Los inductores no son tan famosos como los componentes pasivos como las resistencias y los condensadores, pero, por extraño que parezca, a veces parece que pasamos más tiempo lidiando con el inductor no intencional que con el componente real. Sin embargo, siguen siendo una parte importante e incluso fundamental de los circuitos y la electrónica. En este tutorial, aprenderá acerca de los inductores, cómo trabajar con ellos en circuitos de CA y CC, por qué funcionan de la manera en que lo hacen y para qué se pueden usar.
Tabla de contenido
¿Qué es un inductor?
Un inductor, que es físicamente solo una bobina de alambre, es un dispositivo de almacenamiento de energía que almacena energía en el campo eléctrico creado por la corriente que fluye a través del alambre enrollado. Pero esta bobina de alambre se puede empaquetar de muchas maneras, por lo que el inductor puede parecerse prácticamente a cualquier cosa. Afortunadamente para los esquemas, las variaciones son más limitadas y todas las representaciones de inductores son una variación de lo que parecen cables en bucle.
La capacidad de almacenar energía en un campo eléctrico se mide en unidades de Henries o Henrys, llamado así por la persona que descubrió el principio de la inductancia. En la mayoría de los escenarios del mundo real, especialmente en aplicaciones electrónicas, la mayoría de los inductores son una fracción de Henley. Ahora que hemos explicado brevemente qué es un inductor y cómo se ve, echemos un vistazo a cómo funcionan los inductores en los circuitos y por qué son importantes.
¿Cómo funcionan los inductores en los circuitos de CC?
En los circuitos de CC, los inductores son muy fáciles de manejar. Simplemente reemplace el inductor en un circuito de CC de estado estable con un cortocircuito. Esto no debería parecer demasiado sorprendente si recuerda que los inductores son básicamente bobinas de alambre. Si el inductor está en paralelo con otros componentes, puede ignorar esos componentes, ya que es como acortar los nodos de esos componentes.
Los inductores son un poco más complicados en circuitos de CC transitorios, o circuitos que miden lo que sucede poco después de un cambio. El inductor resiste los cambios en la corriente, por lo que cuando el interruptor está cerrado y el voltaje a través del inductor cambia de 0 V, el voltaje intentará cambiar instantáneamente, pero en el momento en que la corriente a través de él aumenta a la corriente de estado estable, lleva tiempo. Dado que la corriente es el resultado del voltaje, esto tiene un efecto extraño en el voltaje. Veamos la ecuación que expresa el voltaje a través del inductor en relación con la corriente a través del inductor.
Como puede ver, el voltaje es igual a la inductancia (en henrios) multiplicada por la tasa de cambio (amperios/segundo) a través del inductor. Al mirar una señal de CC de estado estable con corriente que fluye constantemente a través del inductor, no se ve voltaje a través del inductor. Pero cuando acciona el interruptor y el voltaje intenta conducir la corriente a través del inductor, el inductor generará su propio voltaje para “contrarrestar” el cambio en la corriente. La mejor manera de ver esto en acción es con una aspiradora.
Una aspiradora es solo una colección de motores, y un motor es solo un devanado de alambre que interactúa con un imán. Entonces, el motor es, desde un punto de vista, solo un inductor que se mueve. Por lo tanto, se puede decir que los vacíos son cargas altamente inductivas y comparten muchas propiedades. Enchufar y desenchufar mientras el interruptor está encendido en una aspiradora a menudo provoca chispas en los tomacorrientes. Considere el caso de desenchufar una aspiradora. Esta carga inductiva ve aproximadamente 120 V a través de la carga y almacena energía en el campo magnético mientras consume aproximadamente 10 amperios de corriente. Cuando la aspiradora se desenchufa sin usar un interruptor, la energía del campo magnético se usa para resistir cambios instantáneos en la corriente. Esto crea un voltaje lo suficientemente grande como para causar una ruptura dieléctrica en el aire y atrae corriente en forma de chispas en el espacio de aire.
Por lo tanto, en los circuitos transitorios y de estado estable de CC, los inductores pueden considerarse cortocircuitos o resistir cambios en la corriente. Con esta descripción general, veamos cómo funcionan los inductores en los circuitos de CA.
¿Cómo funcionan los inductores en los circuitos de CA?
En los circuitos de CA, el rendimiento y el comportamiento del inductor dependen de muchos factores. Su efecto sobre el circuito depende de dos cosas.
- La frecuencia de la señal en el circuito.
- Inductancia del dispositivo.
Veamos la fórmula utilizada para describir la impedancia de un inductor en un circuito de CA y usémosla para comprender su comportamiento.
