Transformadores electricos

La electricidad es una forma de energía. La gran ventaja de la electricidad como forma de energía radica en la facilidad de ser convertida a otras formas de energía y de otras formas de energía a electricidad. Además es muy fácil y segura de ser transportada y almacenada.
La energía generada por la fuerza hidráulica, plantas térmicas o nucleares se convierte en energía eléctrica que puede ser transportada cientos o miles de kilómetros hasta nuestros hogares a través de cables de cobre (o aluminio).
Cuando se empezó con la industria de suministro de electricidad, a fines del siglo 19, hubo una gran discusión y enfrentamiento entre si la electricidad debía ser de corriente continua CC defendida por Toma Alva Edison o como corriente alterna AC defendida por Nicolás Tesla. Al final la idea de Tesla de usar corriente alterna AC se impuso y hoy en día casi todo transporte de electricidad se hace con corriente alterna.
Corriente alterna significa que la polarización de los hilos (o alambres) cambian periódicamente. Para la transmisión de energía eléctrica se ha estandarizado AC con una frecuencia de cambio de 60 veces por segundo conocida como 60 Hertz. En los países Europeos la frecuencia es de 50 Hz. La tensión o voltaje entregado en las casas es en Colombia de 110 voltios nominales pero en la práctica es de unos 120 voltios. En Europa y algunos países latinoamericanos la tensión es de 220 voltios. En general 60 Hz esta asociado a 110 voltios y 50 Hz con 220 voltios.
Una ventaja de la corriente alterna es que fácilmente se puede cambiar de voltaje utilizando un sencillo dispositivo eléctrico llamado “transformador”. Este dispositivo consta de un nucreo normalmente de hierro y generalmente dos arrollamientos o bobinados de alambre de cobre del cual uno se llama primario y el otro secundario. Si en el primario aplicamos una corriente alterna de un voltaje dado en el secundario aparece una corriente eléctrica con un voltaje proporcional a la relación de número de vueltas del alambre entre el primario y el secundario.
Por ejemplo, si en el primario tenemos 1000 vueltas de alambre y en el secundario 200, la relación será de 1000/200 = 5, entonces si aplicamos 110 voltios en el primario en el secundario tendremos 110/5= 22 voltios. Si aplicamos 200 voltios en el primario tendremos 200/5 = 40 voltios en el secundario. El transformador se puede invertir de dirección, es decir que podemos decir que el primario es el secundario y que el secundario pasa a ser primario y el resultado será el reciproco. En nuestro ejemplo si a un primario de 200 vueltas le aplicamos 20 voltios, el secundario de 1000 vueltas presentara un voltaje de 100 voltios.
Una anotación importante, los transformadores solamente funcionan con corriente alterna, nunca funcionan con corriente continua. Es más, si se aplica corriente continua a un transformador lo va a destruir porque los bobinados del transformador ofrecen casi cero resistencia al paso de la corriente continua y seria como un corto circuito.
El transformador funciona porque la bobina o enrollamiento del primario induce una campo magnético en el nucleo del transformador generalmente de hierro. Como la corriente es alterna entonces el campo magnético en el núcleo será también variable y alternado. Un campo magnético variable induce corriente en alambres que atraviese este campo magnético. Esta es la función del bobinado o enrollamiento secundario, captar el campo magnético alterno y convertirlo en electricidad. El campo magnético generado por el primario depende del número de vueltas o espira que tenga el bobinado primario y el voltaje inducido en el secundario dependerá también del número de vueltas que tenga.
Conociendo el funcionamiento del transformador, es posible aplicar modelos matemáticos que nos permite calcular los valores óptimos de número de vueltas o espiras que necesitamos para construir transformadores. Los análisis matemáticos se resumen en algunas fórmulas conocidas que nos permiten calcular el tamaño de los transformadores sin tener que preocuparnos de la teoría de funcionamiento.
