Transformadores - Reles e Interruptor Magntico

Transformador |El transformador es una de las ms importantes aplicaciones tcnicas de la induccin. Se puede encontrar en todos los tamaos, como transformador de alta tensin, en la transmisin de energa, o como transformador de baja tensin, prcticamente, en todos los aparatos que se alimentan con la tensin de la red. Los transformadores slo se pueden operar bsicamente con corriente alterna. Entre las funciones que cumplen se encuentran: Transmisin de energa Un transformador puede transportar energa, con pocas prdidas, de un nivel de tensin a otro. Adaptacin de tensin Un transformador convierte tensiones, es decir, transforma tensiones en otras mayores o menores. Separacin segura de la tensin de la red Con frecuencia, la funcin principal de un transformador consiste en la separacin de circuitos elctricos. Por ejemplo, dado que la tensin de 230 V es peligrosa, la mayora de los transformadores para equipos vienen diseados como transformadores de separacin, con dos devanados separados, que producen un aislamiento galvnico entre el lado "peligroso" y el "no peligroso". Tambin existen los llamados autotransformadores que, a diferencia de los transformadores de separacin, slo poseen un devanado y no producen ningn aislamiento.

Principio del transformador |Por lo general, los transformadores constan de devanados acoplados magnticamente.Se diferencia entre el devanado primario, es decir, el que consume potencia elctrica, y el devanado secundario, es decir, el que entrega potencia elctrica. Igualmente, de modo anlogo se habla de* Tensin primaria u1 y secundaria u2 * Corriente primaria1 y secundaria i2 * Nmero de espiras del devanado primario n1 y delsecundario n2Los transformadores tienen diversas formas. En los pequeos transformadores monofsicos, como el que se muestra en el ejemplo, ambos devanados se encuentran arrollados en un slo lado del ncleo de hierro. Con esto se logra que el flujo magntico generado por una bobina se transmita casi por completo a la otra bobina. Las lneas de campo se encuentran prcticamente dentro del ncleo, la dispersin es mnima y el circuito magntico se cierra a travs de los otros lados exteriores . Si por el devanado primario circula una corriente, debido a la variacin del flujo magntico en el tiempo, en el devanado secundario se inducir una tensin. La relacin entre las dos tensiones corresponder a la existente entre el nmero de espiras de los devanados. Las corrientes, al contrario, tienen una relacin inversamente proporcional a la de los devanados:

Comportamiento |El transformador no se puede considerar de ningn modo como un componente ideal, carente de dispersin y prdidas. En la prctica se determinan prdidas que se manifiestan en el calentamiento del transformador. Las causas de esto son: * Prdidas en los devanados debidas a la resistencia del alambre de cobre * Prdidas en el hierro debidas a corrientes parsitas y prdidas por histresis, causadas por la inversin magntica del hierroPara reducir estas prdidas, el ncleo del transformador se construye de capas de chapas individuales, aisladas entre s. Esto evita considerablemente la formacin de corrientes parsitas. La chapa del transformador se construye de material magntico suave, con una curva de histresis angosta. Las prdidas resistivas son la causa especial de que la tensin secundaria del transformador con carga no permanezca constante, sinoque descienda. Este fenmeno se aprecia ms en los transformadores pequeos, que poseen devanados de alambre de cobre delgado.

Transformador sin ncleo y con ncleo |

Se estudiar la transmisin de energa en un transformador con y sin ncleo de hierro y se conocer el efecto importante que tiene dicho componente.

Monte el siguiente arreglo experimental.| Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen del instrumento.Realice los siguientes ajustes: * Forma de la curva SINUS * Frecuencia en 500Hz * Amplitud 1:1 y 100% |Active el botn POWER y observe la luminosidad de la lmpara.Apague de nuevo el botn POWER del generador de funciones.Pulse a continuacin STEP2, en la animacin, y complemente el transformador, como se indica, con el ncleo de hierro. Conecte de nuevo el generador de funciones y observe la luminosidad de la lmpara. Cmo se comporta la lmpara en el devanado secundario de un transformador con y sin ncleo? | Con el ncleo, la lmpara no se enciende. || Con el ncleo, la lmpara se enciende. || Sin el ncleo, la lmpara se enciende ms claramente. || Correcto! |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioEn el transformador, qu influencia ejerce un ncleo de hierro sobre la transmisin de energa?| El ncleo de hierro hace que el transformador sea ms pesado y ms estable. || El ncleo de hierro procura un buen acoplamiento magntico entre el devanado primario y el secundario. || La mayor parte de las lneas del campo magntico pasan por el interior del ncleo de hierro. || Gracias al ncleo de hierro, el flujo magntico generado por el devanado primario se conduce a travs del secundario. || El ncleode hierro protege los devanados contra daos mecnicos. ||

Relacin de transformacin |

Se aplicar una tensin alterna al transformador; se medir con el voltmetro la amplitud de las tensiones primarias y secundarias y se calcular la relacin de transformacin.

