Se fabrican diversos tipos de transformadores eléctricos para diferentes propósitos. A pesar de sus diferencias de diseño, los distintos tipos emplean el mismo principio básico descubierto en 1831 por Michael Faraday y comparten varias partes funcionales clave.
Este es el tipo de transformador más común, ampliamente utilizado en la transmisión de energía eléctrica y en electrodomésticos para convertir el voltaje de la red en bajo voltaje para alimentar dispositivos electrónicos. Están disponibles en potencias que van desde mW a MW. Las laminaciones aisladas minimizan las pérdidas por corrientes parásitas en el núcleo de hierro.
Los pequeños electrodomésticos y los transformadores electrónicos pueden utilizar una bobina dividida, lo que proporciona un alto nivel de aislamiento entre los devanados. Los núcleos rectangulares se componen de estampados, a menudo en pares de formas EI, pero a veces se utilizan otras formas. Se pueden instalar protectores entre el primario y el secundario para reducir la EMI (interferencia electromagnética) o, ocasionalmente, se utiliza un devanado de pantalla.
Los transformadores electrónicos y de electrodomésticos pequeños pueden tener un corte térmico incorporado en el devanado, para cortar la energía a altas temperaturas y evitar un mayor sobrecalentamiento.
Los transformadores toroidales en forma de rosquilla ahorran espacio en comparación con los núcleos EI y pueden reducir el campo magnético externo. Estos utilizan un núcleo en forma de anillo, bobinas de cobre envueltas alrededor de este anillo (y por lo tanto enhebradas a través del anillo durante el bobinado) y cinta aislante.
Los transformadores toroidales tienen un campo magnético externo más bajo en comparación con los transformadores rectangulares y pueden ser más pequeños para una potencia nominal determinada. Sin embargo, su fabricación cuesta más, ya que el bobinado requiere equipos más complejos y más lentos.
Se pueden montar con un perno en el centro, usando arandelas y almohadillas de goma o encapsulando en resina. Se debe tener cuidado de que el perno no forme parte de una espira de cortocircuito.
Un autotransformador consta de un solo devanado que se conecta en algún punto a lo largo del devanado. Se aplica voltaje a través de un terminal del devanado y se produce un voltaje mayor (o menor) en otra parte del mismo devanado. La potencia nominal equivalente del autotransformador es inferior a la potencia nominal de carga real. Se calcula mediante: carga VA × (|Vin – Vout|)/Vin. [2] Por ejemplo, un autotransformador que adapta una carga de 1000 VA nominal a 120 voltios a un suministro de 240 voltios tiene una clasificación equivalente de al menos: 1000 VA (240 V – 120 V) / 240 V = 500 VA. Sin embargo, la clasificación real (que se muestra en la placa de registro) debe ser de al menos 1000 VA.
Para relaciones de voltaje que no exceden aproximadamente 3:1, un autotransformador es más barato, más liviano, más pequeño y más eficiente que un transformador aislante (de dos devanados) del mismo valor nominal. [3] Los grandes autotransformadores trifásicos se utilizan en sistemas de distribución de energía eléctrica, por ejemplo, para interconectar redes de subtransmisión de 220 kV y 33 kV u otros niveles de alto voltaje. [ cita necesaria ]
Al exponer parte de las bobinas de un autotransformador y realizar la conexión secundaria a través de una escobilla de carbón deslizante , se puede obtener un autotransformador con una relación de vueltas casi continuamente variable, lo que permite un amplio ajuste de voltaje en incrementos muy pequeños.
El regulador de inducción tiene un diseño similar a un motor de inducción de rotor bobinado, pero es esencialmente un transformador cuyo voltaje de salida varía girando su secundario con respecto al primario, es decir, girando la posición angular del rotor. Puede verse como un transformador de potencia que explota campos magnéticos giratorios . La principal ventaja del regulador de inducción es que, a diferencia de los variacs, son prácticos para transformadores de más de 5 kVA. Por tanto, estos reguladores encuentran un uso generalizado en laboratorios de alto voltaje. [4]
Para sistemas polifásicos , se pueden utilizar múltiples transformadores monofásicos, o se pueden conectar todas las fases a un solo transformador polifásico. Para un transformador trifásico, los tres devanados primarios están conectados entre sí y los tres devanados secundarios están conectados entre sí. [5] Ejemplos de conexiones son estrella-triángulo, delta-estrella, delta-delta y estrella-estrella. Un grupo de vectores indica la configuración de los devanados y la diferencia de ángulo de fase entre ellos. Si un devanado está conectado a tierra ( conectado a tierra ), el punto de conexión a tierra suele ser el punto central de un devanado en estrella. Si el secundario es un devanado en triángulo, la tierra se puede conectar a una toma central en un devanado ( delta de tramo alto ) o se puede conectar a tierra una fase (delta con conexión a tierra en la esquina). Un transformador polifásico de propósito especial es el transformador en zigzag . Hay muchas configuraciones posibles que pueden implicar más o menos de seis devanados y varias conexiones de derivación.
