ESPE. Barreno, Núñez. Diseño y Construcción de Bobinas.
1
Diseño y Construcción de Bobinas Luis Miguel Barreno e-mail:
[email protected]
Jennifer Núñez e-mail:
[email protected]
Resumen— En este artículo se presenta la metodología de diseño y construcción de bobinas, donde se realizarán pruebas para lograr obtener valores de inductancia determinados, para posteriormente comprobar en una práctica de laboratorio si los valores obtenidos experimentalmente cumplen con los valores que marca el medidor de parámetros RLC.
Palabras clave— Acoplamiento magnético, inductancia, diseño eléctrico, medidor de parámetros RLC.
1.
CONSTRUCCION DE BOBINAS
1) Características de una bobina El diseño de inductores se basa en el principio de que un campo magnético variable induce un voltaje en cualquier conductor en ese campo. Así, un inductor práctico puede ser sencillamente una bobina de alambre como se muestra en la figura 1.
INTRODUCCIÓN
Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético. Un inductor está constituido usualmente por una cabeza hueca de 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 de magnetismo. Los inductores pueden también estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. 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.
2.
Figura 1-Inductor
La corriente en cada espira de la bobina produce un campo magnético que pasa a través de las espiras vecinas. Si la corriente a través de la bobina es constante, el campo magnético es constante y no sucede nada. Sin embargo un cambio en la corriente produce un cambio en el campo magnético. La energía absorbida o liberada del campo magnético cambiante reacciona contra el cambio de la corriente, y esto se presenta como un voltaje inducido, el cual es contrario al cambio de voltaje aplicado. Así, el inductor se comporta como una impedancia de la corriente alterna. A esta propiedad de los inductores se le conoce como reactancia inductiva y tiene las unidades de ohm. Los inductores se fabrican enrollando alambre de varias configuraciones de bobinas. Esto restringe el campo magnético dentro del espacio físico alrededor del inductor y crea el mayor efecto de inductancia por unidad de volumen del elemento. 2) Factores que afectan la Inductancia.
ESPE. Barreno, Núñez. Diseño y Construcción de Bobinas.
2
Los principales factores que determinan la magnitud de la inductancia en una bobina son: 1. El número de vueltas de la bobina. 2. El tipo y forma del material del núcleo 3. El diámetro y espaciamiento de las vueltas En la figura 2 se observa dos bobinas diferentes. La bobina de inciso A), tiene solo dos vueltas, mientras que la bobina del inciso B) tiene cuatro. En la bobina A), el campo magnético de una de las vueltas corta el campo de la otra vuelta. En la bobina B), el campo magnético de una de las vueltas corta el campo de los otros tres campos. Al duplicar el número de vueltas de una bobina de campo magnético será doblemente más fuerte. Un campo del doble de fuerza atravesado el doble de número de vueltas inducirá cuatro veces el valor del voltaje. Así, el valor de la inductancia de una bobina es igual al cuadrado del número de vueltas de la bobina.
Figura 3 Factores que afectan la inductancia: diámetro.
Otro factor que afecta a la inductancia de una bobina es la longitud de ésta. En la figura 4 se muestra dos ejemplos relacionados con el espaciamiento de las espiras. La bobina A) tiene tres vueltas altamente espaciadas, formando una bobina larga. Una bobina de este tipo tiene pocas líneas de flujo debido a la gran distancia entre cada vuelta. Por lo tanto, la bobina A) tiene una inductancia relativamente baja. La bobina de la figura B) tiene espiras más cercanas que forman una bobina de menor tamaño. Este menor espaciamiento aumenta el flujo magnético, aumentando la inductancia de la bobina. Al duplicar la longitud de una bobina una bobina conservando el mismo número de vueltas, el valor de la inductancia disminuye a la mitad. Por lo tanto, la inductancia es inversamente proporcional a la longitud de la bobina.
Figura 2.Factores que afectan la inductancia: número de vueltas
El segundo factor que afectan a la inductancia es el diámetro de la bobina. En la figura 3, el inductor de la figura B) tiene el doble de diámetro que el de la figura A). Físicamente, esto requiere más cable para construir una bobina de diámetro grande que en una de diámetro pequeño con igual número de vueltas. Así, en una bobina con diámetro grande se generará un número mayor de líneas de fuerza. Por lo tanto, la inductancia de una bobina aumenta directamente el aumento del área transversal de la bobina. Dado que el área del circulo se calcula por A=π*r^2, podemos decir que al duplicar el radio la inductancia aumenta por un factor de cuatro.
