Los inductores y transformadores toroidales son inductores y transformadores que utilizan núcleos magnéticos con forma toroidal (anillo o rosquilla). Son componentes electrónicos pasivos , que consisten en un anillo circular o un núcleo magnético en forma de rosquilla de material ferromagnético como hierro laminado , polvo de hierro o ferrita , alrededor del cual se enrolla el alambre .
Aunque en el pasado, los inductores y transformadores de núcleo cerrado solían utilizar núcleos con forma cuadrada, el uso de núcleos con forma toroidal ha aumentado enormemente debido a su rendimiento eléctrico superior. La ventaja de la forma toroidal es que, debido a su simetría, la cantidad de flujo magnético que se escapa fuera del núcleo ( flujo de fuga ) es baja, por lo que es más eficiente y por lo tanto irradia menos interferencia electromagnética (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 utilizan en la gran mayoría de equipos eléctricos: televisores, radios, computadoras y sistemas de audio .
Ventajas de los devanados toroidales
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 circuito 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 que aumentará la eficiencia, el rendimiento eléctrico y reducirá efectos como la distorsión y la formación de flecos. [2]
Debido a la simetría de un toroide, poco flujo magnético se escapa 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 altamente concentrados. [3] Los fabricantes han adoptado bobinas toroidales en los últimos años para cumplir con los estándares internacionales cada vez más estrictos que limitan la cantidad de campo electromagnético que pueden producir los productos electrónicos de consumo.
Confinamiento total del campo B por inductores toroidales
En algunas circunstancias, la corriente en el devanado de un inductor toroidal contribuye solo al campo B dentro de los devanados y no contribuye al campo magnético B fuera de los devanados. Esto es una consecuencia de la simetría y la ley circuital de Ampère.
Condiciones suficientes para el confinamiento interno total del campo B
La ausencia de corriente circunferencial [4] (la trayectoria de la corriente circunferencial está indicada 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, según 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 para el confinamiento de campo B total. Mirando desde el eje, a veces el devanado está en el interior del núcleo y, a veces, en el exterior del núcleo. No es simétrico axialmente en la región cercana. Sin embargo, en puntos a una distancia de varias veces el espaciado de bobinado, el toroide parece simétrico. [7] Sigue existiendo 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 seguirá incluyendo 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 4-6 muestran diferentes formas de neutralizar la corriente circunferencial. La Figura 4 es la más simple y tiene la ventaja de que el cable de retorno se puede agregar después de comprar o construir el inductor.
Campo E en el plano del toroide
Habrá una distribución de potencial a lo largo del devanado. Esto puede conducir a un campo E en el plano del toroide y también a una susceptibilidad a un campo E en el plano del toroide, como se muestra en la figura 7. Esto se puede mitigar usando un devanado de retorno como se muestra en la figura 8. Con En este devanado, en cada lugar donde se cruza el devanado, las dos partes estarán en polaridad igual y opuesta lo que reduce sustancialmente el campo E generado en el plano.
Inductor / transformador toroidal y potencial de vector magnético
Consulte el capítulo 14 [8] y 15 [9] de Feynman para una discusión general del potencial del vector magnético . Consulte Feynman en la página 15-11 [10] para ver un diagrama del potencial del vector 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 la suposición. Esto sería cierto bajo los siguientes supuestos:
- 1. se utiliza el calibre de Coulomb
- 2. se utiliza el medidor de Lorenz y no hay distribución de carga,
- 3. Se utiliza el medidor de Lorenz y se asume una frecuencia cero.
- 4. Se usa el medidor de Lorenz y una frecuencia distinta de cero que es lo suficientemente baja como para ignorar se supone.
Se presumirá el número 4 para el resto de esta sección y se puede referir a la "condición cuasi-estática".
Aunque el inductor toroidal axialmente simétrico sin corriente circunferencial confina totalmente el campo B dentro de los devanados, el campo A (potencial del vector magnético) no está confinado. La flecha n. ° 1 en la imagen muestra el potencial vectorial en el eje de simetría. Las secciones de corriente radial ayb 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. De hecho, todos los segmentos de la 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 emparejar con un segmento igual pero dirigido de manera opuesta en el interior del toroide. Los segmentos del interior están más cerca del eje que los del exterior, por lo que hay un componente neto ascendente del campo A a lo largo del eje de simetría.
Dado que las ecuaciones , y (asumiendo condiciones cuasi-estáticas, 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 igual que el campo B alrededor de un bucle de corriente. La figura de la izquierda es la representación de un artista del campo A alrededor de un inductor toroidal. Las líneas más gruesas indican trayectorias de mayor intensidad media (las trayectorias más cortas tienen mayor intensidad, de modo que la integral de trayectoria es la misma). Las líneas están simplemente dibujadas para verse bien e impartir un aspecto general del campo A.
