Inductores

De todos los elementos electrónicos a los que se puede tener acceso, las bobinas o inductores son los mas fáciles de hacer en casa.

Las bobinas también son de los primeros elementos con los que uno tiene que hacer cálculos en la carrera (uno se pelea muy seguido con algunas derivadas, bla bla bla).

El detalle con estos elementos es que, para realmente divertirse con ellos, hay que tener algunos estudios que salen de los niveles básicos de la electrónica, por ejemplo: hacer filtros de señales, transformadores, convertidores dc/dc, fuentes conmutadas, fuentes de muy alto voltaje (10-100 kV), etc.

Hay muchos sitios sobre como calcular bobinas/solenoides, y la verdad no pretendo llenar esto de formulas (por lo menos esta vez 😛 ). Asi que solo daré unos «consejos/características» acerca de las bobinas, como el tipo de alambre, núcleos, etc.

Primero lo primero: La forma

Cilíndrica:

Digamos que es la forma «básica», tiene como ventajas que es muy fácil de construir, se pueden modificar (puedes quitar algunas espiras para cambiar su valor; incluso en ocasiones puedes agregar espiras), también les puedes alterar el valor cambiando el núcleo. El calculo para hacer un inductor con esta forma es bastante sencillo, solo basta con escribir «coil calculations» o «coil calculator» en google y saldrán miles de opciones, todas igual de buenas.

Las aplicaciones para esta forma son muchas: bobina «tesla», detectores de metales, cañones magnéticos, RFID, antenas, lamparas de farady, electroimanes, bocinas, etc.

Ahora bien, ¿que problemas podrían aparecer cuando hacemos este tipo de inductores? Bueno, pues hay varios, para empezar, si es con núcleo de aire, sera el tamaño del inductor, por ejemplo: para lograr una bobina de 10uH con una dimensión de 1cm de largo por 5mm de diámetro hay que dar 70.4 vueltas de alambre de calibre 36AWG (que tiene un diámetro de 0.127mm!!!)  si uno quiere mas, puede aumentar el diámetro, o bien, si se necesita un calibre decente como 24AWG, el diámetro tendría que ser de una pulgada (25.4mm) y dar unas 18 vueltas. Para hacer bobinas con un valor mas grande como 100uH, las dimensiones serian: 1 pulgada de largo por 2 pulgadas de diámetro. Otro problema es que son mas susceptibles al ruido. El acercar algún metal a la bobina cambia su inductancia, por lo tanto los resultados esperados podrán variar hasta con un cambio en el material de la carcasa, si le ponemos alguna a nuestro proyecto.

 

Toroidal:

Esta es un poco mas difícil de hacer, pero solo un poco. Entre los puntos a favor es que son un poco mas inmunes al ruido externo. Y debido a que necesariamente requieren de algún núcleo, la permeabilidad magnética es mayor que la del aire, haciendo que menos vueltas generen mas inductancia.

Los puntos a considerar aquí son precisamente los núcleos, ya que tienen limites, ya sea por el material o el tamaño, y dependiendo del material es la frecuencia a la que pueden estar sometidos. Ademas de los cálculos, que no son tan triviales, de hecho, si el tiempo es crucial para sacar algún diseño, mejor usar algún software o calculadora en linea

Se usan frecuentemente en fuentes conmutadas o convertidores dc/dc, ya que como necesitan menos vueltas para obtener muchos henrios, se puede optar por calibres gruesos de alambre y así soportar corrientes de mayor intensidad.

 

Espirales planas:

Bueno, son las mas elaboradas de hacer, y casi no son de alambre, generalmente están hechas directamente en las placas o PCB’s, asi que ocupan mas espacio que un cilíndrico. El uso mas común, o donde las he visto mas seguido, es en aplicaciones de RFID, donde son las antenas embebidas en la placa del circuito; o bien en detectores de metales.

Las ventajas de este tipo de bobinas es que, una vez que has logrado el valor deseado, la repetibilidad es muy sencilla, ya que si se mandan a fabricar las PCB el valor de inductancia sera constante en cada placa.

Los puntos en contra son el tamaño y el rango de valores, ya que para 10uH se necesita una bobina de hasta 2 pulgadas de diámetro (con pista de 20 mils de grueso y espaciado también de 20 mils para que pueda hacerse un prototipo casero)

 

El alambre

A pesar de que se puede hacer una bobina con casi cualquier tipo de alambre (incluyendo el forrado de colores), es importante usar uno de tipo esmaltado de buena calidad, en México lo encuentras como alambre «magneto». El esmalte tiene 2 propositos: primero, el aislamiento eléctrico, segundo: protección térmica. El esmalte esta hecho para resistir altas temperaturas (y por esa razón quitarle el esmalte con el cautín cuesta trabajo 😉 ).

Para quitar el esmalte pueden usar algún solvente o una lija suave (para no dañar el cobre), es preferible la lija, ya que el solvente puede arruinar nuestra bobina si le ponemos de mas.

