Inductor

Inductor
Algunos tipos de inductores. El superior y el inferior central son inductores toroidales.
Chico	Pasivo
Principio de funcionamiento	Inducción electromagnética
Primera producción	Michael Faraday (1831)
Símbolo eléctrico

Ver: componente electrónico
Manual

El inductor es un componente eléctrico que genera un campo magnético cuando fluye corriente eléctrica ( directa, alterna o impulsiva).

En teoría de circuitos , el inductor es un componente ideal (cuyo tamaño físico es la inductancia ) en el que toda la energía eléctrica absorbida se almacena en el campo magnético producido. Los inductores reales, hechos con un devanado de un cable conductor, también tienen fenómenos disipativos y capacitivos que deben tenerse en cuenta.

Además, en los circuitos en permanente régimen sinusoidal , el inductor determina una diferencia de fase de 90 grados entre la tensión aplicada y la corriente que fluye a través de ella: en particular, en estas condiciones de funcionamiento, la corriente que fluye a través de un inductor ideal es fuera de fase retrasada. por un cuarto de período con respecto a la tensión aplicada a sus terminales.

Los inductores se utilizan en una variedad de dispositivos eléctricos y electrónicos, incluidos transformadores y motores eléctricos , así como en una variedad de circuitos de corriente alterna de alta frecuencia.

Física del inductor

Varios tipos de pequeños inductores.

Realización

Un inductor consiste en un devanado de material conductor , generalmente alambre de cobre , cubierto con una fina película aislante. En la práctica, se puede asumir que un inductor es un solenoide . Para aumentar la inductancia , se suele utilizar para realizar el devanado sobre un núcleo de material con alta permeabilidad magnética (por ejemplo, ferritas ). También se puede insertar un inductor en un circuito integrado . En este caso, el aluminio se usa comúnmente como material conductor. Sin embargo, es raro que un inductor se inserte en un circuito integrado: las limitaciones prácticas hacen que sea mucho más común usar un circuito llamado " girador ", que usa un capacitor para simular el comportamiento de un inductor. Los inductores pequeños que se utilizan para frecuencias muy altas a veces se fabrican con un cable simple que pasa a través de un cilindro o una cuenta (anillo pequeño) de ferrita.

Inductancia

Para entender el concepto de autoinducción, cuya inductancia es su coeficiente, es necesario considerar un bucle circular atravesado por una determinada corriente I, la bobina, como cualquier circuito conductor de corriente, según la ley elemental de Laplace, es una fuente de energía magnética. campo. El mismo giro, fuente del campo magnético B, se ve afectado por el flujo de B vinculado al circuito. Por lo tanto, se denomina flujo magnético autoinducido, ya que es generado y percibido por el propio circuito conductor. La inductancia también se denomina coeficiente de autoinducción. El inductor es el elemento físico y su cantidad física se llama inductancia . Por supuesto, el alambre de cobre tiene una resistencia eléctrica , particularmente a altas frecuencias ( efecto piel ), y hay un acoplamiento capacitivo entre las espiras vecinas. Además, se deben tener en cuenta las pérdidas en el núcleo magnético que puedan introducirse. Estos y otros fenómenos parásitos (parásitos porque no deseados) diferencian el inductor real del inductor ideal. A menudo, en la práctica, el inductor se denomina por su cantidad física (inductancia).

Poder

La energía almacenada en el inductor (medida en julios en el SI ) es igual a la cantidad de trabajo requerido para hacer que la corriente fluya en él y así generar el campo magnético. Esto viene dado por:

E_{\mathrm {induttore} }=W={1 \over 2}LI^{2}

{\ displaystyle E _ {\ mathrm {inductor}} = W = {1 \ over 2} LI ^ {2}}

E_ \ mathrm {inductor} = W = {1 \ over 2} L I ^ 2

donde I es la corriente que fluye en el inductor y L la inductancia. En cambio, W corresponde a la energía almacenada en el inductor y también se expresa con esta letra del alfabeto.

