Bobina de inducción y su aplicación práctica en electrónica
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Bobina de inducción y su aplicación práctica en electrónica

A pesar del uso generalizado de circuitos digitales, como procesadores, circuitos lógicos programables y SoC que son su combinación, el constructor de electrónica a menudo tiene que utilizar elementos “analógicos”, como resistencias, condensadores o inductores. Curiosamente, si bien es relativamente fácil hacer una resistencia o un condensador (con una capacidad del orden de los picofaradios) en la estructura de un circuito integrado, es muy difícil hacer una bobina. Por esta razón, muchos componentes todavía incluyen un inductor que está conectado como componente externo en las notas de aplicación. El artículo proporciona información básica sobre las bobinas y describe sus elementos de construcción que afectan los parámetros.

CONSTRUCCIÓN DE UNA BOBINA DE INDUCCIÓN

La bobina de inducción no es un elemento complicado. Consiste en un núcleo y bobinas conductoras aisladas envueltas alrededor. El núcleo de la bobina puede estar en suspensión en el aire o estar hecho de materiales magnéticos. Es importante que las bobinas envueltas alrededor del núcleo estén aisladas, por lo tanto, se usa alambre aislado para hacer las bobinas o se enrollan con un alambre no aislado (por ejemplo, el llamado alambre plateado), pero con un espacio de aire apropiado que asegure la separación requerida de la bobina de la bobina. Si la bobina está enrollada con un cable no aislado, la bobina de la bobina es un cortocircuito, y sí, tendrá algo de inductancia, pero definitivamente diferente de la prevista.

A menudo, en la práctica, como resultado de exceder la temperatura o el voltaje permitidos, la bobina de inducción se daña, lo que consiste en un cortocircuito entre los devanados debido a la ruptura del aislamiento del cable del devanado. Una bobina de inducción tan dañada debe rebobinarse o reemplazarse por una nueva. Los transformadores de red a menudo se dañan de esta manera. El uso posterior de un transformador dañado de este tipo puede provocar su sobrecalentamiento, un cortocircuito en la red eléctrica o incluso el encendido del propio transformador o del dispositivo suministrado con él.

QUE ES UNA BOBINA DE INDUCCIÓN?

La bobina de inducción es un elemento que almacena energía en el núcleo en forma de campo magnético, y así convierte la energía de la corriente eléctrica en energía del campo magnético o viceversa. El cambio en la corriente que fluye a través de los devanados genera una fuerza electromotriz en la dirección que contrarresta este cambio. De manera similar, un campo magnético alterno que penetra en el núcleo induce un voltaje. Con la ayuda de la fórmula, se puede expresar de la siguiente manera:

patrón_1

En esta fórmula:

  • e – es la fuerza electromotriz (voltaje en voltios) producida por la bobina
  • dϕ / dt \ – es el cambio en el flujo magnético a lo largo del tiempo,
  • di / dt \ – es el cambio en la corriente a lo largo del tiempo,
  • L \ – es el parámetro de la bobina llamado inductancia; su unidad es Henr.

Es fácil notar la característica mencionada anteriormente: la fuerza electromotriz e tiene el sentido opuesto al voltaje que causa el flujo de corriente. Esto contrarresta los cambios repentinos en la corriente que fluye a través de la bobina y conduce a una de sus aplicaciones básicas: el uso de un inductor como el llamado prensaestopas.

BOBINA DE INDUCCIÓN – PARÁMETROS BÁSICOS

Los parámetros básicos de una bobina son su inductancia y frecuencia resonante. La inductancia es la capacidad de una bobina para almacenar energía en forma de campo magnético causado por el flujo de corriente. La inductancia se mide en Henrach y se expresa como la relación entre el voltaje instantáneo y el cambio de corriente a lo largo del tiempo.

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Gráfico de la caída de corriente y voltaje en los terminales del inductor

Los gráficos de caída de corriente y voltaje en los terminales de un inductor. La caída es mayor en el encendido y disminuye con el tiempo. Esta caída contrarresta el aumento de corriente y, por lo tanto, el amperaje está en su nivel más bajo cuando se aplica la energía y aumenta con el tiempo. A menudo se dice que el voltaje en la bobina está por delante de la corriente

La figura anterior muestra lo que sucede con el voltaje de la bobina y la corriente que fluye a través de ella cuando se conecta una fuente de voltaje a sus terminales. La línea roja continua muestra el flujo de corriente. Como se puede ver, la corriente aumenta desde el momento en que se conecta la fuente hasta que se alcanza el valor máximo definido por la ley de Ohm, es decir, la relación entre el voltaje del terminal y la resistencia de la bobina. La línea azul discontinua muestra la caída de voltaje en la bobina. Como puede verse, esta caída es mayor al encender y menor después de que la corriente ha alcanzado su valor máximo. Esto se debe al hecho de que el voltaje de inducción está en la dirección opuesta a la aplicada a los terminales.

