Info sull'induttore ... | LABORATORIO SCOLASTICO

L’induttore, come tutti i componenti elettronici passivi si trova in ogni dispositivo elettronico ed elettrico, con diverse funzioni come ad esempio come impedenza di filtro negli ingressi di alimentazione nei cosiddetti circuiti RFI, o come impedenze negli alimentatori switching, o ancora nei crossover o filtri di circuiti in BF (bassa frequenza) e in molte altre applicazioni.

Negli schemi elettrici ed elettronici il suo simbolo è indicato da una serie di spire a rappresentare appunto nella sua maniera più semplice un avvolgimento di n spire…mentre la lettera L rappresenta il suo coefficiente e lettera di identificazione …

L’induttore come già detto nella sua forma più comune si trova come un avvolgimento o meglio spirale di n spire avvolto in aria e realizzato con un conduttore unipolare in rame di adeguata sezione ed opportunamente isolato, in genere con della vernice in smalto; nella forma più complessa presenterà un nucleo in genere di materiale ferromagnetico sul quale sono avvolte opportunamente le spire del conduttore. La lettera L indica il valore della sua induttanza e la sua unità di misura è l’Henry, questa rappresenta la proprietà fisica di autoinduzione quando la bobina è percorsa da una intensità di corrente di forma variabile.

Costituzione

Come abbiamo visto la sua realizzazione seppur necessita di particolare dimensionamento, nella sua parte costruttiva è molto robusta sia elettricamente che meccanicamente pertanto un suo probabile, ma altrettanto remoto guasto è facilmente individuabile, in quanto causato dal cedimento di un altro componente che causa il surriscaldamento per effetto joule della bobina che realizza l’induttore … guasto evidente..

Nella sua semplicità l’induttore si presenta come un avvolgimento di n spire di un conduttore isolato con smalto di sezione adeguata ed avvolto su un supporto di materiale anch’esso isolante, quest’ultimo potrà trovarsi in aria o su materiale ferromagnetico con elevata permeabilità μ, con quest’ultima possibilità si potranno così avere gli induttori in aria o gli induttori con nucleo, ed in entrambe i casi comunque si avrà per il loro collegamento al circuito sempre i due terminali o reofori.

Teoria essenziale …

Il conduttore così avvolto intorno al supporto (nucleo) realizza una bobina composta da un certo numero di spire N , e quando questa è percorsa da un’intensità di corrente I si genera nello spazio circostante un flusso Φ concatenato con il conduttore stesso e legato all’intensità di corrente dalla relazione:

$Phi =Lcdot I$

Dove $L$ è il coefficiente di autoinduzione noto come Induttanza del conduttore, il suo valore dipende dalla geometria del conduttore e dalla natura del mezzo (nucleo) in cui ha sede il campo magnetico espressa in H: henry e sottomultipli ( $mH$ – $μH$ ).

Quindi l’induttore è una bobina di N spire avvolte su di un supporto (nucleo: aria o materiale ferromagnetico) che permette di realizzare determinati valori di induttanza L misurata in henry il cui valore può essere ottenuto dalla relazione:

$L=frac{Ncdot Phi}{I}$

Nel caso in cui l’intensità di corrente che interessa l’induttore sia variabile nel tempo e di valore istantaneo $i$ ,la forza elettromotrice di autoinduzione $e$ che si manifesta nell’induttore assume il valore istantaneo :

$e= -Lfrac{text{d}i}{text{d}t}$

l’induttanza $L$ è la capacità di immagazzinare energia elettrica in un campo elettromagnetico, e l’energia $W$ immagazzinata ed associata al campo magnetico vale:

$W= frac{1}{2}cdot Lcdot I^{2}$ Induttore in corrente alternata

Una bobina percorsa da un’intensità di corrente con andamento sinusoidale e di una frequenza nota, ai suoi estremi presenta una tensione anch’essa sinusoidale ma sfasata in anticipo di un angolo

$varphi = 90^{0}$

rispetto all’intensità di corrente, nella pratica questo sfasamento

$varphi$

sarà di un angolo

$delta=90^{0}-varphi$

minore di 90° detto angolo di perdita della bobina.

L’induttore reale pertanto viene rappresentato da un circuito costituito da un’induttanza equivalente del valore $L s$ ed una resistenza serie del valore $R s$ questo circuito dà luogo alle due componenti di tensione $V R$ in fase con la corrente ed una componente $V L$ in quadratura in anticipo con la corrente.

