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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 generalmente consiste en un alambre 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 en la 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 por el científico estadounidense del siglo XIX Joseph Henry . En la medición de circuitos magnéticos, es equivalente a weber / amperio . Los inductores tienen valores que suelen oscilar entre 1  µH (10 −6  H) y 20  H. Muchos inductores tienen un núcleo magnético de hierro o ferrita dentro de la bobina, que sirve para aumentar el campo magnético y, por tanto, la inductancia. Junto con los condensadoresy resistencias , los inductores son uno de los tres elementos de circuito lineal pasivo 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 mientras permiten que pase la CC; los inductores diseñados para este propósito se denominan choques . También se utilizan en filtros electrónicos para separar señales de diferentes frecuencias , y en combinación con condensadores para hacer circuitos sintonizados , utilizados para sintonizar receptores de radio y TV.

Descripción [ editar ]

Una corriente eléctrica que fluye a través de un conductor genera un campo magnético que lo rodea. El enlace de flujo magnético generado por una corriente dada depende de la forma geométrica del circuito. Su relación define la inductancia . [2] [3] [4] [5] Así

.

La inductancia de un circuito depende de la geometría de la ruta de la corriente, así como de la permeabilidad magnética de los materiales cercanos. Un inductor es un componente que consta de un cable u otro conductor con forma de aumentar el flujo magnético a través del circuito, generalmente en forma de bobina o hélice , con dos terminales . Al enrollar el cable en una bobina aumenta el número de veces que las líneas de flujo magnético unen el circuito, lo que aumenta el campo y, por lo tanto, la inductancia. Cuantas más vueltas, mayor es la inductancia. La inductancia también depende de la forma de la bobina, la separación de las espiras y muchos otros factores. Añadiendo un "núcleo magnético" hecho de un ferromagnéticomaterial como el hierro dentro de la bobina, el campo de magnetización 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 sobre lo que sería sin ella.

Ecuación constitutiva [ editar ]

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 [5]

Reformulando la definición de L anterior, obtenemos [5]

Resulta que

para L independientemente del tiempo.

Entonces, la inductancia también es una medida de la cantidad de fuerza electromotriz (voltaje) generada para una tasa de cambio de corriente dada. Por ejemplo, un inductor con una inductancia de 1 henry produce un EMF de 1 voltio cuando la corriente a través del inductor cambia a razón de 1 amperio por segundo. Por lo general, se considera que es la relación constitutiva (ecuación definitoria) del inductor.

El doble del inductor es el condensador , que almacena energía en un campo eléctrico en lugar de en un campo magnético. Su relación corriente-tensión se obtiene mediante el intercambio de corriente y tensión en las ecuaciones de inductor y la sustitución de L con la capacitancia C .

Equivalencia de circuitos en el límite de tiempo corto y el límite de tiempo largo [ editar ]

En un circuito, un inductor puede comportarse de manera diferente en diferentes instantes de tiempo. Sin embargo, generalmente es fácil pensar en el límite de tiempo corto y el límite de tiempo largo:

  • En el límite de tiempo prolongado, después de que el flujo magnético a través del inductor se haya estabilizado, no se induciría voltaje entre los dos lados del inductor; Por lo tanto, la equivalencia a largo plazo de un inductor es un cable (es decir, cortocircuito o batería de 0 V).
  • En el límite de tiempo corto, si el inductor comienza con una cierta corriente I, dado que la corriente a través del inductor se conoce en este instante, podemos reemplazarla con una fuente de corriente ideal de corriente I. Específicamente, si I = 0 (no la corriente pasa a través del inductor en el instante inicial), la equivalencia a corto plazo de un inductor es un circuito abierto (es decir, una fuente de corriente de 0 A).

Ley de Lenz [ editar ]

La polaridad (dirección) del voltaje inducido viene dada por la ley de Lenz , que establece que el voltaje inducido será tal que se oponga al cambio de corriente. [6] 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. [7] [8] [9] La energía del circuito externo necesaria para superar esta "colina" potencial se almacena en el campo magnético del inductor. Si la corriente está disminuyendo, 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 se devuelve al circuito.

Energía almacenada en un inductor [ editar ]

Una explicación intuitiva de por qué se induce una diferencia de potencial en 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 fuerza del campo magnético. Por ejemplo, si aumenta la corriente, aumenta el campo magnético. Esto, sin embargo, tiene un precio. El campo magnético contiene energía potencial.y aumentar la intensidad del campo requiere que se almacene 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 es proporcionado por una caída correspondiente en la energía potencial eléctrica de las cargas que fluyen a través de los devanados. Esto aparece como una caída de voltaje en los devanados siempre que aumente 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 a través de los devanados desaparece.