La frecuencia de resonancia de la bobina se escribió al discutir los parámetros de la bobina no ideal, porque está relacionada con la capacitancia parásita.

Material del núcleo y permeabilidad magnética relativa

El núcleo es un elemento muy importante de la bobina de inducción. El núcleo se caracteriza por el tipo de material utilizado y la relativa permeabilidad magnética asociada al mismo. Relativo, ya que se determina en relación con la permeabilidad al vacío. Es un número adimensional definido como la relación entre la permeabilidad magnética (absoluta μ ) de un medio dado y la permeabilidad magnética del vacío μ0.

Según la definición, la permeabilidad magnética es una cantidad que determina la capacidad de un material o medio dado para cambiar la inducción magnética cuando cambia la intensidad del campo magnético. De lo contrario, también se puede decir que la permeabilidad es una propiedad de un material o medio que determina su capacidad para concentrar líneas de campo magnético.La permeabilidad magnética del vacío según los datos publicados en 2002 por el Comité de Datos para la Ciencia y la Tecnología (CODATA) es un escalar marcado con el símbolo μ0 y cuyo valor SI es μ0 = 4·Π·10-7= około 12,566370614·10-7 [H/m = V·s/A·m].

La inductancia de la bobina se expresa mediante la fórmula:

patrón_2

En la fórmula, los símbolos individuales significan:

  • – Inductancia de Henrach,
  • μ 0 – permeabilidad magnética del vacío,
  • μ \ – permeabilidad relativa del material del núcleo,
  • Z \ – número de vueltas de la bobina,
  • S \ – área de la sección transversal de la bobina,
  • – longitud de la bobina.

La permeabilidad relativa del aire no contaminado no difiere mucho de la permeabilidad del vacío, por lo que, en aras de la simplicidad en la práctica de la ingeniería, se supone que μ = 1 y la fórmula para la inductancia de la bobina de aire toma la forma:

fórmula_de_inductancia_de_bobina_de_aire

La fuerza del campo magnético

Las líneas de fuerza del campo magnético con la dirección que cumple con la regla de Lentz (la llamada “regla de la mano derecha”) están dibujadas en azul”).

En cuanto a sus propiedades magnéticas, los materiales se dividen en paramagnetos (que se convierten en imanes cuando se colocan en un campo magnético), ferroimanes (que se magnetizan en presencia de un campo magnético) y diamagnetos (que debilitan el campo magnético). El tipo de material del núcleo influye mucho en los parámetros de la bobina. No hay partículas en un vacío perfecto que puedan afectar la dependencia de la inducción de la fuerza del campo magnético. Por tanto, en cada medio material se modificará la fórmula de inductancia debido a la presencia de la permeabilidad magnética de este medio. Para un vacío, la permeabilidad relativa es exactamente 1. Para los paraimanes, la permeabilidad relativa no es mucho mayor que 1, para los diamagnetos es ligeramente menor que uno; para ambos tipos de medios la diferencia es tan pequeña que en aplicaciones técnicas a menudo se descuida asumiendo el valor igual a 1 .

Resumamos este párrafo enumerando los parámetros de la bobina que tienen el mayor impacto en su inductancia:

  • La inductancia de la bobina aumenta con:
    • número de vueltas,
    • la permeabilidad relativa del material del núcleo,
    • superficie de la bobina,
    • disminución de la longitud de la bobina.
  • La inductancia de la bobina disminuye cuando:
    • se reduce el número de vueltas,
    • la permeabilidad relativa del material del núcleo disminuye,
    • la superficie disminuye,
    • aumenta la longitud de la bobina.

¿Para qué se utilizan los núcleos? La primera razón es que se puede almacenar más energía con menos vueltas que el equivalente del núcleo de aire. El segundo es la estructura mecánica de la bobina: el núcleo proporciona el esqueleto de las bobinas y su montaje en el dispositivo objetivo. La tercera razón importante es la concentración y conducción del campo magnético. En algunas aplicaciones también será importante poder ajustar la inductancia de la bobina cambiando la posición del núcleo en relación con las vueltas, por ejemplo, deslizándola hacia adentro o hacia afuera.

BOBINA IMPERFECTA

Hasta ahora, hemos considerado los parámetros de una bobina ideal. Mientras tanto, en condiciones reales, el hilo de bobinado tendrá una cierta resistencia y capacitancia, lo que afectará a los parámetros reales de la bobina, que aún no hemos considerado.La figura muestra el diagrama de CC equivalente de una bobina real. Una resistencia que representa la resistencia del alambre devanado está conectada en serie con las vueltas. A medida que la corriente fluye a través de la bobina, no solo causará una caída de voltaje, sino también pérdidas de potencia en forma de calor, lo que puede hacer que la bobina se caliente y cambie los parámetros del núcleo. Como consecuencia, la eficiencia energética de todo el dispositivo también disminuye.

