Indutores desmistificados: explorando sua função e aplicações

Um indutor é um componente eletrônico passivo que armazena energia em um campo magnético quando uma corrente elétrica flui através dele. Ele consiste em um condutor, geralmente na forma de um fio, enrolado ao redor de um núcleo magnético, que pode ser feito de diversos materiais, como ar, ferro ou ferrite. O indutor se opõe às mudanças na corrente criando uma força eletromotriz reversa (EMF) que se opõe à mudança no fluxo de corrente. A unidade de indutância é o Henry, e o símbolo para indutância é “L”.

Indutores são comumente usados em circuitos eletrônicos para filtrar, armazenar e transferir energia. Eles são usados em fontes de alimentação para suavizar flutuações na tensão de saída e em circuitos de processamento de sinal para filtrar frequências indesejadas. Eles também são usados em circuitos de radiofrequência (RF), como antenas ou em circuitos de sintonia. Além disso, os indutores podem ser utilizados em transformadores para transferir energia elétrica de um circuito para outro em diferentes níveis de tensão.

Este guia abrange os tópicos abaixo:

  • Princípios básicos de operação de indutores
  • Tipos de indutores
  • Indutores de núcleo de ar
  • Indutores de núcleo de ferro
  • Indutores de núcleo de ferrite
  • Indutores toroidais
  • Indutores SMD
  • Parâmetros de indutores
  • Aplicações de indutores

Princípios básicos de operação do indutor

Indutores operam com base na relação entre corrente e campos magnéticos. Quando uma corrente elétrica flui através de um fio, um campo magnético é criado ao redor do fio, e a intensidade do campo magnético aumenta com a corrente. Quando o fio é enrolado, o campo magnético é concentrado no centro da bobina e sua intensidade é proporcional ao número de voltas e à corrente que passa por ele.

Quando a corrente que passa pela bobina muda, o campo magnético também muda. Essa mudança no campo magnético gera uma tensão que se opõe à mudança no fluxo de corrente, chamada de força eletromotriz (FEM) de retorno. A intensidade da FEM de retorno é proporcional à taxa de mudança da corrente na bobina. Portanto, quando a corrente está aumentando, a FEM de retorno se opõe ao aumento, e quando a corrente está diminuindo, a FEM de retorno se opõe à diminuição.

Tipos de indutores

Existem vários tipos de indutores usados em circuitos eletrônicos, incluindo:

Indutores com núcleo de ar

Os indutores com núcleo de ar são um tipo específico de indutor que usa um núcleo não magnético, como ar ou plástico, com uma bobina de fio enrolada ao redor dele. Eles encontram aplicação em vários circuitos eletrônicos, incluindo circuitos digitais de alta velocidade, eletrônica de potência e circuitos de radiofrequência (RF).

Uma das vantagens significativas do uso de indutores de núcleo de ar é sua baixa interferência magnética. Eles não usam um núcleo magnético que possa fazer com que campos magnéticos vazem e interfiram em circuitos próximos. Consequentemente, os indutores de núcleo de ar são ideais para circuitos que requerem um alto nível de pureza de sinal, como transmissores e receptores de rádio.

Outra vantagem importante dos indutores de núcleo de ar é seu alto fator Q, que determina a qualidade do desempenho de um indutor. Um alto fator Q significa que o indutor pode armazenar energia por um período mais longo, tornando-o útil em circuitos RF que requerem a transmissão de sinais por longas distâncias com perda mínima de sinal.

Indutores
Figura 1: Indutor de núcleo de ar

Indutores com núcleo de ferro

Os indutores com núcleo de ferro são um tipo de indutor que utiliza um núcleo magnético, geralmente feito de ferro ou ferrite, com uma bobina de fio enrolada ao redor dele. Eles são amplamente utilizados em vários circuitos eletrônicos, incluindo eletrônica de potência, transformadores e indutores usados para armazenamento de energia e filtragem.

Uma das vantagens significativas dos indutores de núcleo de ferro é seu alto valor de indutância. Eles são adequados para uso em aplicações que requerem uma grande quantidade de indutância, como eletrônica de potência. O material do núcleo magnético fornece uma alta permeabilidade, o que aumenta a intensidade do campo magnético e permite um maior armazenamento de energia.

Os indutores de núcleo de ferro também têm um alto nível de acoplamento magnético entre as bobinas. Isso significa que a energia pode ser transferida de forma mais eficiente da entrada para a saída do indutor, tornando-os ideais para uso em transformadores onde a energia é transferida entre duas bobinas de fio por meio de um campo magnético.

