Diseño de inductancias y transformadores

[KILLERJC]

El mio según el vendedor es:
(las dimensiones las puedo confirmar, el material no, y el AL lo voy a calcular)

Código: [Seleccionar]

De = 12mm
Di = 7.5mm
H = 5mm
Al = 1020
Material : N27
Alambre diametro: 0.40mm
Resultado:

18 vueltas = 410uHy
Al calculado = 1265 nHy/vueltas²

9 vueltas = 108uHy
Al calculado = 1333 nHy/vueltas²

------------------

Se puede ver que duplicando las vueltas se cuadriplica el valor de la inductancia.
Tambien hay que entender que existe un cierto error introducido por el cableado (aunque sea pequeño ) del instrumento a la bobina y la misma precision del instrumento, que es de +- %2 + 8
No poseo un instrumento de mayor precision.

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).

Medi la inductancia, para llevar a cabo la practica, al menos en mi instrumento no cambia el valor de la inductancia por mas que rodee completamente al toroide ( sin pasar por el centro ), cambia el valor al pasar unicamente por el centro, o en resumen, la cantidad de vueltas se puede calcular contando cuantas veces atraviesa el agujero y sin darle importancia por donde es que entra y sale
No se si exista una variacion pequeña, pero al menos en mi caso no lo pude ver.

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:

Y si fuera una EI ??


PD: Considerando que los datasheet define el AL con un +30%/-20% pienso que es bastante aproximado, y mas si juntas eso con el error del instrumento y medidas.
PD2: Un poco mas de tiempo y pruebo con un nucleo EE que tengo a mano

[Picuino]

Gracias KILLERJC, a mí me salía lo mismo a la hora de contar vueltas.


AcoranTf, hay un tema del que no he hablado, es importante y no me he fijado a la hora de mirar el datasheet. Es el AIRGAP

Vamos a aclararlo. En algunos núcleos en E, la patilla central es un poco más corta para que deje un pequeño espacio de aire. Suele valer de una décima de milímetro a un milímetro. Para que tengas una referencia el grosor de una hoja de papel normal, de 80gr/m2, es más o menos 0,2mm.
¿Tu núcleo tiene airgap en la patilla central?

[Picuino]

Y si fuera una EI ??

Para un camino con muchos elementos magnéticos en serie, por ejemplo cuando hay una separación de aire o Airgap, los cálculos se hacen con la misma fórmula de muchas resistencias en paralelo:

  AL_Total = 1 / ( 1/AL1 + 1/AL2 + 1/AL3 + .... )

En el caso de solo dos elementos, la fórmula se puede simplificar un poco (es la misma fórmula puesta de otra forma):

   AL_Total = AL1 * AL2 / (AL1 + AL2)


Un saludo.

[AcoranTf]

Gracias KILLERJC, a mí me salía lo mismo a la hora de contar vueltas.


AcoranTf, hay un tema del que no he hablado, es importante y no me he fijado a la hora de mirar el datasheet. Es el AIRGAP

Vamos a aclararlo. En algunos núcleos en E, la patilla central es un poco más corta para que deje un pequeño espacio de aire. Suele valer de una décima de milímetro a un milímetro. Para que tengas una referencia el grosor de una hoja de papel normal, de 80gr/m2, es más o menos 0,2mm.
¿Tu núcleo tiene airgap en la patilla central?

No, no tiene airgap. Las tres patas de la E son iguales. La diferencia podria deberse a la alineacion de las dos E, a alguna particula que se quede entre las patas de las E, etc. Incluso podria deberse a la posicion de los cables, que parce que al contrario que en  los toroides, si que influye como quede colocado el cierre de las espiras. Ya hare pruebas mas tranquilamente y procurando respetar al maximo las condiciones a ver si de ese modo la medida es repetitiva o al menos aproximada.

[Picuino]

El valor del Airgap cuando es pequeño se puede estimar con la fórmula:

  AL = (μo · A) / λ

  AL = Factor de Inductancia en milihenrios [mH]
  λ = Longitud de la separación de aire en milímetros [mm]
  A = Área o sección del camino magnético en milímetros cuadrados [mm^2]
  μo = 1,2566 x 10-6   Permeabilidad magnética del vacío

La fórmula no es exacta y cuanto mayor es la separación λ, más se equivoca, pero sirve de aproximación.
Los datasheet dan los valores reales en algunos casos.

Un saludo.

