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Componenti passivi: induttori

Induttori

Induttori vari Induttori toroidali vari da PCB

Sono generalmente costituiti da un filo di materiale conduttore (tipicamente rame, ma anche argento) avvolto su un supporto ferromagnetico o in aria.
La caratteristica di un induttore di accumulare energia sotto forma di campo magnetico, è chiamata induttanza.
Gli induttori vengono comunemente chiamati anche induttanze e nelle applicazioni ad alta potenza vengono anche chiamati reattori (caso tipico quello del tubo al neon).
Il tipico comportamento dell’induttore è quello di opporsi ai cambiamenti della corrente che la attraversa generando una forza contro elettromotrice.
Viene, per questa caratteristica impiegata nei filtri degli alimentatori in combinazione con i condensatori per costituire le celle LC di soppressione del ripple di alimentazione.
Si presentano in varie fogge, il fattore discriminante è appunto l’induttanza espressa in Henri.
L'induttanza è un accumulatore di energia magnetica così come il condensatore è un accumulatore di energia elettrostatica.
Il campo magnetico prodotto dal passaggio di corrente nel conduttore produce un campo magnetico (o meglio una forza magnetomotrice o f.m.m. o tensione magnetica che si misura in Ampere Spira) che produce un flusso magnetico nel nucleo proporzionale all'intensità della tensione magnetica e inversamente proporzionale alla "resistenza" che incontra nel nucleo che in questo caso di chiama riluttanza magnetica.
Se il nucleo è composto da spezzoni di materiali diversi la riluttanza totale è data dalla somma delle singole riluttanze.

Induttore doppio avvolto su nucleo ferromagnetico toroidale

A sinistra: Induttore doppio avvolto su nucleo ferromagnetico toroidale.
Come si nota dai reofori che fuori escono da sotto che è fatta per essere montata su un circuito stampato.

Induttore avvolto su nucleo ferromagnetico toroidale

A sinistra: Induttore avvolto su nucleo ferromagnetico toroidale.
Dalla sezione del filo che compone l'avvolgimento si può facilmente dedurre che è dimensionata per sopportare grosse correnti.

Induttori vari accomunati dal fatto di avere un nucleo composto da materiale ferromagnetico sinterizzato (polveri) di forma toroidale o composto da due “E”.
Come si può notare un indizio della corrente che passa nell'induttore si può desumere dal diametro del filo della stessa.

Induttori vari accomunati dall'avere un nucleo composto da materiale ferromagnetico sinterizzato (polveri) di forma toroidale o composto da due “E”.

Induttori vari smontati da schede madri di computer.
Si tratta di componenti fatti per funzionare a frequenze relativamente alte e sopportare correnti notevoli.

Induttori vari smontati da schede madri di computer
Filtro di alimentazione atto al filtraggio di transienti ad alta frequenza realizzato con induttori e condensatori

A sinistra, esempio di filtro di alimentazione realizzato con induttori e condensatori atto al filtraggio di transienti ad alta frequenza.

A destra esempio di induttore su nucleo lamellare usata in serie alla tensione di rete per eliminare i disturbi.

Induttore su nucleo lamellare usato in serie alla tensione di rete per eliminare i disturbi
Induttore impiegato come PFC Induttore impiegato come PFC

Nelle immagini sopra degli induttori impiegati in serie nei circuiti Power Factor Corrector (PFC) di un convertitore.

Induttore: disegno esplicativo di principio.

In un induttore si ha una trasformazione da energia elettrica a energia magnetica, praticamente il campo magnetico prodotto dal passaggio della corrente è concentrato nel nucleo magnetico nel caso di una induttanza avvolta su nucleo, mentre per quelle avvolte in aria influenza tutto lo spazio circostante ed è tanto più intenso quanto più è alta la corrente che passa nell'avvolgimento.
Modificare il valore della corrente che passa significa modificare il campo magnetico e quindi l'energia magnetica immagazzinata.
Dal punto di vista della corrente l'analogo meccanico è un volano.