Circuitos eléctricos

Inductor de precisión para experimentos de física

Un inductor solo se opone a los cambios de corriente. Si fuera ideal, no tendría resistencia a la corriente continua , excepto cuando se activa y cuando se retira (en estos fenómenos transitorios el inductor tiende a amortiguar las variaciones de la corriente). Pero el inductor real tiene una resistencia eléctrica distinta de cero y, por tanto, el circuito en el que se inserta también gasta energía para mantener una corriente constante que no varía el campo magnético creado, sino que se disipa en la resistencia que presenta el hilo de cobre. En general, despreciando los fenómenos parásitos (resistencia y capacitancia ), la relación entre la tensión aplicada a los extremos del inductor con inductancia L y la corriente i (t) que varía con el tiempo y fluye en el inductor se describe mediante la ecuación diferencial :

v(t)=L{\frac {di(t)}{dt}}

{\ Displaystyle v (t) = L {\ frac {di (t)} {dt}}}

v (t) = L \ frac {di (t)} {dt}

De ello se deduce que si una corriente variable en el tiempo, como una corriente alterna sinusoidal , fluye en el inductor, se induce una tensión variable en el tiempo ( alterna en el caso de corriente alterna) o fuerza electromotriz (abreviatura fem) a través del inductor mismo. . Esta relación se puede deducir de las ecuaciones básicas del electromagnetismo considerando los fenómenos de inducción electromagnética ( ley de Faraday-Neumann-Lenz ) y la relación constitutiva del campo magnético producido por un solenoide. De hecho, siendo el campo magnético B producido por un solenoide :

$B=\mu \cdot {\frac {N}{\ell }}\cdot I$ ${\ Displaystyle B = \ mu \ cdot {\ frac {N} {\ ell}} \ cdot I}$ $B = \ mu \ cdot \ frac {N} {\ ell} \ cdot I$

(con N número de vueltas, ℓ longitud del solenoide, μ permeabilidad magnética del medio colocado dentro del solenoide e I intensidad de la corriente que fluye a través de él) si la corriente I que fluye en el solenoide / inductor es variable con el tiempo, también B ser variable en el tiempo. Dado que B es variable en el tiempo, se produce una variación en el flujo del campo magnético concatenado con el propio solenoide que produce, según la ley de Faraday-Neummann-Lenz , una fem autoinducida a través del inductor. Esta diferencia de potencial inducida se opone, según la ley de Lenz, a la causa que la generó oa la corriente variable que inicialmente fluye sobre el inductor (por lo tanto a través de una corriente de signo opuesto) desde donde la oposición del inductor a las variaciones de corriente sí mismo, y esta es la razón por la cual el diodo del volante se conecta a los extremos del inductor cuando se quiere eliminar el componente residual del signo opuesto, de hecho la energía eléctrica inicial perdida se almacena en forma de energía del campo magnético en el solenoide / inductor y luego se libera nuevamente en forma de energía eléctrica (corriente) de signo opuesto al cese del suministro eléctrico del inductor, de ahí el adjetivo de elemento 'reactivo' que se refiere a este componente.

La amplitud de la fem se correlaciona con la intensidad de la corriente y con la frecuencia de las sinusoides mediante la siguiente ecuación:

V=I\times \omega L

{\ Displaystyle V = I \ times \ omega L}

V = I \ veces \ omega L

donde ω es la pulsación de la sinusoide vinculada a la frecuencia f por:

\omega =2\pi f

{\ Displaystyle \ omega = 2 \ pi f}

\ omega = 2 \ pi f

Se define la reactancia inductiva (dimensionalmente igual a la resistencia y la reactancia capacitiva):

\mathbf {X} _{L}=\omega L=2\pi fL

{\ Displaystyle \ mathbf {X} _ {L} = \ omega L = 2 \ pi fL}

{\ Displaystyle \ mathbf {X} _ {L} = \ omega L = 2 \ pi fL}

donde X _L es la reactancia inductiva, ω es la pulsación, f es la frecuencia en hercios y L es la inductancia.

La reactancia inductiva es el componente positivo imaginario de la impedancia . La impedancia compleja de un inductor viene dada por:

\mathbf {Z} =j\omega L=j2\pi fL

{\ Displaystyle \ mathbf {Z} = j \ omega L = j2 \ pi fL}

{\ Displaystyle \ mathbf {Z} = j \ omega L = j2 \ pi fL}

donde j es la unidad imaginaria .

A menos que se presenten fenómenos parásitos como disipaciones en casos reales, el inductor ideal tiene por tanto una impedancia puramente imaginaria igual a su reactancia, indicando con ella su capacidad para almacenar energía magnética.

Redes de inductores

Si hay varios inductores en paralelo asumiendo que la inducción mutua entre ellos es despreciable, son equivalentes a un solo inductor con inductancia equivalente ( L _eq ):

{\frac {1}{L_{\mathrm {eq} }}}={\frac {1}{L_{1}}}+{\frac {1}{L_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{L_{n}}}

{\ Displaystyle {\ frac {1} {L _ {\ mathrm {eq}}}} = {\ frac {1} {L_ {1}}} + {\ frac {1} {L_ {2}}} + \ cdots + {\ frac {1} {L_ {n}}}}

\ frac {1} {L_ \ mathrm {eq}} = \ frac {1} {L_1} + \ frac {1} {L_2} + \ cdots + \ frac {1} {L_n}

De hecho, la corriente que se inyecta en esta red se distribuye entre los distintos inductores de tal manera que los productos de sus inductancias por las corrientes que los atraviesan son iguales. Esto se debe al hecho de que si la corriente inyectada varía con el tiempo, la diferencia de potencial entre los distintos inductores debe ser igual.

