Las bobinas por su forma y construcción, pueden almacenar temporalmente energía eléctrica en forma de intensidad o corriente eléctrica y oponerse a los cambios de la misma, fenómeno que recibe el nombre de inductancia, ésta, también atenúan los cambios bruscos en la amplitud o valor de la corriente. Es también, la propiedad que tiene un circuito para almacenar energía en forma de campo magnético.
La bobina o inductores, son componentes pasivos conformadas por varias vueltas de un alambre aislado o esmaltado enrolladas alrededor de un núcleo,el cual puede ser de materiales y formas distintas. Algunos tipos de bobinas las podemos construir de acuerdo a nuestras necesidades, debido a que se fabrican con materiales fáciles de conseguir.
Las bobinas se pueden conectar en serie o en paralelo dando como resultado un nuevo valor de inductancia, mayor o menor según cada caso. Las bobinas se utilizan generalmente asociadas a condensadores y resistencias formando circuitos llamados LC bobina-condensador, RL Resistencia-Bobina o RLC, ya sean en serie o en paralelo.
El uso de bobina es menos frecuente y se utilizan principalmente en circuitos de Alta frecuencia o RF. para producir oscilaciones en circuitos RL, LC y RLC, para abrir y cerrar carga por medios magnéticos, como parte de los circuito de sintonia en los radio receptores, como "choque" en fuentes de alimentación y para transferir señales eléctricas entre etapas.
Cuando un conductor toma forma de bobina, el campo magnético se concentra y se hace más fuerte ya que se unen los campos magnéticos en cada vuelta o espira.
Según su construcción y tipo de aplicaciones, algunas bobinas reciben el nombre de solenóides. Otras reciben el nombre de "Choque" estas se usa para eliminar residuos de corriente alterna( rizado o ripple) en el proceso de rectificación de las fuente de alimentación, o para eliminar el componente RF de las líneas de alimentación de DC en algunos aparatos de comunicaciones.
Teoría de funcionamiento
Cuando se le aplica una corriente alterna, se genera alrededor de ellas un campo magnético que varía proporcionalmente a medida que aumenta o disminuye la intensidad de la corriente que la atraviesa.
El flujo magnético creado en la bobina depende de las características de construcción de la misma, de la intensidad de la corriente que circula por ella y del material del núcleo entre otros.
Este flujo magnético tiene la habilidad de inducir un voltaje en los extremos de la bobina, el cual a su vez, producirá una corriente que se sumará o se restará con la primera, oponiéndose a los cambios de dirección de la misma.
Figura (a)
El flujo de la corriente aumenta generando un voltaje inducido que se opone al aumento de la corriente, como este voltaje tiene polaridad contraria al de al fuente, genera una corriente en sentido contrario, restándose con la primera, lo cual evita que la corriente aumente.
Figura (b)
Aunque la corriente está circulando en la misma dirección, la magnitud de esta disminuye. Le voltaje inducido en la bobina produce una corriente en la misma dirección que la producida por la fuente, sumándose a la primera e impidiendo que disminuya
Figura (c)
La fuente cambia la polaridad, por lo que la corriente empieza a aumentar en la dirección opuesta. El voltaje inducido en la bobina genera una corriente que va en la dirección contraria de la fuente, oponiéndose al aumento de primera corriente
Figura (d)
Observamos que la corriente producida por la fuente comienza a disminuir y como consecuencia de esto, el voltaje inducido cambia de polaridad y produce una corriente que circula en la misma dirección que la producida por la fuente de alimentación, sumándose y contrarrestándose así la disminución de la corriente que circula por el circuito. Debido a esto, el voltaje inducido recibe el nombre de "Fuerza contraelectromotriz", a esto es lo que se llama inductancia
La inductancia se representa con la letra L y su unidad de medida es el Henrio (H). Un Henrio es la capacidad de inducir 1 voltio cuando la corriente cambia en un Amperio por segundo.
El Henrio (H) es una unidad muy grande, por lo general se trabaja con los submúltiplos miliHenrio (mH) y microHenrio (μH).
Las bobinas deben especificar cual es la corriente máxima de trabajo en Amperios lo que está determinado por el diámetro de la sección del alambre que se ha utilizado en su fabricación.
La inductancia depende de:
El número de vueltas de la bobina
La inductancia aumenta de forma directamente proporcional a cuadrado del número de espiras, es decir sin modificar la longitud, ni el diámetro de las vueltas, con cada vuelta la inductancia se multiplica por 4
El área (diámetro de cada vuelta)
Cuando aumenta el diámetro de cada vuelta se incrementa la inductancia.
La permeabilidad del núcleo
La inductancia de una bobina, también depende de la facilidad con que el núcleo puede se atravesado por un campo magnético.
La longitud del núcleo
Si se mantiene el mismo número de vueltas y se distribuyen en núcleo de mayor longitud, la inductancia disminuye debido a que se produce una menor concentración del campo magnético al estas las espiras más separadas unas de otras.