Los transformadores de conexión a tierra permiten que los suministros de sistemas polifásicos de tres cables (delta) acomoden cargas de fase a neutro al proporcionar una ruta de retorno para la corriente a un neutro. Los transformadores de puesta a tierra suelen incorporar un transformador de devanado único con una configuración de devanado en zigzag, pero también se pueden crear con una conexión de transformador de devanado aislado estrella-triángulo.
Este es un tipo especializado de transformador que se puede configurar para ajustar la relación de fase entre la entrada y la salida. Esto permite controlar el flujo de energía en una red eléctrica , por ejemplo, para desviar los flujos de energía de un enlace más corto (pero sobrecargado) a un camino más largo con exceso de capacidad.
Un transformador de frecuencia variable es un transformador de potencia trifásico especializado que permite ajustar continuamente la relación de fase entre los devanados de entrada y salida girando una mitad. Se utilizan para interconectar redes eléctricas con la misma frecuencia nominal pero sin coordinación de fases síncrona.
Un transformador de fuga, también llamado transformador de campo parásito, tiene una inductancia de fuga significativamente mayor que otros transformadores, a veces aumentada por una derivación magnética o una derivación en su núcleo entre primario y secundario, que a veces se puede ajustar con un tornillo de fijación. Esto proporciona al transformador una limitación de corriente inherente debido al acoplamiento flojo entre sus devanados primario y secundario. La inductancia de cortocircuito ajustable actúa como parámetro limitador de corriente.
Las corrientes de salida y entrada se mantienen lo suficientemente bajas como para evitar una sobrecarga térmica bajo cualquier condición de carga, incluso si el secundario está en cortocircuito.
Los transformadores de fuga se utilizan para soldadura por arco y lámparas de descarga de alto voltaje ( luces de neón y lámparas fluorescentes de cátodo frío , que se conectan en serie hasta 7,5 kV CA). Actúa como transformador de tensión y como balastro magnético .
Otras aplicaciones son los transformadores de muy baja tensión a prueba de cortocircuitos para juguetes o instalaciones de timbres .
Un transformador resonante es un transformador en el que uno o ambos devanados tiene un condensador a través de él y funciona como un circuito sintonizado . Utilizados en radiofrecuencias , los transformadores resonantes pueden funcionar como filtros de paso de banda de alto factor Q. Los devanados del transformador tienen núcleos de aire o ferrita y el ancho de banda se puede ajustar variando el acoplamiento ( inductancia mutua ). Una forma común es el transformador IF ( frecuencia intermedia ), utilizado en receptores de radio superheterodinos . También se utilizan en transmisores de radio.
Los transformadores resonantes también se utilizan en balastros electrónicos para lámparas de descarga de gas y fuentes de alimentación de alto voltaje. También se utilizan en algunos tipos de fuentes de alimentación conmutadas . [6] Aquí el valor de la inductancia de cortocircuito es un parámetro importante que determina la frecuencia de resonancia del transformador resonante. A menudo, sólo el devanado secundario tiene un condensador resonante (o capacitancia parásita) y actúa como un circuito de tanque resonante en serie. Cuando la inductancia de cortocircuito del lado secundario del transformador es L sc y el capacitor resonante (o capacitancia parásita) del lado secundario es C r , la frecuencia de resonancia ω s de 1' es la siguiente
El transformador es impulsado por un pulso u onda cuadrada para mayor eficiencia, generado por un circuito oscilador electrónico . Cada pulso sirve para impulsar oscilaciones sinusoidales resonantes en el devanado sintonizado y, debido a la resonancia, se puede desarrollar un alto voltaje a través del secundario.
Aplicaciones:
Al disponer las propiedades magnéticas particulares del núcleo de un transformador e instalar un circuito de tanque ferro-resonante (un capacitor y un devanado adicional), se puede disponer un transformador para mantener automáticamente el voltaje del devanado secundario relativamente constante para variar el suministro primario sin necesidad de circuitos adicionales ni manual. ajustamiento. Los transformadores ferro-resonantes funcionan a mayor temperatura que los transformadores de potencia estándar, porque la acción reguladora depende de la saturación del núcleo, lo que reduce la eficiencia. La forma de onda de salida está muy distorsionada a menos que se tomen medidas cuidadosas para evitarlo. Los transformadores de saturación proporcionan un método sencillo y resistente para estabilizar una fuente de alimentación de CA.
