En el tutorial anterior, discutimos el magnetismo, el electromagnetismo y la inductancia. La inductancia puede ser útil en circuitos. Los componentes electrónicos diseñados para proporcionar inductancia en un circuito se denominan inductores.
Inductores
La mayoría de los materiales conductores (metales) son paramagnéticos o ferromagnéticos, mientras que la mayoría de los materiales no conductores (no metales) son diamagnéticos. Cualquier conductor muestra cierta inductancia en respuesta al cambio en magnitud o dirección de la corriente. Incluso un cable recto simple tiene cierta inductancia, aunque es lo suficientemente pequeña como para ignorarla en un circuito. Si el mismo cable se enrolla en un bucle, su inductancia aumenta. Cuanto mayor sea el número de vueltas para la misma longitud de cable, mayor será la inductancia que mostrará. La inductancia de un bucle o bobina de cable se puede multiplicar muchas veces utilizando un núcleo ferromagnético adecuado.
Los inductores más simples son las bobinas con núcleo de aire. Se construyen enrollando una bobina de alambre alrededor de plástico, madera o cualquier núcleo no ferromagnético. La inductancia de una bobina depende del número de vueltas, el radio de la bobina y la forma general de la bobina. La inductancia es proporcional al número de vueltas y también al diámetro de la bobina. Es inversamente proporcional a la longitud del alambre para un diámetro y número de vueltas de bobina determinados. Por tanto, cuanto más cercanas estén las espiras, mayor será la inductancia. La capacidad de carga actual del inductor depende del material y del grosor del cable. Las pérdidas operativas (en forma de calor) de un inductor dependen en gran medida del material utilizado como núcleo del inductor.
Ejemplo de un inductor con núcleo de aire (Imagen: Wurth Electronics)
Las bobinas con núcleo de aire ofrecen pequeñas inductancias que pueden alcanzar un máximo de 1 mH. Las bobinas con núcleo de aire se pueden diseñar para tener una capacidad de carga de corriente ilimitada utilizando alambre grueso en un radio grande. Estos inductores casi no tienen pérdidas ya que el aire no disipa mucha energía en forma de calor. Cuanto mayor sea la frecuencia de la corriente alterna, menor será la inductancia necesaria para producir efectos significativos. Por lo tanto, los inductores de núcleo de aire son muy adecuados para circuitos de CA de alta frecuencia debido a su funcionamiento sin pérdidas, su alta capacidad de corriente y sus suficientes valores de inductancia.
Al utilizar núcleos de hierro o ferrita, la inductancia se puede aumentar significativamente. Sin embargo, el núcleo de hierro en polvo o de ferrita también presenta una importante pérdida de energía eléctrica en forma de calor. El uso de núcleos ferromagnéticos también limita la capacidad de transporte de corriente del inductor. En los núcleos ferromagnéticos, la inductancia se satura en un valor de corriente crítico. Al aumentar la corriente más allá del valor crítico, la inductancia puede comenzar a disminuir. A corrientes elevadas, los núcleos ferromagnéticos pueden calentarse lo suficiente como para fracturarse y cambiar permanentemente la inductancia nominal del inductor.
Solenoide vs Inductores
A menudo se confunden los solenoides con los inductores. Los solenoides son bobinas de alambre destinadas a ser utilizadas como electroimanes. Muchos inductores también son bobinas de alambre, pero están destinados a proporcionar inductancia en un circuito. Los inductores que utilizan bobinas cilíndricas también se denominan bobinas de solenoide simplemente por su construcción similar a un solenoide. Sin embargo, no están destinados a utilizarse como electroimán en un circuito. Los solenoides se utilizan específicamente como electroimanes y generalmente tienen un núcleo móvil o estático. Normalmente, los solenoides se utilizan como electroimanes en zumbadores eléctricos, motores de CC y relés.
Bobinas de solenoide como inductores.
Los inductores más simples y comunes son las bobinas de solenoide. Estos inductores son bobinas cilíndricas enrolladas alrededor de un núcleo de aire o un núcleo ferromagnético. Estos inductores son más fáciles de construir.
Se puede diseñar fácilmente una bobina solenoide o cilíndrica para variar la inductancia incorporando un mecanismo para deslizarse dentro y fuera del núcleo ferromagnético de la bobina. Moviendo el núcleo dentro y fuera de la bobina, se puede variar la permeabilidad efectiva de la bobina y, por tanto, la inductancia de la bobina. Esto se llama ajuste de permeabilidad. Se utiliza para ajustar frecuencias en circuitos de radio.
