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Inductor

Un inductor , también llamado bobina , choque o reactor , es un componente eléctrico pasivo de dos terminales que almacena energía en un campo magnético cuando una corriente elé...

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Un inductor , también llamado bobina , choque o reactor , es un componente eléctrico pasivo de dos terminales que almacena energía en un campo magnético cuando una corriente eléctrica fluye a través de él. [ 1 ] Un inductor generalmente consiste en un alambre aislado enrollado en forma de bobina .

Cuando la corriente que fluye a través de la bobina cambia, el campo magnético variable en el tiempo induce una fuerza electromotriz ( fem ), o voltaje , en el conductor, descrita por la ley de inducción de Faraday . Según la ley de Lenz , el voltaje inducido tiene una polaridad (dirección) que se opone al cambio de corriente que lo generó. Por lo tanto, los inductores se oponen a cualquier cambio de corriente que los atraviese.

Un inductor se caracteriza por su inductancia , que es la relación entre el voltaje y la tasa de cambio de la corriente. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de inductancia es el henrio (H) , llamado así en honor al científico estadounidense del siglo XIX Joseph Henry . En la medición de circuitos magnéticos, es equivalente a weber / amperio . Los inductores tienen valores que suelen oscilar entre 1  μH (10⁻⁶ H  ) y 20  H. Muchos inductores tienen un núcleo magnético de hierro o ferrita dentro de la bobina, que sirve para aumentar el campo magnético y, por lo tanto, la inductancia. Junto con los condensadores y las resistencias , los inductores son uno de los tres elementos lineales pasivos que componen los circuitos electrónicos. Los inductores se utilizan ampliamente en equipos electrónicos de corriente alterna (CA), especialmente en equipos de radio . Se utilizan para bloquear la CA y permitir el paso de la CC; los inductores diseñados para este propósito se denominan bobinas de choque . También se utilizan en filtros electrónicos para separar señales de diferentes frecuencias y, en combinación con condensadores, para crear circuitos sintonizados , que se utilizan para sintonizar receptores de radio y televisión.

El término inductor parece provenir de Heinrich Daniel Ruhmkorff , quien llamó inductorio a la bobina de inducción que inventó en 1851. [ 2 ]

Descripción

Una corriente eléctrica I crea un campo magnético B a su alrededor.

Una corriente eléctrica que fluye a través de un conductor genera un campo magnético a su alrededor. El flujo magnético enlazadoΦB{\displaystyle \Phi _{\mathbf {B} }}generada por una corriente dadaI{\displaystyle I}depende de la forma geométrica del circuito. Su relación define la inductancia.L{\displaystyle L}. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Así

L:=ΦBI{\displaystyle L:={\frac {\Phi _{\mathbf {B} }}{I}}}.

La inductancia de un circuito depende de la geometría del recorrido de la corriente, así como de la permeabilidad magnética de los materiales cercanos. Un inductor es un componente que consiste en un alambre u otro conductor con una forma que aumenta el flujo magnético a través del circuito, generalmente en forma de bobina o hélice , con dos terminales . Al enrollar el alambre en forma de bobina , aumenta el número de veces que las líneas de flujo magnético enlazan el circuito, incrementando el campo y, por lo tanto, la inductancia. Cuantas más vueltas, mayor es la inductancia. La inductancia también depende de la forma de la bobina, la separación entre las vueltas y muchos otros factores. Al añadir un "núcleo magnético" hecho de un material ferromagnético como el hierro dentro de la bobina, el campo magnetizante de la bobina induce magnetización en el material, aumentando el flujo magnético. La alta permeabilidad de un núcleo ferromagnético puede aumentar la inductancia de una bobina en varios miles de veces con respecto a la que tendría sin él.

Ecuación constitutiva

Cualquier cambio en la corriente que atraviesa un inductor crea un flujo variable, induciendo un voltaje a través del inductor. Según la ley de inducción de Faraday , el voltajemi{\displaystyle {\mathcal {E}}}inducido por cualquier cambio en el flujo magnético a través del circuito viene dado por [ 6 ]

mi=−dΦBdt{\displaystyle {\mathcal {E}}=-{\frac {d\Phi _{\mathbf {B} }}{dt}}}.

Reformulando la definición de L anterior, obtenemos [ 6 ]

ΦB=LI{\displaystyle \Phi _{\mathbf {B} }=LI}.

Resulta que

mi=−dΦBdt=−ddt(LI){\displaystyle {\mathcal {E}}=-{\frac {d\Phi _{\mathbf {B} }}{dt}}=-{\frac {d}{dt}}(LI)}

mi=−LdIdt{\displaystyle \;{\mathcal {E}}=-L{\frac {dI}{dt}}\;}

Si L es independiente del tiempo, la corriente y el flujo magnético, la inductancia también es una medida de la fuerza electromotriz (voltaje) generada para una determinada tasa de cambio de corriente. Esta suele considerarse la relación constitutiva (ecuación definitoria) del inductor.

Esquema que utiliza el terminal de salida de corriente como referencia para el voltaje.

Debido a que el voltaje inducido es positivo en el terminal de entrada de la corriente, la relación corriente-voltaje del inductor a menudo se expresa sin signo negativo utilizando el terminal de salida de la corriente como punto de referencia para el voltaje.V(t){\displaystyle V(t)}en el terminal de entrada de la corriente (como se indica en el esquema). La relación corriente-tensión es entonces:

Relación corriente-tensión (forma derivada)

V(t)=LdI(t)dt{\displaystyle \;V(t)=L{\frac {\mathrm {d} I(t)}{\mathrm {d} t}}\;}

que se puede reescribir como:

Relación corriente-tensión (forma integral)

I(t)=I(t0)+1L∫t0tV(τ)dτ{\displaystyle \;I(t)=I(t_{0})+{\frac {1}{L}}\int _{t_{0}}^{t}V(\tau )\,\mathrm {d} \tau \;}

Como con cualquier antiderivada , se agrega una constante de integración para representar la corriente inicial I ( t₀ ). El dual del inductor es el capacitor , que almacena energía en un campo eléctrico en lugar de un campo magnético. Su relación corriente-voltaje reemplaza L con la capacitancia C y tiene la corriente y el voltaje intercambiados de estas ecuaciones.