Si consideramos los inductores en serie, la corriente que fluye a través de ellos es la misma, si su inducción mutua es insignificante, el flujo vinculado al conjunto de inductores es igual a la suma del flujo vinculado a cada elemento individual.

Sigue:

L_{\mathrm {eq} }=L_{1}+L_{2}+\cdots +L_{n}\,\!

{\ Displaystyle L _ {\ mathrm {eq}} = L_ {1} + L_ {2} + \ cdots + L_ {n} \, \!}

L_ \ mathrm {eq} = L_1 + L_2 + \ cdots + L_n \, \!

Aplicaciones

Un inductor se parece a un electroimán en estructura, pero se usa para un propósito diferente: almacenar energía en un campo magnético.

Una aplicación muy común es la conmutación de fuentes de alimentación (por ejemplo: fuentes de alimentación para computadoras ) que, en comparación con las fuentes de alimentación lineales tradicionales, tienen una mayor eficiencia.

Debido a su capacidad para modificar señales de corriente alterna, los inductores se utilizan en electrónica analógica y en el procesamiento de señales eléctricas, incluidas las transmisiones por aire.

Dado que la reactancia inductiva X _L cambia con la frecuencia, un filtro electrónico puede usar inductores junto con condensadores y otros componentes para filtrar partes específicas del espectro de frecuencia de una señal. Dos o más inductores (con el campo magnético en común) constituyen un transformador de uso común tanto en equipos electrónicos como en ingeniería eléctrica .

Factor Q

Un inductor ideal no presenta fenómenos disipativos: la energía almacenada en el campo magnético se devuelve en su totalidad. En un inductor real, la corriente fluye a través de un cable conductor, con su propia resistencia, y genera un campo magnético que atraviesa el núcleo (si está presente) y cualquier otro objeto cercano (escudos u otros). La resistencia en el cable a altas frecuencias aumenta debido al efecto piel , aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia. El núcleo y cualquier material magnético cercano tienen una histéresis que da como resultado pérdidas proporcionales a la frecuencia y corrientes parásitas proporcionales al cuadrado de la frecuencia. Si los materiales vecinos son conductores, solo tendremos pérdidas por corrientes parásitas (proporcionales al cuadrado de la corriente). Todo esto está indicado por un factor de calidad Q (en inglés: factor Q ):

Q={\frac {\omega {}L}{R}}

{\ Displaystyle Q = {\ frac {\ omega {} L} {R}}}

Q = \ frac {\ omega {} L} {R}

Cuanto mayor sea su valor, mejor será la eficiencia del inductor. En la práctica es una función bastante compleja de la frecuencia (la frecuencia aparece en el numerador en ω, la pulsación, pero la resistencia R que aparece en el denominador está, como se mencionó, fuertemente ligada a ella). El inductor debe elegirse en correspondencia con el máximo de esta función. En todo ello, no se han tenido en cuenta los fenómenos de saturación (corriente demasiado intensa) que provocan un colapso de la inductancia y por tanto del factor Q y que también hay que tener en cuenta a la hora de elegir el inductor.

Fórmulas para calcular la inductancia.

1. Solenoide de núcleo magnético cerrado:

L={\frac {N^{2}}{R_{B}}}={\frac {\mu N^{2}A}{l}}

{\ Displaystyle L = {\ frac {N ^ {2}} {R_ {B}}} = {\ frac {\ mu N ^ {2} A} {l}}}

L = \ frac {N ^ 2} {R_B} = \ frac {\ mu N ^ 2A} {l}

R _B : desgana total

μ : Permeabilidad magnética absoluta del núcleo

N : número de vueltas

A : área de sección del núcleo magnético

l : longitud del núcleo

2. Alambre conductor recto en el aire:

L=2l\;10^{-6}\left(\ln {\frac {4l}{d}}-1\right)

{\ Displaystyle L = 2l \; 10 ^ {- 6} \ left (\ ln {\ frac {4l} {d}} - 1 \ right)}

{\ Displaystyle L = 2l \; 10 ^ {- 6} \ left (\ ln {\ frac {4l} {d}} - 1 \ right)}

l = longitud del conductor

d = diámetro del conductor

Entonces, si un conductor de 10 mm de largo con un diámetro de 1 mm tiene una inductancia de aproximadamente 5.38 nH, el mismo cable de 100 mm de largo tiene una inductancia de 100 nH.