Podemos decir que en el transformador el primario convierte la energía eléctrica en energía magnética y el secundario reconvierte la energía magnética en energía eléctrica. Una característica adicional de los transformadores es que los circuitos eléctricos relacionados con el primario quedan totalmente aislados eléctricamente del secundario. Esta propiedad es muy usada en la electrónica de circuitos.
El núcleo del transformador debe ser capaz de manejar el campo magnético usado para intercambiar energía. Esto significa que el núcleo del transformador tiene que ser un excelente generador de campo magnético, esto es conocido como permeabilidad magnética. La permeabilidad o habilidad de producir campo magnético de un material depende de la frecuencia del campo eléctrico. A mayor frecuencia más campo magnético se genera pero hay un límite en el cual un aumento de la frecuencia no produce más campo magnético, entonces se dice que le material está saturado magnéticamente,
La capacidad de generar campo magnético para una frecuencia dada y su frecuencia de saturación depende de los materiales. El hierro y sus allegados conocidos como elementos ferromagnéticos (el níquel entre ellos) presentan muy buena permeabilidad magnética generando grandes flujos de campo magnéticos a frecuencias muy bajas pero su frecuencia de saturación es también muy baja después de unos miles de ciclos. El aire o el vacío tiene muy baja permeabilidad pero en cambio la frecuencia de saturación es muy elevada, teóricamente infinita.
Actualmente se dispone de materiales para núcleos de transformador que resuelven el compromiso entre alta permeabilidad magnética y elevar la frecuencia de saturación. Son conocidos como “ferritas” y son fabricado de material cerámico o plástico mesclados con partículas ferromagnéticas. La mayor o menor cantidad de partículas ferromagnéticas determinaran su compartimiento.
Por esta razón los transformadores para cambio de energía que trabajan a frecuencias de 50 0 60 Hz su núcleo es de hierro casi puro, en cambio los usados en alta frecuencia en radio su núcleo es el aire, parecen pequeñas espiras de alambre pero son en la práctica transformadores.
El tamaño del núcleo depende de la cantidad de energía que se está transfiriendo, es decir que el tamaño del núcleo debe soportar todo el campo magnético necesario para transferir la energía. Los transformadores usados en baja frecuencia 50 o 60 Hz transfieren cantidades apreciables de energía por lo cual se construyen de núcleos de hierro y de tamaño grande dependiendo de la potencia o cantidad de energía que manejan, esto lo hacen voluminosos y pesados.
Como el núcleo es de hierro que es muy buen conductor de electricidad, los transformadores necesitan ser aislados eléctricamente entre los bobinados y el núcleo. Además el núcleo no puede ser de hierro solido porque si lo fuera en el interior del núcleo se comportaría como si fuera una bobina que induciría corriente eléctrica. Estas corrientes eléctricas circulando en el interior del núcleo generarían calor y pérdida de energía. Por esta razón los núcleos del transformador se construyen con láminas de hierro y no de hierro sólido. Las láminas evitan que se puedan formar bucles o espiras en el interior del núcleo.
En resumen, los transformadores de energía trabajan a baja frecuencia de 50 o 60 Hz y requieren núcleos de hierro laminado para manejar en campo magnético necesario, el número de espiras del primario y secundario depende del voltaje a manejar y adicional el calibre de alambre usado en los bobinados depende de la corriente que va a circular por el.
Como un transformador es construido para manejar una potencia dada, la corriente que circulara está dado por la relación I = P/V entonces la corriente será inversamente proporcional al voltaje esperado en el bobinado. El resultado bobinados que utilizan voltajes altos manejan corrientes pequeñas el calibre del alambre es delgado y el bobinado tiene muchas vueltas, en cambio, si el voltaje del bobinado es bajo, circulara mucha corriente por él, el calibre del alambre es grande y el número de espiras es pequeño.

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Fuentes de poder

La mayoría de nuestros equipos electrónicos son alimentados con un voltaje de 13,8 voltios de corriente continua. La corriente suministrada en amperios depende del consumo en potencia del equipo de acuerdo a la ley que dice que potencia en watios es igual a la tensión en voltios multiplicada por la corriente en amperios: P = V * I.
