[LAB] FA: Transformador

• Disminuye el valor de la tensión alterna de entrada (generalmente la línea de energía eléctrica), a un valor mas bajo.
• Su salida es también una tensión alterna que cumple con la fórmula:
  • Donde: Ve y V1 son la tensión de primario y secundario del transformador respectivamente, Np y Ns son el número de vueltas del primario y secundario respectivamente y m la relación de transformación.
• Despejando la tensión de salida del transformador V1: V1 = V_e / m
• Las características fundamentales del transformador son sus tensiones de entrada y salida (en voltios) y la corriente de secundario que es capaz de entregar.
  • Por ejemplo si un transformador es de 220/12V 1A, eso significa que está construido para trabajar con una tensión de 220V en el primario y en esas condiciones entrega en el secundario 12V alternos y una corriente de hasta 1 Amperio.

Campo magnético. La interferencia magnética es un problema importante en la electrónica sensible, y aquí es donde el diseño marca la diferencia.

• Transformadores toroidales producen naturalmente una campo magnético externo mucho más bajo, cerca del 10% de lo que emite un núcleo EI estándar. Esto se debe a su núcleo circular cerrado, que mantiene el campo magnético firmemente contenido. Menos campo disperso significa menos interferencia electromagnética (EMI), lo que hace que los transformadores toroidales sean ideales para dispositivos de audio, médicos y de precisión.
• Transformadores EI estándar, con sus núcleos abiertos y laminados, permiten más flujo magnético disperso. Esto puede causar más interferencias electromagnéticas (EMI) en los componentes cercanos. Sin embargo, en algunos casos, su estructura puede ayudar como filtrar el ruido de alta frecuencia de la línea eléctrica, algo en lo que los toroides no siempre son buenos.
• Por lo tanto, si su diseño es sensible a las interferencias EMI, el formato toroidal suele ser la mejor opción.

Transformador toroidal

• Ventajas
  1. Son compactos y ligeros, ocupan menos espacio y pesan menos que los convencionales.
  2. Ofrecen alta eficiencia, típicamente entre 90-95%, con pérdidas de energía muy bajas.
  3. Producen menos ruido y vibración, lo que los hace ideales para aplicaciones sensibles al sonido.
  4. Tienen un campo magnético disperso muy bajo, reduciendo interferencias electromagnéticas en circuitos cercanos.
• Inconvenientes
  1. Su fabricación es más compleja y costosa.
  2. Requieren gestión cuidadosa de la corriente de entrada alta en el arranque para evitar daños o disparos en dispositivos.
  3. Su potencia nominal suele estar limitada a unos 25 kVA para evitar problemas de sobretensión.

Transformador estandar (EI)

• Ventajas
  1. Su diseño y construcción son más sencillos y económicos.
  2. Adecuados para aplicaciones de alta potencia y grandes volúmenes de producción.
  3. La corriente de arranque es menor gracias a espacios de aire en el núcleo, facilitando la estabilidad al encendido.
  4. Son robustos y más tolerantes a condiciones eléctricas adversas.
• Inconvenientes
  1. Más grandes y pesados, ocupan más espacio.
  2. Menor eficiencia (<90%) con más pérdidas energéticas.
  3. Generan más ruido y vibración durante su funcionamiento.
  4. Tienen un campo magnético disperso más alto, pudiendo causar interferencias en circuitos sensibles.

En resumen

• El transformador toroidal es preferible cuando el tamaño reducido, la eficiencia alta y la reducción de ruido e interferencias son prioridades.
• El transformador estándar es ideal para aplicaciones de alta potencia, bajo costo y situaciones donde el tamaño no es crítico.

• Un transformador toroidal de 300 VA con secundario de 48 V puede suministrar aproximadamente 6,25 A de corriente máxima en el secundario, calculado como potencia dividida por voltaje (P = V × I).
• Cálculo básico
  • La corriente nominal se obtiene dividiendo la potencia aparente (300 VA) por la tensión del secundario: I = 300/48 ≈ 6,25 A.
  • Esta fórmula se aplica a transformadores toroidales estándar, asumiendo un factor de potencia cercano a 1 en cargas resistivas.
• Consideraciones prácticas
  • En configuraciones reales de 2 × 24 V (serie para 48 V), se especifican corrientes de 6 A o 6,25 A por devanado.
  • La corriente máxima depende de la carga, temperatura (clase A, hasta 105 °C) y regulación (±5%), pudiendo reducirse en sobrecargas para evitar sobrecalentamiento.
• Ejemplo de medidas e instalación

Para una fuente de alimentación lineal de laboratorio, el transformador toroidal es más recomendable que el estándar (EI o de armadura F), gracias a su mayor eficiencia, menor generación de ruido electromagnético y diseño más compacto.

• Ventajas del toroidal
  1. Mayor rendimiento energético (hasta >90%), con menores pérdidas por calor y corrientes de Foucault, ideal para mantener estabilidad en mediciones precisas de laboratorio.
  2. Bajo nivel de interferencia electromagnética y vibración silenciosa, lo que reduce el rizado y protege circuitos sensibles como osciloscopios o reguladores lineales.
  3. Tamaño y peso reducidos, facilitando la integración en bancadas de trabajo compactas.
• Desventajas y consideraciones
  • Los transformadores estándar son más económicos y fáciles de conseguir, pero generan más calor y ruido, lo que puede afectar la precisión en entornos de laboratorio.
  • Asegúrarse de seleccionar un toroidal con devanados de cobre separados y sobredimensionado para la corriente (ej. 20-50% extra) para evitar saturación.
  • En diseños DIY, verificar la tensión RMS y pico para rectificadores como el GBJ5010, priorizando aislamiento galvánico.

Enlaces

1. Fuentes de Alimentación Laboratorio
2. Fuentes de alimentación lineales. Parte 1
3. Fuente de alimentación lineal
4. Trafos toroidales
   1. ¿Para qué se utilizan los transformadores toroidales? Guía completa
   2. Comparativa del uso de transformador toroidal VS elevación electrónica en los inversores
   3. Transformadores toroidales: Eficiencia mejorada en electrotecnia
   4. ¿Para qué se utilizan los transformadores toroidales? Guía completa
   5. ¿Cómo la forma toroidal reduce la interferencia electromagnética y mejora la eficiencia en transformadores e inductores?
   6. Guía técnica de transformadores de potencia toroidales
   7. Optimizing Toroidal Transformer Design
   8. 12 pasos para el diseño de transformadores toroidales
   9. Transformadores toroidales vs. transformadores estándar: Comparación clave
   10. Toroidal Transformers: Operating Principles and Advantages
   11. Design Formulas for the Leakage Inductance of Toroidal Distribution Transformers (PDF)
   12. Toroidal Transformers: An In-Depth Exploration
5. EMI
   1. Practical EM Shielding
   2. Cómo disminuir las interferencias electromagnéticas
   3. Las interferencias electromagnéticas
   4. Soluciones para perturbaciones electromagnéticas industriales. (Parte 2/4)

Vídeos

1. Youtube: Transformador toroidal, cómo calcular el voltaje DC simétrico/AC
2. Youtube: Cálculo y selección de componentes de una fuente de alimentación lineal (Parte 1)