BOBINA O INDUCTOR Junto al capacitor, otro elemento que almacena energía es el Inductor ó bobina, que es básicamente un alambre enrollado sobre sí mismo, donde el material de su centro, es de aire y en otras ocasiones es de un material diferente, que posee un grado de permeabilidad. Como en el capacitor las cualidades de este elemento, dependen de su forma geométrica y física, y presenta la propiedad de la inductancia, que es la característica de un material de almacenar energía, en el campo magnético generado por la variación de corriente que lo atraviesa. Una característica interesante de las bobinas es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellas (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de poder), esta tratará de mantener su condición anterior. Las bobinas se miden en Henrios (H.), pudiendo encontrarse bobinas que se miden en Mili henrios (mh). El valor que tiene una bobina depende de: -El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o mayor valor en Henrios) -El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios). -La longitud del cable de que está hecha la bobina. -El tipo de material de que esta hecho el núcleo si es que lo tiene.
sea
SÍMBOLO DE LA BOBINA
Bobina
Bobina Bobina
Bobina Núcleo Fe - Si
Bobina Blindada
Bobina Núcleo ferroxcube
bobinas con tomas de corriente
Bobina Ajustable
Bobina Variable
Bobina Núcleo Fe - Si
Bobina Ajustable 1 INSTRUCTOR: RICARDO MARISCAL CHUSCANO
Bobina Variable
Bobina núcleo saturable
Bobina Variable
Bobina variable por pasos / escalones
Bobina electroimán
Bobina electroimán Bobina electroimán
Bobina de deflexión
Bobinas con tomas fijas Bobina de deflexión
Solenoide Bobina de choque
Inductancia Solenoide Bobina de choque
Polaridad de bobina bobinas de motor
Polaridad de bobina
Bobinas con Núcleo de aire
Bobinas con Núcleo de ferrita
Bobinas toroidales
Bobinas ajustable
Diferentes tipos de bobinas
microbobinas 2
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QUÉ APLICACIONES TIENE UNA BOBINA? Una de las aplicaciones más comunes de las bobinas y que forma parte de nuestra vida diaria es la bobina que se encuentra en nuestros autos y forma parte del sistema de ignición. En los sistemas de iluminación con tubos fluorescentes existe un elemento adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro. En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continúa en la salida. En nuestros receptores de radio o televisión se utilizan bobinas en paralelo con un condensador, para formar circuitos resonantes (sintonizadores) que permitan la sintonía de emisoras o canales de televisión. TIPOS DE BOBINAS Existen diferentes tipos de bobinas, desde las alambradas, las impresas para micro circuitos, y las que tienen codificación con código de colores: veamos en la figura siguiente diferentes tipos de bobinas
Bobinas Varias
Bobinas Alambradas
Inductores tipo chips SMD tecnología Superficial
Bobina impresa
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INDUCTORES O BOBINAS EN SERIE El cálculo del inductor o bobina equivalente de inductores en serie es similar al método de cálculo del equivalente de resistencias en serie, solo es necesario sumarlas y ya... En el diagrama se ven 3 inductores o bobinas en serie y la fórmula es: LT = L1 + L2 + L3, para este caso particular, pero si se quisiera poner más o menos de 3 bobinas, se usaría la siguiente fórmula LT = L1 + L2 + L3 +...+ LN donde N es el número de bobinas en serie
INDUCTORES O BOBINAS EN PARALELO
El cálculo de la bobina equivalente de varias bobinas en paralelo es similar al cálculo que se hace cuando se trabaja con resistencias. El caso que se presenta es para 3 bobinas, pero la fórmula se puede generalizar para cualquier número de bobinas con la siguiente formula: 1/LT = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3 +... 1/LN donde N es el número de bobinas que se conectan en paralelo CODIFICACIÓN Los inductores moldeados suelen presentar un sistema de código de colores similar al de los resistores. 4 INSTRUCTOR: RICARDO MARISCAL CHUSCANO
Alternativa: de acuerdo con el estándar EIA (Electronic Industries Association), si una de las bandas que corresponden a las cifras significativas es dorada, ésta representa al punto decimal y la banda que antes actuaba como multiplicador pasa a ser ahora otra cifra significativa. Ejemplos: marrón - verde - dorado - plateado = 1 - 5 - 10-1 - 10 = 1.5 [uH] ± 10% marrón - dorado - verde - plateado = 1 - punto decimal - 5 -10 = 1.5 [uH] ± 10% valores estándares Los valores más comunes de inductores moldeados corresponden a la serie E12 (10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82). CRITERIOS DE SELECCIÓN A continuación se enumeran las características técnicas que hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar los inductores para determinada aplicación. Valor inductivo Tolerancia Tamaño y requisitos de montaje Margen de frecuencias o frecuencia central de trabajo Capacidad parásita entre