viernes, 31 de mayo de 2013

Comportamiento en corriente continua y alterna

Comportamiento en corriente continua

Una bobina ideal en corriente continua se comporta como un cortocircuito (conductor ideal), ya que al ser i(t) constante, es decir, no varía con el tiempo, no hay autoinducción de ninguna f.e.m.

${v_{L}(t)}={L}\cdot{{di(t)}\over{dt}}={0}\,\!$

Una bobina real en régimen permanente se comporta como una resistencia cuyo valor ${R_{L}}$ (figura 6a) será el de su devanado.

En régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con bobina, suceden fenómenos electromagnéticos que inciden sobre la corriente (ver circuitos serie RL y RC).

Comportamiento en corriente alterna

Figura 4. Diagrama cartesiano de las tensiones y corriente en una bobina.

Al conectar una CA senoidal v(t) a una bobina aparecerá una corriente i(t), también senoidal, esto es, variable, por lo que, como se comentó más arriba, aparecerá una fuerza contraelectromotriz, -e(t), cuyo valor absoluto puede demostrase que es igual al de v(t). Por tanto, cuando la corriente i(t) aumenta, e t) disminuye para dificultar dicho aumento; análogamente, cuando i(t) disminuye, e(t) aumenta para oponerse a dicha disminución. Esto puede apreciarse en el diagrama de la figura 4. Entre 0º y 90º la curva i(t) es negativa, disminuyendo desde su valor máximo negativo hasta cero, observándose que e(t) va aumentando hasta alcanzar su máximo negativo. Entre 90º y 180º, la corriente aumenta desde cero hasta su valor máximo positivo, mientras e(t) disminuye hasta ser cero. Desde 180º hasta los 360º el razonamiento es similar al anterior.

Figura 5. Diagrama fasorial.

Dado que la tensión aplicada, v(t) es igual a -e(t), o lo que es lo mismo, está desfasada 180º respecto de e(t), resulta que la corriente i(t) queda retrasada 90º respecto de la tensión aplicada. Consideremos por lo tanto, una bobina L, como la de la figura 1, a la que se aplica una tensión alterna de valor:

$u(t)=V_0 \cdot \sin(\omega t + \beta),$

Figura 6.: Circuitos equivalentes de una bobina real en CC, a), y en CA, b) y c).

De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna, retrasada 90º ( $\pi /2$ ) respecto a la tensión aplicada (figura 5), de valor:

$i(t)= {u(t) \over R} = I_0 \cdot \sin(\omega t + \beta - 90^\circ),$

donde $I_0 = {V_0 \over X_L}$ . Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:

$\vec{I} = I_{/\!\!\! \underline{\ \beta - 90^\circ}}$

Y operando matemáticamente:

$\vec{I} = \left ( {V \over X_L} \right )_{/\!\!\! \underline{\ \beta - 90^\circ}} = {V_{/\!\!\! \underline{\ \beta}} \over {X_L}_{/\!\!\! \underline{\ 90^\circ}}}$

Por lo tanto, en los circuitos de CA, una bobina ideal se puede asimilar a una magnitud compleja sin parte real y parte imaginaria positiva:

$\vec{X_L} = 0 + jX_L = {X_L}_{/\!\!\! \underline{\ 90^\circ}}$

En la bobina real, habrá que tener en cuenta la resistencia de su bobinado, R_L, pudiendo ser su circuito equivalente o modelo, el que aparece en la figura 6b) o 6c) dependiendo del tipo de bobina o frecuencia de funcionamiento, aunque para análisis más precisos pueden utilizarse modelos más complejos que los anteriores.

jueves, 30 de mayo de 2013

El transformador

Transformador

Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Funcionamiento

Este flujo originará por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en el devanado secundario. La tensión en el devanado secundario dependerá directamente del número de espiras que tengan los devanados y de la tensión del devanado primario.Este elemento eléctrico se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, ya que si aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, debido a la variación de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce la inducción de un flujo magnético variable en el núcleo de hierro.

miércoles, 29 de mayo de 2013

Tabla de tipos y construccion

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

3. CONSTRUCCIÓN
A diferencia de lo que ocurre con los resistores y capacitores, la fabricación de inductores es generalmente artesanal.
3.1 Cálculo de solenoides monocapa

0,001 n² D²
L [mH] = l + 0,45 D

donde: n = número de espiras
D = diámetro de la bobina en mm
l = longitud del bobinado en mm

Al emplear la fórmula de Wheeler, la precisión alcanza el 1% para bobinas cuya relación l/D es mayor que 0,4.
Para f hasta 50MHz se emplea hilo de cobre, y para frecuencias superiores cobre plateado. En radiofrecuencia se utiliza el hilo de Litz. El hilo conductor utilizado en la fabricación de inductores debe estar aislado con un barniz aislante o recubierto con un aislamiento plástico para evitar cortocircuitos entre las espiras.
El valor de inductancia depende también de su capacidad distribuida o parásita, la cual puede estimarse de la siguiente manera:

Cp [pF] = K D

donde: D = diámetro de la bobina en mm
K = depende de la relación l/D de la bobina

Algunos valores de K se presentan a continuación:

l/d	0,1	0,3	0,5	0,8	1	2	4	6	8	10	15	20	30
K	0,096	0,06	0,05	0,05	0,046	0,05	0,072	0,092	0,112	0,132	0,186	0,236	0,34

Nótese que K se minimiza (y por lo tanto también se minimiza Cp) para una relación 1 < l/D < 2.
Finalmente el valor de la inductancia se puede conocer aplicando la siguiente fórmula:

                             L
L* [mH] =
                 1 - 10^-6 (2 pi f)² L Cp

donde: L = inductancia calculada [mH]
Cp = Capacidad distribuida de la bobina [pF]
f = frecuencia de trabajo [MHz]

3.2 Cálculo de toroides monocapa

L [mH] = 0.0002 m_rN² h ln (d_ext /d_int)

donde: m_r = permeabilidad relativa del núcleo
N = número de vueltas
h = altura del toroide [mm]
dext = diámetro exterior
dint = diámetro interior

Para simplificar los cálculos, los fabricantes de material magnético toroidal proveen un dato clave: el número "A_L", que en general representa mH cada 1000 espiras o mH cada 100 espiras. De esta manera:
L [mH] = A_L (N/100)²
Los toroides presentan una interesante propiedad: sus líneas de inducción magnética tienden a quedar confinadas en su interior sin llegar a dispersarse por su vecindad como ocurre con los solenoides. Por esto es que se lo conoce como "autoblindado".

martes, 28 de mayo de 2013

Tipos de inductores

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).
2.2 Según la forma constructiva:

Solenoides:
Toroides:

2.3 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

2.4 Según el recubrimiento: -, plástico, resina, metal (apantalladas).
2.5 Según la característica de su valor: fijos y ajustables.
2.6 Según el tipo de montaje: de inserción y SMD.

lunes, 27 de mayo de 2013

¿Que son los inductores?

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.

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:

Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.
Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.
Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar.
Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor.
Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro.
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.

domingo, 26 de mayo de 2013

¿Que es el fenómeno de la inductancia?

Inductancia

de un inductor o bobina que almacena energía en presencia de un campo magnético, y se define como la relación

entre el flujo magnético ( $\mathbf{\Phi}$ ) y la intensidad de corriente eléctrica (I) que circula por la bobina y el número de vueltas

(N) de el devanado:

La inductancia depende de las características físicas del conductor y de la longitud del mismo. Si se enrolla un conductor,

la inductancia aumenta. Con muchas espiras se tendrá más inductancia que con pocas. Si a esto añadimos un núcleo de ferrita,

aumentaremos considerablemente la inductancia.

El flujo que aparece en esta definición es el flujo producido por la corriente "I" exclusivamente. No deben incluirse flujos

producidos por otras corrientes ni por imanes situados cerca ni por ondas electromagnéticas.

Esta definición es de poca utilidad porque es difícil medir el flujo abrazado por un conductor. En cambio se pueden medir

las variaciones del flujo y eso sólo a través del voltaje V inducido en el conductor por la variación del flujo.

Con ello llegamos a una definición de inductancia equivalente pero hecha a base de cantidades que se pueden medir,

esto es, la corriente, el tiempo y la tensión:

El signo de la tensión y de la corriente son los siguientes: si la corriente que entra por la extremidad A del conductor,

y que va hacia la otra extremidad, aumenta, la extremidad A es positiva con respecto a la opuesta. Esta frase también puede

escribirse al revés: si la extremidad A es positiva, la corriente que entra por A aumenta con el tiempo.

En el SI, la unidad de la inductancia es el henrio (H), llamada así en honor al científico estadounidense Joseph Henry.

1 H = 1 Wb/A, donde el flujo se expresa en weber y la intensidad en amperios.

El término "inductancia" fue empleado por primera vez por Oliver Heaviside en febrero de 1886,¹ mientras que el símbolo L

se utiliza en honor al físico Heinrich Lenz.² ³

La inductancia siempre es positiva, salvo en ciertos circuitos electrónicos especialmente concebidos para simular

inductancias negativas, y los valores de inductancia prácticos, van de unos décimos de nH para un conductor de

1 milímetro de largo, hasta varias decenas de miles de Henrios para bobinas hechas de miles de vueltas alrededor de núcleos

ferromagnéticos.