Inductor

Un inductor o bobina es un componente pasivo que se caracteriza por su capacidad para almacenar energía en un campo magnético generado por el flujo de corriente eléctrica a través de él. Consiste en una bobina de alambre enrollada alrededor de un núcleo, que puede ser de aire, hierro, ferrita u otros materiales ferromagnéticos. Cuanto más vueltas tenga la bobina o mayor sea la permeabilidad del núcleo, mayor será la inductancia del inductor.

Cuando una corriente eléctrica fluye a través del inductor, se crea un campo magnético alrededor de la bobina. Este campo magnético almacena energía en forma de energía magnética. Cuanto mayor sea la corriente que circula por el inductor o más vueltas tenga la bobina, mayor será la energía magnética almacenada en el campo.

Ahora bien, cuando se detiene el flujo de corriente o se interrumpe el suministro eléctrico, el campo magnético colapsa, liberando la energía magnética almacenada en forma de corriente eléctrica. Este fenómeno se rige por la Ley de Faraday, que establece que un cambio en el flujo de campo magnético a través de una bobina inducirá una fuerza electromotriz (fem) y generará una corriente eléctrica en sentido contrario a la corriente original.

El inductor almacena energía magnética cuando se le suministra corriente eléctrica y luego libera esa energía en forma de corriente eléctrica cuando la corriente se detiene o cambia. Es por esto que se considera un componente de almacenamiento de energía y juega un papel importante en diversas aplicaciones, como en fuentes de alimentación, transformadores y sistemas de almacenamiento de energía. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la energía magnética almacenada en un inductor proviene de la fuente de alimentación externa y no del propio inductor en sí.

Este comportamiento se rige por 2 leyes que son fundamentales en el funcionamiento de inductores y son esenciales en la comprensión de fenómenos electromagnéticos en la electrónica y la electricidad.

Ley de Faraday: Esta ley establece que cuando hay un cambio en el flujo de campo magnético a través de una bobina o inductor, se inducirá una fuerza electromotriz (fem) en la bobina. En otras palabras, si aumenta o disminuye el campo magnético que atraviesa el inductor, se generará una corriente eléctrica en la bobina.

Imagina que tienes un imán y una bobina de alambre cerca uno del otro. Si mueves el imán hacia la bobina o lejos de ella, estarás cambiando el flujo del campo magnético que pasa a través de la bobina. Este cambio en el flujo magnético inducirá una corriente eléctrica en la bobina.

Ley de Lenz: Esta ley complementa la Ley de Faraday y establece que la corriente inducida en un inductor siempre actuará en una dirección que se opone al cambio del flujo magnético. En otras palabras, la corriente inducida en el inductor crea su propio campo magnético que se opone al cambio en el campo magnético que lo está induciendo.

Volviendo al ejemplo del imán y la bobina, si mueves el imán hacia la bobina, la corriente inducida en la bobina fluirá en una dirección que genera un campo magnético que intentará frenar o detener el cambio del flujo magnético. Si mueves el imán lejos de la bobina, la corriente inducida fluirá en una dirección opuesta para intentar mantener el flujo magnético.

La Ley de Faraday nos dice que un cambio en el flujo magnético induce una corriente eléctrica en un inductor, y la Ley de Lenz nos dice que esta corriente siempre se opondrá al cambio que la está induciendo.

Por lo que, a medida que el campo magnético crezca, existirá una resistencia al cambio, pero una vez que alcance su fuerza máxima, esa resistencia desaparecerá y comenzará a comportarse como un simple cable. Pero al cortar la corriente, el inductor sufrirá un cambio al perder fuerza en su campo magnético. La corriente cambiará su dirección al disminuir, en vez de incrementar, y se generará una corriente inducida por el campo magnético. Por lo cual, se dice que el inductor tiene la capacidad de almacenar energía temporalmente en forma de campo magnético.