Ley de Lenz

La polaridad (dirección) del voltaje inducido viene dada por la ley de Lenz , que establece que el voltaje inducido será tal que se oponga al cambio en la corriente. [ 7 ] Por ejemplo, si la corriente a través de un inductor está aumentando, la diferencia de potencial inducida será positiva en el punto de entrada de la corriente y negativa en el punto de salida, tendiendo a oponerse a la corriente adicional. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] La energía del circuito externo necesaria para superar esta "colina" de potencial se almacena en el campo magnético del inductor. Si la corriente está disminuyendo, el voltaje inducido será negativo en el punto de entrada de la corriente y positivo en el punto de salida, tendiendo a mantener la corriente. En este caso, la energía del campo magnético se devuelve al circuito.

Energía almacenada en un inductor

Una explicación intuitiva de por qué se induce una diferencia de potencial al cambiar la corriente en un inductor es la siguiente:

Cuando se produce un cambio en la corriente que atraviesa un inductor, se produce un cambio en la intensidad del campo magnético. Por ejemplo, si se aumenta la corriente, el campo magnético aumenta. Sin embargo, esto tiene un coste. El campo magnético contiene energía potencial , y aumentar su intensidad requiere que se almacene más energía en él. Esta energía proviene de la corriente eléctrica que circula por el inductor. El aumento de la energía potencial magnética del campo se debe a una disminución correspondiente de la energía potencial eléctrica de las cargas que fluyen por los devanados. Esto se manifiesta como una caída de tensión en los devanados mientras la corriente aumenta. Una vez que la corriente deja de aumentar y se mantiene constante, la energía en el campo magnético es constante y no es necesario suministrar energía adicional, por lo que la caída de tensión en los devanados desaparece.

De forma similar, si la corriente que atraviesa el inductor disminuye, la intensidad del campo magnético también disminuye, y con ella, la energía que contiene. Esta energía se devuelve al circuito en forma de un aumento de la energía potencial eléctrica de las cargas en movimiento, lo que provoca un incremento de la tensión en los devanados.

Derivación

El trabajo realizado por unidad de carga sobre las cargas que pasan a través del inductor es−mi{\displaystyle -{\mathcal {E}}}El signo negativo indica que el trabajo se realiza en contra de la fuerza electromotriz (fem), y no por la fem. La corrienteI{\displaystyle I}es la carga por unidad de tiempo que pasa a través del inductor. Por lo tanto, la tasa de trabajoW{\displaystyle W}La fuerza electromotriz (fem) ejercida por las cargas contra la fem, es decir, la tasa de cambio de energía de la corriente, viene dada por:

dWdt=−miI{\displaystyle {\frac {dW}{dt}}=-{\mathcal {E}}I}

A partir de la ecuación constitutiva para el inductor,−mi=LdIdt{\displaystyle -{\mathcal {E}}=L{\frac {dI}{dt}}}entonces

dWdt=LdIdt⋅I=LI⋅dIdt{\displaystyle {\frac {dW}{dt}}=L{\frac {dI}{dt}}\cdot I=LI\cdot {\frac {dI}{dt}}}
dW=LI⋅dI{\displaystyle dW=LI\cdot dI}

En un inductor con núcleo ferromagnético, cuando el campo magnético se aproxima al nivel en el que el núcleo se satura, la inductancia comenzará a cambiar, y será una función de la corriente.L(I){\displaystyle L(I)}. Despreciando las pérdidas, la energíaW{\displaystyle W}almacenada por un inductor con una corrienteI0{\displaystyle I_{0}}El paso a través de él es igual a la cantidad de trabajo necesaria para establecer la corriente a través del inductor:

W=∫0I0Ld(I)IdI,{\displaystyle W=\int _ {0}^{I_ {0}}L_ {d}(I)\,I\,dI\,,}

dóndeLd(I){\displaystyle L_{d}(I)}es la llamada "inductancia diferencial":Ld=dΦBdI.{\displaystyle L_{d}={\frac {d\Phi _{\mathbf {B} }}{dI}}\,.}

En un inductor de núcleo de aire o un inductor de núcleo ferromagnético por debajo de la saturación, la inductancia es constante (e igual a la inductancia diferencial), por lo que la energía almacenada es

W=L∫0I0IdI{\displaystyle W=L\int _ {0}^{I_ {0}}I\,dI}

W=12LI02{\displaystyle \;W={\frac {1}{2}}L{I_{0}}^{2}\;}

Para inductores con núcleos magnéticos, la ecuación anterior solo es válida para regiones lineales del flujo magnético, en corrientes por debajo del nivel de saturación del inductor, donde la inductancia es aproximadamente constante. Cuando este no es el caso, debe utilizarse la forma integral conLd{\displaystyle L_{d}}variable.

respuesta escalón de voltaje

Cuando se aplica un escalón de voltaje a un inductor:

  • En el límite de tiempo corto, dado que la corriente no puede cambiar instantáneamente, la corriente inicial es cero. El circuito equivalente de un inductor inmediatamente después de que se aplica el escalón es un circuito abierto .
  • Con el paso del tiempo, la corriente aumenta a un ritmo constante hasta que el inductor comienza a saturarse.
  • En el límite de tiempo prolongado, la respuesta transitoria del inductor se extingue, el flujo magnético a través del inductor se vuelve constante, por lo que no se induce voltaje entre sus terminales. Por lo tanto, suponiendo que la resistencia de los devanados es despreciable, el circuito equivalente de un inductor mucho tiempo después de aplicar el escalón es un cortocircuito .

