Inductor

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Inductor ( estrangulador  obsoleto ): bobina helicoidal , espiral o helicoidal de un conductor aislado enrollado , que tiene una inductancia significativa con una capacitancia relativamente pequeña y una resistencia activa baja . Como resultado, cuando una corriente eléctrica alterna fluye a través de la bobina , se observa su importante inercia.

Se utilizan para supresión de interferencias , suavizado de latidos, almacenamiento de energía, limitación de corriente alterna , en circuitos resonantes ( circuito oscilante ) y selectivos de frecuencia , como elementos de inductancia de líneas de retardo artificial con parámetros agrupados, creación de campos magnéticos , sensores de desplazamiento, etc. .

Terminología

Términos estandarizados:

Una bobina inductiva es un elemento de un circuito eléctrico diseñado para usar su inductancia [1] (GOST 19880-74, consulte el término 106).

Un inductor es una bobina inductiva que es un elemento de un circuito oscilatorio y está diseñado para usar su factor de calidad [2] (GOST 20718-75, consulte el término 1).

Un reactor eléctrico es una bobina inductiva diseñada para usarse en un circuito eléctrico de potencia [3] (GOST 18624-73, consulte el término 1). Un tipo de reactor es el reactor limitador de corriente , por ejemplo, para limitar la corriente de cortocircuito de las líneas eléctricas .

Cuando se utiliza para la supresión de interferencias , suavizar las ondas de la corriente eléctrica , aislar (desacoplar) a alta frecuencia las diferentes partes del circuito y almacenar energía en el campo magnético del núcleo, a menudo se denomina estrangulador y, a veces, reactor. Esta interpretación del término no estandarizado "acelerador" (que es un papel de calco con el alemán Drossel) se cruza con términos estandarizados. Si el funcionamiento de este elemento del circuito se basa en el factor de calidad de la bobina, dicho elemento debe llamarse "inductor", de lo contrario, "bobina inductiva".

Un inductor cilíndrico cuya longitud es mucho mayor que el diámetro se llama solenoide , el campo magnético dentro del solenoide largo es uniforme. Además, un solenoide a menudo se llama un dispositivo que realiza un trabajo mecánico debido a un campo magnético cuando se atrae un núcleo ferromagnético, o un electroimán . En los relés electromagnéticos , se les llama bobinado de relé , con menos frecuencia, un electroimán.

Inductor de calentamiento  : un inductor especial, el cuerpo de trabajo de las instalaciones de calentamiento por inducción .

Cuando se utiliza para el almacenamiento de energía (por ejemplo, en un circuito regulador de voltaje de conmutación ) se denomina almacenamiento por inducción o estrangulador de almacenamiento.

Construcción

Estructuralmente, está hecho en forma de bobinas helicoidales o helicoidales (el diámetro del devanado varía a lo largo de la bobina) de bobinados de una o varias capas de un conductor aislado de un solo núcleo o trenzado ( alambre litz ) en un marco dieléctrico de un sección transversal redonda, rectangular o cuadrada, a menudo en un marco toroidal o, cuando se usa un alambre grueso y un pequeño número de vueltas, sin marco. A veces, para reducir la capacitancia parásita distribuida , cuando se usan como un estrangulador de alta frecuencia , los inductores de una sola capa se enrollan con un paso "progresivo": el paso del devanado cambia suavemente a lo largo de la bobina. El bobinado puede ser de una sola capa (ordinario y con un paso) o de múltiples capas (tipo ordinario, a granel, universal). La "camioneta" de bobinado tiene una capacitancia parásita más baja. A menudo, nuevamente, para reducir la capacitancia parásita, el devanado se realiza en secciones, los grupos de vueltas se separan espacialmente (generalmente a lo largo) entre sí.

Para aumentar la inductancia, las bobinas suelen estar provistas de un núcleo ferromagnético cerrado o abierto. Los inductores de supresión de interferencias de alta frecuencia tienen núcleos ferrodieléctricos: ferrita , fluxtrol, carbonilo de hierro . Las bobinas diseñadas para suavizar las pulsaciones de las frecuencias industriales y de audio tienen núcleos hechos de aceros eléctricos o aleaciones magnéticas blandas ( permalloys ). Además, los núcleos (en su mayoría ferromagnéticos, con menos frecuencia diamagnéticos ) se utilizan para cambiar la inductancia de las bobinas dentro de pequeños límites al cambiar la posición del núcleo en relación con el devanado. En las frecuencias de microondas , cuando los ferrodieléctricos pierden su permeabilidad magnética y aumentan drásticamente las pérdidas, se utilizan núcleos de metal ( latón ).

