Los inductores y transformadores toroidales son inductores y transformadores que utilizan núcleos magnéticos con forma toroidal (de anillo o de rosquilla). Son componentes electrónicos pasivos , que consisten en un núcleo magnético circular en forma de anillo o de rosquilla de material ferromagnético como hierro laminado , polvo de hierro o ferrita , alrededor del cual se enrolla un cable .
Aunque los inductores y transformadores de núcleo cerrado suelen utilizar núcleos con forma rectangular, el uso de núcleos con forma toroidal a veces proporciona un rendimiento eléctrico superior. La ventaja de la forma toroidal es que, debido a su simetría, la cantidad de flujo magnético que escapa al exterior del núcleo ( flujo de fuga ) puede reducirse, lo que potencialmente lo hace más eficiente y hace que emita menos interferencias electromagnéticas (EMI).
Los inductores y transformadores toroidales se utilizan en una amplia gama de circuitos electrónicos: fuentes de alimentación , inversores y amplificadores , que a su vez se emplean en la gran mayoría de equipos eléctricos: televisores, radios, ordenadores y sistemas de audio .
En general, un inductor/transformador toroidal es más compacto que otros núcleos con forma porque están hechos de menos materiales e incluyen una arandela de centrado, tuercas y pernos, lo que da como resultado un diseño hasta un 50 % más liviano. [1] Este es especialmente el caso de los dispositivos de potencia.
Debido a que el toroide es un núcleo de bucle cerrado, tendrá un campo magnético más alto y, por lo tanto, una inductancia y un factor Q más altos que un inductor de la misma masa con un núcleo recto ( bobinas de solenoide ). Esto se debe a que la mayor parte del campo magnético está contenido dentro del núcleo. En comparación, con un inductor con un núcleo recto, el campo magnético que emerge de un extremo del núcleo tiene un largo camino a través del aire para ingresar al otro extremo.
Además, debido a que los devanados son relativamente cortos y están enrollados en un campo magnético cerrado, un transformador toroidal tendrá una impedancia secundaria más baja, lo que aumentará la eficiencia, el rendimiento eléctrico y reducirá efectos como la distorsión y las franjas. [2]
Debido a la simetría de un toroide, se escapa poco flujo magnético del núcleo (flujo de fuga). Por lo tanto, un inductor/transformador toroidal irradia menos interferencia electromagnética (EMI) a los circuitos adyacentes y es una opción ideal para entornos de alta concentración. [3] Los fabricantes han adoptado bobinas toroidales en los últimos años para cumplir con las normas internacionales cada vez más estrictas que limitan la cantidad de campo electromagnético que pueden producir los productos electrónicos de consumo.
En algunas circunstancias, la corriente en el devanado de un inductor toroidal contribuye únicamente al campo B dentro de los devanados. No contribuye al campo magnético B fuera de los devanados. Esto es una consecuencia de la simetría y de la ley circuital de Ampère .
La ausencia de corriente circunferencial [4] (el camino de la corriente circunferencial está indicado por la flecha roja en la figura 3 de esta sección) y la disposición axialmente simétrica de los conductores y materiales magnéticos [4] [5] [6] son condiciones suficientes para el confinamiento interno total del campo B. (Algunos autores prefieren utilizar el campo H ). Debido a la simetría, las líneas de flujo B deben formar círculos de intensidad constante centrados en el eje de simetría. Las únicas líneas de flujo B que rodean cualquier corriente son las que están dentro del devanado toroidal. Por lo tanto, a partir de la ley circuital de Ampere, la intensidad del campo B debe ser cero fuera de los devanados. [6]
La figura 3 de esta sección muestra el devanado toroidal más común. No cumple con ambos requisitos de confinamiento total del campo B. Mirando desde el eje, a veces el devanado está en el interior del núcleo y a veces en el exterior del núcleo. No es axialmente simétrico en la región cercana. Sin embargo, en puntos a una distancia de varias veces el espaciado del devanado, el toroide parece simétrico. [7] Todavía existe el problema de la corriente circunferencial. No importa cuántas veces el devanado rodee el núcleo y no importa cuán delgado sea el cable, este inductor toroidal aún incluirá un bucle de una bobina en el plano del toroide. Este devanado también producirá y será susceptible a un campo E en el plano del inductor.
Las figuras 4 a 6 muestran distintas formas de neutralizar la corriente circunferencial. La figura 4 es la más sencilla y tiene la ventaja de que el cable de retorno se puede añadir después de comprar o construir el inductor.
Habrá una distribución de potencial a lo largo del devanado. Esto puede generar un campo E en el plano del toroide y también una susceptibilidad a un campo E en el plano del toroide, como se muestra en la figura 7. Esto se puede mitigar utilizando un devanado de retorno, como se muestra en la figura 8. Con este devanado, cada lugar en el que el devanado se cruza consigo mismo; las dos partes estarán en polaridad igual y opuesta, lo que reduce sustancialmente el campo E generado en el plano.
