El transformador monofásico: relación de transformación y pruebas

En el poste frente a la pulpería cuelga un tanque gris del que salen dos cables gruesos hacia el negocio. Por arriba llegan varios miles de voltios; por abajo salen 120 V y 240 V, que son los que mueven la nevera, el abanico y la computadora del mostrador. Dentro del tanque hay un transformador monofásico. El mismo principio está en el bloque pesado de un cargador de equipo de sonido y en la fuente que vas a construir en el taller.

Hay que saber calcular uno, probarlo con el multímetro y decir qué le pasa cuando falla. De ejemplo, el del laboratorio: un transformador de 120 V a 12 V y 24 VA.

Cómo está hecho y por qué solo trabaja con alterna#

El núcleo se arma con láminas delgadas de acero al silicio, de unos 0,35 a 0,5 mm, pintadas con barniz aislante para que no circulen corrientes parásitas que lo calienten. Sobre una de las columnas del núcleo se enrolla el primario y sobre la misma, o sobre otra, el secundario, los dos con alambre de cobre esmaltado. Entre ellos no hay conexión eléctrica: la energía viaja por el campo magnético.

Cuando por el primario circula corriente alterna de 60 Hz, el flujo en el núcleo sube, baja e invierte su sentido 60 veces por segundo. Ese flujo cambiante induce una tensión en cada vuelta del secundario (ley de Faraday). Si conectas el primario a una batería, el flujo queda quieto y no se induce nada. Peor aún: lo único que limita la corriente es la resistencia del alambre, que en un primario de este tamaño anda en unas decenas de ohmios. Con 120 V y 18 Ω serían casi 7 A por un alambre fino, y el devanado se quema.

La relación de transformación#

Como cada vuelta del núcleo ve el mismo flujo, la tensión que se induce es proporcional al número de vueltas. De ahí sale la relación:

Fíjate en que las corrientes van al revés de las tensiones: el lado de más tensión lleva menos corriente. Si a es mayor que 1, el transformador es reductor; si es menor que 1, es elevador.

Ejemplo. El primario tiene 833 vueltas y se conecta a 120 V. El secundario entrega 12 V a una carga de 2 A. Calcula la relación, las vueltas del secundario, la corriente del primario y la potencia.

Solución.

• Relación: a = 120 V / 12 V = 10.
• Vueltas del secundario: Ns = Np / a = 833 / 10 ≈ 83 vueltas.
• Potencia en la carga: 12 V · 2 A = 24 VA.
• Corriente del primario, en ideal: Ip = Is / a = 2 A / 10 = 0,2 A (comprueba: 120 V · 0,2 A = 24 VA).
• En la realidad hay pérdidas. Con un rendimiento de 90 %, el primario toma 24 / 0,9 ≈ 26,7 VA, o sea Ip ≈ 0,22 A.

Ese 0,22 A es el dato para escoger el fusible del primario: uno de 315 mA retardado aguanta el arranque y protege de verdad.

Sección magnética del núcleo y número de vueltas#

El núcleo no puede ser de cualquier tamaño. Si el área de la columna central (la sección magnética, S) es muy pequeña para la potencia, el hierro se satura, la corriente en vacío se dispara y el transformador se calienta aunque no tenga carga. La tensión inducida en un devanado es V = 4,44 · f · N · B · S, donde B es la densidad de flujo. Para acero al silicio de uso general conviene trabajar con B cerca de 1 T. Con f = 60 Hz y S en cm², esa fórmula se reduce a una regla de taller:

Ejemplo. Para P = 24 VA, S ≈ 1,1 · √24 ≈ 1,1 · 4,9 ≈ 5,4 cm². Vueltas por voltio = 37,5 / 5,4 ≈ 6,9. Primario: 6,9 · 120 ≈ 833 vueltas. Secundario: 6,9 · 12 ≈ 83 vueltas. En la práctica se le suma un 5 a 10 % al secundario para compensar la caída por la carga: unas 88 vueltas.

La sección S es la del hierro de la columna, medida sobre las láminas ya apretadas. Un núcleo con S menor de la calculada exige más vueltas, y eso cambia todo lo demás.

Calibre de los conductores#

El alambre se escoge por la corriente. Para transformadores pequeños de servicio continuo se usa una densidad de unos 2,5 a 3 A por mm² de cobre. Por encima de eso el devanado se calienta y se degrada el esmalte.

• Primario (0,22 A): sección mínima 0,22 / 3 ≈ 0,073 mm². El AWG 28 (0,321 mm de diámetro, 0,080 mm²) da 2,7 A/mm². Sirve.
• Secundario (2 A): sección mínima 2 / 3 ≈ 0,67 mm². El AWG 19 (0,653 mm²) queda justo en 3,1 A/mm²; el AWG 18 (1,024 mm de diámetro, 0,823 mm²) da 2,4 A/mm². Se escoge el 18.

