Introdução aos Indutores

Um componente passivo que permanece sempre obscuro são os indutores. Estas são as estruturas de bobina que você encontra na maioria dos circuitos eletrônicos de potência e é por causa de suas propriedades que seus transformadores trabalham. A razão pela qual muitas pessoas não entendem os Indutores é que elas não apenas alteram o campo elétrico, mas também o campo magnético em torno dele. Neste tutorial, vamos entender os fundamentos de um indutor e desmistificá-lo para que possamos saber como e quando usar um em nossos aplicativos.

O que é um indutor?

O indutor é talvez o mais simples de todos os componentes eletrônicos, construído de forma muito semelhante a um resistor - um simples fio de arame enrolado. No entanto, aqui, resistência não é a propriedade que estamos procurando. É algo que acontece por causa da forma do fio - uma bobina - cria um campo magnético quando uma corrente é passada através dele. Esse campo magnético induzido dá a esse fio algumas propriedades elétricas interessantes, especialmente a indutância - que dá nome a essas partes.

Diferença entre um indutor e um capacitor

Nós já aprendemos sobre o capacitor no artigo anterior. E agora que você conhece os fundamentos do indutor você pode ter uma pergunta: "Qual é a diferença entre um indutor e um capacitor?"

As primeiras coisas primeiro armazenam energia quando um potencial de tensão é aplicado através dela, mas um capacitor armazena energia na forma de um campo elétrico e um indutor armazena energia na forma de um felino magnético. Ok, mas como isso afeta seu desempenho.

Precisamos cavar muito fundo para entender isso, mas por enquanto você pode apenas lembrar que um capacitor tenta nivelar a voltagem em um circuito, ou seja, ele não gosta da mudança no potencial em cada componente e, portanto, ele irá carregar ou descarga para subir de nível a tensão. Um Indutor, por outro lado, não gosta da mudança de corrente dentro de um circuito, de modo que as mudanças de corrente que ele irá carregar ou descarregar para equalizar a corrente através do circuito.

Lembre-se também que um indutor altera sua polaridade durante a descarga, de modo que o potencial durante o carregamento será oposto ao potencial durante a descarga.

Símbolos para Indutores

Como muitos outros componentes eletrônicos, o símbolo de um indutor é um pictograma simplificado do que realmente parece:

As linhas próximas ao símbolo representam o material central - algo que discutiremos mais adiante.

Trabalhando de um indutor

Um indutor, como já mencionado, é apenas uma bobina de fio.

Antes de entrarmos em outra coisa, vamos fazer a pergunta: por que uma bobina?

Como já sabemos, qualquer condutor de corrente gera um campo magnético da seguinte maneira:

No entanto, se você inserir o valor da corrente nas fórmulas, perceberá que o campo magnético produzido é minúsculo - quase insignificante, a menos que as correntes sejam incrivelmente altas, na ordem dos megacompactadores.

Então, para aumentar o campo magnético criado por um comprimento específico de arame, nós o envolvemos na forma de uma bobina. Isso aumenta o campo magnético, assim:

Essa forma também é chamada de solenóide.

Quando uma voltagem é aplicada através dos terminais de um indutor, o fluxo de corrente cria um campo magnético. Este campo magnético cria novamente uma corrente induzida no indutor de polaridade oposta, de acordo com a lei de Lenz. As correntes não se anulam mutuamente - ao contrário, a corrente induzida tenta ativamente se opor à corrente de entrada devido à tensão no indutor. O resultado geral desta batalha é que a corrente através de um indutor não pode mudar rapidamente - é sempre uma inclinação linear.

Medindo um indutor

O comportamento de trabalho de um indutor coloca uma questão interessante - como medir quantitativamente o comportamento de um indutor em termos facilmente mensuráveis?

Poderíamos tentar medir os indutores pelo campo magnético que eles criam. Assim que fazemos isso, nos deparamos com problemas. O campo magnético criado por um indutor depende da corrente que passa por ele, portanto, mesmo um pequeno indutor pode criar um grande campo magnético.

