Inductor

Componente eléctrico pasivo de dos terminales que almacena energía en su campo magnético.

Un inductor , también llamado bobina , estrangulador o reactor , es un componente eléctrico pasivo de dos terminales que almacena energía en un campo magnético cuando la corriente eléctrica fluye a través de él. ^[1] Un inductor normalmente consiste en un cable aislado enrollado en una bobina .

Cuando la corriente que fluye a través de la bobina cambia, el campo magnético variable en el tiempo induce una fuerza electromotriz ( fem ) ( voltaje ) en el conductor, descrita por la ley de inducción de Faraday . Según la ley de Lenz , el voltaje inducido tiene una polaridad (dirección) que se opone al cambio de corriente que lo creó. Como resultado, los inductores se oponen a cualquier cambio de corriente a través de ellos.

Un inductor se caracteriza por su inductancia , que es la relación entre el voltaje y la tasa de cambio de la corriente. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de inductancia es el henry (H), llamado así en honor al científico estadounidense del siglo XIX Joseph Henry . En la medida de circuitos magnéticos, equivale aweber/amperio. Los inductores tienen valores que normalmente oscilan entre 1  µH (10 ⁻⁶  H) y 20  H. Muchos inductores tienen un núcleo magnético hecho de hierro o ferrita dentro de la bobina, que sirve para aumentar el campo magnético y, por tanto, la inductancia. Junto con los condensadores y las resistencias , los inductores son uno de los tres elementos de circuitos lineales pasivos que componen los circuitos electrónicos. Los inductores se utilizan ampliamente en equipos electrónicos de corriente alterna (CA), particularmente en equipos de radio . Se utilizan para bloquear la CA y permitir el paso de la CC; Los inductores diseñados para este fin se denominan chokes . También se utilizan en filtros electrónicos para separar señales de diferentes frecuencias , y en combinación con condensadores para realizar circuitos sintonizados , utilizados para sintonizar receptores de radio y televisión.

El término inductor parece provenir de Heinrich Daniel Ruhmkorff , quien llamó inductorio a la bobina de inducción que inventó en 1851. ^[2]

Descripción

Una corriente eléctrica que fluye a través de un conductor genera un campo magnético que lo rodea. El enlace del flujo magnético generado por una corriente determinada depende de la forma geométrica del circuito. Su relación define la inductancia . ^{[3] [4] [5] [6]} Así ${\displaystyle \Phi _{\mathbf {B} }}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle L}$

${\displaystyle L:={\frac {\Phi _{\mathbf {B} }}{I}}}$.

La inductancia de un circuito depende de la geometría de la trayectoria de la corriente, así como de la permeabilidad magnética de los materiales cercanos. Un inductor es un componente que consiste en un alambre u otro conductor con forma para aumentar el flujo magnético a través del circuito, generalmente en forma de bobina o hélice , con dos terminales . Enrollar el cable en una bobina aumenta el número de veces que las líneas de flujo magnético unen el circuito, aumentando el campo y, por tanto, la inductancia. Cuantas más vueltas, mayor será la inductancia. La inductancia también depende de la forma de la bobina, la separación de las espiras y muchos otros factores. Al agregar un "núcleo magnético" hecho de un material ferromagnético como el hierro dentro de la bobina, el campo magnetizante de la bobina inducirá la magnetización en el material, aumentando el flujo magnético. La alta permeabilidad de un núcleo ferromagnético puede aumentar la inductancia de una bobina en un factor de varios miles de veces más que lo que sería sin él.

ecuación constitutiva

Cualquier cambio en la corriente a través de un inductor crea un flujo cambiante, induciendo un voltaje a través del inductor. Según la ley de inducción de Faraday , el voltaje inducido por cualquier cambio en el flujo magnético a través del circuito viene dado por ^[6] ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$

${\displaystyle {\mathcal {E}}=-{\frac {d\Phi _{\mathbf {B} }}{dt}}}$.

Reformulando la definición de L anterior, obtenemos ^[6]

${\displaystyle \Phi _{\mathbf {B} }=LI}$.

Resulta que

${\displaystyle {\mathcal {E}}=-{\frac {d\Phi _{\mathbf {B} }}{dt}}=-{\frac {d}{dt}}(LI)=-L{\frac {dI}{dt}}}$

si L es independiente del tiempo, la corriente y el enlace del flujo magnético.

Por tanto, la inductancia también es una medida de la cantidad de fuerza electromotriz (voltaje) generada para una determinada tasa de cambio de corriente. Por ejemplo, un inductor con una inductancia de 1 henrio produce una FEM de 1 voltio cuando la corriente a través del inductor cambia a razón de 1 amperio por segundo. Generalmente se considera que esta es la relación constitutiva (ecuación definitoria) del inductor.

El dual del inductor es el condensador , que almacena energía en un campo eléctrico en lugar de un campo magnético. Su relación corriente-voltaje se obtiene intercambiando corriente y voltaje en las ecuaciones del inductor y reemplazando L con la capacitancia C.

ley de lenz

La polaridad (dirección) del voltaje inducido viene dada por la ley de Lenz , que establece que el voltaje inducido será tal que se opondrá al cambio de corriente. ^[7] Por ejemplo, si la corriente a través de un inductor aumenta, el voltaje inducido será positivo en el punto de entrada de la corriente y negativo en el punto de salida, tendiendo a oponerse a la corriente adicional. ^{[8] [9] [10]} La energía del circuito externo necesaria para superar esta "colina" potencial se almacena en el campo magnético del inductor. Si la corriente disminuye, el voltaje inducido será negativo en el punto de entrada de la corriente y positivo en el punto de salida, tendiendo a mantener la corriente. En este caso, la energía del campo magnético regresa al circuito.