El calibre del alambre nos dará un par de aspectos a considerar en el diseño de la bobina. El primero: la resistencia en DC. Un calibre delgado hará que la resistencia de la bobina se mas alta en cada vuelta; una mayor resistencia es también mas calor y vibración en el inductor. Segundo: corriente máxima. Un calibre grueso soporta mas corriente, pero también necesita mas espacio.

El núcleo

Hay diferentes materiales que se pueden usar en el núcleo de las bobinas. Pero, la diferencia entre cada uno de ellos es la permeabilidad magnética. La permeabilidad, en pocas palabras es la «habilidad» de un material para concentrar lineas de flujo magnético. El aire tiene una permeabilidad (µr) de 1, la misma que el vacío. Los inductores que tengan un núcleo con permeabilidad cercana a 1 (nucleo de aire principalmente) son de pocas pérdidas de energía, de hecho la única pérdida de energía se asocia al alambre mismo por su resistencia interna. Asi como tienen pocas perdidas, generan poca inductancia, lo cual limita el uso de este tipo de inductores a la zona de hf y vhf.

Los núcleos que se usan para frecuencias mas bajas, y generar inductancias mas grandes  con menos vueltas son de alta permeabilidad, una  µr con valores que van desde cientos, hasta miles de cientos. Obviamente con estos núcleos se pueden tener inductores de grandes valores en «Henry» con relativa facilidad, pero esto presenta algunos inconvenientes:

Materiales con altos valores en permeabilidad, introducen grandes perdidas de energía, reduciendo significativamente el factor Q (factor de calidad) del inductor.

El material va reduciendo su permeabilidad a medida que el campo magnético se incrementa. Esto es conocido como «saturación«

Aumenta la histéresis, parte del material queda magnetizado aun cuando el campo magnético ha desaparecido, haciendo que no toda la energía que se había almacenado se libere, lo cual también puede considerarse como perdida de energía.

Los materiales mas usados como núcleos son la ferrita y el polvo de hierro. La ferrita es un tipo de cerámica compuesta principalmente de Fe2O3. Los de polvo de hierro, están finamente mezclados con un material de unión. Las perdidas por corrientes de Eddy se reducen, pero también se reduce su permeabilidad, haciéndola menor que la asociada a los núcleos de ferrita.

Inductancia de fuga

Ningún inductor es perfecto, y nunca todo el flujo magnético pasa a través del núcleo, parte del flujo pasa a través de las espiras, ya sea por la separación entre estas o incluso a través del barniz. Este flujo «perdido» o fugado incrementa la inductancia de fuga. La inductancia de fuga es muy importante para los sistemas conmutados como fuentes de poder, ya que puede haber serios problemas de perdida en la transferencia de energía.

Software auxiliar

Hay mucho software disponible para auxiliarnos a hacer los cálculos para generar los inductores que necesitemos, pero solo me limitaré a un par, ya que has cubierto bien mis necesidades.

El primero es mini Ring Core Calculator

Es principalmente para inductores toroidales, pero tiene una sección para cilíndricos. Incluso tiene una herramienta para determinar la permeabilidad de núcleos que no tienen especificación (muy útil para esos toroides recuperados de circuitos viejos como fuentes conmutadas, amplificadores o algo así).

El segundo es Saturn PCB Toolkit

Es una herramienta para ayudarnos con las especificaciones de PCB’s pero tiene una sección de diseño de inductores espirales planos.

Y bueno, creo que eso es todo por ahora del tema. Espero sea de utilidad. Si tienen algun otro dato… Compartanlo! 😉

***Edicion (11/Octubre/2014) ***

Algunas caracteristicas de los inductores (muy importante en los de potencia, para el diseño de fuentes) son los siguientes:

Corriente de saturacion: se refiere a la caida de la inductancia con respecto a la corriente que circula por el inductor. Es importante ya que con la caida de la inductancia, la capacidad de almacenar energia en el inductor tambien disminuye, bajando la eficiencia de nuestro circuito.

Por cierto, el porcentaje de caida de inductancia se define distinto para cada fabricante (rojo y verde en la imagen), asi que hay que leer bien el datasheet antes de tomar una decisión.

Corriente Nominal (Rated Current): Se refiere a la corriente que puede ser suministrada sin que eleve la temperatura mas alla de ciertos grados sobre la temperatura ambiente. Tambien depende de cada fabriacante la consideracion de grados a superar. Este dato es importante al considerar la temperatura maxima de operacion de la bobina (dato de fabrica) con la correinte nominal, ya que depende del lugar donde quedara nuestro circuito sera las caracteristicas que tendremos que buscar.

Airgap (espacio de aire): se usa en los nucleos toroidales, ayuda a que no se sature tan rapido el nucleo, incrementando la inductancia y mayores corrientes de saturacion, les dejo un par de imagenes de un seminario de inductores al que asistí:

*** Edicion (12 de mayo de 2015) ***

Para complementar las opciones de diseño y comprobar que los cálculos sean buenos, les dejo el link para el medidor de inductancia/capacitancia que hicimos.

Sin mas por el momento…

Argos

Bibliografía:

– «The circuit Designer’s Companion», Tim Williams, Editorial Newnes, 1991

– Mis apuntes de electricidad y magnetismo 😉

– WE Day 2014 Seminar

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