Principios de Funcionamiento de Transformadores y Rectificadores en Electrónica

Transformadores Eléctricos

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

(Instrucción: Realizar dibujo de un transformador básico con núcleo y bobinados primario y secundario)

Funcionamiento: Al conectar el bobinado primario, con N1 espiras, a una tensión alterna V1, se genera una corriente alterna en él. Esta corriente produce un flujo magnético variable en el núcleo de hierro. Este flujo magnético se canaliza a través del núcleo y atraviesa (o "corta") las espiras del bobinado secundario (N2 espiras). Según la Ley de Faraday de la inducción electromagnética, este flujo variable induce una tensión alterna V2 en el secundario. La transferencia de energía entre el primario y el secundario se realiza a través del campo magnético confinado en el núcleo.

En el caso ideal de que el número de espiras del primario sea igual al del secundario (N1 = N2), y despreciando pérdidas, la tensión inducida en el secundario V2 será igual a la tensión aplicada en el primario V1.

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

• Se cumple la siguiente proporción (idealmente): V1 / N1 = V2 / N2, o lo que es lo mismo: V2 / V1 = N2 / N1.
• Esta relación se llama Relación de Transformación (m), definida como m = N2 / N1 = V2 / V1 (en vacío o condiciones ideales).

Pregunta 3: Deduce cómo será la tensión de salida si el bobinado primario tiene más espiras que el secundario (N1 > N2).

Si N1 > N2, entonces la relación de transformación m = N2 / N1 es menor que 1 (m < 1). Por lo tanto, la tensión de salida V2 será menor que la tensión de entrada V1. Se trata de un transformador reductor.

Pregunta 4: ¿Y si el bobinado primario tiene menos espiras que el secundario (N1 < N2)?

Si N1 < N2, entonces la relación de transformación m = N2 / N1 es mayor que 1 (m > 1). En este caso, la tensión de salida V2 será mayor que la tensión de entrada V1. Se trata de un transformador elevador.

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

La potencia nominal (o aparente) de un transformador se calcula, idealmente, como el producto de su tensión nominal primaria por la intensidad de corriente nominal primaria, o equivalentemente, el producto de su tensión nominal secundaria por su intensidad de corriente nominal secundaria.

PN = V1_nominal × I1_nominal ≈ V2_nominal × I2_nominal

Se expresa comúnmente en Volt-Amperes (VA).

Pregunta 6: ¿Qué valoración hacemos a la hora de elegir un transformador para un circuito?

Al elegir un transformador, debemos considerar varios factores clave:

• Tensiones Nominales (V1, V2): Deben coincidir con las tensiones de entrada y salida requeridas por el circuito.
• Potencia Nominal (PN en VA): Debe ser igual o superior a la potencia que demandará la carga conectada al secundario.
• Frecuencia de Operación: Debe ser adecuada para la frecuencia de la red eléctrica (ej. 50 Hz o 60 Hz).
• Aislamiento Dieléctrico: Debe ser suficiente para soportar las tensiones de trabajo y evitar derivaciones o cortocircuitos, garantizando la seguridad.
• Límites Térmicos: El transformador debe poder disipar el calor generado por las pérdidas (efecto Joule en los bobinados y pérdidas en el núcleo) sin sobrecalentarse ni deteriorar sus aislantes.

Rectificadores

Rectificador de Media Onda (M.O.)

Pregunta 7: Dibuja lo que entra en un rectificador de M.O. y lo que sale. ¿Qué observas? ¿Cómo es esa corriente de salida?

(Instrucción: Dibujar forma de onda senoidal de C.A. en la entrada y forma de onda de C.C. pulsante de media onda en la salida)

Observaciones:

• A la entrada tenemos una tensión de Corriente Alterna (C.A.) senoidal, que varía positivamente y negativamente respecto a cero.
• A la salida, sobre la carga, aparece una tensión que solo tiene pulsos positivos (o solo negativos, dependiendo de la orientación del diodo). La parte negativa (o positiva) de la onda de entrada ha sido eliminada.

Tipo de Corriente de Salida: La corriente (y la tensión) a la salida es Corriente Continua (C.C.) Pulsante. Es continua porque siempre tiene la misma polaridad (no alterna), pero es pulsante porque su valor varía cíclicamente, llegando a cero durante la mitad del ciclo de entrada.

Pregunta 8: Dibuja un rectificador de M.O. y explica cómo obtenemos esa salida.

(Instrucción: Dibujar circuito rectificador de media onda: fuente C.A., diodo en serie, resistencia de carga RL)

Explicación: El componente clave es el diodo, que actúa como un interruptor unidireccional.

• Semiciclo Positivo de V_entrada: Cuando la tensión de entrada es positiva y supera la tensión umbral del diodo (aproximadamente 0.7V para silicio), el diodo se polariza directamente. Se comporta casi como un interruptor cerrado, permitiendo que la corriente circule a través de la resistencia de carga (RL). La tensión en RL sigue la forma de la tensión de entrada (menos la caída en el diodo).
• Semiciclo Negativo de V_entrada: Cuando la tensión de entrada es negativa, el diodo se polariza inversamente. Se comporta como un interruptor abierto, bloqueando el paso de corriente. Por lo tanto, la tensión y la corriente en RL son prácticamente cero durante este semiciclo.

