Transformador son elementos cruciales en los sistemas eléctricos y electrónicos, ya que proporcionan el aislamiento eléctrico necesario y desempeñan la función esencial de alterar tensiones y corrientes. Aunque su proceso de diseño se considera a veces un “arte”, su construcción y funcionamiento se basan en principios físicos fundamentales.
Un transformador es un dispositivo que transfiere energía eléctrica de un circuito de corriente alterna a otro u otros circuitos, aumentando (subiendo) o disminuyendo (bajando) la tensión. Se utilizan para diversos fines, como reducir la tensión de los circuitos eléctricos convencionales para hacer funcionar dispositivos de baja tensión, como timbres y trenes eléctricos de juguete, o aumentar la tensión de los generadores eléctricos para permitir la transmisión de energía eléctrica a larga distancia.
Los transformadores modifican la tensión mediante inducción electromagnética. Esto ocurre porque las líneas de flujo magnético se acumulan y colapsan con los cambios en la corriente que pasa por la bobina primaria, induciendo corriente en otra bobina conocida como secundaria. La tensión secundaria se determina multiplicando la tensión primaria por la relación entre las espiras de la bobina secundaria y las de la bobina primaria, conocida como relación de espiras.
Los transformadores con núcleo de aire están diseñados para transferir corrientes de radiofrecuencia, que se utilizan en las transmisiones de radio; constan de dos o más bobinas enrolladas alrededor de un material aislante sólido o una forma de bobina aislante. Los transformadores con núcleo de hierro cumplen funciones similares en la gama de audiofrecuencia. Los transformadores de adaptación de impedancia se utilizan para alinear la impedancia de una fuente con su carga para una transferencia de energía óptima. Los transformadores de aislamiento suelen utilizarse con fines de seguridad para separar los equipos de las fuentes de alimentación.
Transformers proporcionan aislamiento eléctrico entre circuitos, lo que es vital para la seguridad y la funcionalidad en diversas aplicaciones. Un transformador consta de un núcleo magnético con bobinas primarias y secundarias enrolladas a su alrededor. Cuando se aplica una tensión alterna a la bobina primaria, se genera una corriente alterna que corresponde a un flujo magnético alterno dentro del núcleo. Este flujo induce una tensión tanto en la bobina secundaria como en la primaria, lo que demuestra la ley de inducción de Faraday.
El diagrama anterior ilustra los componentes esenciales de un transformador: un núcleo magnético con bobinas primarias y secundarias enrolladas en sus extremidades. Una tensión alterna (Vp) aplicada al primario crea una corriente alterna (Ip), produciendo un flujo magnético alterno dentro del núcleo magnético. Este flujo induce tensión en cada espira de las bobinas primarias y secundarias.
Dado que el flujo permanece constante en el primario y el secundario:
Esta ecuación demuestra que controlando la relación entre el número de espiras primarias y el número de espiras secundarias, se puede aumentar o disminuir la tensión alterna (efecto de conversión de tensión). También se puede demostrar que Voltios amperios primarios = Voltios amperios secundarios.
De ello se deduce que, ajustando la relación de vueltas entre el primario y el secundario, también se puede aumentar o disminuir la corriente alterna (efecto de conversión de corriente).Es importante tener en cuenta que no hay conexión eléctrica directa entre los devanados primario y secundario.
Los transformadores permiten aislar un circuito de otro. Estas funciones (transformación de tensión/corriente y aislamiento) no pueden realizarse eficazmente por otros medios, por lo que se encuentran en casi todos los equipos eléctricos y electrónicos del mundo.
Las propiedades magnéticas de los materiales del núcleo influyen considerablemente en el rendimiento de los transformadores. Cuando se activa la bobina primaria de un transformador, la corriente magnetizante crea una fuerza magnetizante (H) que genera flujo magnético (B) en el núcleo. Esta relación entre B y H se representa mediante la curva B-H del material. La fuerza magnetizante (H) es igual al producto de la corriente magnetizante y el número de vueltas, expresado en amperios-vueltas. Las curvas B-H ilustran cómo cambia la densidad de flujo en función de la fuerza magnetizante; a medida que aumenta H, aumenta B hasta que se produce la saturación en el material del núcleo. En el momento de la saturación, los aumentos adicionales de H no incrementan significativamente B, por lo que es crucial diseñar los transformadores para que funcionen por debajo de la saturación en aras de la eficiencia.