Energía almacenada en un inductor.

Una explicación intuitiva de por qué se induce una diferencia de potencial ante un cambio de corriente en un inductor es la siguiente:

Cuando hay un cambio en la corriente a través de un inductor, hay un cambio en la intensidad del campo magnético. Por ejemplo, si aumenta la corriente, aumenta el campo magnético. Sin embargo, esto tiene un precio. El campo magnético contiene energía potencial y para aumentar la intensidad del campo es necesario almacenar más energía en el campo. Esta energía proviene de la corriente eléctrica a través del inductor. El aumento de la energía potencial magnética del campo se debe a la correspondiente caída de la energía potencial eléctrica de las cargas que fluyen a través de los devanados. Esto aparece como una caída de voltaje en los devanados mientras aumenta la corriente. Una vez que la corriente ya no aumenta y se mantiene constante, la energía en el campo magnético es constante y no se debe suministrar energía adicional, por lo que la caída de voltaje en los devanados desaparece.

De manera similar, si la corriente a través del inductor disminuye, la intensidad del campo magnético disminuye y la energía en el campo magnético disminuye. Esta energía regresa al circuito en forma de un aumento en la energía potencial eléctrica de las cargas en movimiento, lo que provoca un aumento de voltaje en los devanados.

Derivación

El trabajo realizado por unidad de carga sobre las cargas que pasan por el inductor es . El signo negativo indica que el trabajo se realiza en contra de la fem y no por la fem. La corriente es la carga por unidad de tiempo que pasa por el inductor. Por lo tanto, la tasa de trabajo realizado por las cargas contra la fem, es decir, la tasa de cambio de energía de la corriente, está dada por ${\displaystyle -{\mathcal {E}}}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle W}$

${\displaystyle {\frac {dW}{dt}}=-{\mathcal {E}}I}$

De la ecuación constitutiva del inductor, entonces ${\displaystyle -{\mathcal {E}}=L{\frac {dI}{dt}}}$

${\displaystyle {\frac {dW}{dt}}=L{\frac {dI}{dt}}\cdot I=LI\cdot {\frac {dI}{dt}}}$

${\displaystyle dW=LI\cdot dI}$

En un inductor de núcleo ferromagnético, cuando el campo magnético se acerca al nivel en el que el núcleo se satura, la inductancia comenzará a cambiar, será función de la corriente . Despreciando las pérdidas, la energía almacenada por un inductor con una corriente que lo atraviesa es igual a la cantidad de trabajo requerido para establecer la corriente a través del inductor. ${\displaystyle L(I)}$ ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle I_{0}}$

Esta viene dada por: , donde es la llamada "inductancia diferencial" y se define como: . En un inductor de núcleo de aire o un inductor de núcleo ferromagnético por debajo de la saturación, la inductancia es constante (e igual a la inductancia diferencial), por lo que la energía almacenada es ${\displaystyle W=\int _{0}^{I_{0}}L_{d}(I)\,I\,dI}$ ${\displaystyle L_{d}(I)}$ ${\displaystyle L_{d}={\frac {d\Phi _{\mathbf {B} }}{dI}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}W&=L\int _{0}^{I_{0}}I\,dI\\W&={\frac {1}{2}}L{I_{0}}^{2}\end{aligned}}}$

Para inductores con núcleos magnéticos, la ecuación anterior solo es válida para regiones lineales del flujo magnético, en corrientes por debajo del nivel de saturación del inductor, donde la inductancia es aproximadamente constante. Cuando este no sea el caso, se debe utilizar la forma integral con variable. ${\displaystyle L_{d}}$

Respuesta al escalón de voltaje: límite a corto y largo plazo

Cuando se aplica un paso de voltaje a un inductor, su respuesta a corto y largo plazo es fácil de calcular:

• En el límite de tiempo corto, dado que la corriente no puede cambiar instantáneamente, la corriente inicial es cero.

La equivalencia de corto tiempo de un inductor es un circuito abierto .

• En el límite de tiempo prolongado, la respuesta transitoria del inductor desaparecerá, el flujo magnético a través del inductor se volverá constante, por lo que no se inducirá voltaje entre los terminales del inductor. Por lo tanto, la equivalencia a largo plazo de un inductor es un cable ( es decir , un cortocircuito ).
• Para dar un análisis matemático , debemos señalar que cualquier inductor práctico está asociado con una pequeña resistencia R.

Entonces, si el inductor L está conectado a una batería de voltaje V en el tiempo t = 0 , la ecuación del circuito para t > 0 es , cuya solución es , con límites en t = 0 y como se describe en los puntos anteriores. ${\displaystyle V=L{\dot {I}}+IR}$ ${\displaystyle I(t>0)=(V/R)(1-e^{-Rt/L})}$ ${\displaystyle \infty }$

Inductores ideales y reales.

La ecuación constitutiva describe el comportamiento de un inductor ideal con inductancia , y sin resistencia , capacitancia ni disipación de energía. En la práctica, los inductores no siguen este modelo teórico; Los inductores reales tienen una resistencia medible debido a la resistencia del cable y las pérdidas de energía en el núcleo, y la capacitancia parásita entre las vueltas del cable. ^{[11] [12]} ${\displaystyle L}$

La reactancia capacitiva de un inductor real aumenta con la frecuencia y, a cierta frecuencia, el inductor se comportará como un circuito resonante . Por encima de esta frecuencia de autorresonancia , la reactancia capacitiva es la parte dominante de la impedancia del inductor. A frecuencias más altas, las pérdidas resistivas en los devanados aumentan debido al efecto piel y al efecto de proximidad .