En resumen para tener una buena inductancia, debe tener el mayor número de espiras posible, con el mayor diámetro posible, con un núcleo con gran permeabilidad y los más corto posible para que las espiras estén los más cerca posible unas de otras.
Reactancia Inductiva
Es la oposición que presenta una bobina para el paso de la corriente alterna, dicha oposición depende de su inductancia en Henrios y de la frecuencia de la corriente alterna. La reactancia inductiva se representa como XL y se mide en ohmios. Su valor se calcula con la siguiente fórmula:
XL= 2π f L
Donde:
f es la frecuencia en Hz
L es la inductancia de la propia bobina en Hr
Fijas
Son aquellas que solo presenta un solo valor de inductancia entre sus terminales
Lineales
Son aquella que tiene la forma del núcleo recta
Inserción
Disponen de patillas para introducir por los orificios de la placa de circuito impreso
Núcleo de Aire: Son llamadas así porque no tiene ningún núcleo, tienen baja impedancia y se utiliza en el manejo de las Altas frecuencias
Núcleo de Hierro: Son utilizadas cuando se requiere una gran valor de inductancia.
Núcleo de Ferrita: Son los más utilizados en electrónica, tiene una alta inductancia y un tamaño reducido y se usan para el manejo de altas frecuencias.
SMD
Son aquellas que carecen de patillas y sus extremos se sueldan directamente a las pistas del la placa de circuito impreso
Núcleo de Aire: Son llamadas así porque no tiene ningún núcleo, tienen baja impedancia y se utiliza en el manejo de las Altas frecuencias
Núcleo de Hierro: Son utilizadas cuando se requiere una gran valor de inductancia.
Núcleo de Ferrita: Son los más utilizados en electrónica, tiene una alta inductancia y un tamaño reducido y se usan para el manejo de altas frecuencias.
Toroidales
Son aquellas que su núcleo tienen forma toroidal o de rosca
Inserción
Disponen de patillas para introducir por los orificios de la placa de circuito impreso
Núcleo de Aire: Son llamadas así porque no tiene ningún núcleo, tienen baja impedancia y se utiliza en el manejo de las Altas frecuencias
Núcleo de Hierro: Son utilizadas cuando se requiere una gran valor de inductancia.
Núcleo de Ferrita: Son los más utilizados en electrónica, tiene una alta inductancia y un tamaño reducido y se usan para el manejo de altas frecuencias.
Variables
Son aquellas que pueden modificar el valor de las inductancia entre sus terminales por desplazamiento de núcleo
Inserción
Disponen de patillas para introducir por los orificios de la placa de circuito impreso
Núcleo de Aire: Son llamadas así porque no tiene ningún núcleo, tienen baja impedancia y se utiliza en el manejo de las Altas frecuencias
Núcleo de Hierro: Son utilizadas cuando se requiere una gran valor de inductancia.
SMD
Son aquellas que carecen de patillas y sus extremos se sueldan directamente a las pistas del la placa de circuito impreso
Núcleo de Aire: Son llamadas así porque no tiene ningún núcleo, tienen baja impedancia y se utiliza en el manejo de las Altas frecuencias
Formas de identificar las bobinas
Generalmente las bobinas no tienen ningún tipo de información sobre su valor, para ello necesitamos un aparato llamado inductómetro o medido RLC. En las tiendas se consiguen bobinas prefabricadas, las cuales están encapsuladas y se identificas por un código de colores como las resistencia o numérico como el de los condensadores y su valor siempre viene expresado en μH
Al circular una corriente a través de una bobina genera un campo magnético alrededor de la bobina. Al contrario, es decir, si introducimos una bobina en un campo magnético variable, este hará circular una corriente que inducirá un voltaje en los extremos de la bobina.
Estos dos fenómenos pueden combinarse, si sometemos una bobina al campo magnético producido por otra bobina, así el mismo campo magnético estará induciendo un voltaje en ambas bobinas.
La bobina L1 está conectada a una fuente de corriente alterna. La bobina L2, no está conectada ni a la fuente de corriente alterna, ni a la bobina L1.
Sin embargo, las espiras de ambas bobinas, están unidas, a través de un campo magnético. Por tanto, cualquier variación en la corriente que circula por L1, inducirá un voltaje en L2.
Si todo el flujo magnético producido por L1 abarca a todas las espiras de L2, cada espira tendrá un voltaje inducido de la misma magnitud que L1.
Como la corriente de L1 está variando, el voltaje inducido en L2 también varía y por tanto, el voltaje inducido también será corriente alterna.
La aplicación más importante de este fenómeno es el Transformador.
Son componente formados por dos o más bobinas enrolladas alrededor de un núcleo. La bobina que se conecta a la entrada se llama Primario y la bobina que proporciona la señal de salida se llama secundario.
Funcionamiento de un Transformador
El funcionamiento se basa en la inducción electromagnética. Cuando se hacer circular corriente alterna por el primario, se produce un campo magnético variable cuya amplitud y frecuencia es la misma que la corriente aplicada al primario, este campo magnético encuentra el camino en el núcleo para trasladarse a la bobina del secundario, induciendo en el secundario un voltaje de corriente alterna que depende del número de espiras que tenga la bobina del secundario.