Inductores ideales y reales

La ecuación constitutiva describe el comportamiento de un inductor ideal con inductanciaL{\displaystyle L}y sin resistencia , capacitancia ni disipación de energía. Los inductores reales tienen una resistencia medible debido a la resistencia del cable y otras pérdidas de energía, y capacitancia parásita entre las espiras del cable. [ 11 ] [ 12 ]

La reactancia capacitiva aumenta con la frecuencia, mientras que la reactancia inductiva disminuye. A cierta frecuencia, el inductor se comporta como un circuito resonante . Por encima de esta frecuencia de autorresonancia , la reactancia capacitiva constituye la parte dominante de la impedancia del inductor. A frecuencias más altas, las pérdidas resistivas en los devanados aumentan debido al efecto pelicular y al efecto de proximidad .

Los inductores con núcleo ferromagnético experimentan pérdidas de energía adicionales debido a la histéresis y las corrientes parásitas en el núcleo, que aumentan con la frecuencia. A altas corrientes, los inductores con núcleo magnético también muestran una desviación repentina del comportamiento ideal debido a la no linealidad causada por la saturación magnética del núcleo.

Los inductores irradian energía electromagnética al espacio circundante y pueden absorber emisiones electromagnéticas de otros circuitos, lo que puede provocar interferencias electromagnéticas .

Un antiguo dispositivo de conmutación y amplificación eléctrica de estado sólido, denominado reactor saturable, aprovecha la saturación del núcleo como medio para detener la transferencia inductiva de corriente a través del mismo.

factor Q

La resistencia del bobinado aparece como una resistencia en serie con el inductor; se denomina DCR (resistencia de CC). Esta resistencia disipa parte de la energía reactiva. El factor de calidad (o Q ) de un inductor es la relación entre su reactancia inductiva y su resistencia a una frecuencia determinada, y es una medida de su eficiencia. Cuanto mayor sea el factor Q del inductor, más se aproximará al comportamiento de un inductor ideal. Los inductores de alto Q se utilizan con condensadores para crear circuitos resonantes en transmisores y receptores de radio. Cuanto mayor sea el factor Q, menor será el ancho de banda del circuito resonante.

El factor Q de un inductor se define como

Q=ωLR{\displaystyle Q={\frac {\omega L}{R}}}
  • dóndeL{\displaystyle L}es la inductancia,R{\displaystyle R}es la resistencia de CC y el producto ωL{\displaystyle \omega L}es la reactancia inductiva

Q aumenta linealmente con la frecuencia si L y R son constantes. Aunque son constantes a bajas frecuencias, los parámetros varían con la frecuencia. Por ejemplo, el efecto pelicular, el efecto de proximidad y las pérdidas en el núcleo aumentan R con la frecuencia; la capacitancia del devanado y las variaciones en la permeabilidad con la frecuencia afectan a L.

A bajas frecuencias y dentro de ciertos límites, aumentar el número de espiras N mejora Q porque L varía como N² mientras que R varía linealmente con N. De manera similar , aumentar el radio r de un inductor mejora (o aumenta) Q porque L varía con r² mientras que R varía linealmente con r . Por lo tanto, los inductores de núcleo de aire de alto Q suelen tener diámetros grandes y muchas espiras. Ambos ejemplos suponen que el diámetro del hilo permanece constante, por lo que ambos ejemplos utilizan proporcionalmente más hilo. Si la masa total del hilo se mantiene constante, no habría ninguna ventaja en aumentar el número de espiras o el radio de las espiras porque el hilo tendría que ser proporcionalmente más delgado.

El uso de un núcleo ferromagnético de alta permeabilidad puede aumentar considerablemente la inductancia para la misma cantidad de cobre, por lo que el núcleo también puede aumentar el factor Q. Sin embargo, los núcleos también introducen pérdidas que aumentan con la frecuencia. El material del núcleo se elige para obtener los mejores resultados en la banda de frecuencia. Los inductores de alto factor Q deben evitar la saturación; una forma de lograrlo es utilizando un inductor con núcleo de aire (de mayor tamaño físico). A frecuencias VHF o superiores, es probable que se utilice un núcleo de aire. Un inductor con núcleo de aire bien diseñado puede tener un factor Q de varios cientos.

Aplicaciones

Ejemplo de filtrado de señal. En esta configuración, el inductor bloquea la corriente alterna (CA), permitiendo el paso de la corriente continua (CC).
Ejemplo de filtrado de señal. En esta configuración, el inductor desacopla la corriente continua (CC), al tiempo que permite el paso de la corriente alterna (CA).

Los inductores se utilizan ampliamente en circuitos analógicos y procesamiento de señales. Sus aplicaciones van desde el uso de grandes inductores en fuentes de alimentación, que junto con condensadores de filtro eliminan la ondulación (que es un múltiplo de la frecuencia de la red eléctrica o de la frecuencia de conmutación en el caso de fuentes de alimentación conmutadas) de la salida de corriente continua, hasta la pequeña inductancia de la perla o el toroide de ferrita instalados alrededor de un cable para evitar que se transmitan interferencias de radiofrecuencia a través del mismo.

Los inductores se utilizan como dispositivos de almacenamiento de energía en muchas fuentes de alimentación conmutadas para generar corriente continua. El inductor suministra energía al circuito para mantener el flujo de corriente durante los periodos de conmutación en los que el voltaje de salida es superior al de entrada.

Un circuito sintonizado , compuesto por un inductor conectado a un condensador , actúa como resonador para la oscilación de la corriente. Los circuitos sintonizados se utilizan ampliamente en equipos de radiofrecuencia , como transmisores y receptores, como filtros de paso de banda estrecha para seleccionar una única frecuencia de una señal compuesta, y en osciladores electrónicos para generar señales sinusoidales.

