo de devanado, siendo el más común, será discutido en este artículo.Como se indica en la Fig. 5, una de estas bobinas lleva el nombre de "bobina primaria," ,o "primario" simplemente, y está conectada a la entrada de corriente. La segunda bobina, desde la cual se toma la energía, se llama "bobina secundaria," o "secundario," y tendrá mayor o menor número de vueltas que el primario, según el caso. El núcleo se compone de placas o láminas de acero de silicio, pues la inversión constante del flujo de la corriente alterna produce contra-corrientes en un núcleo de hierro macizo. Por lo tanto, si se empleara un núcleo de hierro macizo, se produciría un recalentamiento en el transformador. El laminado tiende a quebrar dichas contracorrientes.Para resumir, la teoría del funcionamiento de un transformador es la siguiente: El voltaje de la línea envía una corriente por el primario, produciéndose de ese modo

el campo magnético (líneas de fuerzas invisibles) dentro del núcleo de hierro. Como dicho núcleo también rodea al secundario, el campo magnético, que aumenta y disminuye ala par de la corriente alterna, atraviesa las espiras del secundario y, por las leyes de inducción magnética, induce un voltaje en este devanado. Si se cierra el circuito del secundario mediante el agregado de una carga, fluirá una corriente en el mismo. El voltaje inducido en el secundario es directamente proporcional al número de vueltas de éste, en comparación con el número de vueltas del primario, a excepción de una ligera pérdida que se explicará más adelante. Por ejemplo, con 100 vueltas en la, bobina primaria y 200 en la secundaria, al aplicarse 100 voltios al primario, se inducirán 200 voltios en el secundario. El transformador también se regula por sí mismo, es decir" automáticamente. Cuando se aplica el voltaje de línea al primario, una fuerza electro-motora contrarrestante, o voltaje, es inducida en ese devanado. Este voltaje es prácticamente igual al voltaje de las líneas sin carga alguna. Estando el secundario abierto, este voltaje contrario impide que fluya corriente en el primario, a excepción de una cantidad muy pequeña. Por consiguiente, un transformador sin carga no toma casi corriente alguna de la línea. La pequeña corriente que toma se denomina "corriente excitadora" y sirve para producir el campo magnético en el núcleo del transformador.

Cuando se conecta una carga al secundario, la corriente inducida en él debe, de acuerdo con la ley de Lenz, fluir en dirección tal que se oponga al campo magnético del núcleo. Esta oposición tiende a reducir la intensidad del campo magnético, lo cual, a su vez; reduce la contracorriente electro-motora. Como esta última se opone al flujo de la corriente en el primario, resulta evidente que, al reducirse, se permitirá que más corriente fluya por el primario, para satisfacer los requisitos de un aumento de carga en el secundario. De este modo, el

transformador actúa de un modo similar a una válvula reguladora automática. El primer paso que se debe tener en cuenta al diseñar un transformador, son las dimensiones del núcleo y su relación con una magnitud de voltamperios o "capacidad nominal." Para beneficio del diseñador aficionado, la tabla No. 4 puede ser usada como guía general. Esto no quiere decir que se deba seguir siempre exactamente; ya que, si se emplea menor cantidad de hierro en el núcleo, deberá compensarse esta situación con un mayor número de vueltas en el primario. Puede verse en la fórmula, Fig. 6, que la relación entre la superficie del núcleo y el número de vueltas es mantenida de modo que se asegure una densidad magnética prudente en el núcleo. Sin embargo, no es buena práctica el usar una cantidad excesiva de hierro o cobre, si han de considerarse las fugas y la eficiencia del transformador. Aun cuando se pueden construir núcleos para transformadores con tiras rectas de acero de silicio, las láminas corrientes de tipo E- Fig. 3, que pueden obtenerse de un transformador en desuso, resultan más convenientes. Lo que más se debe tener en cuenta, al diseñar un transformador, es el espesor que se obtiene al sobreponer las placas laminadas, medido como en la Fig. 2, la anchura de la sección central, "A," en la Fig. 3, y el área de las aberturas.El problema que generalmente confrontan los aficionados es determinar el número de vueltas y el espesor del alambre necesario para producir un determinado voltaje con un núcleo disponible determinado. Supóngase, por ejemplo, que la anchura de la sección central de las placas disponibles mida 1 1/4", una de las aberturas mida 5/8" x 1 7/8" y que

hay suficientes placas para sobreponerlas hasta formar un espesor de 1 3/4". El área del núcleo es la anchura de la sección central (1.25") multiplicada por el espesor de la pila de placas (1.75") A y E, Figs. 3 y 5,