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

Derivación [ editar ]

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 fuerza electromotriz, y no se hace por la fuerza electromotriz. La corriente es la carga por unidad de tiempo que pasa a través del inductor. Por lo tanto, la tasa de trabajo realizado por las cargas contra la fem, que es la tasa de cambio de energía de la corriente, viene dada por

De la ecuación constitutiva del inductor, entonces

En un inductor de núcleo ferromagnético, cuando el campo magnético se acerca al nivel en el que se satura el núcleo, la inductancia comenzará a cambiar, será una función de la corriente . Sin tener en cuenta las pérdidas, la energía almacenada por un inductor con una corriente que lo atraviesa es igual a la cantidad de trabajo necesaria para establecer la corriente a través del inductor.

Esto está dado 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

Para inductores con núcleos magnéticos, la ecuación anterior solo es válida para regiones lineales del flujo magnético, a corrientes por debajo del nivel de saturación del inductor, donde la inductancia es aproximadamente constante. Cuando este no sea el caso, la forma integral debe usarse con variable.

Inductores ideales y reales [ editar ]

La ecuación constitutiva describe el comportamiento de un inductor ideal con inductancia y sin resistencia , capacitancia o 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 una capacitancia parásita debido a los potenciales eléctricos entre las vueltas del cable. [10] [11]

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 autorresonante , 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 núcleos ferromagnéticos experimentan pérdidas de energía adicionales debido a la histéresis y las corrientes parásitas en el núcleo, que aumentan con la frecuencia. A altas corrientes, 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 las emisiones electromagnéticas de otros circuitos, lo que da como resultado una posible interferencia electromagnética .

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

Factor Q [ editar ]

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 dada, 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 hacer circuitos resonantes en transmisores y receptores de radio. Cuanto mayor sea la Q, más estrecho será el ancho de banda del circuito resonante.

El factor Q de un inductor se define como, donde L es la inductancia, R es la DCR y el producto ωL es la reactancia inductiva:

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 de piel, el efecto de proximidad y las pérdidas de núcleo aumentan R con la frecuencia; bobinado capacitancia y las variaciones en la permeabilidad con frecuencia afectan L .

En las frecuencias bajas y dentro de los límites, el aumento del número de vueltas N mejora la Q porque L varía a medida que 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 . Q tan altoLos inductores de núcleo de aire a menudo tienen diámetros grandes y muchas vueltas. Ambos ejemplos asumen que el diámetro del cable sigue siendo el mismo, por lo que ambos ejemplos usan proporcionalmente más cable. Si la masa total de alambre se mantiene constante, entonces no sería ventajoso 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 en gran medida la inductancia para la misma cantidad de cobre, por lo que el núcleo también puede aumentar la Q. Sin embargo, los núcleos también introducen pérdidas que aumentan con la frecuencia. El material del núcleo se elige para obtener los mejores resultados para la banda de frecuencia. Los inductores de Q alto deben evitar la saturación; una forma es mediante el uso de un inductor de núcleo de aire (físicamente más grande). En VHF o frecuencias más altas, es probable que se utilice un núcleo de aire. Un inductor de núcleo de aire bien diseñado puede tener una Q de varios cientos.

Aplicaciones [ editar ]

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

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

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

Dos (o más) inductores en proximidad que han acoplados de flujo magnético ( inductancia mutua ) forman un transformador , que es un componente fundamental de cada eléctrico utilidad red de energía. 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 de la piel en los devanados. El tamaño del núcleo se puede reducir a frecuencias más altas. Por esta razón, los aviones utilizan una corriente alterna de 400 hercios en lugar de los habituales 50 o 60 hercios, lo que permite un gran ahorro de peso gracias al uso de transformadores más pequeños. [12] Los transformadores habilitan fuentes de alimentación conmutadas 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 parasitarios que los hacen apartarse del comportamiento ideal. Crean y sufren interferencias electromagnéticas (EMI). Su tamaño físico evita que se integren en chips semiconductores. Por lo tanto, el uso de inductores está disminuyendo en los dispositivos electrónicos modernos, particularmente en los dispositivos portátiles compactos. Los inductores reales están siendo reemplazados cada vez más por circuitos activos como el girador que puede sintetizar inductancia utilizando condensadores.