El resultado es que solo los semiciclos positivos (o negativos, si el diodo está invertido) de la entrada aparecen en la carga.

Pregunta 9: ¿Cuánto vale la tensión de C.C. (valor medio) a la salida del rectificador que se aplica a la carga (RL)?

El valor medio de la tensión de C.C. a la salida de un rectificador de media onda se calcula como:

V_CC (o V_avg) ≈ V_p / π (para un diodo ideal)

Donde V_p es el valor pico (máximo) de la tensión senoidal de entrada (o secundaria del transformador).

Si consideramos la caída de tensión en el diodo (Vd ≈ 0.7V):

V_CC (o V_avg) ≈ (V_p - Vd) / π

La relación entre tensión, corriente y resistencia en la carga sigue la Ley de Ohm: V_RL = I_RL × RL.

Pregunta 10: ¿Qué intensidad media (Icc) circula por la resistencia (RL)? ¿Y por el diodo?

La intensidad media (I_CC o I_avg) que circula por la resistencia de carga RL se calcula usando la Ley de Ohm con la tensión media:

I_CC = V_CC / RL

En un rectificador de media onda, toda la corriente que pasa por la carga también debe pasar por el diodo. Por lo tanto, la intensidad media que circula por el diodo es igual a la intensidad media que circula por la carga:

I_D_avg = I_CC

Pregunta 11: En el primer semiciclo (positivo) de la C.A. que se aplica al rectificador, ¿qué tensión soporta el diodo? ¿Y en el segundo semiciclo (negativo)? ¿Por qué?

• Primer Semiciclo (Positivo): El diodo está polarizado directamente y conduce corriente. La tensión que soporta (la caída de tensión a través de él) es pequeña, aproximadamente 0.7V (para un diodo de silicio).
• Segundo Semiciclo (Negativo): El diodo está polarizado inversamente y bloquea la corriente. En esta condición, debe soportar toda la tensión inversa aplicada por la fuente. La máxima tensión inversa que soporta ocurre en el pico del semiciclo negativo y es igual a V_p (el valor pico de la tensión de entrada). Esta tensión se conoce como Tensión Inversa de Pico (PIV - Peak Inverse Voltage). El diodo debe ser capaz de soportar al menos esta tensión sin dañarse.

Rectificador de Onda Completa (O.C.)

Pregunta 12: Dibuja lo que entra en un rectificador de O.C. y lo que sale. ¿Qué observas? ¿Qué diferencia hay con el de M.O.?

(Instrucción: Dibujar forma de onda senoidal de C.A. en la entrada y forma de onda de C.C. pulsante de onda completa en la salida)

Observaciones:

• A la entrada tenemos una tensión de Corriente Alterna (C.A.) senoidal.
• A la salida, sobre la carga, aparece una tensión de C.C. Pulsante donde ambos semiciclos (positivo y negativo) de la entrada han sido "aprovechados" y convertidos en pulsos de la misma polaridad (positiva o negativa).

Diferencias con Media Onda (M.O.):

• Aprovechamiento de la Onda: El rectificador de O.C. utiliza ambos semiciclos de la C.A. de entrada, mientras que el de M.O. solo utiliza uno.
• Tensión Media de Salida (V_CC): Para la misma tensión de entrada, V_CC en O.C. es el doble que en M.O. (V_CC ≈ 2V_p / π).
• Frecuencia del Rizado: La frecuencia de los pulsos (rizado) a la salida es el doble de la frecuencia de entrada en O.C., mientras que en M.O. es la misma. Esto facilita el filtrado posterior.
• Eficiencia: La rectificación de O.C. es más eficiente en la conversión de C.A. a C.C.

Pregunta 13: Dibuja un rectificador de O.C. con transformador de toma intermedia y explica cómo obtenemos la salida.

(Instrucción: Dibujar circuito rectificador de O.C. con transformador de toma intermedia: secundario con derivación central, dos diodos (D1, D2), resistencia de carga RL conectada entre la unión de los cátodos/ánodos y la toma intermedia)

Explicación: Este circuito utiliza un transformador especial con una conexión (toma) en el punto medio de su bobinado secundario, y dos diodos.

• Funcionamiento: La toma intermedia actúa como referencia (0V o masa). El secundario proporciona dos tensiones senoidales iguales pero desfasadas 180° entre sí (respecto a la toma central).
• Semiciclo Positivo (ej: parte superior del secundario positiva respecto a la toma central): El diodo conectado a la parte superior del secundario (D1) se polariza directamente y conduce, llevando corriente a la carga RL. El diodo conectado a la parte inferior (D2) está polarizado inversamente y no conduce.
• Semiciclo Negativo (ej: parte inferior del secundario positiva respecto a la toma central): Ahora, la polaridad se invierte. El diodo D2 se polariza directamente y conduce, llevando corriente a la carga RL (en la misma dirección que antes). El diodo D1 está polarizado inversamente y no conduce.

Como resultado, un diodo conduce durante un semiciclo y el otro diodo conduce durante el siguiente semiciclo. Ambos semiciclos producen corriente en la misma dirección a través de la carga RL, generando una salida de onda completa rectificada.