Monte el siguiente arreglo experimental:| Abra el instrumento virtual voltmetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: * Rango: 5 V, DC * Display digital * Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz) || Abra el instrumento virtual voltmetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: * Rango: 2 V, DC * Display digital * Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz) || Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: * Forma de la curva SINUS * Frecuencia 50Hz * Amplitud 1:1 y 25% |Conecte el generador de funciones accionando el botn POWER-------------------------------------------------Principio del formularioLea ambos instrumentos y transfiera los valores:Voltmetro A: tensin primaria UPRIM = VVoltmetro B: tensin secundaria USEC = V | |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioFinal del formularioVare el nmero de espiras del transformador n1 = 400, n2 = 200. La animacin STEP2 muestra la manera de hacerlo.-------------------------------------------------Principio del formularioLea ambos instrumentos y transfiera los valores:Voltmetro A: tensin primaria UPRIM = VVoltmetro B: tensin secundaria USEC = V | |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioCalcule:Tensin primaria/ tensin secundaria: UPRIM / USEC= Espirasdel primario/ espiras del secundario n1 / n2= | |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioCul afirmacin sobre la relacin de transformacin del transformador es correcta?Las tensiones se comportan casi de igual manera que | || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioPor qu razn, la tensin de salida es menor que lo esperado de acuerdo con la relacin entre el nmero de espiras de los devanados?| || || || || Porque el flujo magntico de dispersin hace que disminuya el flujo del devanado secundario. || La tensin del secundario se reduce debido a inexactitudes en la medicin. || Porque los devanados del transformador estn mal arrollados. || Porque el ncleo desarmable tiene un entrehierro muy grande, y esto hace que se presente flujo de dispersin. || ||Transformador con carga |Se aplicar una carga a un transformador y se medir la tensin del secundario mientras se aumenta la carga. Los valores medidos se anotarn en una tabla y se representarn grficamente. |Monte el siguiente arreglo experimental:| Abra el instrumento virtual voltmetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: * Rango: 5 V, DC * Display digital * Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz) || Abra el instrumento virtual voltmetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: * Rango: 2 V, DC * Display digital * Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz) || Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: * Forma de la curva SINUS * Frecuencia 50Hz * Amplitud 1:1 y 40% |Conecte el generadorde funciones accionando el botn POWER.Cargue el transformador con los valores de resistencias indicados en la tabla. En la animacin slo se muestra el primer caso, esto es, una carga de 100 Los otros casos se obtienen conectando en serie y en paralelo las dos resistencias de 100 . El valor 9999 representa el caso a circuito abierto, es decir, sin carga. El valor de 10 se obtiene aproximadamente con la lmpara.

Lea los valores medidos en el voltmetro B y antelos en la tabla.

