Registrese

Bogotá, 25 de julio de 2017

 

 

CONSTRUCCIÓN DE UN TRANSFORMADOR TOROIDAL CASERO

<<< 1 2 3 >>>

 

transformador toroidal

Frente a las 3 grandes desventajas de los Transformadores Cuadrados que se usan para aparatos de gran potencia como son: su exagerado tamaño, gran peso y costo elevado, nos dimos a la tarea de investigar los transformadores que se usan para los amplificadores de alta potencia en el mundo y vimos que los expertos en la materia son los Filipinos, indonesios, la india y otros lugares de Asia; Todos tenían en común el uso de los Transformadores Toroidales. Un ejemplo son los amplificadores Kesler, Crest Audio, Crell, konzert, y Crown, entre otras marcas. Al determinar esto, nos vimos obligados a buscar una manera sencilla, para hacerlos nosotros mismos.
Comprobamos que los transformadores cuadrados son adecuados, usándolos en potencias bajas, desde 1W, hasta 800W, pero si queremos ensamblar potencias superiores debemos; por economía, tamaño, estabilidad y peso, usar Transformadores Toroidales. Y por supuesto! Estos también puede usarlos para los amplificadores de las video rockolas.

Nuevamente esperamos que si usted va a construir un Transformador Toroidal con este manual; debe leer el artículo completo y a conciencia, para que obtenga el resultado positivo que todos esperamos al emprender este tipo de tareas. Como siempre esperamos poder demostrar de manera práctica y sencilla, ahorrádoles errores, dinero y tiempo, que finalmente es lo más valioso de todo.

En el artículo anterior enseñamos cómo hacer transformadores cuadrados con chapas en forma de (E) y en forma de (I).  Recordemos que un transformador se compone de un devanado primario y un devanado secundario enrollados sobre un núcleo, aislados entre si, tanto el núcleo de los devanados, como los dos devanados entre sí. Un transformador puede ser diseñado para bajar el voltaje o para subirlo. También para aislar el voltaje de la red pública. En este caso vamos a explicar como hacer transformadores toroidales (en forma de rosquilla), únicamente con núcleo de hierro-silicio.

NOTA: Toda la información que a continuación brindaremos ha sido adquirida en su gran mayoría a partir de la experiencia diaria. La idea de nuestro sitio Web es incentivar a que más personas hagan y vivan de la electrónica, a pesar de sus pocos conocimientos. Por eso no usamos un lenguaje complicado ni nos basamos en fórmulas complejas, que puedan desmotivar a los principiantes o a las personas que practican en auto aprendizaje.

Recordemos que los bobinados de un transformador son de alambre magneto esmaltado con barniz dieléctrico, que sirve como aislante eléctrico. Se envuelven alrededor del núcleo ya sea a mano o con ayuda de una máquina. El número de vueltas de alambre determinan el voltaje, un giro completo alrededor del núcleo equivale a una vuelta. 
El   devanado primario es el que recibe el voltaje de la red pública, ya sean 120V o 220V AC, según sea el país. El devanado secundario es la salida del voltaje del transformador.

diagrama flujo inductanciaEl devanado secundario es impulsado por un campo magnético producido por el devanado primario, inducido en el núcleo. Un transformador con una relación de 1:1 genera un voltaje casi igual al que entra en él. Digo casi, ya que debido a las pequeñas pérdidas no alcanza a entregar exactamente lo mismo. Por ejemplo; entran 12 voltios, a la salida tendremos unos 11 voltios aprox.
Si la relación es 1:2 (primario: secundario), la tensión que entrega el devanado secundario será el doble que la que entra en el primario. Por ejemplo; entran 12 voltios, a la salida tendremos unos 23 voltios aprox.
Una proporción de 1:3 dará lugar a una tensión secundaria 3 veces más alta que la tensión en el devanado primario. Por ejemplo; entran 12 voltios, a la salida tendremos unos 34 voltios aprox.
Debemos tener en cuenta que todo  lo dicho anteriormente sólo se aplica en un transformador sin carga. Cuando el transformador se pone a trabajar, es decir a alimentar algún circuito; por ejemplo un amplificador, se registra una caída de voltaje y por tanto una diferencia entre el voltaje de entrada y el de salida, que ya no coincide con la relación o cálculo que hicimos entre la cantidad de vueltas de alambre del devanado primario y la cantidad del secundario.

