Principios Esenciales de Transformadores y Circuitos Rectificadores

Fundamentos de Transformadores Eléctricos

Los transformadores son dispositivos esenciales en sistemas eléctricos para modificar los niveles de tensión y corriente. A continuación, se abordan sus principios básicos y características fundamentales.

Funcionamiento y Características del Transformador

1. Dibuja un transformador y explica a grandes rasgos cómo funciona.

Al conectar la bobina primaria a una tensión alterna, se produce en el núcleo de hierro un flujo magnético variable de carácter senoidal. Este flujo variable corta los conductores del bobinado secundario, e induce una fuerza electromotriz (FEM) en el secundario, lo que genera una tensión de salida.

2. Entre los bobinados y las tensiones en primario y secundario, ¿qué se cumple? ¿Cómo se llama esta relación?

Se cumple una relación directa entre el número de espiras de los bobinados y las tensiones inducidas. Esta relación se conoce como Relación de Transformación (m) y se expresa como:

m = N2 / N1 = V2 / V1

• Si N1 es igual a N2, entonces la tensión V2 es igual a la tensión V1.
• Si N2 tiene mayor número de espiras que N1, la tensión V2 es mayor que V1 (transformador elevador).
• Si N2 tiene menor número de espiras que N1, la tensión V2 es menor que V1 (transformador reductor).

3. ¿Cómo será la tensión de salida si el bobinado primario tiene más espiras que el secundario (N1 > N2)?

Si el bobinado primario (N1) tiene más espiras que el secundario (N2), la tensión de salida (V2) será menor que la tensión de entrada (V1). Este tipo de transformador se denomina reductor.

4. ¿Cómo será la tensión de salida si el bobinado primario tiene menos espiras que el secundario (N1 < N2)?

Si el bobinado primario (N1) tiene menos espiras que el secundario (N2), la tensión de salida (V2) será mayor que la tensión de entrada (V1). Este tipo de transformador se denomina elevador. La corriente sí circulará, ya que el transformador está diseñado para transferir energía.

5. ¿Cómo se calcula la potencia nominal de un transformador?

La potencia nominal de un transformador se calcula obteniendo el producto de su tensión nominal primaria por la intensidad de la corriente nominal primaria. También puede calcularse con los valores secundarios, ya que, idealmente, la potencia de entrada es igual a la de salida (P1 = P2).

P_nominal = V_primaria * I_primaria = V_secundaria * I_secundaria

6. ¿Qué valoración es necesaria a la hora de elegir un transformador para un circuito?

Es necesario realizar una valoración precisa de la potencia que va a demandar dicho circuito. El transformador debe ser capaz de suministrar la potencia requerida sin sobrecargarse, considerando también las pérdidas y la eficiencia.

Circuitos Rectificadores: Conversión de CA a CC

Los rectificadores son circuitos electrónicos que convierten la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC) pulsante. Existen diferentes tipos, siendo los más comunes el de media onda, el de onda completa con toma central y el de puente.

Rectificador de Media Onda

7. Dibuja lo que entra en un rectificador de Media Onda y lo que sale. ¿Qué observas? ¿Cómo es esa corriente?

En un rectificador de Media Onda, la entrada es una corriente alterna (CA) senoidal. La salida es una corriente continua (CC) pulsante, donde solo se aprovecha un semiciclo (positivo o negativo) de la señal de entrada. Se observa que la tensión de salida es intermitente y no es una CC pura.

8. Dibuja un rectificador de Media Onda y explica cómo obtenemos esa salida.

Cuando la tensión de entrada es positiva y supera la tensión de umbral del diodo (aproximadamente 0.7V para silicio), el diodo se polariza directamente y permite el paso de la corriente. Esta corriente circula por la resistencia de carga (R_L), generando una tensión de salida pulsante de corriente continua (CC). Durante el semiciclo negativo, el diodo se polariza inversamente y bloquea el paso de la corriente, resultando en una tensión de salida nula.

9. ¿Qué intensidad circula por la resistencia (R_L)? ¿Y por el diodo?

La intensidad que circula por la resistencia de carga (R_L) es la misma que atraviesa el diodo rectificador durante el semiciclo de conducción. Se calcula mediante la Ley de Ohm:

I_CC = V_CC / R_L

Donde V_CC es la tensión media de salida en la carga.

10. En el primer semiciclo de la CA que se aplica al rectificador, ¿qué tensión soporta el diodo? ¿Y en el segundo semiciclo? ¿Por qué?