Los inductores con núcleo ferromagnético experimentan pérdidas de energía adicionales debido a la histéresis y las corrientes parásitas en el núcleo, que aumentan con la frecuencia. A corrientes elevadas, los inductores de núcleo magnético también muestran una desviación repentina del comportamiento ideal debido a la no linealidad causada por la saturación magnética del núcleo.

Los inductores irradian energía electromagnética al espacio circundante y pueden absorber emisiones electromagnéticas de otros circuitos, lo que genera posibles interferencias electromagnéticas .

Uno de los primeros dispositivos amplificadores y de conmutación eléctrica de estado sólido llamado reactor saturable aprovecha la saturación del núcleo como medio para detener la transferencia inductiva de corriente a través del núcleo.

factor q

La resistencia del devanado aparece como una resistencia en serie con el inductor; se conoce como DCR (resistencia CC). Esta resistencia disipa parte de la energía reactiva. El factor de calidad (o Q ) de un inductor es la relación entre su reactancia inductiva y su resistencia a una frecuencia determinada, y es una medida de su eficiencia. Cuanto mayor sea el factor Q del inductor, más se acercará al comportamiento de un inductor ideal. Los inductores de alta Q se utilizan con condensadores para crear circuitos resonantes en transmisores y receptores de radio. Cuanto mayor sea Q, más estrecho será el ancho de banda del circuito resonante.

El factor Q de un inductor se define como

${\displaystyle Q={\frac {\omega L}{R}}}$

donde es la inductancia, es la resistencia CC y el producto es la reactancia inductiva ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \omega L}$

Q aumenta linealmente con la frecuencia si L y R son constantes. Aunque son constantes a bajas frecuencias, los parámetros varían con la frecuencia. Por ejemplo, el efecto superficial, el efecto de proximidad y las pérdidas centrales aumentan R con la frecuencia; La capacitancia del devanado y las variaciones en la permeabilidad con la frecuencia afectan a L.

A bajas frecuencias y dentro de límites, aumentar el número de vueltas N mejora Q porque L varía como N ² mientras que R varía linealmente con N. De manera similar, aumentar el radio r de un inductor mejora (o aumenta) Q porque L varía con r ² mientras que R varía linealmente con r . Por lo tanto, los inductores de núcleo de aire de alta Q suelen tener grandes diámetros y muchas vueltas. Ambos ejemplos suponen que el diámetro del alambre permanece igual, por lo que ambos ejemplos usan proporcionalmente más alambre. Si la masa total del alambre se mantiene constante, entonces no habría ninguna ventaja en aumentar el número de vueltas o el radio de las vueltas porque el alambre tendría que ser proporcionalmente más delgado.

El uso de un núcleo ferromagnético de alta permeabilidad puede aumentar considerablemente la inductancia para la misma cantidad de cobre, por lo que el núcleo también puede aumentar el Q. Sin embargo, los núcleos también introducen pérdidas que aumentan con la frecuencia. El material central se elige para obtener mejores resultados para la banda de frecuencia. Los inductores de alta Q deben evitar la saturación; Una forma es utilizar un inductor de núcleo de aire (físicamente más grande). En frecuencias VHF o superiores es probable que se utilice un núcleo de aire. Un inductor con núcleo de aire bien diseñado puede tener un Q de varios cientos.

Aplicaciones

Ejemplo de filtrado de señales. En esta configuración, el inductor bloquea la corriente CA, al tiempo que permite el paso de la corriente CC.

Ejemplo de filtrado de señal. En esta configuración, el inductor desacopla la corriente CC, mientras permite el paso de la corriente CA.

Los inductores se utilizan ampliamente en circuitos analógicos y procesamiento de señales. Las aplicaciones van desde el uso de grandes inductores en fuentes de alimentación, que junto con condensadores de filtro eliminan la ondulación , que es un múltiplo de la frecuencia de la red (o la frecuencia de conmutación para fuentes de alimentación de modo conmutado) de la salida de corriente continua, hasta la pequeña inductancia. de la perla de ferrita o toro instalado alrededor de un cable para evitar que se transmitan interferencias de radiofrecuencia a lo largo del cable. Los inductores se utilizan como dispositivo de almacenamiento de energía en muchas fuentes de alimentación de modo conmutado para producir corriente continua. El inductor suministra energía al circuito para mantener el flujo de corriente durante los períodos de conmutación "apagado" y permite topografías donde el voltaje de salida es mayor que el voltaje de entrada.

Un circuito sintonizado , formado por un inductor conectado a un condensador , actúa como resonador de una corriente oscilante. Los circuitos sintonizados se utilizan ampliamente en equipos de radiofrecuencia , como transmisores y receptores de radio, como filtros de paso de banda estrecho para seleccionar una única frecuencia a partir de una señal compuesta y en osciladores electrónicos para generar señales sinusoidales.

Dos (o más) inductores en proximidad que tienen un flujo magnético acoplado ( inductancia mutua ) forman un transformador , que es un componente fundamental de toda red eléctrica de servicios públicos . La eficiencia de un transformador puede disminuir a medida que aumenta la frecuencia debido a las corrientes parásitas en el material del núcleo y al efecto superficial en los devanados. El tamaño del núcleo se puede reducir a frecuencias más altas. Por este motivo, los aviones utilizan corriente alterna de 400 hercios en lugar de los habituales 50 o 60 hercios, lo que permite un gran ahorro de peso al utilizar transformadores más pequeños. ^[13] Los transformadores permiten fuentes de alimentación de modo conmutado que aíslan la salida de la entrada.

