No tutorial anterior, discutimos magnetismo, eletromagnetismo e indutância. A indutância pode ser útil em circuitos. Os componentes eletrônicos projetados para oferecer indutância em um circuito são chamados de indutores.
Indutores
A maioria dos materiais condutores (metais) são paramagnéticos ou ferromagnéticos, enquanto a maioria dos materiais não condutores (não metais) são diamagnéticos. Qualquer condutor mostra alguma indutância em resposta à mudança na magnitude ou direção da corrente. Mesmo um simples fio reto apresenta alguma indutância, embora seja pequena o suficiente para ser negligenciada em um circuito. Se o mesmo fio for enrolado em um laço, sua indutância aumentará. Quanto maior o número de voltas para um mesmo comprimento de fio, maior será a indutância por ele mostrada. A indutância de um laço ou bobina de fio pode ser multiplicada muitas vezes usando um núcleo ferromagnético adequado.
Os indutores mais simples são bobinas com núcleo de ar. Eles são construídos enrolando uma bobina de fio em torno de plástico, madeira ou qualquer núcleo não ferromagnético. A indutância de uma bobina depende do número de voltas, do raio da bobina e da forma geral da bobina. A indutância é proporcional ao número de voltas e também ao diâmetro da bobina. É inversamente proporcional ao comprimento do fio para um determinado diâmetro e número de voltas da bobina. Portanto, quanto mais próximas estiverem as espiras, maior será a indutância. A capacidade de condução de corrente do indutor depende do material e da espessura do fio. As perdas operacionais (na forma de calor) de um indutor dependem em grande parte do material usado como núcleo do indutor.
Exemplo de indutor de núcleo de ar (Imagem: Wurth Electronics)
As bobinas de núcleo de ar oferecem pequenas indutâncias que podem atingir no máximo 1 mH. As bobinas de núcleo de ar podem ser projetadas para ter capacidade ilimitada de transporte de corrente usando fio de grande espessura em um raio grande. Esses indutores são quase sem perdas, pois o ar não dissipa muita energia na forma de calor. Quanto maior for a frequência da corrente CA, menor será a indutância necessária para produzir efeitos significativos. Portanto, os indutores com núcleo de ar são bastante adequados para circuitos CA de alta frequência devido à operação sem perdas, alta capacidade de corrente e valores de indutância suficientes.
Ao usar núcleos alimentados de ferro ou ferrite, a indutância pode ser aumentada significativamente. No entanto, o núcleo de ferro ou ferrite em pó também apresenta uma perda significativa de energia elétrica na forma de calor. O uso de núcleos ferromagnéticos também limita a capacidade de condução de corrente do indutor. Com núcleos ferromagnéticos, a indutância está saturada em um valor crítico de corrente. Ao aumentar a corrente além do valor crítico, a indutância pode, em vez disso, começar a diminuir. Em altas correntes, os núcleos ferromagnéticos podem ficar quentes o suficiente para fraturar e alterar permanentemente a indutância nominal do indutor.
Solenóide vs indutores
Os solenóides são frequentemente confundidos com os indutores. Os solenóides são bobinas de fios destinadas a serem usadas como eletroímãs. Muitos indutores também são bobinas de fios, mas têm como objetivo oferecer indutância em um circuito. Os indutores que usam bobinas cilíndricas também são chamados de bobinas solenoidais apenas devido à sua construção semelhante a um solenóide. Porém, eles não se destinam a ser usados como eletroímã em um circuito. Os solenóides são usados especificamente como eletroímãs e geralmente possuem um núcleo móvel ou estático. Normalmente, os solenóides são usados como eletroímãs em campainhas elétricas, motores CC e relés.
Bobinas solenoidais como indutores
Os indutores mais simples e comuns são as bobinas solenoidais. Esses indutores são bobinas cilíndricas enroladas em torno de um núcleo de ar ou núcleo ferromagnético. Esses indutores são mais fáceis de construir.
Uma bobina solenoidal ou cilíndrica pode ser facilmente projetada para variar a indutância, incorporando um mecanismo para deslizar para dentro e para fora do núcleo ferromagnético da bobina. Ao mover o núcleo para dentro e para fora da bobina, a permeabilidade efetiva da bobina pode ser variada e, portanto, a indutância da bobina. Isso é chamado de ajuste de permeabilidade. Isso é usado para ajustar frequências em circuitos de rádio.
