Aplicaciones de Inductores-lab 06

Steven Paico Soplopuco

“  Aplicaciones

código: 0201016034

de  inductores”  

I. OBJETIVOS: 

II.

Reconocer la aplicación de los inductores.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

Los inductores o bobinas son elementos lineales y pasivos que pueden almacenar y liberar energía basándose en fenómenos relacionados con campos magnéticos. Una aplicación de los inductores, consistente en bloquear ("choke" en inglés) las señales de AC de alta frecuencia en circuitos de radio, dio origen a que con dicho término (choque) se haga referencia a los inductores que se emplean en aplicaciones donde su valor no es crítico y que por lo tanto admiten grandes tolerancias. Básicamente, todo inductor consiste en un arrollamiento de hilo conductor. conductor.

La

inductancia resultante es directamente proporcional al número y diámetro de las espiras y a la permeabilidad del interior del arrollamiento, y es inversamente proporcional a la longitud de la bobina. Símbolos

Inductores ideales y reales

En la teoría de circuitos, los inductores se idealizan como la obediencia a la relación matemática anterior precisión. Un "inductor ideales" tiene inductancia, pero hay resistencia o capacitancia, y no se disipa o irradiar energía. Sin embargo inductores reales tienen efectos secundarios que causan su comportamiento a partir de este modelo simple. Tienen la resistencia, y la capacitancia parásita. A altas frecuencias la capacidad comienza a afectar el comportamiento del inductor, en alguna frecuencia, inductores reales se comportan como circuitos resonantes, llegando a ser uno mismo-resonante. Por  encima de la frecuencia de resonancia de la reactancia capacitiva se convierte en la parte dominante de la impedancia. La energía es disipada por la resistencia del alambre, y por  las pérdidas en el núcleo magnético debido a la histéresis. A altas corrientes, inductores con núcleo de hierro también muestran la salida gradual del comportamiento ideal debido a la no linealidad causada por la saturación magnética. A frecuencias más altas, la resistencia y las pérdidas resistivas en inductores de crecimiento debido al efecto piel

Steven Paico Soplopuco

código: 0201016034

de hilos para bobinas del inductor. Pérdidas en el núcleo también contribuyen a las  pérdidas inductor a frecuencias más altas. Un inductor puede irradiar una parte de la energía transformada en el espacio circundante y circuitos, y puede absorber las emisiones electromagnéticas de otros circuitos, participando en las interferencias electromagnéticas. Circuitos y materiales cercanos al inductor tendrán acoplamiento de campo cercano al campo magnético de la bobina, que puede causar la pérdida de energía adicional. Aplicaciones del mundo real inductor pueden considerar los  parámetros parásitos tan importantes como la inductancia. 1.

MODELO EQUIVALENTE

Los inductores ideales no disipan energía como lo hacen los resistores. Pero en la  práctica, el inductor real presenta una resistencia de devanado que disipa energía. A continuación figura un modelo práctico (simplifica do) de inductor.

R  representa las pérdidas en el devanado, cuyo valor generalmente es pequeño pero

 puede llegar a varios cientos de ohms. Un modelo más completo contempla además la capacidad parásita o distribuida debido a la capacidad entre las vueltas del bobinado (Cp en paralelo con el circuito anterior).

2.

CLASIFICACIÓN

2.1. Según el núcleo o soporte: 

Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material no

magnético (fibra, plástico,...). En los casos donde no se utiliza soporte, la bobina queda conformada sólo debido a la rigidez mecánica del conductor. 

Núcleo de hierro: como tiene mayor permeabilidad que el aire (10 a 100),

aumenta el valor de la inductancia. Sin embargo, sólo se emplea en bajas frecuencias porque a altas frecuencias las pérdidas son elevadas. Aplicaciones: fuentes de alimentación y amplificadores de audio. 

Núcleo de ferrita: las ferritas son óxidos de metales magnéticos, de alta

 permeabilidad (10 a 10000) que además son dieléctricos. Existe una gran variedad en el mercado en función de la frecuencia de trabajo.

Steven Paico Soplopuco Nota:

código: 0201016034

radiofrecuencia (100kHz a 100GHz) audiofrecuencia (20Hz a 20kHz).

2.2. Según la forma constructiva: 

Solenoides:



Toroides:

2.3. Según la frecuencia de la corriente aplicada:  

Al ta fr ecuencia  : de reducido tamaño y número de espiras : de mayor tamaño y número de espiras Baj a fr ecuencia 

2.4. Según el recubrimiento:  plástico, resina, metal (apantalladas). 2.5. Según la característica de su valor: fijos y ajustables. 2.6. Según el tipo de montaje: de inserción y SMD. En la siguiente tabla se pueden observar los inductores más comunes:

3.