Dos (o más) inductores próximos que tienen un flujo magnético acoplado ( inductancia mutua ) forman un transformador , que es un componente fundamental de toda red eléctrica . La eficiencia de un transformador puede disminuir a medida que aumenta la frecuencia debido a las corrientes parásitas en el material del núcleo y el efecto piel en los devanados. El tamaño del núcleo se puede reducir a frecuencias más altas. Por esta razón, las aeronaves usan corriente alterna de 400 hercios en lugar de los habituales 50 o 60 hercios, lo que permite un gran ahorro de peso gracias al uso de transformadores más pequeños. [ 13 ] Los transformadores permiten fuentes de alimentación conmutadas que aíslan galvánicamente la salida de la entrada.

Los inductores también se emplean en sistemas de transmisión eléctrica , donde se utilizan para limitar las corrientes de conmutación y las corrientes de falla . En este ámbito, se les suele denominar reactores.

Los inductores presentan efectos parásitos que provocan que se desvíen de su comportamiento ideal. Generan y sufren interferencias electromagnéticas (EMI). Su tamaño físico impide su integración en chips semiconductores. Por ello, el uso de inductores está disminuyendo en los dispositivos electrónicos modernos, especialmente en los dispositivos portátiles compactos. Los inductores reales están siendo reemplazados cada vez más por circuitos activos como el girador , que puede sintetizar inductancia mediante condensadores.

Construcción de inductores

Un inductor con núcleo de ferrita y dos  bobinados de 20 mH.
Un filtro de ferrita en forma de "perla" , que consiste en un cilindro de ferrita que rodea el cable de alimentación de un ordenador, suprime el ruido electrónico.
Inductor de carga trifásico de núcleo de hierro de gran tamaño (50 Mvar) en una subestación eléctrica.

Un inductor generalmente consta de una bobina de material conductor, típicamente alambre de cobre aislado , enrollada alrededor de un núcleo de plástico (para crear un inductor de núcleo de aire) o de un material ferromagnético (o ferrimagnético ); este último se denomina inductor de "núcleo de hierro". La alta permeabilidad del núcleo ferromagnético aumenta el campo magnético y lo confina al inductor, incrementando así la inductancia. Los inductores de baja frecuencia se construyen como transformadores, con núcleos de acero eléctrico laminado para evitar corrientes parásitas . Las ferritas "blandas" se utilizan ampliamente para núcleos por encima de las frecuencias de audio , ya que no provocan las grandes pérdidas de energía a altas frecuencias que sí producen las aleaciones de hierro comunes. Los inductores se presentan en diversas formas. Algunos inductores tienen un núcleo ajustable, lo que permite modificar la inductancia. Los inductores utilizados para bloquear frecuencias muy altas a veces se fabrican ensartando una perla de ferrita en un alambre.

Los inductores pequeños se pueden grabar directamente en una placa de circuito impreso mediante la disposición de las pistas en espiral . Algunos de estos inductores planares utilizan un núcleo plano . Los inductores de bajo valor también se pueden construir en circuitos integrados utilizando los mismos procesos que se emplean para fabricar interconexiones . Normalmente se utiliza una interconexión de aluminio , dispuesta en forma de bobina espiral. Sin embargo, las pequeñas dimensiones limitan la inductancia, y es mucho más común utilizar un circuito llamado girador , que emplea un condensador y componentes activos para comportarse de forma similar a un inductor. Independientemente del diseño, debido a las bajas inductancias y la baja disipación de potencia que permiten los inductores integrados en el chip, actualmente solo se utilizan comercialmente para circuitos de RF de alta frecuencia.

Inductores blindados

Los inductores utilizados en sistemas de regulación de potencia, iluminación y otros sistemas que requieren condiciones de funcionamiento con bajo nivel de ruido, suelen estar parcial o totalmente blindados. [ 14 ] [ 15 ] En circuitos de telecomunicaciones que emplean bobinas de inducción y transformadores repetidores, el blindaje de los inductores cercanos reduce la diafonía del circuito.

Tipos

Inductor con núcleo de aire

Bobina de tanque de alto factor Q en el circuito sintonizado de un transmisor de radio.
Una bobina de sintonización de antena en una estación de radio AM.
Estas bobinas ilustran una construcción de alta potencia y alto factor Q : bobinado de una sola capa con espiras espaciadas para reducir las pérdidas por efecto de proximidad , fabricadas con alambre o tubo plateado para reducir las pérdidas por efecto pelicular , y soportadas por estrechas tiras aislantes para reducir las pérdidas dieléctricas.

El término bobina de núcleo de aire describe un inductor que no utiliza un núcleo magnético de material ferromagnético. Se refiere a bobinas enrolladas sobre soportes de plástico, cerámica u otros materiales no magnéticos, así como a aquellas que solo contienen aire en su interior. Las bobinas de núcleo de aire tienen una inductancia menor que las de núcleo ferromagnético, pero se utilizan con frecuencia a altas frecuencias debido a que no presentan las pérdidas de energía denominadas pérdidas en el núcleo , que sí se producen en los núcleos ferromagnéticos y que aumentan con la frecuencia. Un efecto secundario que puede ocurrir en las bobinas de núcleo de aire, cuyo devanado no está rígidamente soportado sobre un soporte, es la microfonía: la vibración mecánica del devanado puede provocar variaciones en la inductancia.

Inductor de radiofrecuencia

Colección de inductores de RF, que muestran técnicas para reducir las pérdidas. Los tres de arriba a la izquierda y la antena de varilla o bucle de ferrita , [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] abajo, tienen bobinados de cesta.