En las placas de circuito impreso de los dispositivos electrónicos, a veces también se fabrican "bobinas" planas de inductancia: la geometría del conductor impreso se realiza en forma de espiral redonda o rectangular, línea ondulada o meandro . Dichos "inductores" se utilizan a menudo en dispositivos digitales ultrarrápidos para igualar el tiempo de propagación de un grupo de señales a lo largo de diferentes conductores impresos desde la fuente hasta el receptor, por ejemplo, en buses de datos y direcciones [4] .

Propiedades de un inductor

Propiedades del inductor:

Un inductor en un circuito eléctrico para corriente alterna no solo tiene su propia resistencia óhmica (activa), sino también la reactancia a la corriente alterna , que aumenta con el aumento de la frecuencia, ya que cuando la corriente cambia en la bobina, se produce una fem de autoinducción , lo que evita este cambio.

El inductor tiene una reactancia , cuyo módulo , donde  es la inductancia de la bobina,  es la frecuencia cíclica de la corriente que fluye. En consecuencia, cuanto mayor sea la frecuencia de la corriente que circula por la bobina, mayor será su resistencia.

Una bobina con corriente almacena energía en un campo magnético igual al trabajo que debe realizarse para establecer la corriente actual . Esta energía es:

Cuando la corriente cambia en la bobina, surge una FEM de autoinducción, cuyo valor es:

Para un inductor ideal (que no tiene parámetros parásitos), la FEM de autoinducción es igual en magnitud y de signo opuesto al voltaje en los extremos de la bobina:

Cuando una bobina con corriente se cierra a una resistencia, se produce un transitorio , en el que la corriente en el circuito disminuye exponencialmente de acuerdo con la fórmula [5] :

donde:  - corriente en la bobina,

 es la corriente inicial de la bobina,  - tiempo actual,  es la constante de tiempo .

La constante de tiempo se expresa mediante la fórmula:

donde  es la resistencia de la resistencia,

 es la resistencia óhmica de la bobina.

Al cortocircuitar una bobina con corriente, el proceso se caracteriza por su propia constante de tiempo de la bobina:

Cuando tiende a cero, la constante de tiempo tiende a infinito, por lo que la corriente fluye "siempre" en los circuitos superconductores .

En un circuito de corriente sinusoidal, la corriente en la bobina se retrasa con respecto a la fase del voltaje en ella por π/2.

El fenómeno de la autoinducción es similar a la manifestación de la inercia de los cuerpos en la mecánica, si tomamos masa, corriente - velocidad, voltaje - fuerza como un análogo de la inductancia, entonces muchas fórmulas de la mecánica y el comportamiento de la inductancia en un circuito. tomar una forma similar:

↔ ,

dónde

↔ ↔ ; ↔ ; ↔

Características de un inductor

Inductancia

El parámetro principal de un inductor es su inductancia , numéricamente igual a la relación del campo magnético creado por el flujo de corriente , que penetra en la bobina, a la fuerza de la corriente que fluye. Los valores típicos de inductancia de bobina son de décimas de µH a decenas de H.

La inductancia de la bobina es proporcional a las dimensiones lineales de la bobina, la permeabilidad magnética del núcleo y el cuadrado del número de vueltas de bobinado. Inductancia de la bobina del solenoide :

donde  esta la constante magnetica  - permeabilidad magnética relativa del material del núcleo (depende de la frecuencia),  es el área de la sección transversal del núcleo,  - la longitud de la línea media del núcleo,  - número de vueltas.

Cuando las bobinas están conectadas en serie, la inductancia total es igual a la suma de las inductancias de todas las bobinas conectadas:

Cuando las bobinas están conectadas en paralelo, la inductancia total es:

Resistencia a la pérdida

En los inductores, además del efecto principal de la interacción de la corriente y el campo magnético, se observan efectos parásitos, por lo que la impedancia de la bobina no es puramente reactiva. La presencia de efectos parásitos provoca la aparición de pérdidas en la bobina, estimadas por la resistencia de pérdida .