Véase el capítulo 14 [8] y 15 [9] de Feynman para una discusión general del potencial vectorial magnético . Véase la página 15-11 [10] de Feynman para un diagrama del potencial vectorial magnético alrededor de un solenoide largo y delgado que también exhibe un confinamiento interno total del campo B , al menos en el límite infinito.
El campo A es preciso cuando se utiliza el supuesto . Esto sería cierto en los siguientes supuestos:
El número 4 se presumirá para el resto de esta sección y podrá referirse a la "condición cuasiestática".
Aunque el inductor toroidal axialmente simétrico sin corriente circunferencial confina totalmente el campo B dentro de los devanados, el campo A (potencial vectorial magnético) no está confinado. La flecha n.° 1 en la imagen representa el potencial vectorial en el eje de simetría. Las secciones de corriente radial a y b están a distancias iguales del eje, pero apuntan en direcciones opuestas, por lo que se cancelarán. Del mismo modo, los segmentos c y d se cancelan. Todos los segmentos de corriente radial se cancelan. La situación para las corrientes axiales es diferente. La corriente axial en el exterior del toroide apunta hacia abajo y la corriente axial en el interior del toroide apunta hacia arriba. Cada segmento de corriente axial en el exterior del toroide se puede combinar con un segmento igual pero de dirección opuesta en el interior del toroide. Los segmentos en el interior están más cerca del eje que los segmentos en el exterior, por lo tanto, hay un componente ascendente neto del campo A a lo largo del eje de simetría.
Puesto que las ecuaciones , y (suponiendo condiciones cuasiestáticas, es decir ) tienen la misma forma, entonces las líneas y contornos de A se relacionan con B como las líneas y contornos de B se relacionan con j . Por lo tanto, una representación del campo A alrededor de un bucle de flujo B (como se produciría en un inductor toroidal) es cualitativamente la misma que el campo B alrededor de un bucle de corriente. La figura de la izquierda es una representación artística del campo A alrededor de un inductor toroidal. Las líneas más gruesas indican trayectorias de mayor intensidad promedio (las trayectorias más cortas tienen mayor intensidad, de modo que la integral de trayectoria es la misma). Las líneas se dibujan simplemente para que se vean bien y para impartir una apariencia general del campo A.
Los campos E y B se pueden calcular a partir de los campos A y (potencial eléctrico escalar)
Se aplica el teorema de Stokes , [12] de modo que la integral de trayectoria de A es igual al flujo B encerrado , así como la integral de trayectoria B es igual a una constante multiplicada por la corriente encerrada.
La integral de trayectoria de E a lo largo del devanado secundario proporciona la FEM (fuerza electromotriz) inducida del secundario.
lo que dice que la FME es igual a la tasa de cambio temporal del flujo B encerrado en el devanado, que es el resultado habitual.
Esta figura muestra la sección media de un transformador toroidal. Se suponen condiciones cuasiestáticas, por lo que la fase de cada campo es la misma en todas partes. El transformador, sus devanados y todo lo demás están distribuidos simétricamente alrededor del eje de simetría. Los devanados son tales que no hay corriente circunferencial. Se cumplen los requisitos para el confinamiento interno completo del campo B debido a la corriente primaria. El núcleo y el devanado primario están representados por el toro gris-marrón. El devanado primario no se muestra, pero la corriente en el devanado en la superficie de la sección transversal se muestra como elipses doradas (o naranjas). El campo B causado por la corriente primaria está confinado a la región encerrada por el devanado primario (es decir, el núcleo). Los puntos azules en la sección transversal izquierda indican que las líneas de flujo B en el núcleo salen de la sección transversal izquierda. En la otra sección transversal, los signos más azules indican que el flujo B entra allí. El campo E originado por las corrientes primarias se muestra como elipses verdes. El devanado secundario se muestra como una línea marrón que desciende directamente por el eje de simetría. En la práctica habitual, los dos extremos del secundario están conectados con un cable largo que se mantiene alejado del toro, pero para mantener la simetría axial absoluta, se imagina que todo el aparato está dentro de una esfera perfectamente conductora con el cable secundario "conectado a tierra" en el interior de la esfera en cada extremo. El secundario está hecho de cable de resistencia, por lo que no hay una carga separada. El campo E a lo largo del secundario provoca corriente en el secundario (flechas amarillas), que provoca un campo B alrededor del secundario (mostrado como elipses azules). Este campo B llena el espacio, incluido el interior del núcleo del transformador, por lo que al final, hay un campo B continuo distinto de cero desde el primario hasta el secundario, si el secundario no está en circuito abierto. El producto vectorial del campo E (que proviene de las corrientes primarias) y el campo B (que proviene de las corrientes secundarias) forma el vector de Poynting, que apunta desde el primario hacia el secundario.
