Conociendo la Permeabilidad del Núcleo del Transformador: La clave para un mejor transformador

¿Se ha preguntado alguna vez por qué un transformador funciona tan bien? La idea clave está en el interior. Está en una pieza llamada núcleo del transformador. Lo más importante de este núcleo es una cualidad especial llamada permeabilidad. En este artículo descubrirás qué es la permeabilidad. También aprenderá por qué es tan importante. Conocer la permeabilidad de un material de núcleo le ayudará a entender cómo funcionan los transformadores. Sabrá por qué unos son mejores que otros. Y sabrá cómo elegir el adecuado para su circuito eléctrico.

¿Qué es la permeabilidad magnética en el núcleo de un transformador?

Piensa en una toalla de papel. Algunas pueden absorber mucha agua. Otras no pueden absorber mucha. La permeabilidad magnética es muy parecida, pero para campos magnéticos y no para agua. La permeabilidad de un material indica su capacidad para retener un campo magnético. Un material con alta permeabilidad puede "absorber" mucha energía magnética. El núcleo del transformador utiliza un material de alta permeabilidad. Esto ayuda a indicar al campo magnético dónde ir.

En un transformador, la corriente eléctrica circula por una bobina de alambre. Este hilo se llama bobinado. Esta corriente crea un campo magnético. El núcleo se coloca dentro de esta bobina. La alta permeabilidad del material del núcleo ayuda a reunir este campo magnético. Esto hace que el campo sea muy fuerte. Este fuerte campo genera una corriente en un segundo bobinado. Si el núcleo no fuera bueno, el campo magnético sería débil y se dispersaría. Un buen núcleo ayuda al transformador a hacer su trabajo mucho mejor. La permeabilidad del núcleo es una parte muy importante de su construcción.

¿Por qué es tan importante un material de núcleo de alta permeabilidad?

Un material de núcleo de alta permeabilidad es muy importante. Permite crear un fuerte flujo magnético utilizando sólo una pequeña cantidad de corriente eléctrica. Esto es útil por dos razones principales. En primer lugar, ayuda a ahorrar energía. No se necesita una gran corriente para que el transformador funcione. Una corriente más baja significa que se desperdicia menos energía en el circuito. En segundo lugar, permite fabricar un transformador más pequeño y de menor peso. El núcleo puede ser más pequeño porque el material es muy bueno en su trabajo.

La función principal del núcleo del transformador es facilitar el paso del flujo magnético. Un material de alta permeabilidad tiene poca "resistencia" al flujo magnético. Esto significa que el flujo generado por la corriente primaria puede moverse con facilidad. Viaja a través del núcleo hasta el segundo devanado. Esta fuerte conexión es lo que hace que un transformador funcione tan bien sin residuos. Un núcleo con mayor permeabilidad tendrá una inductancia mayor para una bobina con el mismo número de espiras. Esta mayor inductancia ayuda a mantener baja la corriente magnetizante. La corriente de magnetización es la corriente necesaria para crear el flujo en el núcleo.

¿Cómo afecta el material del núcleo al flujo magnético y a la corriente?

El material del núcleo es como el corazón del transformador. El tipo de material que elijas tiene un impacto directo en el flujo magnético y la corriente que necesitas. Cuando se envía una tensión al devanado primario, empieza a fluir una pequeña corriente. Es la corriente de magnetización. Esta corriente es la que genera el flujo magnético en el núcleo. Si el material del núcleo tiene una alta permeabilidad, una corriente muy pequeña puede generar una gran cantidad de flujo.

Este vínculo entre corriente y flujo es muy importante. Un núcleo perfecto permitiría crear un flujo magnético gigantesco con una corriente casi nula. Los materiales de los núcleos reales no son perfectos, pero algunos son muy buenos. Un buen material de núcleo garantiza que casi todo el flujo magnético de la primera bobina llegue a la segunda. Esto hace que la transferencia de potencia de un circuito al siguiente funcione muy bien. Un mal material del núcleo dejaría escapar el flujo magnético. Esto necesitaría más corriente y desperdiciaría energía. La impedancia del devanado primario también cambia, porque una permeabilidad alta provoca una inductancia alta y una impedancia inductiva alta.

¿Cuáles son los distintos tipos de material del núcleo del transformador?

No todos los materiales para núcleos se fabrican de la misma manera. El mejor material para un determinado trabajo dependerá de factores como su coste, la frecuencia y el nivel de potencia. Algunos materiales comunes son mucho mejores que otros para trabajos específicos. Elegir el material del núcleo es un paso muy importante en el diseño.