O núcleo pode ser movido fixando-o a um eixo de parafuso e fixando uma porca na outra extremidade da bobina. Quando o eixo do parafuso é girado no sentido horário, o núcleo se move dentro da bobina aumentando a permeabilidade efetiva e, portanto, a indutância. Quando o eixo do parafuso é girado no sentido anti-horário, o núcleo se move para fora, diminuindo a permeabilidade efetiva e, portanto, a indutância.
Toróides como indutores
Toroid é outra forma mais comum de indutores atualmente. Os toróides têm um núcleo ferromagnético em forma de rosca no qual a bobina é enrolada. Os toróides precisam de menos voltas e são fisicamente menores para a mesma indutância e capacidade de transporte de corrente em comparação com as bobinas solenoidais. Outra grande vantagem dos toroides é que o fluxo está contido dentro do núcleo, o que evita qualquer indutância mútua indesejada.
Condutores toroidais de alta corrente. (Imagem: Transformador de Sinal, do Grupo Bel)
No entanto, é difícil enrolar a bobina num toróide. É ainda muito difícil ajustar a permeabilidade de um toróide. Projetar indutores variáveis em toróides envolve uma construção complexa e complicada. Nos circuitos onde se deseja indutância mútua, as diferentes bobinas precisam ser enroladas no mesmo núcleo, caso o toróide seja usado como indutor.
Núcleos de pote como indutores
Em indutores típicos – bobinas solenoidais e toróides – a bobina é enrolada em torno do núcleo ferromagnético. O núcleo do pote é outro tipo de indutor no qual o enrolamento da bobina reside dentro do núcleo ferromagnético. No núcleo do pote, o núcleo ferromagnético tem a forma de duas metades. A bobina é enrolada e enrolada em uma das metades. As duas metades possuem orifícios entre elas, de onde é retirado o fio da bobina. Todo o conjunto é mantido unido por um parafuso e uma porca.
Os núcleos do potenciômetro, como os toróides, oferecem grande indutância e capacidade de transporte de corrente em tamanho pequeno com menor número de voltas. O fluxo, como nos toroides, permanece contido na montagem. Portanto, não há indutância mútua indesejada com núcleos de potenciômetros. Novamente, como nos toróides, é difícil variar a indutância nos núcleos dos potenciômetros. Só é possível variar a indutância nos núcleos dos potenciômetros variando o número de voltas e usando derivações em diferentes pontos da bobina.
Linha de transmissão como indutor
Os indutores são úteis principalmente em circuitos CA. Para CC, os indutores se comportam quase como um fio condutor, oferecendo uma resistência desprezível e nada mais. Em CA, os indutores encontram suas aplicações reais. Os circuitos de frequência de áudio geralmente usam toróides, núcleos de pote ou transformadores de áudio como indutores. Os circuitos de áudio normalmente usam indutores de valores que variam de alguns Milli-Henrys a 1 Henry. Os indutores junto com os capacitores têm sido usados em circuitos de áudio para sintonia. Hoje em dia, os ICs ativos quase substituíram indutores e capacitores em circuitos e aplicações de áudio.
À medida que a frequência aumenta, são utilizados indutores com núcleos de menor permeabilidade. Na extremidade inferior das frequências de rádio, são usados os mesmos indutores usados em aplicações de áudio. Em frequências de rádio de até alguns MHz, os toróides são bastante comuns. Para frequências de rádio de 30 a 100 MHz, as bobinas de núcleo de ar são preferidas.
Para frequências de rádio superiores a 100 MHz, os indutores de linha de transmissão são úteis. As linhas de transmissão de comprimento curto (um quarto de comprimento de onda ou menos do comprimento de onda do sinal) podem ser usadas como indutores para sintonizar sinais de rádio de alta frequência. A linha de transmissão usada como indutor é geralmente um cabo coaxial.
