Inductor toroidal: construcción, trabajo, aplicaciones

Si te apasiona la electricidad y estás interesado en conocer todo sobre los componentes fundamentales de los circuitos, no puedes perderte este artículo. En esta ocasión, te vamos a hablar sobre el inductor toroidal, un dispositivo indispensable en muchos equipos electrónicos. Descubriremos cómo se construye, cómo funciona y cuáles son sus aplicaciones más comunes. ¡Prepárate para sumergirte en el fascinante mundo de la inducción electromagnética!

Este artículo describe el inductor toroidal, su construcción, funcionamiento y aplicaciones. Los inductores son uno de los componentes más críticos en cualquier circuito eléctrico y electrónico. Uno de esos componentes pequeños pero esenciales que se utiliza principalmente en un dispositivo electrónico de alta frecuencia es el inductor toroidal. Comprendamos su funcionamiento, diseño, aplicación, ventajas y desventajas.

Funcionamiento del inductor toroidal

Un inductor toroidal no es más que una bobina aislada enrollada en un pequeño núcleo magnético en forma de anillo, también conocido popularmente como núcleo de ferrita. Este núcleo magnético está hecho de ferrita, que es un material ferrimagnético y este núcleo es el factor más importante detrás del funcionamiento del inductor toroidal.


Inductor toroidal: construcción, trabajo, aplicaciones

Como dije anteriormente, los inductores toroidales se emplean en aplicaciones de alta frecuencia. Ahora, surge la pregunta: ¿por qué no podemos hacer uso de bobinas de solenoide normales en estas aplicaciones y cuál es la ventaja que tiene un inductor toroidal sobre sus contrapartes de solenoide? Entendamos.

Cualquier circuito electromagnético que transporta corriente variable en el tiempo tiene dos pérdidas inherentes: pérdida por histéresis y pérdida por corriente de Foucault.


La pérdida por histéresis ocurre debido al ciclo constante de magnetización y desmagnetización del material del núcleo. Como la corriente que pasa a través de la bobina es alterna, hace que el material del núcleo se magnetice en una dirección y luego en la dirección opuesta.

Idealmente, el núcleo debería hacer esto instantáneamente a medida que la corriente cambia de dirección, pero eso no sucede. Los núcleos magnéticos retienen algo de flujo magnético incluso si la corriente llega a cero. Por lo tanto, la corriente tiene que pasar por un ciclo negativo cuando se requiere una parte de esta corriente para generar una fuerza magnética neutralizadora para llevar a cero el flujo del campo magnético residual. Por lo tanto, esto se contabiliza como una pérdida de potencia denominada pérdida por histéresis. Está dada por la ecuación;

Inductor toroidal: construcción, trabajo, aplicaciones

Claramente, podemos ver que la pérdida por histéresis es directamente proporcional a la frecuencia de las inversiones magnéticas (f) que depende de la frecuencia de suministro de entrada. Un núcleo de solenoide normal o los que se utilizan en transformadores de potencia (acero al silicio) tienen un área de histéresis grande (curva BH) en comparación con los núcleos de ferrita.

Ahora que la pérdida por histéresis depende de la frecuencia, en aplicaciones de alta frecuencia necesitamos un material que tenga una curva BH relativamente pequeña para que mantenga la pérdida por histéresis bajo control. Si se emplea un núcleo normal, se producirá una gran cantidad de pérdida por histéresis. Por eso se utiliza el núcleo de ferrita. La siguiente imagen muestra la curva BH o la curva de histéresis tanto del acero al silicio (área más grande) como del núcleo de ferrita (área más pequeña).

Inductor toroidal: construcción, trabajo, aplicaciones

Por lo tanto, el núcleo de acero al silicio que se utiliza en el caso de funcionamiento a 50 Hz, si se somete a un funcionamiento a 100 kHz, provocará un aumento de la pérdida por histéresis de unas 2000 veces. Por eso se utiliza el núcleo de ferrita.

Al mismo tiempo, puede surgir la pregunta de ¿por qué no hacemos uso de estos núcleos de ferrita en caso de operaciones normales o de baja frecuencia? Es porque la ferrita es un material magnético duro, lo que significa que retiene el magnetismo de forma permanente o satura rápidamente.

Por lo tanto, una operación de alta frecuencia es ideal para materiales en los que el núcleo se magnetiza y desmagnetiza a un ritmo más rápido, sin dejar ninguna posibilidad de saturación del núcleo. A bajas frecuencias, el núcleo de ferrita provocará la saturación y el agotamiento.

Además de esto, la ferrita tiene mayor resistividad y el núcleo hecho de ferrita tiene mayor resistencia. Por lo tanto, controla el flujo de corrientes de Foucault de forma natural y no necesita laminación. Las corrientes de Foucault se generan principalmente debido a campos magnéticos dispersos que se unen con el material del núcleo y provocan el flujo de esta corriente a través del material del núcleo.

La pérdida por corrientes de Foucault es directamente proporcional al cuadrado de la frecuencia de las inversiones magnéticas (f2) y, por lo tanto, es prudente utilizar un núcleo de ferrita para operaciones de alta frecuencia. Todo esto hace que los núcleos de ferrita sean ideales para circuitos electrónicos de alta frecuencia.