bornes: tiene influencia al trabajar en alta frecuencia porque puede hacer que el inductor se comporte como un cortocircuito. Resistencia de aislamiento entre espiras: si se supera el voltaje máximo entre terminales, se perfora el aislante del hilo conductor. Corriente admisible por el hilo conductor Q (factor de calidad o de mérito): se define como la relación entre la reactancia inductiva y la resistencia óhmica del inductor (Q=2*pi*f*L / R). Es deseable que la resistencia sea baja y por ende que el Q sea alto. Según la fórmula, Q tendría que aumentar con la frecuencia, sin embargo no es así porque también aumenta la resistencia. Los fabricantes informan sobre el Q del inductor a la frecuencia de trabajo o bien presentan curvas de Q (f). Los Q de inductores para aplicaciones de radiofrecuencia oscilan entre 50 y 200. Coeficiente de temperatura CONSIDERACIONES PRÁCTICAS Corriente máxima: dada por las limitaciones físicas del hilo conductor (resistencia y máxima disipación de potencia). Interferencia: los campos magnéticos de los inductores pueden afectar el comportamiento del resto de los componentes del circuito, especialmente de otros 5 INSTRUCTOR: RICARDO MARISCAL CHUSCANO
inductores. La proximidad de dos inductores puede dar origen a una inductancia mutua que causará efectos no deseados, razón por la cual los diseñadores tienden a elegir capacitores sobre inductores para realizar tareas similares. Prueba: factores como el desgaste, el sobrecalentamiento y la corriente excesiva pueden ocasionar cortocircuitos entre las espiras o inclusive circuitos abiertos. Esta última condición se verifica fácilmente con un óhmetro, pero la condición de cortocircuito entre espiras es más difícil de determinar dada su inherente baja resistencia entre terminales. Comportamiento de una Bobina con Voltaje DC El inductor se opone al cambio brusco de la corriente, si cerramos el interruptor, el voltaje en el inductor sube rápidamente, pero la corriente sube gradualmente. Si le quitas el voltaje este cae de inmediato, pero la corriente disminuye lentamente, ya que el inductor es un elemento almacenador de Energía, como vemos en la figura siguiente.
Para proteger la fuente del exceso de corriente normalmente colocamos una resistencia en serie con el inductor, al proceso de circulación de corriente por el inductor después de cerrar el suiche se llama Afluencia y tiene forma exponencial, una vez se halla alcanzado la máxima corriente por el inductor, si se abre el interruptor, la corriente no desaparece inmediatamente, esto se conoce como Remanencia.
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UNIDAD DE INDUCTANCIA. Henrio (H). Definición: un henrio es la inductancia de un circuito en el que una corriente que varía a razón de un amperio por segundo da como resultado una fuerza electromotriz autoinducida de un voltio.
CÁLCULOS DE INDUCTANCIA La inductancia aproximada de una bobina de una sola capa bobinada al aire puede ser calculada con la fórmula* simplificada: L (microH)=d².n²/18d+40 l Donde: L = inductancia en microhenrios d = diámetro de la bobina en pulgadas l = longitud de la bobina en pulgadas n = número de espiras La notación se explica en la figura
* Para poder utilizar esta fórmula con las medidas en centímetros, debe multiplicarse el segundo termino por el factor 0,394. Así L (microH)=0,394.(d².n²/18d+40 l) Esta fórmula es una buena aproximación para bobinas que tengan una longitud igual o mayor que 0,4 d. Ejemplo: Suponga una bobina que tiene 48 espiras bobinadas a razón de 32 espiras por pulgada y un diámetro de 314 de pulgada. Por tanto, d = 0,75 l = 48/32 = 1,5 y n = 48. Sustituyendo: L = 0,75² x 48² / (18 x 0,75) + (40 x 1,5) = 1.296 / 73,5 = 17,6 microH Para calcular el número de espiras requeridas en una bobina de una sola capa para obtener una determinada inductancia: n= raiz cuadrada de( L ( 18d + 40 l ) / d Ejemplo: Suponga que se requiere una inductancia de 10 microH. 7 INSTRUCTOR: RICARDO MARISCAL CHUSCANO
La forma en que se va a bobinar la bobina tiene un diámetro de 1 pulgada y longitud suficiente para acomodar una bobina de 1- 1/4 de pulgada de largo. Por tanto: d = 1
l = 1,25
L = 10 microH.
Sustituyendo: n = raíz cuadrada de ( 10. ( (18x1 ) + (40 x 1,25) ) ) / 1 n = raíz cuadrada de 680= 26,1 espiras Una bobina de 26 espiras estaría lo suficientemente próxima a efectos prácticos. Puesto que la bobina tendrá 1,25 pulgadas de longitud, el número de espiras por pulgada será de 26,1/1,25 = 20,9. Consultando la tabla de hilos, encontramos que un hilo del numero 17 esmaltado (o cualquiera menor) es válido. Se obtiene la inductancia adecuada bobinando el número de espiras requeridas sobre la forma y ajustando la separación entre espiras hasta que se obtiene un espaciado uniforme con una longitud de 1,25 pulgadas. PERMEABILIDAD DE BOBINAS CON NÚCLEO DE HIERRO Supóngase que la bobina de la figura se enrolla en un núcleo de hierro que tenga una sección de 2 pulgadas cuadradas.