3. Solenoide cilíndrico corto sin núcleo magnético:

L=\mu 10^{-6}{\frac {r^{2}N^{2}}{90r+10l}}

{\ Displaystyle L = \ mu 10 ^ {- 6} {\ frac {r ^ {2} N ^ {2}} {90r + 10l}}}

L = \ mu 10 ^ {- 6} \ frac {r ^ 2N ^ 2} {90r + 10l}

(una calculadora en línea está disponible. Ver nota: ^[1] )

r = radio exterior del devanado en pulgadas

l = longitud del devanado en pulgadas

N = número de vueltas

4. Inductor cilíndrico multicapa en aire (sin núcleo magnético):

L=\mu {\frac {0{,}0008\;r^{2}N^{2}}{6r+9l+10d}}

{\ Displaystyle L = \ mu {\ frac {0 {,} 0008 \; r ^ {2} N ^ {2}} {6r + 9l + 10d}}}

L = \ mu \ frac {0 {,} 0008 \; r ^ 2N ^ 2} {6r + 9l + 10d}

r = radio medio de bobinado en pulgadas

l = longitud de los devanados en pulgadas

N = número de vueltas

d = espesor de los devanados (es decir, radio exterior menos radio interior)

5. Alambre plano en espiral sin núcleo magnético:

L={\frac {r^{2}N^{2}}{(2r+2{,}8\;d)\times 10^{5}}}

{\ Displaystyle L = {\ frac {r ^ {2} N ^ {2}} {(2r + 2 {,} 8 \; d) \ times 10 ^ {5}}}}

L = \ frac {r ^ 2N ^ 2} {(2r + 2 {,} 8 \; d) \ times 10 ^ 5}

r = radio medio de la espiral

N = número de vueltas

d = espesor del devanado (es decir, radio exterior menos radio interior)

Por tanto, un devanado en espiral de 8 vueltas, radio medio de 25 mm y espesor de 10 mm debe tener una inductancia de 5,13 µH.

6. Inductancia de un devanado sobre un material magnético de forma toroidal (sección circular) cuya permeabilidad magnética relativa se conoce $\mu _{r}$ ${\ Displaystyle \ mu _ {r}}$ $\ mu_r$ :

L=\mu {\frac {N^{2}r^{2}}{D}}

{\ Displaystyle L = \ mu {\ frac {N ^ {2} r ^ {2}} {D}}}

L = \ mu \ frac {N ^ 2r ^ 2} {D}

μ = permeabilidad absoluta del núcleo magnético

N = número de vueltas

r = radio del devanado

D = diámetro total del toroide

Las fórmulas anteriores dan resultados aproximados (especialmente la segunda, la de un hilo recto). El más preciso es el sexto que se refiere a un inductor toroidal .

Cabe señalar que, en los devanados circulares, la inductancia es proporcional al cuadrado del número de vueltas. Esto es útil en la práctica porque, una vez que se conocen la inductancia y el número de vueltas de un inductor, su inductancia se puede modificar fácilmente variando el número de vueltas con una precisión razonable.

Historia

En 1885 , William Stanley, Jr. hizo el primer inductor basado en una idea de Lucien Gaulard y John Gibbs . Fue el precursor del transformador moderno.

Galería de imágenes

Imágenes de inductores de placa de circuito impreso :

Inductor para circuito impreso
Vista despiezada del mismo inductor
Inductor para circuito impreso con las vueltas realizadas en el propio circuito impreso
Vista despiezada del mismo inductor

Varias formas de núcleos magnéticos para inductancias (imágenes creadas por computadora):

Núcleo C
Core U
Núcleo E
Núcleo de ER
Núcleo EFD
Núcleo toroidal
Núcleo EP
Núcleo de resonancia magnética

Nota

^ Calculadora en línea para inductor (tanto en pulgadas como en centímetros). 66pacific.com Recursos para científicos aficionados

Otros proyectos

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enlaces externos

[1]

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[1] Calculadora en línea para inductor (tanto en pulgadas como en centímetros). 66pacific.com Recursos para científicos aficionados

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Inductor

Índice

Física del inductor

Realización

Inductancia

Poder

Circuitos eléctricos

Redes de inductores

Aplicaciones

Factor Q

Fórmulas para calcular la inductancia.

Historia

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Nota

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