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“Aplicaciones de inductores”

I. OBJETIVOS:

Reconocer la aplicación de los inductores.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO:

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

Inductores ideales y reales

En la teoría de circuitos, los inductores se idealizan como la obediencia a la relación

matemática anterior precisión. Un "inductor ideales" tiene inductancia, pero hay

resistencia o capacitancia, y no se disipa o irradiar energía. Sin embargo inductores

reales tienen efectos secundarios que causan su comportamiento a partir de este modelo

simple. Tienen la resistencia, y la capacitancia parásita. A altas frecuencias la capacidad

comienza a afectar el comportamiento del inductor, en alguna frecuencia, inductores

reales se comportan como circuitos resonantes, llegando a ser uno mismo-resonante. Por

encima de la frecuencia de resonancia de la reactancia capacitiva se convierte en la parte

dominante de la impedancia. La energía es disipada por la resistencia del alambre, y por

las pérdidas en el núcleo magnético debido a la histéresis. A altas corrientes, inductores

con núcleo de hierro también muestran la salida gradual del comportamiento ideal

debido a la no linealidad causada por la saturación magnética. A frecuencias más altas,

la resistencia y las pérdidas resistivas en inductores de crecimiento debido al efecto piel

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de hilos para bobinas del inductor. Pérdidas en el núcleo también contribuyen a las

pérdidas inductor a frecuencias más altas. Un inductor puede irradiar una parte de la

energía transformada en el espacio circundante y circuitos, y puede absorber las

emisiones electromagnéticas de otros circuitos, participando en las interferencias

electromagnéticas. Circuitos y materiales cercanos al inductor tendrán acoplamiento de

campo cercano al campo magnético de la bobina, que puede causar la pérdida de

energía adicional. Aplicaciones del mundo real inductor pueden considerar los

parámetros parásitos tan importantes como la inductancia.

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:

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.

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.

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

2.2. Según la forma constructiva:

Solenoides:

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:

3. CONSTRUCCIÓN

Un inductor se elabora normalmente como una bobina de material conductor,

típicamente alambre de cobre, envuelto alrededor de un núcleo ya sea de aire o de

material ferromagnético o ferrimagnético. Materiales de núcleo con una permeabilidad

más alta que la del aire aumentan el campo magnético y la confinan estrechamente al

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inductor, lo que aumenta la inductancia. Inductores de baja frecuencia se construyen

como transformadores, con núcleos de acero magnético laminado para evitar corrientes

de Foucault. Ferritas "blandos" son ampliamente utilizados para núcleos por encima de

las frecuencias de audio, ya que no hacen que las grandes pérdidas de energía a altas

frecuencias que las aleaciones de hierro ordinarias lo hacen. Inductores vienen en

muchas formas. La mayoría están construidos como el esmalte de alambre recubierto

envuelto alrededor de una bobina de ferrita con cable expuesto en el exterior, mientras

que algunos encierran el cable completamente en ferrita y se conocen como "blindado".

Algunos inductores tienen un núcleo ajustable, que permite el cambio de la inductancia.

Inductores utilizados para bloquear frecuencias muy altas se hacen a veces por

encadenar un cilindro de ferrita o perla en un alambre.

Inductores pequeños pueden ser grabados directamente sobre una placa de circuito

impreso por colocar la traza en un patrón espiral. Algunos de tales inductores planares

utilizan un núcleo plana.

Inductores de valor pequeños también pueden ser construidos en los circuitos integrados

utilizando los mismos procesos que se utilizan para fabricar transistores. Interconexión

de aluminio se usa típicamente, dispuesta en un patrón de espiral de la bobina. Sin

embargo, las pequeñas dimensiones limitan la inductancia, y es mucho más común el

uso de un circuito llamado "girador" que utiliza unos componentes de condensadores y

activa a comportarse de manera similar a un inductor.

3.1. Cálculo de solenoides monocapa

0,001 2 2

[H] =

+ 0,45

dónde: = número de espiras = diámetro de la bobina en mm = longitud del bobinado en mm

Al emplear la fórmula de Wheeler, la precisión alcanza el 1% para bobinas cuya

relación es mayor que 0,4.

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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 D

dónde: = diámetro de la bobina en mm = depende de la relación l/D de la

bobina

Algunos valores de K se presentan a continuación:

l/d 0,1 0,3 0,5 0,8 1 2 4 6 8 10 15 20 30 K 0,096 0,06 0,05 0,05 0,046 0,05 0,072 0,092 0,112 0,132 0,186 0,236 0,34

Nótese que K se minimiza (y por lo tanto también se minimiza Cp) para una

relación

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

L

L* [H] =

1 - 10-6 (2 pi f)2 L Cp

dónde: = inductancia calculada [H] Cp = Capacidad distribuida de la bobina

[pF] f = frecuencia de trabajo [MHz]

3.2 Cálculo de toroides monocapa

L [H] = 0.0002 r N2 h ln (dext /dint)

dónde: r = permeabilidad relativa del núcleo N = número de vueltas h = altura del toroide [mm] dext = diámetro exterior dint = diámetro interior

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 [H] = AL (N/100)2

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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. Aplicaciones

Inductores se utilizan ampliamente en circuitos analógicos y procesamiento de señales.