CONSTRUCCIÓN

Un inductor se elabora normalmente como una bobina de material conductor, típicamente alambre de cobre, envuelto alrededor de un núcleo ya sea de aire o de material ferromagnético o ferrimagnético. Materiales de núcleo con una permeabilidad más alta que la del aire aumentan el campo magnético y la confinan estrechamente al

Steven Paico Soplopuco

código: 0201016034

inductor, lo que aumenta la inductancia. Inductores de baja frecuencia se construyen como transformadores, con núcleos de acero magnético laminado para evitar corrientes de Foucault. Ferritas "blandos" son ampliamente utilizados para núcleos por encima de las frecuencias de audio, ya que no hacen que las grandes pérdidas de energía a altas frecuencias que las aleaciones de hierro ordinarias lo hacen. Inductores vienen en muchas formas. La mayoría están construidos como el esmalte de alambre recubierto envuelto alrededor de una bobina de ferrita con cable expuesto en el exterior, mientras que algunos encierran el cable completamente en ferrita y se conocen como "blindado". Algunos inductores tienen un núcleo ajustable, que permite el cambio de la inductancia. Inductores utilizados para bloquear frecuencias muy altas se hacen a veces por  encadenar un cilindro de ferrita o perla en un alambre. Inductores pequeños pueden ser grabados directamente sobre una placa de circuito impreso por colocar la traza en un patrón espiral. Algunos de tales inductores planares utilizan un núcleo plana. Inductores de valor pequeños también pueden ser construidos en los c ircuitos integrados utilizando los mismos procesos que se utilizan para fabricar transistores. Interconexión de aluminio se usa típicamente, dispuesta en un patrón de espiral de la bobina. Sin embargo, las pequeñas dimensiones limitan la inductancia, y es mucho más común el uso de un circuito llamado "girador" que utiliza unos componentes de condensadores y activa a comportarse de manera similar a un inductor.

3.1. Cálculo de solenoides monocapa

[

H] =

0,001 2 2 +

0,45 

dónde:  = número de espiras  = diámetro de la bobina en mm  = longitud del bobinado en mm

Al emplear la fórmula de Wheeler, la precisión alcanza el 1% para bobinas cuya relación  es mayor que 0,4.

Steven Paico Soplopuco

código: 0201016034

Para f hasta 50MHz se emplea hilo de cobre, y para frecuencias superiores cobre  plateado. En radiofrecuencia se utiliza el hilo de Litz. El hilo conductor utilizado en la fabricación de inductores debe estar aislado con un barniz aislante o recubierto con un aislamiento plástico para evitar cortocircuitos entre las espiras. El valor de inductancia depende también de su capacidad distribuida o parásita, la cual  puede estimarse de la siguiente manera: dónde:  = diámetro de la bobina en mm  = depende de la relación l/D de la bobina

Cp [pF] = K D

Algunos valores de K se presentan a continuación: 4 6 8 10 15 20 30 l/d 0,1 0,3 0,5 0,8 1 2 K 0,096 0,06 0,05 0,05 0,046 0,05 0,072 0,092 0,112 0,132 0,186 0,236 0,34

 Nótese que K se minimiza (y por lo tanto también se minimiza Cp) para una relación      Finalmente el valor de la inductancia se puede conocer aplicando la siguiente fórmula:

L* [ H] =

L 1 - 10-6 (2 pi f)2 L Cp

dónde:  = inductancia calculada [ H] Cp = Capacidad distribuida de la bobina [pF] f = frecuencia de trabajo [MHz]

3.2 Cálculo de toroides monocapa

L [ H] = 0.0002

2 rN

h ln (dext /dint)

dónde: r = permeabilidad relativa del núcleo N = número de vueltas h = altura del toroide [mm] dext = diámetro exterior dint = diámetro interior

Para simplificar los cálculos, los fabricantes de material magnético toroidal proveen un dato clave: el número "AL", que en general representa mH cada 1000 espiras o mH cada 100 espiras. De esta manera:

L [ H] = AL (N/100)2

Steven Paico Soplopuco

código: 0201016034

Los toroides presentan una interesante propiedad: sus líneas de inducción magnética tienden a quedar confinadas en su interior sin llegar a dispersarse por su vecindad como ocurre con los solenoides. Por esto es que se lo conoce como "autoblindado  ".

4.