Los inductores también se emplean en sistemas de transmisión eléctrica, donde se utilizan para limitar las corrientes de conmutación y las corrientes de falla . En este campo, se les conoce más comúnmente como reactores.

Los inductores tienen efectos parásitos que hacen que se desvíen del comportamiento ideal. Crean y sufren interferencias electromagnéticas (EMI). Su tamaño físico impide que se integren en chips semiconductores. Por ello, el uso de inductores está disminuyendo en los dispositivos electrónicos modernos, especialmente en los dispositivos portátiles compactos. Los inductores reales están siendo reemplazados cada vez más por circuitos activos como el girador , que puede sintetizar inductancia mediante condensadores.

Construcción de inductores

Un inductor generalmente consiste en una bobina de material conductor, generalmente alambre de cobre aislado , envuelto alrededor de un núcleo de plástico (para crear un inductor de núcleo de aire) o de un material ferromagnético (o ferrimagnético ); este último se denomina inductor de "núcleo de hierro". La alta permeabilidad del núcleo ferromagnético aumenta el campo magnético y lo confina estrechamente al inductor, aumentando así la inductancia. Los inductores de baja frecuencia están construidos como transformadores, con núcleos de acero eléctrico laminado para evitar corrientes parásitas . Las ferritas 'blandas' se utilizan ampliamente para núcleos por encima de las frecuencias de audio , ya que no causan las grandes pérdidas de energía en altas frecuencias que causan las aleaciones de hierro ordinarias. Los inductores vienen en muchas formas. Algunos inductores tienen un núcleo ajustable que permite cambiar la inductancia. Los inductores utilizados para bloquear frecuencias muy altas a veces se fabrican ensartando una perla de ferrita en un cable.

Se pueden grabar pequeños inductores directamente en una placa de circuito impreso disponiendo la traza en forma de espiral . Algunos de estos inductores planos utilizan un núcleo plano . También se pueden construir inductores de pequeño valor en circuitos integrados utilizando los mismos procesos que se utilizan para realizar interconexiones . Por lo general, se utiliza una interconexión de aluminio , dispuesta en un patrón de bobina en espiral. Sin embargo, las pequeñas dimensiones limitan la inductancia y es mucho más común usar un circuito llamado girador que usa un capacitor y componentes activos para comportarse de manera similar a un inductor. Independientemente del diseño, debido a las bajas inductancias y la baja disipación de potencia que permiten los inductores integrados, actualmente solo se utilizan comercialmente para circuitos de RF de alta frecuencia.

Inductores blindados

Los inductores utilizados en sistemas de regulación de energía, iluminación y otros sistemas que requieren condiciones de funcionamiento con bajo nivel de ruido suelen estar parcial o totalmente blindados. ^{[14] [15]} En los circuitos de telecomunicaciones que emplean bobinas de inducción y transformadores repetidos, el blindaje de los inductores en estrecha proximidad reduce la diafonía del circuito.

Tipos

Inductor de núcleo de aire

Estas bobinas ilustran la construcción de alta potencia y alto Q : devanado de una sola capa con espiras espaciadas para reducir las pérdidas por efecto de proximidad , hechas de alambre o tubo plateado para reducir las pérdidas por efecto de piel , sostenidas por tiras aislantes estrechas para reducir las pérdidas dieléctricas.

El término bobina con núcleo de aire describe un inductor que no utiliza un núcleo magnético hecho de material ferromagnético. El término se refiere a bobinas enrolladas en plástico, cerámica u otras formas no magnéticas, así como a aquellas que solo tienen aire dentro de las bobinas. Las bobinas con núcleo de aire tienen una inductancia más baja que las bobinas con núcleo ferromagnético, pero a menudo se usan a altas frecuencias porque están libres de pérdidas de energía llamadas pérdidas en el núcleo que ocurren en los núcleos ferromagnéticos, que aumentan con la frecuencia. Un efecto secundario que puede producirse en bobinas con núcleo de aire en las que el devanado no está soportado rígidamente sobre una forma es la "microfonía": la vibración mecánica de los devanados puede provocar variaciones en la inductancia.

Inductor de radiofrecuencia

Colección de inductores de RF, que muestra técnicas para reducir pérdidas. Los tres superiores izquierdos y la antena de varilla o varilla de ferrita, ^{[16] [17] [18] [19]} inferior, tienen devanados de cesta.

En altas frecuencias , particularmente en radiofrecuencias (RF), los inductores tienen mayor resistencia y otras pérdidas. Además de provocar pérdida de potencia, en circuitos resonantes esto puede reducir el factor Q del circuito, ampliando el ancho de banda . En los inductores de RF, que en su mayoría son del tipo núcleo de aire, se utilizan técnicas de construcción especializadas para minimizar estas pérdidas. Las pérdidas se deben a estos efectos:

• Efecto piel : La resistencia de un cable a la corriente de alta frecuencia es mayor que su resistencia a la corriente continua debido al efecto piel . Debido a las corrientes parásitas inducidas , la corriente alterna de radiofrecuencia no penetra mucho en el cuerpo de un conductor, sino que viaja a lo largo de su superficie. Por ejemplo, a 6 MHz, la profundidad de la piel del cable de cobre es de aproximadamente 0,001 pulgadas (25 µm); la mayor parte de la corriente se encuentra dentro de esta profundidad de la superficie. Por lo tanto, en un cable sólido, la porción interior del cable puede transportar poca corriente, aumentando efectivamente su resistencia.
• Efecto de proximidad : Otro efecto similar que también aumenta la resistencia del cable a altas frecuencias es el efecto de proximidad , que se produce en cables paralelos que se encuentran cerca uno del otro. El campo magnético individual de las espiras adyacentes induce corrientes parásitas en el cable de la bobina, lo que hace que la corriente en el conductor se concentre en una tira delgada en el lado cercano al cable adyacente. Al igual que el efecto piel, esto reduce el área de la sección transversal efectiva del cable que conduce la corriente, aumentando su resistencia.
• Pérdidas dieléctricas : el campo eléctrico de alta frecuencia cerca de los conductores en una bobina de tanque puede causar el movimiento de moléculas polares en materiales aislantes cercanos, disipando energía en forma de calor. Por lo tanto, las bobinas utilizadas para los circuitos sintonizados a menudo no están enrolladas en formas de bobina, sino que están suspendidas en el aire, sostenidas por estrechas tiras de plástico o cerámica.
• Capacitancia parásita : La capacitancia entre espiras de alambre individuales de la bobina, llamada capacitancia parásita , no causa pérdidas de energía pero puede cambiar el comportamiento de la bobina. Cada vuelta de la bobina tiene un potencial ligeramente diferente, por lo que el campo eléctrico entre las vueltas vecinas almacena carga en el cable, por lo que la bobina actúa como si tuviera un condensador en paralelo. A una frecuencia suficientemente alta, esta capacitancia puede resonar con la inductancia de la bobina formando un circuito sintonizado , haciendo que la bobina se vuelva autoresonante .

(izquierda) Bobina de telaraña (derecha) Bobina de RF ajustable de ferrita sintonizada con bobinado de tejido de cesta y alambre litz

Para reducir la capacitancia parásita y el efecto de proximidad, se construyen bobinas de RF de Q alto para evitar tener muchas vueltas muy juntas, paralelas entre sí. Los devanados de las bobinas de RF suelen estar limitados a una sola capa y las espiras están espaciadas. Para reducir la resistencia debida al efecto superficial, en inductores de alta potencia, como los utilizados en transmisores, los devanados a veces están hechos de una tira o tubo de metal que tiene una superficie mayor y la superficie está plateada.

Bobinas de tejido de cesta

Para reducir el efecto de proximidad y la capacitancia parásita, las bobinas de RF multicapa se enrollan en patrones en los que las vueltas sucesivas no son paralelas sino que se entrecruzan en ángulo; A menudo se les llama bobinas de tejido de panal o de cesta . Ocasionalmente, estos se enrollan sobre soportes aislantes verticales con clavijas o ranuras, con el cable entrando y saliendo a través de las ranuras.

Bobinas de telaraña

Otra técnica de construcción con ventajas similares son las bobinas en espiral planas. Estos suelen estar enrollados sobre un soporte aislante plano con radios radiales o ranuras, con el cable entrando y saliendo a través de las ranuras; éstas se llaman bobinas de telaraña . El formulario tiene un número impar de ranuras, por lo que las sucesivas vueltas de la espiral se encuentran en lados opuestos del formulario, lo que aumenta la separación.

alambre litz

Para reducir las pérdidas por efecto de la piel, algunas bobinas se enrollan con un tipo especial de alambre de radiofrecuencia llamado alambre litz . En lugar de un solo conductor sólido, el alambre litz consta de varios hilos de alambre más pequeños que transportan la corriente. A diferencia del alambre trenzado ordinario , los hilos están aislados entre sí, para evitar que el efecto piel fuerce la corriente hacia la superficie, y están retorcidos o trenzados juntos. El patrón de torsión garantiza que cada hilo de cable gaste la misma cantidad de su longitud en el exterior del haz de cables, por lo que el efecto superficial distribuye la corriente equitativamente entre los hilos, lo que da como resultado un área de conducción de sección transversal mayor que la de un solo cable equivalente.

Inductores axiales

Los pequeños inductores para baja corriente y baja potencia se fabrican en cajas moldeadas que se asemejan a resistencias. Estos pueden ser núcleos simples (fenólicos) o núcleos de ferrita. Un óhmetro los distingue fácilmente de resistencias de tamaño similar al mostrar la baja resistencia del inductor.

Inductor de núcleo ferromagnético

Una variedad de tipos de inductores y transformadores con núcleo de ferrita.

Los inductores de núcleo ferromagnético o de núcleo de hierro utilizan un núcleo magnético hecho de un material ferromagnético o ferrimagnético como hierro o ferrita para aumentar la inductancia. Un núcleo magnético puede aumentar la inductancia de una bobina en un factor de varios miles, al aumentar el campo magnético debido a su mayor permeabilidad magnética . Sin embargo, las propiedades magnéticas del material del núcleo provocan varios efectos secundarios que alteran el comportamiento del inductor y requieren una construcción especial:

Pérdidas centrales

Una corriente variable en el tiempo en un inductor ferromagnético, que provoca un campo magnético variable en el tiempo en su núcleo, provoca pérdidas de energía en el material del núcleo que se disipan en forma de calor, debido a dos procesos:

corrientes parásitas

Según la ley de inducción de Faraday , el campo magnético cambiante puede inducir bucles circulantes de corriente eléctrica en el núcleo metálico conductor. La energía de estas corrientes se disipa en forma de calor en la resistencia del material del núcleo. La cantidad de energía perdida aumenta con el área dentro del circuito de corriente.

Histéresis

Cambiar o invertir el campo magnético en el núcleo también provoca pérdidas debido al movimiento de los diminutos dominios magnéticos que lo componen. La pérdida de energía es proporcional al área del bucle de histéresis en el gráfico BH del material del núcleo. Los materiales con baja coercitividad tienen bucles de histéresis estrechos y, por lo tanto, bajas pérdidas por histéresis.

