La mayor parte de lo que le gustaría saber sobre las bobinas de alambre, pero no se atrevió a preguntar

Si es un constructor electrónico novato, se familiarizará con los componentes electrónicos comunes. Resistencias, capacitores, transistores, diodos, LEDs, circuitos integrados. Estos son el forraje para innumerables proyectos de aprendizaje y encenderán las placas de prueba de muchos propietarios de Raspberry Pi o Arduino.

Hay una omisión flagrante en esa lista, el inductor. Cierto, no es un componente con mucha aplicación en circuitos simples analógicos o lógicos, y además es un poco más caro que otros componentes pasivos. Pero esta omisión crea una brecha de conocimiento con respecto a los inductores, una tendencia a pensar en su uso como una especie de arte negro y una inquietud en torno a su uso en kits y proyectos.

Creemos que esto es una pena, por lo que aquí sigue una introducción a los inductores para el novato en inductores, un intento de desmitificarlos y alentarlo a mirarlos de nuevo si siempre los ha evitado.

Si considera un conductor eléctrico con una corriente que fluye a través de él, la Ley de Oersted nos dice que la corriente creará un campo magnético alrededor del conductor. Si la corriente que fluye a través del conductor cambia, la ley de Lenz nos dice que, a medida que cambia el campo magnético, eso a su vez induce una corriente en el conductor que se opone a la corriente que fluye hacia él. Esta propiedad se conoce como la inductancia.

La inductancia se mide en Henries, se describe mejor en un corte y pegado directo de la enciclopedia que no tiene ningún requisito de memorizar: "La inductancia de un circuito eléctrico es un henry cuando resulta una corriente eléctrica que cambia a un amperio por segundo en una fuerza electromotriz de un voltio a través del inductor". En la práctica, un henrio es una unidad bastante grande, por lo que es más probable que encuentre milihenrios, microhenrios o incluso nanohenrios.

Por supuesto, un solo conductor, o pieza de alambre, no tiene mucha capacidad para crear un campo magnético, por lo que no tiene mucha inductancia. Puede aumentar la inductancia aumentando la longitud del conductor, pero dado que pronto se quedará sin espacio para piezas de cable muy largas, es normal que todos los inductores, excepto los más pequeños, tengan esa longitud de cable enrollada en una bobina, y alrededor de un núcleo hecho de un material con una permeabilidad magnética más alta que el aire. Así, el símbolo esquemático de un inductor es una representación de una bobina de alambre.

Así que hemos tratado con lo que es un inductor. ¿Qué tal lo que hace? ¿Dónde usará uno y cómo se usará?

Si usted es un experimentador o constructor electrónico, lo más probable es que encuentre un inductor en un filtro de CC, un inversor reductor/elevador, como un transformador, o si lo suyo es la radio, en un circuito sintonizado o filtro de RF. No se limitan a esta selección, pero considerar estos casos debería servir para desmitificar los inductores y animarte a darles otra mirada.

¿Alguna vez ha abierto una fuente de alimentación conmutada, tal vez un modelo ATX desde una PC? Por supuesto que sí, ¡eres un lector de Hackaday! Si examinó los componentes, habrá notado un montón de inductores con bobinas de alambre de cobre cubierto de esmalte grueso junto a donde emergen los cables de CC para alimentar su computadora. Estos sirven junto con los condensadores de suavizado como filtro, para eliminar las frecuencias altas y dejar solo la CC en la salida de la fuente de alimentación.

Si recuerda el párrafo anterior en el que mencionamos que una corriente que cambia rápidamente provoca un campo magnético cambiante que a su vez induce una corriente opuesta, puede comenzar a comprender la teoría de cómo funcionan estos filtros: las corrientes de alta frecuencia opuestas inducidas cancelan la entrada. corrientes responsables de ellos, mientras que el componente de CC estable no provoca cambios en el campo magnético y, por lo tanto, no hay corriente inversa y pasa sin oposición.

Los inversores Buck y Boost, en comparación, utilizan la capacidad del inductor para almacenar energía como un campo magnético para convertir eficientemente la energía de CC de un voltaje a otro. Si pasa una corriente a través de un inductor, está almacenando energía en el campo magnético que ha creado a su alrededor, cuando detiene la corriente, ese campo colapsa y libera su energía al inducir una corriente inversa en el inductor. Este proceso ocurre muy rápidamente, por lo que se puede liberar una cantidad significativa de energía en muy poco tiempo como un pico de voltaje muy alto. A veces, este pico es una molestia, por ejemplo, los controladores de relé incorporan un diodo para conducirlo de forma segura lejos de sus transistores, pero en un convertidor elevador, el inductor se pulsa repetidamente con energía y los picos resultantes se desvían a través de un diodo en un condensador de depósito desde el cual un Se puede derivar un voltaje de salida más alto.

En comparación, un convertidor reductor utiliza la energía almacenada en un inductor para liberar un pulso de corriente más alta a un voltaje más bajo en lugar del pico de corriente baja de alto voltaje del convertidor elevador. El circuito básico se muestra a la izquierda, los pulsos de corriente crean un campo magnético cambiante en el inductor que induce un voltaje inverso que a su vez reduce el voltaje en la carga.

Ambos circuitos de ejemplo para convertidores reductores y elevadores que se muestran aquí están simplificados con fines ilustrativos. En la práctica, el interruptor será reemplazado por un transistor accionado por un oscilador cuyo ancho de pulso varía mediante un circuito de retroalimentación conectado a la carga. Este puede ser un circuito de componentes discretos sorprendentemente simple, pero en ambos casos hay una cantidad significativa de circuitos integrados listos para usar diseñados para el trabajo cuyas hojas de datos proporcionarán información valiosa sobre los valores de inductores adecuados.