Acción del transformador toroidal en presencia de confinamiento total del campo B
Los campos E y B se pueden calcular a partir de A y (potencial eléctrico escalar) campos
- [11] y: [11] y, por tanto, incluso si la región fuera de los devanados carece de campo B , se rellena con uncampo E distinto de cero .
- La cantidad es responsable del acoplamiento deseable del campo magnético entre primario y secundario, mientras que la cantidad es responsable del acoplamiento indeseable del campo eléctrico entre el primario y el secundario. Los diseñadores de transformadores intentan minimizar el acoplamiento del campo eléctrico. Para el resto de esta sección, se asumirá que es cero a menos que se especifique lo contrario.
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 da la EMF inducida (fuerza electromotriz) del secundario.
que dice que el EMF es igual a la tasa de cambio en el tiempo del flujo B encerrado por el devanado, que es el resultado habitual.
Transformador toroidal Acoplamiento vectorial de Poynting de primario a secundario en presencia de confinamiento de campo B total
Explicación de la figura
Esta figura muestra la mitad de la sección de un transformador toroidal. Se asumen condiciones cuasi-estáticas, por lo que la fase de cada campo es la misma en todas partes. El transformador, sus devanados y todas las cosas se distribuyen simétricamente sobre el 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 marrón grisáceo. No se muestra el devanado primario, 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 completamente confinado a la región encerrada por el devanado primario (es decir, el núcleo). Los puntos azules en la sección transversal de la izquierda indican que las líneas de flujo B en el núcleo salen de la sección transversal de la izquierda. En la otra sección transversal, los signos más azules indican que el flujo B entra allí. El campo E procedente de 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 normal, los dos extremos del secundario están conectados entre sí con un cable largo que se mantiene alejado del toro, pero para mantener la simetría axial absoluta, se prevé que todo el aparato esté 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 alambre de resistencia, por lo que no hay carga separada. El campo E a lo largo del secundario causa corriente en el secundario (flechas amarillas) que causa un campo B alrededor del secundario (mostrado como elipses azules). Este campo B llena el espacio, incluso dentro del núcleo del transformador, por lo que al final, hay un campo B continuo distinto de cero desde el primario al secundario, si el secundario no está en circuito abierto. El producto cruzado del campo E (procedente de las corrientes primarias) y el campo B (procedente de las corrientes secundarias) forma el vector de Poynting que apunta del primario al secundario.
Notas
- ^ "¿Qué separa a los transformadores de bobina toroidal de los otros transformadores? | Blog de bobinas personalizadas" . Blog de bobinas personalizadas . Consultado el 3 de abril de 2018 .
- ^ "Transformadores toroidales - Agile Magnetics, Inc" . Ágil Magnetics, Inc . Consultado el 3 de abril de 2018 .
- ^ "¿Cómo funciona un transformador toroidal?" . Ciencia . Consultado el 3 de abril de 2018 .
- ↑ a b Griffiths (1989 , p. 222)
- ^ Reitz, Milford y Christy (1993 , p. 244)
- ↑ a b Halliday y Resnick (1962 , p. 859)
- ^ Hayt (1989 , p. 231)
- ↑ Feynman (1964 , p. 14_1-14_10)
- ↑ Feynman (1964 , p. 15_1-15_16)
- ↑ Feynman (1964 , p. 15_11)
- ↑ a b Feynman (1964 , p. 15_15)
- ↑ Purcell (1963 , p. 249)
Referencias
- Griffiths, David (1989), Introducción a la electrodinámica , Prentice-Hall, ISBN 0-13-481367-7
- Halliday; Resnick (1962), Física, segunda parte , John Wiley & Sons
- Hayt, William (1989), Ingeniería electromagnética (5.a ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-027406-1
- Purcell, Edward M. (1965), Electricidad y Magnetismo , Curso de Física de Berkeley, II , McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-004859-1
- Reitz, John R .; Milford, Frederick J .; Christy, Robert W. (1993), Fundamentos de la teoría electromagnética , Addison-Wesley, ISBN 0-201-52624-7
enlaces externos
- Guías de diseño de inductores y transformadores - Magnetismo
- La inductancia aproximada de un toroide incluye la fórmula, pero asume bobinados circulares
- Consideraciones de diseño de transformadores toroidales Material de estudio industrial: Diseño de transformadores toroidales de ferrita