Diagrama de corriente continua equivalente de una bobina real

Diagrama esquemático equivalente de una bobina para análisis de CC

Al analizar la corriente alterna, también se debe tener en cuenta la capacitancia parásita creada por las capas aisladas del conductor, y por lo tanto en el diagrama sustituto, además de la resistencia, también hay un capacitor conectado en paralelo a los terminales de la bobina. Esto crea un circuito resonante RLC, y la bobina en sí es inductiva antes de alcanzar la frecuencia resonante y capacitiva cuando se alcanza. Por lo tanto, la impedancia de la bobina aumenta a la frecuencia resonante para alcanzar el valor máximo en resonancia y disminuye cuando se excede.

Cambio de carácter de la bobina real

El cambio de la naturaleza de la bobina real después de alcanzar la frecuencia resonante. Marcas en el diagrama equivalente: L – inductancia, EPC – capacitancia parásita, EPR – resistencia en paralelo que simboliza pérdidas de potencia, ESR – resistencia en serie que simboliza la resistencia del alambre devanado)

Tres tipos de pérdidas de potencia en inductores.

Hay tres tipos dominantes de pérdida de potencia en aplicaciones de bobinas. La primera es la pérdida de resistencia en serie mencionada anteriormente, es decir, la resistencia del cable del devanado. Esta pérdida de potencia debe tenerse en cuenta especialmente cuando la corriente a través de la bobina es alta. La mayoría de las veces lo tratamos en fuentes de alimentación y circuitos de alimentación. Este tipo de pérdida hace que se caliente la bobina y, en consecuencia, todo el dispositivo. También es la causa más común de falla, ya que las altas temperaturas pueden dañar el aislamiento y cortocircuitar las bobinas.

El segundo tipo de pérdida de energía es la pérdida de núcleo. Aparecen como resultado de un funcionamiento irregular del núcleo, corrientes parásitas y cambios en la posición de los dominios magnéticos. Estas pérdidas son dominantes cuando la corriente a través de la bobina es de baja intensidad. Se pueden encontrar en circuitos de alta frecuencia, separadores de señales digitales y otros. No provoca tanto daños en la bobina como problemas con pérdidas de nivel de señal en circuitos sensibles.

El tercer tipo de pérdida de potencia es la pérdida de flujo magnético que puede disiparse mediante sujetadores mecánicos, espacios de aire en el núcleo o la bobina misma.

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PARA TERMINAR

Un inductor es un componente sencillo y, por lo tanto, quizás un poco descuidado. Mientras tanto, al construir un circuito electrónico equipado con inductancias o transformadores, se debe prestar especial atención a los componentes inductivos seleccionados, incluidas sus frecuencias de resonancia y los parámetros del material del núcleo. Se utilizan diferentes núcleos a una frecuencia actual de decenas o cientos de hercios, y otros se utilizan a cientos de megahercios y más. A veces, con señales de alta frecuencia, una sección de cable con un cordón de ferrita roscado es suficiente.

Los inductores se pueden fabricar de varias formas. Normalmente, en el núcleo se enrollan de varios a varios cientos de vueltas de alambre. En algunas aplicaciones, los giros se realizan en forma de trazos en la placa de circuito, a veces encerrándolos en una copa de ferrita. Hoy en día, la mayoría de las bobinas, especialmente las bobinas utilizadas en los circuitos de potencia están hechas para montaje SMD. Al mismo tiempo, la carrera tecnológica continúa y constantemente se desarrollan nuevos materiales magnéticos, que conservan sus propiedades a pesar del aumento de temperatura, tienen menores pérdidas, etc.

Una bobina diseñada para operación de baja frecuencia generalmente tiene un núcleo de hierro y un gran número de vueltas y, por lo tanto, es relativamente pesada. Por lo tanto, en muchas aplicaciones, especialmente aquellas expuestas a choques e impactos, el método de montaje es de gran importancia. Por lo general, soldar la bobina no es suficiente: su núcleo debe fijarse de manera más segura con una abrazadera, asas o tornillos. Al elegir una bobina o transformador para el dispositivo, vale la pena tener esto en cuenta.

EL USO DE BOBINAS EN ELECTRÓNICA

Las bobinas se utilizan para:

  • bloqueando el flujo de corriente alterna en el circuito,
  • corriente de cortocircuito (voltaje),
  • medición del paso del tiempo basada en la desaparición del flujo de corriente,
  • construcción de circuitos oscilatorios,
  • construcción de filtros para frecuencias específicas,
  • acoplamiento de etapas amplificadoras,
  • reducción o aumento de voltaje.

Algunas aplicaciones de bobinas son similares a las aplicaciones de condensadores. Como ya sabemos, la bobina se comporta como un condensador cuando supera la frecuencia de resonancia. Sin embargo, no significa que estos elementos se puedan usar indistintamente en el sistema.Te animamos a que veas el vídeo dedicado al tema de los inductores y su aplicación en electrónica:

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