Teoría de los Inductores y sus campos magnéticos.

Los inductores o bobinas son elementos lineales y pasivos que pueden almacenar y liberar energía basándose en fenómenos relacionados con campos…

INTRODUCCIÓN

Los inductores o bobinas son elementos lineales y pasivos que pueden almacenar y liberar energía basándose en fenómenos relacionados con campos magnéticos.  Una aplicación de los inductores, consistente en bloquear (“choke” en inglés) las señales de AC de alta frecuencia en circuitos de radio, dio origen a que con dicho término (choque) se haga referencia a los inductores que se emplean en aplicaciones donde su valor no es crítico y que por lo tanto admiten grandes tolerancias.

Básicamente, todo inductor consiste en un arrollamiento de hilo conductor.  La inductancia resultante es directamente proporcional al número y diámetro de las espiras y a la permeabilidad del interior del arrollamiento, y es inversamente proporcional a la longitud de la bobina.

Símbolos

1. MODELO EQUIVALENTE

Los inductores ideales no disipan energía como lo hacen los resistores.  Pero en la práctica, el inductor real presenta una resistencia de devanado que disipa energía.  A continuación figura un modelo práctico (simplificado) de inductor.

R representa las pérdidas en el devanado, cuyo valor generalmente es pequeño pero puede llegar a varios cientos de ohms.  Un modelo más completo contempla además la capacidad parásita o distribuida debido a la capacidad entre las vueltas del bobinado (Cp en paralelo con el circuito anterior).


2. CLASIFICACIÓN

2.1 Según el núcleo o soporte:

  • De Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material no magnético (fibra, plástico, …).  En los casos donde no se utiliza soporte, la bobina queda conformada sólo debido a la rigidez mecánica del conductor.
  • Núcleo de hierro: como tiene mayor permeabilidad que el aire (10 a 100), aumenta el valor de la inductancia.  Sin embargo, sólo se emplea en bajas frecuencias porque a altas frecuencias las pérdidas son elevadas.  Aplicaciones: fuentes de alimentación y amplificadores de audio. 
  • De Núcleo de ferrita: las ferritas son óxidos de metales magnéticos, de alta permeabilidad (10 a 10000) que además son dieléctricos.  Existe una gran variedad en el mercado en función de la frecuencia de trabajo.

Nota: radiofrecuencia (100kHz a 100GHz) <> audiofrecuencia (20Hz a 20kHz).

2.2 Según la forma constructiva:

  • Solenoides:
solenoides
  • Toroides:
toroides

2.3 Según la frecuencia de la corriente aplicada:

  • Alta frecuencia: de reducido tamaño y número de espiras
  • Baja frecuencia: de mayor tamaño y número de espiras

2.4 Según el recubrimiento: plástico, resina, metal (apantalladas).

2.5 Según la característica de su valor: fijos y ajustables.

2.6 Según el tipo de montaje: de inserción y SMD.

En la siguiente tabla se pueden observar los inductores más comunes: 

TipoFormatoValores típicosAplicaciones
Solenoides: núcleo de aire núcleo de ferrita La imagen tiene un atributo ALT vacío; su nombre de archivo es imagen-65.png1nH a 15mHgenerales, filtros, convertidores DC/DC
ToroidesLa imagen tiene un atributo ALT vacío; su nombre de archivo es imagen-66.png1uH a 30mHpara filtrar transitorios
Encapsulados o moldeadosLa imagen tiene un atributo ALT vacío; su nombre de archivo es 57d3ac2d-47ab-4b2c-aed5-02809bd159510.1uH a 1mHosciladores y filtros
ChipsLa imagen tiene un atributo ALT vacío; su nombre de archivo es c81b8d91-979f-445e-98af-8d4c077d3c3d1nH a 1mHaplicaciones generales
AjustablesLa imagen tiene un atributo ALT vacío; su nombre de archivo es imagen-69.png1nH a 7mHosciladores y circuitos de RF como transmisores y receptores
tabla de inductores mas comunes

3. CONSTRUCCIÓN

A diferencia de lo que ocurre con los resistores y capacitores, la fabricación de inductores es generalmente artesanal.

3.1 Cálculo de solenoides monocapa

Al emplear la fórmula de Wheeler, la precisión alcanza el 1% para bobinas cuya relación l/D es mayor que 0,4.

Para f hasta 50MHz se emplea hilo de cobre, y para frecuencias superiores cobre plateado.  En radiofrecuencia se utiliza el hilo de Litz.  El hilo conductor utilizado en la fabricación de inductores debe estar aislado con un barniz aislante o recubierto con un aislamiento plástico para evitar cortocircuitos entre las espiras.

