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13 El transformador

Si tomamos una bobina y la conectamos a una batería, haremos circular una corriente por ella que a su ves generará un campo magnético que sigue a las variaciones de corriente por el inductor. En realidad el comportamiento del inductor como tal se debe al fenómeno de la autoinducción; es decir que el propio campo magnético producido por el inductor, genera tensiones sobre el mismo, esas tensiones son precisamente las que se oponen a la circulación de la corriente por el mismo. En efecto si no existiese este fenómeno de la autoinducción y el alambre de la bobina no tuviera resistencia, la corriente circulante sería infinita. Sin embargo nosotros sabemos que la corriente se establece primero a nivel nulo y luego va creciendo paulatinamente.

Si al inductor le aplicamos una corriente variable (por ejemplo una señal senoidal) se producirá un campo magnético variable. Si dentro de ese campo colocamos otra bobina observaremos que sobre ella se produce una tensión que depende de varias cosas. De la orientación entre las bobinas; de la proximidad; de la cantidad de espiras de la bobina secundaria; de la intensidad del campo magnético y de que tan rápidamente varía.

Trabajo práctico

Ud. puede hacer un trabajo práctico muy simple que reforzará su aprendizaje.

  1. Tome un imán de parlante con forma de anillo(cuando mas grande mejor) y colóquelo sobre la mesa. 
  2. Ahora debe tomar un carretel de plástico y bobinar todas las espiras posibles con alambre de 0,10 mm (es conveniente usar un carretel que permita bobinar por lo menos 500 espiras para lo cual le recomendamos utilizar una agujereadora y montar el carretel en el mandril con un trozo de madera y una varilla roscada). También se puede desarmar un transformador de 220V/12V de 0,5 o 1A (luego sabremos que significa esta descripción). 
  3. Sáquele la laminación y use el bobinado primario (el de mayor resistencia) como sensor de campo magnético.
  4. Conecte el bobinado a un tester de aguja en función voltímetro en la escala mas baja. 
  5. Acerque la bobina lentamente al borde externo del imán (donde tiene el mayor campo magnético) y observe que la aguja del voltímetro no se mueve. 
  6. Aléjela también con suavidad y verá que la aguja sigue sin moverse. 
  7. Ahora repita la operación pero a la mayor velocidad posible y observará que la aguja pega un salto. 
  8. Pruebe con diferentes orientaciones y a diferentes velocidades y podrá sacar como conclusión que la tensión depende sobre todo de la velocidad de la operación, y que hay orientaciones que no concatenan campo y no producen tensión. Otra conclusión indirecta es que alejado del campo magnético no hay tensión inducida.

El diseño de un transformador está relacionando con todas estas cualidades del campo magnético. Ya sabemos que un transformador se utiliza cuando deseamos aumentar una tensión. También se lo utiliza para cuando deseamos reducir una tensión.

¿Entonces el transformador es un equivalente al atenuador resistivo? No, son dos cosas diferente aunque sirven para lo mismo. La diferencia es que el atenuador resistivo hace caer la tensión por efecto Joule (es decir transformado energía eléctrica en calor) y el transformador lo hace teóricamente sin generar calor. Decimos teóricamente porque nunca se puede conseguir un rendimiento unitario; el trasformador se calienta y transforma algo de energía eléctrica en calor pero es por un efecto secundario y no por su principio de funcionamiento.

Intuitivamente nos damos cuenta que el máximo rendimiento de un trasformador ocurre cuando todo el campo magnético que genera el primario pasa por adentro del secundario y esto a su ves significa que lo mejor que se puede hacer es encauzar el campo magnético por un camino de baja reluctancia (equivalente magnético de la resistencia eléctrica) y hacerlo pasar por adentro del secundario. Un buen material magnético es el hierro dulce y uno mucho mejor es una aleación de hierro y silicio.

En cuanto a la forma de este material, llamado núcleo del transformador; por lo general es de sección cuadrada o rectangular pero laminado de modo tal que no circulen corrientes intensas por su interior, la superficie de la chapa queda aislada por la oxidación (de cualquier modo no se requiere una resistencia de aislación muy grande). Lo mas importante para el alumno es entonces que el primario genera un campo magnético que circula por el núcleo y atraviesa el/los secundarios.

