Transformador de CA
La combinación de dos (o más) bobinas estacionarias con acoplamiento mutuo de inductancia se denomina transformador. El uso común de un transformador es que una bobina está conectada a la fuente de alimentación alterna y la otra bobina está conectada a la carga, y la energía producida por la fuente de alimentación se transfiere a la carga a través del campo magnético alterno. La bobina conectada a la fuente de alimentación se llama bobina primaria y la bobina conectada a la carga se llama bobina secundaria. Los circuitos donde se ubican las bobinas primaria y secundaria se denominan circuito primario (lado primario) y circuito secundario (lado secundario) respectivamente. Los voltajes (valores efectivos) de las bobinas primaria y secundaria son generalmente diferentes, de ahí el nombre del transformador. Los transformadores se pueden dividir en dos categorías: transformadores con núcleo de hierro y transformadores con núcleo de aire. El transformador central enrolla las bobinas primaria y secundaria alrededor de un núcleo de hierro (material magnético blando) y utiliza el alto valor μ del núcleo para fortalecer el acoplamiento de inductancia mutua. Se usa ampliamente en transmisión y distribución de energía, medición eléctrica, soldadura y circuitos electrónicos. . Los transformadores de núcleo de aire no tienen núcleo de hierro y las bobinas se acoplan a través de aire para evitar los efectos adversos de la no linealidad, la histéresis y las corrientes parásitas en el núcleo de hierro. Se utilizan ampliamente en circuitos electrónicos de alta frecuencia. La Figura 3-58 es el diagrama esquemático del transformador. Se supone que las líneas de inducción magnética generadas por la corriente en las bobinas primaria y secundaria del transformador están todas concentradas en el núcleo de hierro (es decir, se ignora la fuga magnética), por lo que el flujo de inducción magnética φ en cada sección transversal del El núcleo de hierro es del mismo tamaño. Debido al cambio de φ, se generará el mismo en cada vuelta de la bobina enrollada en el núcleo de hierro
Luego la fuerza electromotriz inducida total en la bobina primaria
La bobina secundaria tiene N2 vueltas, la fuerza electromotriz inducida total
El voltaje de la fuente de alimentación cambia según la ley sinusoidal, por lo que el flujo de inducción magnética φ en el núcleo también cambiará según la ley sinusoidal, suponiendo
donde φm es la intersección en el núcleo. El valor máximo del flujo de inducción magnética variable. Por lo tanto
donde ε1m=ωN1φm es el valor máximo de ε1. Su valor efectivo es
De manera similar
donde ε2m=εN2φm, que es el valor máximo de ε2. Su valor efectivo es
Entonces
es decir, el valor efectivo (o valor pico) de la fuerza electromotriz inducida en las bobinas primaria y secundaria del transformador es proporcional al número de vueltas. En un transformador real, las bobinas primaria y secundaria están enrolladas con alambre esmaltado y su resistencia r es muy pequeña, por lo que se puede omitir la caída de voltaje Ir causada por la resistencia de la bobina. De esta manera, el voltaje a través de la bobina es numéricamente igual a la fuerza electromotriz inducida en la bobina. El voltaje a través de la bobina primaria es el voltaje de entrada U1 del transformador, por lo que
U1≈ε1
Del mismo modo, el voltaje a través de la bobina secundaria es el voltaje de salida U2 del transformador aplicado. a la carga, es decir
U2≈ε2
Por lo tanto
La fórmula anterior ilustra: la relación entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida del transformador es igual a la relación entre el número de vueltas de sus bobinas primaria y secundaria. Esta es la característica más importante de un transformador. Cuando N2gt; N1, U2gt; U1, entonces el transformador actúa como elevador; cuando N2lt; U2lt, entonces el transformador actúa como reductor. El transformador no sólo cambia el voltaje, sino que también cambia la corriente. Cuando el transformador está sin carga, solo hay fuerza electromotriz inducida en la bobina secundaria y no hay corriente. Sin embargo, hay una cierta corriente I10 en la bobina primaria. I10 se llama corriente de excitación. Su función es estimular un cierto flujo de inducción magnética alterna φ en el núcleo, provocando así que se equilibre una cierta fuerza electromotriz inducida ε1 en la bobina primaria. el voltaje de entrada U1, es decir, U1≈ε1 se satisface. Cuando la bobina secundaria está conectada a la carga y se produce una corriente I2, I2 generará un flujo de inducción magnética adicional Φ2′ en el núcleo. Según la ley de Lenz, Φ2' debilitará el cambio del flujo de inducción magnética original Φ en el núcleo de hierro, reduciendo así la fuerza electromotriz máxima ε1 en la bobina original. Sin embargo, dado que el voltaje de entrada U1 no cambia dependiendo de si el transformador está cargado o no, el ε1 más pequeño ya no se equilibrará con U1. Como resultado, la corriente en la bobina primaria será mayor que cuando no está cargada. Supongamos que la corriente aumenta en I', por lo que la corriente A también genera un flujo de inducción magnética adicional Φ1' en el núcleo para compensar la influencia de Φ2' en el circuito de la bobina original. Cuando los valores de Φ1' y Φ2' son iguales, el flujo de inducción magnética en el núcleo de hierro vuelve a su valor original Φ, y la fuerza electromotriz inducida en el cable original también vuelve a su valor original ε1, por lo que ε1 está equilibrado. con U1 nuevamente, y todo el circuito vuelve al equilibrio.
