10.5: Configuraciones de Bobinado

Los transformadores son dispositivos muy versátiles. El concepto básico de transferencia de energía entre inductores mutuos es lo suficientemente útil entre una sola bobina primaria y una sola bobina secundaria, pero los transformadores no tienen que fabricarse con solo dos juegos de devanados. Considere este circuito transformador: (Figura abajo)

El transformador con múltiples secundarios proporciona múltiples voltajes de salida.

Aquí, tres bobinas inductoras comparten un núcleo magnético común, “acoplándolas” magnéticamente o “uniéndolas” entre sí. La relación de las relaciones de giro del devanado y las relaciones de voltaje vistas con un solo par de inductores mutuos sigue siendo válida aquí para múltiples pares de bobinas. Es totalmente posible ensamblar un transformador como el anterior (un devanado primario, dos devanados secundarios) en el que un devanado secundario es un reductor y el otro es un elevador. De hecho, este diseño de transformador era bastante común en los circuitos de suministro de energía de tubos de vacío, que se requerían para suministrar baja tensión para los filamentos de los tubos (típicamente 6 o 12 voltios) y alta tensión para las placas de los tubos (varios cientos de voltios) a partir de una tensión primaria nominal de 110 voltios CA. No sólo son posibles voltajes y corrientes de magnitudes completamente diferentes con un transformador de este tipo, sino que todos los circuitos están aislados eléctricamente entre sí.

Fotografía de transformador de múltiples devanados con seis devanados, un primario y cinco secundarios.

El transformador de la Figura anterior está destinado a proporcionar voltajes altos y bajos necesarios en un sistema electrónico que utilice tubos de vacío. Se requiere bajo voltaje para alimentar los filamentos de los tubos de vacío, mientras que se requiere un alto voltaje para crear la diferencia de potencial entre los elementos de placa y cátodo de cada tubo. Un transformador con múltiples devanados es suficiente elegantemente para proporcionar todos los niveles de voltaje necesarios desde una sola fuente de 115 V. Los cables para este transformador (¡15 de ellos!) no se muestran en la fotografía, quedando ocultos a la vista.

Si el aislamiento eléctrico entre circuitos secundarios no es de gran importancia, se puede obtener un efecto similar “golpeando” un solo devanado secundario en múltiples puntos a lo largo de su longitud, como la Figura a continuación.

Una sola derivación secundaria proporciona múltiples voltajes.

Un grifo no es más que una conexión de cable hecha en algún momento en un devanado entre los mismos extremos. No es sorprendente que la relación de magnitud de vuelto/voltaje del devanado de un transformador normal sea válida para todos los segmentos roscados de devanados. Este hecho puede ser aprovechado para producir un transformador capaz de múltiples relaciones: (Figura abajo)

Un secundario con derivación usando un interruptor para seleccionar uno de los muchos voltajes posibles

Llevando más lejos el concepto de grifos de bobinado, terminamos con un “transformador variable”, donde un contacto deslizante se mueve a lo largo de un devanado secundario expuesto, capaz de conectarse con él en cualquier punto a lo largo de su longitud. El efecto es equivalente a tener un golpecito de devanado en cada giro del devanado, y un interruptor con polos en cada posición de toma: (Figura abajo)

Un contacto deslizante en el secundario varía continuamente el voltaje secundario.

Una aplicación de consumo del transformador variable es en los controles de velocidad para conjuntos de trenes modelo, especialmente los conjuntos de trenes de los años 1950 y 1960. Estos transformadores eran esencialmente unidades reductoras, siendo el voltaje más alto obtenible del devanado secundario sustancialmente menor que el voltaje primario de 110 a 120 voltios CA. El contacto de barrido variable proporcionó un medio simple de control de voltaje con poca potencia desperdiciada, ¡mucho más eficiente que el control usando una resistencia variable!