La ‘j’ indica cuán imaginaria es la impedancia del inductor. Esto afecta el comportamiento real al causar un cambio de fase entre los voltajes y las corrientes en el circuito. Esto se analizará más adelante en la serie “Circuitos 201”, que se centra en los circuitos de CA. Sin embargo, me referiré a esto brevemente. Pero por ahora pasemos a otras partes.
ω (omega) es la frecuencia de la señal en el circuito, en radianes/segundo. Como siempre, recuerda que Omega es una frecuencia de 2pi*. Olvidar cambiar la frecuencia a radianes por segundo (y viceversa) es un error común que yo y probablemente muchos otros cometemos. Lo importante a tener en cuenta aquí es que a la frecuencia 0, la impedancia general es 0. Y si la frecuencia es casi infinita, la impedancia también será casi infinita. Esto tiene sentido dada la idea de que a los inductores no les gustan los cambios en la corriente.
Finalmente, la l (L minúscula) representa la inductancia del dispositivo en henrios. La mayoría de los inductores de los dispositivos electrónicos son mucho más pequeños que 1 henry. Nuevamente, podemos ver que existe una relación lineal entre la impedancia y la inductancia. Cuanto mayor sea la inductancia, mayor será la impedancia, y cuanto menor sea la inductancia, menor será la impedancia.
El único elemento que quiero abordar con el cambio de fase es que el inductor “retrasa” el circuito inductivo porque resiste los cambios en la corriente. Lo que esto significa es que cuando cambia el voltaje a través del circuito, la corriente correspondiente que fluye a través del circuito se retrasa un poco. Entonces, a medida que aumenta el voltaje, la corriente tarda un tiempo en aumentar. Esto se debe a que en un punto de inflexión, el voltaje se mueve en una dirección (por ejemplo, aumenta) mientras que la corriente continúa en otra dirección (disminuye en lugar de aumentar el voltaje), por lo que puede ser extraño. Entraremos en las matemáticas que explican este cambio más adelante, pero primero es muy útil tener una comprensión conceptual de lo que está sucediendo.
¿Qué está pasando físicamente dentro del inductor?
Como se mencionó anteriormente, un inductor es solo una bobina de alambre. Entonces, ¿por qué la forma del cable causa tal comportamiento? Recuerde que los electrones en realidad tienen masa, y como una gran colección, esto puede causar más efectos de los esperados. De hecho, incluso si pudiera escribir un tutorial sobre la teoría electromagnética con señales de muy alta frecuencia, le llevaría mucho tiempo discutir cómo llevar los electrones a donde quieren ir cuando se mueven tan rápido. . Pero en el caso de un inductor, piense en lo bien que los electrones no pueden girar en las esquinas y luchar si tienen que cambiar de dirección con frecuencia. Y si necesitan doblar una esquina o cambiar de dirección, lo pasan muy mal. Es simplista, y puedes imaginarte a un físico escupiendo café mientras lee esto, pero probablemente sea lo suficientemente bueno para nuestros propósitos.
Consideraciones de la vida real para los inductores
En un inductor ideal, suponemos que no hay resistencia (es decir, actúa como un cortocircuito en el circuito de CC y no disipa potencia), pero en realidad hay poca resistencia, lo que implica que el inductor disipa potencia. tanto en circuitos AC como DC. También hay algo de capacitancia, pero esto se puede ignorar en la mayoría de los casos.
La resistencia del inductor también limita la cantidad de corriente que puede conducir el inductor. En un circuito ideal, ni siquiera tendría que pensar en esto, pero en una aplicación real, el inductor debe dimensionarse para que la corriente no se sobrecaliente ni derrita el dispositivo.
solicitud
Los inductores son muy importantes en los circuitos relacionados con antenas y otros circuitos de alta frecuencia donde se requiere un equilibrio adecuado de capacitancia e inductancia. Además, como se mencionó anteriormente, los inductores ocurren naturalmente en cargas como motores, electromagnéticos e incluso parlantes. Por lo tanto, muchos dispositivos se pueden modelar como si fueran inductores, incluso si no hay un inductor explícito en el circuito.
resumen
Un inductor es uno de los dispositivos más básicos en un circuito, un dispositivo pasivo de dos terminales que completa la tríada de resistencias, capacitores e inductores. Un circuito de CC ideal sería fácil de manejar, pero sería más complicado ya que la impedancia cambia con la frecuencia. Y, como siempre, la vida real siempre es más difícil que las situaciones ideales que se enseñan en clase. Con esta base, está listo para pasar a circuitos más complejos y capaces.