Il circuito equivalente dell’induttore può divenire anche di tipo parallelo se si scompone l’intensità di corrente I in una componente in fase con la tensione nella resistenza $R P$ , denominata $I R$ ed una componente in quadratura $I L$ che interessa l’induttanza equivalente $L P$ ; pertanto il circuito equivalente parallelo ed il relativo diagramma delle intensità di correnti diventano:

L’energia dissipata in un periodo vale $P T$ essendo $P$ la potenza attiva assorbita e $T$ il periodo, il fattore di merito $Q$ vale:

$Q=omegafrac{W}{P}$

per il circuito equivalente serie diventa:

$Q= frac{omega L_{S}}{R_{S}}$

e per il circuito equivalente parallelo:

$Q=frac{R_{P}}{omega L_{P}}$

da queste ultime due espressioni :

$R S R P = ω 2 L S L P$

essendo eguali le impedenze dei due circuiti equivalenti

$R_{P}= R_{S}left [1+left ( frac{omega L_{S} }{R_{S}} right )^{2}right ]= R_{S}left ( 1+Q^{2} right )$

$L_{P}= L_{S} left[ 1+left ( frac{R_{S}}{omega L_{S}} right )^{2}= L_{S}left (1+frac{1}{Q^{2}} right ) right ]$

In una bobina il valore del fattore merito $Q$ sarà senz’altro maggiore dell’unità quindi le precedenti due espressioni diventano

$R P = R S Q 2$

$L S = L P = L$

e l’espressione

$R S R P = ω 2 L S L P$

diventa

$R S R P = ω 2 L 2$

Dove $L$ è l’induttanza della bobina.

Le resistenze $R S$ e $R P$ rappresentano tutte le perdite che interessano la bobina, anche se in pratica le perdite sono diversamente localizzate e sono :

perdite nel conduttore utilizzato dovute alla resistenza propria del conduttore,
perdite originate dal dielettrico che fa da supporto alla bobina e nello stesso rivestimento isolante del conduttore
perdite per irradiazione, per bobine di grandi dimensioni ed impegnate da frequenze elevate,
perdite dovute alla presenza di materiali di tipo metallico vicini , esempio schermi della bobina.

parametri caratteristici dell’induttore

Sono parametri caratteristici dell’induttore, il fattore di merito $Q$ , la frequenza di risonanza $f r$ ,l’angolo di perdita $a$ ,la tolleranza ed il coefficiente di temperatura.

Il fattore di merito o di bontà $Q$ viene espresso dal rapporto fra l’energia immagazzinata $W$ e l’energia dissipata $P$ dalla bobina in un periodo ovvero:

$Q= omegafrac{W}{P}= 2pi ffrac{W}{P}$

Il fattore di merito $Q$ in genere è compreso fra qualche decina ed alcune centinaia, e c’è un campo di frequenze in cui è praticamente costante: questo deve essere il campo di impiego dell’induttore; tanto più le perdite sono basse ovvero $R s$ piccolo, tanto più il $Q$ è alto .

Un altro fattore di qualità dell’induttore è l’angolo di perdita ( $δ$ ), riportato a volte in grafici che lo esprimono in funzione della frequenza e dell’induttanza alle quali risulta direttamente proporzionale.
La frequenza di risonanza è quel valore di frequenza in cui l’induttore non opera in maniera corretta ed inizia a comportarsi come un condensatore puro, il valore di questa frequenza si ricavadalla relazione:

$f_{0}=frac{1}{2pi sqrt{LC}}$

La tolleranza è il valore percentuale di scostamento del valore di induttanza $L$ rispetto al suo valore nominale, mentre il coefficiente di temperatura esprime la variazione del valore di induttanza dovuto alle variazioni didimensioni della bobina per effetto delle dilatazioni termiche e delle variazioni di resistività del conduttore.

caratteristiche costruttive degli induttori

Come già accennato gli induttori possono essere realizzati senza nucleo cioè avvolti in aria o con nucleo avvolti su unsupporto di materiale ferromagnetico.

induttori senza nucleo

Sono realizzati da un filo conduttore isolato avvolto su un supporto isolante cavo, le caratteristiche fisiche del filo conduttore sono importanti in quanto dovranno contenere le perdite ohmiche quindi dovranno avere basso valore di resistenza, in alcuni casi (RF) si utilizza come conduttore il filo Litz per ridurre l’effetto pelle alle alte frequenze, costituito da un’insieme di fili sottili, e fra loro intrecciati ed isolati,non ultima la considerazione sul tipo di posa del conduttore che dovrà realizzarel’avvolgimento in modo da ridurre al minimo gli effetti capacitivi che si realizzano fra le spire e creano dei campi elettrostatici in aria e nei dielettrici dell’avvolgimento, gli avvolgimenti più comuni vengono realizzati in:

solenoide, è l’avvolgimento più comune e semplice il conduttore isolato viene avvolto in un solo strato su un supporto di materiale isolante, o semplicemente realizzatocon qualche spira in aria,
a più strati, si utilizza nel caso il valore di induttanza richiesto sia alto,pertanto il conduttore isolato viene avvolto in più strati di un numero dipendente dal valore dell’induttanza su di un supporto cilindrico cavo ed anch’esso isolante,
a nido d’ape, è una realizzazione complessa degli avvolgimenti sul supporto,
avvolgimento toroidale, questo per ottenere campi magnetici di debole intensità fuori dall’induttore, anche in questo caso la realizzazione degli avvolgimenti può avvenire in più strati.

induttori con nucleo

L’utilizzo del nucleo determina un aumento del valore di induttanza poiché quest’ultima è proporzionale alla permeabilità magnetica che risulta maggiore nei materiali ferromagnetici, piuttosto che nell’aria;questo a parità di dimensioni di ingombro e i numero di spire.