Las pérdidas están compuestas por pérdidas en hilos, dieléctrico, núcleo y pantalla:

donde  - pérdidas en los cables,  - pérdidas en el dieléctrico,  - pérdida en el núcleo,  - pérdidas por corrientes de Foucault Pérdidas en cables

Las pérdidas en los cables son causadas por tres razones:

  • Los cables de bobinado tienen resistencia óhmica (activa) .
  • La resistencia del alambre de bobinado aumenta con el aumento de la frecuencia, debido al efecto pelicular . La esencia del efecto es el desplazamiento de la corriente hacia las capas superficiales del cable. Como resultado, la sección transversal útil del conductor disminuye y la resistencia aumenta.
  • En los cables del devanado, retorcidos en espiral, se manifiesta el efecto de proximidad, cuya esencia es el desplazamiento de la corriente bajo la influencia de las corrientes de Foucault y un campo magnético hacia la periferia del devanado. Como resultado, la sección transversal a través de la cual fluye la corriente toma una forma de media luna, lo que conduce a un aumento adicional en la resistencia del cable.
Pérdidas dieléctricas

Las pérdidas en el dieléctrico (aislamiento del cable y estructura de la bobina) se pueden clasificar en dos categorías:

  • Pérdidas del dieléctrico de un capacitor entre vueltas (fuga entre vueltas y otras pérdidas características de los dieléctricos de capacitores ).
  • Pérdidas debidas a las propiedades magnéticas del dieléctrico (estas pérdidas son similares a las pérdidas en el núcleo).

En general, para las bobinas modernas de uso general, las pérdidas dieléctricas suelen ser insignificantes.

Pérdida de núcleo

Las pérdidas en el núcleo se componen de pérdidas debidas a corrientes de Foucault , pérdidas debidas a la inversión de la magnetización de un ferromagneto  , a " histéresis ".

En VHF, las pérdidas en ferritas se vuelven inaceptables; se usa un tornillo de latón para ajustar tales bobinas. Parecería que la bobina en cortocircuito resultante debería reducir el factor de calidad. Pero debido a la baja resistencia, casi no hay pérdidas en él, y el EMF posterior (variable) desplaza efectivamente el campo magnético fuera del núcleo, reduciendo el "espacio libre" para sus líneas de campo, lo que le permite ajustar la inductancia. Pérdidas por corrientes de Foucault

Un campo magnético alterno induce EMF de remolino en los conductores circundantes, por ejemplo, en el núcleo, la pantalla y en los cables de espiras adyacentes. Las corrientes de Foucault resultantes se convierten en una fuente de pérdidas debido a la resistencia óhmica de los conductores.

Factor de calidad

Otra característica está íntimamente relacionada con las resistencias a la pérdida - factor de calidad . El factor de calidad de un inductor determina la relación entre las resistencias reactiva y activa de la bobina. El factor de calidad es:

A veces, las pérdidas en la bobina se caracterizan por la tangente del ángulo de pérdida (el recíproco del factor de calidad), la tangente del ángulo de cambio entre las fases de la corriente y el voltaje de la bobina en el circuito de señal sinusoidal en relación con el ángulo  - para una bobina ideal.

En la práctica, el factor de calidad se encuentra en el rango de 30 a 200. Se logra un aumento en el factor de calidad mediante una elección óptima del diámetro del alambre, un aumento en el tamaño del inductor y el uso de núcleos con alta permeabilidad magnética y baja pérdidas, bobinado del tipo "universal", uso de alambre plateado, uso de alambre trenzado del tipo "alambre litz " para reducir las pérdidas causadas por el efecto piel .

Capacitancia parásita y autorresonancia

La capacitancia parásita entre espiras del conductor como parte del inductor convierte la bobina en un circuito distribuido complejo. Como primera aproximación, podemos suponer que la bobina real es equivalente a una inductancia ideal conectada en serie con una resistencia de resistencia activa de devanado con una capacitancia parásita conectada en paralelo a este circuito (ver Fig.). Como resultado, el inductor es un circuito oscilante con una frecuencia de resonancia característica . Esta frecuencia de resonancia se puede medir fácilmente y se denomina frecuencia de resonancia natural del inductor. A frecuencias mucho más bajas que la frecuencia de resonancia natural, la impedancia de la bobina es inductiva, a frecuencias cercanas a la resonancia es principalmente activa (puramente activa en la frecuencia de resonancia) y grande en valor absoluto, a frecuencias mucho más altas que la frecuencia de resonancia natural. es capacitivo. Normalmente, el fabricante especifica la frecuencia natural en la hoja de datos de los inductores industriales, ya sea explícita o implícitamente como una frecuencia operativa máxima recomendada.