Los transformadores de potencia con núcleo de ferrita se utilizan ampliamente en fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS). El núcleo de polvo permite el funcionamiento de alta frecuencia [7] y, por lo tanto, una relación tamaño-potencia mucho menor que los transformadores de hierro laminado.
Los transformadores de ferrita no se utilizan como transformadores de potencia a la frecuencia de la red eléctrica, ya que los núcleos de hierro laminado cuestan menos que un núcleo de ferrita equivalente.
Los fabricantes utilizan láminas de cobre planas o graban patrones en espiral en una placa de circuito impreso para formar los "devanados" de un transformador plano , reemplazando las vueltas de cable utilizadas para fabricar otros tipos. Algunos transformadores planos se venden comercialmente como componentes discretos, otros transformadores planos se graban directamente en la placa de circuito impreso principal y solo necesitan conectar un núcleo de ferrita sobre la PCB. Un transformador plano puede ser más delgado que otros transformadores, lo que resulta útil para aplicaciones de bajo perfil o cuando se apilan varias placas de circuito impreso. [8] Casi todos los transformadores planos utilizan un núcleo plano de ferrita .
Los grandes transformadores utilizados en distribución de energía o subestaciones eléctricas tienen su núcleo y bobinas sumergidos en aceite , que los enfría y aísla. El aceite circula a través de conductos en el serpentín y alrededor del conjunto del serpentín y el núcleo, movido por convección. El aceite se enfría por el exterior del tanque en potencias pequeñas y por un radiador enfriado por aire en potencias más grandes. Cuando se requiere una clasificación más alta, o cuando el transformador está en un edificio o bajo tierra, las bombas de aceite hacen circular el aceite, los ventiladores pueden forzar el aire sobre los radiadores o también se puede usar un intercambiador de calor de aceite a agua. [9]
El aceite de transformador es inflamable, por lo que los transformadores llenos de aceite dentro de un edificio se instalan en bóvedas para evitar la propagación del fuego y el humo de un transformador en llamas. Algunos transformadores se construyeron para utilizar PCB resistentes al fuego , pero debido a que estos compuestos persisten en el medio ambiente y tienen efectos adversos en los organismos, su uso se ha descontinuado en la mayoría de las áreas; por ejemplo, después de 1979 en Sudáfrica. [10] [11] Ahora se utilizan líquidos sustitutos resistentes al fuego, como aceites de silicona .
Los transformadores de potencia de resina fundida encierran los devanados en resina epoxi. Estos transformadores simplifican la instalación ya que son secos, sin aceite refrigerante, por lo que no requieren cámara cortafuegos para instalaciones interiores. El epoxi protege los devanados del polvo y de atmósferas corrosivas. Sin embargo, debido a que los moldes para fundir las bobinas sólo están disponibles en tamaños fijos, el diseño de los transformadores es menos flexible, lo que puede hacerlos más costosos si se requieren características personalizadas (voltaje, relación de espiras, derivaciones). [12] [13]
Un transformador de aislamiento conecta dos circuitos magnéticamente, pero no proporciona una ruta conductora metálica entre los circuitos. Una aplicación de ejemplo sería el suministro de energía para equipos médicos, cuando es necesario evitar cualquier fuga del sistema de energía de CA hacia los dispositivos conectados a un paciente. Los transformadores de aislamiento para fines especiales pueden incluir blindaje para evitar el acoplamiento de ruido electromagnético entre circuitos, o pueden tener aislamiento reforzado para soportar miles de voltios de diferencia de potencial entre los circuitos primario y secundario.
Un transformador de estado sólido es en realidad un convertidor de potencia que realiza la misma función que un transformador convencional, a veces con funcionalidad adicional. La mayoría contiene un transformador de alta frecuencia más pequeño. Puede consistir en un convertidor de CA a CA o un rectificador que alimenta un inversor.
Los transformadores de instrumentos se utilizan normalmente para operar instrumentos desde líneas de alto voltaje o circuitos de alta corriente, aislando de forma segura los circuitos de medición y control de los altos voltajes o corrientes. El devanado primario del transformador está conectado al circuito de alto voltaje o alta corriente, y el medidor o relé está conectado al circuito secundario. Los transformadores de instrumentos también se pueden usar como transformadores de aislamiento para que se puedan usar cantidades secundarias sin afectar el circuito primario. [14]
Las identificaciones de los terminales (ya sea alfanuméricas como H 1 , X 1 , Y 1 , etc. o un punto o punto de color impreso en la caja) indican un extremo de cada devanado, lo que indica la misma polaridad instantánea y fase entre los devanados. Esto se aplica a ambos tipos de transformadores de instrumentos. La identificación correcta de terminales y cableado es esencial para el funcionamiento adecuado de la instrumentación del relé de protección y medición.
