Comportamiento de Una Bobina

DEBEN CONECTARSE BOBINAS DE CHOQUE EN LAS CONEXIONES EQUIPOTENCIALES? 1. LAS BOBINAS DE CHOQUE.

Descripción de las BOBINAS DE CHOQUE Se utilizarán en circuitos electrónicos, son componentes capaces de bloquear corrientes alternas de una frecuencia dada. Usos de las BOBINAS DE CHOQUE Principalmente, cuando se requiere separar partes específicas encargadas de la r adiofrecuencia. Propiedades de las BOBINAS DE CHOQUE Las bobinas de choque tienen un valor de reactancia total máxima en la cual el uso resulta más eficaz. Esto se debe a que dentro de ciertos límites, su aptitud para impedir el paso de corrientes variables (reactancia) crece al aumentar la frecuencia.

En el mundo moderno existe la necesidad de proteger los equipos electrónicos de las sobretensiones, en especial porque cada día se evoluciona hacia elementos más pequeños que tienen la ventaja de un consumo de energía muy bajo pero con el inconveniente de presentar mayor susceptibilidad a las perturbaciones de alta frecuencia. El objetivo de proteger instalaciones eléctricas para equipo electrónico, es lograr la compatibilidad en el entorno electromagnético, con un adecuado diseño y coordinación de las protecciones, valiéndose de las cinco técnicas de oro: Apantallar, Equipotencializar, Absorber, Filtrar y disponer de un buen Sistema de Puesta a Tierra (SPT).

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Para el caso de control de las sobretensiones o sobrecorrientes originadas por rayos, se requiere una correcta coordinación entre el apantallamiento externo y la puesta a tierra especialmente diseñada para disipar y dispersar las corrientes de alta frecuencia, además de que se tiene la necesidad de interconectar con la puesta a tierra de la acometida principal y con la puesta a tierra para equipo electrónico sensible

Una bobina de choque o ferrita (no confundir con la ferrita (hierro) o ferrita (imán) es un inductor diseñado para tener una gran reactancia a una frecuencia determinada de forma que se pueda utilizar como filtro de esta frecuencia. Su funcionamiento depende de su inductancia.

Descripción Las bobinas de choque son bobinas (inductors) que se utilizan para aislar a salto de mata alternos de determinadas frecuencias en ciertas partes de un circuito, son capaces de bloquear la corriente alterna mientras dejan pasar la corriente continua. Se utilizan en un amplio abanico de aplicaciones como la prevención de las interferencias electromagnéticas (término que equivale al que en argot se denomina ruido y que incluye las interferencias de radiofrecuencia) de las fuentes de alimentación o la prevención de mal funcionamiento de los equipos electrónicos.

Tipo y construcción Las bobinas de choque se clasifican, según su campo de utilización, en dos tipos: las diseñadas para ser utilizadas en aplicaciones de audiofrecuencia y las que son destinadas a ser utilizadas en aplicaciones de radiofrecuencia. Las primeras (destinadas a la audiofrecuencia) pueden tener núcleos ferromagnéticos para incrementar su inductancia, pero para frecuencias altas presentan núcleos de aire. Por su parte, las bobinas de choque diseñadas para utilizaciones en radiofrecuencia no acostumbran a tener núcleos de hierro. A tensiones altas se puede producir suficiente calor como para destruir el campo del núcleo y quemar la bobina.


2. GENERALIDADES. Para definir la conveniencia o no de la instalación de una “bobina de choque ” o “bobina de acople ” en el camino de la equipotencialización entre sistemas de electrodo en un sistema eléctrico que tiene puestas a tierra dedicadas, debemos analizar el comportamiento de la bobina en cuestión en las condiciones de operación de dichos sistemas de puesta a tierra.

Como primera medida observemos que en esta Figura se indican tres sistemas de electrodo diferentes: El de la izquierda corresponde al sistema de fuerza del sistema de potencia, el del centro corresponde a los denominados equipos sensibles y el de la derecha, a la protección contra descargas atmosféricas. Observemos además que en los sistemas de fuerza y equipos sensibles no hay caminos cerrados en la puesta a tierra de equipos. Caso contrario en el sistema de protección contra descargas atmosféricas. Por lo tanto, vale la pena preguntarse a qué se debe que en los dos primeros no se deban hacer esos caminos cerrados o loops y que en el tercero sea necesario? La razón de que en los dos primeros no se deban hacer caminos cerrados es que esta es la condición para que haya “tierras limpias” . Afirmaremos ahora que la