[KILLERJC]

Realice un par de mediciones mas con nucleos de 2 partes, poseo:

Datos del vendedor:

Código: [Seleccionar]

EE 25-13-07
Gap = 1.0mm
Material... esta entre NH2B o CF196  ( no encuentro las caracteristicas del NH2B )
AL = 160 o 200 respectivamente al material
Vueltas: 23
Inductancia medida: 63 uHy
Al calculado: 119 nHy/vueltas²

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Tambien poseo otro
Dejo datasheet para que se vea la forma:
https://en.tdk.eu/inf/80/db/fer/ep_13.pdf

Datos del vendedor:

Código: [Seleccionar]

EP13
No Gap
Material...  CF138
AL = 1450
Vueltas: 11
Inductancia medida: 192 uHy
Al calculado: 1520 nHy/vueltas²


Como se ve al menos con los valores que me da el vendedor no hay diferencia, a pesar de que estan compuestos por 2 partes, es decir no debí dividirlos por nada.
Aca un datasheet con un EP13 y ese material donde figura el Al
http://www.es.co.th/schemetic/pdf/cosmoferrites.pdf

Lo unico que SI note de diferencia es que lo tenia pegado con una cinta de papel, al tenerlo asi la inductancia caia a 35uHy, pero si lo tenia apenas apretado como si tuviera el sujetador la inductancia es la que use. Ya que hay una pequeña separacion que se daba con el la cinta, visible.

Tambien poseo un EI2811, pero no considere necesario probarlo

[Picuino]

El datasheet que has puesto incluye las dos partes del núcleo juntas como aparece en el dibujo. Te dan el AL de todo el conjunto y por eso no tienes que dividir.

Las separaciones de aire aumentan la inductancia bastante. En el datasheet aparecen las diferentes AL con separaciones de aire del fabricante (parámetro s).
Por ejemplo según https://en.tdk.eu/inf/80/db/fer/ep_13.pdf
   AL = 100nH  con separación s=0,24mm
   AL = 250nH con separación s=0.1mm


Si aprietas fuerte por el centro, puedes modificar la separación y la inductancia cambia mucho.
Este efecto se puede utilizar para medir variaciones muy pequeñas de distancia o de fuerza.

Un saludo.

[KILLERJC]

Las dimensiones corresponden a 1 de los cores, no a los 2, la figura ocurre lo mismo, tampoco hay nada especificado, no entiendo como pueden dar un datasheet dandote el valor Al y no decirte si es una parte o dos. Y ocurre con todos los datasheet que mire. Para mi que deberia ser completo. Ya que no tienen sentido usar solo una parte del mismo.

Si el Core es EE, no vas a usarlo como un EI. Tampoco vas a usar otro core distinto.

EDIT: Una equivocacion mia, quise decir que el valor de AL corresponde al conjunto completo de EE o EI con los valores de gap que diga el fabricante. Tal como dijo Picuino.
Pero la idea era determinar si los valroes de AL a veces aparece dados por una sola parte del nucleo y/o el conjunto.

[Picuino]

En el caso de los núcleos EE, uno de ellos puede tener un pequeño gap de aire o los dos a la vez.
Así puedes combinar varios núcleos E con distintos gaps cada uno para conseguir el airgap total que deseas.

Por eso el valor AL debería corresponder a un solo núcleo E, no a los dos.

En otros núcleos, como en los toroides, te dan el AL total.

Los toroides aunque no se vea, también tienen gap de un material no magnético.
Se consigue al mezclar polvo de ferrita o de hierro con polvo de material no magnético y luego se comprime la mezcla resultante en un molde de sinterizado.

El efecto del gap de aire es el siguiente:

   Disminuye el factor de inductancia (hacen falta más espiras para conseguir la misma inductancia)
   Aumenta la energía almacenada por el núcleo.

Por eso en ciertas aplicaciones interesa tener airgap, para que el núcleo pueda almacenar más energía y la inductancia soporte más corriente sin saturarse.

Saludos.

[KILLERJC]

EDIT: Perdon Antes quise decir que pienso que los valores AL siempre se refieren al par completo, no 1 de los cores...

En el caso de los núcleos EE, uno de ellos puede tener un pequeño gap de aire o los dos a la vez.
Así puedes combinar varios núcleos E con distintos gaps cada uno para conseguir el airgap total que desea

Por eso el valor AL debería corresponder a un solo núcleo E, no a los dos.

Veamos.. yo podria proponer lo mismo pero a la inversa.
El valor AL corresponde al par con esos valores de gap. Si quisiera agregar otro valor entonces deberia dividir como comentas el valor del Al y hacer lo mismo para el otro con el gap distinto.
Primero que no me puse a fijar si es posible realizar esto. posible es, pero si es una relacion directa no me acuerdo, pienso que el valor esta dado para la separación ( gap ) no importa si es simétrico o no, incluso el mismo fabricante te ofrece cualquiera de las dos formas,
Pero no creo que asi suceda, si vos pedis un nucleo, el AL especificado en el datasheet esta dado para como lo definio el fabricante. En el caso del datasheet de TDK, una sola parte posee gap.

