Transformador con carga

Programas: GCSE, Sek I/II

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Objetivo

Comparar las corrientes y las potencias en los circuitos primario y secundario de un transformador y estimar su rendimiento.

El montaje

Una fuente de tensión alterna (onda senoidal, amplitud 12 V, valor eficaz 8,5 V), 50 Hz, está conectada a través de un amperímetro al devanado primario del transformador (500 espiras). El circuito secundario (250 espiras) contiene un amperímetro y una bombilla de 3,5 V / 1 W. Los voltímetros encima del transformador muestran la tensión en el devanado primario y en el secundario; todos ellos están en modo AC. El vatímetro encima del amperímetro del circuito primario muestra la potencia consumida por el devanado primario.

Procedimiento

1. Anote las lecturas de los cuatro instrumentos: \(U_1\), \(I_1\), \(U_2\), \(I_2\).
2. Calcule los cocientes \(U_2 / U_1\) e \(I_1 / I_2\) y compárelos con la relación de espiras \(N_2 / N_1\).
3. Anote la potencia del circuito primario \(P_1\) que marca el vatímetro y calcule la potencia en el circuito secundario \(P_2 = U_2 \cdot I_2\) (la bombilla es una carga resistiva). Halle el rendimiento \(\eta = P_2 / P_1\). Compare \(P_1\) con el producto \(U_1 \cdot I_1\).
4. Ponga Espiras del secundario en 150. ¿Cómo han cambiado el brillo de la bombilla y la corriente \(I_1\)?

Resultado esperado

Las lecturas son aproximadamente \(U_1\) = 8,38 V, \(I_1\) = 146 mA, \(U_2\) = 3,55 V, \(I_2\) = 286 mA, \(P_1\) = 1,12 W. La corriente en el circuito primario es menor que la corriente en el secundario en aproximadamente el mismo factor en que la tensión en el devanado primario es mayor: \(I_1 / I_2\) ≈ 0,51 ≈ \(N_2 / N_1\). La potencia en el circuito secundario es de aproximadamente 1,01 W y el rendimiento de aproximadamente el 90%; las pérdidas son el calentamiento de los devanados. El producto \(U_1 \cdot I_1\) ≈ 1,23 V·A es mayor que \(P_1\): es la potencia aparente, y parte de la corriente del primario es la corriente magnetizante, que no consume energía, solo la bombea de un lado a otro. Con carga \(U_2 / U_1\) = 0,42, claramente menos que sin carga: parte de la tensión se pierde en la resistencia de los devanados y por la dispersión del flujo magnético. Con menos espiras en el devanado secundario la bombilla luce más débilmente, y la corriente del circuito primario también disminuye.

Preguntas

1. ¿Por qué la corriente del devanado primario es menor si el transformador es reductor?
2. ¿De dónde procede la potencia que consume la bombilla?
3. ¿Por qué el rendimiento de un transformador es menor del 100%?

Respuestas

1. El transformador transfiere la energía del circuito primario al secundario con pérdidas pequeñas, así que la potencia en los dos circuitos es aproximadamente la misma. A igual potencia, el lado de mayor tensión lleva la corriente menor: 146 mA en el primario frente a 286 mA en el secundario, un cociente de aproximadamente 0,51, próximo a \(N_2 / N_1\) = 0,5.
2. De la fuente alterna. La corriente del primario crea un flujo magnético alterno en el núcleo, y este flujo induce la tensión que impulsa la corriente a través de la bombilla, así que la energía pasa al secundario a través del campo magnético. De los 1,12 W que el devanado primario toma de la fuente, la bombilla recibe aproximadamente 1,01 W.
3. Parte de la energía calienta los devanados. El simulador les asigna una resistencia de 2,5 Ω (500 espiras) y 0,625 Ω (250 espiras); \(I^2 \cdot R\) da aproximadamente 0,05 W en cada uno, lo que explica la diferencia de 0,11 W entre \(P_1\) y \(P_2\). Un transformador real también pierde energía en el núcleo de acero por corrientes de Foucault e histéresis; el núcleo del simulador no tiene esas pérdidas.