Si usamos el transformador con una línea de 115 voltios y fuese preciso obtener 230 voltios a 0.5 amperios en las salidas del secundario, debemos multiplicar 230 x 0.5, obteniendo entonces 115 voltamperios, lo cual se encuentra lo suficientemente adentro de la clasificación de 125 voltamperios para el núcleo.Para hallar el número exacto de vueltas en el devanado "primario" deberá usarse la fórmula de la Fig. 6. Colocando los valores correspondientes, dicha fórmula presentaría la siguiente forma:

En esta fórmula, 10^8 toma el lugar de 100,000,000115 es el voltaje primario4.44 es un factor60 es la frecuencia2.19 es el área del núcleo65 000 son las líneas de fuerza por pulgada cuadrada del campo magnético.

En el resultado, 303 vueltas pueden redondearse a 300. El próximo paso es dividir 300 por el voltaje de línea (115) para 9btener el número de vueltas por voltio. Esto será de 2.61 aproximadamente. Las vueltas necesarias en el secundario, para cualquier voltaje de salida, se calcularan multiplicando 2.61 por el voltaje deseado. En este caso, se quieren

obtener 230 voltios, de manera que: 230 x 2.61=600 vueltas. Las fugas que se producen en el acero o cobre, que deben tenerse en cuenta, pueden compensarse con un aumento de un 4% en el número de vueltas. También debe considerarse la "regulación," es decir, la condición que afecta al voltaje de salida, desde la falta de carga hasta la carga total. Generalmente, un aumento del 2% en el número de vueltas compensara esta condición. De manera que, al aumentar las 600 vueltas calculadas en un 6%, o sea un total de 636 vueltas, se obtendrán los 230 voltios íntegros con una carga de 0.5 amperios.La tabla de la Fig. 7, muestra la superficie seccional de los alambres de cobre. Si se mueve el punto decimal en la columna de milésimos (mils) circulares tres espacios hacia la izquierda, es posible determinar rápidamente la capacidad de amperaje de cada tamaño. El "secundario" manejara 0.5 amperios y, en base a la tabla, el alambre No.23, de 509 milésimos circulares, es el tamaño más cercano. Para

determinar la corriente.. en el primario, divida la clasificación de voltamperios (capacidad nominal) (1l5y por el voltaje "primario" (115), resultando esto en un amperio. Como los transformadores nunca funcionan con una eficacia del cien por

PARA UNA SOLDADORA ELECTRICA POR ARCO, NECESITAS DE 42V A 55V.

SECCIÓN DEL NÚCLEO DE SILICIO 35CM CUADRADOS. PRIMARIO 200 ESPIRAS DE ALAMBRE DE COBRE DE 1.8MM DE DIÁMETRO EL SECUNDARIO 42 ESPIRAS DE ALAMBRE DE 4MM DE DIÁMETRO. ESTA ES UNA SOLDADORA DE 200AMP.

LA SOLDADORA ELECTRICA NO ES MAS NI MENOS QUE UN TRASFORMADOR.SI TIENES COMO CALCULAR UN TRANSFORMADOR TE SIRVE PERFECTAMENTE, NO TENES NINGUNA CONSIDERACION ESPECIAL.SI BOBINAS DE ACUERDO A LOS DATOS QUE MENCIONÉ EXITO ASEGURADO.