Construcción de inductores [ editar ]

Un estrangulador de "cuentas" de ferrita , que consiste en un cilindro de ferrita circundante , suprime el ruido electrónico en el cable de alimentación de una computadora.
Inductor de carga con núcleo de hierro trifásico grande de 50 Mvar en una subestación de servicios públicos

Un inductor generalmente consiste en una bobina de material conductor, típicamente 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 se construyen 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 provocan las grandes pérdidas de energía a altas frecuencias que provocan las aleaciones de hierro ordinarias. Los inductores vienen en muchas formas. Algunos inductores tienen un núcleo ajustable, lo que permite cambiar la inductancia. Los inductores que se utilizan para bloquear frecuencias muy altas a veces se fabrican colocando un cordón de ferrita en un cable.

Los inductores pequeños se pueden grabar directamente en una placa de circuito impreso colocando la traza en un patrón en espiral . Algunos de estos inductores planos utilizan un núcleo plano . Los inductores de pequeño valor también se pueden construir en circuitos integrados utilizando los mismos procesos que se utilizan para hacer interconexiones . Normalmente 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 en la matriz, actualmente solo se utilizan comercialmente para circuitos de RF de alta frecuencia.

Inductores blindados [ editar ]

Los inductores utilizados en sistemas de regulación de potencia, iluminación y otros sistemas que requieren condiciones de funcionamiento silenciosas, a menudo están parcial o totalmente blindados. [13] [14] En los circuitos de telecomunicaciones que emplean bobinas de inducción y transformadores de repetición, el blindaje de los inductores en las proximidades reduce la diafonía del circuito.

Tipos [ editar ]

Inductor de núcleo de aire [ editar ]

Una bobina de sintonización de antena en una estación de radio AM. Ilustra la construcción de alta potencia y alta Q : devanado de una sola capa con vueltas espaciadas para reducir las pérdidas por efecto de proximidad , hecho de tubería plateada para reducir las pérdidas por efecto de piel , soportado por tiras aislantes estrechas para reducir las pérdidas dieléctricas .

El término bobina de núcleo de aire describe un inductor que no utiliza un núcleo magnético hecho de un 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 de núcleo de aire tienen una inductancia más baja que las bobinas de núcleo ferromagnético, pero a menudo se usan a altas frecuencias porque están libres de pérdidas de energía llamadas pérdidas de núcleo que ocurren en núcleos ferromagnéticos, que aumentan con la frecuencia. Un efecto secundario que puede ocurrir en bobinas de núcleo de aire en las que el devanado no se apoya rígidamente en una forma es la "microfonía": la vibración mecánica de los devanados puede provocar variaciones en la inductancia.

Inductor de radiofrecuencia [ editar ]

Colección de inductores de RF, mostrando técnicas para reducir pérdidas. Los tres de arriba a la izquierda y la varilla de ferrita o antena de varilla, [15] [16] [17] [18] abajo, tienen bobinados de canasta.

A altas frecuencias , particularmente radiofrecuencias (RF), los inductores tienen mayor resistencia y otras pérdidas. Además de provocar una pérdida de potencia, en los 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 tipos de núcleo de aire, se utilizan técnicas de construcción especializadas para minimizar estas pérdidas. Las pérdidas se deben a estos efectos:

Efecto en la 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 . 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 alambre de cobre es de aproximadamente 0,001 pulgadas (25 µm); la mayor parte de la corriente está dentro de esta profundidad de la superficie. Por lo tanto, en un cable sólido, la parte 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 unos de otros. El campo magnético individual de las vueltas 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 cerca del 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 la bobina de un 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 circuitos sintonizados a menudo no se enrollan en formas de bobina, sino que están suspendidas en el aire, sostenidas por tiras estrechas de plástico o cerámica.
Capacitancia parasitaria
La capacitancia entre las vueltas 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 auto-resonante .
Bobina de tanque de alta Q en un transmisor de onda corta
(izquierda) Bobina de telaraña (derecha) Bobina RF de ferrita ajustable sintonizada con slug con bobinado de tejido de cesto y alambre litz