La pérdida del núcleo no es lineal con respecto tanto a la frecuencia de la fluctuación magnética como a la densidad del flujo magnético. La frecuencia de fluctuación magnética es la frecuencia de la corriente alterna en el circuito eléctrico; La densidad de flujo magnético corresponde a la corriente en el circuito eléctrico. La fluctuación magnética da lugar a histéresis y la densidad del flujo magnético provoca corrientes parásitas en el núcleo. Estas no linealidades se distinguen de la no linealidad umbral de saturación. La pérdida del núcleo se puede modelar aproximadamente con la ecuación de Steinmetz . A bajas frecuencias y en intervalos de frecuencia limitados (tal vez un factor de 10), la pérdida del núcleo puede tratarse como una función lineal de la frecuencia con un error mínimo. Sin embargo, incluso en el rango de audio, los efectos no lineales de los inductores de núcleo magnético son notables y preocupantes.

Saturación

Si la corriente a través de una bobina de núcleo magnético es lo suficientemente alta como para que el núcleo se sature , la inductancia caerá y la corriente aumentará dramáticamente. Este es un fenómeno de umbral no lineal y produce una distorsión de la señal. Por ejemplo, las señales de audio pueden sufrir distorsión por intermodulación en inductores saturados. Para evitar esto, en los circuitos lineales la corriente a través de los inductores con núcleo de hierro debe limitarse por debajo del nivel de saturación. Algunos núcleos laminados tienen un espacio de aire estrecho para este propósito, y los núcleos de hierro en polvo tienen un espacio de aire distribuido. Esto permite niveles más altos de flujo magnético y, por lo tanto, corrientes más altas a través del inductor antes de que se sature. ^[20]

Desmagnetización del punto de Curie

Si la temperatura de un núcleo ferromagnético o ferrimagnético aumenta a un nivel específico, los dominios magnéticos se disocian y el material se vuelve paramagnético, incapaz de soportar el flujo magnético. La inductancia cae y la corriente aumenta dramáticamente, de manera similar a lo que sucede durante la saturación. El efecto es reversible: cuando la temperatura cae por debajo del punto de Curie, el flujo magnético resultante de la corriente en el circuito eléctrico realineará los dominios magnéticos del núcleo y se restablecerá su flujo magnético. El punto Curie de los materiales ferromagnéticos (aleaciones de hierro) es bastante alto; el hierro alcanza su punto máximo a 770  °C. Sin embargo, para algunos materiales ferrimagnéticos (compuestos cerámicos de hierro – ferritas ), el punto de Curie puede estar cerca de la temperatura ambiente (por debajo de 100  °C). ^{[ cita necesaria ]}

Inductor de núcleo laminado

Inductor de balastro con núcleo de hierro laminado para lámpara de halogenuros metálicos

Los inductores de baja frecuencia a menudo se fabrican con núcleos laminados para evitar corrientes parásitas y utilizan una construcción similar a la de los transformadores . El núcleo está formado por pilas de finas láminas o laminaciones de acero orientadas paralelamente al campo, con un revestimiento aislante en la superficie. El aislamiento evita corrientes parásitas entre las láminas, por lo que cualquier corriente restante debe estar dentro del área de la sección transversal de las laminaciones individuales, reduciendo el área del bucle y reduciendo así en gran medida las pérdidas de energía. Las laminaciones están hechas de acero al silicio de baja conductividad para reducir aún más las pérdidas por corrientes parásitas.

Inductor de núcleo de ferrita

Para frecuencias más altas, los inductores se fabrican con núcleos de ferrita. La ferrita es un material ferrimagnético cerámico que no es conductor, por lo que las corrientes parásitas no pueden fluir en su interior. La formulación de ferrita es xxFe ₂ O ₄ donde xx representa varios metales. Para los núcleos de inductores se utilizan ferritas blandas , que tienen una baja coercitividad y, por tanto, bajas pérdidas por histéresis.

Inductor de núcleo de hierro en polvo

Otro material es el hierro en polvo cementado con un aglutinante. Los equipos de media frecuencia utilizan casi exclusivamente núcleos de hierro en polvo, y los inductores y transformadores construidos para las ondas cortas más bajas se fabrican con hierro en polvo cementado o ferritas . ^{[ cita necesaria ]}

Inductor de núcleo toroidal

Inductor toroidal en la fuente de alimentación de un enrutador inalámbrico.

En un inductor enrollado sobre un núcleo en forma de varilla recta, las líneas de campo magnético que emergen de un extremo del núcleo deben pasar a través del aire para volver a entrar en el núcleo por el otro extremo. Esto reduce el campo, porque gran parte de la trayectoria del campo magnético se encuentra en el aire en lugar del material del núcleo de mayor permeabilidad y es una fuente de interferencia electromagnética . Se puede lograr un campo magnético y una inductancia más altos formando el núcleo en un circuito magnético cerrado . Las líneas del campo magnético forman bucles cerrados dentro del núcleo sin abandonar el material del núcleo. La forma que se utiliza a menudo es la de un núcleo de ferrita toroidal o en forma de rosquilla. Debido a su simetría, los núcleos toroidales permiten que un mínimo de flujo magnético escape fuera del núcleo (llamado flujo de fuga ), por lo que irradian menos interferencia electromagnética que otras formas. Las bobinas con núcleo toroidal se fabrican con diversos materiales, principalmente ferrita, hierro en polvo y núcleos laminados. ^[21]

inductor variable

(izquierda) Inductor con un trozo de ferrita roscado (visible en la parte superior) que se puede girar para moverlo dentro o fuera de la bobina, de 4,2 cm de altura. (derecha) Un variómetro utilizado en receptores de radio en la década de 1920.