Em vez disso, poderíamos usar a mesma abordagem que usamos para os capacitores, e podemos definir a indutância de um circuito como a mudança de tensão induzida quando a corrente muda a uma determinada taxa.

Matematicamente,

V = L (dI / dt)

Onde V é a tensão, L é a indutância, eu é a corrente e t é o período de tempo.

A indutância, 'L', é medida em Henrys, em homenagem a Joseph Henry, o cientista americano que descobriu a indução eletromagnética.

A fórmula para calcular a indutância de uma bobina de fio é dada por esta fórmula:

L = (µn2a) / l

Onde L é a indutância em Henrys, µ é a constante de permeabilidade, isto é, um coeficiente de quão facilmente o campo magnético pode ser criado em um dado meio, n é o número de voltas, a é a área da bobina e l é o comprimento da bobina.

Novamente, o Henry é uma unidade muito grande, então praticamente indutores são medidos em microHenrys, uH, que é um milionésimo de um Henry, ou milliHenrys, mH, que é um milésimo de um Henry. Ocasionalmente você pode até encontrar indutâncias muito pequenas medidas em nanoHenrys, que são um milésimo de uH.

Diferentes tipos de indutores

Agora, o µ na equação acima tem algumas implicações interessantes. Sugere que o campo magnético dentro do indutor pode ser manipulado. Como mencionado acima, às vezes o campo magnético criado mesmo por um solenóide fica aquém dos requisitos, às vezes. É por isso que, em quase todos os casos, você encontra indutores formados em torno de um material central.

Os núcleos são materiais que suportam a criação de um campo magnético. Eles geralmente são feitos de ferro e seus compostos, como ferrita (que é um óxido de ferro). Você pode obter um campo magnético maior usando um núcleo do que sem um.

1. INDUTORES DO CORAÇÃO DE AR:

Como o nome sugere, este tipo de indutor não tem núcleo - o material do núcleo é o ar! Como o ar tem uma permeabilidade relativamente baixa, a indutância dos indutores do núcleo de ar é bastante baixa - raramente acima de 5uH. Uma vez que eles têm uma baixa indutância, a taxa de aumento de corrente é bastante rápida para uma tensão aplicada e isso os torna capazes de lidar com altas freqüências. Eles são usados principalmente em circuitos de RF.

2. INDUTORES DO NÚCLEO DE FERRO

O ferro é talvez o material magnético mais reconhecível, o que o torna uma escolha ideal para indutores. Estes tomam a forma de indutores de núcleo de ferro. Eles geralmente são usados para filtragem de linha de baixa frequência, uma vez que podem ser bastante robustos e possuem grandes indutâncias. Eles também são usados em equipamentos de áudio.

3. INDUTORES DO NÚCLEO DE FERRITE

Ferrite é apenas um pó de óxidos de ferro. Este pó é misturado com uma resina epóxi e moldado para formar núcleos em torno dos quais os fios podem ser enrolados. Indutores de núcleo de ferrita são facilmente os mais reconhecíveis por causa de sua cor cinza escuro. Eles também são muito frágeis e quebram facilmente. Eles são os tipos mais utilizados de indutores, uma vez que a permeabilidade pode ser controlada com precisão controlando-se a proporção de ferrita para epóxi na mistura.

Indutores em série e paralelo

Os indutores conectados em série e paralelo se comportam de maneira exatamente oposta aos capacitores.

Por exemplo, para calcular a indutância de um grupo de indutores em série, você pode simplesmente somar os valores das indutâncias individuais.

L = L1 + L2 +… + Ln

Onde L é a indutância total e L1, L2… Ln são as indutâncias individuais.

Suponha que você tenha dois indutores, um medindo 10uH e outro 15uH, então, colocando-os em série, você obtém uma indutância total de 25uH.

