inductor

INDUCTOR

Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.

Un inductor es un arrollamiento de un material conductor sobre un núcleo de aire o preferentemente de un material ferromagnético. Al igual que un capacitor, también almacena energía pero mientras que el capacitor lo hace en el campo eléctrico, el inductor lo hace en un campo magnético. 

Cuando circula una corriente eléctrica por el inductor, éste genera un campo magnético y por lo tanto un flujo magnético. Si el flujo es variable, puede inducirse en otra bobina cercana generando en ésta una fuerza electromotriz inducida.

Si se hace circular una corriente alterna a través del inductor, el campo magnético varía según la frecuencia de la tensión y por lo tanto el flujo es variable y puede inducirse en otro inductor. Si en cambio se hace circular una corriente continua, el flujo es únicamente variable cuando se crea el campo (al conectar la alimentación) y cuando el campo se autoinduce (al desconectar la alimentación) y por lo tanto si hay otro inductor, la FEM inducida aparece únicamente en esos dos instantes de tiempo.

Construcción 

Un inductor está constituido normalmente por una bobina de conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo hecho de material ferroso (por ejemplo, acero magnético), para incrementar su capacidad de magnetismo.

Los inductores pueden también estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. En estos casos se usa, comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho más práctico usar un circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un inductor.

El inductor consta de las siguientes partes:

Ø Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.

Ø Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.

Ø Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar.

Ø Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor.

Ø Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro.

Ø Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.

También pueden fabricarse pequeños inductores, que se usan para frecuencias muy altas, con un conductor pasando a través de un cilindro de ferrita o granulado.

Funcionamiento de una bobina 

Sea una bobina o solenoide de longitud l, sección S y de un número de espiras N, por el que circula una corriente eléctrica i(t).

Aplicando la Ley de Biot-Savart que relaciona la inducción magnética, B(t), con la causa que la produce, es decir, la corriente i(t) que circula por el solenoide, se obtiene que el flujo magnético Φ(t) que abarca es igual a:

Si el flujo magnético es variable en el tiempo, se genera en cada espira, según la Ley de Faraday, una fuerza electromotriz (f.e.m.) de autoinducción que, según la Ley de Lenz, tiende a oponerse a la causa que la produce, es decir, a la variación de la corriente eléctrica que genera dicho flujo magnético. Por esta razón suele llamarse fuerza contra electromotriz. Ésta tiene el valor:

A la expresión   se le denomina Coeficiente de autoinducción, L, el cuál relaciona la variación de corriente con la f.e.m. inducida y, como se puede ver, depende únicamente de la geometría de la bobina o solenoide. Se mide en Henrios.

 

Energía almacenada 

La bobina almacena energía eléctrica en forma de campo magnético cuando aumenta la intensidad de corriente, devolviéndola cuando ésta disminuye. Matemáticamente se puede demostrar(Fig. 5.3.6) que la energía  , almacenada por una bobina con inductancia  , que es recorrida por una corriente de intensidad  , viene dada por:

CLASIFICACIÓN DE CONDUCTORES                                                                                                         

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.

Nota: radiofrecuencia (100kHz a 100GHz) <> audiofrecuencia (20Hz a 20kHz).

2 Según la forma constructiva:

• Solenoides:  
• Toroides:

3 Según la frecuencia de la corriente aplicada:

• Alta frecuencia: de reducido tamaño y número de espiras
• Baja frecuencia: de mayor tamaño y número de espiras

4 Según el recubrimiento: -, plástico, resina, metal (apantalladas).

5 Según la característica de su valor: fijos y ajustables.

6 Según el tipo de montaje: de inserción y SMD.

En la siguiente tabla se pueden observar los inductores más comunes: 

Tipo	Formato	Valores típicos	Aplicaciones
Solenoides: núcleo de aire núcleo de ferrita		1nH a 15mH	generales, filtros, convertidores DC/DC
Toroides		1uH a 30mH	para filtrar transitorios
Encapsulados o moldeados		0.1uH a 1mH	osciladores y filtros
Chips		1nH a 1mH	aplicaciones generales
Ajustables		1nH a 7mH	osciladores y circuitos de RF como transmisores y receptores

Inductor en corriente continúa 

(c.c.)

La bobina o inductor es formado de un alambre conductor con el cual se han hecho espiras a manera, en su forma más sencilla, de un resorte.

Si se aplica corriente continua (corriente que no varía con el tiempo) a un inductor, éste se comporta como un corto circuito y dejará pasar la corriente a través de ella sin ninguna oposición.

Pero en la bobina si existe oposición al paso de la corriente, y esto sucede sólo en el momento en que se hace la conexión a la fuente de voltaje y dura por un tiempo muy pequeño (estado transitorio).

Lo que sucede es que en ese pequeño espacio de tiempo corriente esta variando desde 0V hasta su valor final de corriente continua (la corriente varía con el tiempo por un espacio de tiempo muy pequeño)

Inductor en la corriente alterna (c.a.)

La bobina como la resistencia se opone al flujo de la corriente, pero a diferencia de ésta, el valor de esta oposición se llama reactancia inductiva y se representa por: XL y se puede calcular con: la Ley de Ohm: XL = V / I y por la fórmula: XL = 2π x f x L

Donde:
- XL: reactancia inductiva en ohmios
- V: voltaje en voltios
- I: corriente en amperios
- π: constante (pi): 3.1416
- f: frecuencia en hertz
- L: inductancia en henrios

 

Angulo de fase de la bobina en corriente alterna

En la bobina el voltaje adelanta a la corriente en 90°. Ver gráfico:

Las señales alternas como la corriente alterna (nuestro caso) tiene la característica de ser periódica, esto significa que esta se repite a espacios fijos de tiempo.

Si dos señales periódicas iguales están en fase, sus valores máximos y mínimos coinciden.

Si una señal se atrasa respecto a otra a tal punto de que estas vuelven a coincidir en estos valores (máximo y mínimo) se dice que el desfase fue de 360°.

Desfases intermedios serían de 180° (las ondas están desfasadas en la mitad de su período) y desfase de 90° (las ondas están desfasadas en la cuarta parte de su período)