Una "bobina de rodillo", un inductor de RF de núcleo de aire ajustable que se utiliza en los circuitos sintonizados de transmisores de radio. Uno de los contactos con la bobina se realiza mediante una pequeña rueda ranurada que se desplaza sobre el cable. Al girar el eje, se hace girar la bobina, moviendo la rueda de contacto hacia arriba o hacia abajo en la bobina, permitiendo que más o menos vueltas de la bobina entren en el circuito para cambiar la inductancia.

Probablemente el tipo más común de inductor variable hoy en día es uno con un núcleo magnético de ferrita móvil, que puede deslizarse o atornillarse dentro o fuera de la bobina. Mover el núcleo más adentro de la bobina aumenta la permeabilidad , aumentando el campo magnético y la inductancia. Muchos inductores utilizados en aplicaciones de radio (normalmente menos de 100 MHz) utilizan núcleos ajustables para sintonizar dichos inductores al valor deseado, ya que los procesos de fabricación tienen ciertas tolerancias (inexactitud). A veces, estos núcleos para frecuencias superiores a 100 MHz están fabricados de un material no magnético altamente conductor, como el aluminio. ^[22] Disminuyen la inductancia porque el campo magnético debe evitarlos.

Los inductores de núcleo de aire pueden usar contactos deslizantes o grifos múltiples para aumentar o disminuir el número de vueltas incluidas en el circuito y cambiar la inductancia. Un tipo muy utilizado en el pasado pero hoy en día obsoleto tiene un contacto de resorte que puede deslizarse a lo largo de la superficie desnuda de los devanados. La desventaja de este tipo es que el contacto suele cortocircuitar una o más vueltas. Estas espiras actúan como el devanado secundario de un transformador en cortocircuito de una sola vuelta ; las grandes corrientes inducidas en ellos provocan pérdidas de potencia.

Un tipo de inductor de núcleo de aire continuamente variable es el variómetro . Este consta de dos bobinas con el mismo número de vueltas conectadas en serie, una dentro de la otra. La bobina interior está montada sobre un eje de modo que su eje pueda girar con respecto a la bobina exterior. Cuando los ejes de las dos bobinas son colineales, con los campos magnéticos apuntando en la misma dirección, los campos se suman y la inductancia es máxima. Cuando la bobina interior se gira de modo que su eje forme un ángulo con el exterior, la inductancia mutua entre ellas es menor, por lo que la inductancia total es menor. Cuando la bobina interior se gira 180° de modo que las bobinas sean colineales con sus campos magnéticos opuestos, los dos campos se cancelan entre sí y la inductancia es muy pequeña. Este tipo tiene la ventaja de que varía continuamente en un amplio rango. Se utiliza en sintonizadores de antena y circuitos de adaptación para hacer coincidir transmisores de baja frecuencia con sus antenas.

Otro método para controlar la inductancia sin piezas móviles requiere un devanado de polarización de corriente CC adicional que controle la permeabilidad de un material central fácilmente saturable. Ver amplificador magnético .

Ahogo

Un inductor de radio MF o HF para décimas de amperio y un inductor de VHF con perlas de ferrita para varios amperios.

Un estrangulador es un inductor diseñado específicamente para bloquear la corriente alterna (CA) de alta frecuencia en un circuito eléctrico, al tiempo que permite el paso de señales de CC o de baja frecuencia. Debido a que el inductor resiste o "estrangula" los cambios de corriente, este tipo de inductor se llama estrangulador. Por lo general, consiste en una bobina de alambre aislado enrollado sobre un núcleo magnético, aunque algunos consisten en una "cuenta" de material de ferrita en forma de rosquilla ensartada en un alambre. Al igual que otros inductores, los estranguladores resisten cada vez más con la frecuencia los cambios en la corriente que los atraviesa. La diferencia entre las bobinas de choque y otros inductores es que las bobinas de choque no requieren técnicas de construcción de alto factor Q que se utilizan para reducir la resistencia en los inductores utilizados en circuitos sintonizados.

Análisis de circuitos

El efecto de un inductor en un circuito es oponerse a los cambios en la corriente que lo atraviesa desarrollando un voltaje a través de él proporcional a la tasa de cambio de la corriente. Un inductor ideal no ofrecería resistencia a una corriente continua constante ; sin embargo, sólo los inductores superconductores tienen una resistencia eléctrica verdaderamente nula .

La relación entre el voltaje variable en el tiempo v ( t ) a través de un inductor con inductancia L y la corriente variable en el tiempo i ( t ) que lo atraviesa se describe mediante la ecuación diferencial :

${\displaystyle v(t)=L{\frac {di(t)}{dt}}}$

Cuando pasa una corriente alterna (CA) sinusoidal a través de un inductor, se induce un voltaje sinusoidal. La amplitud del voltaje es proporcional al producto de la amplitud ( ) de la corriente y la frecuencia angular ( ) de la corriente. ${\displaystyle I_{P}}$ ${\displaystyle \omega }$

${\displaystyle {\begin{aligned}i(t)&=I_{\mathrm {P} }\sin(\omega t)\\{\frac {di(t)}{dt}}&=I_{\mathrm {P} }\omega \cos(\omega t)\\v(t)&=LI_{\mathrm {P} }\omega \cos(\omega t)\end{aligned}}}$

En esta situación, la fase de la corriente está retrasada con respecto a la tensión en π/2 (90°). Para las sinusoides, cuando el voltaje a través del inductor llega a su valor máximo, la corriente llega a cero, y cuando el voltaje a través del inductor llega a cero, la corriente a través de él llega a su valor máximo.