El núcleo se puede mover uniéndolo a un eje de tornillo y colocando una tuerca en el otro extremo de la bobina. Cuando se gira el eje del tornillo en el sentido de las agujas del reloj, el núcleo se mueve dentro de la bobina aumentando la permeabilidad efectiva y por tanto la inductancia. Cuando el eje del tornillo se gira en sentido antihorario, el núcleo se mueve hacia afuera, disminuyendo la permeabilidad efectiva y, por tanto, la inductancia.
Toroides como inductores
El toroide es otra forma más común de inductores en la actualidad. Los toroides tienen un núcleo ferromagnético en forma de rosquilla en el que se enrolla la bobina. Los toroides necesitan menos vueltas y son físicamente más pequeños para tener la misma inductancia y capacidad de carga de corriente en comparación con las bobinas de solenoide. Otra gran ventaja de los toroides es que el flujo está contenido dentro del núcleo, lo que evita cualquier inductancia mutua no deseada.
Conductores toroidales de alta corriente. (Imagen: Transformador de Señal, de Grupo Bel)
Sin embargo, es difícil enrollar la bobina en un toroide. Todavía es muy difícil ajustar la permeabilidad de un toroide. El diseño de inductores variables en toroides implica una construcción compleja y complicada. En circuitos donde se desea inductancia mutua, las diferentes bobinas deben enrollarse en el mismo núcleo si se utiliza el toroide como inductor.
Núcleos de olla como inductores.
En los inductores típicos (bobinas solenoidales y toroidales), la bobina está enrollada alrededor del núcleo ferromagnético. El núcleo de olla es otro tipo de inductor en el que el devanado de la bobina reside dentro del núcleo ferromagnético. En el núcleo del recipiente, el núcleo ferromagnético tiene forma de dos mitades. La bobina se enrolla y se enrolla en una de las mitades. Las dos mitades tienen agujeros entre ellas, de los cuales se retira el alambre de la bobina. Todo el conjunto se mantiene unido mediante un perno y una tuerca.
Los núcleos de potenciómetros, como los toroides, ofrecen una gran inductancia y capacidad de carga de corriente en un tamaño pequeño con menos vueltas. El flujo, como en los toroides, permanece contenido dentro del conjunto. Por lo tanto, no existe inductancia mutua no deseada con los núcleos de los potenciómetros. Nuevamente, como ocurre con los toroides, es difícil variar la inductancia en los núcleos del potenciómetro. Sólo es posible variar la inductancia en los núcleos del potenciómetro variando el número de vueltas y utilizando derivaciones en diferentes puntos de la bobina.
Línea de transmisión como inductor.
Los inductores son principalmente útiles en circuitos de CA. Para CC, los inductores se comportan casi como un cable conductor, ofreciendo una resistencia insignificante y nada más. En CA, los inductores encuentran sus aplicaciones reales. Los circuitos de audiofrecuencia suelen utilizar toroides, núcleos potenciómetros o transformadores de audio como inductores. Los circuitos de audio suelen utilizar inductores de valores que van desde unos pocos Milli-Henrys hasta 1 Henry. Se han utilizado inductores junto con condensadores en circuitos de audio para sintonización. Hoy en día, los circuitos integrados activos casi han reemplazado a los inductores y condensadores en circuitos y aplicaciones de audio.
A medida que aumenta la frecuencia se utilizan inductores con núcleos de menor permeabilidad. En el extremo inferior de las frecuencias de radio, se utilizan los mismos inductores que se utilizan en las aplicaciones de audio. En frecuencias de radio de hasta unos pocos MHz, los toroides son bastante comunes. Para frecuencias de radio de 30 a 100 MHz, se prefieren las bobinas con núcleo de aire.
Para frecuencias de radio superiores a 100 MHz, son útiles los inductores de línea de transmisión. Las líneas de transmisión de longitud corta (un cuarto de longitud de onda o menos de la longitud de onda de la señal) se pueden utilizar como inductores para sintonizar señales de radio de alta frecuencia. La línea de transmisión utilizada como inductor es generalmente un cable coaxial.