Esta pérdida de voltaje se debe principalmente a que el acoplamiento magnético del devanado primario y los devanados secundarios a través del núcleo, no logran una eficiencia del 100%, y también a factores como la calidad del alambre de cobre, que entre mas baja sea su calidad, mayor es su resistencia a la corriente. 
La transferencia de potencia entre el devanado primario y el secundario se realiza magnéticamente, a través del núcleo y el aire. 
Recuerde que los devanados primarios y secundarios nunca van conectados eléctricamente entre sí, a menos que sea un Auto-transformador y eso es otro tema.

Los Transformadores Toroidales son solenoides de alto rendimiento. Recordemos que se le llama solenoide a un dispositivo físico capaz de generar un campo magnético estable y fuerte en su interior y muy débil en su exterior.
Los inductores son aquellos que como su nombre lo indica, inducen corrientes de una bobina a otra u otras cercanas. Fueron inventadas en agosto de 1831 por el físico Inglés Michael Faraday, quien descubrió que un campo magnético variable puede inducir una tensión en un cable cercano, y a esto se le llamó la Ley de Inducción de Faraday. Los transformadores toroidales también tienen otra propiedad conocida como auto-inductancia, esto es un tipo de resistencia. El toroidal resiste o lucha contra los cambios que se generen en su propia corriente, ya sea para hacerla más grande o más pequeña. La fuerza de la auto-inductancia depende del número de bobinas del toroidal y de la corriente AC que reciba.

Características de un transformador toroidal

Un Transformador Toroidal tiene un campo magnético en su interior que forma una serie de círculos magnéticos concéntricos. Fuera de él, el campo es nulo. La fuerza de este campo magnético depende del número de espiras o de vueltas que el toroidal tenga. Es decir que el campo magnético disminuye a medida que crece el diámetro del núcleo del transformador.

Los Transformadores Toroidales superan en muchos campos de aplicación a los transformadores clásicos, a pesar de que se calculan y construyen con un procedimiento más o menos similar. 
Lo que hace más eficientes a los Transformadores Toroides es el hecho de que el flujo magnético que atraviesa al núcleo de Hierro-Silicio, siempre gira en la dirección de su circunferencia, es decir en el mismo sentido de su laminación. Esto se debe al hecho de que el núcleo es una banda o lámina muy larga enrollada en espiral.

inductancia

En cambio en  los núcleos de tipo E, I, el flujo del campo magnético tiene que dar la vuelta para seguir el perfil que forman la E y la I. Por esto en los transformadores clásicos la pérdida del flujo magnético es mayor, sobre todo en la unión de las chapas E con las I, lo que no ocurre en los toroidales. 
Otra gran ventaja que presenta el transformador toroide, es su baja altura que permite ser instalado en sitios donde no cabría un transformador clásico.
Para lograr la misma inductancia que un transformador clásico, un toroidal requiere menos vueltas, y puede hacerse más pequeño en tamaño. Una vez construido, notará que se calienta menos que un transformador convencional. Esto permite usar alambre más delgado y un núcleo de menor tamaño. 
Otra ventaja es, que como el campo magnético está contenido en su interior, los transformadores toroidales se pueden colocar cerca de otros componentes electrónicos, sin riesgo de que se filtren inductancias no deseadas, generando ruidos o mal funcionamiento del circuito adyacente.
Los toroidales se utilizan en las telecomunicaciones, dispositivos médicos, instrumentos musicales, amplificadores, balastos y más.

