Diseño y construcción de un transformador
INTRODUCCIÓN: EL DIS EÑAR 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. E s 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. E sta 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. E ste 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. E l 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. E l laminado tiende a quebrar dichas contracorrientes. Para resumir, la teoría del funcionamiento de un transformador es la siguiente: E l voltaje de la línea envía una corriente por el primario, produciéndose de ese modo el campo magnético (líneas de fuerzas invisible s) dentro del núcleo de hierro. Como dicho núcleo también rodea al secundario, el campo magnético, que aumenta y disminuye a la 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. E l 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. E l 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. E ste voltaje es prácticamente igual al voltaje de las líneas sin carga alguna. E stando 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. E l primer paso en la construcción del transformador consiste en escoger o hacer el núcleo de hierro laminado. Las piezas corrientes de hierro en forma de E pueden comprarse para tal. fin, o bien pueden obtenerse de un transformador quemado. E l núcleo también puede construirse de tiras de lámina metálica. E n ambos casos debe saberse de antemano cuál será el tamaño de la bobina acabada, a fin de comprobar si las aberturas de las ventanas en el núcleo tienen un claro suficiente. La bobina consistirá de un devanado primario dé alambre y de otro secundario; se envuelven varias capas de papel aislador y una cubierta de cinta aisladora blanca de algodón alrededor de la bobina acabada.
EL DIS EÑ O 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. E sta 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. E l primer pasó 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. sto no quiere decir que se deba seguir E 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 transfo rmadores 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. E l 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". E l 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.
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CÁ LCU LOS: 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:
E n 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 vuelta. 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. E l "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. E n ese caso, el alambre No.19, de 1288 milésimos circulares, es el tamaño más cercano. E ste artículo continúa en el número próximo de "Mecánica Popular." E n él se suministrará información detallada y completa con respecto a la construcción practica del transformador.
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PROC E SO D E CONSTRUCCIÓN:
Una vez realizados los cálculos, continuaré con el proceso de construcción. E ste apartado lo dividiré en cuatro puntos.
Construcción del carrete . Para devanar la bobina, será necesario utilizar una forma como la que se muestra en la Fig. 10. Las dimensiones de la forma deben calcularse de una manera cuidadosa en relación al tamaño de las láminas. Las dimensiones que se suministran resultan convenientes para las láminas que se muestran en la Fig. 9.
Bobinado del carrete:
La bobina puede devanarse a mano o con
un taladro de mano fijado en posición con un tornillo de banco. Sin embargo, puede realizarse un ahorro considerable de tiempo si la forma se monta en un torno equipado con un contador de vueltas. E l contador, que se muestra montado en la bancada del torno, Fig . 8, es impulsado por una banda de caucho, de ajuste apretado, obtenida de una aspiradora al vacío, que se coloca sobre una polea de madera con un diámetro de 1 pulgada en el árbol del
cortador, y sobre una ranura torneada en el mazo del mandril del torno. E l bloque central de la forma se envuelve primero con una vuelta de papel flexible para armadura, de un grueso de .010 a .015 pulgadas. E l extremo inicial de la bobina de alambre, cuyo largo debe ser de 6", se coloca dentro de una manga de material aislador de algodón. Después de devanar las vueltas de la bobina primaria, corte el alambre, dejando unas 6 pulgadas adicionales para formar un contacto. Cubra este contacto con una manga de algodón y páselo por una ranura en el lado estrecho de la forma, como se indica en la Fig . 10. Luego se coloca una tira de cinta aisladora a lo ancho de la capa superior de alambre y bajo el contacto con manga, Fig . 11 , para un aislamiento mejor. Llegado este momento, puede hacerse una