Otra comprobación es que todas las vueltas quepan en la ventana del núcleo. Al calibre grueso del secundario le tocan menos vueltas, pero ocupan más espacio por vuelta; si no caben, hay que subir al siguiente tamaño de núcleo.

Pruebas con el multímetro y con tensión#

Antes de conectar un transformador desconocido a la pared, se prueba en este orden. Los primeros pasos son sin tensión.

1. Desconecta el transformador de todo y mira el estado: esmalte quemado, olor a barniz cocido, láminas oxidadas o devanados hinchados son señal de que ya trabajó mal.
2. Mide la resistencia de cada devanado con el multímetro en la escala de 200 Ω. Junta antes las puntas y anota lo que marcan (0,2 a 0,5 Ω es normal) para restárselo. El primario, de alambre fino y muchas vueltas, da decenas de ohmios; el secundario, de alambre grueso, da menos de 1 Ω. Un valor «OL» o «1» en un devanado significa que está cortado.
3. Mide el aislamiento: entre primario y secundario, y entre cada devanado y el núcleo, el multímetro debe marcar sobrecarga («OL»). Cualquier valor medible indica fuga.
4. Prueba en vacío: conecta el primario a 120 V con un cable con clavija, fusible de 250 mA y el secundario sin carga. Mide la tensión del secundario con el multímetro en alterna. En este transformador debe dar entre 12,5 y 14 V, un poco más que los 12 V nominales porque sin carga no hay caída de tensión interna.
5. Prueba con carga: coloca una resistencia de potencia y revisa que la tensión baje poco y que el transformador solo se entibie. Si en vacío ya está caliente, hay un problema.

Durante la prueba con tensión, el primario manda: no toques sus terminales ni los de la clavija, trabaja con una sola mano y desconecta de la pared antes de cambiar una punta de lugar. Una lámpara incandescente de 40 a 60 W en serie con el primario limita la corriente a unos 0,5 A como máximo si hay un cortocircuito, y la lámpara te avisa encendiéndose fuerte.

Fallas típicas y cómo reconocerlas#

Síntoma	Causa probable	Cómo se confirma
No hay tensión en el secundario	Primario abierto: hilo cortado o fusible térmico interno disparado	Resistencia del primario en «OL»; se abre la envoltura y se mira el fusible térmico
Primario normal pero secundario sin tensión	Secundario abierto	Resistencia del secundario en «OL»
Se calienta en vacío, zumba fuerte, la tensión baja	Espiras en cortocircuito entre sí	La corriente en vacío es mucho mayor que la esperada; el óhmetro casi no la detecta
Salta el fusible al conectar	Primario en corto con el núcleo o con la carcasa	Aislamiento primario-núcleo con valor medible
Da corriente al tocar la carcasa	Fuga del secundario o del primario al núcleo	Aislamiento devanado-núcleo; carcasa sin conexión a tierra
Zumbido sin calentamiento	Láminas flojas	Se aprietan los tornillos o se barniza el núcleo

Errores frecuentes#

• Conectar a corriente continua. No existe tensión inducida y el primario se quema en segundos.
• Usarlo al revés sin darse cuenta. Si conectas 120 V al lado de 12 V, sacas 1 200 V por el lado de 120 V (relación 1:10 invertida), y el aislamiento ya no está diseñado para eso.
• Esperar mayor potencia a la salida. Se transforma tensión por corriente; la potencia, en el mejor caso, se conserva.
• Medir resistencia con el transformador conectado. Los devanados están en circuito con otras partes y la lectura engaña. Siempre, desconectado.
• Confundir las dos relaciones. Vp/Vs es igual a Np/Ns, pero Ip/Is es Ns/Np, al revés.

Para practicar, toma un transformador viejo del taller, mide sus resistencias, identifica primario y secundario y compara con su placa. La diferencia entre lo medido y lo esperado ya te dice mucho del estado.

Ponte a prueba#

Un transformador tiene 600 vueltas en el primario (120 V) y debe dar 24 V. ¿Cuántas vueltas lleva el secundario y cuánto vale la relación?#

El secundario de 12 V alimenta una carga de 1,5 A. ¿Cuál es la potencia y cuál la corriente ideal del primario a 120 V?#

Un transformador de 36 VA se va a construir con núcleo propio. ¿Qué sección magnética se necesita y cuántas vueltas lleva el primario de 120 V?#

Al medir un transformador desconectado, el primario marca «OL» y el secundario 0,3 Ω. ¿Qué falla tiene y qué sentido tiene revisar dentro de la envoltura?#

¿Por qué un transformador no sirve para subir la tensión de una batería de 12 V?#

Fuentes#

• Ministerio de Educación Pública — Programa de estudio de Electrónica, Educación Diversificada (MEP, Costa Rica) (PDF)