Inductores junto con los condensadores y otros componentes forman circuitos

sintonizados que puede acentuar o filtrar las frecuencias de señal específicos. Las

aplicaciones van desde el uso de grandes inductores en fuentes de alimentación, que en

conjunción con condensadores de filtro eliminar zumbidos residuales conocidos como el

zumbido de alimentación u otras fluctuaciones de la salida de corriente continua, a la

pequeña inductancia de la perla de ferrita o un toroide instalado alrededor de un cable a

prevenir la interferencia de frecuencia de radio que se transmiten por el cable.

Combinaciones de inductor/condensador pequeñas proporcionan circuitos sintonizados

utilizados en la recepción de radio y la radiodifusión, por ejemplo.

Dos inductores que han acoplados forma de flujo magnético de un transformador, que

es un componente fundamental de cada cuadrícula de energía de la red eléctrica. La

eficiencia de un transformador puede disminuir a medida que la frecuencia aumenta

debido a las corrientes parásitas en el material del núcleo y efecto de la piel en los

devanados. El tamaño del núcleo se puede disminuir a frecuencias más altas. Por esta

razón, las aeronaves utilizan 400 hercios actual en lugar de los habituales 50 o 60

hertzios alterna, lo que permite un gran ahorro en el peso de la utilización de

transformadores más pequeños. El principio de flujos magnéticos acoplados entre una

estacionaria y una bobina de inductor giratorio también se utiliza para producir par

mecánico en los motores de inducción, que son ampliamente utilizados en los aparatos

y de la industria. La eficiencia energética de los motores de inducción está influenciada

en gran medida por la conductividad del material bobinado.

Un inductor se utiliza como el dispositivo de almacenamiento de energía en algunas

fuentes de alimentación en modo conmutado. El inductor es activado por una fracción

específica de la frecuencia de conmutación del regulador, y se desactiva durante el resto

del ciclo. Esta relación de transferencia de energía determina el voltaje de entrada al

cociente de la tensión de salida. Este XL se utiliza en complemento con un dispositivo

semiconductor activo para mantener un control muy preciso de tensión.

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Inductores también se emplean en sistemas de transmisión eléctricos, los que se

utilizan para deprimir voltajes de la caída de rayos y para limitar las corrientes de

conmutación y corriente de defecto. En este campo, se les conoce más comúnmente

como reactores.

Grandes inductores de valor pueden ser simulados por el uso de circuitos giradores.

III. MATERIALES Y EQUIPOS:

Reactor de fluorescente.

Yugo.

Pinza amperimétrica.

Transformadores

Relay

IV. PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS:

En el laboratorio se explicó las aplicaciones los materiales a estudiar, en la vida

cotidiana, entendiéndose lo siguiente:

a) En nuestra vida diaria encontramos las bobinas en los transformadores para

reducir o elevar el Voltaje.

b) En los sistemas de iluminación con tubos fluorescentes existe un elemento

adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama reactor o balastro, el

cual es una reactancia inductiva que está constituido por una bobina de alambre de

cobre esmaltado, enrollada sobre un núcleo de chapas de hierro o de acero

eléctrico.

c) En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes

de corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida.

d) En los televisores con tubos de rayos catódicos, crt (Cathode Ray Tube), el yugo es

el que realiza la deflexión electromagnética de la señal de video, tanto horizontal

como vertical, desviando los haces verticales y horizontales en la pantalla. El

televisor internamente tiene dos osciladores, uno H y otro V, que generan las

formas de onda para excitar el yugo, y a la salida es que se conecta el yugo, que

son dos bobinas para el vertical, y dos para el horizontal, de forma toroidal, sobre

un núcleo de ferrite de una forma especial, que se coloca en el cuello del trc, y se

ajusta con imanes de corrección, para eliminar los defectos de convergencia,

centrado de la imagen, y el efecto landing, de corrección del efecto del campo

terrestre. Si no hay vertical, se verá una línea brillante al centro. Si no hay

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horizontal, no tiene brillo en la pantalla, o según sea la falla, observaras una línea

vertical al centro.

e) La pinza amperimetrica tiene el siguiente principio de funcionamiento: “toda

corriente que circula por un conductor, genera un campo magnético”. Para el caso

de nuestra pinza, la corriente que circula por un conductor, crea magnetismo y este

magnetismo origina una corriente que circulará por la mandíbula y es la que se

registrará en la pantalla de la pinza.

f) Los realys funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el

que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios

contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.

El electroimán hace bascular la armadura al ser

excitada, cerrando los contactos dependiendo de si

es N.A o N.C (normalmente abierto o normalmente

cerrado). Si se le aplica un voltaje a la bobina se

genera un campo magnético, que provoca que los

contactos hagan una conexión. Estos contactos

pueden ser considerados como el interruptor, que

permite que la corriente fluya entre los dos puntos

que cerraron el circuito.

V. CONCLUSIONES:

Se conoció la aplicación de los inductores (bobinas) como en los

fluorescentes, pinza amperimetrica, transformadores, relays.