-------------------------------------------------Principio del formularioCompare los valores medidos representados en su diagrama con la siguiente seleccin. Cul diagrama es correcto?| || || || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioCul afirmacin sobre un transformador es correcta?| La tensin de salida disminuye cuando la carga resisitiva aumenta. || La tensin de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye. || La tensin de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye. |Test de conocimientos sobre el transformador |-------------------------------------------------Principio del formularioEn qu se distinguen el devanado primario y el secundario del transformador? | El devanado secundario tiene, bsicamente, menos espiras. || El devanado primario consume potencia || El devanado secundario consume potencia || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioCmo se comportan la tensin y la corriente en un transformador por cuyo devanado primario circula corriente alterna? * Las tensiones primaria y secundaria se comportan de igual manera que el nmero correspondiente de espiras de los devanados. *Las corrientes primaria y secundaria se comportan de manera inversa al correspondiente nmero de espiras de los devanados. | |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioLos transformadores no son componentes ideales. En la prctica se presentan los siguientes problemas: | Enfriamiento || Calentamiento debido a las prdidas || Prdidas en el hierro del ncleo debido a corrientes parsitas || Prdidas en los devanados debido a la resistencia del alambre de cobre || Mal acoplamiento entre los devanados debido a la dispersin || Sensibilidad a los golpes || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioEn un transformador con carga resistiva: | la tensin del secundario disminuye. || la tensin del secundario aumenta. || la tensin del secundario permanece constante. || |Rel |En 1837, cuando Samuel Morse pudo hacer funcionar su telgrafo de registro de seales, desarrollado con el electroimn creado por J. Henry en 1824, fue el momento en el que naci el rel. Su nombre se deriva del francs y al comienzo se utiliz en las comunicaciones para la retransmisin de mensajes, de modo similar a las estaciones de relevos (relais) propias de la poca en que el correo era transportado por diligencias tiradas por caballos. En la era de los bits y los Bytes se podra pensar que los rels electromecnicos estaran pasados de moda. Pero en la realidad, hoy en da se fabrican ms rels que nunca antes. El rel es, en principio, un conmutador que, con una corriente elctrica de muy baja potencia, acciona contactos conmutadores que pueden conectar potencias mayores. Los rels existen en muchas formas: * astable o monoestable (regresan ala posicin inicial) * biestables, conocido tambin como conmutador de control remoto * con diferentes cantidades de contactos de conmutacin * rels temporizadores (excitacin o desexcitacin con retardo) * para diferentes tensiones de mando * para diferentes corrientes de conmutacin Principio |El principio de un rel es bien sencillo. Pulse el botn ON de la animacin y observe lo que sucede. Sobre un aislante (verde) y un ncleo de hierro se encuentra arrollada una bobina. Si al conectar el rel, la corriente circula por la bobina, se genera un flujo magntico, cuyas lneas transcurren bsicamente a travs del ncleo de hierro. El circuito magntico se cierra a travs del hierro exterior y la armadura que se puede ver arriba. El campo magntico produce una fuerza de atraccin sobre una armadura. En la armadura se encuentran los contactos de conmutacin fijados con aislante. La armadura es mvil y la fuerza de atraccin magntica la desplaza hacia la bobina con ncleo de hierro. Los contactos se accionan debido al movimiento de la armadura, el circuito elctrico principal se cierra y la lmpara se enciende. De la misma manera se puede construir un interruptor o un conmutador . Al suspenderse la corriente de excitacin, en los rels monoestables, la fuerza de un resorte procura que el contacto retorne a su posicin inicial. Conectar el rel |Se aplicar una tensin al devanado de excitacin del rel. Con el contacto de conmutacin se encender una lmpara en el circuito elctrico principal.Monte el siguiente arreglo experimental.Abra y cierre varias veces la ltima conexin y observe lo que sucede (tambin dentro del rel).-------------------------------------------------Principio del formularioQu sucede despus de que el rel se conecta a la tensinde alimentacin? El rel | |La lmpara | |El inducido con los contactos | || |Punta de induccin |Se conectar y desconectar el rel y se observar lo que sucede al desconectarlo. A continuacin se repetir el experimento con el diodo de va libre y se advertir la diferencia.Monte el siguiente arreglo experimental.Abra y cierre varias veces la conexin con la alimentacin de tensin de 5V y observe el comportamiento de la lmpara fluorescente.Nota: La lmpara se utilizar solamente como indicador de "alta tensin". La lmpara se enciende slo a aprox. 110 V, por debajo de esta tensin permanece oscura.Las lmparas fluorescentes no se iluminan mediante un alambre metlico incandescente, sino que lo hacen debido a tomos de gases (como el nen) que se excitan y resplandecen, y se encuentran entre dos electrodos colocados frente a frente. La corriente es transportada de un electrodo a otro por el gas que se ha convertido en conductor (gas ionizado).-------------------------------------------------Principio del formularioCmo se comporta una lmpara de efluvios conectada en paralelo al devanado excitador del rel? | Se enciende brevemente al momento de conectar la tensin. || Se ilumina siempre. || Se ilumina al momento de desconectar la tensin. || Se ilumina siempre que el rel est conectado. || No se enciende nunca. || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioCul es la razn para que la lmpara conectada en paralelo al devanado de excitacin del rel se ilumine brevemente? | Histresis del ncleo de hierro || Interferencias en la tensin de experimentacin || Autoinduccin al desconectar la corriente || Disipacin de la energa electromagntica almacenada|| La tensin es mayor a 110 V por un breve instante || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioFinal del formularioIncluya el diodo de va libre y repita el experimento. La animacin muestra la manera en que se debe conectar el diodo por medio de un puente; pulse sobre el botn con el diodo para observarlo. Principio del formularioCmo se comporta una lmpara de efluvios conectada en paralelo al devanado de excitacin del rel con diodo de va libre? | Parpadea brevemente durante la conexin. || Se ilumina siempre. || Se ilumina brevemente durante la desconexin. || Se ilumina siempre que el rel est conectado. || No se enciende nunca. || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioCul es la razn de la ausencia de una punta de induccin al desconectar un rel con diodo de va libre? | La punta de tensin se filtra || La corriente puede continuar circulando brevemente en el devanado de excitacin || No se presenta autoinduccin al desconectar la corriente || Disipacin de la energa electromagntica