Os indutores em paralelo se comportam da mesma forma que os resistores em paralelo, a indutância é dada por:

1 / L = 1 / L1 + 1 / L2 +… + 1 / Ln

Onde L é a indutância total e L1, L2… Ln são as indutâncias individuais.

Desta forma, se você conectar dois indutores de 10uH em paralelo, você acabará com uma indutância de 5uH.

Fórmulas Indutoras Úteis

1. ENERGIA CONSERVADA POR INDUTORES:

Os indutores podem armazenar energia da mesma forma que os capacitores, mas a energia desaparece no momento em que você desconecta a energia e o campo magnético entra em colapso. Em outras palavras, um indutor não energizado não pode sustentar seu campo magnético.

E = ½ * L * I2

Onde E é a energia em Joules, L é a indutância em Henries e eu é a corrente em amplificadores.

Se você tiver um indutor de 20uH com uma corrente de 5A passando por ele, a energia armazenada será 0,00025J. Neste aspecto, os indutores também, como os capacitores, possuem muito pouca energia.

2. TAXA DE AUMENTO ATUAL

Essa fórmula já foi discutida, mas vale a pena dar uma olhada mais de perto.

V / L = dI / dt

Onde V é a tensão aplicada através do indutor, L é a indutância, eu é a corrente et é o tempo.

Isso indica que quando uma tensão constante é aplicada através do indutor, a corrente sobe em um declive linear. Isso pode ser útil na criação de rampas de corrente, assim como as rampas de tensão criadas pelo capacitor a uma corrente constante.

3. IMPEDÂNCIA

Os indutores têm impedância relacionada à frequência pela fórmula:

XL = 2π * f * L

Onde XL é a impedância indutiva, f é a freqüência em Hertz e L é a indutância em Henrys.

Comportamento do Indutor em Circuitos

Surpreendentemente, os indutores são praticamente inúteis em circuitos DC, já que há uma corrente constante fluindo e o indutor age como um fio.

Eles encontram a maioria de seus usos em circuitos de corrente alternada. Como mencionado acima, eles têm uma impedância, o que os torna úteis para limitar a corrente em um circuito AC, como reatores de lâmpada fluorescente.

Eles também podem ser usados para filtrar sinais.

No primeiro caso, o indutor permite que toda a corrente CC flua através dele para o terra, impedindo que todas as baixas freqüências alcancem a saída. Em freqüências mais altas, a impedância do indutor aumenta constantemente, de modo que o sinal pode passar para a saída, portanto, é chamado de filtro de alta freqüência.

No segundo caso, o indutor permite que as freqüências DC e baixas passem, mas bloqueia todas as altas freqüências da saída e, portanto, é chamado de filtro de baixa passagem.

Indutores na vida real

Indutores, uma vez que são feitos de fios de cobre e ferrita, tendem a ser caros e encontram a maioria de seus usos em rádios, fontes de energia e equipamentos de telecomunicações.

Nas fontes de alimentação, é usada a propriedade de um indutor para evitar mudanças repentinas na corrente. Junto com um capacitor, ele age para evitar mudanças repentinas na tensão e corrente de saída da fonte de alimentação.

Os circuitos de RF fazem uso de um interessante circuito LC chamado tanque. O capacitor é carregado e descarregado no indutor, que acumula seu campo magnético. Quando o campo magnético entra em colapso, uma tensão é criada e carrega o capacitor. Isso cria oscilações periódicas que podem ser usadas para gerar altas freqüências.

A frequência pode ser calculada pela fórmula:

Onde f é a freqüência em Hertz, L é a indutância em Henrys e C é a capacitância em Farads.

Conclusão

E esse é todo o conhecimento prático que você precisará para trabalhar com indutores. Eles são dispositivos intrinsecamente simples e não são tão prevalentes quanto seus parentes capacitores e resistores, mas ainda são muito úteis.

Para mais informações, entre em contato conosco pelo sales@xfullstar.com