Indutores
Figura 2: Indutor com núcleo de ferro

Indutores com núcleo de ferrite

Os indutores com núcleo de ferrite utilizam um núcleo magnético feito de ferrite, um material cerâmico composto de óxido de ferro e outros óxidos metálicos. Eles oferecem várias vantagens sobre outros tipos de indutores, incluindo alta indutância, baixas perdas magnéticas e capacidades de alta frequência.

Sua alta indutância os torna ideais para uso em aplicações que requerem uma grande quantidade de indutância, como eletrônica de potência e circuitos de RF. O material de ferrite tem uma alta permeabilidade magnética, o que permite armazenar uma grande quantidade de energia magnética. Além disso, eles têm baixas perdas magnéticas devido à baixa perda de histerese do material, o que permite um armazenamento de energia eficiente e perda mínima de energia.

Os indutores de núcleo de ferrite também têm capacidades de alta frequência, permitindo que operem em altas frequências sem perdas significativas de energia ou distorções. Eles são comumente usados em fontes de alimentação, amplificadores e circuitos de RF.

No entanto, os indutores de núcleo de ferrite podem ser mais caros e difíceis de fabricar do que outros tipos de indutores, o que pode torná-los menos adequados para aplicações de baixo custo.

Indutores
Figura 3: Indutores com núcleo de ferrite

Indutores toroidais

Os indutores toroidais são um tipo de indutor com um núcleo em forma de rosca, feito de ferrite ou ferro em pó, e enrolamentos de fio envoltos ao redor do núcleo. A forma circular do núcleo proporciona várias vantagens, como um alto nível de indutância para seu tamanho e baixas emissões de interferência eletromagnética (EMI). O fluxo magnético é contido dentro do núcleo, o que leva a um uso mais eficiente do espaço e melhor desempenho. As baixas emissões de EMI os tornam ideais para uso em aplicações onde minimizar a EMI é crítico.

Os indutores toroidais também têm uma resistência mais baixa do que outros tipos de indutores, tornando-os mais eficientes no armazenamento e liberação de energia, o que os torna adequados para uso em fontes de alimentação e amplificadores de áudio. Eles têm um campo magnético uniforme e um baixo nível de histerese magnética, proporcionando um desempenho consistente em uma ampla faixa de frequências e temperaturas.

No entanto, os indutores toroidais têm algumas desvantagens, incluindo custo mais elevado devido aos processos de fabricação e materiais utilizados, e enrolamento e soldagem mais difíceis devido à sua forma. Apesar dessas limitações, os indutores toroidais são amplamente utilizados em vários dispositivos eletrônicos e equipamentos, como amplificadores de áudio, fontes de alimentação e circuitos de RF.

Figura 4: Indutor toroidal

Indutores SMD

Os indutores SMD (Surface Mount Device) são especificamente projetados para aplicações de montagem superficial em eletrônicos. Esses indutores são construídos usando fios finos e planos que são enrolados ao redor de um núcleo feito de material magnético, como ferrite ou ferro em pó. Para garantir longevidade e durabilidade, o enrolamento é então revestido com uma camada protetora de epóxi ou outros materiais.

O tamanho compacto dos indutores SMD os torna ideais para uso em dispositivos eletrônicos onde o espaço é limitado. Eles são fáceis de montar em uma placa de circuito impresso (PCB) usando técnicas de montagem automatizada como máquinas de pick-and-place, o que acelera significativamente o processo de fabricação.

Indutores SMD estão disponíveis em uma variedade de tamanhos, valores e diferentes formas e tipos de núcleos, o que os torna versáteis e adequados para uma variedade de aplicações, como filtragem, condicionamento de sinal e regulação de fonte de alimentação.

Uma das principais vantagens dos indutores SMD é seu alto nível de confiabilidade e durabilidade. Eles são projetados para resistir às condições adversas de uso em dispositivos eletrônicos, incluindo altas temperaturas, vibração e choque.

Outro benefício dos indutores SMD é seu perfil baixo, que ocupa menos espaço no PCB do que os indutores tradicionais de furo passante. Isso permite uma maior densidade de PCB e designs mais compactos, tornando-os uma excelente escolha para dispositivos eletrônicos miniaturizados.