Un transformador de corriente (CT) es un dispositivo de medición conectado en serie diseñado para proporcionar una corriente en su bobina secundaria proporcional a la corriente que fluye en su bobina primaria. Los transformadores de corriente se utilizan comúnmente en relés de protección y medición en la industria de energía eléctrica .
Los transformadores de corriente a menudo se construyen pasando una sola vuelta primaria (ya sea un cable aislado o una barra colectora sin aislar) a través de un núcleo toroidal bien aislado envuelto con muchas vueltas de cable. El CT normalmente se describe por su relación de corriente de primario a secundario. Por ejemplo, un CT de 1000:1 proporciona una corriente de salida de 1 amperio cuando fluyen 1000 amperios a través del devanado primario. Las clasificaciones de corriente secundaria estándar son de 5 amperios o 1 amperio, compatibles con instrumentos de medición estándar. El devanado secundario puede ser de relación única o tener varios puntos de derivación para proporcionar una variedad de relaciones. Se debe tener cuidado para asegurarse de que el devanado secundario no se desconecte de su carga de baja impedancia mientras la corriente fluye en el primario, ya que esto puede producir un voltaje peligrosamente alto a través del secundario abierto y puede afectar permanentemente la precisión del transformador.
También se utilizan TC de banda ancha especialmente construidos , generalmente con un osciloscopio , para medir formas de onda de alta frecuencia o corrientes pulsadas dentro de sistemas de energía pulsada . Un tipo proporciona una salida de voltaje que es proporcional a la corriente medida. Otra, llamada bobina de Rogowski , requiere un integrador externo para proporcionar una salida proporcional.
Una pinza amperimétrica utiliza un transformador de corriente con un núcleo dividido que se puede enrollar fácilmente alrededor de un conductor en un circuito. Este es un método común utilizado en instrumentos portátiles de medición de corriente, pero las instalaciones permanentes utilizan tipos de transformadores de corriente más económicos.
Los transformadores de voltaje (VT), también llamados transformadores de potencial (PT), son un tipo de transformador de instrumentos conectado en paralelo, que se utiliza para medición y protección en circuitos de alto voltaje o aislamiento de cambio de fase fasor. Están diseñados para presentar una carga insignificante al suministro que se está midiendo y para tener una relación de voltaje precisa para permitir una medición precisa. Un transformador de potencial puede tener varios devanados secundarios en el mismo núcleo que un devanado primario, para su uso en diferentes circuitos de medición o protección. El primario puede estar conectado fase a tierra o fase a fase. El secundario suele estar conectado a tierra en un terminal.
Hay tres tipos principales de transformadores de tensión (VT): electromagnéticos, condensadores y ópticos. El transformador de tensión electromagnético es un transformador bobinado. El transformador de voltaje del capacitor utiliza un divisor de potencial de capacitancia y se usa a voltajes más altos debido a su menor costo que un TT electromagnético. Un transformador de tensión óptica aprovecha las propiedades eléctricas de los materiales ópticos. [15] La medición de altas tensiones es posible mediante los transformadores de potencial. Un transformador de tensión óptico no es estrictamente un transformador, sino un sensor similar a un sensor de efecto Hall .
Un transformador de medida combinado encierra un transformador de corriente y un transformador de tensión en el mismo transformador. Hay dos diseños principales de transformadores combinados de corriente y tensión: aislados con papel de aceite y aislados con SF 6 . [16] Una ventaja de aplicar esta solución es la reducción del espacio ocupado por la subestación , debido a la reducción del número de transformadores en una bahía, estructuras de soporte y conexiones, así como menores costos de obras civiles, transporte e instalación. [17]
Un transformador de impulsos es un transformador optimizado para transmitir impulsos eléctricos rectangulares (es decir, impulsos con tiempos de subida y bajada rápidos y una amplitud relativamente constante ). Las versiones pequeñas llamadas tipos de señales se utilizan en lógica digital y circuitos de telecomunicaciones como Ethernet , a menudo para hacer coincidir controladores lógicos con líneas de transmisión . También se denominan módulos transformadores Ethernet.
