Cálculo de Bobina y/o Solenoide

[Marioguillote]

Hola a todos !

Una de las tantas cosas que aún me faltan aprender en Electrónica es a diseñar y/o calcular bobinas y solenoides.

Recientemente, he armado un circuito que utiliza una bobina en una aplicación de corriente alterna, tal como se puede ver y leer en el siguiente hilo.

Para dicha aplicación he leído en las hojas de datos de los switch hall, que necesito unos 40 Gauss o más para activar el switch interno del dispositivo (Si es que he entendido bien).

Entonces mi pregunta es esa : Cómo se calcula una bobina o solenoide que me genere una densidad de flujo de unos 40 Gauss o más ?
Qué diámetro debe tener el núcleo ?
Qué diámetro debe tener el alambre ?
De qué material puede ser el núcleo ?
Cúantas espiras debe tener el bobinado ?
Qué longitud física debe tener el bobinado ?

La bobina que utilizo en mi aplicación, la construí de la siguiente forma :
Utilicé un alambre del diámetro suficiente como para que no tome temperatura, a pesar de soportar una carga importante.
Obviamente esta selección fué en base a experiencia.
Utilicé como forma (carrete), un soporte donde vienen armadas bobinas de RF que darían el tamaño de un supuesto funcionamiento correcto.
La cantidad de vueltas fueron realizadas en forma experimental hasta que el circuito funcionara sin inconvenientes.
Por deducción, al estar trabajando con 50Hz decidí utilizar un núcleo ferroso (Un simple tornillo).

Digamos que; fué construída en base a la teoría: "Prueba y Error", pero seguramente hay una forma metódica y calculada de hacerlas a las bobinas para estas aplicaciones.

Sería interesante, que alguno de los Ingenieros o estudiantes de esta carrera, o quién sepa cómo hacerlo, echaran un poco de luz sobre este tema.
Desde ya muy agradecido en mi nombre y en el nombre de los que desean conocer estos cálculos.

Saludos
Mario

[Arbolito]

Bueno si me dan un poco de tiempo yo puedo realizar un PDF de como calcular una bobina ¿a eso te referis , no Mario?.

A una lastima que aun no tenga terminada mi pagino donde pienso incluir todo este tipo de cosas.

Bueno me pongo a realizarlo en los ratos libres que me queden (que por el momento no son muchos

Un saludo

[Modulay]

Pues depende de varias cosas.Para hacer una estimación de lo que necesitas en cada caso hay que establecer la distancia a la cual está el punto al cual quieres someter a la acción del campo.Una vez fijada esa distancia,se juega con 3 factores,radio de las bobina,longitud del bobinado total y número de espiras.Habrá que fijar 2 de ellos para jugar con el último.
El dibujo es una bobina cortada a lo largo.



Y el campo ,medido en Teslas,en el punto P es:



Sustituyendo esos cosenos...



Llegados ahí toca decidir que parámetros fijar,puedes probar a fijar un radio de 5 mm(R = 0.005) por ejemplo y una longitud de 3 cm (L = 0.03) a ver que valor de N sale.
Estos cálculos son considerando que no colocas núcleo.Al colocar un núcleo de hierro por ejemplo,estás multiplicando el valor del campo,más o menos unas 100000 veces.Sería cuestión de cambiar letras por números y ver si sale algo coherente o me he colado con todas las de la ley jajaj
La formulilla es bien fea la verdad

[Modulay]

Aunque también se puede fijar la longitud de la bobina sin que sea al azar,sustituyendo su valor L por:
L = N * diámetro cable

[Marioguillote]

Gracias Juan y Modulay por las respuestas !

WOW !  Cuantas letras y números Modulay ....
Ya mismo me pongo me pongo a hacer cuentas a ver que me dá y vuelvo con los resultados.
Por lo que veo es un procedimiento para CC (ya que no veo por ningún lado la frecuencia) y yo estoy trabajando en AC, pero vamos a tomar un valor medio de I para una lámpara de 100W aproximadamente para hacer los cálculos iniciales.