El valor de inductancia depende también de su capacidad distribuida o parásita, la cual puede estimarse de la siguiente manera:

Cp [pF] = K Ddonde:  D = diámetro de la bobina en mm K = depende de la relación l/D de la bobina

Algunos valores de K se presentan a continuación:

l/d0,10,30,50,81246810152030
K0,0960,060,050,050,0460,050,0720,0920,1120,1320,1860,2360,34

Nótese que K se minimiza (y por lo tanto también se minimiza Cp) para una relación 1 < l/D < 2.

Finalmente el valor de la inductancia se puede conocer aplicando la siguiente fórmula:

3.2 Cálculo de toroides monocapa

Simplificado

Para simplificar los cálculos, los fabricantes de material magnético toroidal proveen un dato clave: el número “AL“, que en general representa mH cada 1000 espiras o mH cada 100 espiras.  De esta manera:

L [mH] = AL (N/100)2

Los toroides presentan una interesante propiedad: sus líneas de inducción magnética tienden a quedar confinadas en su interior sin llegar a dispersarse por su vecindad como ocurre con los solenoides.  Por esto es que se lo conoce como “autoblindado”.


4. CODIFICACIÓN

Los inductores moldeados suelen presentar un sistema de código de colores similar al de los resistores.

Alternativa: de acuerdo con el estándar EIA (Electronic Industries Association), si una de las bandas que corresponden a las cifras significativas es dorada, ésta representa al punto decimal y la banda que antes actuaba como multiplicador pasa a ser ahora otra cifra significativa.

Ejemplos:

marrón – verde – dorado – plateado = 1 – 5 – 10-1 – 10 = 1.5 [uH] ± 10%

marrón – dorado – verde – plateado = 1 – punto decimal – 5 -10 = 1.5 [uH] ± 10%


5. VALORES ESTÁNDARES

Los valores más comunes de inductores moldeados corresponden a la serie E12 (10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82).


6. CRITERIOS DE SELECCIÓN

A continuación se enumeran las características técnicas que hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar los inductores para determinada aplicación.

  • Valor inductivo
  • Tolerancia
  • Tamaño y requisitos de montaje
  • Margen de frecuencias o frecuencia central de trabajo
  • Capacidad parásita entre bornes: tiene influencia al trabajar en alta frecuencia porque puede hacer que el inductor se comporte como un cortocircuito. 
  • Resistencia de aislamiento entre espiras: si se supera el voltaje máximo entre terminales, se perfora el aislante del hilo conductor.
  • Corriente admisible por el hilo conductor
  • Q (factor de calidad o de mérito): se define como la relación entre la reactancia inductiva y la resistencia óhmica del inductor (Q=2*pi*f*L / R).  Es deseable que la resistencia sea baja y por ende que el Q sea alto.  Según la fórmula, Q tendría que aumentar con la frecuencia, sin embargo no es así porque también aumenta la resistencia.  Los fabricantes informan sobre el Q del inductor a la frecuencia de trabajo o bien presentan curvas de Q(f).  Los Q de inductores para aplicaciones de radiofrecuencia oscilan entre 50 y 200.
  • Coeficiente de temperatura

7. CONSIDERACIONES PRÁCTICAS

7.1 Corriente máxima: dada por las limitaciones físicas del hilo conductor (resistencia y máxima disipación de potencia).

7.2 Interferencia: los campos magnéticos de los inductores pueden afectar el comportamiento del resto de los componentes del circuito, especialmente de otros inductores.  por ejemplo, La proximidad de dos inductores puede dar origen a una inductancia mutua que causará efectos no deseados, razón por la cual los diseñadores tienden a  elegir capacitores sobre inductores para realizar tareas similares.

7.3 Prueba: Finalmente , factores como el desgaste, el sobrecalentamiento y la corriente excesiva pueden ocasionar cortocircuitos entre las espiras o inclusive circuitos abiertos.  Esta última condición se verifica fácilmente con un óhmetro, pero la condición de cortocircuito entre espiras es más difícil de determinar dada su inherente baja resistencia entre terminales.

Más sobre : inductores o inductancia


Bibliografía:

  • Boylestad – “Análisis Introductorio de Circuitos” – 8va edición – Sección 12.5 (Los tipos de inductores)
  • SIEMENS – “Componentes Electrónicos” – Marcombo – 1987 – Código de Biblioteca Central: 621.381 5/S.19
  • Vassallo – “Manual de componentes y circuitos pasivos” – Ediciones CEAC – Barcelona – 1981 (Código K241)
  • Vassallo – “Componentes Electrónicos” – Ediciones CEAC – Barcelona – 1987 (Código K99) – Capítulo 4

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