almacenada en el circuito del diodo de va libre ||Final del formulario Test de conocimientos sobre el rel |-------------------------------------------------Principio del formularioLos rels trabajan ... | paramagnticamente || slo mecnicamente || electromecnicamente || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioComplemente las afirmaciones sobre el rel: El devanado de excitacin genera un flujo magntico en un | |El flujo magntico mueve un | |El circuto principal de corriente est aislado del hierro por medio de un | |Elrotor mvil activa un | || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioEl diodo de va libre, conectado en antiparalelo al devanado excitador de un rel, sirve para | generar una punta de induccin durante la desconexin || eliminar una punta de induccin durante la desconexin || eliminar una punta de induccin durante la conexin || generar una punta de induccin durante la conexin || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioCules de las afirmaciones sobre el autoenclavamiento del rel son correctas? | El autoenclavamiento sirve para facilitar la fijacin del rel a una pared || Para el accionamiento del rel se requieren dos interruptores || Para el accionamiento del rel se requieren dos pulsadores || Por medio del autoenclavamiento, el rel puede almacenar su estado de conmutacin || Para el autoenclavamiento slo se requiere un contacto principal || Para el autoenclavameinto, adems del contacto principal, se requiere un contacto auxiliar ||Final del formulario Experimento de interruptor de lminas |Se observar el funcionamiento de un interruptor de lminas. Para esto se montar un circuito elctrico con una lmpara, que se encender y apagar por medio de un interruptor de lminas cuando un campo magntico acte sobre el interruptor.Monte el siguiente arreglo experimental.Saque de su soporte los dos imanes permanentes.Pase uno de los imanes cerca del interruptor de lminas y observe el comportamiento del interruptor cuando se pasa el imn en diferentes posiciones, como se describe a continuacin: * Vertical: polo norte hacia abajo * Vertical: polo sur hacia abajo * Horizontal: polo norte haciala izquierda * Horizontal: polo sur hacia la izquierda-------------------------------------------------Principio del formularioCules afirmaciones sobre los puntos de conmutacin se confirman con el experimento? | Si un polo pasa cerca del interruptor de lminas, aparece un punto de conmutacin. || Si el imn pasa horizontalmente, cerca del interruptor de lminas, aparece un punto de conmutacin. || Si el imn pasa horizontalmente, cerca del interruptor de lminas, aparecen dos puntos de conmutacin || Si un polo pasa cerca del interruptor de lminas, aparecen dos puntos de conmutacin || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioReacciona el interruptor de lminas con mayor sensibilidad (incluso con distancias mayores) cuando se acerca el imn vertical u horizontalmente? | Es ms sensible al acercar el imn horizontalmente || Es ms sensible al acercar el imn verticalmente || No hay diferencia || |Test de conocimientos sobre interruptor de lminas |-------------------------------------------------Principio del formularioLos rels de lminas (reed) reaccionan ante | luminosidad || distancias || campos magnticos || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioComplemente las afirmaciones sobre los interruptores de lminas: Los interruptores de lminas trabajan de manera | |Los contactos se producen de manera | || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioEl polo sur de un imn pasa delante del interruptor de lminas. Cuntos puntos de conmutacin aparecen? | un punto de conmutacin || dos puntos de conmutacin || |Final delformulario-------------------------------------------------Principio del formularioQu aplicaciones tiene el interruptor de lminas (reed)? | Registro de posiciones sin contacto || Miniinterruptores encapsulados que puedan operar en ambientes difciles || Interruptor para corrientes elevadas || |Experimento de interruptor Hall |Se estudiar el funcionamiento de un interruptor Hall. Para esto, a la salida del interruptor, se conectar un voltmetro y se observar la tensin cuando acten diferentes campos magnticos sobre el interruptor.Monte el siguiente arreglo experimental. | Abra el instrumento virtual Voltmetro A en el men de instrumentos de medicin o pulse sobre la imagen del instrumento. Realice los siguientes ajustes: * Rango: 10 V, DC * Display digital * Conmutador giratorio en AV (valor medio) |-------------------------------------------------Principio del formularioQu sucede al acercar a pocos milmetros del interruptor hall, en primer lugar, el polo sur de un imn e inmediatamente despus el polo norte? Al acercar el polo sur | |Al acercar el polo norte | || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioLea la tensin en el voltmetro A en estado de conexn y desconexin, y transfiera los valores.: LED OFF: Tensin UOFF = VLED ON: Tensin UON = V | |Test de conocimientos sobre el interruptor Hall |-------------------------------------------------Principio del formularioLos interruptores Hall reaccionan ante | Luminosidad || Distancias || Campos magnticos || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioComplete las afirmaciones sobre los interruptores y elementos de efecto Hall: Lossensores de efecto Hall trabajan de manera | |Los interruptores Hall trabajan de manera | || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioLos interruptores Hall bipolares | poseen dos entradas || reaccionan ante un cambio de polaridad del campo magntico || tambin pueden generar tensiones de salida negativas || |Final del formulario-------------------------------------------------Principio del formularioCules son los campos de aplicacin de los interruptores Hall? | Mediciones acsticas y de ecos || Mediciones de volumen en salas grandes || Mediciones de nmero de revoluciones || Mediciones de posicionamiento || |CUESTIONARIO1-Cuntos puntos de conmutacin aparecen?Solo dos puntos de conmutacin. | |2-Qu aplicaciones tiene el interruptor de laminas (reed)?Los reed switch son utilizados ampliamente en el mundo moderno como partes de circuitos elctricos. Un uso muy extendido se puede encontrar en los sensores de las puertas y ventanas de las alarmas antirrobo, el imn va unido a la puerta y el reed switch al marco. En los sensores de velocidad de las bicicletas el imn est en uno de los radios de la rueda, mientras que el reed switch va colocado en la horquilla. Algunos teclados de computadoras son diseados colocando imanes en cada una de las teclas y los reed switch en el fondo del placa, cuando una tecla es presionada el imn se acerca y activa sus reed switches. Actualmente esta solucion es obsoleta, usandose interuptores capacitivos que varian la condicion de un circuito resonante.Los reed switch tambin tienen desventajas, por ej sus contactos son muy pequeos y delicados por lo cual no puede manejar grandes valores de tensin o corriente lo que provoca chispasen su interior que afectan su vida til. Ademas, grandes valores de corriente pueden fundir los contactos y el campo magnetico que se genera puede llegar a desmagnetizar las contactos

