Diferencia potencial en transformadores: relación y fórmulas

Publicado el 4 noviembre, 2020

Juguetes transformadores

Hay juguetes populares que comienzan como un solo objeto, como un automóvil, y mediante algunas manipulaciones de sus partes articuladas, se convierten en un robot andante. Se “transformó” de un objeto a otro. Esta es una analogía de lo que hace un transformador eléctrico. Toma un voltaje y lo cambia. Veamos cómo funciona.

Sube y baja

Un transformador eléctrico es un núcleo de hierro cuadrado o rectangular envuelto en dos juegos diferentes de cables. Hay dos tipos de transformadores, elevador y reductor. Un elevador transformador cambia una tensión en una tensión más grande. Un paso hacia abajo transformador cambia una tensión en una tensión menor. Para ambos transformadores, se induce un campo magnético en el núcleo de hierro que impulsa este cambio de voltaje.


Diagrama 1. Transformador elevador
aumentar

Observe que hay menos bucles en la bobina primaria en comparación con la bobina secundaria en el transformador elevador.


Diagrama 2. Transformador reductor
stepdown

Un transformador reductor tiene más bucles en la bobina primaria en comparación con la bobina secundaria.

Voltaje de entrada y voltaje de salida

La relación de bobinas alrededor de cada lado de la barra de hierro determina cuánto cambia el voltaje del lado primario al secundario.


Ecuación 1
ecuación_de_bobina

  • N p es el número de vueltas en la bobina primaria.
  • N s es el número de vueltas en la bobina secundaria.
  • V p es el voltaje en la bobina primaria en voltios.
  • V s es el voltaje en la bobina secundaria en voltios.

Veamos cómo funciona esto en un ejemplo.

Ejemplo 1

Aviso: 250 voltios entran en la bobina primaria que tiene 20 vueltas. La bobina secundaria es de 100 vueltas. ¿Cuál es el voltaje en la bobina secundaria?

Solución: Resolvamos la Ecuación 1 para V s .

Ex1EQ

Ahora podemos conectar los valores.

Ex1_math

Podemos ver que el aumento de vueltas de la bobina secundaria aumenta cinco veces el voltaje porque hay cinco veces el número de vueltas en la bobina secundaria en comparación con la bobina primaria.

Transferencia de energía

La energía es la capacidad de realizar un trabajo medida en julios. La transferencia de energía nunca es 100% eficiente ya que siempre se pierde algo de energía en forma de calor y sonido. Si está cerca de un transformador, puede escucharlos zumbar. Dicho esto, los transformadores no pierden mucha energía como calor y sonido porque no tienen partes móviles asociadas con ellos. La mayor parte de la energía perdida como calor y sonido en las transferencias de energía puede atribuirse a la fricción entre las partes móviles. La eficiencia del transformador eléctrico es generalmente superior al 95%.

Transferencia de poder

La potencia es la tasa a la que se usa la energía, medida en vatios. Dado que los transformadores son altamente eficientes, fingiremos que no hay pérdida de energía y, a su vez, no hay pérdida de energía en el aumento o disminución del voltaje. La energía eléctrica es la corriente (amperaje) multiplicada por el voltaje. Existe una relación inversa entre la corriente y el voltaje en la energía eléctrica. Si uno sube, el otro baja.


Ecuación 2
poder

  • V p y V s todavía representan voltajes primarios y secundarios en voltios (V).
  • I p es la corriente primaria en amperios (A).
  • I s es la corriente secundaria en amperios (A).

Trabajemos un ejemplo que muestra la transferencia de potencia en un transformador eléctrico.

Ejemplo 2

Aviso: La bobina primaria de un transformador reductor es de 1000 voltios y 10 amperios de corriente. ¿Cuál es el amperaje que sale de la bobina secundaria si tiene 100 voltios?

Solución: Reorganicemos la ecuación de la energía eléctrica resolviendo para I s .

Es

Ahora podemos conectar los valores para obtener el amperaje secundario.

ex2_math

Podemos ver que el amperaje aumentó significativamente, lo que muestra una relación inversa entre la corriente y el voltaje.

Aplicaciones

Se pierde mucho voltaje cuando la electricidad se transfiere a través de líneas eléctricas largas. Esto significa que el voltaje que sale de la planta de energía debe aumentarse significativamente a cientos de miles de voltios para asegurarse de que haya suficiente al final de la línea. Se utiliza un transformador elevador para aumentar el voltaje.

El voltaje en aplicaciones industriales puede ser cercano a los 500 voltios, y los voltajes domésticos típicos oscilan entre 120 y 240 voltios. Se utiliza un transformador reductor para disminuir el voltaje de la línea eléctrica principal antes de que se distribuya para uso industrial y residencial.

Resumen de la lección

Los transformadores eléctricos son núcleos de hierro cuadrados o rectangulares envueltos con bobinas de alambre separadas con diferente número de vueltas.

A step-up transformador tiene más vueltas en la bobina secundaria que en la bobina primaria. El voltaje en la bobina secundaria es más alto que en la bobina primaria.

Un paso hacia abajo transformador tiene más vueltas en la bobina primaria que en la bobina secundaria. El voltaje en la bobina secundaria es menor que en la bobina primaria.

La relación entre el número de bobinas y el voltaje es

coil_eq

La energía es la capacidad de realizar un trabajo medida en julios. Los transformadores eléctricos son muy eficientes porque no tienen partes móviles que creen fricción, lo que libera energía en forma de calor y sonido.

La potencia es la velocidad a la que se utiliza la energía, medida en vatios. La energía eléctrica es la corriente multiplicada por el voltaje y, dado que la energía se transfiere de manera eficiente en un transformador eléctrico, la entrada debe ser igual a la salida:

( V p ) ( I p ) = ( V s ) ( I s )

Los transformadores elevadores aumentan los voltajes para transmitir por líneas eléctricas de larga distancia porque esta transferencia de energía eléctrica a través de líneas eléctricas de larga distancia no es muy eficiente. Los transformadores reductores se utilizan para reducir el voltaje a los niveles adecuados para uso industrial y residencial.

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