Indutor no circuito DC
Praticamente, os indutores não são úteis em circuitos CC, pois não apresentam indutância para correntes constantes. No entanto, assumir um indutor conectado em um circuito CC pode ser útil para entender seu princípio de funcionamento e seu comportamento diante de tensões CC pulsantes. Suponha que um indutor puro esteja conectado a uma fonte de tensão por meio de uma chave. Quando a chave é fechada, a tensão é aplicada ao indutor, causando uma rápida mudança na corrente através dele. À medida que a tensão aplicada aumenta de zero até um valor de pico (em um curto espaço de tempo), o indutor se opõe ao fluxo de mudança de corrente através dele, induzindo uma tensão de polaridade oposta à tensão aplicada. A tensão induzida durante a energização do indutor é chamada de back EMF e é dada pela seguinte equação –
Veu = – L*(di/dt)
Onde,
Veu é a tensão (back EMF) induzida no indutor.
L é a indutância oferecida pelo indutor.
di/dt é a taxa de variação da corrente em relação ao tempo.
Uma mudança repentina na corrente através do indutor produz uma tensão infinita, o que não é viável. Portanto, a corrente através do indutor não pode mudar abruptamente. A corrente enfrenta o efeito da indutância para cada pequena mudança na magnitude e sobe lentamente até seu valor constante de pico. Assim, inicialmente, o indutor atua como circuito aberto quando a chave é fechada. O EMF traseiro permanece no indutor até que a corrente mude através dele. O contra-EMF induzido sempre permanece igual e oposto ao aumento da tensão aplicada. À medida que a tensão e a corrente da fonte se aproximam de um valor constante, o EMF traseiro cai para zero e o indutor atua como um curto-circuito, como um fio de conexão. Durante a energização, a potência armazenada pelo indutor é dada pela seguinte equação –
P = V * I = L*i*di/dt
Onde,
P é a energia elétrica armazenada pelo indutor.
V é a tensão de pico no indutor.
I é a corrente de pico através do indutor.
A energia armazenada pelo indutor durante a energização é dada pela seguinte equação –
W = ∫P.dt = ∫L*i*(di/dt)dt = (1/2)LI2
Onde,
W é a energia elétrica armazenada pelo indutor na forma de campo magnético.
I é a corrente máxima que passa por ele.
Quando a fonte de tensão é removida (abrindo a chave), a tensão no indutor cai do valor constante de pico para zero. Ao contrário dos capacitores, ao remover a fonte de tensão, a tensão no indutor não é retida. Na verdade, já caiu para zero quando a corrente através dele se tornou constante. Agora, à medida que a tensão aplicada cai do valor constante de pico para zero, a corrente através do indutor também cai do valor de pico constante para zero. Agora, o indutor se opõe à queda na corrente induzindo um EMF direto na direção da tensão aplicada. Devido ao EMF direto induzido, a corrente através do indutor cai para zero em uma taxa mais lenta. Uma vez que a corrente reduz para zero, o EMF direto também cai para zero.
Assim, durante a energização, a energia elétrica foi convertida em um campo magnético no indutor, que era evidente pelo EMF traseiro induzido através dele. Durante a desenergização, a mesma energia elétrica é devolvida pelo indutor ao circuito na forma de EMF direto. Sempre que a tensão no indutor aumenta, o EMF traseiro é produzido e sempre que a tensão no indutor diminui, o EMF direto é produzido.
Praticamente, o EMF traseiro ou EMF direto desenvolvido em um indutor é muitas vezes maior que a tensão aplicada. Se apenas um indutor estiver conectado a uma fonte de tensão ou um indutor estiver conectado em um circuito CC sem qualquer proteção, a energia elétrica devolvida ao abrir a chave é liberada na forma de um pico de tensão ou faísca no contato da chave. Se a indutância for grande ou a corrente no circuito for alta, a energia liberada na forma de arco ou faísca no contato da chave pode até queimá-lo ou derretê-lo. Isso pode ser evitado usando uma rede de resistores e capacitores (RC) em série com o contato da chave. Esta rede RC é chamada Rede de amortecimento. Ele deixa a energia elétrica liberada pelo indutor carregar e descarregar o capacitor, não danificando nenhum outro componente. Em muitos circuitos, diodos de proteção são usados para salvar outros componentes do circuito contra EMF traseiro ou direto de um indutor ou solenóide.