Las chapas del núcleo se colocan en forma entrelazada 1 a 1 o 2 a 2 y tienen dos formas que se complementan entre si; es el dibujo de una E y de una I que cierra las tres ramas de la E. A nosotros nos interesa el transformador como componente terminado y por esos no vamos a insistir mas sobre la forma de construirlos.

Ecuaciones del transformador

Ahora que ya conocemos la construcción del transformador vamos a conectar uno en nuestro laboratorio virtual y vamos a someterlo a algunas pruebas para entender su funcionamiento.

Fig.1 Tensiones y corrientes en un transformador

Fig.1 Tensiones y corrientes en un transformador

Si se aplica una tensión alterna en el bobinado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dentro del núcleo dependiendo de la amplitud y de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará por inducción una fuerza electromotriz en los extremos del bobinado secundario.

Los transformadores de potencia del WB Multisim son todos con un bobinado secundario que posee punto medio. Por razones didácticas en la figura 1 dejamos desconectado el punto inferior del secundario, ya que es preferible trabajar con un transformador de cuatro terminales.

Ya que el mismo campo magnético atraviesa ambos bobinados se puede asegurar que la relación entre la tensión aplicada al primario Ep, y la tensión inducida en el secundario Es, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario Np y secundario Ns. En forma de ecuación se puede escribir:

Ep/Es = Np/Ns (1)

Pero por el principio de conservación de la energía se puede asegurar que la potencia entregada al primario del trasformador y la que este le entrega a la carga deben ser iguales (en caso contrario estaríamos creando energía o estaría desapareciendo energía de algún tipo). Si consideramos el caso ideal de un transformador que no se calienta para nada, se podría decir que la potencia consumida por el primario es igual a la potencia disipada en la carga del secundario. En formulas, llamando Ip a la corriente del primario, e Is a la corriente del secundario:

Vp . Ip = Vs . Is > Vp/Vs = Is/Ip

que la (1) se transforma en

Vp/Vs = Is/Ip = Np/Ns

Esta particularidad tiene su utilidad en el transporte de energía eléctrica a larga distancia, al poder efectuarse el transporte con altas tensiones y pequeñas intensidades y por tanto pequeñas pérdidas.

Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario y aplicamos una tensión alterna de 110 Voltios en el primario, obtendremos 11.000 Voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación.

En el ejemplo anterior, como la potencia aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de la tensión por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 A, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).

Pero el mayor uso que se le da a los trasformadores de poder en electrónica es como reductores de tensión de elevado rendimiento. En la mayoría de los circuitos electrónicos de señal, los transistores funcionan con tensiones continuas bajas, del orden de los 12V.

En este caso si se el equipo se debe alimentar desde una red de 110V se utiliza un circuito con un transformador de 110V eficaces a 12V eficaces y luego un regulador de 12V tal como se indica en la figura 2.

Fig.2 Fuente de onda completa de 12 V con regulador

Fig.2 Fuente de onda completa de 12 V con regulador

Como se puede observar la única diferencia con el rectificador que vimos cuando analizamos los diodos detectores, es que este posee dos diodos y por lo tanto se llama de onda completa. El transformador fue elegido para que los diodos generen una tensión continua punzante de unos 15V. Observe que el ripple u ondulación de fuente depende del valor de capacidad colocado en la entrada del circuito integrado U1. A mayor capacidad menor ripple. El alumno realizará un trabajo práctico colocando un capacitor de 470 uF y observando la salida de tensión con el osciloscopio.

El regulador LM7812CT es un circuito integrado que contiene varios transistores diodos comunes, diodos zener y resistores y esta diseñado para generar una tensión de salida fija de 12V aun con grandes variaciones en la resistencia de carga o en la tensión de red; esto se llama regulación. Pero no puede regular si la tensión de entrada no supera en 0,5V a la tensión de salida.

Por eso cuando haga la experiencia con el capacitor de 470 uF va a observar que la salida del regulador tiene un ripple deformado en los valores mínimos de la tensión de entrada. el LM7812 disipará potencia y por lo tanto tiene un encapsulado compatible con un montaje en un disipador. Si al aire se lo notara demasiado caliente, se deberá agregar un disipador de aluminio de 2 mm de espesor con una superficie adecuada para evitar el calentamiento excesivo. Mas adelante en este mismo curso volveremos a tratar el tema.