Aplicaciones

Inductores se utilizan ampliamente en circuitos analógicos y procesamiento de señales. Inductores junto con los condensadores y otros componentes forman circuitos  . Las sintoni zados que puede acentu ar o f iltr ar las fr ecuenci as de señ al especí ficos  aplicaciones van desde el uso de grandes inductores en fuentes de alimentación, que en conjunción con condensadores de filtro eliminar zumbidos residuales conocidos como el zumbido de alimentación u otras fluctuaciones de la salida de corriente continua, a la  pequeña inductancia de la perla de ferrita o un toroide instalado alrededor de un cable a  prevenir la interferencia de frecuencia de radio que se transmiten por el cable. Combinaciones de inductor/condensador pequeñas proporcionan circuitos sintonizados utilizados en la recepción de radio y la radiodifusión, por ejemplo. Dos inductores que han acoplados forma de flujo magnético de un tr ansfor mador  , que es un componente fundamental de cada cuadrícula de energía de la red eléctrica. La eficiencia de un transformador puede disminuir a medida que la frecuencia aumenta debido a las corrientes parásitas en el material del núcleo y efecto de la piel en los devanados. El tamaño del núcleo se puede disminuir a frecuencias más altas. Por esta razón, las aeronaves utilizan 400 hercios actual en lugar de los habituales 50 o 60 hertzios alterna, lo que permite un gran ahorro en el peso de la utilización de transformadores más pequeños. El principio de flujos magnéticos acoplados entre una estacionaria y una bobina de inductor giratorio también se utiliza para producir  par 

mecáni co en l os motor es de indu cción , que son ampliamente utilizados en los aparatos y de la industria. La eficiencia energética de los motores de inducción está influenciada en gran medida por la conductividad del material bobinado. Un inductor se utiliza como el dispositivo de almacenamiento de energía en algunas fuentes de alimentación en modo conmutado. El inductor es activado por una fracción específica de la frecuencia de conmutación del regulador, y se desactiva durante el resto del ciclo. Esta relación de transferencia de energía determina el voltaje de entrada al cociente de la tensión de salida. Este XL se utiliza en complemento con un dispositivo semiconductor activo para mantener un control muy preciso de tensión.

Steven Paico Soplopuco

código: 0201016034

Inductores también se emplean en sistemas de transmisión elé , los que se ctr icos  utilizan para deprimir voltajes de la caída de rayos y para limitar las corrientes de conmutación y corriente de defecto. En este campo, se les conoce más comúnmente como reactores. Grandes inductores de valor pueden ser simulados por el uso de circuitos giradores.

III. MATERIALES Y EQUIPOS:

IV.



Reactor de fluorescente.



Yugo.



Pinza amperimétrica.



Transformadores



Relay

PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS:

En el laboratorio se explicó las aplicaciones

los materiales a estudiar, en la vida

cotidiana, entendiéndose lo siguiente: a) En nuestra vida diaria

encontramos las bobinas en los transformadores para

reducir o elevar el Voltaje.  b) En los sistemas de iluminación con tubos fluorescentes existe un elemento adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama r eactor o balastr o, el cual es una reactancia inducti va que está constituido por una bobina de alambre de cobre esmaltado, enrollada sobre un núcleo de chapas de hierro o de acero eléctrico. c) En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida. d) En los televisores con tubos de rayos catódicos, crt (Cathode Ray Tube), el yugo es el que r ealiza la deflexión electromagnética de la señal de vide o, tanto horizontal  como vertical, desviando los haces verticales y horizontales en la pantalla. El

televisor internamente tiene dos osciladores, uno H y otro V, que generan las

form as de onda para exci tar el yugo , y a la salida es que se conecta el yugo, que  son dos bobinas par a el vertical, y dos para el hor izontal , de for ma toroidal , sobre  un núcleo de ferr ite de una f orma especial, que se coloca en el cuell o del tr c, y se  ajusta con im anes de corr ección, para eli mi nar los defectos de conver genci a, centr ado de la imagen, y el efecto landing, de corrección del efecto del campo  terrestre. Si no hay vertical, se verá una línea brillante al centro. Si no hay

Steven Paico Soplopuco

código: 0201016034

horizontal, no tiene brillo en la pantalla, o según sea la falla, observaras una línea vertical al centro. e) La pinza amperimetrica tiene el siguiente principio de funcionamiento: “toda corriente que circula por un conductor, genera un campo magnético”. Para el caso de nuestra pinza, la corriente que circula por un conductor, crea magnetismo y este magnetismo origina una corriente que circulará por la mandíbula y es la que se registrará en la pantalla de la pinza.

f) Los realys funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. El electroimán hace bascular la armadura al ser  excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es N.A o N.C (normalmente abierto o normalmente cerrado). Si se le aplica un voltaje a la bobina se genera un campo magnético, que provoca que los contactos hagan una conexión. Estos contactos  pueden ser considerados como el interruptor, que  permite que la corriente fluya entre los dos puntos que cerraron el circuito.

V.

CONCLUSIONES: Se conoció la aplicación de los inductores (bobinas) como en los fluorescentes, pinza amperimetrica, transformadores, relays.