Como el voltaje va a ser constante entonces el consumo de corriente va a ser directamente proporcional a la potencia consumida: I = P / V.
Muchos equipos tienen un consumo de potencia constante o casi constantes, para ellos el consumo de corriente en amperios va a ser constante pero el equipo transmisor de radio, especialmente en las estaciones de radioaficionados, su consumo de potencia varia en un amplio rango de valores.
Un transmisor permanece largos periodos de tiempo sin transmitir por lo cual su potencia es cero o casi cero pero cuando llega al límite de su potencia, de algunos cientos de vatios, el consumo de corriente consumida también va a aumentar en algunas decenas de amperios pero el voltaje debe permanecer igual a 13,8 voltios transmita o no transmita.
Debemos distinguir en un transmisor la potencia de salida (abreviada Po) que corresponde a la energía de radiofrecuencia que el equipo suministra a la antena y la potencia de entrada (abreviada Pi) que corresponde a la potencia de corriente continua a 13,8 voltios con que alimentamos al equipo. La potencia de entrada Pi siempre va a ser mayor que la potencia de salida Po. La relación entre Pi / Po representa la eficiencia o rendimiento del equipo.
Un transmisor típico de 100 watios de Po requiere unos 180 watios de Pi, como el voltaje es fijo en 13,8 voltios la corriente será de 180/13,8 = 13 amperios aproximadamente.
Si el transmisor lo usamos para transmitir CW, la potencia será cero cuando el manipulador está abierto y será de 100 vatios con el manipulador cerrado, entonces el consumo de corriente será de casi cero con el manipulador abierto y unos 13 amperios cuando esté cerrado.
Cuando se transmite banda lateral única o SSB, la potencia de salida es nula cuando el operador no esta hablando y la potencia varia dependiendo de la intensidad con que el operador habla y la riqueza de sonido que tenga el habla. Como riqueza de sonidos nos referimos a la mayor o menor cantidad de frecuencias de audio (30 a 3000 Hz) que contiene un sonido eitido por el operador. En general el sonido de las vocales a,e,i,o,u son ricos en frecuencias de audio en comparación con los sonidos consonantes y entre las vocales las de sonido abierto como la a, o y u tienen mayor riqueza. Por esta razón un equipo de SSB se prueba emitiendo uno vocal llena generalmente la O.
Entonces en una transmisión de SSB la potencia de salida varía dependiendo del habla y su intensidad pero un equipo se diseña con componentes que puedan manejar una potencia máxima, si se exceden la generación de calor interno la puede llegar a destruir (quemar).
Esto constituye un problema en los transmisores de SSB. Los transmisores de SSB se diseñan para emitir una máxima potencia de salida conocida como “Potencia Pico” pero la potencia de salida depende que el operador hable, hable fuerte o hable usando sonidos vocales por lo cual la salida de potencia puede llegar a sobrepasar los valores de diseño. Para solucionar en parte este inconveniente los transmisores incluyen un control de ganancia del micrófono para adecuar el micrófono a diferentes intensidades de voz de los operadores. Otro control usado en los transmisores de SSB es conocido como ALC que corresponde al acróstico en ingles de Automatic Level Control o Control Automático de Nivel. Esto consiste que el transmisor monitorea la potencia de salida y si la potencia de salida se aumenta cerca de su limite entonces envía hacia atrás un voltaje que afecta la ganancia de micrófono para reducir su ganancia y lograr que la salida de potencia se redusca y tratar de mantenerla la salida en valores óptimos.
Una buena práctica en la operación de SSB es observar el voltaje de ALC el cual se muestra como una función del medidor que tienen los equipos. Si no hay indicación de ALC significa que la salida está trabajando por debajo de su capacidad de salida y si el ALC es máximo es que esa modulación esta excediendo la capacidad de salida. La recomendación es mantener una lectura de ALC en el rango medio llegando a picos máximos durante periodos de tiempo minimos.