De la curva B-H se desprende que, a medida que aumenta la fuerza magnetizante desde cero, el flujo aumenta hasta un valor máximo. Más allá de este nivel, los aumentos adicionales de la fuerza magnetizante no mejoran significativamente el flujo; este estado se denomina ‘saturación’. Los transformadores suelen diseñarse para garantizar que la densidad de flujo magnético permanezca por debajo de los niveles de saturación.
La densidad de flujo puede calcularse mediante:
Dónde:
Nota:
1 Tesla = 1 Weber/m²
1 Weber/m² = 10.000 Gauss
1 Amperio-vuelta por metro = 4π × 10-³ Oersteds
En la práctica, todos los materiales magnetizados conservan cierta magnetización incluso cuando la fuerza de magnetización se reduce a cero; este efecto se conoce como ‘remanencia’, lo que provoca respuestas diferentes al disminuir o aumentar la fuerza de magnetización, un fenómeno denominado ‘bucle de histéresis’.’
El bucle de histéresis ilustra la verdadera respuesta B-H de un material, cuya pendiente, nivel de saturación y tamaño dependen del tipo de material y de otros factores.
Este concepto puede ilustrarse con ejemplos:
 | Núcleo de hierro de baja calidad Densidad de flujo de alta saturación Bucle grande = gran pérdida de histéresis Adecuado para 50/60 Hz |
 | Núcleo de hierro de alta calidad Densidad de flujo de alta saturación Bucle medio = pérdida de histéresis media Adecuado para transformadores de 400 Hz |
 | Núcleo de ferrita - sin entrehierro Densidad de flujo de media saturación Bucle pequeño = pérdida de histéresis pequeña Adecuado para transformadores de alta frecuencia |
 | Núcleo de ferrita - gran entrehierro Bucle pequeño = pérdida de histéresis pequeña Adecuado para Inductores de alta frecuencia con gran corriente continua |
La curva B-H ilustra un fenómeno conocido como histéresis, en el que la magnetización del material del núcleo no sigue inmediatamente a la fuerza magnetizadora. Este desfase provoca pérdidas de energía denominadas pérdidas por histéresis. Los materiales con mayores bucles de histéresis experimentan mayores pérdidas, ya que éstas están representadas por el área encerrada dentro del bucle de histéresis B-H. En consecuencia, los núcleos de los transformadores se construyen con materiales que presentan una pérdida de histéresis baja para maximizar la eficiencia.
Las corrientes parásitas, también denominadas corrientes de Foucault, son bucles de corriente eléctrica inducidos en el material del núcleo por el flujo magnético alterno. Estas corrientes generan pérdidas resistivas que provocan el calentamiento del núcleo, un fenómeno conocido como pérdida por corrientes de Foucault. Para reducir estas pérdidas, los núcleos de los transformadores se fabrican normalmente con láminas laminadas o materiales de ferrita, que limitan los caminos disponibles para estas corrientes.
Un transformador ideal con un devanado primario y dos secundarios puede representarse de la siguiente manera:
Un transformador de este tipo se caracteriza por:
En la realidad, los transformadores se desvían de este modelo ideal debido a diversas características no ideales. Los circuitos equivalentes de los transformadores incorporan estos aspectos:
Estos parámetros ayudan a predecir el rendimiento del transformador y las desviaciones del modelo ideal. Muchas de estas características pueden representarse en el circuito equivalente de un transformador:
Dónde:
El circuito equivalente de un transformador refleja con exactitud las propiedades reales de su circuito magnético, incluidos el núcleo y los devanados. Por lo tanto, puede utilizarse de forma fiable para comprender y predecir el rendimiento eléctrico de un transformador en diversos escenarios. La comprensión de estos principios fundamentales y consideraciones prácticas prepara a los ingenieros para diseñar, probar y aplicar transformadores de forma eficaz en diversas aplicaciones.