Características

• Corriente nominal (Ir): La corriente nominal es la corriente máxima continua que el inductor puede soportar sin saturarse. Asegúrate de que la corriente nominal del inductor sea adecuada para tu aplicación y que no se exceda.
• Resistencia de DC (R): Los inductores tienen una resistencia de DC que disipa energía en forma de calor cuando pasa corriente a través de ellos. Minimiza la resistencia de DC si necesitas que el inductor tenga una alta eficiencia.
• Tolerancia de inductancia: Al igual que con otros componentes, los inductores pueden tener una tolerancia en su valor de inductancia. Asegúrate de que la tolerancia sea adecuada para tu aplicación si es crítica.
• Frecuencia de operación: La frecuencia de operación es importante al seleccionar un inductor, especialmente en aplicaciones de alta frecuencia. Algunos inductores están diseñados para trabajar mejor en ciertos rangos de frecuencia.
• Factor de calidad (Q): El factor de calidad es una medida de la eficiencia de un inductor y se relaciona con la relación entre la energía almacenada y la energía disipada. Un inductor de alta calidad tendrá un Q alto.
• Tipo de núcleo: Los inductores pueden tener núcleos de ferrita, hierro, aire, entre otros materiales. El tipo de núcleo afectará las propiedades del inductor, como la inductancia y la resistencia. Selecciona el tipo de núcleo adecuado para tu aplicación.
• Dimensiones y encapsulado: Las dimensiones físicas y el encapsulado del inductor son importantes para la integración en tu diseño. Asegúrate de que el inductor se adapte al espacio disponible y a la placa de circuito.
• Aplicación específica: Determina si tu inductor se utilizará en aplicaciones de filtrado, almacenamiento de energía, reducción de ruido u otras aplicaciones específicas. Esto influirá en las especificaciones que debes buscar en un inductor.
• Valor de inductancia (L): El valor de inductancia es una medida de la capacidad del inductor para almacenar energía en forma de campo magnético cuando una corriente pasa a través de él. Debes seleccionar un inductor con el valor de inductancia adecuado para tu aplicación.

1. Fórmula para inductancia de un inductor con núcleo de hierro o ferrita: Si el inductor tiene un núcleo de material ferromagnético (como hierro o ferrita), la fórmula para calcular la inductancia es más compleja y depende de la geometría del núcleo. En este caso, se utilizan ecuaciones específicas y tablas de datos proporcionados por los fabricantes de inductores o herramientas de diseño de inductores disponibles en línea.
2. Simulación y software de diseño: Para inductores más complejos con núcleos específicos o diseños personalizados, a menudo es necesario recurrir a simulaciones con software de diseño de inductores. Estas herramientas de software pueden proporcionar resultados más precisos y tener en cuenta factores como la reluctancia del núcleo, la saturación magnética y otros efectos no lineales.
3. Valores estándar: En la práctica, los inductores comerciales están disponibles en valores estándar de inductancia, y es posible seleccionar uno que se ajuste a las necesidades del diseño sin necesidad de calcularlo desde cero.

Aplicaciones

Los inductores tienen una amplia gama de aplicaciones en la electrónica y otras áreas de la tecnología. Algunos usos comunes incluyen:

• Filtrado: Se utilizan en circuitos de filtrado para bloquear o atenuar ciertas frecuencias y permitir el paso de otras.
• Transformadores: Los inductores con núcleo de hierro o ferrita se utilizan en transformadores para cambiar la tensión de una señal de corriente alterna.
• Almacenamiento de Energía: Los inductores se utilizan en aplicaciones de almacenamiento de energía, como en convertidores de potencia y sistemas de energía renovable.
• Cancelación de Ruido: Los inductores se emplean en circuitos de cancelación de ruido, especialmente en aplicaciones de audio y comunicaciones.
• Antenas: En la transmisión de señales inalámbricas, los inductores se utilizan en antenas para sintonizar la frecuencia de transmisión.

