Universidad Politécnica de

Chihuahua

Circuitos eléctricos

Inductores

Ing. Marcos Gabriel Ogaz González

Alumnos

10210007 Anali Layme Chao Álvarez

10210018 Sergio Pineda Mendoza

10210024 Ana Gabriela Villalba Venegas

Viernes 8 de octubre del 2010

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Índice

Sustento teórico P. 2

¿Qué es un inductor? P. 3

Simbología P. 4

¿Cómo funciona? P. 5

Transitorio R-L: Ciclo de almacenamiento P. 6

Transitorio R-L: Fase de decaimiento P. 8

Aplicaciones P. 10

Conclusiones personales P. 10

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Sustento teórico

Antes de entrar de lleno a lo que es una inductancia, debemos dejar en claro los

dos principios en los que tienen su base los inductores.

La ley de Faraday de la inducción electromagnética nos dice que si un

conductor se mueve a través de un campo magnético de manera que corte las

líneas magnéticas de flujo, se inducirá un voltaje en el conductor. Así, entre más

líneas de flujo se corten por unidad de tiempo, o más intenso sea el campo

magnético, mayor será el voltaje inducido.

La ley aplica tanto si el conductor se mueve para cortar el campo magnético

que permanece fijo, o al contrario, si el conductor se mantiene fijo.

En el caso de una bobina, entre más vueltas tenga ésta, mayor será el voltaje

inducido en una región de flujo cambiante que se almacene en esta, por medio

de la fórmula de la ley de Faraday:

(volts. V) (1)

Cabe señalar que en este caso, si el flujo magnético se queda fijo, no habrá

cambios en este, y al aplicar la fórmula, no habrá voltaje inducido.

Asimismo, la ley de Lenz nos dice que si la corriente aumenta en magnitud, el flujo

que atraviesa la bobina también aumenta, y así se inducirá un voltaje en la

bobina debido al cambio de corriente por la bobina. El voltaje inducido es el

resultado de la corriente a través de la bobina; sin embargo, éste tenderá a

establecer una corriente que se opondrá al cambio creciente de corriente a

través de la bobina, y cuando la corriente se incremente, habrá un efecto que

intentará limitar el cambio.

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El principio general de este proceso se conoce como la ley de Lenz, el cual

establece que un efecto inducido siempre se opondrá a la cauda que lo

produce.

¿Qué es un inductor?

La inductancia se define como la capacidad de una bobina de oponerse a

cualquier cambio en la intensidad de la corriente; se mide en henrys o henrios (H)

en honor a Joseph Henry, el físico estadounidense que la descubrió en el año de

1832.

Los inductores son bobinas diseñadas para introducir cantidades específicas de

inductancia dentro de un circuito, la cual varía directamente con las

propiedades magnéticas de esta. Por ejemplo, si quisiéramos incrementar la

inductancia en una bobina, podríamos utilizar núcleos de materiales

ferromagnéticos.

Para calcular la inductancia se utiliza la siguiente ecuación:

(henrios, H) (2)

donde N es el número de vueltas; µ, la permeabilidad del núcleo; A el área del

núcleo en metros; y l, la longitud media en metros.

En el caso de las bobinas que tienen un núcleo de aire, es decir, que el cable

conductor está simplemente enrollado pero no en algo, la fórmula para calcular

la inductancia sería:

(3)

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Hay que señalar que los inductores no son ideales, ya que asociada con cualquier

inductor se tiene a una resistencia igual al número de vueltas y una capacitancia

parásita debido a la capacitancia entre las vueltas de la bobina.

Así también, es importante recordar que entre más largo o delgado es el alambre

usado en la construcción del inductor, mayor será la resistencia de corriente

directa.

Simbología

Sobre los símbolos utilizados en el tema de la inductancia, se tienen algunas

literales y símbolos para su mejor comprensión.

L es el símbolo de la inductancia.

R es el símbolo de las resistencias.

E será la que nos indique el voltaje de la fuente.

ᵀ nos definirá la constante de los cinco tiempos (la cual se explicará más

adelante).

V será la que nos indique el voltaje en cualquiera de los elementos del circuito.

e nos señalará que se trata de un voltaje inducido.

