Diseño de inductancias y transformadores

[RALF2]

¿Alguna duda sobre las bobinas?  No me refiero a cómo se calculan, sino a cualquier tipo de duda general sobre tamaños, inductancias, corrientes, etc.

A mi me interesa todo!!! desde como se calcula en adelante... 
No se mucho sobre esos calculos asi que seria interesante saber como realizarlos, de acuerdo al tipo de nucleo a utilizar, corriente que manejara la bobina, entre otros aspectos de diseño.
Luego seria interesante saber que tipos hay comerciales de acuerdo a la inductancia requerida asi como la corriente a manejar...
No soy experto pero para mi eso es importante 

Y gracias Picuino por querer ayudar! 

[Chaly29]

Hola gente, acá un pequeño aporte de mi parte.

En la imagen se ven los diámetros estandares comerciales de los alambres de cobres que existen para bobinados de motores y transformadores de 50/60Hz, pero como el cobre es lo mismo para bobinas y transformadores de alta frecuencia, pues:

https://drive.google.com/open?id=1e9P6OIrgpYub0Srz2PF4ZT5nk9Lw7ApO

Como se puede apreciar, en la lista están los los distintos diámetros con los datos de sección en mm2, pesos en gramos por metro de alambre y resistencia en ohms por kilometro.

Espero sea de ayuda.

Un saludo.

Atte. CARLOS.

Pda. Tuve que subirlo a google drive porque el foro no me permitía el tamaño de archivo, quien no lo pueda descargar me avisa.

[Picuino]

Gracias Carlos, adjunto la imagen con colores reducidos para que quepa.

Cables.png
(189.02 kB, 881x671 - visto 36444 veces)

También suele ser útil tener una tabla de conversión de calibres AWG:

awg.jpg
(70.79 kB, 485x338 - visto 7444 veces)

[Picuino]

Comienzo comentando algo sobre las Inductancias.

Una inductancia almacena energía, igual que un condensador. El condensador la almacena en forma de voltaje, y la inductancia en forma de corriente eléctrica. Ambos tienen un límite máximo, que no se debe superar.

La cantidad de energía que puede almacenar una inductancia depende del núcleo magnético y es una cantidad fija.

Por otro lado, la energía que puede almacenar un núcleo va a limitar los valores de inductancia y corriente máximas:

   Energía = 0.5 * I^2 * L

   I = Corriente en amperios
   L = Inductancia en Henrios

Un ejemplo: un núcleo que pueda almacenar 500 microjulios de energía, podrá tener los siguientes valores de inductancia y corriente máxima:

   0.5 * 1A^2 * 1000uH = 500 uJulios
   0.5 * 2A^2 *  250uH = 500 uJulios
   0.5 * 3A^2 * 111uH = 500 uJulios
   0.5 * 4A^2 *   63uH = 500 uJulios

Con el mismo núcleo podemos tener más corriente, pero reduciendo la inductancia.


Otra forma de verlo con un ejemplo:
Si tenemos dos inductancias de 100uHenrios y de 1Amperio de corriente máxima
Al ponerlas en serie, conseguimos una inductancia de 200uH y de 1 Amperio máximo
Al ponerlas en paralelo, conseguimos una inductancia de 50uH y de 2 Amperios máximo
Los núcleos son los mismos, pero los valores de inductancia y corriente máxima pueden cambiar.

Al bobinar nuestras inductancias podemos conseguir lo mismo poniendo más o menos espiras.
También podemos rebobinar una inductancia comercial para conseguir otros valores distintos de inductancia y corriente.

¿Dudas, preguntas, comentarios, correcciones?

[KILLERJC]

¿Dudas, preguntas, comentarios, correcciones?

Primero las correcciones, aunque no es tal. A mi me llamo la atención esta parte:

El condensador la almacena en forma de voltaje, y la inductancia en forma de corriente eléctrica.

En el que obviamente este es el efecto de lo almacenado, y que lo que se almacena es carga en un campo eléctrico y en la bobina un campo magnético.
Y entiendo que sea una forma de simplificarlo sin entrar en detalles. Asi que no hay problema en dejarlo asi.

Respecto a el nucleo. La mayoria de los datasheet no usa la cantidad de energia que puede almacenar. Sino que la mayoria de las veces te encontras con otros parametros:
Ejemplo:
http://www.mhw-intl.com/assets/TDK/TDK%20EI-EE-EF-EER-ETD%20Core%20Drawings%20for%20Power%20%28Feb%202010%29.pdf

Entre los que estan:
inductance factor AL
Magnetic path length Ie mm
Cross-sectional area Ae mm2
Core volume Ve mm3
Y C1 que es una constante de las demas.

De donde saco la energia que puede almacenar maxima?

[Picuino]

Si, estoy intentando simplificar mucho, pero sin contar mentiras.

De donde saco la energia que puede almacenar maxima?

Bien, es verdad que los datasheet no hablan de la energía almacenada. Sin embargo es fundamental, porque me va a limitar la corriente máxima de la inductancia (uno de los parámetros más importantes). Por eso he comenzado por ahí.