Indutor no circuito AC
Como o indutor se opõe a qualquer mudança na corrente, a corrente CA está atrasada 90° em relação à tensão CA através do indutor. Inicialmente, quando a tensão de uma fonte é aplicada a um indutor, a corrente através do indutor é máxima e na direção oposta. À medida que a tensão é aplicada, a corrente flui através do indutor devido ao EMF induzido oposto à tensão aplicada. A tensão induzida no indutor é sempre igual e oposta à tensão aplicada em todos os momentos. À medida que a tensão aplicada aumenta de zero até o valor de pico, a corrente oposta através do indutor cai do máximo para zero.
Quando a tensão aplicada cai do valor de pico para zero, o EMF direto é induzido através do indutor, fazendo com que a corrente através dele aumente de zero até seu valor de pico na direção oposta. Quando o sinal aplicado muda de polaridade e sobe para o valor de pico na direção oposta, novamente um EMF traseiro é induzido no indutor, fazendo com que a corrente oposta caia do valor de pico para zero. À medida que a tensão aplicada cai novamente para zero para inverter a direção, um EMF direto é induzido no indutor, fazendo com que a corrente suba novamente de zero até seu valor de pico na direção oposta. Isto continua para cada ciclo do sinal AC.
Reatância indutiva
A oposição à corrente devido à indutância é indicada pela reatância indutiva. A amplitude da corrente através do indutor é inversamente proporcional à frequência do sinal de tensão aplicado. Como a tensão no indutor (EMF posterior ou EMF direto) é proporcional à indutância, a amplitude da corrente também é inversamente proporcional à indutância. Assim, a oposição à corrente devido à indutância na forma de reatância indutiva é dada pela seguinte equação:
Xeu = 2πfL
= ωEU
Consequentemente, a amplitude de pico da corrente através do indutor é dada pela seguinte equação:
EUpico =Vpico/Xeu
=Vpico/ωL
Onde,
EUpico é o valor de pico da corrente CA através do indutor.
Vpico é o valor de pico da tensão CA aplicada ao indutor.
Xeu é a reatância indutiva.
Assim como a resistência e a reatância capacitiva, a unidade da reatância indutiva também é ohms. Deve-se notar que não há perda de energia num circuito devido à reatância capacitiva ou indutiva, ao contrário da resistência. No entanto, a reatância pode limitar os níveis de corrente através do capacitor ou indutor.
Aplicações de indutores
Os indutores são usados com circuitos AC. Eles são comumente usados em circuitos analógicos e de processamento de sinais em telecomunicações. Eles também são usados junto com capacitores para projetar circuitos de filtro. Nas telecomunicações, os indutores também são usados para diminuir tensões do sistema ou correntes de falta ao longo das linhas de transmissão. Ao acoplar indutores, são projetados transformadores que são usados para aumentar ou diminuir as tensões CA. Os indutores também são usados para armazenar energia elétrica temporariamente em circuitos SMPS e UPS. Nos circuitos de fonte de alimentação, indutores (onde são chamados de bobinas de filtro) são usados para suavizar correntes pulsantes.
O comportamento do sinal de um indutor pode ser resumido da seguinte forma:
- Sempre que a tensão aplicada a um indutor aumenta, o EMF traseiro é gerado pelo indutor, fazendo com que a corrente através dele caia de um valor máximo para zero ou nível inferior. Sempre que a tensão aplicada diminui, o EMF direto é produzido pelo indutor, fazendo com que a corrente através dele aumente de zero ou nível de corrente para um valor máximo ou nível superior.
- O EMF traseiro ou EMF direto permanece através do indutor até que a tensão aplicada e, portanto, a corrente através dele esteja mudando. À medida que a tensão aplicada satura para um valor constante, o EMF posterior ou EMF direto cai para zero e uma corrente constante flui através do indutor sem qualquer oposição, como em um fio de conexão.
- Devido à indutância, a taxa de variação da corrente é retardada no circuito. Se o sinal for CA, a corrente sempre estará atrasada em relação à tensão em 90° devido à indutância.
- Devido à reatância indutiva ou capacitiva, não há perda de energia. A energia armazenada por um indutor na forma de campo magnético ou por um capacitor na forma de campo eletrostático é devolvida ao circuito à medida que a tensão aplicada cai ou inverte a direção. No entanto, devido à reatância, o nível de corrente de pico (amplitude do sinal de corrente) é limitado.
No próximo artigo, discutiremos várias características não ideais e indicadores-chave de desempenho de indutores.