Los transformadores operan según los principios de inducción electromagnética, que comprenden dos o más devanados y un núcleo de hierro (o aire). Cuando la corriente alterna fluye a través del devanado primario, genera un campo magnético variable. Este campo induce fuerza electromotriz en el devanado secundario según la Ley de Inducción de Faraday. La transformación de voltaje se produce a través de ajustes de la relación de vueltas de los devanados.

La Ley de Faraday establece que la fuerza electromotriz inducida en un circuito cerrado es igual a la tasa negativa de cambio del flujo magnético a través del circuito:

ε = -N dΦ/dt

Donde ε representa la fuerza electromotriz inducida, N denota las vueltas de la bobina y Φ significa el flujo magnético.

• Devanados: Bobinas de alambre aisladas que generan y reciben fuerza electromotriz, que comprenden circuitos primarios (entrada) y secundarios (salida).
• Núcleo: Material de alta permeabilidad que guía el flujo magnético para mejorar la eficiencia del acoplamiento y minimizar la pérdida de energía.
• Aislamiento: Materiales dieléctricos que evitan cortocircuitos y corrientes de fuga.
• Carcasa: Carcasa protectora que ofrece soporte mecánico y disipación térmica.

Los núcleos de transformador cumplen tres propósitos esenciales:

1. Guía del Flujo Magnético: Los materiales de alta permeabilidad concentran el flujo a través de los devanados, mejorando la eficiencia del acoplamiento.
2. Soporte del Devanado: Proporciona integridad estructural para evitar la deformación de la bobina.
3. Reducción de Pérdidas: El diseño y los materiales óptimos del núcleo minimizan las pérdidas por corrientes parásitas e histéresis, mejorando la eficiencia.

Existen tres tipos principales de núcleo basados en la composición del material:

Utilizados predominantemente en sistemas de energía, estos emplean laminaciones delgadas de acero al silicio.

• Alta permeabilidad magnética para una guía eficaz del flujo
• Baja coercitividad que reduce las pérdidas por histéresis
• Resistividad elevada que minimiza las corrientes parásitas

Las láminas de acero aisladas se apilan para reducir aún más las pérdidas por corrientes parásitas al restringir las trayectorias de circulación.

• Alta eficiencia (típicamente 95-99%)
• Gran capacidad de manejo de energía (rango de megavatios)
• Fabricación rentable

• Dimensiones físicas voluminosas
• Peso sustancial
• Rendimiento deficiente a alta frecuencia

Sistemas de transmisión y distribución de energía, incluyendo:

• Plantas de generación de energía (aumento de voltaje)
• Subestaciones (reducción de voltaje)
• Equipos industriales pesados

Estos carecen de materiales ferromagnéticos, confiando únicamente en el acoplamiento magnético del devanado.

• Aislamiento eléctrico superior
• Pérdidas en el núcleo insignificantes
• Construcción ligera
• Excelente respuesta a alta frecuencia

• Eficiencia reducida por un acoplamiento más bajo
• Capacidad de energía limitada
• Susceptibilidad a interferencias magnéticas externas

Aplicaciones especializadas que requieren:

• Adaptación de impedancia de circuitos de RF
• Aislamiento de señal de equipos de audio
• Dispositivos de detección de campos magnéticos

Estos utilizan materiales cerámicos de ferrita (compuestos de óxido de hierro con níquel, manganeso o zinc).

• Alta permeabilidad con estabilidad de frecuencia
• Resistividad extremadamente alta
• Bajas pérdidas a alta frecuencia
• Formas de fabricación versátiles

• Tamaño compacto
• Masa reducida
• Funcionamiento superior a alta frecuencia
• Buena eficiencia a alta frecuencia

• Densidad de flujo de saturación más baja
• Rendimiento sensible a la temperatura
• Costos de materiales más altos

Sistemas electrónicos y de comunicación, incluyendo:

• Fuentes de alimentación conmutadas
• Aislamiento de señal de dispositivos electrónicos
• Supresión de interferencias de RF
• Inversores de alta frecuencia

La selección del núcleo implica evaluar:

• Requisitos de la Aplicación: Los sistemas de energía priorizan la eficiencia y la capacidad, mientras que la electrónica enfatiza el tamaño y la respuesta de frecuencia.
• Frecuencia de Operación: Los núcleos laminados se adaptan a las frecuencias de energía (50/60 Hz), las ferritas sobresalen en kHz-MHz y los núcleos de aire manejan las frecuencias más altas.
• Objetivos de Eficiencia: Las aplicaciones críticas para la energía exigen materiales de baja pérdida.
• Restricciones Físicas: Los dispositivos portátiles requieren diseños compactos y ligeros.
• Consideraciones Térmicas: Las propiedades del material deben permanecer estables en todas las temperaturas de funcionamiento.
• Requisitos EMC: Algunas aplicaciones necesitan minimizar la interferencia electromagnética.

Las tendencias emergentes incluyen:

• Materiales Avanzados: Aleaciones nanocristalinas y amorfas que ofrecen propiedades magnéticas superiores.
• Optimización del Diseño: Modelado computacional para mejorar el acoplamiento magnético y reducir las pérdidas.
• Integración Inteligente: Sensores integrados para el monitoreo del rendimiento en tiempo real.
• Miniaturización: Núcleos compactos para electrónica portátil.
• Adaptación de Alta Frecuencia: Núcleos que admiten frecuencias de conmutación de electrónica de potencia.

Los núcleos de transformador determinan fundamentalmente el rendimiento del dispositivo en todos los parámetros de eficiencia, tamaño, peso y costo. Los transformadores de hierro laminado, núcleo de aire y ferrita sirven cada uno para aplicaciones distintas. La selección óptima requiere un análisis cuidadoso de los requisitos operativos y las condiciones ambientales. Las continuas innovaciones en materiales y diseño prometen un rendimiento mejorado para satisfacer las demandas cambiantes de los sistemas de energía y electrónicos.