No obstante no todo es color de rosa. Existen algunas desventajas a la hora de bobinarlos. 
Un transformado clásico se bobina directamente  en el carrete de alambre, ya sea a mano o usando una máquina giratoria. En cambio, al hacer un toroidal, el alambre debe pasar a través de una dona, por tanto, se debe calcular primero el largo del alambre para que no nos falte; recordemos que no se deben hacer empates, sobre todo en el devanado primario. 
Otra desventaja de los toroidales es lo complicado que puede ser encontrar núcleos vacíos. Por eso lo mejor es reciclar y de paso le hacemos un favor al planeta. Claro está que se consiguen rollos de cinta o platina para hacer toroidales. Por ejemplo en tecolradio.com venden los rollos de platina por kilos. Se consiguen desde 3 centímetros de ancho (medida de la altura del núcleo), hasta 9.5 centímetros. La gama es muy amplia y es sólo comprar los kilos necesarios de lámina y enrollarla al gusto o necesidad.

NOTA: Toda la teoría y procedimiento que explicaremos a continuación están basados en la práctica, ensayo y error. Así que todo ha sido comprobado antes de hacer este manual.

Diseñar transformadores y luego construirlos es una tarea muy interesante y necesaria si lo que se quiere es ahorrar un buen dinero.

El transformador que enseñaremos a construir a continuación tiene una potencia disponible de 1.225W aproximadamente. Se dice disponible porque al final no es usada toda esta potencia ya que el circuito no la consume, pero siempre que hacemos transformadores para amplificadores se diseñan un poco por encima de lo requerido por el equipo, esto para compensar aquello de las pérdidas.

area totoidalEn primer lugar hablemos del núcleo. Este se consigue de acuerdo a la potencia que requiera el aparato que vayamos a alimentar, recuerde usar un núcleo que esté sobre dimensionado para que quepa el alambre. Si el alambre a usar es grueso, se recomienda que el núcleo tenga un orificio grande.
En este caso usamos un núcleo con un área de 35 centímetros cuadrados. Esta se calcula de la siguiente manera:

Cálculo del área de un núcleo toroidal

(De – Di) * h / 2

De = diámetro externo
Di = diámetro interno
H = altura

En este caso tenemos un núcleo de 18 cms de diámetro externo por 8 cms de diámetro interno y una altura de 7 cms. Entonces tenemos que:

18 – 8 = 10
10 * 7  = 70
70 / 2 = 35 cm2

Un núcleo con un área de 35 cms2 está en capacidad de soportar hasta 1.225W. Recordemos que la potencia de un núcleo se averigua con solo elevar al cuadrado el área del núcleo. 35 * 35 = 1.225.
Ahora veamos cómo hallar un núcleo adecuado para nuestro amplificador.
En este caso vamos a hacer un amplificador de 1.200W que alimentaremos con este transformador. Este tendrá dos devanados de 60+60V AC, un devanado adicional de 12VAC y otro adicional de 15VAC.
Sacamos la raíz cuadrada de 1200W que es 34.6 cm2. Por eso usamos un núcleo de 35 cm2 que es el más cercano que conseguimos por encima de lo requerido. Así que siempre que necesitemos saber que tamaño de núcleo requerimos, solo debemos sacar la raíz cuadrada de la potencia que entrega el aparato, en este caso el amplificador.

diagrama toroidal

Cálculo del calibre y cantidad del alambre para un transformador

 

Ahora debemos saber que calibre de alambre usaremos y la cantidad de alambre que se requiere.
El calibre del alambre del devanado primario se calcula dividiendo la potencia del aparato que vamos a alimentar; en este caso un amplificador de 1200W, en el voltaje de la red pública.

1200 Watts / 120 Voltios  = 10 amperios.
Si en su país la red pública entrega un voltaje de 220V entonces será:
1200 / 220 = 5.4 amperios.
Ahora debemos consultar una Tabla AWG que tiene las equivalencias de los calibres y amperios. En nuestro caso 10 amperios equivalen a un calibre 13. Pero como es un transformador toroidal, recordemos que tienen una mejor eficiencia y podemos usar un calibre por debajo sin temor a que se recaliente. Así que usaremos calibre 14 para el devanado primario.
Si en su país la red pública entrega un voltaje de 220, entonces el calibre del alambre del devanado primario será de 16 o 17.

