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Inductores con núcleos toroidales, Kool Mu y bobinas de aire

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Jochen Neller, experto técnico en inductores de Rutronik, nos explica las diferencias entre los inductores con núcleos toroidales, Kool Mu y bobinas de aire y las posibilidades para el diseño.

Los inductores se utilizan en tareas de corrección de factor de potencia y adaptación de impedancia cuando se acoplan dos circuitos.

Suelen funcionar como choques de almacenamiento, de modo común o de modo diferencial para sistemas de supresión de ruido y bobinas de filtrado. Este artículo pretende dar a conocer todo lo que los desarrolladores deben saber sobre los inductores.

Un inductor, también denominado bobina o choque, es un componente pasivo con la capacidad de almacenar energía. Esto lo hace en un campo magnético – a diferencia de un condensador, que almacena energía en un campo eléctrico. Y mientras un condensador resiste los cambios en la tensión, un inductor soporta los cambios en la corriente.

La mayoría de las propiedades útiles de los inductores se basan en la capacidad de almacenar energía en su campo magnético a través de cambios en la corriente.

Aunque tradicionalmente las bobinas se han fabricado como versiones devanadas, también existen variantes con tecnología multicapa y de película (thin film), como se observa en la Figura 1.

Inductores con núcleos toroidales, Kool Mu y bobinas de aire
Figura 1: Existen tres tipos de bobinas: versiones bobinadas (wire-wound), de película y multicapa.

En qué consisten – tipos y materiales de núcleo

Los núcleos se emplean como base para los bobinados de inductores. Los modelos más comunes son los núcleos toroidales y E y sus variantes. Los inductores toroidales se caracterizan por su excelente eficacia de apantallado intrínseco gracias a un camino magnético cerrado, así como por una buena transferencia de energía y un alto grado de acoplamiento entre los bobinados. Los núcleos E – como las versiones U, RM (módulo rectangular) y shell core – también tienen un camino magnético cerrado, el mismo que un núcleo toroidal, pero sin un entrehierro. No obstante, los núcleos E con un entrehierro ofrecen un comportamiento de saturación reducido, esto es, la energía eléctrica se puede almacenar en este espacio y, por lo tanto, es posible lograr un valor de inductancia (L) superior.

Los núcleos suelen estar realizados de ferrita. El material magnético se compone de un óxido de hierro y otros elementos Las combinaciones bien conocidas son manganeso y zinc (MnZn) para permeabilidades altas y níquel y zinc (NiZn) para niveles elevados de frecuencia. Por ejemplo, Sumida usa una ferrita MnZn (Fi329) (Figura 2). El material ofrece a los inductores una densidad de flujo de saturación muy alta, unas pérdidas bajas y, en consecuencia, una eficiencia elevada. Son ideales para aquellas aplicaciones con energías renovables de hasta 300 kHz, como energía solar y eólica y vehículos eléctricos e híbridos.

Inductores con núcleos toroidales, Kool Mu y bobinas de aire
Figura 2: Fi329 es el nombre del material de ferrita de Sumida con una densidad de flujo de saturación muy alta y pérdidas muy bajas.

Al mezclarse en un aglutinante (por ejemplo, epoxi), el polvo de hierro magnético recibe un espacio de aire distribuido inherente. Como resultado, el núcleo posee mayores capacidades de almacenamiento de flujo magnético y genera menos calor, a pesar de su diseño más compacto. Kool Mu – una aleación compuesta principalmente de polvo de aleación de hierro, silicio y aluminio – y polvo de molypermalloy (MPP) también tienen un entrehierro distribuido inherente. Estos núcleos se encuentran disponibles con varias permeabilidades, pero son más costosos que los núcleos de polvo de hierro puro.

La cerámica es otro de los materiales normalmente empleados en los núcleos de inductores, a pesar de no contar con propiedades magnéticas. El núcleo cerámico actúa como portador para la bobina; los terminales unidos al propio núcleo aseguran una fijación definida, es decir, un espacio exacto entre los terminales. Estos inductores también son conocidos como bobinas de aire. Se emplean en el rango HF donde se requieren bajos valores de inductancia, mínimas pérdidas de núcleo y elevado factor de calidad.

El alambre de cobre se usa para los bobinados alrededor de los núcleos.

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