CONCLUSIONES:

* Pudimos deducir que los resultados numricos tericos no esta tan distantes de la realidad, sino que solo existen pequeas diferencias producidas por ciertas perdidas que en muchas ocasiones no se tienen en cuenta a la hora de analizar las respectivas respuestas puesto resultara muy complicado tener en cuenta esas perdidas, adems se pudo aplicar la identificacin de la polaridad de los devanados del transformador, comprobando as los conceptos tericos con la practica.

* Se ha podido comprobar mediante la prctica que el rel puede ser muy til en procesos industriales, ya que por ejemplo en el caso de que se fuera la luz y un motor o una mquina de alto consumo se quedase en marcha, con un sistema de enclavamiento al volver la luz no habra gasto en electricidad, y esto se notaria sustancialmente en los gastos energticos.

* Tambin hemos podido ver como un rel puede funcionar como una especie de interruptor, pero un poco ms sofisticado, ya que un interruptor se acta sobre el de forma manual; mientras que un rel cambia su estado por medio de un campo magntico, creado por la bobina alimentada.

BIBLIOGRAFIA

* Fsica. Electricidad para estudiantes de Ingeniera. Notas de clase. Daro

* Castro. Ediciones Uninorte.

* SEARS, Francis W. ZEMANSKY, Mark W, YOUNG; Hugh D; FREEDMAN, Roger A; fsica universitaria con fsica moderna. Undcima edicin, Mxico: Pearson Educacion 2005

* www.wikipedia.com

* PAUL TIPLER Volumen 2

* Electromagnetismo de SADIKU

* http://es.wikipedia.org/wiki/Electrizaci%C3%B3n