En el caso de los núcleos que mencionamos antes, los tres tipos que existen se

muestra en la figura 1.1; esta es la forma en la que las inductancias se mostrarán

en los circuitos.

Fig. 1.1 Los tres tipos de núcleos en

las bobinas diferencian su símbolo.

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¿Cómo funciona?

El funcionamiento de un inductor se basa en los cambios en el flujo de la

corriente, ya que si el cambio a través de la bobina no resulta en un cambio

significativo en el flujo de enlace por su centro, el nivel de inductancia será

pequeño.

(H) (4)

Esta fórmula nos da a entender que entre mayor inductancia, mayor será el

cambio instantáneo de corriente en el flujo de enlace debido a un cambio

instantáneo en corriente a través de la bobina.

(V) (5)

La ecuación (5) nos dice que la magnitud del voltaje en un inductor está

directamente relacionada con la inductancia L y la razón del cambio de

corriente a través de la bobina. Por lo tanto, se dice que a mayor cambio de

corriente, mayor será el voltaje inducido.

Sin embargo, el voltaje en un inductor siempre tendrá una polaridad tal que se

opondrá a la fuente que lo produce. La ecuación de voltaje es:

(V) (6)

Se sobreentiende por la fórmula que si no hay una variación de corriente por la

bobina, el voltaje será igual a 0v.

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Transitorio R-L: Ciclo de almacenamiento

En los circuitos que contienen un inductor con un interruptor, es decir, que se

puede abrir o cerrar, hay dos ciclos entre los cuales funciona. El primero de ellos

es el ciclo de almacenamiento, que vendría a ser el momento inicial, por decirlo

de alguna manera.

Si se tiene un circuito como en la figura 1.2, en el cual se cerrará el interruptor

para que fluya la corriente a través de él, la inductancia de bobina impedirá un

cambio instantáneo en el flujo de corriente a través de ella.

Este fenómeno se da porque la inductancia captará toda la corriente posible

para generar un voltaje que posteriormente sacrificará para crear un campo

magnético alrededor de la bobina. Mientras esto ocurre en la bobina (que en la

práctica viene a ser casi instantáneo), el espacio ocupado por esta en el circuito

quedará como un circuito abierto, como se muestra en la figura 1.3.

Fig. 1.2 Red básica transitoria

Fig. 1.3 Instante en que se cierra el

interruptor.

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Se denota que en la resistencia no habrá intensidad por el efecto que causa la

inductancia, por lo que no hay una caída de voltaje, y la bobina terminará

dando por dato el mismo valor de voltaje de la fuente.

Una vez que el campo magnético de la bobina ya es lo suficientemente grande,

entonces el circuito volverá a comportarse como un circuito cerrado, y será

entonces que la inductancia permitirá el flujo total de la corriente (figura 1.4), ya

que después del momento inicial del cierre del interruptor si comienza a haber

paso de corriente, pero es gradual.

Ahora bien, el cambio gradual de corriente en la bobina que es determinado por

la inductancia, se establece en una gráfica, en la cual se puede apreciar el

comportamiento que tiene la corriente al momento de iniciar su flujo una vez que

se cierra el interruptor.

Fig. 1.4 Circuito ya en condiciones

de estado estable.

Fig. 1.4 Gráfica del comportamiento del flujo de corriente en la

fase de almacenamiento.

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Cada una de esas divisiones, de los cinco tiempos en que se divide el cambio de

corriente, se establecen por la fórmula:

(segundos, S) (7)

En caso contrario, mientras la corriente va a amentando en el circuito, el voltaje

que se marca en la bobina disminuirá, como se muestra en la figura 1,5.

Transitorios R-L: Fase de decaimiento

En esta fase es cuando ocurre al contrario, ya que se da cuando el interruptor, en

lugar de cerrarse como en almacenamiento, aquí se abre, haciendo así que se

habrá el circuito.

Fig. 1.5 Gráfica del comportamiento del voltaje

en la fase de almacenamiento.

Fig. 1.6 El momento en que se abre el circuito que

ya se encontraba en estado estable.