Cuando se envía una cierta corriente a través de la bobina, se encuentra que hay 80.000 líneas de fuerza en el núcleo. Puesto que el área es de 2 pulgadas cuadradas, la densidad de flujo magnético es de 40.000 líneas por pulgada cuadrada. Ahora supóngase que se retira el núcleo y se mantiene la misma corriente en el núcleo. También supóngase que la densidad de flujo sin núcleo es de 50 líneas por pulgada cuadrada. La relacion entre estas dos densidades de flujo, hierro a aire, es 40.000/50 = 800. Esto se llama permeabifidad del núcleo. La inductancia de la bobina ha aumentado 800 veces al insertar el núcleo de hierro, ya que la inductancia será proporcional al flujo magnético a través de las bobinas, si los otros parámetros se mantienen igual. La permeabilidad de un material magnético varía con la densidad de flujo. Para bajas densidades de flujo (o con núcleo de aire), el aumento de corriente a través de la bobina producirá un aumento proporcional del flujo. Pero con densidades de flujo muy altas, incrementar la corriente no causará un cambio apreciable en el flujo. Cuando esto es así, se dice que el hierro está saturado. La saturación causa un rápido descenso de la permeabilidad puesto que desciende la relación de líneas de flujo con respecto a la misma corriente y núcleo de aire. Obviamente, la inductancia de una 8 INSTRUCTOR: RICARDO MARISCAL CHUSCANO
bobina con núcleo de hierro es, en gran medida, dependiente de la corriente que fluye en la bobina. En una bobina con núcleo de aire, la inductancia es independiente de la corriente porque el aire no se satura. Las bobinas con núcleo de hierro como la mostrada en la figura anterior se usan principalmente en fuentes de alimentación. Usualmente circula corriente continua a través la densidad de flujo está controlada por la separación en vez de por el hierro. Esto reduce la inductancia, manteniéndola prácticamente constante independientemente del valor de la corriente. Para radiofrecuencia, las pérdidas en los núcleos de hierro pueden ser reducidas a valores aceptables pulverizando el hierro y mezclando el polvo con un "ligante" de material aislante de tal forma que las partículas de hierro estén aisladas unas de otras. Por este sistema, se pueden construir núcleos que funcionarán satisfactoriamente incluso en el margen de VHF. Puesto que una gran parte del recorrido magnético se produce a través de material no magnético (el ligante), la permeabilidad del hierro es baja comparada con los valores que se obtienen a las frecuencias de las fuentes de alimentación. El núcleo tiene generalmente la forma de una barra o cilindro que se coloca en el interior de la forma aislante sobre la que está bobinada la bobina. A pesar de que con esta construcción, la mayor parte del recorrido magnético del flujo es por el aire, la barra es bastante eficaz para aumentar la inductancia de la bobina. Empujando la barra hacia dentro y hacia fuera de la bobina, se puede variar la inductancia sobre un margen considerable. CORRIENTES DE FOUCAULT E HISTÉRESIS Cuando circula corriente alterna a través de una bobina arrollada sobre un núcleo de hierro, se inducirá una FEM como se indicó anteriormente. Y, puesto que el hierro es un conductor, circulará una corriente en el núcleo. Dichas corrientes se llaman corrientes de Foucault y representan una pérdida de potencia puesto que circulan a través de la resistencia del hierro y, por tanto, producen calentamiento. Dichas pérdidas pueden reducirse laminando el núcleo (cortándolo en delgadas tiras). Estas tiras o láminas deben aislarse unas de otras pintándolas con algún material aislante como barniz o goma laca. Hay otro tipo de pérdida de energía en los inductores. El hierro tiende a oponerse a cualquier cambio en su estado magnético, por tanto una corriente que cambie rápidamente, como lo es la CA, debe suministrar continuamente energía al hierro para vencer esa "inercia". Las pérdidas de este tipo se llaman pérdidas por histéresis. Las pérdidas por corrientes de Foucault e histéresis aumentan rápidamente a medida que la frecuencia de la corriente alterna .Por esta razón los núcleos de hierro normales solo se pueden usar en las frecuencias de la línea de baja tensión doméstica y en audiofrecuencias -hasta unos 15.000 Hz-. A pesar de todo, se precisa hierro o acero de muy buena calidad si el núcleo debe trabajar eficazmente en las audiofrecuencias más altas. Los núcleos de hierro de este tipo son totalmente inútiles en radiofrecuencia. BIBLIOGRAFIA http://www.pablin.com.ar/electron/cursos/inductan/index.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Inductancia
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