Induttore, schema di principio di funzionamento

Induttori variabili

Si tratta di induttori in cui è possibile entro certi limiti variare l'induttanza, in genere con un comando meccanico che agisce sulla geometria del nucleo. Si utilizzavano nei circuiti di accordo per radiofrequenza al posto dei condensatori variabili.

Induttori in serie e parallelo

L'induttanza equivalente di più induttori in serie considerando una mutua induzione fra loro trascurabile è uguale alla somma dei singoli valori di induttanza.
Quindi Leq=L1+L2+L3+.... Ln

Nel caso di induttori in parallelo considerando una mutua induzione fra loro trascurabile l'induttanza equivalente è uguale a:
1/Leq=(1/L1)+(1/L2)+(1/L3)+ ... (1/Ln) dove Leq è l'induttanza equivalente, L1, L2, L3, Ln sono le induttanze in parallelo.

Induttori: energia immagazzinata

Una induttore percorso da corrente trasforma l'energia elettrica in magnetica.
L'energia di cui una induttanza si carica (e poi può cedere ad un utilizzatore esterno) si misura in Joule ed è uguale a 1/2 x L x I x I dove L è l'induttanza in Henri e I la corrente in Ampere.

Fattore di merito dell'induttore

L'induttore ideale restituisce ad un utilizzatore esterno tutta l'energia che ha assorbito.
Nella realtà questo non accade per motivi legati alla resistenza dell'avvolgimento elettrico e alla permeabilità del circuito magnetico, nonché alle perdite per isteresi, per flussi magnetici dispersi o concatenati con oggetti metallici nella immediate vicinanze dell'induttore.
Si definisce fattore di merito Q di un induttore il rapporto fra l'induttanza e la resistenza nella seguente proporzione Q=(2xPIxfxL)/R dove PI è pigreco, f è la frequenza L è l'induttanza e R la resistenza del circuito.
Più grande è il suo valore, migliore è il rendimento dell'induttore.
In tutto questo non si tiene conto dei fenomeni di saturazione (corrente troppo intensa) che determinano un crollo dell'induttanza e quindi del fattore Q e che vanno anche tenuti presenti nella scelta dell'induttore.

Saturazione del nucleo dell'induttore

Spendiamo due parole per descrivere questo fenomeno: quando la corrente nell'induttore supera un certo limite, il flusso magnetico che produce attraverso il nucleo ferromagnetico satura lo stesso, quindi aumentando la corrente non avremo più un aumento del flusso magnetico.
Questo fenomeno è da evitare in quanto l'effetto prodotto corrisponde ad un azzeramento dell'induttanza per correnti maggiori a quella di saturazione, avendo come effetto un aumento inaspettato della corrente che attraversa l'induttore non potendo più contare sull'effetto volano dello stesso.

Posso usare un trasformatore di alimentazione come induttore?

Questa è una domanda che quando dovrete costruire un alimentatore con filtro pigreco e non troverete un induttore adatto probabilmente vi porrete.
La risposta è si e no.
Dal punto di vista costruttivo un trasformatore di alimentazione ed una induttore sono pressoché uguali.
Quello che cambia è il nucleo.
Un trasformatore di alimentazione è fatto per essere alimentato con una corrente alternata, il suo nucleo si satura facilmente se sottoposto ad una corrente continua.
Quindi possiamo utilizzarlo, ma per correnti di molto inferiori a quelle di targa per evitare che si saturi il nucleo.
Una ulteriore possibilità è creare un traferro segando i lamierini sui fianchi del trasformatore, tuttavia il traferro fatto in questo modo, complice lo spessore troppo alto della lama della sega, farebbe scendere di molto il valore di induttanza, quindi avremmo un induttore poco efficace.
Oppure si potrebbe smontare il trasformatore e mettere degli spessori (carta velina) fra i lamierini (sempre per produrre un traferro ma di dimensioni più ridotte).
Quando andremo a rimontarlo dovremo anche resinarlo sottovuoto per evitare che i lamierini entrino in vibrazione.
In definitiva non vi è una scelta vincente in assoluto, vi conviene cercare un induttore o optare per un diverso approccio nella progettazione del circuito di alimentazione.

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