Tipos de inductores

Los inductores pueden clasificarse en diferentes tipos según su diseño, construcción y aplicaciones específicas. Aquí están algunos de los tipos más comunes de inductores:

• Inductor de bobina o solenoide: Es el tipo más básico y común de inductor. Consiste en un alambre enrollado alrededor de un núcleo, generalmente de aire. Se utiliza ampliamente en aplicaciones como filtros, acoplamientos y almacenamiento de energía.
• Inductor de núcleo de hierro: En este tipo de inductor, el alambre está enrollado alrededor de un núcleo de hierro. Los inductores de núcleo de hierro ofrecen una mayor inductancia en comparación con los de núcleo de aire, y se utilizan en aplicaciones que requieren una mayor potencia y eficiencia, como transformadores y bobinas de choque.
• Inductor de núcleo de ferrita: Este inductor utiliza un núcleo hecho de material ferromagnético llamado ferrita. Los inductores de núcleo de ferrita se utilizan en aplicaciones de alta frecuencia debido a sus excelentes propiedades magnéticas a altas frecuencias. Son comunes en transformadores de alta frecuencia, fuentes de alimentación conmutadas y dispositivos de radiofrecuencia.
• Inductor de núcleo toroidal: En este diseño, el alambre se enrolla alrededor de un núcleo toroidal, que tiene una forma de anillo. Los inductores de núcleo toroidal ofrecen una alta inductancia y baja radiación electromagnética, lo que los hace adecuados para aplicaciones de filtrado y acoplamiento en sistemas de audio y radiofrecuencia.
• Inductor variable: También conocido como bobina ajustable, es un inductor cuya inductancia se puede cambiar variando el número de vueltas de la bobina o mediante un núcleo móvil que ajusta la permeabilidad magnética. Se utilizan en aplicaciones donde se requiere ajuste o sintonización de la inductancia, como en radios y antenas.
• Inductor de película: Estos inductores están fabricados utilizando tecnología de película delgada y se utilizan en aplicaciones de alta frecuencia, como en circuitos integrados y dispositivos de microondas.
• Inductor multicapa (MLI): Es un tipo de inductor que se fabrica utilizando tecnología de circuitos impresos y se integra directamente en placas de circuito impreso. Son comunes en aplicaciones de alta frecuencia y donde el espacio es un factor crítico.
• Inductor de potencia: Estos inductores están diseñados para manejar corrientes elevadas y se utilizan en aplicaciones de alta potencia, como fuentes de alimentación, convertidores y motores.

Cálculo

Calcular el valor de un inductor (inductancia) es esencial para diseñar y seleccionar componentes adecuados para diferentes aplicaciones electrónicas. La inductancia de un inductor depende de varios factores, incluyendo el número de vueltas en la bobina, el área de la sección transversal, el material del núcleo y la permeabilidad magnética del núcleo, entre otros. Para calcular la inductancia de un inductor, se usan los siguientes métodos:

Inductancia (L): La inductancia de un solenoide (bobina) en el aire se puede calcular utilizando la siguiente fórmula aproximada:

L ≈ (μ₀ * N² * A) / l

Donde:

L = Inductancia en henrios (H)

μ₀ = Permeabilidad del espacio libre (valor constante, aproximadamente 4π x 10^-7 H/m)

N = Número de vueltas de la bobina

A = Área de la sección transversal de la bobina en metros cuadrados (m²)

d = diametro de la sección transversal

l = Longitud de la bobina en metros (m)

Ejemplo de cálculo:

Encuentre la inductancia de una bobina de núcleo de aire con un diametro de la sección transversal de 4 mm, 100 vueltas y una longitud de 100 mm.

A = π(2x10^-3)² = 12.57x10^-6

L = $\frac{N^{2} \mu A}{l}$

L = $\frac {(100)^{2}(4x10^{-7})(12.57x10^{-6})}{0.1}$

L = 1.58x10^-6