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Construya su Propio Transformador
Por Harold P. Strand PARTE I - EL DISEÑO
EL DISEÑAR y construir pequeños transformadores monofásicos, como los empleados por experimentadores en electricidad y radio-técnicos, constituye una ocupación interesante e instructiva. Aun cuando es posible comprar transformadores de voltajes corrientes, con frecuencia se requieren voltajes especiales para tareas experimentales o aparatos nuevos. Es mucho más económico el construir uno mismo tal transformador que encargar su construcción a terceros.
Un transformador elemental consiste de un núcleo de hierro laminado sobre el cual se envuelve una bobina de alambre aislado. Esta bobina puede ser de devanado simple, con empalmes, como un transformador de automóvil, o compuesto de dos bobinas separadas, como en las Figs. 1 y 5. Este último tipo de devanado, siendo el más común, será discutido en este artículo.
Como se indica en la Fig. 5, una de estas bobinas lleva el nombre de "bobina primaria," ,o "primario" simplemente, y está conectada a la entrada de corriente. La segunda bobina, desde la cual se toma la energía, se llama "bobina secundaria," o "secundario," y tendrá mayor o menor número de vueltas que el primario, según el caso. El núcleo se compone de placas o láminas de acero de silicio, pues la inversión constante del flujo de la corriente alterna produce contra-corrientes en un núcleo de hierro macizo. Por lo tanto, si se empleara un núcleo de hierro macizo, se produciría un recalentamiento en el transformador. El laminado tiende a quebrar dichas contracorrientes.
Para resumir, la teoría del funcionamiento de un transformador es la siguiente: El voltaje de la línea envía una corriente por el primario, produciéndose de ese modo el campo magnético (líneas de fuerzas invisibles) dentro del núcleo de hierro. Como dicho núcleo también rodea al secundario, el campo magnético, que aumenta y disminuye ala par de la corriente alterna, atraviesa las espiras del secundario y, por las leyes de inducción magnética, induce un voltaje en este devanado. Si se cierra el circuito del secundario mediante el agregado de una carga, fluirá una corriente en el mismo. El voltaje inducido en el secundario es directamente proporcional al número de vueltas de éste, en comparación con el número de vueltas del primario, a excepción de una ligera pérdida que se explicará más adelante. Por ejemplo, con 100 vueltas en la, bobina primaria y 200 en la secundaria, al aplicarse 100 voltios al primario, se inducirán 200 voltios en el secundario. El transformador también se regula por sí mismo, es decir" automáticamente. Cuando se aplica el voltaje de línea al primario, una fuerza electro-motora contrarrestante, o voltaje, es inducida en ese devanado. Este voltaje es prácticamente igual al voltaje de las líneas sin carga alguna. Estando el secundario abierto, este voltaje contrario impide que fluya corriente en el primario, a excepción de una cantidad muy pequeña. Por consiguiente, un transformador sin carga no toma casi corriente alguna de la línea. La pequeña corriente que toma se denomina "corriente excitadora" y sirve para producir el campo magnético en el núcleo del transformador.