Los transformadores solo funcionan cuando se le aplica corriente alterna de entrada.
Los transformadores se utilizan para aumentar o disminuir el nivel de voltaje y de corriente, o para transferir señales entre los diferentes circuitos.
Los transformadores se clasifica en:
Fijos
Son aquellos cuya inductancia, y por tanto tensión alterna inducida no cambia su valor eficaz.
Variables
Son aquellos que varía su inductancia bien moviendo el núcleo, o bien cambiando el número de espira a través de un contacto deslizante, o utilizando derivaciones o contactos intermedios.
Dependiendo de sus aplicaciones:
Transformadores de Potencia o de Entrada
Estos son los más comunes y están diseñados para recibir la corriente de la red eléctrica y adaptarla a las necesidades del circuito. Si un circuito necesita varios voltajes, el transformador puede tener varios secundarios.
Transformador elevador: Su principal utilización era los flyback, usados para obtener los voltajes requeridos para excitar las pantalla de televisión y monitores de vídeo
Transformador de aislamiento: Se usa para evitar la conexión directa de ciertos equipos a la red pública.
Transformadores de corriente:
Se utilizan para convertir una corriente alta en una corriente más pequeña, con el fin de poder medirla, o para diseñar circuitos de protección de sobre corriente. Su núcleo es de aire y su forma es circular con un orificio en el centro por el cual pasa un conductor. Al pasar una corriente por este conductor induce un voltaje en la bobina del transformador , el cual es proporcional a esa corriente y así se pude hacer la medida o activar el circuito de protección
Transformadores de radiofrecuencia
Se fabrican para trabaja en alta frecuencia, más de 100KHz, se usan en las etapas de sintonía o de antena y de frecuencia intermedia (FI) en los receptores, o en la etapa final en los transmisores de radio. Generalmente tienen una carcasa o blindaje metálico. Sus núcleos están compuestos de aires o de un compuesto especial de hierro pulverizado.
Transformadores de audiofrecuencia
Su función es enlazar dos circuitos en un aparato de audio, que tengan características de voltaje y de corriente diferentes. Su núcleo está formado de aleaciones especiales de hierro con níquel, silicio, carbono, cromo, vanadio y cobalto o de ferrita, para que puedan trabajar en frecuencias de audio entre 20 y 20000 Hz. Para evitar interferencias de los campos electromagnéticos producido por otros transformadores, algunas veces se cubren con blindajes metálicos. Su utilización se ha ido eliminando debido a los nuevos diseños de circuitos de audio dotados de transistores e integrados.
Transformadores de pulsos
Se utilizan para transferir pulsos que cambian muy rápidamente, algunos tiristores y lámparas estroboscópicas operan con este tipo de señales.
Formas de identificación
Normalmente se identifica con la tensión del primario, la tensión del secundario y la potencia, pero si son de audio, se identifican con la impedancia de entrada, la impedancia de salida y la potencia.
Relación de Transformación
Es uno de los factores más importantes de un transformador, ya que es la relación entre el voltaje del primario y el voltaje del secundario. Dicha relación de transformación depende del número de espira en cada bobina.
Para calcular la relación de transformación se utiliza la siguiente fórmula
Tr = Ns / Np
donde Tr es la relación de transformación
Ns es el número de espiras del secundario
Np es el número de espiras del primario
Una vez obtenida la relación de transformación (Tr) la tensión de salida es igual a la tensión de entrada multiplicada por la relación de transformación
Vout= Vin · Tr
Tr = Vs / Vp
1.- Los voltajes son directamente proporcional al número de espiras
2.- Los voltajes son inversamente proporcional a las intensidades de corrientes
3.- La intensidades de corriente son inversamente proporcional al número de espiras
Pérdida en los transformadores
Los transformadores no son perfectos, en el proceso de transformación hay pérdidas de potencia debida a diferentes factores debido a corrientes parásitas y la dispersión del flujo magnético en el núcleo, con lo cual la potencia entregada en el secundario es ligeramente menor. Para compensar estas pérdidas se debe agregar un poco de voltaje o de corriente en el secundario. Esto lo hace el fabricante con el diseño y el tipo de materiales con el que se ha fabricado.
Prueba del transformador
Para saber si un transformador está bueno o malo lo primero es determinar la continuidad en las bobina con un óhmetro. La bobina con más vuelta medirá más óhmios y la bobina con menos vueltas medirá menos óhmios, el grosor también influye en los óhmios. Si el resultado en una de ellas es infinito, entonces está malo.
Lo segundo es comprobar que ambas bobinas están aislada eléctricamente tanto entre sí como con el núcleo, si el óhmetro no da infinito entonces está malo.
Lo tercero y último es aplicar el voltaje de corriente alterna adecuado al primario, y medir con un voltímetro en AC la salida del secundario, y que esta se corresponda con lo que debe de ser.
Para los transformadores de audio, RF, de corriente y de pulsos, inicialmente se puede medir la continuidad, pero el funcionamiento hay que medirlo con un generador de señales y un osciloscopio.