prueba rápida con colocar una de las láminas en forma de E contra la bobina, como se muestra en la Fig . 12 , observando el diámetro de la bobina en relación a las aberturas de las ventanas en el núcleo. Luego, coloque una vuelta de papel aislador alrededor del devanado primario y proceda a devanar sobre el papel las vueltas del alambre para la bobina secundaria. Debe ponerse una manga de algodón alrededor de ambos contactos de la bobina secundaria y pasar éstos también por la ranura en el lado estrecho de la forma. E n algunos transformadores se requieren sólo pocas vueltas con un alambre bastante grueso. Si es difícil devanar el alambre a causa de su grueso diámetro, dos alambres con un área seccional igual al de un solo alambre podrán devanarse paralelamente o lado a lado, con objeto de facilitar esta labor. Para un aislamiento mejor, el extremo final de la bobina descansa sobre un trozo de cinta Para determinar cuánto espacio queda para la bobina secundaria, sostenga la lámina contra la bobina La cuerda para atar la bobina se pasa por las ranuras común alambre doblado en uno
de sus extremos
Podrá obtenerse un devanado más uniforme y perfecto si se emplea un martillo y un bloque de madera para golpetear las vueltas ligeramente después de devanar cada capa; a fin de que el alambre se ajuste en forma apretada; Otro bloque de madera, colocado debajo de la forma y montado sobre la bancada del torno, constituirá un soporte adecuado mientras se golpetean las vueltas de alambre. Después de devanar ambas bobinas, se quitan la forma y las bobinas del torno y se introducen cuatro trozos de cuerda por las cuatro ranuras y muescas de la forma, utilizando para ello un alambre, como se muestra en la Fig . 13. A
continuación, las bobinas se atan firmemente entre sí y la forma se quita. Debe tenerse sumo cuidado al quitar el bloque central, a fin de evitar que se altere la forma de las bobinas. Después de esto, las bobinas se envuelven con cinta aisladora de algodón blanco para bobina, de 3/4" como se ilustra en la Fig . 14. Corte y quite las cuerdas una a la vez, a medida que la cinta aisladora se aproxime a ellas, y asegure el extremo de la cinta aisladora con una aguja é hilo. E l próximo paso consiste en sumergir las bobinas en barniz aislador; Use barniz de secamiento al airé y permita que la bobina se sumerja como unos cinco minutos para que se impregne bien.. Después, cuélguela para que seque por varios días, dentro de un sitio seco y caliente. Si la bobina, después de secar, resulta demasiado grande para ajustarse dentro de las aberturas de las ventanas en las láminas, vuelva a insertar el bloque central de la forma para devanar y comprima la bobina en un tornillo de banco, entre dos piezas de madera, como en la Fig . 15. Antes de montar las láminas del núcleo,. Coloque trozos delgados de fibra sobre los lados y bordes de la bobina que serán cubiertos por el núcleo.
Montaje del núcleo: Una vez terminado de bobinar el carrete y comprobarlo, tenemos que montar el núcleo del transformador, utilizaremos las chapas con las que realizamos los cálculos. Habrá que colocarlas de una en una, de dos en dos, etc., como os guste, pero siempre igual. Primero las introduciremos por un lado y luego por el otro, alternativamente, también colocaremos las I a continuación de la E (formas de las chapas). Una vez colocadas todas las chapas necesarias tendremos que aislarlas del resto del transformador con cartón P RE SP A N, hay que sujetar las chapas con tornill os donde estos tienen que estar aislados y unidos entre sí. Las láminas se colocan alrededor de la bobina en posición
alternada. E sto se realiza con colocar la parte central de la lámina en forma de E en la abertura del núcleo, como en la Fig. 16. Luego se empalma una 1ámina recta contra los bordes de la lámina en forma de E , en el lado opuesto de la bobina, A. continuación, la parte central de la segunda lámina se inserta en la abertura del núcleo, en el lado opuesto a donde se colocó la lámina en forma de E anterior. De esta manera, las láminas se colocan en una posición alternada hasta obtener la altura necesaria. E l próximo paso consiste en hacer cuatro ménsulas angulares, usando para ello hierro plano de 3/16". Se perforan dos agujeros en cada ménsula, 10s cuales deben coincidir con los agujeros en las láminas. Fije las ménsulas angulares al núcleo, usando pernos, de manera que cada parte doblada de las ménsulas pueda servir de pata sobre la cual sostener el transformador en posición vertical.
Medida de aislamiento: Para comprobar que el transformador está aislado de los tornillos y de los bobinados utilizaremos un polímetro. Comprobando que los tornillos no tengan continuidad con las chapas, para ello habrá que cubrirlos con un canutillo aislante, y que los distintos bobinados tampoco tengan continuidad ni con las chap as ni con los tornillos. Las bobinas acabadas se envuelven con cinta aisladora de algodón. Al llegar a las cuerdas, quítelas las láminas en forma de E se alternan con las r ectas lado a lado A fin de eliminar zumbidos en el transformador a causa de láminas sueltas, corte dos
trozos de fibra dura al ancho de las patas centrales de la lámina e introduzca aquellos a presión entre la lámina y la bobina, en ambos lados. E l último paso para finalizar la construcción del transformador consiste en soldar lengüetas de conexión a los extremo s de los cuatro alambres de contacto. Un transformador diseñado y construido de una manera cuidadosa tal como se indica en estas instrucciones y en la Parte I, debe funcionar eficientemente, con sólo un alza moderada de temperatura y un bajo consumo de corriente eléctrica.
