Los inductores son componentes simples de dispositivos electrónicos que realizan tareas como limpiar señales eléctricas, ayudar con la sincronización y administrar la energía. Almacenan energía en campos magnéticos cuando la electricidad fluye a través de ellos y la libera nuevamente al circuito. Los inductores resisten cambios repentinos en el flujo de electricidad empujando "picos" creando una fuerza eléctrica (como un pequeño empujón o tirón eléctrico), según una regla llamada Ley de Lenz.
Los inductores se miden en la unidad “Henry” (H), que lleva el nombre de un científico influyente, y esto ejemplifica cuánta energía pueden almacenar. Pero interactúan de manera diferente según la señal, como se muestra en los ejemplos siguientes.
- Para señales eléctricas de CC regulares, los inductores actúan como un atajo, permitiendo que la electricidad fluya fácilmente.
- Para las señales de CA, los inductores son como un obstáculo que dificulta el paso de la electricidad.
Imágenes típicas de inductores.
Hay varios parámetros importantes a considerar al seleccionar un inductor.
- El Factor Q o Factor de Calidad mide la confiabilidad de un inductor al realizar su trabajo en un circuito eléctrico. Evalúa la eficiencia del inductor a una frecuencia específica, evaluando su desempeño. Un factor Q alto significa que el inductor es excelente en su trabajo, asegurando que el circuito funcione con precisión a una frecuencia específica.
- La frecuencia de autorresonancia ( SRF) ocurre cuando un inductor no funciona correctamente. En circuitos de radiofrecuencia (RF), es fundamental elegir un SRF superior a la frecuencia a la que opera el circuito. Esto se debe a que en SRF, tanto la inductancia como el factor Q se vuelven cero. Por lo tanto, el inductor no ayudará al circuito a su frecuencia de autorresonancia. Lo ideal es evitar usarlo a esta frecuencia.
- La corriente de saturación es la cantidad máxima de corriente eléctrica constante que un inductor puede soportar antes de perder efectividad. El núcleo de un inductor sólo puede contener una cierta cantidad de fuerza magnética. Al exceder este límite, el inductor ya no funcionará correctamente. Mientras que la corriente nominal es la cantidad máxima de corriente que se puede enviar de forma segura a través de un inductor sin causar daños, la corriente de saturación es el límite. En este punto, el inductor fallará.
- La resistencia CC (DCR) es como la resistencia natural que se encuentra en el cable inductor. Piense en ello como una pequeña resistencia integrada en el cable inductor. Es esencial tener en cuenta esta resistencia al diseñar convertidores CC-CC porque hace que la energía eléctrica se transforme en calor, provocando una pérdida de energía. Cuanto mayor sea el DCR, menos eficiente será el inductor en la transferencia de energía eléctrica y más calor (potencia) se desperdicia.
- La tolerancia mide cuánto puede desviarse o diferir la "inductancia" de un inductor de la hoja de datos. Cuando hay una tolerancia, significa que es posible que el inductor no funcione exactamente como se esperaba. Esta diferencia puede provocar un cambio involuntario en la frecuencia a la que se espera que funcione el inductor. Esto es particularmente importante para los filtros de RF, que deben ser extremadamente precisos. Por tanto, la tolerancia es crítica porque puede afectar el funcionamiento de un circuito.
¿Qué son los convertidores?
Los convertidores de CC a CC son como transformadores mágicos de electricidad. Pueden cambiar un nivel de energía eléctrica a otro. Los dispositivos electrónicos, como los chips de computadora y los transistores, necesitan cantidades específicas de electricidad para funcionar correctamente. A veces requieren más voltaje y otras menos.
Piense en un convertidor reductor como un reductor de potencia, mientras que un convertidor elevador es como un amplificador de potencia. Los convertidores hacen que los circuitos electrónicos funcionen mejor al utilizar la electricidad de manera más eficiente, reduciendo cualquier brecha de energía y respondiendo a los cambios en la carga eléctrica.
Elegir los componentes ideales en función de los requisitos del circuito es importante para un dispositivo eficaz y eficiente. A menudo, esto significa ajustar el circuito estándar para cumplir con los requisitos específicos de cada componente.
Los principios de funcionamiento de un convertidor DC-DC.
El funcionamiento de un convertidor de CC a CC es sencillo. Cuando se enciende un interruptor, el inductor (que se encuentra en la entrada del circuito) permite que entre energía y la almacena como energía magnética. Cuando se apaga el interruptor, el inductor libera la energía almacenada.
Los principios de funcionamiento de un convertidor DC-DC.
Selección de un inductor para convertidores CC-CC de vehículos
Objetivo: Demostrar cómo elegir un inductor para un convertidor CC-CC en un escenario de la vida real.
El convertidor DC-DC en los vehículos juega un papel importante. Toma energía de alto voltaje de la batería del vehículo y la transforma en energía de bajo voltaje. Esta energía de bajo voltaje opera funciones como las luces del vehículo, los limpiaparabrisas y los controles de las ventanas. Esto se aplica a los coches totalmente eléctricos e híbridos.
Puede ser importante mantener separadas las piezas de alto y bajo voltaje del vehículo, especialmente si se utilizan de forma independiente. El convertidor utilizado puede variar según los requisitos.
- Para aumentar o disminuir el voltaje, se utiliza un convertidor reductor-elevador.
- Si es necesario invertir el voltaje, se utiliza un convertidor de bomba de carga.