Para reducir la capacitancia parásita y el efecto de proximidad, las bobinas de RF de alta Q se construyen para evitar tener muchas vueltas juntas, paralelas entre sí. Los devanados de las bobinas de RF a menudo se limitan a una sola capa y las espiras están espaciadas. Para reducir la resistencia debido al efecto piel, en inductores de alta potencia como los que se usan en los transmisores, los devanados a veces están hechos de una tira o tubería de metal que tiene un área de superficie más grande, 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 entrecruzadas en ángulo; estos a menudo se denominan bobinas de tejido de panal o canasta . Estos se enrollan ocasionalmente en soportes aislantes verticales con clavijas o ranuras, con el alambre entrando y saliendo a través de las ranuras.
Bobinas de telaraña
Otra técnica de construcción con ventajas similares son las bobinas espirales planas. Estos suelen estar enrollados en un soporte aislante plano con radios radiales o ranuras, con el alambre entrelazándose hacia adentro y hacia afuera a través de las ranuras; estos se llaman espirales 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, aumentando la separación.
Alambre de Litz
Para reducir las pérdidas por efecto de la piel, algunas bobinas se enrollan con un tipo especial de cable de radiofrecuencia llamado cable 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 cable trenzado ordinario , los hilos están aislados entre sí para evitar que el efecto de la piel fuerce la corriente a la superficie y se retuercen o trenzan entre sí. El patrón de torsión asegura que cada hebra de alambre gaste la misma cantidad de su longitud en el exterior del haz de alambre, por lo que el efecto piel distribuye la corriente por igual entre las hebras, lo que da como resultado un área de conducción transversal más grande que un solo alambre equivalente.
Inductor axial

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

Inductor de núcleo ferromagnético [ editar ]

Una variedad de tipos de inductores y transformadores de 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, aumentando 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 de núcleo
Una corriente variable en el tiempo en un inductor ferromagnético, que causa 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 de Foucault
Según la ley de inducción de Faraday , el campo magnético cambiante puede inducir bucles circulantes de corriente eléctrica en el núcleo de metal conductor. La energía de estas corrientes se disipa como 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 causa 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 fluctuación magnética como a la densidad de flujo magnético. La frecuencia de la 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 de flujo magnético provoca corrientes parásitas en el núcleo. Estas no linealidades se distinguen del umbral de no linealidad de saturación. La pérdida de 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 disminuirá y la corriente aumentará drásticamente. Este es un fenómeno de umbral no lineal y da como resultado una distorsión de la señal. Por ejemplo, las señales de audio pueden sufrir una distorsión de intermodulación en inductores saturados. Para evitar esto, en los circuitos lineales la corriente a través de los inductores de 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. [19]
Desmagnetización del punto Curie
Si la temperatura de un núcleo ferromagnético o ferrimagnético se eleva a un nivel específico, los dominios magnéticos se disocian y el material se vuelve paramagnético y ya no puede soportar el flujo magnético. La inductancia cae y la corriente aumenta drásticamente, 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 restaurará su flujo magnético. El punto de Curie de los materiales ferromagnéticos (aleaciones de hierro) es bastante alto; el hierro es más alto 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 requerida ]

Inductor de núcleo laminado [ editar ]

Inductor de balasto de 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, utilizando una construcción similar a la de los transformadores . El núcleo está formado por pilas de finas láminas de acero o laminaciones orientadas en paralelo al campo, con un revestimiento aislante en la superficie. El aislamiento evita las corrientes parásitas entre las hojas, por lo que las corrientes restantes deben estar dentro del área de la sección transversal de las laminaciones individuales, reduciendo el área del bucle y reduciendo así las pérdidas de energía en gran medida. 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 [ editar ]

Para frecuencias más altas, los inductores se fabrican con núcleos de ferrita. La ferrita es un material cerámico ferrimagnético que no es conductor, por lo que las corrientes parásitas no pueden fluir dentro de él. 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 baja coercitividad y, por tanto, bajas pérdidas por histéresis.

Inductor de núcleo de hierro en polvo [ editar ]

Otro material es el hierro en polvo cementado con un aglutinante.

Inductor de núcleo toroidal [ editar ]

Inductor toroidal en la fuente de alimentación de un enrutador inalámbrico

En un inductor enrollado en un núcleo en forma de varilla recta, las líneas del campo magnético que emergen de un extremo del núcleo deben atravesar el 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 está 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 dejar el material del núcleo. La forma que se utiliza a menudo es un núcleo de ferrita toroidal o en forma de rosquilla. Debido a su simetría, los núcleos toroidales permiten que un mínimo del flujo magnético escape fuera del núcleo (llamadoflujo de fuga ), por lo que irradian menos interferencia electromagnética que otras formas. Las bobinas de núcleo toroidal se fabrican con varios materiales, principalmente ferrita, hierro en polvo y núcleos laminados. [20]

Inductor variable [ editar ]

(izquierda) Inductor con un taco 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 los transmisores de radio. Uno de los contactos de la bobina se realiza mediante la pequeña rueda ranurada, que se monta sobre el cable. Al girar el eje, la bobina gira, moviendo la rueda de contacto hacia arriba o hacia abajo de la bobina, permitiendo más o menos vueltas de la bobina en el circuito, para cambiar la inductancia.