Las versiones de potencia de tamaño mediano se utilizan en circuitos de control de potencia, como los controladores de flash de las cámaras . Las versiones de mayor potencia se utilizan en la industria de distribución de energía eléctrica para interconectar circuitos de control de bajo voltaje con las puertas de alto voltaje de los semiconductores de potencia . También se utilizan transformadores de impulsos de alto voltaje especiales para generar impulsos de alta potencia para radares , aceleradores de partículas u otras aplicaciones de energía pulsada de alta energía . [18]
Para minimizar la distorsión de la forma del pulso, un transformador de pulso debe tener valores bajos de inductancia de fuga y capacitancia distribuida , y una inductancia de circuito abierto alta. En los transformadores de impulsos de potencia, una capacitancia de acoplamiento baja (entre el primario y el secundario) es importante para proteger los circuitos del lado primario de los transitorios de alta potencia creados por la carga. Por la misma razón, se requiere una alta resistencia de aislamiento y un alto voltaje de ruptura. Es necesaria una buena respuesta transitoria para mantener la forma del pulso rectangular en el secundario, porque un pulso con flancos lentos crearía pérdidas de conmutación en los semiconductores de potencia.
El producto del voltaje máximo del pulso y la duración del pulso (o más exactamente, la integral voltaje-tiempo) se usa a menudo para caracterizar los transformadores de pulso. En términos generales, cuanto más grande sea este producto, más grande y más caro será el transformador.
Los transformadores de impulsos, por definición, tienen un ciclo de trabajo inferior a 1 ⁄ 2 ; cualquier energía almacenada en la bobina durante el pulso debe "desecharse" antes de que el pulso se dispare nuevamente.
Hay varios tipos de transformadores que se utilizan en trabajos de radiofrecuencia (RF), que se distinguen por cómo están conectados sus devanados y por el tipo de núcleos (si los hay) en los que se enrollan las espiras de la bobina.
El acero laminado utilizado para los núcleos de los transformadores de potencia es muy ineficiente en RF, desperdiciando mucha energía de RF en forma de calor, por lo que los transformadores para uso en radiofrecuencias tienden a usar cerámica magnética para los núcleos de bobinado, como hierro en polvo (para frecuencias de onda media y onda corta baja). o ferrita (para onda corta superior ). El material del núcleo alrededor del cual está envuelta una bobina puede aumentar dramáticamente su inductancia (de cientos a miles de veces más que el “aire”), elevando así la Q del transformador . Los núcleos de dichos transformadores tienden a ayudar más al rendimiento en el extremo inferior de la banda de frecuencia para la que fue diseñado el transformador.
Los antiguos transformadores de RF a veces incluían una tercera bobina adicional (llamada devanado tickler) para inyectar retroalimentación en una etapa anterior ( detector ) en los antiguos receptores de radio regenerativos .
Los transformadores llamados de “núcleo de aire” en realidad no tienen ningún núcleo: están enrollados en formas o marcos no magnéticos, o simplemente se mantienen en forma gracias a la rigidez del cable enrollado. Se utilizan para trabajos de muy alta frecuencia y onda corta superior .
La falta de un núcleo magnéticamente reactivo significa una inductancia muy baja por vuelta, lo que requiere muchas vueltas de cable en la bobina del transformador. Toda la corriente directa excita la corriente inversa e induce un voltaje secundario que es proporcional a la inductancia mutua. [19] En VHF , dichos transformadores pueden no ser más que unas pocas vueltas de cable soldadas a una placa de circuito impreso .
Los transformadores con núcleo de ferrita se utilizan ampliamente en transformadores de RF, especialmente para equilibrio de corriente (ver más abajo) y adaptación de impedancia para antenas de radio y televisión. Debido a la enorme mejora en la inductancia que produce la ferrita, muchos transformadores con núcleo de ferrita funcionan bien con sólo una o dos vueltas.
La ferrita es un material cerámico intensamente reactivo magnéticamente elaborado a partir de óxido de hierro (óxido) mezclado con pequeñas fracciones de otros metales o sus óxidos , como magnesio , zinc y níquel . Diferentes mezclas responden mejor a diferentes frecuencias. Debido a que son cerámicas, las ferritas son (casi) no conductoras, por lo que responden sólo a los campos magnéticos creados por corrientes cercanas y no a los campos eléctricos creados por los voltajes que las acompañan.
Para el uso de radiofrecuencia , los transformadores " estranguladores " a veces se fabrican a partir de devanados de líneas de transmisión conectadas en paralelo. A veces los devanados son de cable coaxial , a veces bifilares (cable paralelo pareado); cualquiera de los dos se enrolla alrededor de un núcleo de ferrita , hierro en polvo o "aire". Este estilo de transformador proporciona un ancho de banda extremadamente amplio , pero con esta técnica sólo se puede lograr un número limitado de relaciones de impedancia (como 1:1, 1:4 o 1:9).
Los transformadores de estrangulación a veces se denominan transformadores de línea de transmisión (aunque consulte a continuación un tipo de transformador diferente con el mismo nombre), transformadores Guanella , baluns de corriente o aisladores de línea . Aunque se denomina transformador de "línea de transmisión", se diferencia de los transformadores fabricados a partir de segmentos de línea de transmisión.