Indutores
Figura 5: Indutor SMD

Parâmetros do indutor

Os parâmetros de um indutor incluem o seguinte:

Indutância

A indutância é um conceito importante em circuitos elétricos que descreve como um elemento do circuito pode armazenar energia em um campo magnético. A unidade de medida para indutância é o henry (H), nomeado em homenagem ao físico Joseph Henry, que descobriu a indução eletromagnética independentemente de Michael Faraday. A indutância é comumente representada pelo símbolo “L” e é definida como a razão entre a tensão através de um elemento do circuito e a taxa de variação da corrente através dele. Matematicamente, isso pode ser expresso como L = V / (dI/dt), onde L é a indutância, V é a tensão e dI/dt é a taxa de variação da corrente ao longo do tempo. A indutância é produzida pela interação entre uma corrente elétrica e um campo magnético. Conforme uma corrente flui através de um fio ou bobina, ela gera um campo magnético ao seu redor. Este campo magnético então induz uma tensão em qualquer material condutor próximo, como outro fio ou bobina.

Resistência de corrente contínua (DC)

A resistência de corrente contínua de um indutor mede o quanto ele se opõe ao fluxo de corrente contínua através dele. É medida em ohms e é afetada pelo comprimento e área de seção transversal do fio. Quando uma corrente contínua flui através de um indutor, ela cria um campo magnético que armazena energia. Essa energia é liberada quando a corrente é desligada, criando indutância, que filtra e armazena energia. Minimizar a resistência de corrente contínua é importante porque afeta a eficiência e o desempenho dos indutores em circuitos de corrente contínua. A lei de Ohm é usada para calcular a resistência de corrente contínua, e ela pode ser afetada pela temperatura, material do fio e revestimento. Ao selecionar indutores, uma resistência de corrente contínua mais baixa é preferida para aplicações de alto desempenho que requerem maior eficiência.

Fator Q

O fator Q, ou fator de qualidade, é uma medida da eficiência com que um indutor pode armazenar e liberar energia. Ele é calculado como a razão entre a energia armazenada no indutor e a energia perdida na forma de calor durante cada ciclo de oscilação. Matematicamente, o fator Q é expresso como Q = 2πfL / R, onde f é a frequência de ressonância do indutor, L é a indutância e R é a resistência do indutor.

Um fator Q mais alto significa que o indutor é mais eficiente em armazenar energia, enquanto um fator Q mais baixo significa que o indutor perde energia mais facilmente. No projeto e seleção de indutores, o fator Q é um parâmetro importante, especialmente para aplicações que requerem alta eficiência e baixa perda de energia. Por exemplo, indutores de alto Q são usados em circuitos de RF para ajustar circuitos a frequências específicas com perda mínima de energia.

O fator Q de um indutor é influenciado por vários fatores, como material do fio, diâmetro do fio, material do núcleo e forma do núcleo. O uso de fio de alta condutividade, minimização do diâmetro do fio e seleção de materiais de núcleo de alta qualidade podem melhorar o fator Q de um indutor. Além disso, a frequência de ressonância do indutor afeta seu fator Q, que é mais alto na frequência de ressonância. Portanto, selecionar a frequência de ressonância apropriada é crucial para alcançar o nível desejado de eficiência para uma aplicação específica.

Frequência de auto ressonância

A frequência de auto ressonância é a frequência na qual um indutor exibe máxima reatância e mínima impedância, comportando-se como um circuito ressonante. Nessa frequência, a reatância do indutor anula sua resistência, resultando em uma impedância puramente resistiva. A frequência de auto ressonância é determinada pela indutância da bobina, pela capacitância entre as espiras da bobina e pela capacitância distribuída entre a bobina e outros elementos condutores no circuito. Ela pode ser calculada usando a fórmula f = 1 / (2π √LC), onde L é a indutância da bobina, C é a capacitância total e f é a frequência de auto ressonância.

Os indutores exibem reatância crescente em frequências acima da frequência de auto ressonância e reatância decrescente em frequências abaixo dela. A frequência de auto ressonância é um parâmetro crítico ao selecionar e projetar indutores para aplicações de alta frequência, pois operar um indutor acima de sua frequência de auto ressonância pode resultar em eficiência reduzida, dissipação excessiva de calor e até mesmo danos ao indutor.

A frequência de auto ressonância pode ser modificada alterando as propriedades físicas da bobina ou do circuito ao qual ela está conectada. Isso pode ser feito ajustando o número de voltas na bobina, alterando seu tamanho ou forma física ou modificando a capacitância no circuito. Compreender a frequência de auto ressonância e como ajustá-la é crucial para projetar e selecionar indutores para circuitos de alta frequência.