A altas frecuencias , especialmente en radiofrecuencias (RF), los inductores presentan mayor resistencia y otras pérdidas. Además de provocar pérdidas de potencia, en circuitos resonantes esto puede reducir el factor Q del circuito, ampliando el ancho de banda . En los inductores de RF se utilizan técnicas de construcción especializadas para minimizar estas pérdidas. Dichas pérdidas se deben a los siguientes efectos:

  • Efecto piel : La resistencia de un cable a la corriente de alta frecuencia es mayor que su resistencia a la corriente continua debido al efecto piel . [ 20 ] [ 21 ] : p.141 Debido a las corrientes parásitas inducidas , la corriente alterna de radiofrecuencia no penetra profundamente en el cuerpo de un conductor, sino que viaja a lo largo de su superficie. Por ejemplo, a 6  MHz la profundidad de penetración del cable de cobre es de aproximadamente 0,001 pulgadas (25  μm); la mayor parte de la corriente se encuentra dentro de esta profundidad de la superficie. Por lo tanto, en un cable sólido, la porción interior del cable puede transportar poca corriente, aumentando efectivamente su resistencia.
  • Efecto de proximidad : Otro efecto similar que también aumenta la resistencia del cable a altas frecuencias es el efecto de proximidad , que ocurre en cables paralelos que se encuentran cerca uno del otro. [ 22 ] [ 21 ] : p.98 El campo magnético individual de las espiras adyacentes induce corrientes parásitas en el cable de la bobina, lo que hace que la densidad de corriente en el conductor se desplace lejos de las superficies adyacentes. Al igual que el efecto piel, esto reduce el área de sección transversal efectiva del cable conductor de corriente, aumentando su resistencia.
  • Pérdidas dieléctricas : El campo eléctrico de alta frecuencia cerca de los conductores en una bobina de tanque puede provocar el movimiento de moléculas polares en los materiales aislantes cercanos, disipando energía en forma de calor. Por esta razón, las bobinas utilizadas en circuitos sintonizados pueden suspenderse en el aire, sostenidas por tiras estrechas de plástico o cerámica, en lugar de enrollarse sobre soportes.
  • Capacitancia parásita : La capacitancia entre las espiras individuales de la bobina, denominada capacitancia parásita , no provoca pérdidas de energía, pero puede alterar su comportamiento. Cada espira se encuentra a un potencial ligeramente diferente, por lo que el campo eléctrico entre espiras adyacentes almacena carga en el cable, haciendo que la bobina actúe como si tuviera un condensador en paralelo. A una frecuencia suficientemente alta, esta capacitancia puede resonar con la inductancia de la bobina, formando un circuito sintonizado y provocando que la bobina entre en autorresonancia .
(izquierda) Bobina de telaraña (derecha) Bobina de RF ajustable con núcleo de ferrita, bobinado en forma de cesta y cable Litz

Para reducir la capacitancia parásita y el efecto de proximidad, las bobinas de RF de alto factor Q se construyen evitando que muchas espiras estén muy juntas y paralelas entre sí. Los devanados de las bobinas de RF suelen limitarse a una sola capa, y las espiras están espaciadas. Para reducir la resistencia debida al efecto piel, en inductores de alta potencia, como los que se utilizan en transmisores, los devanados a veces se fabrican con una tira o tubo metálico de mayor superficie, la cual está recubierta de plata.

Bobinas con forma de cesta
Para reducir el efecto de proximidad y la capacitancia parásita, las bobinas de RF multicapa se enrollan siguiendo patrones en los que las vueltas sucesivas no son paralelas, sino que se entrecruzan en ángulo; a menudo se las denomina bobinas de panal o de cesta . En ocasiones, se enrollan sobre soportes aislantes verticales con pasadores o ranuras, de modo que el cable entra y sale a través de estas.
espirales de telaraña
Otra técnica de construcción con ventajas similares son las bobinas espirales planas. Estas suelen enrollarse sobre un soporte plano aislante con radios o ranuras radiales, donde el alambre se entrelaza; se denominan bobinas de telaraña . La forma tiene un número impar de ranuras, por lo que las vueltas sucesivas de la espiral se sitúan en lados opuestos, aumentando así la separación.
Cable Litz
Para reducir las pérdidas por efecto pelicular, algunas bobinas se enrollan con un tipo especial de cable de radiofrecuencia llamado cable Litz . En lugar de un único conductor sólido, el cable Litz consta de varios hilos conductores más pequeños que transportan la corriente. A diferencia del cable trenzado común , los hilos están aislados entre sí para evitar que el efecto pelicular fuerce la corriente hacia la superficie, y están trenzados o entrelazados. El patrón de trenzado garantiza que cada hilo conductor ocupe la misma longitud en la parte exterior del haz de cables, de modo que el efecto pelicular distribuye la corriente de manera uniforme entre los hilos, lo que resulta en una sección transversal de conducción mayor que la de un solo cable equivalente.
Inductor axial

Los inductores pequeños para bajas corrientes y bajas potencias se fabrican en encapsulados similares a los de las resistencias. Pueden tener un núcleo simple (fenólico) o un núcleo de ferrita. Un ohmímetro permite distinguirlos fácilmente de las resistencias de tamaño similar, ya que muestra la baja resistencia del inductor.

Inductor con núcleo ferromagnético

Diversos tipos de inductores y transformadores con núcleo de ferrita.

Los inductores con núcleo ferromagnético o de hierro utilizan un núcleo magnético fabricado con un material ferromagnético o ferrimagnético , como hierro o ferrita, para aumentar la inductancia. Un núcleo magnético puede incrementar la inductancia de una bobina en varios miles de veces, al aumentar el campo magnético debido a su mayor permeabilidad magnética . Sin embargo, las propiedades magnéticas del material del núcleo provocan diversos efectos secundarios que alteran el comportamiento del inductor y requieren una construcción especial.

