Contenido Introducción........................................................................................................ IV Objetivo General.................................................................................................. V Objetivos Específicos.......................................................................................... VI Inductores........................................................................................................ 7 Construcción.................................................................................................... 7 Partes del Inductor............................................................................................ 8 Funcionamiento de una Bobina..........................................................................9 Tipos de Inductores......................................................................................... 10 Imagen de los tipos de Inductores....................................................................12 Clasificación de los Inductores........................................................................13 1.
Según el Núcleo o Soporte........................................................................13
2.
Según la Forma Constructiva.....................................................................14
Solenoides:................................................................................................ 14
Toroides:................................................................................................... 15
3.
Según la Frecuencia de la Corriente Aplicada.............................................16
4.
Según el Recubrimiento:...........................................................................16
5.
Según las Característica de su Valor..........................................................16
6.
Según el Tipo de montaje:.........................................................................16
Los Inductores más Comunes..........................................................................17 Codificación de los inductores....................................................................- 18 Ley de Faraday........................................................................................... - 19 Ley de Lenz................................................................................................ - 20 Símbolos.................................................................................................... - 22 Apariencia.................................................................................................. - 22 Valores Estándar y factor de reconocimiento................................................- 23 Voltaje Inducido.......................................................................................... - 24 Transistor R-L Ciclo de Almacenamiento......................................................- 27 Transitorios R-L : Fase de Decaimiento........................................................- 29 Conclusión.................................................................................................... - 32 Bibliografía...................................................................................................... VI
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Introducción La bobina o inductor por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía en forma de campo magnético El símbolo de una bobina / inductor se muestra en el gráfico anterior: El inductor es diferente del condensador / capacitor, que
almacena
energía
en
forma
de
campo
eléctrico
Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magnético, siendo el sentido de flujo del campo magnético, el que establece la ley de la mano derecha (ver electromagnetismo). Al estar el inductor hecho de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro del inductor y cierra su camino por su parte exterior. Una característica interesante de los inductores es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellos (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente
de
alimentación de corriente
continua),
esta
intentará mantener su condición anterior.
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Objetivo General
Elaborar un documento para mostrar de manera global los inductores,
cuáles son sus tipos su clasificaciones, la
construcción de cada uno de ellos, para orientar a los alumnos y que tenga un concepto claro del tema.
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Objetivos Específicos
Mencionar Las leyes que interfieren en los inductores
Describir los valores estándar, los tipos de símbolos, las ecuaciones que se utilizan para realizar los cálculos de los inductores. Mostrar el funcionamiento de una Bobina.
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Inductores 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. Son Bobinas de dimensiones diversas diseña para introducir cantidades específicas de inductancia dentro de un circuito. Construcción. Un 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 de magnetismo. Los inductores también pueden 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. 6
Partes del Inductor
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.
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.
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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.
Funcionamiento de una Bobina Sea una bobina o solenoide de longitud l, sección S y de un número de espiras N, por el 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 abarca 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:
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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 de la geometría de la bobina y del núcleo en la que está devanada. Se mide en Henrios.
Tipos de Inductores En el aspecto de apariencia: Todos los inductores, como los capacitores, pueden clasificarse bajo dos encabezados generales: fijos y variables. Los inductores fijos de núcleo de aire y de núcleo de hierro se describieron en la última sección. La bobina variable de permeabilidad sintonizada tiene un eje ferromagnético que puede moverse dentro de la bobina para variar los enlaces de flujo de la bobina y por ello su inductancia. En el aspecto de las pruebas: Las razones principales para las fallas de los inductores son los cortos que se desarrollan entre los devanados y los circuitos abiertos en los devanados a causa
de
factores
tales
como
corrientes
excesivas, 9
sobrecalentamiento y el paso del tiempo. La condición de circuito abierto puede ser revisada fácilmente con un ohmimetro (indicación de _ ohms), pero la condición de corto circuito es más difícil de revisar porque la resistencia de muchos buenos inductores es relativamente pequeña y el corto de unos pocos devanados no afectara adversamente la resistencia total. Por supuesto, si se conoce la resistencia típica de la bobina, será posible compararla contra el valor medido.
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Imagen de los tipos de Inductores
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Clasificación de los Inductores 1. Según el Núcleo o Soporte
Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte plástico).
de
material
no
magnético
(fibra,
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 Aplicaciones:
las
pérdidas
fuentes
de
son
elevadas.
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).