Si coloca un conductor en un campo magnético cambiante, se inducirá una corriente en él. Nuevamente la Ley de Lenz. Así funcionan las dínamos y los generadores, y el efecto que nos da la corriente inversa en los inductores del que venimos hablando en los últimos párrafos. Entonces, si coloca un inductor dentro del campo magnético cambiante creado por otro inductor, ese campo magnético inducirá una corriente en el primer inductor. Habrás creado un transformador, y si nos referimos al primer inductor como primario y al segundo como secundario, la relación entre el voltaje de CA primario y secundario es la misma que la relación entre el número de vueltas de cable en el primario y el secundario. De un golpe podemos cambiar los voltajes de CA de un nivel a otro, y hacerlo manteniendo un aislamiento físico completo entre el primario y el secundario.

Los transformadores prácticos se construyen de modo que los campos magnéticos de los dos inductores estén lo más estrechamente acoplados posible. Las dos bobinas de alambre ocuparán el mismo formador y se enrollarán alrededor del mismo material del núcleo, con el objetivo de que todo el flujo magnético que creen quede contenido dentro de ese núcleo en lugar de desperdiciarse en los alrededores. Los diseñadores de un transformador tendrán que lidiar con pérdidas debidas a corrientes inducidas en el núcleo, así como pérdidas debidas a la resistencia del cable, ambas produciendo calor y con la posibilidad de que el núcleo se sature con un campo magnético y el dispositivo se vuelva inservible. -lineal a la frecuencia de operación.

A frecuencias más bajas, como las que utiliza la red eléctrica, el núcleo suele adoptar la forma de láminas de hierro aisladas de sus vecinos para reducir las corrientes inducidas. A medida que aumenta la frecuencia de operación, el tamaño del núcleo requerido para evitar la saturación magnética disminuye, por lo que hay una disminución correspondiente en el tamaño del transformador. Este efecto se compensa con el requisito de materiales de núcleo de mayor rendimiento para trabajar a frecuencias más altas y, por esta razón, verá núcleos hechos de cerámica ferromagnética conocida como ferrita en los transformadores de alta frecuencia que se encuentran en fuentes de alimentación conmutadas o aplicaciones de RF.

Hay otro tipo de transformador que puede encontrar, el autotransformador. Por lo general, estos se utilizan en los transformadores elevadores o reductores de red de bajo costo que puede comprar en el mostrador si desea usar un aparato europeo de 230v en los 110v de los EE. UU., o viceversa. Un autotransformador no tiene devanados separados, sino que tiene un devanado con una tercera conexión en algún lugar en el medio. Aplique un voltaje de CA entre la parte inferior del devanado y esta tercera conexión, e inducirá un voltaje en la parte superior de los devanados proporcional a la relación entre el número de vueltas hasta la tercera conexión y el número total de vueltas. Su funcionamiento es muy similar al de un transformador convencional, sin embargo no proporciona un aislamiento físico entre primario y secundario y por lo tanto no ofrece aislamiento de la red eléctrica.

Probablemente, el área de mayor mística sobre los inductores rodea su uso en circuitos de RF. Las personas tentadas a intentar construir un proyecto de radio se resisten a la idea de enrollar sus propios inductores, y el tema de su diseño puede ser responsable de la mayor parte de ese arte negro que mencionamos anteriormente.

En un circuito de RF, el diseñador está más interesado en la frecuencia de resonancia de un circuito que contiene inductancia y capacitancia. En términos muy simples, si conecta un capacitor y un inductor en paralelo y aplica un pulso de corriente al circuito, la energía "rebotará" entre el campo magnético en el inductor a través de la corriente eléctrica en los cables de conexión a la carga almacenada en el capacitor y viceversa. nuevamente hasta que las pérdidas de resistencia hagan que la energía se disipe, y lo hará a una frecuencia que depende de la inductancia y la capacitancia involucradas. Existe una fórmula sencilla para calcular la resonancia que todo radioaficionado recitará como un loro: "F es igual a uno sobre dos Pi raíz LC", pero afortunadamente hay numerosas calculadoras de resonancia en línea si prefiere ahorrar un poco de esfuerzo.

Tal vez haya menos necesidad de la que alguna vez hubo de inquietud por el diseño de inductores de RF y, en particular, por la idea de enrollar sus propios inductores. Los prácticos inductores de RF en valores preestablecidos están disponibles listos para usar de varios fabricantes, junto con inductores ajustables con núcleos de ferrita roscados que se pueden mover dentro del cuerpo del inductor. Estos componentes no son tan baratos como sus homólogos de resistencias y condensadores, pero facilitan significativamente la vida del constructor de RF.

Esperamos que si usted es un novato en inductores, este artículo le haya brindado una base básica en el tema y haya desmitificado estos componentes para usted. Sin embargo, como siempre, no hay sustituto para la experiencia práctica, por lo que si su curiosidad se ha despertado sobre el tema, le sugerimos que se familiarice con el tema construyendo algunos circuitos inductores. Comience con un simple convertidor reductor o elevador basado en un circuito integrado comercial y eche un vistazo a los voltajes y formas de onda involucrados con su osciloscopio. ¡Hay todo un mundo de bondad magnética por descubrir!