En frecuencias de radio y microondas , un transformador de impedancia de cuarto de onda puede proporcionar adaptación de impedancia entre circuitos en un rango limitado de frecuencias, utilizando solo una sección de línea de transmisión de no más de un 1 /4 ola larga. La línea puede ser un cable coaxial, una guía de ondas, una línea de banda o una microcinta . Para frecuencias superiores de VHF y UHF , donde la autorresonancia de la bobina interfiere con el funcionamiento adecuado, suele ser el único método viable para transformar las impedancias de línea.
Los transformadores de frecuencia única se fabrican utilizando secciones de línea de transmisión, a menudo denominadas "sección coincidente" o "corte coincidente". Al igual que el transformador de estrangulación anterior, también se le llama "transformador de línea de transmisión", aunque los dos son muy diferentes en forma y funcionamiento.
A menos que termine en su impedancia característica , cualquier línea de transmisión producirá ondas estacionarias de impedancia a lo largo de su longitud, repitiendo exactamente cada longitud de onda completa y cubriendo su rango completo de valores absolutos en sólo un cuarto de onda . Se puede explotar este comportamiento para transformar corrientes y voltajes conectando secciones de una línea de transmisión con impedancias no coincidentes para crear deliberadamente una onda estacionaria en una línea, y cortar y volver a conectar la línea en la posición donde se alcanza la impedancia deseada, sin requerir nunca más. que un 1 /4 ola de línea no coincidente.
Este tipo de transformador es muy eficiente (muy poca pérdida), pero está muy limitado en el rango de frecuencia en el que funcionará: mientras que el transformador de estrangulamiento, arriba, tiene una banda muy ancha , un transformador de sección de línea tiene una banda muy estrecha.
"Balun" es un nombre genérico para cualquier transformador configurado específicamente para conectarse entre circuitos balanceados (sin conexión a tierra) y desequilibrados (con conexión a tierra). Se pueden fabricar utilizando cualquier tipo de transformador, pero el equilibrio real logrado depende del tipo; por ejemplo, los baluns "estrangulador" producen corriente equilibrada y los baluns de tipo autotransformador producen voltajes equilibrados. Los baluns también se pueden fabricar a partir de configuraciones de línea de transmisión, utilizando cable bifilar o coaxial similar a los transformadores de línea de transmisión en construcción y operación.
Además de interconectar cargas equilibradas y desequilibradas mediante la producción de corriente equilibrada o voltaje equilibrado (o ambos), los baluns también pueden transformar (igualar) por separado la impedancia entre las cargas.
Los transformadores con núcleo de ferrita se utilizan ampliamente en etapas (de frecuencia intermedia) (IF) en receptores de radio superheterodinos . En su mayoría son transformadores sintonizados, que contienen un casquillo de ferrita roscado que se atornilla o desenrosca para ajustar la sintonización IF. Los transformadores generalmente están enlatados (blindados) para mayor estabilidad y para reducir la interferencia.
Los transformadores de audio son aquellos diseñados específicamente para su uso en circuitos de audio para transportar señales de audio . Se pueden utilizar para bloquear interferencias de radiofrecuencia o el componente de CC de una señal de audio, para dividir o combinar señales de audio, o para proporcionar adaptación de impedancia entre circuitos de alta y baja impedancia, como entre la salida de un amplificador de válvula (válvula) de alta impedancia. y un altavoz de baja impedancia , o entre la salida de un instrumento de alta impedancia y la entrada de baja impedancia de una mesa de mezclas . Los transformadores de audio que funcionan con voltajes y corriente de altavoz son más grandes que los que funcionan a nivel de micrófono o de línea, que transportan mucha menos energía. Los transformadores de puente conectan circuitos de comunicación de 2 y 4 hilos .
Al ser dispositivos magnéticos, los transformadores de audio son susceptibles a campos magnéticos externos, como los generados por conductores que transportan corriente alterna. " Zumbido " es un término comúnmente utilizado para describir señales no deseadas que se originan en la fuente de alimentación " red " (normalmente 50 o 60 Hz). [20] Los transformadores de audio utilizados para señales de bajo nivel, como las de micrófonos, a menudo incluyen blindaje magnético para proteger contra señales extrañas acopladas magnéticamente.