Debido a que Φ1′ es causado por la fuerza magnetomotriz N1I1′ y Φ2′ es causado por la fuerza magnetomotriz N2I2, solo cuando
N1I1′=N2I2,
Φ1′ y Φ2′ pueden cancelarse unos a otros. En este momento, la corriente total en la bobina primaria I1=I10 I1′. Cuando el transformador está cerca de la carga completa (es decir, la resistencia de carga es pequeña y el transformador está cerca de su corriente nominal), I1gt;gt;I10, entonces I1≈I1′. Entonces
N1I1=N2I2
Es decir,
La fórmula anterior ilustra: Cuando el transformador está cerca de la carga completa, la corriente en las bobinas primaria y secundaria es inversamente proporcional a su número de vueltas. Para el transformador elevador, N2gt; N1, entonces I2lt; I1, es decir, la corriente se vuelve menor; para el transformador reductor, debido a N2lt, entonces I2gt; Esto es lo que comúnmente se dice como "alto voltaje, pequeña corriente, bajo voltaje, gran corriente". Esto también es consistente con la ley de conservación de la energía. La potencia de entrada de su transformador debe ser igual a la potencia de salida. A medida que aumenta el voltaje, la corriente debe disminuir en la proporción correspondiente. De lo contrario, se destruirán las leyes de constancia y transformación de la energía. Existen muchos tipos de transformadores, los más utilizados son: transformadores de potencia, transformadores de potencia, transformadores de acoplamiento, transformadores reguladores de tensión, etc. Tipos de transformadores de potencia
Este tipo de transformador se utiliza en líneas de transmisión de energía. Debido a que la pérdida de energía en una línea de transmisión es proporcional al cuadrado de la corriente, cuando se transmite energía a largas distancias, se debe usar un transformador para aumentar el voltaje y reducir la corriente. Después de que este alto voltaje se transmite a las ciudades y áreas rurales a través de líneas de transmisión de alto voltaje, se utilizan transformadores reductores para reducir paso a paso el voltaje a 380 voltios y 220 voltios para los usuarios de electricidad en general. Los transformadores de potencia suelen tener mayores capacidades. Todos ellos son grandes transformadores.
Transformador de potencia
Diferentes instrumentos y equipos electrónicos y diferentes partes del mismo circuito de instrumento a menudo requieren diferentes voltajes. Por ejemplo, el voltaje del filamento de un tubo de electrones es de 6,3 voltios y su voltaje. voltaje de placa Requiere 300 voltios; el voltaje de funcionamiento del colector de varios transistores es de varios voltios a docenas de voltios; el voltaje del electrodo de aceleración del tubo del osciloscopio alcanza los 3000 voltios, etc. Los transformadores de potencia se utilizan generalmente para cambiar el voltaje de la red de 220 voltios a varios voltajes requeridos.
Transformador de acoplamiento
El llamado acoplamiento, en física, se refiere a dos o más sistemas o dos formas de movimiento que se influyen entre sí o incluso se combinan a través de diversas interacciones como. La inductancia mutua entre dos bobinas se acopla a través de campos magnéticos. Los transformadores comúnmente utilizados para el acoplamiento entre polos en líneas de radio, como el circuito medio, el transformador de entrada y el transformador de salida de una radio, pertenecen todos a esta categoría y se denominan transformadores de acoplamiento. El transformador de acoplamiento tiene muchas funciones y también se puede utilizar para lograr la adaptación de impedancia, etc.
El transformador regulador de voltaje también se llama "autotransformador". En la producción y la investigación científica, a menudo es necesario ajustar continuamente el voltaje alterno dentro de un cierto rango. El transformador utilizado para este propósito se llama transformador de voltaje. transformador regulador. Por lo general, un transformador regulador de voltaje es una bobina con un núcleo de hierro. La bobina está enrollada con alambre esmaltado de modo que el contacto deslizante c pueda moverse en cada vuelta, obteniendo así un voltaje de CA ajustable en ambos extremos cy b. Como se muestra en la Figura 3-59. Los transformadores reguladores de tensión de gran capacidad también se utilizan en líneas de transmisión para regular la tensión en la red.