¿De que frecuencia es el ripple? Observe que la sonda que colocamos en la entrada del CI indica 99,9 Hz (prácticamente 100Hz). ¿Cómo es posible si la red es de 50 Hz? Porque los bobinados de salida del transformador tienen sus señales invertidas 180º y por lo tanto uno tiene un pico positivo cuando el otro lo tiene negativo. Si el alumno conecta el osciloscopio sobre las dos salidas del transformador podrá observar este detalle.

¿Se puede lograr que la potencia de entrada al transformador sea menor que la potencia de salida¿ No, el transformador por su principio de funcionamiento, regula las corriente circulantes por su primario y secundario de modo tal a una tensión baja le corresponde una corriente alta y viceversa.

El amplificador activo

Existen muchos componentes que permite realizar una amplificación de tensión. El primero que se utilizó en el mundo fue el tríodo termoniónico y es tal ves el único que permite dar una explicación sencilla de su funcionamiento interno. Y como el tríodo es similar en algunos aspectos al transistor, es didáctico comenzar con uno y reemplazarlo luego con el otro. Por otro lado el WB Multisim posee válvulas electrónicas que nos permiten realizar adecuadas simulaciones.

En la figura 3  se puede observar el circuito de un amplificador a tríodo que nos va a ayudar a entender el proceso de la amplificación a válvulas.

Fig.3 Amplificador a válvula tríodo

Fig.3 Amplificador a válvula tríodo

Una válvula tiene simetría cilíndrica. El cátodo (sobre la pata 8) es un cilindro metálico pleno de pequeño diámetro, cubierto de substancias emisoras de electrones. Alrededor de él y muy cerca, está la grilla de control (7) que es un cilindro abierto; en realidad un alambre conductor con forma helicoidal (como un resorte de espiras abiertas) montado sobre dos alambre verticales. Por último existe otro cilindro metálico pleno de mayor diámetro que oficia de placa (6). Dentro del cilindro del cátodo, existe un alambre que oficia de filamento calentando indirectamente al cátodo.

Cuando el cátodo se calienta, las orbitas de sus electrones se agrandan hasta que llegado a cierta temperatura, los electrones se desprenden del núcleo y son emitidos. Como la grilla de control es abierta esos electrones negativos la atraviesan y se dirigen a la placa que está conectada a una fuente de +200V. La corriente circulante hace que la tensión de placa se reduzca y atraiga menos electrones de modo que se consigue una cierta estabilidad dinámica.

Para polarizar el tríodo se agrega un resistor de alto valor entre la grilla y una fuente de tensión negativa de 1V que corta prácticamente la circulación de electrones, ya que los rechaza haciéndolos volver al cátodo en donde forman una nube electrónica.

Si ahora se superpone una señal de tensión de audio (en nuestro caso un tono de 1KHz) la tensión de reja deja pasar mas o menos electrones de acuerdo al valor instantáneo de la señal, Como la reja está muy cerca del cátodo, pequeñas variaciones en la reja, se transforman en grandes variaciones de corriente de electrones llegando a la placa que generan grandes variaciones de tensión en la placa.

¿Cuál es la amplificación de nuestro circuito? La tensión pap de placa es de 100V aproximadamente y la de reja de 2V. Realizando la operación 100/2 se obtiene un valor de 50 veces.

Eso es en cuanto a la operación de amplificación de tensión. ¿Pero nuestro dispositivo amplifica potencia eléctrica? Solo debemos hacer una operación matemática algo mas compleja, la potencia de salida dividida la potencia de entrada. Como la grilla prácticamente no toma corriente, la potencia de entrada es

V2/R1 = 4/4,7M = 0,9 uW

la potencia de salida es igual a la tensión de salida al cuadrado dividida la resistencia de placa es decir

1002/100K = 10.K/100K = 0,1 W o 100 mW

La amplificación de potencia es entonces de

0,1W/0,9.10-6W = 100.000 veces

¿Y de donde sale la energía para obtener esa amplificación de potencia? Por supuesto que de la fuente de alimentación. En la figura 4 se puede observar el mismo circuito con el agregado de un watímetro en la fuente de placa que nos indica que la potencia tomada desde la fuente es de 152 mW es decir que el circuito completo consume mas que lo que genera en cumplimiento con la ley de conservación de la energía.