única condición para la existencia de “tierras limpias” es que no haya “loops” en los circuitos de tierra de protección de equipos. 1

Para que la tierra sea “limpia” como piden los Ingenieros encargados de los sistemas de comunicaciones y de los sistemas de cómputo y procesamiento de datos, no se necesita construir un sistema de electrodo especial ni mucho menos separado del sistema eléctrico de la instalación. Con mayor razón cuando no existe un método matemático preciso que permita diseñarlo. Dicho de otra manera, qué cálculo matemático determina que el sistema de electrodo para “equipos sensibles ” o “tierra limpia” sea una delta con varillas de 12.7 x 2.400 mm separados su propia longitud e interconectados con cable de Cu 2/0 DD? Por qué no una malla de 5x5 metros, o una varilla sola conectadas entre si con cable de Cu # 12 ? La pregunta que hay que responder para esto, es qué función cumpliría este electrodo para que sea tan complejo o tan sencillo? Será el encargado de “drenar” las corrientes parásitas al suelo?, será el encargado de limpiar las corrientes circulantes en los conductores de protección de equipos? Quien determina que el suelo ( o la tierra como dicen algunos ) esté dispuesto a recibir esas corrientes espúreas y quien garantiza que dos varillas sean mejor que tres o que una? Finalmente, si las corrientes espúreas son tan pequeñas, porque necesitamos calibres tan gruesos? Las afirmaciones sin soporte físico-matemático, son en Ingeniería tan graves como los falsos rumores financieros. Aun cuando no tengan fundamento se vuelven, a fuerza de repetirlos, realidades incuestionables y producen efectos devastadores. La razón para que en la protección contra descargas atmosféricas se construyan caminos cerrados mediante perimetrales o mallas con cuadrículas de lado igual o mayor a 5 metros es que se debe interconectar el sistema de captación y los bajantes para lograr una mejor repartición de la corriente de descarga en cada uno

1

Una “tierra limpia”, es aquella por la cual solo circulan corrientes cuando hay condiciones de falla, permaneciendo la corriente en estos conductores en cero en el resto del tiempo y garantizando con ello que no haya “ruido eléctrico” en el sistema debido a estas corrientes parásitas o straight currents. Los caminos cerrados permiten y posibilitan la circulación de estas corrientes parásitas, generando el ruido que es molesto para los equipos de comunicación y de procesamiento de datos.


de ellos.2 Lo anterior pretende producir – al dividir la corriente de descarga en varios bajantes -la menor elevación del potencial de tierra en cada electrodo de llegada y consecuentemente minimizar las tensiones de paso generadas en estos puntos, igualmente al disminuir la corriente en cada conductor bajante, la tensión de contacto - aquella que aparecería entre dos partes del cuerpo de alguien que esté tocando accidentalmente un bajante - se controla mejor ya que la corriente en cada bajante es menor y consecuentemente como la corriente se reparte inversamente a la impedancia en cada rama, la resistencia de un ser humano sería mayor que la equivalente a los varios puntos de llegada del sistema de bajantes de la protección.

Finalmente, la necesidad de proveer varios bajantes en número par, no solamente apunta a resolver problemas de compatibilidad electromagnética, si no a garantizar una mayor probabilidad de supervivencia de quien entre en contacto con los sistemas de protección contra descargas construidos por los ingenieros. Como los caminos cerrados presentan una mayor impedancia a las corrientes con altas frecuencias, se aumentan los caminos de conexión al suelo para

2

El Modelo de la IEC 62305-2 de repartición igualitaria en cada bajante no deja de ser una utopía ya que esta repartición está en función de la resistencia de cada punto de llegada en el electrodo Tipo A y del punto de impacto directo o indirecto en el electrodo tipo B. Y de la capacidad real de atenuación del sistema de electrodo completo de la energía de la descarga.


contrarrestar este aumento de la impedancia vista por la energía de la descarga y mejorar .

3. LOS SISTEMAS DE INTRECONECTAR?

ELECTRODO

DEDICADOS

SE

DEBEN

Que son sistemas de electrodo dedicados? Son los diseñados para cada una de las aplicaciones que se dan en un sistema eléctrico, por ejemplo el que requiere un sistema de potencia para poder controlar la corriente de corto, las tensiones de paso y las de contacto, durante las condiciones de falla y para minimizar la elevación del potencial de tierra en sistemas eléctricos con protecciones tipo circuit breaker. En la práctica normal solo hay dos tipos de electrodo diferenciados, a) Fuerza o potencia, calculados por el método de la IEEE80, entre otros y b) Descargas atmosféricas, el cual puede ser Tipo A o Tipo B. 3 Solo la ignorancia y la confusión pueden llevar a un Ingeniero o Técnico a pedir la construcción de sistemas de puesta a tierra independientes, lo cual va en contravía de la normatividad existente y vigente y de las buenas prácticas de puestas a tierra. Esta mala práctica en las puestas a tierra no puede ser condición para el otorgamiento o la limitación de la garantía de operación de ningún equipo.