Inductor en circuito DC
En la práctica, los inductores no son útiles en circuitos de CC, ya que no tienen inductancia para corrientes constantes. Sin embargo, asumir un inductor conectado en un circuito de CC puede resultar útil para comprender su principio de funcionamiento y su comportamiento frente a tensiones CC pulsantes. Supongamos que un inductor puro está conectado a una fuente de voltaje a través de un interruptor. Cuando el interruptor está cerrado, se aplica voltaje al inductor, lo que provoca un cambio rápido en la corriente a través de él. A medida que el voltaje aplicado aumenta de cero a un valor máximo (en poco tiempo), el inductor se opone al flujo de corriente cambiante a través de él, induciendo un voltaje de polaridad opuesta al voltaje aplicado. El voltaje inducido durante la energización del inductor se denomina EMF y viene dado por la siguiente ecuación:
V i = – L*(di/dt)
Dónde,
V i es el voltaje (contraEMF) inducido en el inductor.
L es la inductancia ofrecida por el inductor.
di/dt es la tasa de cambio de la corriente en relación con el tiempo.
Un cambio repentino de corriente a través del inductor produce un voltaje infinito, que no es viable. Por lo tanto, la corriente que pasa por el inductor no puede cambiar abruptamente. La corriente enfrenta el efecto de la inductancia por cada pequeño cambio de magnitud y aumenta lentamente hasta su valor máximo constante. Así, inicialmente, el inductor actúa como un circuito abierto cuando el interruptor está cerrado. La fuerza contraelectromotriz permanece en el inductor hasta que la corriente cambia a través de él. La contraEMF inducida siempre permanece igual y opuesta al aumento del voltaje aplicado. A medida que el voltaje y la corriente de la fuente se acercan a un valor constante, la fuerza electromagnética trasera cae a cero y el inductor actúa como un cortocircuito, como un cable de conexión. Durante la energización, la potencia almacenada por el inductor viene dada por la siguiente ecuación:
P = V * I = L*i*di/dt
Dónde,
P es la energía eléctrica almacenada por el inductor.
V es el voltaje máximo a través del inductor.
I es la corriente máxima a través del inductor.
La energía almacenada por el inductor durante la energización viene dada por la siguiente ecuación:
W = ∫P.dt = ∫L*i*(di/dt)dt = (1/2)LI 2
Dónde,
W es la energía eléctrica almacenada por el inductor en forma de campo magnético.
I es la corriente máxima que lo atraviesa.
Cuando se elimina la fuente de voltaje (al abrir el interruptor), el voltaje a través del inductor cae del valor máximo constante a cero. A diferencia de los condensadores, al retirar la fuente de voltaje, el voltaje en el inductor no se retiene. De hecho, ya cayó a cero cuando la corriente que lo atraviesa se volvió constante. Ahora, a medida que el voltaje aplicado cae del valor pico constante a cero, la corriente a través del inductor también cae del valor pico constante a cero. Ahora, el inductor se opone a la caída de corriente induciendo una FEM directa en la dirección del voltaje aplicado. Debido a la FEM directa inducida, la corriente a través del inductor cae a cero a un ritmo más lento. Una vez que la corriente se reduce a cero, la FEM directa también cae a cero.
Así, durante la energización, la energía eléctrica se convertía en un campo magnético en el inductor, lo que era evidente por la fuerza electromagnética inversa inducida a través de él. Durante la desenergización, el inductor devuelve la misma energía eléctrica al circuito en forma de EMF directa. Siempre que el voltaje a través del inductor aumenta, se produce EMF inverso y siempre que el voltaje a través del inductor disminuye, se produce EMF directo.
En la práctica, la FEM inversa o la FEM directa desarrollada en un inductor es muchas veces mayor que el voltaje aplicado. Si solo se conecta un inductor a una fuente de tensión o se conecta un inductor a un circuito de CC sin ninguna protección, la energía eléctrica devuelta al abrir el interruptor se libera en forma de un pico de tensión o una chispa en el contacto del interruptor. Si la inductancia es grande o la corriente en el circuito es alta, la energía liberada en forma de arco o chispa en el contacto del interruptor puede incluso quemarlo o fundirlo. Esto se puede evitar utilizando una red de resistencias y condensadores (RC) en serie con el contacto del interruptor. Esta red RC se llama Damper Network . Permite que la energía eléctrica liberada por el inductor cargue y descargue el condensador, sin dañar ningún otro componente. En muchos circuitos, los diodos de protección se utilizan para proteger otros componentes del circuito de la parte posterior o dirigir la EMF desde un inductor o solenoide.