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2. Según la Forma Constructiva
Solenoides: Es cualquier dispositivo físico capaz de crear un campo magnético sumamente uniforme e intenso en su interior, y muy débil en el exterior. Un ejemplo teórico es el de una bobina
de
hilo conductor aislado
y
enrollado helicoidalmente, de longitud infinita. En ese caso ideal el campo magnético sería uniforme en su interior y, como consecuencia, afuera sería nulo. En la práctica, una aproximación real a un solenoide es
un
alambre
aislado,
de
longitud finita, enrollado en forma de hélice (bobina) o un número de espirales con un paso acorde a las necesidades, por el que circula una corriente eléctrica. Cuando esto sucede,
se
genera
un campo
magnético dentro de la bobina tanto más uniforme cuanto más larga sea la bobina.
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Toroides: Es la superficie de revolución generada por una curva
plana cerrada simple
que
gira
alrededor de una recta exterior coplanaria (el eje de rotación) con la que no se interseca. Su forma se corresponde con la superficie de los objetos que, en el habla cotidiana, se denominan donuts,
argollas, anillos,
aros o roscas. La palabra toroide también
se usa para referirse a un poliedro toroidal, generada
la
superficie por
de
revolución
un polígono que
gira
alrededor de un eje. Cuando
la
una circunferencia,
curva la
cerrada
es
superficie
se
denomina toro. En lenguaje cotidiano se denomina anillo al cuerpo cuya
superficie
exterior es un toro, lo que ilustra la diferencia entre una superficie y el volumen encerrado por ella.
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3. Según la Frecuencia de la Corriente Aplicada
Alta
número de espiras Baja frecuencia: de mayor tamaño y número
frecuencia: de
reducido
tamaño
y
de espiras 4. Según el Recubrimiento: Plástico, Resina, Metal (Apantallada) 5. Según las Característica de su Valor:
Fijo y
Ajustable 6. Según el Tipo de montaje: de inserción y SMD
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Los Inductores más Comunes
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Codificación de los inductores Los inductores moldeados suelen presentar un sistema de código de colores similar al de los resistores.
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%
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Ley de Faraday La ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente ley
de
Faraday)
establece
que
el voltaje
inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:2
(*)
Donde
es
el
campo
eléctrico,
infinitesimal del contorno C,
es
el
elemento
es la densidad de campo
magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de
están dadas por
la regla de la mano derecha. Esta ley fue formulada a partir de los experimentos que Michael
Faraday realizó
en 1831.
Esta
ley
tiene
importantes aplicaciones en la generación de electricidad.
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Ley de Lenz Relaciona cambios producidos en el campo eléctrico en un conductor con la variación de flujo magnético en dicho conductor, y afirma que las tensiones o voltajes inducidos sobre un conductor y los campos eléctricos asociados son de un sentido tal que se oponen a la variación del flujo magnético que las induce. Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la formuló en el año 1834. En un contexto más general que el usado por Lenz, se conoce que dicha ley es una consecuencia más del principio de conservación de la energía aplicado a la energía del campo electromagnético. Formulación La polaridad de una tensión inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original.
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El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por:
Donde: = Flujo
magnético.
La
unidad
en
el SI es
el weber (Wb). = Inducción magnética. La unidad en el SI es el tesla (T). = Superficie definida por el conductor. = Ángulo que forman el vector
perpendicular a la
superficie definida por el conductor y la dirección del campo. Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será:
A su vez, el valor del flujo puede variar debido a un cambio en el valor del campo magnético:
En este caso la Ley de Faraday afirma que la tensión inducida ℰ en cada instante tiene por valor:
Donde ℰ es el voltaje inducido, dΦ/dt es la tasa de
variación
temporal
del
flujo
magnético Φ y N el número de espiras del 20
conductor. La dirección del voltaje inducido (el signo negativo en la fórmula) se debe a la oposición al cambio de flujo magnético.
Símbolos La
función
principal del
inductor, sin embargo,
es
introducir
inductancia
—no
resistencia
o
capacitancia— en una red.
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Apariencia Todos
los
inductores,
como
los
capacitores,
pueden
clasificarse bajo dos encabezados generales: fijos y variables. La bobina variable de permeabilidad sintonizada tiene un eje ferromagnético que puede moverse dentro de la bobina para variar los enlaces de flujo de la bobina y por ello su inductancia.