Los valores son para el par el cual uno no posee gap y el otro si, el cual esta definido con la s.

De estos PDF de TDK/EPCOS:
https://www.epcos.co.jp/download/540150/449506bb84194c3510018ae82f66b4cc/pdf-ecoresgeneralinformation.pdf
http://www.farnell.com/datasheets/1756165.pdf

a) Air gap and AL value
The typical AL value tabulated in the individual data sheets refers to a core set comprising a gapped
core with dimension „g“ and an ungapped core with „g“ approx. 0.

Siendo g el gap-

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Los toroides aunque no se vea, también tienen gap de un material no magnético.

Depende del material, los de polvo de hierro si, pero los que son de ferrita solo no, por eso su baja permeabilidad de los polvo de hierro. Ya que la idea del air-gap es reducir la permeabilidad aportando lo que vos describiste. Ejemplos:

De polvo de hierro:
https://www.mag-inc.com/Media/Magnetics/Datasheets/0077131A7.pdf

De ferrita aprox, aunque el area es mayor el mismo tamaño:
https://www.mag-inc.com/Media/Magnetics/Datasheets/ZJ41206TC.pdf

De la pagina de Kool-Mu:

Ferrite Toroids
Ferrite toroids offer high magnetic efficiency as there is no air gap and the cross-sectional area is uniform

De hecho podes ingresar a la pagina y se ve que lso de polvo de hierro estan en maximo 400 AL mientras que los de ferrita van hasta los 33000 AL.

[Picuino]

Tienes toda la razón. El datasheet lo dice claro, el factor de inductancia AL corresponde a todo el núcleo compuesto por las dos E.
Además se puede ver que la longitud magnética corresponde a toda una vuelta alrededor de 2 núcleos E.

No sé porqué tenía la otra idea en la cabeza. Para hacer pruebas suelo colocar hojas de papel que separen los núcleos y se comportan de forma distinta a como indica el datasheet, pero muy similar a un airgap doble.
Por ejemplo si separas los 2 núcleos E con una hoja de papel, la separación será de 0.2mm, pero en dos zonas, la central y las barras exteriores. El resultado es parecido a un airgap central de 0,4mm.
Al hacer esas pruebas, estoy acostumbrado a trabajar de forma distinta a como indica el Datasheet.

Gracias por aclarar la diferencia entre el airgap de los toroides de polvo de hierro y los toroides de ferrita sin airgap.

Un saludo.

[KILLERJC]

No sé porqué tenía la otra idea en la cabeza. Para hacer pruebas suelo colocar hojas de papel que separen los núcleos y se comportan de forma distinta a como indica el datasheet, pero muy similar a un airgap doble.
Por ejemplo si separas los 2 núcleos E con una hoja de papel, la separación será de 0.2mm, pero en dos zonas, la central y las barras exteriores. El resultado es parecido a un airgap central de 0,4mm.
Al hacer esas pruebas, estoy acostumbrado a trabajar de forma distinta a como indica el Datasheet.

Seguramente sea eso, ahora yo pienso que deberia calcular todo de 0 si es que el gap no esta especificado en el datasheet. ¿Como haces para calcular el AL cuando es asi? Te basas en los datos de un core que posea por ejemplo en la mitad del gap? Pregunto porque es comun tener que agregar gap en el prototipo para cumplir con los requerimientos.


PD: Se que Picuino lo entiende, pero para otro que lea. Para seguir llevando a cabo esto sin que se piense que es una carrera o algo mas (con mucho énfasis acá ). Siempre fui de la idea de que si alguien difiere de pensamiento debe demostrarlo, si yo pienso una cosa y alguien me demuestra lo contrario lo único que puedo estar con esa persona es : AGRADECIDO por compartir su conocimiento. La idea es aprender, y me parece genial la forma de hacerlo. Lo digo porque una ves me dijeron que no todo era un debate  (esa persona tenia razón en ese caso ). Pero tampoco quiero que al existir algún debate las personas dejen de participar en el hilo.

[Picuino]

Lo mejor siempre es medir el valor real de AL. Es lo más seguro en estos casos.

Claro que conviene tener una idea de lo que va a ocurrir para no dar 'palos de ciego'
Cuando añades un airgap, el valor de AL se reduce bastante y es aproximado a la fórmula que puse antes:

  AL = (μo · A) / g

  AL = Factor de Inductancia en milihenrios [mH]
  g = Longitud de la separación de aire (airgap) en milímetros [mm]
  A = Área o sección del camino magnético en milímetros cuadrados [mm^2]
  μo = 1,2566 x 10^-6   Permeabilidad magnética del vacío


Esta fórmula es aproximada y puede valer para airgap con tamaño entre 10 y 100 veces menor que el tamaño del núcleo. Para valores de Airgap menores o mayores el error puede ser bastante grande, pero sigue dando una aproximación.


