Las Inductancias O Bobinas 3h2l2v

LA BOBINA – INDUCTANCIAS Son componentes pasivos de dos terminales que generan un flujo magnético cuando se hacen circular por ellas una corriente eléctrica. Se fabrican arrollando un hilo conductor sobre un núcleo de material ferromagnético o al aire. Su unidad de medida es el Henrio (H) en el Sistema Internacional, pero se suelen emplear los submúltiplos:

mH – mili Henrio

uH – micro Henrio

nH – nano Henrio

Es igual a un milésimo de Henrio.

Es igual a un millonésimo de Henrio.

Es igual a la mil millonésima de Henrio

1. Bobina

2. Inductancia

3. Bobina con tomas fijas

4. Bobina con núcleo ferromagnético

5. Bobina con núcleo de ferroxcube

6. Bobina blindada

7. Bobina electroimán

8. Bobina ajustable

9. Bobina variable

Símbolos:

Existen bobinas de diversos tipos según su núcleo y según tipo de arrollamiento. Encontramos bobinas en filtros, circuitos sintonizados y adaptadores de impedancia, transformadores, etc.

CARACTERÍSTICAS 1. Permeabilidad magnética (µ) : Es una característica que tiene gran influencia sobre el núcleo de las bobinas respecto del valor de la inductancia de las mismas. Los materiales ferromagnéticos son muy sensibles a los campos magnéticos y producen unos valores altos de inductancia, sin embargo otros materiales presentan menos sensibilidad a los campos magnéticos. El factor que determina la mayor o menor sensibilidad a esos campos magnéticos se llama permeabilidad magnética. Cuando este factor es grande el valor de la inductancia también lo es. 2. Factor de calidad (Q) : Relaciona la inductancia con el valor óhmico del hilo de la bobina. La bobina será buena si la inductancia es mayor que el valor óhmico debido al hilo de la misma.

TIPOS DE BOBINAS 1. FIJAS Con núcleo de aire: El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas. Una variante de la bobina anterior se denomina solenoide y difiere en el aislamiento de las espiras y la presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser cilíndrico. Se utiliza cuando se precisan muchas espiras. Estas bobinas pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en serie. Igualmente se utilizan para frecuencias elevadas.

Con núcleo sólido: Poseen valores de inductancia más altos que los anteriores debido a su nivel elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un material ferromagnético. Los más usados son la ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan potencias considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas se utilizan núcleos parecidos a los de los transformadores (en fuentes de alimentación sobre todo). Así nos encontraremos con las configuraciones propias de estos últimos. Las secciones de los núcleos pueden tener forma de EI, M, UI y L.

Bobina de ferrita

Bobina de ferrita de nido de abeja

Bobinas de ferrita para SMD

Bobinas con núcleo toroidal

Las bobinas de nido de abeja se utilizan en los circuitos sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de onda media y larga. Gracias a la forma del bobinado se consiguen altos valores inductivos en un volumen mínimo. Las bobinas de núcleo toroidal se caracterizan por que el flujo generado no se dispersa hacia el exterior ya que por su forma se crea un flujo magnético cerrado, dotándolas de un gran rendimiento y precisión. La bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita, normalmente cilíndricos, con aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de vista practico ya que, permite emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor.

Las bobinas grabadas sobre el cobre , en un circuito impreso tienen la ventaja de su mínimo coste pero son difícilmente ajustables mediante núcleo.

2. VARIABLES También se fabrican bobinas ajustables. Normalmente la variación de inductancia se produce por desplazamiento del núcleo. Las bobinas blindadas pueden ser variables o fijas, consisten encerrar la bobina dentro de una cubierta metálica cilíndrica o cuadrada, cuya misión es limitar el flujo electromagnético creado por la propia bobina y que puede afectar negativamente a los componentes cercanos a la misma.

IDENTIFICACIÓN DE LAS BOBINAS Las bobinas se pueden identificar mediante un código de colores similar al de las resistencias o mediante serigrafía directa. Las bobinas que se pueden identificar mediante código de colores presentan un aspecto semejante a las resistencias.