El devanado secundario se calcula según el tipo y la cantidad de transistores que lleve el amplificador. Por ejemplo si usamos los transistores de potencia 2SC5200, estos consumen 1.3 amperios. En este caso haremos dos devanados secundarios; uno para cada canal mono del amplificador, con 12 transistores.
12T * 1.3 Amp = 15.6 amperios.
El calibre de alambre que soporta por encima de 15.6 amperios es el calibre 11, que soporta 16.6 amperios. Pero teniendo en cuenta lo que dijimos anteriormente de usar un calibre por debajo, usaremos un alambre calibre 12, según la Tabla AWG, que soporta 13.5 amperios.
NOTA: cuando hacemos un transformador clásico; cuadrado con chapas I y E, se debe usar el alambre exacto que soporte los amperios necesarios, según la Tabla AWG.

Cálculo del alambre en metros, para devanado primario y secundario

Como ya tenemos el calibre adecuado de los alambres, debemos calcular ahora la cantidad de  alambre que se va a usar en cada devanado. Para eso primero debemos saber cuantas vueltas de alambre se van en cada uno.
Para calcular las vueltas de alambre del devanado primario y el secundario se usa la misma fórmula aplicada en el cálculo de los transformadores cuadrados, que es la constante 42. No olvide que esta fórmula sólo aplica para núcleos de hierro-silicio.

42 / área del núcleo = número de vueltas por voltio.
Tenemos que:

42 / 35 = 1.2 vueltas por voltio.

120 voltios de la red pública multiplicado por 1.2 = 144 vueltas de alambre para el devanado primario.


devanadosSi en su país la red pública entrega un voltaje de 220V, entonces 220V * 1.2 = 264 vueltas de alambre para el devanado primario.

Para el devanado secundario se multiplica el voltaje medio (1/2VAC), es decir, la mitad del voltaje total, por el número de vueltas por voltio. En este caso vamos a hacer dos devanados de 60+60VAC
Entonces tenemos que:

60V * 1.2 = 72 vueltas de doble alambre para cada devanado secundario. Recuerde que se deben enrollar los dos alambres iguales al mismo tiempo, esto con el fin de que al final uniremos un extremo inicial de un devanado, con un extremo final del otro devanado y así formar el TAP central o punto cero del transformador.

 

medicion vueltaAntes de enrollar el alambre en un toroidal se debe cortar a la medida. Para esto debemos calcular cuanto alambre se irá en el devanado.
Lo primero es medir cuantos centímetros se van en una vuelta de alambre alrededor del núcleo. En nuestro caso son 25 centímetros.
Multiplicamos los 25 centímetros por el número de vueltas del devanado primario que son 144 vueltas.

25 * 144 = 3600 centímetros. Ahora se divide en 100 para convertir a metros.
3600 / 100 = 36 metros de alambre para el devanado primario.

Se hace lo mismo para el devanado secundario, teniendo en cuenta que una vuelta gastará más alambre porque el devanado primario hizo más grueso el núcleo. Así que le agregamos 2 centímetros.

 

27 centímetros multiplicados por el número de vueltas del devanado secundario que son 72 vueltas:
27 * 72 = 1944 centímetros. Ahora se divide entre 100 para convertir a metros.
1944 / 100 = 19.4 metros de doble alambre para cada devanado secundario.
Personalmente aconsejo dejar uno o dos metros más por precaución.