Cuando se conecta una carga al secundario, la corriente inducida en él debe, de acuerdo con la ley de Lenz, fluir en dirección tal que se oponga al campo magnético del núcleo. Esta oposición tiende a reducir la intensidad del campo magnético, lo cual, a su vez; reduce la contracorriente electro-motora. Como esta última se opone al flujo de la corriente en el primario, resulta evidente que, al reducirse, se permitirá que más corriente fluya por el primario, para satisfacer los requisitos de un aumento de carga en el secundario. De este modo, el transformador actúa de un modo similar a una válvula reguladora automática. El primer paso que se debe tener en cuenta al diseñar un transformador, son las dimensiones del núcleo y su relación con una magnitud de voltamperios o "capacidad nominal." Para beneficio del diseñador aficionado, la tabla No. 4 puede ser usada como guía general. Esto no quiere decir que se deba seguir siempre exactamente; ya que, si se emplea menor cantidad de hierro en el núcleo, deberá compensarse esta situación con un mayor número de vueltas en el primario. Puede verse en la fórmula, Fig. 6, que la relación entre la superficie del núcleo y el número de vueltas es mantenida de modo que se asegure una densidad magnética prudente en el núcleo. Sin embargo, no es buena práctica el usar una cantidad excesiva de hierro o cobre, si han de considerarse las fugas y la eficiencia del transformador. Aun cuando se pueden construir núcleos para transformadores con tiras rectas de acero de silicio, las láminas corrientes de tipo E- Fig. 3, que pueden obtenerse de un transformador en desuso, resultan más convenientes. Lo que más se debe tener en cuenta, al diseñar un transformador, es el espesor que se obtiene al sobreponer las placas laminadas, medido como en la Fig. 2, la anchura de la sección central, "A," en la Fig. 3, y el área de las aberturas.
El problema que generalmente confrontan los aficionados es determinar el número de vueltas y el espesor del alambre necesario para producir un determinado voltaje con un núcleo disponible determinado. Supóngase, por ejemplo, que la anchura de la sección central de las placas disponibles mida 1 1/4", una de las aberturas mida 5/8" x 1 7/8" y que hay suficientes placas para sobreponerlas hasta formar un espesor de 1 3/4". El área del núcleo es la anchura de la sección central (1.25") multiplicada por el espesor de la pila de placas (1.75") A y E, Figs. 3 y 5, que equivale a 2.19 pulgadas cuadradas. Usando la tabla de la Fig. 4, vemos que esto corresponde a una clasificación de 125 voltamperios a 60 ciclos.
Si usamos el transformador con una línea de 115 voltios y fuese preciso obtener 230 voltios a 0.5 amperios en las salidas del secundario, debemos multiplicar 230 x 0.5, obteniendo entonces 115 voltamperios, lo cual se encuentra lo suficientemente adentro de la clasificación de 125 voltamperios para el núcleo.
Para hallar el número exacto de vueltas en el devanado "primario" deberá usarse la fórmula de la Fig. 6. Colocando los valores correspondientes, dicha fórmula presentaría la siguiente forma:

En esta fórmula, 10^8 toma el lugar de 100,000,000
115 es el voltaje primario
4.44 es un factor
60 es la frecuencia
2.19 es el área del núcleo
65 000 son las líneas de fuerza por pulgada cuadrada del campo magnético.

En el resultado, 303 vueltas pueden redondearse a 300. El próximo paso es dividir 300 por el voltaje de línea (115) para 9btener el número de vueltas por voltio. Esto será de 2.61 aproximadamente. Las vueltas necesarias en el secundario, para cualquier voltaje de salida, se calcularan multiplicando 2.61 por el voltaje deseado. En este caso, se quieren obtener 230 voltios, de manera que: 230 x 2.61=600 vueltas. Las fugas que se producen en el acero o cobre, que deben tenerse en cuenta, pueden compensarse con un aumento de un 4% en el número de vueltas. También debe considerarse la "regulación," es decir, la condición que afecta al voltaje de salida, desde la falta de carga hasta la carga total. Generalmente, un aumento del 2% en el número de vueltas compensara esta condición. De manera que, al aumentar las 600 vueltas calculadas en un 6%, o sea un total de 636 vueltas, se obtendrán los 230 voltios íntegros con una carga de 0.5 amperios.
La tabla de la Fig. 7, muestra la superficie seccional de los alambres de cobre. Si se mueve el punto decimal en la columna de milésimos (mils) circulares tres espacios hacia la izquierda, es posible determinar rápidamente la capacidad de amperaje de cada tamaño. El "secundario" manejara 0.5 amperios y, en base a la tabla, el alambre No.23, de 509 milésimos circulares, es el tamaño más cercano. Para determinar la corriente.. en el primario, divida la clasificación de voltamperios (capacidad nominal) (1l5y por el voltaje "primario" (115), resultando esto en un amperio. Como los transformadores nunca funcionan con una eficacia del cien por ciento, es conveniente agregar un diez por ciento, es decir, elevar el total a 1.1 amperios. En ese caso, el alambre No.19, de 1288 milésimos circulares, es el tamaño más cercano. Este artículo continúa en el número próximo de "Mecánica Popular." En él se suministrará información detallada y completa con respecto a la construcción practica del transformador.

Fuente: Revista Mecánica Popular - Volumen 6 - Abril 1950 - Número 4


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Idea original de Mi Mecánica Popular por: Ricardo Cabrera Oettinghaus