PARA UNA MÁQUINA DE SOLDAR, NO ES VÁLIDO BOBINAR COMO UN TRANSFORMADOR CONVENCIONAL, LO QUE HAY QUE LOGAR ES UN TRANSFORMADOR DE MALA REGULACIÓN, POR QUE?, PORQUE LA SOLDADURA POR ARCO CON ELECTRODOS PRODUCE UN CORTOCIRCUITO FRANCO Y SI BIEN EL TRANSFORMADOR TIENE UNA CAPACIDAD X DE CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO, ESTA ES MUY ELEVADA Y NO HABRÍA DIODO QUE LO SOPORTE (AL MENOS DE UN COSTO RAZONABLE PARA UNA SOLDADORA). YO RECOMIENDO REALIZAR SEPARADAMENTE PRIMARIO DE SECUNDARIO Y CON ESTO SE LOGRA EN PRINCIPIO UN TRANSFORMADOR CON UNA REGULACIÓN MALA POR LO QUE LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO SE VERÁ

REDUCIDA, SI ESTA DISMINUCIÓN RESULTA TODAVÍA UNA CORRIENTE ELEVADA, SE PUEDE EMPEORAR AÚN MÁS LA REGULACIÓN ALEJANDO UNA BOBINA DE LA OTRA (DEJANDO PREVIAMENTE LUGAR PARA ELLO). TÉCNICAMENTE HABLANDO, CON ESTE PROCEDIMIENTO LO QUE SE HACE ES AUMENTAR LA REACTANCIA DE DISPERSIÓN, SE PUEDE CALCULAR LA MISMA PERO ES UN PROCEDIMIENTO ENGORROSO. PROBABLEMENTE TENGAS QUE UTILIZAR EL MÉTODO DE PRUEBA Y ERROR BASÁNDOTE EN ESTA INFORMACIÓN. ESPERO HABERTE SIDO ÚTIL.

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CÁLCULO Y DISEÑO DE TRANSFORMADORES DE PODER, PARA POTENCIAS DE HASTA 1000W. DIRIGIDO A PERSONAS CON

CONOCIMIENTOS BÁSICOS DE ELECTRÓNICA QUE DESEAN DISEÑAR O CONSTRUIR LOS TRANSFORMADORES DE

ALIMENTACIÓN PARA RED ELÉCTRICA DE 50 O 60 HZ PARA SUS PROYECTOS ELECTRÓNICOS.

(No aplica para transformadores de fuentes conmutadas)

 

RESUMEN DE CONCEPTOS

Para sentar las bases de este tutorial es importante conocer los términos que usaremos, los cuales mostramos a continuación y no son de difícil comprensión.

Relación de transformación:Es la relación (o resultado de dividir) entre el número de espiras del primario y del secundario, la cual es igual a la relación entre la tensión del primario y del secundario sin carga.

Relación entre corrientes:Es inversa a la relación de transformación. Es decir que a mayor corriente menos vueltas o espiras. Mientras que en la relación de transformación a mayor tensión (voltaje) más espiras o vueltas.  

Rendimiento:Nos dice cuanta potencia se aplica al transformador y cuanta entrega este a la carga. La diferencia se pierde en los devanados en forma de calor por efecto JOULE, debido a que estos no tienen una resistencia nula, y también en el núcleo debido a histéresis y corrientes de Foucault. El transformador ideal rendirá un 100 % pero en la práctica no existe.

Núcleo:Son las chapas de material ferro-magnético, hierro al que se añade una pequeña porción de silicio. Se recubre de barniz aislante que evita la circulación de corrientes de Foucault. De su calidad depende que aumente el rendimiento del transformador hasta un valor cercano al 100 %.

Potencia= V x I

N1/N2 = V1/V2  léase: número de vueltas del primario sobre el número de vueltas del secundario es igual a la relación entre el voltaje del primario sobre el voltaje del secundario.

Fórmulas: Son muchas las fórmulas que entran en juego pero la mayoría tienen que ver con elementos que afectan muy poco el rendimiento. Sin embargo hay dos sumamente importantes que no podemos ignorar y son las siguientes:  

Fórmulas

Area = A

Léase: área es igual a la constante * multiplicada por la raíz cuadrada de la potencia del transformador

donde * = 0.8 si el núcleo es fino y 1.2 si el núcleo es de inferior calidad. Tomamos normalmente 1

El resultado se obtiene en cm2 y es el área rectangular del núcleo marcada en azul de la figura. 

