Bobinas o Inductores

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UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA DISCIPLINA CIRCUITOS ELECTRICOS II VILLA DEL ROSARIO NDS 2015 Contenido INTRODUCCIÓN..............................................................................................4 BOBINA O INDUCTOR.....................................................................................5 Inductancia, unidades....................................................................................6 Aplicaciones de una bobina / inductor...........................................................6 CLASIFICACIÓN...............................................................................................7 Según el núcleo o soporte:............................................................................7 Según la forma constructiva:.........................................................................7 Según la frecuencia de la corriente aplicada:................................................7 Según el recubrimiento: -, plástico, resina, metal (apantalladas)................7 Según la característica de su valor................................................................7 Según el tipo de montaje:..............................................................................7 CONSTRUCCIÓN.............................................................................................9 Cálculo de solenoides monocapa................................................................10 Cálculo de toroides monocapa....................................................................11 CODIFICACIÓN..............................................................................................12 VALORES ESTANDAR...................................................................................12 CRITERIOS DE SELECCIÓN.........................................................................13 CONSIDERACIONES PRÁCTICAS...............................................................14

Una universidad incluyente y comprometida con el desarrollo integral

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Corriente máxima:........................................................................................14 Interferencia.................................................................................................14 Prueba..........................................................................................................14 BIBLIOGRAFIA...............................................................................................15

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.


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BOBINA O INDUCTOR Un inductor, bobina o reactor es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético. La bobina o inductor es formado de un alambre conductor con el cual se han hecho espiras a manera, en su forma mas sencilla, de un resorte. Si se aplica corriente continua (corriente que no varía con el tiempo) a un inductor, éste se comporta como un corto circuito y dejará pasar la corriente a través de ella sin ninguna oposición. Pero en la bobina si existe oposición al paso de la corriente, y esto sucede sólo en el momento en que se hace la conexión a la fuente de voltaje y dura por un tiempo muy pequeño (estado transitorio). Lo que sucede es que en ese pequeño espacio de tiempo corriente esta variando desde 0V hasta su valor final de corriente continua (la corriente varía con el tiempo por un espacio de tiempo muy pequeño).


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La bobina o inductor es un elemento que reacciona contra los cambios en la corriente a través de él, generando un voltaje que se opone al voltaje aplicado y es proporcional al cambio de la corriente.

Inductancia, unidades La inductancia mide el valor de oposición de la bobina al paso de la corriente y se miden en Henrios (H), pudiendo encontrarse valores de MiliHenrios (mH). El valor depende de: 

El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios).



El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios).



La longitud del cable de que está hecha la bobina. El tipo de material de que esta hecho el núcleo, si es que lo tiene.

Aplicaciones de una bobina / inductor 

En los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes existe un elemento adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro



En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida


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

En muchos circuitos osciladores se incluye un inductor. Por ejemplo circuitos RLC serie o paralelo.

CLASIFICACIÓN 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. Nota: radiofrecuencia (100kHz a 100GHz) <> audiofrecuencia (20Hz a 20kHz). Según la forma constructiva: 

Solenoides:



Toroides:


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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 Según el recubrimiento: -, plástico, resina, metal (apantalladas). Según la característica de su valor: fijos y ajustables. Según el tipo de montaje: de inserción y SMD.

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


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CONSTRUCCIÓN Un seductor inductor está constituido normalmente por una bobina de conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo hecho de material ferroso (por ejemplo, acero magnético), para incrementar su capacidad demagnetismo. Los inductores también pueden estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizarmicroprocesadores. En estos casos se usa, comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho más práctico usar un circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un inductor. El inductor consta de las siguientes partes:  

Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica. Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.


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   

Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar. Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor. Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro. Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.

También pueden fabricarse pequeños inductores, que se usan para frecuencias muy altas, con un conductor pasando a través de un cilindro de ferrita o granulado. Cálculo de solenoides monocapa

Donde: n = número de espiras D = diámetro de la bobina en mm l = longitud del bobinado en mm mm

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0,001 n D L [ µ H ]= I +0,45 D

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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


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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:

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

Cp [pF] = K D

Algunos valores de K se presentan a continuación: l / d K

0,1

0, 3

0, 5

0, 8

1

2

4

6

8

10

15

20

30

0,0 96

0, 0 6

0, 0 5

0, 0 5

0,0 46

0, 0 5

0,0 72

0,0 92

0,1 12

0,1 32

0,1 86

0,2 36

0, 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: donde: L = inductancia calculada [H] Cp = Capacidad distribuida de la bobina [pF] f = frecuencia de trabajo [MHz]

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2 π . f ¿ + L .Cp −6 1 x 10 ¿ L L [ µ H ]= ¿

Cálculo de toroides monocapa donde: r = permeabilidad relativa del núcleo = número de vueltas Una universidadNincluyente y comprometida con el desarrollo integral h = altura del toroide [mm] dext = diámetro exterior dint = diámetro interior

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d∫ ¿ d ext ¿ ¿ ¿ L [ µ H ] =0.0002 µr N 2 h ln¿

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: N 2 ¿ 100 L [ µ H ] =A L ¿ 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". CODIFICACIÓN Los inductores moldeados suelen presentar un sistema de código de colores similar al de los resistores.


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

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


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

  



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

CONSIDERACIONES PRÁCTICAS Corriente máxima: dada por las limitaciones físicas del hilo conductor (resistencia y máxima disipación de potencia). Interferencia: los campos magnéticos de los inductores pueden afectar el comportamiento del resto de los componentes del circuito, especialmente de otros inductores. La proximidad de dos inductores puede dar origen a una inductancia mutua que causará efectos no deseados, razón por la cual los


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diseñadores tienden a elegir capacitores sobre inductores para realizar tareas similares. Prueba: 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.

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BIBLIOGRAFIA https://es.wikipedia.org/wiki/Inductor http://unicrom.com/Tut_la_bobina_y_las_corrientes.asphttp://unicrom.c om/Tut_la_bobina_y_las_corrientes.asp http://www.ing.unp.edu.ar/electronica/asignaturas/ee016/tutoriales/indu ctores/inductores.htm http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Las-bobinas.php


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

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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