Transformador

Un transformador son dos bobinas de hilo sobre un mismo núcleo de hierro: una corriente alterna en la primera induce en la segunda una tensión más alta o más baja, según la relación entre sus números de espiras. Permite enviar la electricidad a alta tensión por líneas largas y entregarla a la tensión que usan los aparatos, y es la razón principal de que la corriente alterna se impusiera en las redes del mundo.

Qué es

Un transformador de poste baja la tensión de la línea de la calle hasta la que se usa en casa.

Un transformador cambia la tensión de una corriente alterna. No tiene piezas móviles: dos bobinas de hilo de cobre aislado, el primario y el secundario, arrolladas sobre un núcleo de hierro cerrado. La energía entra por una bobina y sale por la otra con una tensión más alta o más baja, y la corriente cambia en sentido contrario.

Las centrales elevan la tensión para las grandes líneas. Las subestaciones la bajan por etapas, y un último transformador, en un poste o en una pequeña caseta, la deja en los 230 o 120 voltios de un enchufe. Los cargadores y los timbres llevan transformadores pequeños.

Cómo funciona

La corriente del primario imanta el núcleo de hierro. Como la corriente es alterna, esa imantación crece, se anula y se invierte, a razón de cincuenta o sesenta ciclos completos por segundo. El flujo variable atraviesa el secundario e induce una tensión en cada una de sus espiras: es la inducción que descubrió Faraday, que solo actúa mientras el flujo cambia.

Cada espira de las dos bobinas abraza el mismo flujo, así que las tensiones de las bobinas guardan la proporción de sus espiras. Con 1000 espiras en el primario y 50 en el secundario, 4600 voltios de entrada dan 230 de salida. En un transformador ideal, sin pérdidas, el lado de baja tensión lleva veinte veces más corriente y por eso se bobina con hilo más grueso.

Con corriente continua nada de esto funciona: un flujo constante no induce nada, y el primario queda como un trozo de hilo conectado a la fuente, que se calienta. Los transformadores necesitan corriente alterna, y por eso la alterna se convirtió en la norma de las redes; los enlaces actuales de corriente continua en alta tensión convierten la alterna en continua al salir y la continua en alterna al llegar.

La alta tensión compensa porque el calor perdido en un hilo crece con el cuadrado de la corriente. Enviemos 100 kilovatios por una línea cuyos hilos suman 2 ohmios. A 1000 voltios circulan 100 amperios y los hilos disipan 20 kilovatios, la quinta parte de la potencia. A 10 000 voltios circulan 10 amperios y la pérdida baja a 200 vatios, el 0,2 %.

Un núcleo macizo se calienta por las corrientes que circulan dentro; las chapas finas aisladas entre sí las reducen mucho.

El flujo también hace circular corrientes en bucle dentro del propio hierro, las corrientes de Foucault, y un núcleo macizo se calentaría como la placa de una cocina. Por eso el núcleo es una pila de chapas de unas décimas de milímetro, aisladas entre sí con barniz o con una capa de óxido. Esas pérdidas bajan con el cuadrado del espesor de la chapa. Los primeros constructores usaban por la misma razón haces de alambre de hierro; los núcleos actuales son de acero al silicio.

Las redes usan corriente trifásica: tres corrientes alternas desfasadas un tercio de ciclo, llevadas por tres hilos y transformadas por tres juegos de bobinas sobre un mismo núcleo.

Cómo construirlo

Es una demostración de mesa a pocos voltios, nunca un montaje conectado a la red. Hacen falta un tornillo de acero de unos 10 cm, un segundo tornillo desnudo y dos pletinas de acero, de 20 a 30 m de hilo de cobre esmaltado de 0,3 a 0,5 mm, cinta aislante, lija fina, un polímetro que mida tensión alterna y, para la última prueba, un galvanómetro de cero central.

Bobinar. Sobre una capa de cinta, arrollar en el tornillo un primario de 100 espiras. Cubrirlo con cinta, bobinar encima un secundario de 100 espiras, volver a encintar y añadir encima otro de 50. Lijar el esmalte de cada extremo.