Relación de vueltas (espiras) por voltio =  A x 0.02112

El voltaje deseado para cada caso se dividirá por el resultado de este número. El resultado es el número de vueltas o espiras para ese voltaje en particular.

Ejemplo real:Para construir o bobinar un transformador de 200 Watt para un Voltaje primario de 115V y un secundario 50V

Comenzamos por el área del núcleo del Transformador:Ver la formula arriba en fondo gris. Para una potencia de 200W, obtenemos un área de 14.14 cm2

Luego calculamos la relación de vueltas por voltio:

  A x 0.02112

 14.14 x 0.02112 = 0.29  Relación de vueltas = 0.29

Entonces: 115V / 0.29  = 396 vueltas en el primario 50V / 0.29 = 172 vueltas en el secundario

Ahora sabiendo la potencia (200W) podemos calcular la corriente máxima presente en ambos devanados para esa potencia, partiendo de la formula I = W / V

 I = 200 / 115 = 1.73A  corriente en el primario 1.73 amperios. I = 200 / 50 = 4A  corriente máxima en el secundario 4 amperios.

Si utilizamos una tabla de equivalencias en AWG como la que mostramos a continuación, sabremos el calibre del alambre a utilizar para los respectivos bobinados (o embobinados).

De acuerdo a la tabla, para el primario necesitamos alambre calibre AWG 19 o 20 y para el secundario alambre calibre 15 o 16.

AWG Diam. mm Amperaje

 

AWG Diam. mm Amperaje

1 7.35 120 16 1.29 3,7

2 6.54 96 17 1.15 3,2

3 5.86 78 18 1.024 2,5

4 5.19 60 19 0.912 2,0

5 4.62 48 20 0.812 1,6

6 4.11 38 21 0.723 1,2

7 3.67 30 22 0.644 0,92

8 3.26 24 23 0.573 0,73

9 2.91 19 24 0.511 0,58

10 2.59 15 25 0.455 0,46

11 2.30 12 26 0.405 0,37

12 2.05 9,5 27 0.361 0,29

13 1.83 7,5 28 0.321 0,23

14 1.63 6,0 29 0.286 0,18

15 1.45 4,8 30 0.255 0,15

En el trabajo de electrónica, tanto de reparación como experimental, tendremos la necesidad de diseñar y construir un transformador que reuna caracteristicas para casos especiales. Sin duda, lo más fácil y práctico es comprar un transformador nuevo, para reponer el que se haya quemado, pero en algunos casos, no es posible encontrar uno idéntico, por lo que tenemos que recurrir al diseño y construcción del mismo, basándonos en las especificaciones que se requieran..

para facilitarnos el trabajo de diseño, haremos uso de cartas gráficas y tablas que nos permitan encontrar los valores que necesitamos sin tener que recurrir a cálculos matemáticos que nos compliquen. Empezaremos por los núcleos.

TIPOS DE NUCLEOSEl núcleo de

Diseño DEL TRANSFORMADOR: nuestro primer paso en el diseño es considerar el circuito en el cual va a usarse y saber con certeza el número de vatios, o sea la potencia. Para esto usaremos la fórmula siguiente:W= V x A (VATIOS = VOLTIOS x AMPERIOS)Ahora diseñemos uno:SECUNDARIO: 5 voltios y 2 amperios, ejecutemos la fórmula: 2 x 5 = 10 vatios. Si fuera, por ejemplo: 6.3 voltios: 6.3 x 2 = 12.6 vatios(para facilitarnos el diseño, tomemos una cifra redonda: 13 vatios.

DISEÑO DEL NUCLEO:El tamaño del núcleo que debemos emplear, lo encontraremos por medio de la carta gráfica, que nos da el tamaño del lado del cuadrado de corte transversal, o sea en "L", sin embargo hay que tomar en cuenta el uso que dicho transformador va a tener. Para uso continuo debe tomarse el número total de vatios, de lo contrario o si se quiere reducir el costo y tamaño, puede tomarse una potencia un poco menor(aunque no es aconsejable), por ejemplo:De 10 a 1000 vatios, multipliquemos la potencia por .7

De 1000 vatios en adelante, por .8Para nuestro caso las dimensiones serían de 1.1 pulgadas aproximadamente.