No es sencillo calcular la energía máxima y por ahora solo quería comentar el concepto sin meterme en cálculos.

Te adelanto algunas ideas:
La energía almacenada depende de la sección del núcleo magnético de forma que cuanto más grande es la sección, más energía puede almacenar el núcleo. Esto es obvio.
También depende de la longitud del núcleo magnético. Esa es la longitud por donde circula el flujo magnético, esas flechas que "salen" de un polo de los imanes y "entran" por el otro polo. Cuanto mayor es la longitud del núcleo magnético, más energía se puede almacenar.
Resumiendo lo obvio, Cuanto más grande es el núcleo, más energía almacena y esos parámetros están en el datasheet del núcleo como Cross-sectional area Ae mm2 y Magnetic path length Ie mm.

También depende de la máxima magnetización que soporta el material. Vale unos 0,2 Tesla para Ferrita y 0,8 Tesla para polvo de hierro. No es una cantidad fija ni exacta, depende de la saturación del material que es algo que va produciéndose poco a poco.

Multiplicando todo tienes la energía.

Un saludo.

[Picuino]

Solo para adelantados:

   E = 0.5 · B^2 · A · λ / (μ0 · μr)

   E = Energía almacenada por el núcleo magnético en Julios [J]
   B = Campo magnético en Teslas [T]
   A = Sección del núcleo magnético en metros cuadrados [m^2] (Cross-sectional area Ae)
   λ = Longitud del núcleo magnético en metros [m]  (Magnetic path length Ie)
   μ0 =  1,2566 x 10^-6   Permeabilidad magnética del vacío
   μr  = Permeabilidad magnética relativa del material magnético (vale de 10 a 1500 dependiendo del material)

Un saludo.

[Picuino]

Hasta ahora:
1. Hilos de cobre. Cómo calcular sus propiedades.
2. Energía almacenada por un núcleo magnético y corriente máxima de la inductancia.


Seguimos con otro parámetro sencillo y práctico para fabricar inductancias.

El parámetro AL (inductance factor) de un núcleo sirve para calcular la inductancia con esta sencilla fórmula:

   Inductancia = AL · Vueltas^2

Si damos una vuelta de hilo de cobre a un núcleo magnético, conseguiremos una inductancia que vale lo mismo que el parámetro AL.
Si damos dos vueltas, la inductancia conseguida será de cuatro veces AL.


EJEMPLO:
Tenemos un toroide TX20/10/7 (20mm de diámetro) fabricado con material 3E27:

Su parámetro AL según el datasheet vale 5360 nH/turn^2 = 5.36 uH/turn^2

Algunas inductancias que se pueden conseguir son:
Vueltas      Inductancia
1                5.36 uH
2                21.4 uH
3                48.2 uH
4                85.8 uH

Una vuelta ocurre cuando el hilo atraviesa el agujero del toroide, de forma que no se pueden dar fracciones de vuelta, siempre será un número entero.


En ocasiones no conocemos la hoja de características del núcleo, pero en este caso se puede calcular el parámetro AL con una sencilla prueba.
Damos 10 vueltas al núcleo y medimos su inductancia. El parámetro será el siguiente:

   AL = Inductancia_medida_con_10_vueltas / 100


¿Dudas, preguntas, comentarios, correcciones?

[Chaly29]

Hola Picuino, una vuelta es cuando el alambre empieza y termina su recorrido (rodeando el núcleo) en el mismo lugar. Por lo que creo que es posible dar fracciones. Aunque esta no son muy exactas. O estoy equivocado?

Un saludo.

Atte. CARLOS.

[Picuino]

Si mides la inductancia de un toroide con una vuelta y luego con dos vueltas, el resultado cambia mucho, se multiplica por cuatro.
Sin embargo no podrás conseguir valores intermedios. Hagas lo que hagas, la inductancia apenas se desvía del valor con una espira o del valor con cuatro espiras.
Es un problema a la hora de hacer inductancias de alta frecuencia con pocas vueltas.
¿Alguien con un inductómetro que quiera repetir el experimento?

[KILLERJC]

Yo tengo un medidor LC, y tengo unos toroides, lo que si no se que valor AL tendran para hacer el experimento.

Respecto a las fracciones de vueltas, considero complicado hacer fracciones de vuelta. Ya que al ser una fraccion ( media vuelta es el unico valor que se me ocurre ) estaria saliendo hacia el otro lado.

Lo que si no se si respondera al valor AL de forma correcta al no estar completo. Pero se puede probar. Ahora me debo ir, pero en un rato hago un par de pruebas.

[AcoranTf]

Yo tambien tengo un medidor LC y voy a aprovechar para sacarle el AL a varios nucleos de los que no tengo datos. Se pone interesante esto.

Saludos.