Los contactos deslizantes móviles son demasiado poco prácticos para ser utilizados en grandes diseños de transformadores de potencia industriales, pero los interruptores multipolares y las tomas de devanado son comunes para el ajuste de voltaje. Es necesario realizar ajustes periódicamente en los sistemas de energía para acomodar cambios en las cargas a lo largo de meses o años en el tiempo, y estos circuitos de conmutación proporcionan un medio conveniente. Por lo general, tales “interruptores de derivación” no están diseñados para manejar la corriente a plena carga, sino que deben accionarse solo cuando el transformador ha sido desenergizado (sin alimentación).

Viendo como podemos aprovechar cualquier devanado de transformador para obtener el equivalente de varios devanados (aunque con pérdida de aislamiento eléctrico entre ellos), tiene sentido que sea posible renunciar por completo al aislamiento eléctrico y construir un transformador a partir de un solo devanado. De hecho esto es posible, y el dispositivo resultante se llama autotransformador: (Figura a continuación)

Este autotransformador aumenta el voltaje con un solo devanado, ahorrando cobre y sacrificando el aislamiento.

El autotransformador representado anteriormente realiza una función de aumento de voltaje. Un autotransformador reductor se vería algo así como la Figura a continuación.

Este transformador automático reduce el voltaje con un solo devanado con toma de ahorro de cobre.

Los autotransformadores encuentran un uso popular en aplicaciones que requieren un ligero aumento o reducción en el voltaje a una carga. La alternativa con un transformador normal (aislado) sería tener la relación correcta de devanado primario/secundario hecha para el trabajo o usar una configuración reductora con el devanado secundario conectado en forma de ayuda en serie (“impulso”) o de oposición en serie (“bucking”). Se dan voltajes primarios, secundarios y de carga para ilustrar cómo funcionaría esto.

Primero, la configuración “boost”. En la figura siguiente la polaridad de la bobina secundaria está orientada de manera que su voltaje se suma directamente a la tensión primaria.

Transformador ordinario cableado como autotransformador para aumentar el voltaje de la línea.

A continuación, la configuración “bucking”. En la figura siguiente la polaridad de la bobina secundaria está orientada de manera que su voltaje resta directamente de la tensión primaria:

Transformador ordinario cableado como un autotransformador para reducir el voltaje de la línea.

La principal ventaja de un autotransformador es que se obtiene la misma función de impulso o tronzado con un solo devanado, lo que lo hace más barato y ligero de fabricar que un transformador regular (aislante) que tiene devanados primarios y secundarios.

Al igual que los transformadores regulares, los devanados del autotransformador pueden ser roscados para proporcionar variaciones en la relación. Adicionalmente, se pueden hacer continuamente variables con un contacto deslizante para golpear el devanado en cualquier punto a lo largo de su longitud. Esta última configuración es lo suficientemente popular como para haberse ganado su propio nombre: el Variac. (Figura abajo)

Un variac es un autotransformador con un grifo deslizante.

Variacs pequeños para uso de sobremesa son piezas populares de equipo para el experimentador de electrónica, pudiendo reducir la tensión de CA doméstica (o a veces también hacia arriba) con un amplio y fino rango de control mediante un simple giro de una perilla.

Revisar

• Los transformadores pueden equiparse con algo más que un solo par de devanados primarios y secundarios individuales. Esto permite múltiples relaciones de aumento y/o reducción en el mismo dispositivo.
• Los devanados del transformador también se pueden “roscar”: es decir, se cruzan en muchos puntos para segmentar un solo devanado en secciones.
• Los transformadores variables se pueden hacer proporcionando un brazo móvil que barre a lo largo de un devanado, haciendo contacto con el devanado en cualquier punto a lo largo de su longitud. El devanado, por supuesto, tiene que estar desnudo (sin aislamiento) en la zona donde barre el brazo.
• Un autotransformador es una sola bobina inductora roscada que se utiliza para aumentar o reducir el voltaje como un transformador, excepto sin proporcionar aislamiento eléctrico.
• Un Variac es un autotransformador variable.