Pérdidas principales
Una corriente variable en el tiempo en un inductor ferromagnético, que causa un campo magnético variable en el tiempo en su núcleo, provoca pérdidas de energía en el material del núcleo que se disipan en forma de calor, debido a dos procesos:
corrientes de Foucault
Según la ley de inducción de Faraday , un campo magnético variable puede inducir la circulación de corrientes eléctricas en el núcleo metálico conductor. La energía de estas corrientes se disipa en forma de calor debido a la resistencia del material del núcleo. La cantidad de energía perdida aumenta con el área dentro de la corriente.
Histéresis
Al modificar o invertir el campo magnético en el núcleo, también se producen pérdidas debido al movimiento de los diminutos dominios magnéticos que lo componen. La pérdida de energía es proporcional al área del bucle de histéresis en la gráfica BH del material del núcleo. Los materiales con baja coercitividad presentan bucles de histéresis estrechos y, por lo tanto, bajas pérdidas por histéresis.
La pérdida en el núcleo es no lineal con respecto a la frecuencia de fluctuación magnética y la densidad de flujo magnético. La frecuencia de fluctuación magnética es la frecuencia de la corriente alterna en el circuito eléctrico; la densidad de flujo magnético corresponde a la corriente en el circuito eléctrico. La fluctuación magnética genera histéresis, y la densidad de flujo magnético provoca corrientes parásitas en el núcleo. Estas no linealidades se distinguen de la no linealidad umbral de saturación. La pérdida en el núcleo se puede modelar aproximadamente con la ecuación de Steinmetz . A bajas frecuencias y en rangos de frecuencia limitados (quizás un factor de 10), la pérdida en el núcleo se puede tratar como una función lineal de la frecuencia con un error mínimo. Sin embargo, incluso en el rango de audio, los efectos no lineales de los inductores de núcleo magnético son perceptibles y preocupantes.
Saturación
Si la corriente que atraviesa una bobina de núcleo magnético es lo suficientemente alta como para que el núcleo se sature , la inductancia disminuirá y la corriente aumentará drásticamente. Este es un fenómeno de umbral no lineal que produce distorsión de la señal. Por ejemplo, las señales de audio pueden sufrir distorsión por intermodulación en inductores saturados. Para evitar esto, en circuitos lineales la corriente que atraviesa los inductores de núcleo de hierro debe limitarse por debajo del nivel de saturación. Algunos núcleos laminados tienen un entrehierro estrecho para este propósito, y los núcleos de hierro en polvo tienen un entrehierro distribuido. Esto permite mayores niveles de flujo magnético y, por lo tanto, mayores corrientes a través del inductor antes de que se sature. [ 23 ]
desmagnetización del punto de Curie
Si la temperatura de un núcleo ferromagnético o ferrimagnético alcanza un nivel determinado, los dominios magnéticos se disocian y el material se vuelve paramagnético, incapaz de soportar el flujo magnético. La inductancia disminuye y la corriente aumenta drásticamente, de forma similar a lo que ocurre durante la saturación. El efecto es reversible: cuando la temperatura desciende por debajo del punto de Curie, el flujo magnético resultante de la corriente en el circuito eléctrico realineará los dominios magnéticos del núcleo y se restablecerá su flujo magnético. El punto de Curie de los materiales ferromagnéticos (aleaciones de hierro) es bastante alto; el hierro alcanza su valor máximo a 770  °C. Sin embargo, para algunos materiales ferrimagnéticos (compuestos cerámicos de hierro – ferritas ), el punto de Curie puede estar cerca de la temperatura ambiente (por debajo de 100  °C).

Inductor de núcleo laminado

Inductor de balasto con núcleo de hierro laminado para lámpara de halogenuros metálicos

Los inductores de baja frecuencia suelen fabricarse con núcleos laminados para evitar corrientes parásitas, utilizando una construcción similar a la de los transformadores . El núcleo está formado por capas de láminas delgadas de acero, orientadas paralelamente al campo, con un recubrimiento aislante en la superficie. Este aislamiento evita las corrientes parásitas entre las láminas, de modo que cualquier corriente restante debe estar dentro del área de la sección transversal de cada lámina, reduciendo así el área del circuito y, por consiguiente, minimizando considerablemente las pérdidas de energía. Las láminas están fabricadas con acero al silicio de baja conductividad para reducir aún más las pérdidas por corrientes parásitas.

Inductor con núcleo de ferrita

Para frecuencias más altas, los inductores se fabrican con núcleos de ferrita. La ferrita es un material cerámico ferrimagnético no conductor, por lo que las corrientes parásitas no pueden circular en su interior. Su fórmula es xxFe₂O₄, donde xx representa diversos metales. Para los núcleos de los inductores se utilizan ferritas blandas , que tienen baja coercitividad y, por lo tanto , bajas pérdidas por histéresis.

Inductor con núcleo de hierro en polvo

Otro material es el hierro en polvo cementado con un aglutinante. Los equipos de frecuencia media utilizan casi exclusivamente núcleos de hierro en polvo, y los inductores y transformadores construidos para las ondas cortas más bajas se fabrican con hierro en polvo cementado o ferritas .

Inductor de núcleo toroidal

Inductor toroidal en la fuente de alimentación de un enrutador inalámbrico

En un inductor enrollado sobre un núcleo recto en forma de varilla, las líneas de campo magnético que emergen de un extremo del núcleo deben atravesar el aire para volver a entrar en él por el otro extremo. Esto reduce el campo, ya que gran parte de su trayectoria se encuentra en el aire en lugar de en el material del núcleo, que tiene mayor permeabilidad, y constituye una fuente de interferencia electromagnética . Se puede lograr un campo magnético e inductancia mayores formando el núcleo en un circuito magnético cerrado . Las líneas de campo magnético forman bucles cerrados dentro del núcleo sin salir del material. La forma más utilizada es un núcleo de ferrita toroidal o en forma de rosquilla. Debido a su simetría, los núcleos toroidales permiten que una mínima cantidad de flujo magnético escape fuera del núcleo (denominado flujo de fuga ), por lo que irradian menos interferencia electromagnética que otras formas. Las bobinas con núcleo toroidal se fabrican con diversos materiales, principalmente ferrita, hierro en polvo y núcleos laminados. [ 24 ]

inductor variable

(izquierda) Inductor con un núcleo de ferrita roscado (visible en la parte superior) que se puede girar para introducirlo o extraerlo de la bobina, de 4,2  cm de altura. (derecha) Variómetro utilizado en receptores de radio en la década de 1920.
Una bobina de rodillos es un inductor de RF con núcleo de aire ajustable que se utiliza en los circuitos sintonizados de los transmisores de radio. Uno de los contactos de la bobina se realiza mediante una pequeña rueda ranurada que se desliza sobre el cable. Al girar el eje, la bobina rota, desplazando la rueda de contacto hacia arriba o hacia abajo, lo que permite que entren más o menos espiras en el circuito y, por lo tanto, se modifique la inductancia.