Si un inductor está conectado a una fuente de corriente continua con valor I a través de una resistencia R (al menos el DCR del inductor), y luego se cortocircuita la fuente de corriente, la relación diferencial anterior muestra que la corriente a través del inductor se descargará. con una caída exponencial :

${\displaystyle i(t)=Ie^{-{\frac {R}{L}}t}}$

Resistencia reactiva

_{La relación entre el voltaje máximo y la corriente máxima en un inductor energizado desde una fuente de} CA se llama reactancia y se denota XL .

${\displaystyle X_{\mathrm {L} }={\frac {V_{\mathrm {P} }}{I_{\mathrm {P} }}}={\frac {\omega LI_{\mathrm {P} }}{I_{\mathrm {P} }}}}$

De este modo,

${\displaystyle X_{\mathrm {L} }=\omega L}$

donde ω es la frecuencia angular .

La reactancia se mide en ohmios, pero se la denomina impedancia en lugar de resistencia; La energía se almacena en el campo magnético cuando la corriente aumenta y se descarga cuando la corriente disminuye. La reactancia inductiva es proporcional a la frecuencia. A baja frecuencia la reactancia cae; En CC, el inductor se comporta como un cortocircuito. A medida que aumenta la frecuencia, la reactancia aumenta y, a una frecuencia suficientemente alta, la reactancia se acerca a la de un circuito abierto.

Frecuencia de esquina

En aplicaciones de filtrado, con respecto a una impedancia de carga particular, un inductor tiene una frecuencia de esquina definida como:

${\displaystyle f_{\mathrm {3\,dB} }={\frac {R}{2\pi L}}}$

Análisis de circuitos de Laplace (dominio s)

Cuando se utiliza la transformada de Laplace en el análisis de circuitos, la impedancia de un inductor ideal sin corriente inicial se representa en el dominio s por:

${\displaystyle Z(s)=Ls\,}$

dónde

${\displaystyle L}$es la inductancia, y

${\displaystyle s}$es la frecuencia compleja.

Si el inductor tiene corriente inicial, se puede representar por:

• agregando una fuente de voltaje en serie con el inductor, que tiene el valor:

  ${\displaystyle LI_{0}\,}$

  dónde

  ${\displaystyle L}$es la inductancia, y

  ${\displaystyle I_{0}}$es la corriente inicial en el inductor.

  (La fuente debe tener una polaridad alineada con la corriente inicial).
• o agregando una fuente de corriente en paralelo con el inductor, que tiene el valor:

  ${\displaystyle {\frac {I_{0}}{s}}}$

  dónde

  ${\displaystyle I_{0}}$es la corriente inicial en el inductor.

  ${\displaystyle s}$es la frecuencia compleja.

Redes de inductores

Los inductores en una configuración en paralelo tienen cada uno la misma diferencia de potencial (voltaje). Para encontrar su inductancia equivalente total ( L _eq ):

${\displaystyle {\frac {1}{L_{\mathrm {eq} }}}={\frac {1}{L_{1}}}+{\frac {1}{L_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{L_{n}}}}$

La corriente que pasa por los inductores en serie permanece igual, pero el voltaje en cada inductor puede ser diferente. La suma de las diferencias de potencial (voltaje) es igual al voltaje total. Para encontrar su inductancia total:

${\displaystyle L_{\mathrm {eq} }=L_{1}+L_{2}+\cdots +L_{n}\,\!}$

Estas relaciones simples son válidas sólo cuando no existe un acoplamiento mutuo de campos magnéticos entre inductores individuales.

Inductancia mutua

La inductancia mutua ocurre cuando el campo magnético de un inductor induce un campo magnético en un inductor adyacente. La inducción mutua es la base de la construcción de transformadores.

${\displaystyle M={\sqrt {L_{1}L_{2}}}}$

donde M es la máxima inductancia mutua posible entre 2 inductores y L ₁ y L ₂ son los dos inductores. En general

${\displaystyle M\leq {\sqrt {L_{1}L_{2}}}}$

ya que sólo una fracción del flujo propio está vinculada con el otro. Esta fracción se denomina "Coeficiente de enlace de flujo (K)" o "Coeficiente de acoplamiento".

${\displaystyle M=K{\sqrt {L_{1}L_{2}}}}$

Fórmulas de inductancia

La siguiente tabla enumera algunas fórmulas simplificadas comunes para calcular la inductancia aproximada de varias construcciones de inductores.

Ver también

• Buscador de dirección Bellini-Tosi (radiogoniómetro)
• curva de hanna
• bobina de inducción
• Cocina por inducción
• Bucle de inducción
• circuito LC
• circuito RLC
• Reactor saturable : un tipo de inductor ajustable
• Solenoide
• Acumulador (energía)

Notas

1. El coeficiente de Nagaoka ( K ) es aproximadamente 1 para una bobina que es mucho más larga que su diámetro y está enrollada firmemente con un alambre de calibre pequeño (de modo que se aproxima a una lámina actual).

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28. Terman (1943, p. 48) afirma que para ℓ  < 100 d , incluya d /2 ℓ entre paréntesis.
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30. Los valores de hasta 1 ⁄ 3  de longitud de onda son antenas factibles, pero para devanados de esa longitud, esta fórmula será inexacta. ${\displaystyle \pi D}$
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Fuente

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enlaces externos