Esta es una tabla de los materiales más comunes de los núcleos de los transformadores y para qué se suelen utilizar:

Cada material tiene su propio valor de permeabilidad. Un núcleo de hierro es una buena elección para muchos trabajos de baja frecuencia. Para un circuito de alta frecuencia, se necesita un material como la ferrita. Utilizar un material de núcleo incorrecto a alta frecuencia puede generar mucho calor y provocar grandes pérdidas en el núcleo.

¿Cómo se mide la permeabilidad de un núcleo?

Usted se preguntará: "¿Cómo se mide la permeabilidad de un núcleo?". No se puede averiguar simplemente mirándolo. Pero hay una forma especial de averiguar esta importante cualidad. Se puede averiguar construyendo un inductor y realizando algunas lecturas eléctricas. Primero, coge el núcleo que quieres probar. A continuación, enrolla una bobina de alambre a su alrededor. Necesitas saber cuántas vueltas da el alambre. Así se construye un inductor sencillo.

A continuación, envía una tensión alterna al devanado y mide la corriente alterna que lo atraviesa. Utilizando el voltaje y la corriente, puedes hallar la impedancia del inductor. La impedancia de un inductor procede principalmente de su inductancia a una determinada frecuencia. Por ello, puedes calcular la inductancia. Existe una fórmula sencilla que relaciona la inductancia, el número de espiras, el tamaño del núcleo y su permeabilidad. Puedes cambiar la fórmula para resolver la permeabilidad del material del núcleo. Esta forma de medir las cualidades magnéticas es muy útil. Para medirlo correctamente, la corriente debe ser baja. De este modo, no se satura el núcleo.

¿Qué es la curva B-H y qué puede mostrarnos sobre la permeabilidad?

La curva B-H es un gráfico especial. Lo dice todo sobre un material de núcleo magnético. Es una herramienta muy útil. La "H" de la línea inferior es la intensidad del campo magnético. Se puede considerar como el trabajo que se realiza. Lo produce la corriente en la bobina. La "B" de la línea que sube por el lateral es la densidad de flujo. Es el resultado de tu trabajo. Muestra la cantidad de flujo magnético que entra en el núcleo.

Un buen material de núcleo le dará un gran resultado (B) por sólo un poco de trabajo (H). Esto significa que la curva B-H será muy pronunciada donde comienza. El grado de inclinación de la línea en esta curva es la permeabilidad. Una línea que sube más rápido significa una mayor permeabilidad. La curva B-H también muestra el límite de saturación. A partir de cierto punto, la línea del gráfico se aplana. Esto significa que, aunque envíe más corriente, no podrá obtener mucho más flujo en el núcleo. El núcleo está lleno, lo que se denomina saturación. Observar esta curva te ayuda a conocer el límite de tu núcleo. Esta curva bh es diferente para cada tipo de material.

¿Cómo afecta la frecuencia al trabajo del material del núcleo?

La frecuencia de la corriente alterna influye mucho en el núcleo de un transformador. Un material de núcleo que funciona muy bien a baja frecuencia puede ser muy malo a alta frecuencia. Esto se debe a las pérdidas en el núcleo. A frecuencias más altas, algunos tipos de pérdida de energía dentro del núcleo son mucho mayores. Esta energía perdida se convierte en calor. El calor es perjudicial para el circuito del transformador.

Los dos mayores problemas a alta frecuencia son la histéresis y las corrientes de Foucault. La pérdida por histéresis se produce porque se necesita energía para invertir el campo magnético del núcleo. Esto ocurre una y otra vez con cada ciclo de la corriente alterna. El otro problema son las corrientes de Foucault. Se trata de pequeñas corrientes eléctricas que giran en círculos dentro del propio material del núcleo. Las produce el flujo magnético cambiante. Estas corrientes no hacen ningún buen trabajo. Sólo generan calor y desperdician energía. Los materiales como la ferrita tienen una resistencia eléctrica muy alta, o resistividad. Esta cualidad ayuda a detener las corrientes parásitas. Esto los convierte en una buena opción para su uso en alta frecuencia. Un núcleo de hierro se calentaría mucho a alta frecuencia.

¿Qué son las pérdidas en el núcleo y cómo se relacionan con la permeabilidad?

Las pérdidas en el núcleo son como un impuesto sobre la energía que utiliza el transformador. Son la energía que se pierde en el núcleo. La mayor parte de esta energía perdida se convierte en calor. Un transformador que tiene grandes pérdidas en el núcleo no es muy bueno en su trabajo. Lo mejor es elegir un material de núcleo que tenga bajas pérdidas para la frecuencia que se utiliza. La permeabilidad está relacionada con esto, pero tener una permeabilidad alta no siempre significa que las pérdidas serán bajas.

