Universidad Nacional de Tucumán Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología Departamento de Física Cátedra de Física Experimental II --- Asignatura: Física III --- Año 2010 Proyecto: Transformador Casero Autores: De Gregorio, Agustín; Ing. Industrial Paz Agustín José; Ing. Industrial Descripción del proyecto: La necesaria conversión de voltajes se consigue mediante el uso de transformadores. Estos funcionan de la siguiente manera: la fuente origina una corriente alterna en la bobina primaria lo cual establece un flujo magnético alterno en el núcleo; de acuerdo con la Ley de Faraday, esto induce una fem en cada devanado. La fem inducida en el secundario da origen a una corriente alterna en el secundario, y éste entrega energía al dispositivo conectado en el secundario. Objetivos: Profundizar a través de la práctica en funcionamiento de un transformador. Observar los fenómenos físicos estudiados y comprobar a base de experimentos las leyes aprendidas Analizar de cerca la Ley de Faraday y los fenómenos de autoinducción. - 1 -
Materiales: Chapa de silicio en forma de E e I para la construcción del núcleo. Este tipo de núcleo laminado sirve para disminuir al máximo el efecto de corrientes parasitas; la gran resistencia eléctrica superficial de cada lamina, debida ya sea a un revestimiento natural de óxido o a un barniz aislante, confina eficazmente las corrientes parasitas a las laminas individuales. Los trayectos posibles de las corrientes parasitas son más estrechos, la fem inducida en cada trayecto es más pequeña, y se reducen considerablemente las corrientes parasitas. Alambres de cobre: Bobinado primario: 0.45 mm de diámetro y 0.16 mm 2 de sección transversal Bobinado secundario: 0.8 mm de diámetro y 0.503 mm 2 de sección transversal Carrete de plástico: elemento donde se llevan a cabo los bobinados tanto primario como secundario Madera para usar de base para el transformador Soportes de chapa para fijar el transformador a la base Tuercas y tornillos Soldador de estaño y estaño Cinta de papel Calibre y regla para las mediciones de longitudes Destornillador y pinza Téster para las mediciones de corrientes y voltajes Cámara fotográfica - 2 -
Experimento: 1) Determinar el voltaje y corriente máxima de salida del transformador. En este caso se optó por un transformador reductor, es decir que disminuya el voltaje de entrada de 220 volts que se obtiene de la red domiciliaria a 12 voltios. En el caso de la corriente se entregaran 1 amperes como máximo. 2) La potencia del transformador depende de la carga conectada a la misma. Esta potencia esta dada por el producto de la tensión secundaria y la corriente secundaria Es decir: Potencia útil = tensión secundaria x corriente secundaria Para el caso de nuestro transformador, la potencia útil sería igual a P=12x1 y esto es igual a 12 watts. 3) Determinación de la sección del núcleo: La sección del núcleo del transformador está determinada por la potencia útil conectada a la carga. Esta sección se calcula mediante la siguiente fórmula: Sección = 1,1 x P Donde: S: es la sección del núcleo en cm². P: es la potencia útil en Watts. En nuestro caso la sección es igual a 3,8 cm². Ahora bien, nuestro núcleo es una sección rectangular, cuyos lados miden: A= 1,6 cm B= 2,4 cm Con estos datos fuimos a comprar las chapas para construir el núcleo. 4) Ahora se calculara el número de vueltas de los bobinados primario y secundario. Para la determinación del número de espiras se utiliza la siguiente expresión: N = V / (f x S x B x 4,4 x 10-8 ) Donde: N1: es el número de espiras del bobinado primario. N2: es el número de espiras del bobinado secundario. f: es la frecuencia de la red domiciliaria en Hertz (Hz). V: es la tensión en un bobinado en Voltios (V). B: es la inducción magnética en el núcleo elegido en Gauss. Este valor puede variar entre 8.000 y 10.000 Gauss para estos tipos de transformadores, así se limitan las perdidas en el hierro. S: es la sección del núcleo en cm². 10-8 : Es una constante que se usa para pasar el flujo de la unidad lineas a la unidad weber que es la del sistema internacional - 3 -
Para el bobinado primario en nuestro caso: N1 = V1 / (f x S x B x 4,4 x 10 8 )= 2631 vueltas Y para el bobinado secundario tenemos: N2 = V2 / (f x S x B x 4,4 x 10 8 )= 144 vueltas. 5) Ahora determinaremos la corriente por el primario, esto servirá como dato para obtener el diámetro de los alambres a utilizar. Para realizar el calculo utilizamos la formula P=VI. En este caso, se tiene en cuenta la potencia de entrada; que es, si se consideran las perdidas de energía que se producen por calentamiento del transformador, etc, la potencia útil mas un diez por ciento. Si despejamos la corriente de la formula obtenemos: I 1 = P entrada / V entrada En nuestro caso es igual a 0,3 amperios. La corriente por el secundario (ya establecida) es de 1 amperios. Conociendo estas corrientes se pudo determinar el diámetro y el área de sección transversal de los alambres haciendo uso de la tabla adjunta 2. 