Probablemente el tipo más común de inductor variable hoy en día es aquel con un núcleo magnético de ferrita móvil, que se puede deslizar o atornillar dentro o fuera de la bobina. Mover el núcleo más adentro de la bobina aumenta la permeabilidad , aumentando el campo magnético y la inductancia. Muchos inductores utilizados en aplicaciones de radio (generalmente por debajo de 100  MHz) utilizan núcleos ajustables para sintonizar dichos inductores a su valor deseado, ya que los procesos de fabricación tienen ciertas tolerancias (imprecisiones). A veces, dichos núcleos para frecuencias superiores a 100  MHz están hechos de un material no magnético altamente conductor, como el aluminio. [ 25 ] Disminuyen la inductancia porque el campo magnético debe rodearlos.

Los inductores de núcleo de aire pueden usar contactos deslizantes o tomas múltiples para aumentar o disminuir el número de espiras en el circuito y, por lo tanto, modificar la inductancia. Un tipo muy utilizado en el pasado, pero prácticamente obsoleto hoy en día, cuenta con un contacto de resorte que se desliza a lo largo de la superficie desnuda de los devanados. La desventaja de este tipo es que el contacto suele cortocircuitar una o más espiras. Estas espiras se comportan como un devanado secundario de transformador de una sola espira cortocircuitado ; las grandes corrientes inducidas en ellas provocan pérdidas de potencia.

Un tipo de inductor de núcleo de aire de variación continua es el variómetro . Este consta de dos bobinas con el mismo número de espiras conectadas en serie, una dentro de la otra. La bobina interior está montada sobre un eje, de modo que su eje puede girar con respecto a la bobina exterior. Cuando los ejes de ambas bobinas son colineales, con los campos magnéticos apuntando en la misma dirección, los campos se suman y la inductancia es máxima. Cuando la bobina interior gira de manera que su eje forma un ángulo con la exterior, la inductancia mutua entre ellas es menor, por lo que la inductancia total es menor. Cuando la bobina interior gira 180°, de modo que las bobinas son colineales con sus campos magnéticos opuestos, los dos campos se cancelan entre sí y la inductancia es muy pequeña. Este tipo tiene la ventaja de ser de variación continua en un amplio rango. Se utiliza en sintonizadores de antena y circuitos de adaptación para acoplar transmisores de baja frecuencia a sus antenas.

Otro método para controlar la inductancia sin partes móviles requiere un devanado de polarización de corriente continua adicional que controla la permeabilidad de un material de núcleo fácilmente saturable. Véase Amplificador magnético .

Ahogo

Un choque de radio MF o HF para décimas de amperio, y un choque de ferrita para VHF para varios amperios.

Un inductor de choque es un dispositivo diseñado específicamente para bloquear la corriente alterna (CA) de alta frecuencia en un circuito eléctrico, permitiendo el paso de señales de corriente continua (CC) o de baja frecuencia. Debido a que el inductor restringe o "atenúa" las variaciones de corriente, este tipo de inductor se denomina inductor de choque. Generalmente consiste en una bobina de alambre aislado enrollada sobre un núcleo magnético, aunque algunos consisten en una "perla" de ferrita en forma de anillo ensartada en un alambre. Al igual que otros inductores, los inductores de choque resisten las variaciones de corriente que los atraviesan, aumentando su resistencia con la frecuencia. La diferencia entre los inductores de choque y otros inductores radica en que los inductores de choque no requieren las técnicas de construcción de alto factor Q que se utilizan para reducir la resistencia en los inductores empleados en circuitos sintonizados.

Análisis de circuitos

El efecto de un inductor en un circuito es oponerse a los cambios de corriente que lo atraviesan, generando una tensión en sus terminales proporcional a la tasa de cambio de la corriente. Un inductor ideal no ofrecería resistencia a una corriente continua constante ; sin embargo, solo los inductores superconductores tienen una resistencia eléctrica verdaderamente nula .

La relación entre la tensión variable en el tiempo v ( t ) a través de un inductor con inductancia L y la corriente variable en el tiempo i ( t ) que pasa a través de él se describe mediante la ecuación diferencial :

v(t)=L  di(t) dt{\displaystyle v(t)=L\ {\frac {~\mathrm {d} \;\!i(t)~}{\mathrm {d} \;\!t}}}

Cuando hay una corriente alterna sinusoidal (CA) a través de un inductor, se induce un voltaje sinusoidal. La amplitud del voltaje es proporcional al producto de la amplitud (IPAG{\displaystyle I_{P}}) de la corriente y la frecuencia angular (ω{\displaystyle \omega }) de la corriente.

i(t) = IPAG pecado⁡(ω t) di(t) dt = IPAG ω porque⁡(ω t)v(t) = L IPAG ω porque⁡(ω t) .{\displaystyle {\begin{aligned}i(t)~&=~I_{\mathsf {P}}\ \sin(\omega \ t)\\{\frac {~\mathrm {d} \;\!i(t)~}{\mathrm {d} \;\!t}}~&=~I_{\mathsf {P}}\ \omega \ \cos(\omega \ t)\\v(t)~&=~L\ I_{\mathsf {P}}\ \omega \ \cos(\omega \ t)~.\end{aligned}}}

En esta situación, la fase de la corriente está desfasada con respecto a la del voltaje en π / 2 ( 90°). Para las funciones sinusoidales, cuando el voltaje a través del inductor alcanza su valor máximo, la corriente tiende a cero, y cuando el voltaje a través del inductor tiende a cero, la corriente que lo atraviesa alcanza su valor máximo.