Hay dos tipos principales de pérdidas en el núcleo que debe conocer:

• Pérdida por histéresis: Esta pérdida se debe a la energía necesaria para magnetizar y desmagnetizar el material del núcleo durante cada ciclo de CA. El espacio dentro del bucle B-H en la curva B-H muestra cuánta pérdida por histéresis hay. Un material con un bucle B-H estrecho tiene una pérdida por histéresis baja.
• Pérdida por corrientes de Foucault: Esta pérdida se debe a pequeñas corrientes circulares. El flujo magnético cambiante genera estas corrientes en el interior del núcleo. Fluyen porque el material del núcleo puede transportar electricidad. No realizan ningún trabajo útil y sólo generan calor. Para reducir las corrientes de Foucault, muchos núcleos se construyen a partir de láminas finas separadas. Esta construcción se denomina laminaciones. Rompe el camino de la corriente.

Es muy importante elegir un material de núcleo con cualidades que reduzcan estas pérdidas. El material de núcleo adecuado proporciona una alta permeabilidad y bajas pérdidas en el núcleo a la frecuencia en la que funcionará.

Permeabilidad relativa frente a permeabilidad absoluta: ¿Cuál es la diferencia?

Es posible que oiga dos nombres para la permeabilidad: relativa y absoluta. Están relacionados, pero miden las cosas de forma ligeramente distinta. Es fácil entender la diferencia. Permeabilidad absoluta es la permeabilidad del espacio vacío. Es un número básico en la ciencia que no cambia. Su símbolo es μ₀. Tiene un valor fijo muy pequeño. Es el punto de partida para medir todos los campos magnéticos.

Permeabilidad relativa es de lo que se suele hablar cuando se habla de un material de núcleo. Su símbolo es μᵣ. Indica cuántas veces mejor transporta el flujo magnético un material en comparación con el espacio vacío. Por ejemplo, si un material tiene una permeabilidad relativa de 2.000, significa que puede concentrar un campo magnético 2.000 veces mejor que el espacio vacío. La permeabilidad absoluta de un material se calcula con una fórmula sencilla. Basta con multiplicar su permeabilidad relativa por la permeabilidad absoluta del vacío. Para la mayoría de los trabajos, lo que realmente se necesita es la permeabilidad relativa. Te permite comparar un material de núcleo con otro.

¿Cómo elegir el mejor núcleo magnético para su transformador?

Elegir el núcleo magnético adecuado puede parecer difícil. Pero es sencillo si se conocen las preguntas adecuadas. El material y la forma del núcleo deben corresponderse con la función del circuito. Un buen núcleo le proporcionará la inductancia que necesita. También gestionará la cantidad adecuada de corriente sin llegar a la saturación. Y mantendrá bajas las pérdidas en el núcleo. La forma del núcleo (toroidal o en forma de olla) también forma parte de la construcción.

Estos son los aspectos más importantes que hay que tener en cuenta a la hora de elegir un núcleo:

• Frecuencia de funcionamiento: ¿Es para un trabajo de baja frecuencia, como en una fuente de alimentación? ¿O para una de alta frecuencia, como en un circuito de radio? Esta es la pregunta más importante. Le ayudará a elegir entre una lista más reducida de materiales.
• Permeabilidad necesaria: ¿Se necesita una permeabilidad muy alta para obtener una inductancia elevada en un área pequeña? ¿O basta con un valor de permeabilidad más bajo?
• Límite de saturación: ¿Cuánta corriente pasará por el bobinado? Tienes que elegir un núcleo que no llegue a la saturación debido a esta corriente. Puedes consultar la curva B-H del material del núcleo para encontrar este límite.
• Pérdidas en el núcleo: ¿Es importante que el circuito funcione bien sin pérdidas? Si quieres generar menos calor y ahorrar energía, busca un material que tenga bajas pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault a tu frecuencia de trabajo.
• Tamaño y forma: El núcleo debe tener el tamaño adecuado para el diseño. Algunas formas habituales son toroidal, núcleo en E y núcleo en olla. La forma también puede ayudar a proteger el bobinado de un campo magnético externo.

Pensar en estas cosas le ayudará a elegir el mejor núcleo para su circuito eléctrico. El núcleo adecuado hará que tu inductor o transformador funcione tal y como deseas.

Aspectos clave

• Permeabilidad es la capacidad de un material para mantener un campo magnético. A menudo, lo que se busca es una alta permeabilidad.
• Una alta permeabilidad núcleo le permite hacer una fuerte flujo con una muy pequeña actual.
• En Curva B-H es un gráfico que muestra la permeabilidad y saturación límite de un material del núcleo.
• Pérdidas en el núcleo (como la histéresis y las corrientes de Foucault) desperdician energía haciendo que calor. Empeoran a medida que frecuencia sube.
• Elija una material del núcleo en función del funcionamiento de su circuito frecuencia para obtener el mejor resultado.
• Permeabilidad relativa es un número que compara un material al espacio vacío. Es el más útil valor para comparar distintos núcleos.