P.D.: Acabo de hacer la medida con un nucleo de ferrita del tipo EE7032, cuyas medidas son 70 de ancho, 33 de alto cada E y 32 de espesor, la columna central de la E mide 32 X 22 todo ello en milimetros. Con lo cual tenemos un nucleo de 70 X 66 X 32 y con un grueso de la columna central de 22 mm.
Dandole 10 vueltas, me da una inductancia de 307 uH, o lo que es lo mismo 307.000 nH. Pero al dividir cualquiera de los dos valores por 100, el resultado no se acerca a ninguno de los que dan las tablas que tengo para medidas similares de nucleos.
¿Podrias decirnos en que unidades se debe poner la inductancia? y por otro lado, ¿es correcta mi deduccion?. O en todo caso ¿donde esta el error?.
Gracias.

[Picuino]

Los núcleos magnéticos tienen dos diseños distintos.
Uno de ellos define los tamaños y otro define el material magnético. Hay que conocer los dos.

Por las medidas que pones, el núcleo parece ser este:
http://es.farnell.com/epcos/b66371g0000x187/n-cleo-de-ferrita-e-71-n87/dp/2355093
http://www.farnell.com/datasheets/2138470.pdf

Para el material magnético N27 el valor de AL es 655nH, es decir 0,655uH

Como has colocado dos E una frente a otra, el valor de AL se debe dividir por 2 (si la longitud magnética se hace más larga, AL se reduce). Al final tenemos:

   AL = 0,327uH/turn^2

Como has dado 10 vueltas, la inductancia debería valer:

   L = AL · 10^2 = 327uH

El valor puede cambiar mucho con la temperatura, la cantidad de corriente, fabricación, problemas de medida por capacidades parásitas en los devanados, etc. Esto de los materiales no es una ciencia exacta, va a tener márgenes amplios. Si consigues precisiones de +-20% ya te puedes dar por satisfecho, así que los 307uH está bastante bien.

Un saludo.

[Picuino]

Yo tengo un medidor LC, y tengo unos toroides, lo que si no se que valor AL tendran para hacer el experimento.

Respecto a las fracciones de vueltas, considero complicado hacer fracciones de vuelta. Ya que al ser una fraccion ( media vuelta es el unico valor que se me ocurre ) estaria saliendo hacia el otro lado.

Lo que si no se si respondera al valor AL de forma correcta al no estar completo. Pero se puede probar. Ahora me debo ir, pero en un rato hago un par de pruebas.

No hace falta saber el valor de AL, lo calculas tú mismo.

El experimento consiste en ir dando vueltas al núcleo con un cable mientras mides el valor de inductancia. Con una vuelta tendrás valores pequeños (menores de 1uH) que irán aumentando a medida que vayas girando el cable alrededor del toroide.

Te darás cuenta que el valor no cambia casi nada hasta que llega el momento de pasar el cable por el agujero del toroide. En ese momento el valor de inductancia pegará un salto al "contar" el toroide una vuelta más.
Eso demuestra que las vueltas solo afectan a la inductancia cuando el hilo atraviesa el agujero del toroide (con un simbolismo sexual muy curioso, para los amantes del geek porn).

Un saludo.

[AcoranTf]

Los núcleos magnéticos tienen dos diseños distintos.
Uno de ellos define los tamaños y otro define el material magnético. Hay que conocer los dos.

Por las medidas que pones, el núcleo parece ser este:
http://es.farnell.com/epcos/b66371g0000x187/n-cleo-de-ferrita-e-71-n87/dp/2355093
http://www.farnell.com/datasheets/2138470.pdf

Si se parece bastante a ese nucleo.

Para el material magnético N27 el valor de AL es 655nH, es decir 0,655uH

Realmente no se si sera N27 o N87. La hoja de datos para el N87 da una AL de 9700 nH y algo menos para la N27.

Como has colocado dos E una frente a otra, el valor de AL se debe dividir por 2 (si la longitud magnética se hace más larga, AL se reduce). Al final tenemos:

   AL = 0,327uH/turn^2

Como has dado 10 vueltas, la inductancia debería valer:

   L = AL · 10^2 = 327uH

Esto no lo termino de entender, ademas hice la prueba poniendo la E que no tiene el bobinado al reves, de modo que haga el papel de una I y entonces la inductancia baja hasta 247 uH, pero no es la mitad de 327 uH. Si dejo la E del bobinado sola, o sea el nucleo abierto, la inductancia baja hasta los 28 uH

El valor puede cambiar mucho con la temperatura, la cantidad de corriente, fabricación, problemas de medida por capacidades parásitas en los devanados, etc. Esto de los materiales no es una ciencia exacta, va a tener márgenes amplios. Si consigues precisiones de +-20% ya te puedes dar por satisfecho, así que los 307uH está bastante bien.

Un saludo.

He observado que la medida es bastante critica, no consigo hacerla repetitiva. Cada medida da valores distintos, aunque proximos, pero por ejemplo con el nucleo de doble E y las 10 vueltas, consigo inductancias que van desde 310 uH a 390 uH.
El medidor si parece estable, ya que con una inductancia encapsulada los valores leidos varian muy poco entre medidas.