Pruebas Las razones principales para las fallas de los inductores son los cortos que se desarrollan entre los devanados y los circuitos abiertos en los devanados a causa de factores tales como corrientes excesivas, sobrecalentamiento y el paso del tiempo. La condición de circuito abierto puede ser revisada fácilmente con un ohmímetro (indicación de _ ohms), pero la condición de corto circuito es más difícil de revisar porque la resistencia de muchos buenos inductores es relativamente pequeña y el corto de unos pocos devanados no afectará adversamente la resistencia total. Por supuesto, si se conoce la resistencia típica de la bobina, será posible compararla contra el valor medido. Un corto entre los devanados y el núcleo
se
pueden
revisar
colocando
simplemente
un
conductor del medidor sobre un alambre (terminal) y el otro 22
sobre el núcleo mismo. Una indicación de cero ohms refleja un corto entre los dos porque todo el alambre que forma el devanado tiene una cubierta aislante. El medidor LCR universal de la
se puede usar para revisar el nivel de
inductancia.
Valores Estándar y factor de reconocimiento Los valores estándar para inductores emplean los mismos multiplicadores
numéricos
usados
con
resistores
y
capacitores. Igual que el capacitor, los inductores de mayor demanda emplean los mismos multiplicadores numéricos que los resistores más comunes, esto es, aquellos con el intervalo completo de tolerancias (5%, 10% y 20%), tal como aparecen en la tabla 3.8. Sin embargo, los inductores también están disponibles
con
los multiplicadores asociados con
los
resistores de 5% y 10% de la tabla 3.9. Por tanto, puede esperarse encontrar inductores con los siguientes multiplicadores: 0.1 mH, 0.12 mH, 0.15 mH, 0.18 mH, 0.22 mH, 0.27 mH, 0.33 mH, 0.39 mH, 0.47 mH, 0.56 mH, 0.68 mH, y 0.82 mH, y luego 1 mH, 1.2 mH, 1.5 mH, 1.8 mH, 2.2 mH, 2.7 mH, y así sucesivamente.
23
La figura 12.11 fue creada para disponer de un factor de reconocimiento cuando se trata de los diversos tipos y usos de inductores —en otras palabras, para ayudar al lector a desarrollar la habilidad de identificar tipos de inductores, sus intervalos típicos de valores, y algunas de las aplicaciones más comunes. La figura 12.11 no está completa, ciertamente, pero ofrece un primer paso para tener una idea de qué esperar en varias aplicaciones.
Voltaje Inducido La inductancia de una bobina es también una medida del cambio en el flujo de enlace debido a un cambio en la corriente a través de ella; esto es.
donde N es el número de vueltas, f es el flujo en webers, e i es la corriente a través de la bobina. Si un cambio en corriente a través de la bobina no resulta en un cambio significativo en el flujo de enlace por su centro, el nivel de inductancia resultante será relativamente pequeño. Por esta razón, la inductancia de una bobina es sensible al punto de operación sobre la curva de histéresis (descrita con todo detalle en la sección 11.8). Si la bobina está operando sobre la pronunciada pendiente, el cambio en flujo será 24
relativamente alto para un cambio en la corriente a través de la bobina. Si la bobina está operando en saturación o cerca de ésta, el cambio será relativamente pequeño para el mismo cambio en corriente, dando como resultado un nivel reducido de inductancia. Este efecto es particularmente importante cuando se examinan circuitos de ca.