Fig.4 Medición de la potencia consumida desde la fuente

Fig.4 Medición de la potencia consumida desde la fuente

Ahora que ya tenemos explicado el funcionamiento de un amplificador con una válvula, vamos a hacer el intento de aplicar un transistor. En principio existen dos tipos de transistores de juntura los PNP y los NPN. Como el que mas se asemeja a la válvula es el NPN comenzaremos por él. 

Fig.5 Amplificador a transistor

Fig.5 Amplificador a transistor

El transistor tiene dos junturas la de base emisor (el emisor es el electrodo conectado a masa y es equivalente al cátodo y la base es el electrodo que recibe la señal). Esta primer juntura se hace conducir suavemente en directa mediante R1. Y la juntura de base a colector que se debe conectar en inversa. El transistor no puede recibir señales superiores a 25 mV entre el emisor y la base; en caso contrario puede distorsionar la señal de salida. Igual que con la válvula, si la base no recibe polarización no se produce corriente de colector (y el colector queda al potencial de fuente debido a R2). Luego de colocar un resistor R1 para que el colector baje a aproximadamente la mitad de la tensión de fuente, se agrega la señal por la base y se observa que esta aparece amplificada en el colector.

El factor de amplificación es de

8V/25mV = 300 veces

En este caso la potencia de entrada no es tan fácil de calcular porque la base del transistor toma algo de corriente. Pero una sonda del WB Multisim nos permite medir una corriente de 2 uA (despreciamos la corriente de señal por R1 por ser de 127 nA) y calculamos la potencia de salida como de

82/10K = 6,4 mV

La potencia consumida de la fuente es en este caso de unos 8 mA.

Para que puede servir un amplificador a transistor a válvula o con cualquier otro tipo de semiconductor. Por ejemplo para amplificar la señal del circuito sintonizado de nuestro receptor de radio y darle a la misma un mayor alcance. También y debido a que los transistores amplifican potencia pueden servir para excitar un parlante en lugar de utilizar los bafles amplificados para PC.

Que otros semiconductores se pueden utilizar como amplificadores de señal. En principio el transistor de juntura complementario del NPN que es el transistor de juntura PNP; los transistores de efecto de campo de canal N y de canal P, los transistores de unijuntura, los transistores de efecto de campo con compuerta aislada que contabilizan cuatro versiones diferentes, etc. etc.. No tiene sentido enumerarlos aquí como al pasar, uno a uno lo iremos analizando, indicando siempre un posible circuito de aplicación y su análisis por medio de laboratorios virtuales. Y sobre todo vamos a analizar los CIs ya que en el momento actual es poco probable que un dispositivo tenga componentes discretos (un transistor, un diodo, un resistor) ya que la tendencia es utilizar conjuntos de semiconductores formando dispositivos específicos o microprocesadores programados para que puedan cumplir funciones muy diferentes entre si.

¿Y porque hay una variedad tan grande de semiconductores? Porque aunque todos amplifican, cada uno tiene una característica distintiva que lo califica para una tarea determinada. Los otros no quedan descalificados pero seguramente los dispositivos que podamos construir con ellos no tendrán tan buenas características.

Conclusiones

En esta entrega analizamos las diferentes posibilidades de amplificar una señal de tensión comenzando por un dispositivo pasivo, el transformador y analizando la válvula tríodo como apoyo para entender como amplifica un transistor de juntura. Presentamos todos los transistores posibles preparando el terreno para la próxima entrega, donde vamos a seleccionar un transistor adecuado para nuestro radio receptor básico.

Apéndice Historia de la electrónica
El transistor

 
La electrónica moderna no existiría sin el invento del transistor. El primer uso que se le dio a un transistor fue como amplificador de señales en reemplazo de la ya obsoleta válvula electrónica. Aunque parezca increíble el transistor no generó nuevos circuitos que antes no existían. Todo estaba resuelto ya, utilizando válvulas electrónicas, los receptores de radio tenían una sensibilidad excepcional y una fidelidad extraordinaria: Incluso existía ya la TV de ByN y la informática estaba ya en sus primeros pasos por lo menos en el ámbito militar. En EEUU existían computadora a válvulas que ocupaban edificios enteros como la ENIAC que ya tenían la simiente de una computadora moderna con su CPU sus memorias, etc. etc.