Por ahora GRACIAS ! 
En un rato estoy de vuelta.
Saludos
Mario

[Marioguillote]

     

Habré hecho mal algún cálculo ? ..... lo revisé muchas veces.
No me dá.
Me dá cualquier cosa.
La bobina que tengo hecha apenas activa el switch hall. Está apoyado el núcleo (tornillo) sobre el mismo y si lo muevo apenas hacia un costado se corta la salida del hall, por lo que estoy con esos datos muy cerca de los 40 Gauss.
Pero el cálculo me dió muy lejos .....
Por las dudas .... después de cuatro por pi viene diez a la menos siete, verdad ?
Si es así, el resultado es ese.

Caramba .....

[5GTT]

Marioguillote he visto la foto de tu bobina en el otro post. Puede que la vista me falle o sea un efecto del angulo con el que haya sido tomada, pero creo que en tu caso d no son 6mm, si el radio de la bobina son 3mm su diametro son 6mm y en la foto parece una medida muchisimo mayor que la distancia al sensor.

Tampoco comprendo como obtienes que I es medio amperio.

A ver si conseguimos sacar algo en claro y tu post queda aqui para los resto, que me parece que las bobinas son con diferencia el gran desconocido para la mayoria, para mi aun son magia xD.

PD: Lo de despues de pi si es 10 a la menos siete jejeje, a mi al principio me parecio una letra griega que he usado alguna vez calculando rendimientos y no se su nombre 

Saludos y gracias por el datasheet que me pasaste, a ver si me pongo a ello.

[Modulay]

Voy a repasar los cálculos por si me hubiera equivocado en algún sitio.
Los cálculos son válidos si el punto sobre el que se actúa está en el eje longitudinal de la bobina,así que tal y como veo en la foto,el switch debería estar encima de la bobina o debajo.En cuanto al tema de la corriente pues,si estás haciendo circular una corriente AC,el campo que se obtiene también es AC...durante el ciclo positivo de la corriente irá cambiando de valor pero mantendrá dirección y sentido constantes...en cuanto cambie la polaridad de la corriente,el campo también mantendrá la misma dirección pero ahora será de sentido contrario y variará,igual que antes,en sincronía con el valor de la corriente.Ya no te sé decir en qué forma afecta eso al funcionamiento del sensor.
El hecho de colocar un núcleo ferroso multiplica el resultado que se obtendría si no se colocase nada,pero no sé si he sido todo lo riguroso que debiera cuando te dije que multiplica por 100000.Lo comprobaré

[Modulay]

Pues parece que me pasé tres pueblos con lo del efecto del núcleo de hierro.
El factor de multiplicación por el hecho de tener el tornillo no es de 100000,sino aproximadamente de un valor entre 250-400 más ó menos (permeabilidad magnética).
El que sea un valor concreto u otro ya depende de la composición y naturaleza exactas del material.
O sea que ahora estaríamos hablando de un resultado de unos 2000 gauss,que parece algo mas sensato.
De todas formas,al estar trabajando con corriente alterna habría que estudiar cual es el valor de corriente que se debe tomar.
Estaría bien poder hacer la prueba con corriente continua

[Marioguillote]

Hola amigos !

Descubrí un error en mi procedimiento.
Yo puse d como el diámetro del núcleo y es la distancia del punto P(en este caso el switch) al centro de la espira más cercana.
Yo usé a d cómo 0,006 ( 6 milímetros) cuando en realidad es 0, ya que el núcleo está en contacto con el switch.
Puedo usar el valor 0 en la fórmula Modulay ?

Ni bien el trabajo me dé un ratito de tiempo, hago los cálculos con el factor de multiplicación también corregido para el hierro y los expongo.

Para 5GTT, el diámetro que se vé en la imagen es de aproximadamente un centímetro, pero son cuatro capas de alambre de 0,8 milímetros. El diámetro del carrete donde arme ese bobinado es de 6 milímetros, sucede que después de 4 capas queda así gordota.
La corriente de medio amper la calculo muy por arriba, muy por aproximación con la fórmula I = W / V * 0,707
Para una potencia de entre 75 y 100 Watts y una tensión de 220V, redondeo en medio Amper, por cada semiciclo, y como dice Modulay, el campo irá invirtiéndose 50 veces por segundo. Por eso a la salida del switch tengo una onda cuadrada de 50 Hz.