Elegir una fuente segura. Usar un adaptador de enchufe comprado cuya etiqueta indique salida alterna («AC output») de 12 voltios como máximo, o un generador de funciones que dé una senoide de pocos voltios a 1 kHz aproximadamente, sin componente continua. La mayoría de los adaptadores dan continua y no sirven. Una bombilla incandescente de coche de 12 voltios y unos 5 vatios en serie con el primario limita la corriente.

Medir. Leer la tensión alterna en el primario y en cada secundario, y luego desconectar: el tornillo macizo se calienta. Con el adaptador se leen unas décimas de voltio, porque la mayor parte de la tensión cae en la bombilla. La bobina de 50 espiras da más o menos la mitad que la de 100, y las dos quedan por debajo del primario, porque el flujo de un solo tornillo se cierra por el aire. Colocar el tornillo desnudo junto al bobinado y unir sus cabezas y sus puntas con las pletinas, de modo que el hierro forme un marco cerrado alrededor de las bobinas: las lecturas suben.

Probar con una pila. Con una pila de 4,5 voltios en lugar del adaptador, y la bombilla todavía en serie, conectar al secundario un galvanómetro de cero central en su escala menos sensible o a través de una resistencia de unos pocos kiloohmios. La aguja salta hacia un lado al cerrar el circuito, hacia el otro al abrirlo, y entre tanto se queda en cero.

Leer una placa de características. En un transformador de timbre, buscar las tensiones de entrada y de salida, por ejemplo 230 V / 12 V, y la potencia en voltamperios (VA). Los equipos grandes añaden frecuencia, refrigeración e impedancia; esas placas se leen desde fuera de la valla.

Seguridad. No dar nunca a un secundario más espiras que al primario, y recordar que un adaptador en vacío puede dar una quinta parte más de lo que indica su etiqueta. Abrir un circuito que pasa por una bobina produce un breve pico de tensión: cortar con un interruptor o con un cable sujeto por su aislante, nunca con los dedos en los extremos pelados. No bobinar nunca para la red, ni abrir, modificar o recablear aparatos que funcionen con la red, aunque estén desenchufados: los transformadores de microondas y de rótulos de neón dan corrientes mortales. Un transformador reductor alimentado al revés eleva la tensión, y los condensadores de un aparato pueden seguir cargados después de desenchufarlo. Las bobinas siguen calientes tras el uso. No trepar nunca a postes, no entrar en subestaciones y no tocar líneas caídas. Las instalaciones de red son trabajo de un electricista autorizado.

Historia y evolución

Michael Faraday mostró la inducción en agosto de 1831 con su anillo de hierro de dos bobinas, Joseph Henry la halló por su cuenta en América, y hacia 1850 Heinrich Ruhmkorff, en París, convirtió la bobina de inducción en un instrumento habitual de laboratorio.

En 1884, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs encendieron lámparas a lo largo de una línea de 40 km entre Turín y Lanzo con sus «generadores secundarios», conectados en serie y con núcleos de hierro abiertos: encender una lámpara alteraba las demás.

Uno de los primeros transformadores de Budapest: el alambre de hierro envuelve el anillo de cobre y cierra el circuito magnético.

En los talleres Ganz de Budapest, Károly Zipernowsky, Miksa Déri y Ottó Bláthy vieron que un núcleo de hierro cerrado y transformadores conectados en paralelo mantendrían estable la tensión. Solicitaron patentes entre enero y marzo de 1885, llamaron «transformador» al aparato y con su sistema iluminaron en mayo la Exposición Nacional de Budapest.

George Westinghouse compró los derechos de Gaulard y Gibbs, y su ingeniero William Stanley construyó transformadores de núcleo cerrado que iluminaron la calle principal de Great Barrington, en Massachusetts, en marzo de 1886. La corriente continua de Edison, a unos 110 voltios, solo llegaba a unas pocas calles alrededor de cada central, y sus empresas hicieron campaña sobre los peligros de la alterna. Westinghouse iluminó con alterna la Exposición de Chicago de 1893, y en 1896 la energía de las cataratas del Niágara llegó a Búfalo.

Hacia 1888, Galileo Ferraris y Nikola Tesla ya habían obtenido con corrientes desfasadas un campo giratorio para motores; en 1891, una línea trifásica llevó 300 caballos a 175 km, de Lauffen a Fráncfort. Las grandes líneas actuales trabajan a cientos de miles de voltios.