Si un inductor se conecta a una fuente de corriente continua con valor I a través de una resistencia R (al menos la resistencia de CC del inductor), y luego se cortocircuita la fuente de corriente, la relación diferencial anterior muestra que la corriente a través del inductor se descargará con una disminución exponencial :

i(t)=I mi−RL t{\displaystyle i(t)=I\ e^{-{\tfrac {R}{L}}\ t}}

Resistencia reactiva

La relación entre el voltaje pico y la corriente pico en un inductor energizado desde una fuente de CA se llama reactancia y se denota X L.

incógnitaL= VPAG IPAG= ω L IPAG IPAG{\displaystyle X_{\mathsf {L}}={\frac {\ V_{\mathsf {P}}}{\ I_{\mathsf {P}}}}={\frac {\ \omega \ L\ I_{\mathsf {P}}}{\ I_{\mathsf {P}}}}}

De este modo,

incógnitaL=ω L{\displaystyle X_{\mathsf {L}}=\omega \ L}

donde ω es la frecuencia angular .

La reactancia se mide en ohmios, pero se denomina impedancia en lugar de resistencia. La energía se almacena en el campo magnético cuando la corriente aumenta y se descarga cuando disminuye. La reactancia inductiva es proporcional a la frecuencia. A baja frecuencia, la reactancia disminuye; en corriente continua, el inductor se comporta como un cortocircuito. A medida que aumenta la frecuencia, la reactancia también aumenta, y a una frecuencia suficientemente alta, la reactancia se aproxima a la de un circuito abierto.

Frecuencia de esquina

En aplicaciones de filtrado, con respecto a una impedancia de carga particular, un inductor tiene una frecuencia de corte definida como:

F3 dB=R2π L{\displaystyle f_{\mathsf {3\ dB}}={\frac {R}{2\pi \ L}}}

Análisis de circuitos de Laplace ( dominio s )

Al utilizar la transformada de Laplace en el análisis de circuitos, la impedancia de un inductor ideal sin corriente inicial se representa en el dominio s mediante:

Z(s)=L s {\displaystyle Z(s)=L\ s\ }

dónde

L{\displaystyle L}es la inductancia, y
s{\displaystyle s}es la frecuencia compleja.

Si el inductor tiene corriente inicial, se puede representar mediante:

  • agregando una fuente de voltaje en serie con el inductor, con el valor:
    L I0{\displaystyle L\ I_{0}}

    dónde

    L{\displaystyle L}es la inductancia, y
    I0{\displaystyle I_{0}}es la corriente inicial en el inductor.
    (La fuente debe tener una polaridad alineada con la corriente inicial).
  • o agregando una fuente de corriente en paralelo con el inductor, con el valor:
     I0s{\displaystyle {\frac {\I_{0}}{s}}}

    dónde

    I0{\displaystyle I_{0}}es la corriente inicial en el inductor.
    s{\displaystyle s}es la frecuencia compleja.

Redes de inductores

Los inductores en una configuración en paralelo tienen cada uno la misma diferencia de potencial (voltaje). Para hallar su inductancia equivalente total ( L eqv ):

Diagrama de varios inductores, uno al lado del otro, con ambos terminales de cada uno conectados a los mismos cables.
Lmiqv = (∑i=1norte1 Li)−1 = (1 L1+1 L2+⋯+1 Lnorte)−1 .{\displaystyle L_{\mathsf {eqv}}~=~\left(\sum _{i=1}^{n}{\frac {1}{\ L_{i}}}\right)^{-1}~=~\left({\frac {1}{\ L_{1}}}+{\frac {1}{\ L_{2}}}+\dots +{\frac {1}{\ L_{n}}}\right)^{-1}~.}

La corriente que circula por los inductores en serie permanece constante, pero la tensión en cada inductor puede ser diferente. La suma de las diferencias de potencial (tensión) es igual a la tensión total. Para hallar su inductancia total:

Diagrama de varios inductores conectados extremo con extremo, con la misma cantidad de corriente pasando a través de cada uno.
Lmiqv = ∑i=1norteLi ≡ L1+L2+⋯+Lnorte .{\displaystyle L_{\mathsf {eqv}}~=~\sum _{i=1}^{n}L_{i}~\equiv ~L_{1}+L_{2}+\cdots +L_{n}~.}

Estas relaciones simples solo son válidas cuando no existe acoplamiento mutuo de campos magnéticos entre inductores individuales.

Inductancia mutua

La inductancia mutua se produce cuando el campo magnético de un inductor induce un campo magnético en un inductor adyacente. La inducción mutua es la base de la construcción de transformadores.

METRO= L1 L2 {\displaystyle M={\sqrt {\ L_{1}\ L_{2}~}}}

donde M, como se muestra, es la inductancia mutua máxima posible entre 2  inductores y L 1 y L 2 son los dos inductores. Sin embargo, en general

METRO≤ L1 L2 {\displaystyle M\leq {\sqrt {\ L_{1}\ L_{2}~}}}

ya que solo una fracción del flujo propio está enlazada con el otro. Esta fracción se llama "coeficiente de enlace de flujo" ( K {\displaystyle \ K\ }) o "coeficiente de acoplamiento" (con 0≤K≤1 {\displaystyle \ 0\leq K\leq 1\ }).

METRO=K  L1 L2 {\displaystyle M=K\ {\sqrt {\ L_{1}\ L_{2}~}}}

Fórmulas de inductancia

La tabla que aparece a continuación enumera algunas fórmulas simplificadas comunes para calcular la inductancia aproximada de varias construcciones de inductores.

Véase también

Notas

  1. ↑ El coeficiente de Nagaoka ( K ) es aproximadamente 1 para una bobina que es mucho más larga que su diámetro y está enrollada firmemente usando alambre de calibre pequeño (de modo que se aproxime a una lámina de corriente).

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Fuente