A frecuencias por debajo de la resonancia propia, este efecto se manifiesta en una disminución del factor de calidad al aumentar la frecuencia.

Para aumentar la frecuencia de resonancia natural, se utilizan esquemas complejos de devanado de bobina, un devanado se divide en secciones espaciadas.

Coeficiente de temperatura de inductancia (TCI)

TKI es un parámetro que caracteriza la dependencia de la inductancia de la bobina con la temperatura.

La inestabilidad de la temperatura de la inductancia se debe a una serie de factores: cuando se calienta, la longitud y el diámetro del cable de bobinado aumentan, la longitud y el diámetro del marco aumentan, como resultado de lo cual cambian el paso y el diámetro de las vueltas; además, cuando cambia la temperatura, cambia la constante dieléctrica del material del marco, lo que conduce a un cambio en la autocapacitancia de la bobina. La influencia de la temperatura sobre la permeabilidad magnética del ferromagneto del núcleo es muy significativa:

Coeficiente de temperatura del factor de calidad (TKD)

TKD es un parámetro que caracteriza la dependencia del factor de calidad de la bobina con la temperatura. La inestabilidad de la temperatura del factor de calidad se debe al mismo número de factores que la inductancia.

Variedades de inductores

Inductores de bucle utilizados en ingeniería de radio Estas bobinas se utilizan junto con condensadores para formar circuitos resonantes. Deben tener una alta estabilidad térmica y a largo plazo, y el factor de calidad , los requisitos de capacitancia parásita suelen ser insignificantes. Bobinas de acoplamiento o transformadores de acoplamiento Un par o más de bobinas que interactúan con campos magnéticos generalmente se conectan en paralelo con capacitores para organizar circuitos oscilatorios. Estas bobinas se utilizan para proporcionar un acoplamiento de transformador entre circuitos individuales y cascadas, lo que permite separar por corriente continua, por ejemplo, el circuito base de la siguiente cascada amplificadora del colector de la cascada anterior, etc. Transformadores de aislamiento no resonantes no están sujetos a requisitos estrictos de factor de calidad y precisión, por lo tanto, están hechos de alambre delgado en forma de dos bobinados de pequeñas dimensiones. Los principales parámetros de estas bobinas son la inductancia y el coeficiente de acoplamiento (coeficiente de inductancia mutua). Variómetros Estas son bobinas cuya inductancia se puede controlar (por ejemplo, para sintonizar la frecuencia de resonancia de los circuitos oscilatorios) cambiando la posición relativa de dos bobinas conectadas en serie . Una de las bobinas es fija (estator), la otra suele estar ubicada dentro de la primera y gira (rotor). Hay otros diseños de variómetros. Cuando cambia la posición del rotor con respecto al estator, cambia el grado de inductancia mutua y, en consecuencia, la inductancia del variómetro. Tal sistema hace posible cambiar la inductancia por un factor de 4–5. En los ferrovariómetros, la inductancia cambia moviendo el núcleo ferromagnético en relación con el devanado o cambiando la longitud del entrehierro de un circuito magnético cerrado. estranguladores Estos son inductores con alta resistencia de CA y baja resistencia de CC. Los choques se conectan en serie con la carga para limitar la corriente alterna en el circuito; a menudo se usan en los circuitos de potencia de los dispositivos de ingeniería de radio como elemento de filtro y también como balasto para convertir las lámparas de descarga en una red de voltaje alterno. Para redes eléctricas con frecuencias de 50-60 Hz, se fabrican en núcleos de acero de transformador. A frecuencias más altas, también se utilizan núcleos de permalloy o ferrita . Un tipo especial de estranguladores son los barriles de ferrita (perlas o anillos) que suprimen las interferencias y se ensartan en alambres individuales o grupos de alambres (cables) para suprimir las interferencias de modo común de alta frecuencia. Filtro de modo común El filtro de modo común utiliza dos inductores de contrabobinado o acoplados. Debido al contrabobinado y la inducción mutua, son más efectivos para filtrar interferencias de modo común con las mismas dimensiones. Con devanado consonante, son efectivos para suprimir el ruido diferencial. dichos filtros se utilizan ampliamente como filtros de entrada para fuentes de alimentación; en filtros de señal diferencial de líneas digitales, así como en tecnología de audio [6] [7] . Están diseñados para proteger las fuentes de alimentación del ingreso de señales de alta frecuencia inducidas desde la red de suministro y para evitar la penetración de interferencias electromagnéticas creadas por el dispositivo en la red de suministro. A bajas frecuencias, se utiliza en filtros de alimentación y suele tener un núcleo ferromagnético (hecho de acero de transformador). Para filtrar interferencias de alta frecuencia - núcleo de ferrita.