Construcción y diseño de inductores toroidales

Un trozo de alambre de cobre está enrollado en un material de núcleo magnético hecho de material ferrimagnético como la ferrita. La ferrita tiene mayor resistividad y es un material quebradizo. Tiene un alto coeficiente de acoplamiento, lo que significa que la cantidad de campo magnético perdido generado es extremadamente baja.

Sin embargo, esa es la razón por la cual el núcleo se satura fácilmente y, por lo tanto, es ideal solo para operaciones de alta frecuencia. El ferrimagnetismo es similar al ferromagnetismo en todos los aspectos de la magnetización excepto en el momento magnético o el orden magnético. Cuando los momentos magnéticos se emparejan en la misma dirección y paralelos entre sí, se denomina ferromagnetismo. En el caso del ferrimagnetismo, los momentos magnéticos se alinean en números desiguales tanto en forma paralela como antiparalela.

El campo magnético del inductor toroidal se calcula mediante

Inductor toroidal: construcción, trabajo, aplicaciones

Donde, I es la corriente a través del inductor toroidal, r es el radio promedio del toroide, N es el número de vueltas de bobina por unidad de longitud.



Así, al poner el valor de I, N y r, podemos obtener el valor del campo magnético (B) y, por lo tanto, la inductancia requerida para nuestra aplicación.

Código de color del inductor toroidal

Los inductores toroidales utilizados en diversas aplicaciones son de dos tipos: revestido y sin revestir. Los núcleos revestidos proporcionan un radio de esquina más suave, así como una superficie sinuosa junto con una cobertura de borde adicional, protección de borde y una función de aislamiento.

Inductor toroidal: construcción, trabajo, aplicaciones

Los núcleos toroidales tienen revestimientos como pintura epoxi y revestimiento de parileno. La pintura epoxi está disponible en diferentes colores como azul, gris y verde. El revestimiento de parileno se utiliza principalmente para anillos de núcleo toroidales pequeños que tienen un revestimiento de bajo espesor y alta rigidez dieléctrica.


El recubrimiento proporciona un mayor aislamiento evitando así un cortocircuito directo entre la bobina del devanado y el núcleo. Además de eso, el revestimiento del núcleo aumenta su temperatura de funcionamiento, ya que los revestimientos de epoxi pueden funcionar a una temperatura de hasta 200 grados Celsius.

Aplicaciones

Como hemos discutido antes, los núcleos de ferrita se usan en inductores donde la operación de alta frecuencia está presente por razones obvias. Algunas aplicaciones como inversores, SMPS, amplificadores, radios y televisores utilizan inductores con núcleo de ferrita. Además de esto, los núcleos de ferrita también se utilizan para neutralizar el efecto de la interferencia electromagnética (EMI) en ciertas aplicaciones de alta frecuencia.

Inductor toroidal: construcción, trabajo, aplicaciones

Se conecta una perla de filtro EMI en ciertos circuitos electrónicos que simplemente atrapa el campo magnético errante generado y protege los componentes electrónicos sensibles que, de otro modo, podrían encontrar una falla debido a estos campos magnéticos erráticos. También ayuda a mitigar los riesgos para la salud que pueden ocurrir debido a los campos magnéticos de alta frecuencia.



Ventajas

  • Los núcleos de ferrita son más livianos y de menor tamaño, lo que los hace ideales para instalarlos fácilmente en una placa de circuito impreso (PCB).
  • Al ser de tamaño pequeño y tener un buen coeficiente de acoplamiento, los núcleos de ferrita son altamente eficientes como circuitos magnéticos que transportan el campo magnético con una pérdida parásita muy pequeña.
  • Un inductor toroidal es más compacto en comparación con otros núcleos formados porque están hechos con menos materiales.
  • A diferencia de sus homólogos de acero al silicio, el inductor con núcleo de ferrita no necesita laminaciones para reducir las corrientes parásitas. Esto también da como resultado un funcionamiento más silencioso.
  • Debido a la menor vinculación magnética, hay una cantidad muy pequeña de interferencia electromagnética debido a la menor fuga de flujo. Esto es importante en el caso de componentes electrónicos sensibles que, de lo contrario, podrían provocar chispas e incluso fugas térmicas de estos.
  • Menor histéresis y pérdidas por corrientes de Foucault.

Desventajas

  • Los núcleos de ferrita son quebradizos y cualquier aplicación de una fuerza mayor al enrollar la bobina alrededor de ellos o de cualquier otra forma puede resultar en el desmantelamiento del núcleo.
  • Es difícil enrollar bobinas alrededor de este pequeño núcleo utilizando máquinas.
  • Al ser de tamaño pequeño, es difícil obtener un aislamiento de bobinado adecuado, así como un espacio magnético. Es por eso que se requiere un recubrimiento adicional.
  • La ferrita, que es un material magnético duro, puede saturarse rápidamente si la frecuencia de funcionamiento o la frecuencia de inversión magnética no es superior a la frecuencia óptima. Por lo tanto, es más susceptible que otros materiales de núcleo como Silicon Steel.

Se trata de inductores toroidales o inductores de núcleo de ferrita, su funcionamiento, aplicaciones, diseño, ventajas y desventajas. A pesar de sus desventajas, los inductores toroidales son uno de los componentes electrónicos económicos más utilizados en diversas aplicaciones por su desempeño robusto y confiable con resultados deseables.

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