Más tarde vuelvo con los recálculos.
Gracias a todos por estar ahí.
Saludos
Mario

[Modulay]

O sea por lo que voy entendiendo,el switch sólo da un pulso positivo cuando el campo va en un sentido y cero cuando el campo va en el otro  ¿ó también da tensiones negativas?
Ya me parecía a mi que veía pocas vueltas en esa bobina para ser 100,tal y como dices.Al tener ,por decirlo de algún modo,4 bobinados,cada uno con un radio diferente,habrá que rehacer los cálculos de forma acorde a eso.
En cuanto a si el parámetro "d" puede ser de valor 0,la respuesta es sí,no hay problema.
No sé si me equivocaría en las cuentas (seguramente si),pero hice los mismos cálculos que tú y llegué a un resultado ligeramente distinto...considerando la permeabilidad relativa del hierro como 250 en vez de 100000 llego a un resultado de 581 gauss en vez de los 2000 que se obtienen aproximadamente a partir de tus resultados.
El hecho de que se deban replantear los cálculos por el tema de los 4 bobinados diferentes si no me equivoco hará que el resultado engorde aún más por lo que nos alejará aún más de lo que está sucediendo en realidad.
De todas formas,esta cuestión del núcleo creo que puede ser la causante del error que estamos teniendo.Se supone que el núcleo de un solenoide debe llenar por completo el interior del mismo...se supone que si se trata de hierro y se usa para los cálculos un valor de permeabilidad magnética típica para el hierro del núcleo (200,300 ó incluso 1200 he llegado a ver por ahí),dicho hierro debe ser de unas características concretas,debe haber sido tratado de una forma concreta,etc...
Sequiré buscando información sobre el tema a ver que encuentro.
Podrías hacer pruebas con distintos núcleos de hierro a ver si encuentras diferencias significativas,podrías probar sin núcleo a ver si da para activar el switch,etc...

[Marioguillote]

Hola Modulay , estoy de vuelta para colgar un par más de imágenes para tener una guía , comparar y deducir tamaños.
Respecto a los pulsos obtenidos son sólo positivos. Onda cuadrada 0-5V
581 Gauss ya vá tomando color, pero me parece muy alto aún ya que apenas corro de lugar o levanto el bobinado, deja de activarse el switch.
Y respecto al núcleo, no he probado con distintos, ya que al trabajar con 50Hz, deduje (creo que correctamente) que debía usar hierro.
Si le intento sacar el tornillo, apenas lo muevo 1 o 2 milímetros dejo de obtener los pulsos.
O sea, si no estamos en 40 estamos ahí muy próximos ....

Saludos
Mario 

[Modulay]

Cuando digo que pruebes con diferentes núcleos me refiero a que pruebes con tornillos diferentes,que aunque todos sean de hierro,no todos tienen por qué tener las mismas características de permeabilidad.
De todas formas me parece ver en las fotos que ese tornillo es muy fino en comparación con el radio del bobinado...eso va en detrimento del campo inducido
Por cierto ¿que ancho de pulso tienes?

[5GTT]

Hola amigos !

Descubrí un error en mi procedimiento.
Yo puse d como el diámetro del núcleo y es la distancia del punto P(en este caso el switch) al centro de la espira más cercana.
Yo usé a d cómo 0,006 ( 6 milímetros) cuando en realidad es 0, ya que el núcleo está en contacto con el switch.
Puedo usar el valor 0 en la fórmula Modulay ?

Ni bien el trabajo me dé un ratito de tiempo, hago los cálculos con el factor de multiplicación también corregido para el hierro y los expongo.

Para 5GTT, el diámetro que se vé en la imagen es de aproximadamente un centímetro, pero son cuatro capas de alambre de 0,8 milímetros. El diámetro del carrete donde arme ese bobinado es de 6 milímetros, sucede que después de 4 capas queda así gordota.
La corriente de medio amper la calculo muy por arriba, muy por aproximación con la fórmula I = W / V * 0,707
Para una potencia de entre 75 y 100 Watts y una tensión de 220V, redondeo en medio Amper, por cada semiciclo, y como dice Modulay, el campo irá invirtiéndose 50 veces por segundo. Por eso a la salida del switch tengo una onda cuadrada de 50 Hz.

Más tarde vuelvo con los recálculos.
Gracias a todos por estar ahí.
Saludos
Mario

A eso me referia, yo veia en la foto la bobina muy pegadita al sensor.

Ya caigo en lo de la corriente, no me salian las cuentas, me faltaba la raiz de dos del valor eficaz, perdonadme pero aun soy muy de continua jajaja.

Saludos.