Corrente de saturação

A corrente de saturação de um indutor é um fator crítico na determinação da corrente máxima que um indutor pode suportar antes que sua indutância comece a diminuir devido à saturação magnética do material do núcleo. Quando o material do núcleo se satura, a intensidade do campo magnético no núcleo atinge um nível máximo, fazendo com que a indutância da bobina diminua. Vários fatores, como o material do núcleo, a geometria do núcleo, o tamanho do fio e o número de voltas na bobina, determinam a corrente de saturação de um indutor.

Normalmente, indutores com núcleos maiores e mais voltas de fio podem suportar correntes mais altas antes de atingirem a saturação magnética. Selecionar um indutor com uma corrente de saturação apropriada é muito importante ao projetar um circuito que requer correntes elevadas. Os fabricantes de indutores fornecem uma ficha técnica que inclui a corrente de saturação do indutor, que pode ser calculada ou estimada com base no material e na geometria do núcleo. É importante selecionar um indutor com uma corrente de saturação superior à corrente máxima esperada na aplicação para evitar degradação de desempenho induzida pela saturação.

Coeficiente de temperatura

O coeficiente de temperatura de um indutor é uma medida percentual de como a indutância da bobina muda em relação à temperatura. Geralmente é expresso em partes por milhão por grau Celsius (ppm/°C) e pode ser encontrado no datasheet do indutor. O coeficiente de temperatura é um fator igualmente importante ao selecionar um indutor para aplicações onde as variações de temperatura são significativas. O coeficiente de temperatura é influenciado pelas propriedades dos materiais da bobina e do núcleo. À medida que a temperatura aumenta, a resistência da bobina e do material do núcleo também aumenta, resultando em uma redução na indutância. O coeficiente de temperatura pode ser positivo ou negativo, dependendo do design específico do indutor e dos materiais utilizados.

O coeficiente de temperatura é particularmente importante em aplicações que exigem medição ou regulação de alta precisão, como filtros baseados em indutores usados em aplicações de alta frequência, como rádio e telecomunicações. Uma indutância estável ao longo de uma ampla faixa de temperatura é essencial para evitar distorções e outros problemas.

Aplicações dos indutores

Os indutores têm uma ampla variedade de aplicações em diversos campos, como eletrônica, geração e distribuição de energia, telecomunicações e muito mais. Aqui estão algumas aplicações comuns dos indutores:

  • Filtragem: Os indutores são frequentemente utilizados em conjunto com capacitores para criar filtros que podem remover frequências indesejadas dos sinais. Isso é comumente usado em equipamentos de áudio, fontes de alimentação e sistemas de comunicação.
  • Fonte de alimentação e conversão DC-DC: Os indutores são usados em fontes de alimentação e conversores DC-DC para armazenar energia e regular o fluxo de corrente. Eles podem ajudar a reduzir o ruído, melhorar a eficiência e fornecer uma tensão de saída estável.
  • Armazenamento de energia: Os indutores podem armazenar energia em campos magnéticos, que podem ser liberados quando o fluxo de corrente é interrompido. Isso é usado em uma variedade de aplicações, como geradores de pulso, fontes de alimentação de alta tensão e motores elétricos.
  • Circuitos de sintonia: Os indutores podem ser usados em circuitos de sintonia para ajustar a resposta em frequência de filtros ou circuitos ressonantes.
  • Transformadores: Os indutores podem ser usados como enrolamentos primários ou secundários em transformadores para transferir energia de um circuito para outro. Transformadores são usados em sistemas de distribuição de energia, dispositivos eletrônicos e muito mais.
  • Sensores: Os indutores podem ser usados como sensores em várias aplicações, como detecção de proximidade, detecção de metais e medição de campo magnético.
  • Iluminação: Os indutores são usados em iluminação fluorescente e de descarga de alta intensidade (HID) para controlar o fluxo de corrente e fornecer uma saída estável.
  • Equipamentos médicos: Os indutores são usados em equipamentos médicos, como máquinas de ressonância magnética (MRI) e marca-passos.

A Newark faz parceria com muitos fornecedores diferentes, com um portfólio de resistores fixos que inclui indutores, matrizes de bobinas de carregamento, bobinas de carga, indutores acoplados, indutores de valor fixo, indutores de alta frequência, kits e variedades de indutores, indutores, filtros de correção de fator de potência, indutores de potência, indutores de RF, indutores toroidais que podem ser usados para diferentes tipos de aplicações no ambiente industrial.

Contato da Newark no Brasil

Para mais informações e adquirir componentes contate a LATeRe , representante da Newark, pelo Telefone (11) 4066-9400 ou e-mail: [email protected] 

* Texto originalmente publicado em: link adaptado pela Equipe Embarcados.

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