Inductor en circuito de CA
Debido a que el inductor se opone a cualquier cambio en la corriente, la corriente CA está atrasada con respecto al voltaje CA a través del inductor en 90°. Inicialmente, cuando se aplica voltaje de una fuente a un inductor, la corriente a través del inductor es máxima y en la dirección opuesta. A medida que se aplica voltaje, la corriente fluye a través del inductor debido a la FEM inducida opuesta al voltaje aplicado. El voltaje inducido en el inductor es siempre igual y opuesto al voltaje aplicado en todo momento. A medida que el voltaje aplicado aumenta de cero al valor máximo, la corriente opuesta a través del inductor cae del máximo a cero.
Cuando el voltaje aplicado cae del valor máximo a cero, se induce una FEM directa a través del inductor, lo que hace que la corriente a través de él aumente desde cero hasta su valor máximo en la dirección opuesta. Cuando la señal aplicada cambia de polaridad y aumenta al valor máximo en la dirección opuesta, nuevamente se induce una FEM inversa en el inductor, lo que hace que la corriente opuesta caiga del valor máximo a cero. A medida que el voltaje aplicado vuelve a cero para invertir la dirección, se induce una FEM directa en el inductor, lo que hace que la corriente aumente nuevamente desde cero hasta su valor máximo en la dirección opuesta. Esto continúa para cada ciclo de la señal de CA.
Reactancia inductiva
La oposición a la corriente debida a la inductancia se indica mediante la reactancia inductiva. La amplitud de la corriente a través del inductor es inversamente proporcional a la frecuencia de la señal de voltaje aplicada. Como el voltaje a través del inductor (EMF posterior o EMF directo) es proporcional a la inductancia, la amplitud de la corriente también es inversamente proporcional a la inductancia. Así, la oposición a la corriente debida a la inductancia en forma de reactancia inductiva viene dada por la siguiente ecuación:
X l = 2πfL
= ωI
En consecuencia, la amplitud máxima de la corriente a través del inductor viene dada por la siguiente ecuación:
Pico UE =V pico /X ue
=V pico /ωL
Dónde,
L pico es el valor máximo de la corriente CA a través del inductor.
Vpico es el valor máximo del voltaje CA aplicado al inductor.
Xi es la reactancia inductiva.
Al igual que la resistencia y la reactancia capacitiva, la unidad de reactancia inductiva también es el ohmio. Cabe señalar que no hay pérdida de energía en un circuito debido a la reactancia capacitiva o inductiva, a diferencia de la resistencia. Sin embargo, la reactancia puede limitar los niveles de corriente a través del capacitor o inductor.
Aplicaciones de inductores
Los inductores se utilizan con circuitos de CA. Se utilizan comúnmente en circuitos analógicos y de procesamiento de señales en telecomunicaciones. También se utilizan junto con condensadores para diseñar circuitos de filtrado. En telecomunicaciones, los inductores también se utilizan para reducir los voltajes del sistema o las corrientes de falla a lo largo de las líneas de transmisión. Al acoplar inductores, se diseñan transformadores que se utilizan para aumentar o disminuir los voltajes de CA. Los inductores también se utilizan para almacenar temporalmente energía eléctrica en circuitos SMPS y UPS. En los circuitos de alimentación, los inductores (donde se les llama bobinas de filtro) se utilizan para suavizar las corrientes pulsantes.
El comportamiento de la señal de un inductor se puede resumir de la siguiente manera:
- Cada vez que aumenta el voltaje aplicado a un inductor, el inductor genera contraEMF, lo que hace que la corriente a través de él caiga de un valor máximo a cero o un nivel inferior. Cada vez que el voltaje aplicado disminuye, el inductor produce EMF directo, lo que hace que la corriente a través de él aumente desde cero o el nivel de corriente hasta un valor máximo o un nivel superior.
- El EMF inverso o el EMF directo permanece a través del inductor hasta que el voltaje aplicado y, por lo tanto, la corriente a través de él cambia. A medida que el voltaje aplicado se satura a un valor constante, la FEM trasera o la FEM directa cae a cero y una corriente constante fluye a través del inductor sin ninguna oposición, como en un cable de conexión.
- Debido a la inductancia, la tasa de cambio de corriente se ralentiza en el circuito. Si la señal es CA, la corriente siempre estará retrasada 90° con respecto al voltaje debido a la inductancia.
- Debido a la reactancia inductiva o capacitiva, no hay pérdida de energía. La energía almacenada por un inductor en forma de campo magnético o por un condensador en forma de campo electrostático regresa al circuito a medida que el voltaje aplicado cae o invierte su dirección. Sin embargo, debido a la reactancia, el nivel máximo de corriente (amplitud de la señal actual) es limitado.
En el próximo artículo, analizaremos varias características no ideales e indicadores clave de rendimiento de los inductores.