En una palabra que la electrónica ya estaba desarrollada, pero había llegado a un callejón sin salida porque la válvula electrónica era voluminosa y requería grandes cantidades de energía para su funcionamiento. Tan es así, que se puede calcular que si todos los equipos electrónicos de una casa actual fueran a válvulas, la casa debería tener varias manzanas y consumiría tanto como un pueblo pequeño.

Una válvula posee un filamento que genera calor para que el cátodo emita electrones. Esa energía se desperdicia en su mayor parte y entonces no se pueden fabricar equipos caseros que posean mas de una decena de válvulas. En la época de los TVs a válvulas un TV de 20″ consumía unos 350W cuando en el momento actual consumen 75W. Una radio que tenía 5 válvulas consumía tanto que era prácticamente imposible realizar un equipo portátil aunque el autor trabajó en su juventud con las primeras radios portátiles a válvulas que se conocieron en la Argentina y que poseían una enorme Batería de 90V y una pila de 1,5V para el filamento.

Aunque por lo general no utilizamos mucho espacio para la historia de la electrónica, consideramos que debe reconocerse el invento del transistor, como un hito tan importante para nuestra especialidad, que se impone una mención: El transistor original de contacto puntual fue inventado por John Bardeen y William Brattain en 1948 y el transistor moderno o de juntura por William Shockley en 1951. Los tres fueron galardonados con el premio Nóbel de física en 1956 por su contribución a la electrónica.

A partir de esa fecha la electrónica se hizo viable tal como la conocemos hoy en día, en que está formando parte de todos los dispositivos que antiguamente eran mecánicos puros con un considerable ahorro de precio, de tamaño y además con un mejor desempeño. 

Tal como acostumbramos en este curso, preferimos conocer a los dispositivos a través de sus características sin mencionar prácticamente como realizan su trabajo a nivel de detalles.

Pero el invento del transistor, no cambió la tecnología de producción de equipos electrónicos. Los TV a válvulas ya utilizaban circuitos impresos idénticos a los actuales. Así que cuando surgieron los primeros transistores comerciales, simplemente las plaquetas de circuitos impresos se achicaron pero se siguieron armando en las mismas líneas de montaje manuales. Lo que algunos autores llaman “La segunda revolución industrial” se produjo con el desarrollo del circuito integrado, en donde se podían combinar componentes que realizaban funciones especificas tal por ejemplo como un radiorreceptor completo en un mismo chip.

El científico Jack S. Kilby desarrolla en la corporación Texas Instruments de los EEUU durante el año 1958 un circuito integrado de varios transistores en un mismo chip. La invención se concreta en un diseño comercial un año mas tarde, constituyendo un verdadero paso revolucionario que inicia una nueva etapa en el proceso de miniaturización de los dispositivos electrónicos. A comienzo de los 60, el standard de producción consiste en la integración de hasta 12 transistores en una pequeña placa de tan solo 25 x 10 mm aproximadamente, a fines de siglo el proceso parece no tener limites, ya que las nuevas tecnologías constructivas ha logrado incorporar en los chips millones de transistores y otros componentes. La invención por parte de Kilby de un nuevo tipo de transistor (”chip”) provoca una verdadera revolución en los circuitos electrónicos. El nuevo elemento es tan pequeño que en un circuito integrado de 8 x 16 mm cabían mas de 50.000 transistores chips y otros componentes construidos con variantes del transistor. En la figura 13.1.1 se puede observar una comparación entre una radio Philips AM a válvulas y una radio de AM/FM de la actualidad (y no de las mas pequeñas).

Fig.6 Comparación entre una radio de 1940 y del 2007

Fig.6 Comparación entre una radio de 1940 y del 2007

Si bien tenemos la tentación de hablar sobre el futuro, nos abstendremos de ello para comenzar a hablar de la función mas básica que puede realizarse con un transistor, que es la amplificación de señales. Sin embargo debemos recordar que aun nos queda por analizar un componente pasivo que es el transformador. Y un transformador puede en cierta forma comportarse como un amplificador. Por esos vamos en esta entrega a realizar el análisis de un amplificador a transistor parangonado con un transformador.

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