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Como se puede observar en la figura 1.6, al momento de abrir el interruptor saldrá

una chispa, resultado de los esfuerzo de la inductancia de la bobina para que

permanezca cerrado, ya que al momento de abrir el interruptor, entre más se

vaya separando, se va generando una resistencia mayor, por lo que la bobina

manda más corriente ahí y es entonces que se muestra, en la forma del chispazo.

Este chispazo puede generarnos problemas con los aparatos en que se usen, así

que para evitar riesgos, se ha pensado en un “circuito de seguridad” que inhiba

ese chispazo. Se logra colocando una resistencia en paralelo a la bobina, como

en la figura 1.7.

De esta manera, en el momento en que el interruptor se abra y la bobina mande

la corriente, esta pasará por la resistencia en paralelo y no se irá a la resistencia

creada en el interruptor. Así, habrá un flujo en el circuito, pero este estará limitado

al campo magnético que tenga la bobina, y este terminará por acabarse y así

terminar gradualmente con la corriente.

Un ejemplo de un circuito con una bobina, además de los ya vistos, puede verse

en las figuras 1.8 y 1.9.

Fig. 1.9 Circuito donde se estudiaría la fase de

decaimiento

Fig. 1.7 Circuito de seguridad

Fig. 1.8 Circuito en el que se estudiaría su ciclo de

almacenamiento

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Aplicaciones

Los inductores son utilizados como protectores de sobretensión ya que bloquean

fuertes cambios actuales.

Se utilizan también como filtros de línea

telefónica, ya que son capaces de eliminar las

señales de banda ancha de alta frecuencia y se

colocan en los extremos de los cables para

reducir el ruido de la señal (fig. 1.10).

Inductores y capacitores se utilizan conjuntamente en los circuitos de audio para

filtrar o amplificar frecuencias específicas. ICs son inductores pequeñas que

bloquean la corriente alterna y se utilizan para reducir las interferencias eléctricas

y de radio, otra aplicación es en los autos en el proceso de ignición.

Otras aplicaciones son para dar encendido en los automóviles (bobina de

encendido), para acoplar circuitos en radios o para transformadores (bobinas

acopladas), para fabricar parlantes (bobina del parlante), para eliminar

componentes de alta frecuencia (chockes RF), para realizar filtros para fuentes o

audio, los bobinado de los motores eléctricos (devanados).

Conclusiones personales

Anali Layme Chao Álvarez dice:

“El tema de bobinas o inductores a grandes rasgos podría decirse que es una

parte de determinados circuitos que su función principal es incrementar la

corriente, es en dos procesos diferentes en uno de almacenamiento donde se

limita a tomar carga del circuito hasta llegar al tope y continuar pasando la

corriente y otro más donde la corriente se va liberando pues la bobina comienza

a pasar corriente al estar abierto el switch, en la bobina encontramos la

inductancia que es el valor que se opone a la corriente puesto que las bobinas en

primera instancia buscan oponerse a la corriente.

Fig. 1.10 Filtro de línea telefónica

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Las bobinas son de mucha utilidad para diversas cuestiones, por ejemplo en un

automóvil en ignición, entre otras cosas más.”

Sergio Pineda Mendoza dice:

“Los inductores o bobinas son elementos eléctricos muy importantes para

mantener un circuito funcionando de acuerdo a las especificaciones, ya que

gracias a los campos magnéticos nos puede brindar una alimentación.

Al abrir el switch estos elementos trabajan con el principio de dos leyes; son muy

utilizados para crear un amperaje mayor en el circuito gracias a dicho campo

magnético, el cual mantendrá el amperaje estable mientras le sea posible.”

Ana Gabriela Villalba Venegas dice:

“Los inductores son bobinas que proveen de inductancia un circuito, haciéndolo

más funcional. Claro está, para que un circuito sea más funcional necesita estar

con conjunto con los demás componentes.

Es interesante cómo a partir de principios tan básicos como la ley de Faraday y la

ley de Lenz haya sido posible si creación y funcionabilidad, y que nos sean tan

útiles en la vida diaria, ya que sin ellos, muchos de los aparatos que utilizamos no

podrían funcionar de la manera correcta. O incluso ni siquiera ser funcionales.”