Figura 4 Factores que afectan la inductancia: longitud
Es usual que las espiras de una bobina se enrollen alrededor de núcleos de material ferromagnético porque esto hace que la densidad de flujo magnético dentro de la bobina sea muchísimo mayor que si el núcleo fuera aire (Figura 5). La mayor densidad de flujo permite una aumento en la inductancia de la estructura.
ESPE. Barreno, Núñez. Diseño y Construcción de Bobinas.
3
Para el caso de un inductor de núcleo de ferrita, el valor de es igual a 1000, mientras que para el inductor con núcleo de aire el valor de este término es 1. En la figura 7 se muestra tres tipos de bobinas: sin núcleo, con núcleo y son núcleo toroidal. Figura 5 Factores que afectan la inductancia: material del núcleo
Otra forma de aumentar la inductancia de una bobina se relaciona con el número de capas. La figura 6 muestra tres inductores con diferente número de capas. La bobina A) tiene una inductancia pequeña en comparación con las otras dos debido a que tiene una sola capa. La bobina B) tiene una inductancia mayor que la A) debido a que sus dos capas permiten que el flujo de cada vuelta interactúe con un número mayor de espiras vecinas. Finalmente, una bobina como la de la figura C) tendra una inductancia mayor, pues tiene tres capas ( que aumenta la interacción de los diversos campos magnéticos) y un núcleo de ferrita (que aumenta la inductancia)
Figura 7- Tipos de bobinas: A) sin núcleo, B) con núcleo y C) con núcleo toroidal.
Para aplicaciones con baja frecuencia, se emplea inductores con altos valores de inductancia (mayores a 5 H). Para el núcleo del inductor se emplea hierro o acero al silicio laminado. Para aplicaciones de alta frecuencia se emplea inductores mucho más pequeños (de orden de mH y uH) y los materiales que se utilizan para el núcleo son pastillas de hierro en polvo y barras de ferrita. Para hallar en número de alambre se toma en cuenta la siguiente relación:
d: diámetro del alambre (mm) Luego de hallar el diámetro del alambre se va a la tabla del AWG donde nos indica a que número de alambre pertenece, dicho diámetro.
Figura 6 Factores que afectan la inductancia: número de capas
3. CALCULO DE LA INDUCTANCIA La fórmula para calcular el valor de la inductancia de una bobina similar a la presentada en la figura 2 es :
4. CONCLUSIONES • Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que almacena energía en forma de campo magnético. • Tomando en cuenta el número de vueltas, el valor de la inductancia de una bobina es igual al cuadrado del número de vueltas de la bobina. • La inductancia de una bobina es directamente proporcional al área transversal de la bobina
ESPE. Barreno, Núñez. Diseño y Construcción de Bobinas.
• El espaciamiento entre las espiras de una bobina es inversamente proporcional a la inductancia. A mayor longitud, menor inductancia. • La mayor densidad de flujo permite una aumento en la inductancia de la estructura • El número de capas que tiene una bobina es directamente proporcional al valor de la inductancia. A mayor número de capas, mayor inductancia. 5. REFERENCIAS [1] Wikipedia. Diseño de Bobina. Recuperado el 14 de diciembre de 2011 de: http://es.wikipedia.org/wiki/Dise %C3%B1o_de_bobina [2]Universidad Tecnológica de Pereira. Diseño y Parametrización de Inductores. Recuperado el 14 de diciembre de 2011 de: http://www.utp.edu.co/php/revistas/ScientiaEtTechni ca/docsFTP/10584619-24.pdf [3]Profesaulosuna. Construcción de Bobinas. Recuperado el 14 de diciembre de 2011 de: http://www.profesaulosuna.com/data/files/TELECO MUNICACIONES/BOBINAS%20Y %20TRANSFORMADORES/BOBINAS/apendiceB. pdf [4]Wikipedia. Inductor. Recuperado el 14 de diciembre de 2011 de: http://es.wikipedia.org/wiki/Inductor [5]Foros de Electrónica. Cómo diseñar una bobina. Recuperado el 14 de diciembre de 2011 de: http://www.forosdeelectronica.com/f23/disenarbobinas-l-353/ 6. BIOGRAFÍA Autores: • Luis Miguel Barreno. Bachiller Físico Matemático, Colegio “Nicolás Infante Díaz”, Promoción 2010. Estudiante de Ingeniería Electrónica en Automatización y Control, Escuela Politécnica del Ejército.
4
• Jennifer Alexandra Núñez. Bachiller Físico Matemático, Colegio “La Presentación”, Promoción 2009. Estudiante de Ingeniería Mecatrónica, Escuela Politécnica del Ejército.