NUMERO DE VUELTAS POR VOLTIO:

Ahora pasemos a obtener el número de vueltas por voltio, en relacion a la dimesión "L", que en este caso es de 1.1 pulgadas, lo podemos encontrar con la fórmula siguiente: Vueltas por voltio = 6.47 dividido entre el área transversal del núcleo, que es igual a: 1.1 x 1.1 = 1.21, y seguimos: 6.47

dividido entre 1.21 igual 5.3 vueltas por voltio, como en este caso no sabemos como debemos devanar .3 redondeamos a 6.0.

Ahora procedamos a encontrar el número de vueltas para el secundario, que sería: 5 voltios x 6 igual: 30 vueltas.

Para el primario que es de 110, necesitamos: 110 x 6 igual: 660 vueltas.Además de lo antes dicho, debemos decir que al calcular el número de vueltas de nuestro secundario debemos agragar un 5% para contrarrestar las pérdidas por la transferencia de energía del primario al secundario, en este caso será: 5 x 6 +(5 x .05) 0 30 + .25 0 30.25 vueltas, pero para evitarnos problemas dejemos 30 vueltas.

CALIBRE DEL ALAMBRE:

Nuestro siguiente paso es el de determinar el calibre del alambre que debemos usar para cada uno de los devanados, el cual depende de la intensidad de la corriente que fluirá por ellos.

Por ejemplo: según la tabla el alambre para el secundario es el número 17, usamos como referencia los amperios. Para el primario usamos para averiguar el amperaje la fórmula: Corriente en amperios = vatios dividido voltios, o sea: 60 dividido 110 igual .545, buscamos en la tabla y el valor que se acerca es .500 amperios; por lo que el calibre del alambre es el número 23. Resumiendo: PRIMARIO: 660 vueltas de alambre # 23, SECUNDARIO: 30 vueltas de alambre # 17.

DIMENSIONES DEL NUCLEO:

Conociendo la sección transversal del núcleo que es de 1.1 pulgadas por lado, esta sección se hace generalmente cuadrada, por dar mejores resultados.

Las demás dimensiones del núcleo, dependen de la ventanilla o espacio requerido por el volumen total de los devanados y varía ligeramente según el tipo que se emplee, B o D.

Cuando se usa el tipo B, el conjunto de devanados se enrolla sobre la barra central, la cual está comúnmente colocada a lo ancho, Si se desea, puede diseñarse el núcleo con la barra del centro en sentido longitudinal, en cuyo caso el largo de los devanados es mayor que su espesor.

Si empleamos en núcleo D, los devanados pueden enrollarse sobre cualquiera de los lados, aunque generalmente se hace sobre uno de los dos más largos.

Siendo el núcleo B el que reune mayores ventajas, vamos a empelar este núcleo en la construcción de nuestro transformador.

Para determinar las dimensiones del núcleo el procedimiento más práctico es dibujar el transformdor, dando a éste un ancho aproximado y luego marcar el espesor de cada devanado más el grueso del aislamiento entre los mismos, esto lo hacemos con el fin de tener una idea del tamaño que tendrá el transformador.

DIMENSIONES DE LA VENTANILLA:Como hemos tomado un ancho de 4 pulgadas, disponemos de un espacio de 4 - ( 2 x .55) = 2.9" en la ventanilla, pero debemos dejar un pequeño esspacio entre los lados del devanado y el núcleo.

Calculemos ahora el grueso del primario, para el cual utilizaremos alambre # 23, con esto podemos obtener 31.1 vueltas por pulgada lineal. Como disponemos de un espacio de 2.5" para cada capa, el número de vueltas por

capa será de: 31.1 x 2.5 = 77.75 vueltas por capa, que en números redondos será de 77.

El número total de vueltas requeridas para el primario es de 660, por lo tanto para encontrar el número de capas únicamente tendremos que dividir este número entre el número de vueltas por capa, o sea: 660 dividido 77 = 8.6, o sea 9 capas(recordemos que las fracciones las vamos a considerar como números enteros).