Cálculo del alambre en gramos para devanado primario y secundario

 

Ahora bien: en muchos sitios venden el alambre por peso. Es decir en gramos, libras y kilos. Para esto se debe calcular el peso del alambre que necesitamos.

metro de alambre

Lo que se hace en estos casos, es cortar un metro exacto de alambre del calibre que necesitamos, luego se pesa en una báscula de precisión y el resultado lo multiplicamos por la cantidad de metros que necesitamos. Ejemplo:

 

pesar alambre

 

 

Un metro de alambre calibre 14 pesa 18.6 gramos. Como necesitamos 36 metros:

18.6gr * 36mts = 669.6 gramos de alambre para el devanado primario de nuestro transformador, esta cifra la redondeamos a 670 gramos.

 

 

peso alambre

El devanado secundario es de alambre 14 y un metro pesa 26 gramos, Esto se multiplica por el número de vueltas:

26 * 19.4 = 504 gramos, como el alambre se enrolla doble, entonces multiplicamos 504 por 2 y obtenemos 1.008 gramos. Recomendamos siempre comprar un poco más de alambre, ya que la calidad del núcleo a veces exige dar unas cuantas vueltas de más para lograr el voltaje deseado.

NOTA: El peso del alambre puede variar un poco, dependiendo de la calidad de éste. Cuando el alambre es de mala calidad viene mezclado con aluminio que lo hace más liviano. Por eso siempre es mejor pesar un metro de alambre antes de hacer la compra.                

 

Tabla AWG con las equivalencias del alambre magneto

 

A continuación tenemos una tabla con los alambres más usados en los transformadores de potencia que muestra la equivalencia en milímetros, gramos por metro, metros por kilo y máximo de amperios que soporta cada alambre. Tenga en cuenta que esto puede variar según la calidad del alambre y su manufactura. Por ejemplo podemos ver cómo el alambre  calibre 12 es 3 gramos más pesado que el que usamos en nuestro ejemplo. Esto es debido a que el alambre que usamos no era de la misma calidad que el usado en la tabla. Algunos fabricantes mezclan el cobre con aluminio, bajando el peso y la calidad del alambre.

Calibre AWG

Diámetro en Milimetros

Gramos por metro

Metros por Kilo

Amperios Máximos

6
4,115
119.04
8.4
53.16
8
3,264
74.68
13.39
33.3
9
2,906
59.20
16.89
26.5
10
2,588
46.99
21.28
21.2
11
2,305
37.25
26.84
16.6
12
2,053
29.58
33.8
13.5
13
1,828
23.49
42.56
10.5
14
1,628
18.63
53.65
8.3
15
1,.450
14.79
67.6
6.6
16
1,291
11.7
85.4
5.2
17
1,150
9.31
107.35
4.1
18
1,024
7.38
135.4
3.2
19
0,911
5.86
170.4
2.6
20
0,811
4.65
214.7
2.0
21
0,723
3.7
270
1.6
22
0,643
2.92
341.3
1.2
23
0,573
2.32
429.4
1.0
24
0,510
1.85
540
0.8
25
0,454
1.46
680.3
0.6
26
0,404
1.16
862
0.5
27
0,360
0.934
1070
0.4
28
0,321
0.730
1368
0.3
29
0,285
0.587
1701
0.26
30
0,254
0.461
2165
0.20
31
0,226
0.365
2736
0.16
32
0,201
0.293
3402
0.12
33
0,179
0.230
4330
0.10
34
0,160
0.182
5472
0.08

Esta tabla le puede ser de gran ayuda si no tiene una báscula de precisión para pesar el alambre. Sin embargo recomendamos siempre conseguir más alambre del necesario, teniendo en cuenta lo antes dicho sobre la calidad del alambre
El alambre usado para la tabla es alambre hecho en Colombia en la fabrica Provelectricos LTDA. Es alambre magneto de doble capa de aislamiento de muy buena calidad. Allí también conseguimos el papel prespan.

 

 

 

Temas relacionados:   Como calcular un transformador    Amplificador estereo de 1000W    Protector de parlantes

>>>SIGUIENTE >>>

>>>PROYECTOS ELECTRÓNICOS>>>

 

 
 
Ir arriba                     Construyasuvideorockola.com                     Contáctenos