Cuando transmitimos AM el transmisor mantiene siempre una portadora que significa una emisión de potencia de forma continua hable o no hable. Cuando el operador habla el transmisor emite dos bandas laterales que aumentan o disminuyen la potencia emitida por el transmisor dependiendo del ritmo de la voz del operador. Lo que se tiene es una emisión de potencia promedio o media correspondiendo a la potencia de la portadora y unos máximos y minimos que depende de la voz. El máximo puede ser el doble de la potencia de la portadora, es decir que la potencia pico es el doble de la portadora.
Los transmisores modernos son diseñados con componentes para manejar la potencia pico y esta es anunciada por el fabricante. Cuando transmitimos SSB la potencia varia continuamente entre cero y el pico y es función del ALC y habilidad del operador mantener emisiones de potencia por debajo del pico. En cambio en AM el transmisor siempre mantiene una emisión de portadora y la potencia pico será el doble de la portadora. Si nuestro transmisor es de 100 vatios pico la portadora debería ser de 50 vatios (el 50%) pero los fabricantes recomiendan no usar mas de un 25 a 35% de potencia de portadora en AM, esto significa que un transmisor que rinde 100 vatios picos en SSB solo puede ser usado para transmitir unos 25 a 35 vatios de portadora en AM.
Lo que tenemos es que los transmisores son alimentados con un voltaje de 13,8 voltios. En la práctica no es necesario que sea exactamente 13,8 voltios sino que puede ser un voltaje entre unos 11 a 14 voltios, 13,8 es el valor optimo pero lo importante es que el valor de voltaje que escojamos debe permanecer igual independiente de la corriente en amperios que nos este suministrando. Esto se especifica diciendo que el suministro de corriente debe ser regulado o mejor dicho el voltaje debe ser suministrada por una fuente que tenga una regulación de voltaje automática que permita mantener el mismo voltaje independiente de mayor o menor consumo de corriente.
Entonces nuestros equipos necesitan ser alimentados con 13 voltios de corriente continua pero en nuestras casa tenemos un suministro de electricidad de 110 voltios de corriente alterna. La solución es usar un equipo o caja negra llamada “Fuente de Alimentación” que nos permite convertir 110 voltios AC a 13 voltios DC. El consumo de corriente dependerá de la energía que usemos en nuestros equipos pero la fuente de alimentación deberá tener componentes para que nos maneje el máximo de potencia que necesitemos.
Las fuentes de alimentación se han construido clásicamente con un transformador que recibe 110 voltios de AC en el primario y entrega 13 voltios AC en el secundario. Los 13 voltios AC se entregan a un rectificador que convierte 13 voltios AC a 13 voltios de DC, como los rectificadores entregan una DC con mucha oscilaciones, la salida de los rectificadores se pasa por un filtro construido mayormente por condensadores electrolíticos que se encarga de dar una corriente continua lo mas continua posible.
El la practica los componentes eléctricos como transformadores, rectificadores y condensadores tienen una resistencia interna la cual es indeseada pero en componentes reales existe. Esta resistencia interna causan perdidas de potencia cuando son atravesadas o una corriente según la ley de Ohm de P = R * I2 . En el caso de fuente de alimentación la corriente de salida son grandes de decena de amperios los cuales elevados al cuadrado causarían perdidas grandes por cualquier resistencia que se tenga. Para evitar las perdidas las resistencias internas de los componentes deben ser la más mínimo.
Las resistencias internas contribuyen a que el voltaje de salida se disminuye a medida que aumenta la aumenta la corriente de salida. Como es casi imposible tener cero de resistencia interna entonces se utiliza un circuito autorregulado que mantenga la salida de voltaje en el valor que deseamos: 13,8 voltios.

Como podemos lograr esto, sería el tema de nuestro próximo artículo.