¿Cómo funciona un transformador de pulsos? Parte 1

Este artículo explora los fundamentos sobre los que se basa el funcionamiento de los transformadores de pulsos, dispositivos usados frecuentemente en aplicaciones de electrónica de potencia.

Introducción

Los transformadores, componentes fundamentales en la transmisión y distribución de energía eléctrica, están diseñados generalmente para operar con señales sinusoidales de baja frecuencia, como 50 o 60 Hz.

Sin embargo, en la electrónica moderna, particularmente en circuitos de conmutación y aplicaciones de potencia, los transformadores a menudo se utilizan con señales no sinusoidales, como las señales cuadradas de frecuencias mucho mas elevadas, del orden de cientos de KHz.

Estos transformadores, con diseños y materiales especiales para trabajar a estas frecuencias elevadas, son conocidos como transformadores de pulsos.

Los transformadores de pulsos se emplean para transferir señales de ondas cuadradas o rectangulares entre circuitos y se usan con mucha frecuencia para disparar dispositivos de conmutación como tiristores, triacs o transistores y en fuentes de alimentación conmutadas.

Este artículo analiza los principios del funcionamiento de estos transformadores, analizando cómo se comportan las corrientes y tensiones, tanto del primario como del secundario.

Funcionamiento del transformador

Inducción electromagnética

En 1832, Michael Faraday realizó un descubrimiento fundamental en el campo del electromagnetismo: el fenómeno de la inducción electromagnética.

Faraday observó que, cuando un conductor se encuentra inmerso en un campo magnético que cambia con el tiempo, se induce una corriente eléctrica en dicho conductor.

Esta variación en el campo magnético puede ser el resultado del movimiento físico de la fuente que lo genera, o debido a que el campo es originado por una corriente eléctrica que varía en intensidad.

En la siguiente simulación puedes ver como se prende la lámpara debido a la corriente inducida cuando se mueve el imán para uno u otro lado.

El transformador

El descubrimiento de Faraday sobre la inducción magnética es la base fundamental en el funcionamiento de los transformadores, dispositivos esenciales en la transmisión y distribución de energía eléctrica.

En un transformador, se genera un campo magnético variable mediante una corriente eléctrica alterna que fluye a través de una bobina, conocida como el devanado primario. Este campo magnético variable induce una corriente eléctrica en otra bobina, el devanado secundario, colocada cerca del primario.

La relación entre la cantidad de espiras de los devanados determina si la tensión eléctrica se incrementa o disminuye, permitiendo así el ajuste eficiente de los niveles de tensión para diversas aplicaciones, desde la distribución de energía hasta su uso en dispositivos electrónicos como las fuentes de alimentación lineales que vieramos en un artículo anterior.

La siguiente simulación muestra un “transformador elemental” con un devanado primario de 4 espiras y un devanado secundario de 3 espiras.

Como puedes apreciar, el devanado primario está conectado a una fuente de tensión alterna de forma sinusoidal, lo que provoca un campo magnético variable, que a su vez induce una corriente en el secundario lo que provoca el encendido de la lámpara.

¿Pero que sucederá si en vez de alimentar el primario con una tensión alterna empleamos una tensión continua?

Pongamoslo a prueba en la siguiente simulación:

En este caso le he pedido al simulador que muestre el flujo de electrones para evidenciar la circulación de corriente.

Se nota que en este caso, hay corriente en el primario, hay un campo magnético, pero la lámpara del secundario no se prende.

¿Porqué?

Porque para que haya corriente en el secundario debe haber una variación del campo magnético. En la simulación anterior, el campo no varía, es constante y eso no provoca el fenómeno de la inducción.

Hagamos una prueba adicional con la pila, pero esta vez variando el valor de la tensión que entrega y su polaridad:

Aja! La cosa cambia, porque al variar el valor de la tensión y sobre todo la polaridad, varía la corriente en el primairo y esto hace variar el campo magnético y eso sí produce inducción en el secundario, como lo evidencia la lámpara.

Transformador con señales cuadradas

Entonces, con la información que tienes desde que empezaste a leer este artículo, analiza el comportamiento del siguiente circuito, donde se conecta el primario a una fuente de tensión continua y un interruptor, lo que produciría el equivalente de una señal cuadrada:

Por lo que se puede ver, la lámpara del lado del secundario prende por un breve tiempo cuando el interruptor se cierra o cuando se abre, pero el resto del tiempo permanece apagada.

Esto es coherente con todo lo anterior porque sólo cuando el interruptor cambia su estado (de abierto a cerrado o de cerrado a abierto) hay una variación de corriente y por lo tanto sólo en esos dos breves instantes hay variación de flujo magnético y por lo tanto corriente inducida en el secundario.

Sin embargo, en un transformador real esto no sucede, este comportamiento se debe a que el simulador usado es muy rudimentario y emplea un modelo muy simplificado del transformador.

Afortunadamente para quienes trabajan diseñando y construyendo circuitos electrónicos de potencia (entre otros), un transformador real se comporta de una manera diferente, pero para saber porque vas a tener que leer la segunda parte de este artículo.

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