Color

1ª Cifra y 2ª Cifra

Multiplicador

Tolerancia

Negro Marrón Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Violeta Gris Blanco Oro

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -

1 10 100 1000 0,1

±3% ±5%

Plata

-

0,01

±10%

-

-

±20%

Ninguno

El valor nominal de las bobinas viene marcado en microhenrios µH.

Inductancias Contenido: 1. Inductancias. 2. Cálculos de Inductancias. 3. Permeabilidad de bobinas con núcleo de hierro. 4. Corrientes de Foucault e Histèresis.

Inductancias Es posible demostrar que el paso de corriente por un conductor va acompañado de efectos magnéticos; la aguja de una brújula colocada cerca de un conductor, por ejemplo, se desviará de su posición normal norte-sur.La corriente crea un campo magnético. La transferencia de energía al campo magnético representa trabajo efectuado por la fuente de FEM. Se requiere potencia para hacer trabajo, y puesto que la potencia es igual a la corriente multiplicada por la tensión, debe haber una caída de tensión en el circuito durante el tiempo en que la energía está almacenándose en el campo. Esta caída de tensión que no tiene nada que ver con la caída de tensión de ninguna resistencia del circuito, es el resultado de una tensión opuesta inducida en el circuito mientras el campo crece hasta su valor final. Cuando el campo se vuelve constante, La FEM inducida o fuerza contraelectromotriz desaparece, puesto que ya no se está almacenando más energía. Puesto que la FEM inducida se opone a la FEM de la fuente, tiende a evitar que la corriente aumente rápidamente cuando se cierra el circuito. La amplitud de la FEM inducida es proporcional al ritmo con que varía la corriente y a una constante asociada con el circuito, llamada inductancia del circuito. La inductancia depende de las características fisicas del conductor. Por ejemplo, si se enrolla un conductor, la inductancia aumenta. Un arrollamiento de muchas espiras tendrá más inductancia que uno de unas pocas vueltas. Además, si un arrollamiento se coloca alrededor de un núcleo de hierro, su inductancia será mayor de lo que era sin el núcleo magnético. La polaridad de una FEM inducida va siempre en el sentido de oponerse a cualquier cambio en la corriente del circuito. Esto significa que cuando la corriente en el circuito aumenta, se realiza trabajo contra la FEM inducida almacenando energía en el campo magnético. Si la corriente en el circuito tiende a descender, la energía almacenada en el campo vuelve al circuito, y por tanto se suma a la energía suministrada por la fuente de FEM. Esto tiende a mantener a la corriente circulando incluso cuando la FEM aplicada pueda descender o ser retirada. La energía almacenada en el campo magnético de un inductor se da por:

W=I² L/2 donde:

W = energía en julios I = corriente en amperios L = inductancia en henrios

La unidad de inductancia es el henrio. Los valores de inductancia utilizados en equipos dé radio varían en un amplio margen. En circuitos de radiofrecuencia, los valores de inductancia empleados se medirán en milihenrios (1 mH es una milésima de henrio) en frecuencias bajas, y en microhenrios ( millonésima de henrio) en las frecuencias medias y altas. Aunque las bobinas para radiofrecuencia pueden bobinarse sobre núcleos de hierro especiales (el hierro común no es adecuado), muchas de las bobinas utilizadas por los aficionados son del tipo de núcleo de aire, o sea, bobinadas en un material de soporte no magnético . Cualquier conductor tiene inductancia, incluso cuando el conductor no forma una bobina. La inductancia de una pequeña longitud de hilo recto es pequeña, pero no despreciable si la corriente a través de él cambia rápidamente, la tensión inducida puede ser apreciable. Este puede ser el caso de incluso unas pocas pulgadas de hilo cuando circula una,corriente de 100 MHz o más. Sin embargo, a frecuencias mucho mas bajas la inductancia del mismo hilo puede ser despreciable, ya que le tensión inducida será despreciablemente pequeña.

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 1.

* Para poder utilizar esta fórmula con las medidas en centímetros, debe multiplicarse el segundo miembro 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 + 40l ) / d

Ejemplo: Suponga que se requiere una inductancia de 10 microH. 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=raiz cuadrada de ( 10. ( (18x1 ) + (40 x 1,25) ) ) / 1 n=raiz 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 2 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 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 2 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 razon 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