12 pasos para diseñar transformadores toroidales

Seguir estos 12 pasos al diseñar transformadores toroidales garantizará una larga vida útil de los componentes y un rendimiento óptimo.

Paso 1: Calcular el CEM del transformador

Según la ecuación de Faraday para la tensión inducida en el devanado de un transformador:

Donde E es la tensión en voltios
N es el número de vueltas
Ac es la sección transversal del núcleo magnético en mm².
B es la densidad de flujo en tesla  

Nota: Los transformadores toroidales suelen funcionar con mayor densidad de flujo que los transformadores laminados convencionales.

Paso 2: Calcular la potencia nominal

Donde VA es voltio-amperio
V_FL es la tensión secundaria de CA a plena carga en voltios
I_FL es la corriente alterna secundaria a plena carga en amperios

Paso 3: Ciclo de trabajo

Se puede utilizar un transformador más pequeño si la carga es intermitente. Como en este caso la potencia de salida es muy superior a la potencia nominal, la tensión secundaria cae por debajo de las tensiones indicadas. La caída de tensión aumenta proporcionalmente a la corriente absorbida.

Paso 4: Frecuencia de línea

La mayoría de los transformadores de potencia toroidales están diseñados para funcionar en aplicaciones de 50/60 Hz, 60 Hz o 400 Hz. A medida que aumenta la frecuencia, el tamaño del transformador disminuye en consecuencia. Un transformador toroidal de 60 Hz será ~20% más pequeño que un transformador toroidal de 50 Hz.

Paso 5: Relación de vueltas

Donde Vp es la tensión primaria en voltios
Vs es la tensión secundaria en voltios
Np es el número de espiras del primario
Ns es el número de espiras del secundario

Paso 6: Regulación

Donde V_NL es la tensión secundaria de CA en vacío en voltios
V_FL es la tensión de CA a plena carga en voltios.

Paso 7: Caída de tensión

Las tensiones y corrientes secundarias son válidas para una potencia de salida normal. Con carga parcial, la tensión de salida, en función del tamaño del transformador, será en consecuencia mayor. La figura siguiente muestra el aumento de tensión de los transformadores toroidales estándar Talema para cargas parciales.

Paso 8: Aumento de la temperatura

Como puede verse en los gráficos siguientes, los transformadores toroidales estándar de Talema están diseñados para un aumento de temperatura de 60 °C a 70 °C con carga nominal. Al elegir el tamaño del transformador, hay que tener en cuenta la temperatura ambiente y el coeficiente de disipación térmica del lugar de montaje. Las figuras muestran el cambio típico de temperatura que se produce en función de la potencia de salida o de la sobrecarga.

Paso 9: Devanado múltiple o devanado único (autotransformador)

Un autotransformador permite unas dimensiones más reducidas y un diseño global más económico en los casos en que no se requieren bobinados separados galvánicamente. Con un autotransformador de un devanado se puede obtener la misma transformación de tensión e intensidad que con un transformador normal de dos devanados. Existen dos diferencias principales:

1. En el autotransformador, el devanado secundario es común al primario y al secundario.
2. Hay una conexión directa de cobre entre los circuitos primario y secundario.

Los autotransformadores tienen menor reactancia de fuga, menores pérdidas, corrientes de excitación más pequeñas y pueden ser más pequeños y menos caros que los transformadores de doble devanado cuando la relación de tensión es inferior a 2:1. Y, por supuesto, no proporcionan aislamiento. Y, por supuesto, no proporcionan aislamiento.

Talema cuenta con la homologación familiar para autotransformadores de hasta 25 KVA para las normas UL5085 (transformadores de uso general) y 40 KVA para UL60601-1 (transformadores para equipos médicos y dentales).

Paso 10: Rectificación

Las cifras que figuran a continuación ofrecen fórmulas para el cálculo de los valores aproximados de los transformadores y dependen principalmente del tamaño del condensador de carga que se vaya a utilizar. El factor de forma “F” aplicado oscila entre 1,1 para condensadores pequeños y 2,5 para condensadores relativamente grandes.

Puente Full Wave

Puente con rosca central

Paso 11: Corriente de irrupción

Las características que dan ventajas al transformador toroidal también contribuyen a una desventaja: la elevada corriente de irrupción con la aplicación inicial de potencia. Talema ha conseguido diseñar transformadores con baja corriente de irrupción.

La ausencia de hueco en el núcleo toroidal significa que la máxima remanencia posible (magnetización residual del núcleo en una dirección y magnitud determinadas puede ser sustancialmente más pronunciada en un toroide si se compara con un laminado E-I). Este magnetismo residual es el mecanismo por el que funcionaban las antiguas memorias de núcleo de los ordenadores. El núcleo “almacena” la polarización magnética estática cuando se desconecta la alimentación. Si la desconexión de la alimentación se produce en un momento desfavorable, la remanencia magnética más fuerte se almacenará en el núcleo. Cuando se vuelve a aplicar corriente al primario, el pico de corriente de irrupción puede ser tan grande como

donde V_p-pk es la tensión primaria de pico, y R_p es la resistencia de CC del devanado primario, dependiendo de la capacidad de potencia del transformador y de la intensidad con que se haya magnetizado el núcleo. Este pico de corriente de irrupción se produce durante un breve espacio de tiempo en el primer o segundo semiperiodo de la onda sinusoidal de potencia.

Existen varios enfoques para abordar la corriente de irrupción:

1. Añadir un termistor NTC en serie con el devanado primario del transformador
2. Uso de fusibles de acción lenta para utilizar acciones retardadas
3. Reducir el flujo residual, lo que aumentará la corriente de magnetización en el núcleo. Los métodos utilizados para reducir el flujo residual incluyen la introducción de un hueco o la utilización de materiales alternativos o métodos de recocido.

Paso 12: Protección térmica

Trataremos dos tipos de protección térmica para transformadores toroidales: el fusible de un solo disparo y el interruptor térmico autorreajustable.

La finalidad de estos dispositivos es cortar el transformador en caso de sobrecalentamiento. El fusible de un disparo se utiliza principalmente para la protección contra fallos internos del transformador, disparándose a una temperatura preestablecida. El interruptor térmico autorreajustable proporciona protección intermitente contra fallos internos del transformador y sobrecargas externas. Este dispositivo se abre a una temperatura alta preestablecida y se cierra a una temperatura más baja preestablecida. Estos dispositivos se montan internamente en el transformador y se cablean en serie con el devanado primario o secundario.

Fusible de un disparo / Fusible de corte

Interruptor térmico