Para valores de airgap muy pequeños, la fórmula exacta tiene que sumar los dos valores de AL (el del airgap y el de la ferrita sin airgap):

    AL_total  = (1 / AL_airgap + 1 / AL_sin_airgap)


Para valores de airgap muy grandes, el valor real de AL es un poco mayor del calculado (hasta un 50%) porque el flujo magnético se "esparce" más allá del hueco de aire.
Hay fórmulas más exactas, pero no creo que merezca la pena darle más vueltas.

EJEMPLO:
Si quieres puedes hacer un ensayo con tu núcleo.

https://en.tdk.eu/inf/80/db/fer/ep_13.pdf

Datos del vendedor:

Código: [Seleccionar]

EP13
No Gap
Material...  CF138
AL = 1450
Vueltas: 11
Inductancia medida: 192 uHy
Al calculado: 1520 nHy/vueltas²

Si añades un pequeño trozo de hoja de papel al núcleo, el airgap será:
   g1 = 0.2mm en el centro
   g2 = 0.2mm en la zona exterior
   g_total = 0.4mm

Aplicando la fórmula:

   AL = (μo · A) / g = 1,2566 x 10^-6 * 19.5 mm2  / 0.4mm = 0,0000613 mH = 61nH


Como se puede ver es muchísimo menor que los 1500nH sin airgap.
Dando 10 vueltas, conseguirás más o menos:

   L = AL * 10^2 = 6.1uH



Un saludo.

[Picuino]

Y ¿Qué pasa con los que no tienen un medidor de inductancias, ni tienen el datasheet del núcleo?

¿Cómo se puede medir la inductancia de un núcleo sin tener un aparato comercial de medición?

Hay muchas soluciones, que dependen del presupuesto y de los aparatos de medición que ya poseas, como un voltímetro de alterna o un osciloscopio.


LC Meter DIY:
Uno de los montajes más famosos es uno que utiliza un pequeño PIC. Es bastante preciso, autorrango y se puede contruir por uno mismo. Existen varias versiones, la más moderna es más sencilla porque utiliza el comparador del propio microcontrolador:
https://sites.google.com/site/vk3bhr/home/index2-html
https://sites.google.com/site/vk3bhr/home/lcm1
http://my.integritynet.com.au/purdic/lc-meter-project.htm
http://electronics-diy.com/lc_meter.php
http://www.electronics-lab.com/project/simple-lc-meter/
En ebay se pueden encontrar medidores similares ya montados y por poco dinero.
https://www.ebay.es/itm/High-precision-inductance-and-capacitance-meter-tester-LC-compact-and-practical/272418287833?hash=item3f6d6530d9:g:oAwAAOSwPCVYBjLM

LCM2.gif
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Generador de señal y voltímetro:
Otra solución sencilla si tenemos un generador de señal (puede servir un simple microcontrolador y un DAC) y un buen polímetro para medir tensión alterna de alta frecuencia y bajo voltaje, es generar una señal senoidal y aplicarla a la bobina con una resistencia en serie. Midiendo la tensión en bornes de la resistencia y la tensión en bornes de la bobina y conociendo la frecuencia, resulta sencillo calcular la inductancia.


Con osciloscopio:
Otro método que necesita un osciloscopio, consiste en cargar un condensador conocido y ponerle en paralelo con la inductancia a medir.
En el osciloscopio se puede medir la frecuencia a la que oscilan los dos y con otra fórmula, se calcula la inductancia.


Con fuente conmutada:
Por último otro método es hacer una pequeña fuente conmutada de tipo Boost con un mosfet, un diodo schottky, un par de condensadores y la bobina a medir. Con un microcontrolador se dan pequeños pulsos al transistor con pequeño ciclo de trabajo (por ejemplo el 1%).
A la salida se coloca un regulador zener para que la tensión no suba más de un cierto valor. La inductancia será la inversa de la corriente de salida (a mayor inductancia, menor corriente). Hace falta una inductancia conocida para calibrarlo y una pequeña fórmula para medir la inductancia. Lo mejor de este método es que la inductancia se mide con altas corrientes, como en la realidad, que se pueden controlar con el microcontrolador.


Métodos DIY no faltan. Lo importante es escoger el que más nos convenga.

[Picuino]

Podemos pasar a calcular y diseñar la corriente máxima de la bobina.

¿Dudas, preguntas, comentarios, correcciones?