Aplicación de inductores

  • Los inductores (junto con los capacitores y/o las resistencias ) se utilizan para construir varios circuitos con propiedades dependientes de la frecuencia, en particular, filtros, circuitos de retroalimentación , circuitos oscilatorios , etc.
  • Los inductores se utilizan en los reguladores de conmutación como un elemento que almacena energía y convierte los niveles de voltaje.
  • Dos o más bobinas acopladas inductivamente forman un transformador .
  • Un inductor, conectado periódicamente a través de un interruptor de transistor a una fuente de bajo voltaje, a veces se usa como fuente de alto voltaje de baja potencia en circuitos de baja corriente, cuando es imposible crear un alto voltaje de suministro separado en la fuente de alimentación o no es económicamente factible. En este caso , se producen picos de alta tensión en la bobina por autoinducción , que, tras ser rectificados por el diodo y suavizados por el condensador, se convierten en una tensión constante.
  • Las bobinas también se utilizan como electroimanes  : actuadores.
  • Las bobinas se utilizan como fuente de energía para calentar plasma acoplado inductivamente , así como para su diagnóstico.
  • Para comunicaciones por radio, que reciben ondas electromagnéticas, rara vez, para radiación:
    • antena de ferrita;
    • antena de cuadro, antena de anillo;
    • Radiador de anillo de discontinuidad direccional (DDRR);
    • bucle de inducción
  • Para calentar materiales eléctricamente conductores en hornos de inducción .
  • Como sensor de desplazamiento : el cambio en la inductancia de la bobina puede variar ampliamente a medida que el núcleo ferromagnético se mueve en relación con el devanado.
  • El inductor se utiliza en sensores de campo magnético de inducción en magnetómetros de inducción [8]
  • Para crear campos magnéticos en aceleradores de partículas elementales, confinamiento de plasma magnético, en experimentos científicos, en tomografía magnética nuclear. Los potentes campos magnéticos estacionarios, por regla general, son creados por bobinas superconductoras.
  • Para el almacenamiento de energía.

Véase también

Notas

  1. GOST 19880-74 “Ingeniería eléctrica. Conceptos básicos. Términos y definiciones" . Consultado el 9 de enero de 2019. Archivado desde el original el 10 de enero de 2019.
  2. GOST 20718-75 “Inductores de equipos de comunicación. Términos y definiciones" . Consultado el 9 de enero de 2019. Archivado desde el original el 10 de enero de 2019.
  3. GOST 18624-73 “Reactores eléctricos. Términos y definiciones" . Consultado el 9 de enero de 2019. Archivado desde el original el 10 de enero de 2019.
  4. Evaluación de los efectos de blindaje en transformadores de placa de circuito impreso  (enlace no disponible)
  5. Un ejemplo del cálculo del proceso transitorio, ver el artículo Cálculo operativo .
  6. A. Sorokin - Tipos de interferencia en las líneas de transmisión de información y formas de tratarlas. . Consultado el 19 de febrero de 2010. Archivado desde el original el 9 de julio de 2010.
  7. Fuente de alimentación del equipo . Consultado el 19 de febrero de 2010. Archivado desde el original el 9 de febrero de 2009.
  8. Magnetómetro Fluxgate Archivado el  8 de diciembre de 2009 en Wayback Machine  . 

Literatura

  • Carrete, bobina // Diccionario enciclopédico de Brockhaus y Efron  : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - San Petersburgo. , 1890-1907.
  • Kotenev SV, Evseev AN Cálculo y optimización de transformadores toroidales y choques. - M .: Línea directa - Telecom, 2013. - 360 p. - 500 copias. - ISBN 978-5-9912-0186-5 .
  • Frolov A.D. Componentes y nodos de radio. - M. : Escuela Superior, 1975. - S. 135-194. — 440 s. — (Libro de texto para universidades).

Enlaces