4. FUNCIONAMIENTO DE UNA BOBINA. Para entender el funcionamiento de una bobina en un sistema repasaremos los principios matemáticos que la definen. A continuación transcribo un documento tomado de Wikipedia. Este artículo o sección necesita referencias que aparezcan en una publicación acreditada, como revistas

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prensa

diaria

o

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de

Internet

fidedignas.

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3

El electrodo Tipo A es el compuesto por una varilla y un contrapeso y el Tipo B por una anillo perimetral en la base de la estructura.


Modelo matemático de una bobina Sea una bobina o solenoide de longitud l, sección S y de un número de espiras N, por la que circula una corriente eléctrica i(t). Aplicando la Ley de Biot-Savart que relaciona la inducción magnética, B(t), con la causa que la produce, es decir, la corriente i(t) que circula por el solenoide, se obtiene que el flujo magnético Φ(t) que es igual a:

Si el flujo magnético es variable en el tiempo, se genera en cada espira, según la Ley de Faraday, una fuerza electromotriz (f.e.m.) de autoinducción que, según la Ley de Lenz, tiende a oponerse a la causa que la produce, es decir, a la variación de la corriente eléctrica que genera dicho flujo magnético. Por esta razón suele llamarse fuerza contraelectromotriz . Ésta tiene el valor:

A la expresión se le denomina Coeficiente de autoinducción, L, el cuál relaciona la variación de corriente con la f.e.m. inducida y, como se puede ver, depende únicamente de la geometría de la bobina o solenoide. Se mide en Henrios. Así obtenemos la expresión:


Figura 2: Circuito con inductancia.

Suponiendo una bobina ideal, (figura 2), sin pérdidas de carga, aplicando la segunda Ley de Kirchhoff , se tiene que:

Es decir, en toda bobina eléctrica dentro de un circuito se produce en ella una caída de tensión:

Despejando la intensidad:

Si en el instante t = 0, la bobina está cargada con una corriente I, ésta se puede sustituir por una bobina descargada y una fuente de intensidad de valor i(0) = I en paralelo. La corriente por la bobina y por tanto el flujo no pueden variar bruscamente ya que si no la tensión v L (t ) debería hacerse infinita. Por eso al abrir un circuito en donde se halle conectada una bobina, siempre saltará un arco de corriente entre los bornes del interruptor que da salida a la corriente que descarga la bobina. Cuando el inductor no es ideal porque tiene una resistencia interna en serie, la tensión aplicada es igual a la suma de la caída de tensión


sobre la resistencia interna más la fuerza contra-electromotriz autoinducida. Comportamientos ideal y real Comportamiento en corriente continua

Una bobina ideal en corriente continua se comporta como un cortocircuito (conductor ideal), ya que al ser i(t) constante, es decir, no varía con el tiempo, no hay autoinducción de ninguna f.e.m.

Una bobina real en régimen permanente se comporta como una resistencia cuyo valor R L (figura 5a) será el de su devanado. En régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con bobina, suceden fenómenos electromagnéticos que inciden sobre la corriente (ver circuitos serie RL y RC). Comportamiento en corriente alterna.

Figura 3. Diagrama cartesiano de las tensiones y cor riente en una bobina.

Figura 4. Diagrama fasorial.


En corriente alterna, una bobina ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente eléctrica que recibe el nombre de reactancia inductiva, X L , cuyo valor viene dado por el producto de la pulsación (

) por la inductancia, L:

Si la pulsación está en radianes por segundo (rad/s) y la inductancia en henrios (H) la reactancia resultará en ohmios. Al conectar una CA senoidal v (t) a una bobina aparecerá una corriente i (t), también senoidal, esto es, variable, por lo que, como se comentó más arriba, aparecerá una fuerza contraelectromotriz, -e (t), cuyo valor absoluto puede demostrase que es igual al de v (t). Por tanto, cuando la corriente i (t) aumenta, e (t) disminuye para dificultar dicho aumento; análogamente, cuando i (t) disminuye, e (t) aumenta para oponerse a dicha disminución. Esto puede apreciarse en el diagrama de la figura 3. Entre 0º y 90º la curva i (t) es negativa, disminuyendo desde su valor máximo negativo hasta cero, observándose que e (t) va aumentando hasta alcanzar su máximo negativo. Entre 90º y 180º, la corriente aumenta desde cero hasta su valor máximo positivo, mientras e (t) disminuye hasta ser cero. Desde 180º hasta los 360º el razonamiento es similar al anterior. Dado que la tensión aplicada, v (t) es igual a -e (t), o lo que es lo mismo, está desfasada 180º respecto de e (t), resulta que la corriente i (t) queda retrasada 90º respecto de la tensión aplicada. Consideremos por lo tanto, una bobina L, como la de la figura 2, a la que se aplica una tensión alterna de valor:


Figura 5.: Circuitos equivalentes de una bobina real en C C, a), y en CA, b) y c).

De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna, retrasada 90º (π / 2) respecto a la tensión aplicada (figura 4), de valor:

donde . Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:

Y operando matemáticamente: Por lo tanto, en los circuitos de CA, una bobina ideal se puede asimilar a una magnitud compleja sin parte real y parte imaginaria positiva:

En la bobina real, habrá que tener en cuenta la resistencia de su bobinado, R L, pudiendo ser su circuito equivalente o modelo, el que aparece en la figura 5b) o 5c) dependiendo del tipo de bobina o


frecuencia de funcionamiento, aunque para análisis más precisos pueden utilizarse modelos más complejos que los anteriores. Asociaciones comunes

Figura 6. Asociación serie general.

Figura 7. Asociación paralelo general.

Al igual que las resistencias, las bobinas pueden asociarse en serie (figura 6), paralelo (figura 7) o de forma mixta. En estos casos, y siempre que no exista acoplamiento magnético, la inductancia equivalente para la asociación en serie vendrá dada por:

Para la asociación en paralelo tenemos:

Para la asociación mixta se procederá de forma análoga que con las resistencias. Si se requiere una mayor comprensión del comportamiento reactivo de un inductor, es conveniente entonces analizar detalladamente la "Ley de Lenz" y comprobar de esta forma cómo se origina una reactancia de tipo inductiva, la cual nace debido a una oposición que le presenta el inductor o bobina a la variación de flujo magnético.


Comportamiento a la Análisis de transitorios.

interrupción

del

circuito.

La alimentación carga el inductor a través la resistencia.

Examinemos el comportamiento práctico de un inductor cuando se interrumpe el circuito que lo alimenta. En el dibujo de derecha aparece un inductor que se carga a través una resistencia y un interruptor. El condensador dibujado en punteado representa las capacidades parásitas del inductor. Está dibujado separado del inductor, pero en realidad forma parte de él, porque representa las capacidades parásitas de las vueltas del devanado entre ellas mismas. Todo inductor tiene capacidades parásitas, incluso los devanados especialmente concebidos para minimizarlas como el devanado en "nido de abejas".

El interruptor se abre. La corriente solo puede circular cargando las capacidades parásitas.

A un cierto momento el interruptor se abre. Si miramos la definición de inductancia:


vemos que, para que la corriente que atraviesa el inductor se detenga instantáneamente, seria necesario la aparición de una tensión infinita, y eso no puede suceder. ¿Qué hace la corriente? Pues continúa pasando. ¿Por donde? Ella "se las arregla" para continuar. Al principio, el único camino que tiene es a través las capacidades parásitas. La corriente continúa circulando a través la capacidad parásita, cargando negativamente el punto alto del condensador en el dibujo.

En el instante el interruptor de abre dejando la inductancia oscilar con las capacidades parásitas.

Nos encontramos con un circuito LC que oscilará a una pulsación:

donde es el valor equivalente de las capacidades parásitas. Si los aislamientos del devanado son suficientemente resistentes a las altas tensiones, y si el interruptor interrumpe bien el circuito, la oscilación continuará con una amplitud que se amortiguará debido a las pérdidas dieléctricas y resistivas de las capacidades parásitas y del conductor del inductor. Si además, el inductor tiene un núcleo ferromagnético, habrá también pérdidas en el núcleo. Hay que ver que la tensión máxima de la oscilación puede ser muy grande. Eso le vale el nombre de sobretensión. Se comprende que pueda ser grande, ya que el máximo de la tensión corresponde al momento en el cual toda la energía almacenada en la bobina


Comportamiento de Una Bobina

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