L’aspetto negativo della presenza di un nucleo nell’induttore è relativo ad un aumento delle perdite per correnti parassite indotte nel nucleo ed isteresi magnetica con la conseguente diminuzione del fattore di qualità, anche se con i nuclei in ferrite si riesce ad ottenere elevati valori di permeabilità e basse perdite.

I nuclei si possono avere in diverse forme :

ad E
ad U
ad I
toroidale.

Gli induttori possono essere del tipo assiale per il montaggio rapido su pcb o anche in tecnologia SMD

collegamento serie e parallelo

Come per i resistori e di condensatori anche gli induttori possono essere collegati in serie ed in parallelo:

Nel collegamento serie l’induttanza equivalente vale:

$L e q u = L 1 + L 2 + \dots. L n$

Nel collegamento parallelo l’induttanza equivalente vale:

$frac{1}{L_{equ}} =frac{1}{L_{1}}+frac{1}{L_{2}}+....frac{1}{L_{n}}$

formule per il dimensionamento di una bobina in aria

Nell’ipotesi di dover costruire una bobina in aria,l’espressione per determinare il valore di impedenza espressa in $μH$ è di natura empirica si esprime come la formula di Nagaoka:

$L=0,987cdot 10 ^{-2}cdot K_{n^{2}}cdot frac{d^{2}}{l}$

Valida nel caso di bobine corte con $l < 10 d$ e dove $n$ è il numero di spire, $d$ il diametro ed $l$ la lunghezza della bobina espresse in cm , mentre $k$ è il coefficiente correttivo che dipende da $d / l$ ; un’altra espressione maggiormente valida sempre per bobina corte:

$L= frac{d^{2}cdot n^{2}}{l+0,45cdot d}cdot 10^{-2}$

Per bobine in aria con avvolgimenti a più strati considerando che l’induttanza dipende dal quadrato del numero di spire

$L=frac{N^{2}}{mathfrak{R}}$

dove $mathfrak{R}$ è la riluttanza del circuito magnetico una volta ricavato il valore relativo ad uno strato si moltiplica poi il valore trovato per il quadrato del numero degli strati ottenendo così un valore approssimato, ma indicativo.

Per bobine in aria con avvolgimenti a più strati considerando che l’induttanza dipende dalquadrato del numero di spire

$L=frac{N^{2}}{mathfrak{R}}$

fasce di valori

Si possono distinguere per tre fasce di valori:

bassa 0,1—100 $μH$ in questa fascia rientranole bobine per radiofrequenza,
media 0,1—100 $mH$ questi valori interessano le bobine di filtro per alimentatori, peri filtri crossover le bobine disoppressione disturbi etc,
alta 0,1 $H$ in questa fascia interessano le grosse impedenze ed i trasformatori.

come per i resistori ed i condensatori anche per gli induttori ci sono i codici di rispondenza colore/numero per l’identificazione del valore di induttanza espresso in uH

induttore variabile

Sono realizzati da un avvolgimento entro il quale si può inserire in profondità variabile un nucleo magnetico, il tipo rappresentato è per applicazioni in RF.

La verifica di un induttore può essere semplicemente eseguita con un multimetro in portata per ohm, misurando ai capi dei suoi terminali si dovrà leggere in genere un bassissimo valore di resistenza (dipende dal tipo di induttore) che da l’idea della continuità dell’avvolgimento che realizza la bobina dell’induttore, diversamente se si misurasse infinito di resistenza sta a significare che la bobina è aperta o interrotta pertanto è da sostituire con induttore identico, fermo restando che un induttore guasto in genere risulta abbastanza evidente …

Riferimenti per la stesura…

Tecnologia Elettronica G.Lotti Vol.1 ed Sovrana.

Appunti di TDP..

effetto pelle,filo Litz by wikipedia,

sulla bobina di choke by wikipedia.

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4 Risposte a “Info sull’induttore …”

pippo ha detto:

13/12/2020 alle 13:22

Nb : il valore di un induttore aperto non corrisponde a un valore in ohm uguale a zero ma bensì uguale a infinito !

Rispondi
1. elettrico ha detto:
  
  18/12/2020 alle 11:09
  
  Salve pippo, grazie per l’osservazione , ho provveduto a correggere. In effetti la mia indicazione seppur si riferiva ad una continuità elettrica dell’avvoglimento/bobina interrotta, tecnicamente portava inganno la condizione di verifica, idealmente un circuito con resistenza nulla è un conduttore perfetto .. 🙂
  
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guglielmo accardi ha detto:

10/05/2020 alle 18:14

Ottimo………..

Rispondi
1. elettrico ha detto:
  
  11/05/2020 alle 18:16
  
  Grazie per l’apprezzamento. 😉
  
  Rispondi