ya que un nivel de cd asociado con la señal de ca aplicada puede poner bobina en o cerca de la saturación, y el nivel de inductancia resultante la señal de ca aplicada puede ser significativamente menor que el esperado. El lector encontrará que
la
corriente
de
cd
máxima
normalmente
está
proporcionada en los manuales y hojas de datos para evitar la región de saturación. La ecuación (12.4) revela también que a mayor inductancia de una bobina (con N fijo), mayor será el cambio instantáneo en el flujo de enlace debido cambio instantáneo en corriente a través de la bobina. Si se escribe la ecuación (12.1) como:
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Transistor R-L Ciclo de Almacenamiento Los voltajes y las corrientes cambiantes en un circuito de cd que se presentan durante el almacenamiento de energía en forma de un campo magnético en un inductor se pueden describir mejor usando el circuito de la figura 12.14. En el instante en que el interruptor se cierre, la inductancia de la bobina impedirá un cambio instantáneo en la corriente a través de la bobina. La caída de potencial en la bobina, vL, será igual al voltaje aplicado E determinado por la ley de Kirchhoff ya que vR _ iR _ (0)R _ 0 V. La corriente iL crecerá entonces desde cero, estableciendo una caída de voltaje en el resistor y una correspondiente caída en vL. La corriente hGa a cero volts y el voltaje total aplicado aparezca en el resistor. Al principio, la corriente iL aumenta muy rápido, seguida por una razón de crecimiento que disminuye continuamente hasta que alcanza su valor máximo de E/R. Como se recordará del análisis de los capacitores, un capacitor equivale a un corto circuito cuando el interruptor se cierra y a un circuito abierto cuando se establecen las condiciones de estado estable. El inductor se comporta de manera opuesta en cada etapa. En el instante en que el interruptor de la figura 12.14 se
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cierra, la red equivalente aparecerá como se muestra en la figura 12.15. Observe la correspondencia con los anteriores comentarios relativos a los niveles de voltaje y corriente. El inductor obviamente cumple todos los requisitos para un circuito abierto equivalente: vL _ E volts, e iL _ 0 A. Cuando se alcanzan las condiciones de estado estable y la fase de almacenamiento está completa, la red “equivalente” aparece como se muestra en la figura 12.16. La red revela claramente que: Un inductor ideal (Rl_ 0 .) equivale a un corto circuito en una red de cd una vez que se alcanzan las condiciones de estado estable. Afortunadamente, las ecuaciones matemáticas para los voltaje y la corriente para la fase de almacenamiento son similares en muchos aspectos a las encontradas para la red R-C. La experiencia ganada con esas ecuaciones en el capítulo 10 indudablemente hará el análisis de las redes R-L algo más fácil de entender.
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Transitorios R-L : Fase de Decaimiento En el análisis de circuitos R-C, se encontró que el capacitor podía mantener su carga y almacenar energía en forma de campo eléctrico por un lapso determinado por los factores de fuga. En los circuitos R-L, la energía se almacena en forma de campo magnético establecido por la corriente a través de la bobina. Sin embargo, a diferencia de un capacitor, un inductor aislado no puede continuar almacenando energía ya que la ausencia de una trayectoria cerrada ocasionaría que la corriente cayese a cero, liberando la energía almacenada en la forma de un campo magnético. Si el circuito R-L en serie de la figura 12.26 hubiese alcanzado condiciones de estado estable y el interruptor fuese abierto rápidamente, una chispa brincaría probablemente a través de los contactos debido al rápido cambio en la corriente desde un máximo de E/R hasta cero ampere. El cambio en corriente di/dt de la ecuación vL _ L(di/dt) establecería un alto voltaje vL en la bobina que, en conjunción con el voltaje aplicado E, aparece en los puntos del interruptor. Éste es el mismo mecanismo que se aplica en el sistema de encendido de un auto para encender el 29
combustible en el cilindro. Se generan alrededor de 25,000 V por la rápida disminución en la corriente de la bobina de ignición que ocurre cuando el interruptor en el sistemase abre. (En sistema antiguos, los “puntos” en el distribuidor servían como interruptor.) Esta reacción inductiva es importante cuando se considera que la única fuente independiente en un auto es una batería de 12 V. Si al abrir el interruptor para moverlo a otra posición se causa tal rápida descarga de la energía almacenada, ¿cómo puede la fase de decaimiento de un circuito R-L ser analizada de la misma manera que un circuito R-C? La solución está en emplear una red como la que aparece en la figura 12.27(a). Cuando el interruptor se cierra, el voltaje en el resistor R2 es de E volts, y la ramifi-cación R-L responder de la misma manera que la descrita líneas arriba, con las mismas formas de onda y niveles. Una red Thévenin de E en paralelo con R2resultaría simplemente en la fuente que se muestra en la figura 12.27(b) ya queR2 entraría en corto por el reemplazo de corto circuito de la fuente de voltaje E cuando se determina la resistencia de Thévenin. Después de que ha pasado la fase de almacenamiento y se han establecido las condiciones de estado estable, el interruptor puede abrirse sin el efecto de chispa o descarga rápida debido al resistor R2, el cual proporciona una trayectoria completa para la corriente iL. De hecho, por claridad, la trayectoria de 30
descarga está aislada en la figura 12.28. El voltaje vL en el inductor
invertirá
su
polaridad
y
tiene
una
magnitud
determinada por:
Recuérdese que el voltaje en un inductor puede cambiar instantáneamente pero no la corriente. El resultado es que la corriente iL debe mantener igual dirección y magnitud, como se muestra en la figura 12.28. Por tanto, en el instante en que el interruptor se abre, iL es aún Im _ E/R1, y
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Bibliografía http://unicrom.com/Tut_bobina.asp http://html.rincondelvago.com/inductores.html https://es.wikipedia.org/wiki/Inductor
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