Los transformadores de audio se diseñaron originalmente para conectar diferentes sistemas telefónicos entre sí manteniendo sus respectivas fuentes de alimentación aisladas, y todavía se usan comúnmente para interconectar sistemas de audio profesionales o componentes de sistemas, para eliminar zumbidos y zumbidos. Estos transformadores suelen tener una relación de 1:1 entre el primario y el secundario. También se pueden utilizar para dividir señales, equilibrar señales desequilibradas o alimentar una señal equilibrada a equipos desequilibrados. Los transformadores también se utilizan en cajas DI para convertir señales de instrumentos de alta impedancia (por ejemplo, bajo ) en señales de baja impedancia para permitirles conectarse a una entrada de micrófono en la mesa de mezclas .
Un componente particularmente crítico es el transformador de salida de un amplificador de válvulas . Los circuitos de válvulas para una reproducción de calidad se han producido durante mucho tiempo sin otros transformadores de audio (entre etapas), pero se necesita un transformador de salida para acoplar la impedancia relativamente alta (hasta unos pocos cientos de ohmios dependiendo de la configuración) de las válvulas de salida. a la baja impedancia de un altavoz . (Las válvulas pueden entregar una corriente baja a un voltaje alto; los altavoces requieren corriente alta a un voltaje bajo). La mayoría de los amplificadores de potencia de estado sólido no necesitan ningún transformador de salida.
Los transformadores de audio afectan la calidad del sonido porque no son lineales. Añaden distorsión armónica a la señal original, especialmente armónicos de orden impar, con énfasis en los armónicos de tercer orden. Cuando la amplitud de la señal entrante es muy baja, no hay suficiente nivel para energizar el núcleo magnético (ver coercitividad e histéresis magnética ). Cuando la amplitud de la señal entrante es muy alta, el transformador se satura y agrega armónicos debido a un recorte suave. [21] Otra no linealidad proviene de la respuesta de frecuencia limitada. Para una buena respuesta de baja frecuencia se requiere un núcleo magnético relativamente grande; El manejo de alta potencia aumenta el tamaño del núcleo requerido. Una buena respuesta de alta frecuencia requiere devanados cuidadosamente diseñados e implementados sin inductancia de fuga excesiva o capacitancia parásita . Todo esto lo convierte en un componente caro.
Los primeros amplificadores de potencia de audio con transistores a menudo tenían transformadores de salida, pero fueron eliminados cuando los avances en los semiconductores permitieron el diseño de amplificadores con una impedancia de salida suficientemente baja para accionar un altavoz directamente.
De la misma manera que los transformadores crean circuitos de transmisión de energía de alto voltaje que minimizan las pérdidas de transmisión, los transformadores de altavoces pueden alimentar muchos altavoces individuales desde un único circuito de audio operado a voltajes de altavoz más altos que los normales. Esta aplicación es común en aplicaciones de megafonía . Estos circuitos se denominan comúnmente sistemas de altavoces de voltaje constante . Estos sistemas también se conocen por el voltaje nominal de la línea de altavoces, como los sistemas de altavoces de 25 , 70 y 100 voltios (el voltaje correspondiente a la potencia nominal de un altavoz o amplificador). Un transformador aumenta la salida del amplificador del sistema al voltaje de distribución. En las ubicaciones distantes de los altavoces, un transformador reductor hace coincidir el altavoz con el voltaje nominal de la línea, de modo que el altavoz produce una salida nominal nominal cuando la línea está en el voltaje nominal. Los transformadores de altavoces suelen tener varios grifos primarios para ajustar el volumen de cada altavoz en pasos.
Los amplificadores de válvulas (de válvulas) casi siempre utilizan un transformador de salida para igualar el requisito de alta impedancia de carga de las válvulas (varios kiloohmios) con un altavoz de baja impedancia.
Los cartuchos de fonógrafo de bobina móvil producen un voltaje muy pequeño. Para que esto se amplifique con una relación señal-ruido razonable, generalmente se requiere un transformador para convertir el voltaje al rango de los cartuchos de imán móvil más comunes.
Los micrófonos también se pueden adaptar a su carga con un pequeño transformador, que está blindado con mu-metal para minimizar la captación de ruido. Estos transformadores se utilizan menos hoy en día, ya que los buffers transistorizados son ahora más baratos.
En un amplificador push-pull , se requiere una señal invertida y se puede obtener de un transformador con un devanado con derivación central, que se utiliza para accionar dos dispositivos activos en fase opuesta. Estos transformadores divisores de fase no se utilizan mucho en la actualidad.
Un transactor es una combinación de un transformador y un reactor . Un transactor tiene un núcleo de hierro con un entrehierro, que limita el acoplamiento entre los devanados. [22]
Los transformadores Hedgehog se encuentran ocasionalmente en radios caseras de los años 20. Son transformadores de acoplamiento entre etapas de audio caseros.