Probablemente, el tipo más común de inductor variable en la actualidad es uno con un núcleo magnético de ferrita móvil, que se puede deslizar o atornillar 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 (generalmente menos de 100 MHz) usan núcleos ajustables para sintonizar dichos inductores a su valor deseado, ya que los procesos de fabricación tienen ciertas tolerancias (inexactitud). A veces, estos núcleos para frecuencias superiores a 100 MHz están hechos de material no magnético de alta conductividad, como el aluminio. [21] Disminuyen la inductancia porque el campo magnético debe evitarlos.

Los inductores de núcleo de aire pueden usar contactos deslizantes o múltiples tomas para aumentar o disminuir el número de vueltas incluidas en el circuito, para cambiar la inductancia. Un tipo muy utilizado en el pasado pero en su mayoría obsoleto hoy en día 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 generalmente cortocircuita una o más vueltas. Estas vueltas actúan como un devanado secundario de 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 . Consiste en 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 se puede 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 para 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 interna se gira 180 ° para 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 es continuamente variable en un amplio rango. Se utiliza ensintonizadores de antena y circuitos de adaptación para hacer coincidir los transmisores de baja frecuencia con sus antenas.

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

Choke [ editar ]

Un inductor de radio MF o HF para décimas de amperio y un inductor de VHF con cuentas 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 que pasen las señales de CC o de baja frecuencia. Debido a que el inductor resiste o "estrangula" los cambios en la corriente, este tipo de inductor se llama estrangulador. Por lo general, consiste en una bobina de alambre aislado enrollado en un núcleo magnético, aunque algunas consisten en un "cordón" en forma de rosquilla de material de ferrita ensartado en un alambre. Como otros inductores, los choques resisten los cambios en la corriente que los atraviesa cada vez más con frecuencia. La diferencia entre los inductores y otros inductores es que los choques no requieren las técnicas de construcción de factor Q alto que se utilizan para reducir la resistencia en los inductores utilizados en los circuitos sintonizados.

Análisis de circuitos [ editar ]

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

Cuando hay una corriente alterna sinusoidal (CA) a través de un inductor, se induce un voltaje sinusoidal. La amplitud del voltaje es proporcional al producto de la amplitud ( I P ) de la corriente y la frecuencia ( f ) de la corriente.

En esta situación, la fase de la corriente se retrasa que la del voltaje en π / 2 (90 °). Para las sinusoides, a medida que el voltaje a través del inductor llega a su valor máximo, la corriente llega a cero y, a medida que el voltaje a través del inductor llega a cero, la corriente que lo atraviesa 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 la fuente de corriente está en cortocircuito, la relación diferencial anterior muestra que la corriente a través del inductor se descargará con un decaimiento exponencial :

Reactancia [ editar ]

La relación de la tensión de pico a la corriente de pico en un inductor energizado desde una fuente de CA que se llama la reactancia y se denota X L .

Por lo tanto,

donde ω es la frecuencia angular .

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

Frecuencia de esquina [ editar ]

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

Análisis de circuitos de Laplace (dominio s) [ editar ]

Cuando se usa 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:

dónde

es la inductancia, y
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 tenga el valor:

    dónde

    es la inductancia, y
    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 tenga el valor:
    dónde
    es la corriente inicial en el inductor.
    es la frecuencia compleja.

Redes inductoras [ editar ]

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

La corriente a través de 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:

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

Inductancia mutua [ editar ]

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.

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

M≤ (L 1 × L 2 ) (1/2)

ya que solo una fracción del autoflujo está vinculada con la otra. Esta fracción se denomina "Coeficiente de enlace de flujo" o "Coeficiente de acoplamiento".

K = M (L 1 × L 2 ) -0.5

Fórmulas de inductancia [ editar ]

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

Ver también [ editar ]

  • Localizador de dirección Bellini – Tosi ( radiogoniómetro )
  • Curva de Hanna
  • Bobina de inducción
  • Cocción por inducción
  • Bucle de inducción
  • Circuito LC
  • Circuito RLC
  • Reactor saturable : un tipo de inductor ajustable
  • Solenoide
  • Acumulador (energía)

Notas [ editar ]

  1. ^ El coeficiente de Nagaoka ( K ) es aproximadamente 1 para una bobina que es mucho más larga que su diámetro y se enrolla firmemente con alambre de calibre pequeño (de modo que se aproxima a una hoja de corriente).

Referencias [ editar ]

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Fuente
  • Terman, Frederick (1943). Manual de ingenieros de radio . McGraw-Hill.

Enlaces externos [ editar ]