6) Ya consideradas la características principales del transformador, se procedió a su construcción. Para comenzar se realizaron los devanados de las bobinas tanto primario como secundario sobre el carrete. Cuando terminamos el primario se dejó los extremos de éste fuera. Luego se colocó un otro trozo de papel aislante para cubrir el bobinado primario. A continuación se comenzó a bobinar el secundario. Una vez terminado de dar todas las vueltas necesarias, se sacó los extremos del secundario como en el primario. Como dato importante, los bobinados se realizaron en el mismo sentido. Una vez terminado de bobinar el carrete, se procedió a su montaje en el núcleo que a su vez se construyó utilizando las chapas de silicio. Se las colocó una en una, hasta alcanzar las formas y medidas calculadas anteriormente. Una vez terminado el transformador, se lo fijó a una base de madera por medio de chapas como se muestra en la foto. Referencias: Sears, Zemansky, Young, Freedman. Física universitaria Vol. 2. Año 2005. Transformadores Pag. 1201 Resnick, Halliday and Krane. Física Vol. 2. Año 2005. El transformador Pag. 852 La Escuela Del Técnico Electricista - Psor. Hans Von Beeren- tomos II y VII. TRATADO DE ELECTRICIDAD PRACTICA - Croft, Terrell. - 4 -
Calculo de la Efectividad Se conecto una resistencia variable, de la cual se uso un valor fijo, a la salida del transformador y se midió corriente y tensión de entrada y salida Entrada o o V = (230 +/- 1) V I = (0,079 +/- 0,001) A Salida o o V = (12,1 +/- 0,1) V I = (1,00 +/- 0,01) A La eficiencia del transformador esta dada por la formula: = P S / P E P S es la potencia de salida y P E es la potencia de entrada = P S / P E = [(12,1 x 1) / (230 x 0,079) ] x 100% - 5 -
Problema: Hacer cálculos para ver como con una derivación en el primario justo a la mitad y alimentándolo con 110 VAC el transformador trabaja con las mismas características de salida: 12 VAC - 1A Condiciones iniciales 220V / N 1 =12V / N 2 N 2 / N 1 = 18,3 Al reducir la tensión de entrada a la mitad y el número de vueltas del bobinado primario N 1 a la mitad, se mantiene constante la relación. N 2 / N 1 = 18,3 I 1 / I 2 = 18,3 1ª / 18,3 = I 1 I 1 =0,055 A Para obtener la potencia de salida deseada de 12 W, se realiza una conexión en paralelo de la siguiente forma, alimentando cada devanado con 110V De esta forma, con una derivación en el primario justo a la mitad y alimentándolo con 110 VAC el transformador trabaja con las mismas características de salida: 12 VAC - 1A - 6 -
Funcionamiento de un Estabilizador El principio de funcionamiento de este tipo de Estabilizadores de tensión se basa en el uso de un autotransformador eléctrico (variante de un transformador de voltaje) con varias etapas o derivaciones y la conmutación entre ellas dependiendo del valor del voltaje de la entrada. Un esquema simplificado se muestra en la figura 1. Allí si la tensión de entrada es correcta, el paso seleccionado será el B, si la tensión es alta estará en la posición C y si es bajo en la A. Es decir si el voltaje es bajo al conectarse en A se adicionara una fracción de voltaje provisto por el autotransformador y si es alta, al conectarse en C, se le restara una fracción. La elección de la derivación a utilizar es realizada automáticamente, mediante conmutadores que operan controlados por un circuito electrónico de control. Este control electrónico compara una muestra de la tensión de entrada ó salida (depende de los casos) con una referencia interna y actuara en consecuencia. Según donde será tomada la muestra, el equipo trabajara a "lazo abierto" o "realimentado". V 2 = (N 2 /N 1 ) V 1 V 2 se tiene que mantener constante, y N 1 se mantiene Constante. Entonces, si sube la tensión, N 2 tiene que bajar (la llave se conecta al punto C). Por lo contrario, si V 1 baja, N 2 tiene que subir( se conecta al punto A) para que V 2 se mantenga constante. - 7 -
El autotransformador es un transformador donde una parte del devanado es común tanto al primario como al secundario. El principio de funcionamiento es el mismo que el de el transformador común, entonces la relación de transformación entre las tensiones y las corrientes y el número de vueltas se mantiene. Las corrientes primaria y secundaria están en oposición y la corriente total que circula por las espiras en común es igual a la diferencia de la corriente del devanado de baja tensión y el devanado de alta tensión. Para que un autotransformador funcione adecuadamente, los dos devanados deben tener el mismo sentido de bobinado. Autotransformador reductor - Si se aplica una tensión alterna entre los puntos A y B, y se mide la tensión de salida entre los puntos C y D, se dice que el autotransformador es reductor de tensión. Autotransformador elevador relación de vueltas Ns / Np < 1 - Si se aplica una tensión alterna entre los puntos C y D, y se mide la tensión de salida entre los puntos A y B, se dice que el autotransformador es elevador de tensión. Relación de vueltas Ns / Np > 1 En lugar de tener un bobinado de alta tensión de N1 espiras, se debe prever, para el bobinado de baja tensión, con un número N2 de espiras, un número de espiras adicional de N1 - N2. También hay que tomar en cuenta que el conductor de la sección común del bobinado, debe de tener una sección de cobre en función de la diferencia de corrientes entre baja y alta tensión. - 8 -