Se enrolla alambre de cobre esmaltado alrededor de la mitad central de la longitud de un haz de alambre de hierro aislado (por ejemplo, alambre de floristería), para hacer los devanados. Luego, los extremos de los cables de hierro se doblan alrededor del devanado eléctrico para completar el circuito magnético, y el conjunto se envuelve con cinta o cuerda para mantenerlo unido.
Un variómetro es un tipo de inductor de RF de núcleo de aire continuamente variable con dos devanados. [23] Una forma común consistía en una bobina enrollada en una forma cilíndrica hueca corta, con una segunda bobina más pequeña en el interior, montada en un eje de modo que su eje magnético pudiera girar con respecto a la bobina exterior. Las dos bobinas están conectadas en serie. Cuando las dos bobinas son colineales, con sus campos magnéticos apuntando en la misma dirección, los dos campos magnéticos se suman y la inductancia es máxima. Si la bobina interior se gira de modo que su eje forme un ángulo con respecto a la bobina exterior, los campos magnéticos no se suman y la inductancia es menor. Si la bobina interior se gira de manera que sea colineal con la bobina exterior pero sus campos magnéticos apuntan en direcciones opuestas, los campos se cancelan entre sí y la inductancia es muy pequeña o nula. La ventaja del variómetro es que la inductancia se puede ajustar continuamente en un amplio rango. Los variómetros se utilizaron ampliamente en los receptores de radio de la década de 1920. Uno de sus usos principales hoy en día es como bobinas de adaptación de antenas para hacer coincidir los transmisores de radio de onda larga con sus antenas.
El varioacoplador era un dispositivo con una construcción similar, pero las dos bobinas no estaban conectadas sino conectadas a circuitos separados. Por tanto, funcionó como un transformador de RF de núcleo de aire con acoplamiento variable. La bobina interior se puede girar desde un ángulo de 0° a 90° con la exterior, reduciendo la inductancia mutua del máximo a casi cero.
El variómetro de bobina tipo panqueque era otra construcción común utilizada tanto en los receptores como en los transmisores de la década de 1920. Consiste en dos bobinas en espiral planas suspendidas verticalmente una frente a la otra, articuladas en un lado para que una pueda alejarse de la otra en un ángulo de 90° para reducir el acoplamiento. El diseño en espiral plano sirvió para reducir la capacitancia parásita y las pérdidas en las frecuencias de radio.
Los varioacopladores de bobina tipo panqueque o "panal" se utilizaron en la década de 1920 en los receptores de radio regenerativos Armstrong o "tickler" comunes . Una bobina estaba conectada al circuito de rejilla del tubo detector . La otra bobina, la bobina "ticckler", estaba conectada al circuito de placa (salida) del tubo. Devolvió parte de la señal del circuito de placa a la entrada nuevamente, y esta retroalimentación positiva aumentó la ganancia y la selectividad del tubo .
Un transformador rotatorio (rotativo) es un transformador especializado que acopla señales eléctricas entre dos partes que giran entre sí, como alternativa a los anillos colectores , que son propensos al desgaste y al ruido de contacto. Se utilizan comúnmente en aplicaciones de cintas magnéticas de escaneo helicoidal .
Un transformador diferencial variable es un sensor de posición resistente sin contacto. Tiene dos primarios en fases opuestas que nominalmente producen salida cero en el secundario, pero cualquier movimiento del núcleo cambia el acoplamiento para producir una señal.
El resolutor bifásico y el sincronizador trifásico relacionado son sensores de posición giratorios que funcionan en 360° completos. El primario se gira dentro de dos o tres secundarios en diferentes ángulos, y las amplitudes de las señales secundarias se pueden decodificar en un ángulo. A diferencia de los transformadores diferenciales variables, las bobinas, y no solo el núcleo, se mueven entre sí, por lo que se requieren anillos colectores para conectar el primario.
Los solucionadores producen componentes en fase y en cuadratura que son útiles para el cálculo. Los sincronizadores producen señales trifásicas que se pueden conectar a otros sincronizadores para rotarlos en una configuración de generador/motor.
Se pueden acoplar o integrar mecánicamente dos transductores piezoeléctricos en una sola pieza de material, creando un transformador piezoeléctrico .
Un transformador Flyback es un transformador de alto voltaje y alta frecuencia que se utiliza en bolas de plasma y con tubos de rayos catódicos (CRT). Proporciona el alto voltaje de CC del ánodo (a menudo de varios kV) necesario para el funcionamiento de los CRT. Las variaciones en el voltaje del ánodo suministrado por el flyback pueden provocar distorsiones en la imagen mostrada por el CRT. Los flybacks de CRT pueden contener múltiples devanados secundarios para proporcionar otros voltajes más bajos. Su salida suele ser pulsada porque a menudo se utiliza con un multiplicador de voltaje, que puede estar integrado con el flyback.
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