• Primer semiciclo (conducción): El diodo soporta una tensión muy baja, aproximadamente su tensión de umbral (V_f ≈ 0.7V para silicio), ya que está polarizado directamente y conduciendo.
• Segundo semiciclo (no conducción): El diodo soporta la tensión inversa máxima (PIV - Peak Inverse Voltage) de la señal de entrada. Esto ocurre porque está polarizado inversamente y bloquea el paso de la corriente, actuando como un circuito abierto y soportando la tensión completa del semiciclo inverso.

Rectificadores de Onda Completa (Doble Onda y Puente)

11. Dibuja lo que entra en un rectificador de Doble Onda y lo que sale. ¿Qué observas? ¿Qué diferencia hay con el de Media Onda?

En un rectificador de Doble Onda (ya sea con toma central o de puente), la entrada es una corriente alterna (CA) senoidal. La salida es una corriente continua (CC) pulsante que aprovecha ambos semiciclos de la señal de entrada, invirtiendo el semiciclo negativo para que también contribuya a la salida positiva.

La principal diferencia con el rectificador de Media Onda es que el de Doble Onda produce una salida con pulsaciones más frecuentes y de menor amplitud, lo que facilita su posterior filtrado para obtener una CC más pura. No hay periodos de tensión nula en la salida, a diferencia del rectificador de Media Onda.

12. ¿Cuánto vale la corriente que pasaría por la resistencia de carga R_L?

La corriente media que pasaría por la resistencia de carga R_L se calcula, al igual que en el rectificador de media onda, mediante la Ley de Ohm, pero considerando la tensión media de salida para onda completa:

I_CC = V_CC / R_L

Donde V_CC es la tensión media de salida para el rectificador de onda completa.

13. ¿Y la corriente que pasaría por los diodos? ¿Por qué es ese valor?

En un rectificador de onda completa con toma central, cada diodo conduce solo durante un semiciclo, por lo que la corriente que pasa por cada diodo es la mitad de la corriente total de carga (I_D = I_L/2). En un puente rectificador, dos diodos conducen simultáneamente en cada semiciclo, y la corriente por cada diodo es aproximadamente la corriente de carga (I_D ≈ I_L).

Es crucial que la corriente que atraviesa los diodos no supere su corriente nominal máxima especificada por el fabricante, ya que de lo contrario el diodo podría dañarse o quemarse.

14. El diodo que no conduce, ¿qué tensión tiene que soportar? ¿Por qué? ¿Y el que conduce?

• Diodo que no conduce (polarizado inversamente): Debe soportar la tensión inversa máxima (PIV) del circuito. En un rectificador de onda completa con toma central, cada diodo soporta el doble de la tensión pico del secundario del transformador (2V_p). En un puente rectificador, cada diodo soporta la tensión pico del secundario (V_p). Esto ocurre porque el diodo bloquea la corriente y actúa como un circuito abierto, soportando la caída de tensión completa a través de él.
• Diodo que conduce (polarizado directamente): Soporta una tensión muy baja, su tensión de umbral o caída de tensión directa (V_f), que es típicamente de 0.7V para diodos de silicio. Esta pequeña caída de tensión es la que permite la circulación de la corriente.

15. Dibuja un puente rectificador con su símbolo y su señal de entrada y salida.

(Nota: Como profesor, se esperaría que el alumno realizara el dibujo. Aquí se describe la acción esperada.)

16. ¿Cómo es el rectificador de puente?

El rectificador de puente es un circuito de rectificación de onda completa que utiliza cuatro diodos conectados en una configuración de puente. Estos cuatro diodos a menudo se encapsulan en un componente compacto con cuatro terminales (dos para la entrada de CA y dos para la salida de CC).

17. Dibuja un rectificador de puente y explica qué pasa en cada uno de los semiciclos de la CA.

(Nota: Como profesor, se esperaría que el alumno realizara el dibujo. Aquí se explica el funcionamiento.)

• Primer semiciclo (positivo de la CA):
  • Los diodos D1 y D2 (o D2 y D3, dependiendo de la numeración estándar) se polarizan directamente y conducen la corriente.
  • La corriente fluye desde el terminal positivo de la CA, a través de D1, luego por la resistencia de carga (R_L), y regresa a través de D2 al terminal negativo de la CA.
  • La tensión de salida en R_L es positiva.
• Segundo semiciclo (negativo de la CA):
  • Los diodos D3 y D4 (o D1 y D4) se polarizan directamente y conducen la corriente.
  • La corriente fluye desde el terminal que ahora es positivo de la CA, a través de D3, luego por la resistencia de carga (R_L) en la misma dirección que en el semiciclo anterior, y regresa a través de D4 al terminal que ahora es negativo de la CA.
  • La tensión de salida en R_L también es positiva, invirtiendo el semiciclo negativo de la entrada.

De esta manera, ambos semiciclos de la CA se convierten en pulsaciones positivas en la salida, resultando en una rectificación de onda completa.