Estos convertidores ayudan a que el sistema eléctrico del vehículo funcione sin problemas y de forma segura.
En aplicaciones automotrices, el voltaje eléctrico estándar es de 48 voltios, que debe convertirse o reducirse para diversos fines. Para ilustrar, consideremos el circuito integrado (IC) LM5007, que funciona como un convertidor reductor de CC a CC.
El regulador LM5007 es como una herramienta sencilla que puede cambiar voltajes altos de nueve a 75 voltios a voltajes más bajos. Funciona bien con fuentes de alimentación de 12, 24 o 48 voltios, ya sea que esas fuentes estén bien controladas o sean inestables.
Un esquema de aplicación típico.
Requisitos de diseño : Los parámetros se encuentran a continuación, de los cuales podemos derivar el resto.
Voltaje de entrada = 48V
Voltaje de salida = 12V
Corriente de salida máxima = 500 mA
Frecuencia de conmutación nominal = 380 kHz
Configuremos la frecuencia de conmutación a través de la resistencia RON:
R ON = V salida / 1,42 × 10 -10 F sw
R ENCENDIDO = 12 V / 1,42 × 10 -10 × 380×10 3
R ACERCA DE = 222 kW
Seleccionar FSW = 380 kHz da como resultado RON = 222 kΩ. Elija un valor predeterminado de 200 kΩ para este proyecto.
Para calcular el inductor reductor (L1), la ondulación de corriente del inductor es:
∆I I = (V IN –V OUT )V OUT /I 0 F sw V IN
La corriente de ondulación del inductor de pico a pico ΔIL es 50 % x I OFF (máx.)
I 0 = (V IN –V OUT )V OUT /∆I I F sw V IN
l 0 = 103 µH
i 0 es 103 µH, por lo que podemos seleccionar un valor de inductor predeterminado de 100 µH.
Calculemos el valor de la resistencia en serie R c :
R c = 25mV×V APAGADO / ∆I L(min) ×V REFERENCIA
El valor típico de V REFERENCIA es 2,5 V y ∆I L (mínimo) es 88 mA según la hoja de datos, entonces…
Rc = 1,36Ω
Según el valor calculado de R c es 1,36 Ω, seleccione un valor predeterminado de 1 Ω.
A continuación, seleccionemos el condensador de salida para minimizar la ondulación capacitiva:
C SAL = ∆I I / 8×F SO ×∆V COUT
ΔV COUT es la ondulación de voltaje a través del capacitor que es de 10 mV.
C APAGADO = 7,5 µF
C OUT = 7,5 µF, por lo tanto, seleccione un valor predeterminado de 15 µF para C OUT con dieléctrico X5R o X7R y tensión nominal de 16 V o superior.
Ahora calculemos las resistencias de retroalimentación, RFB1 y RFB2:
VOUT = VFB x (RFB2/RFB1 + 1), y como VFB = 2,5 V (según hoja de datos) en regulación, la relación de RFB2 a RFB1 es 3: 1. Seleccione los valores predeterminados de RFB1 = 1 kΩ y RFB2 = 3,01 kΩ. Se pueden elegir otros valores siempre y cuando se mantenga la relación 3:1.
RFB1 = 1 kΩ
RFB2 = 3,01 kΩ
Nota: Estos cálculos están diseñados específicamente para este IC y se aplican exclusivamente a este convertidor. Se requerirán cálculos separados para otros modelos de convertidor.
Esquema del circuito: selección de un inductor para convertidores CC-CC de vehículos.
Formularios
Energía Renovable: Cuando se utilizan convertidores de CC a CC para sistemas renovables, la energía debe permanecer fluida y sin variaciones bruscas. Los convertidores aseguran que la energía sea estable. También deben ser flexibles y trabajar con diferentes tipos de fuentes de energía, como paneles solares o turbinas eólicas.
Dispositivos médicos: los convertidores aislados de CC a CC son esenciales cuando la seguridad es una preocupación. Ayudan a mantener la potencia de salida separada de la electricidad peligrosa en el lado de entrada.
Sin embargo, dependiendo del dispositivo, a veces se prefieren convertidores no aislados. Esto se aplica a la alimentación de máquinas de rayos X, donde la seguridad se gestiona de manera diferente. Estos convertidores son aceptables cuando no existe riesgo de mezclar electricidad con la potencia de salida.
Iluminación inteligente: A menudo se utilizan dispositivos especiales para controlar la energía de manera eficiente, como los LED. Estos dispositivos deben gestionar el flujo de electricidad, proteger contra el voltaje y permitir un fácil control mediante PWM (modulación de ancho de pulso). También deben tener un diseño sencillo.
Para que esto ocurra, normalmente se utilizan reguladores lineales, bombas de carga y convertidores regulares basados en interruptores. Estos convertidores actúan como controladores de las luces LED, garantizando su funcionamiento y su fácil gestión.
Elegir el convertidor ideal es como utilizar la herramienta adecuada para el trabajo.
Conclusión
Al considerar los inductores utilizados en los convertidores de CC a CC, puede consultar números generales para describir cómo funcionan. Sin embargo, es fundamental tener en cuenta que estos números son como fotografías tomadas en condiciones específicas. Es posible que no muestren la historia completa del desempeño de un inductor en todas las situaciones. Por tanto, es vital tener en cuenta los cambios de comportamiento de cada inductor específico en diferentes situaciones.