TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE

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1 CAP 6 INDUTTORI TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE Induttori con nucleo isolante o in aria Induttori con nucleo ferromagnetico TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE Gli induttori vengono realizzati avvolgendo un filo conduttore su un nucleo di materiale isolante, in aria oppure su un nucleo di materiale ferromagnetico. I valori nominali di induttanza devono essere ottenuti realizzando induttori con dimensioni fisiche accettabili; a parità di induttanza, un induttore che utilizza un nucleo in ferro è meno voluminoso di un altro avvolto in aria. Le dimensioni possono poi variare in funzione della forma geometrica del supporto (bobine, anelli toroidali, spirali piatte) e del numero di strati, uno o più, che compongono l avvolgimento. Per le realizzazioni più comuni esistono semplici formule di progetto, tabelle e grafici che permettono di ottenere un dimensionamento corretto. Induttori con nucleo isolante o in aria Il filo utilizzato per la realizzazione di un induttore alle basse potenze è costituito da un cavo pieno rivestito da una vernice isolante. Il nucleo di materiale isolante è costituito da bachelite, da materiali ceramici o da aria. La realizzazione in aria è possibile solamente quando la sezione del filo della bobina è di diametro notevole e la sua rigidità è tale da dare consistenza meccanica all induttore anche senza la presenza del supporto. Gli induttori in aria presentano valori di induttanza bassi, un alto fattore di merito e capacità distribuite molto basse: sono particolarmente adatti alle apparecchiature elettroniche che operano in alta frequenza. CAP 6 - Induttori 1

2 La bobina può essere avvolta su un unico strato o distribuita su più strati sovrapposti, a ciambella, a strati spaziati o a nido d ape (4Figg. 1a-d). Quando la bobina è a più strati, è necessario adottare particolari accorgimenti costruttivi, affinché fra spire adiacenti la differenza di potenziale sia solo una piccola frazione della tensione totale applicata; ciò al fine di minimizzare gli effetti capacitivi fra le spire. Figg. 1a-d Tipi di avvolgimento: a. a uno strato; b. a più strati; c. a strati spaziati; d. a nido d ape. 1a 1b 1c 1d Formule di progetto Per il progetto degli induttori in aria o su supporto isolante le tecniche costruttive esistenti si avvalgono di numerose formule empiriche che mettono in relazione le dimensioni geometriche del supporto e del filo con il valore dell induttanza. Per esemplificare proponiamo di seguito alcune delle formule di dimensionamento più comuni: le formule di Weeler-Benz e di Hazeltine. Per approfondire rimandiamo ai suggerimenti di lettura in apertura di questo modulo, dove segnaliamo alcuni manuali che danno informazioni dettagliate per risolvere specifici problemi di progetto. Il dimensionamento dell induttore L di un solenoide lungo (l/d > 5) avvolto in aria su un solo strato, può essere calcolato con la formula che 2 Vol. 1 - MODULO B

3 l (cm) segue, che tiene conto della permeabilità magnetica del materiale e delle sue dimensioni geometriche: D (cm) Fig. 2 Bobina in aria a un solo strato progettata con la formula di Weeler-Benz. Formula di progetto: L = 0,01 N 2 D ,45 D N è il numero delle spire della bobina (mh) m o m r N S l è la permeabilità magnetica dell aria (m o = 1, H/m) è la permeabilità magnetica relativa del materiale su cui è avvolto il solenoide è il numero di spire avvolte è la sezione del solenoide è la lunghezza del solenoide Il dimensionamento di una bobina cilindrica corta (rapporto l/d < 5) a un solo strato, in aria, può essere calcolato con la formula di Weeler- Benz, che consente di realizzare induttori con valori di induttanze approssimate a ± 1% (4Fig. 2). Il valore del diametro del filo della bobina deve comprendere anche lo spessore della vernice, cioè essere uguale al diametro lordo del filo. La quota l deve essere calcolata moltiplicando il numero delle spire per il diametro del filo, tenendo conto anche dello spessore della vernice isolante che lo ricopre. Il diametro D è dato dalla somma del diametro del tubo isolante e di quello lordo del filo della bobina. La figura 3 si riferisce a un altra formula di progetto, detta di Nagaoka, di una bobina in aria a un solo strato (4Fig. 2); il coefficiente empirico di dimensionamento è ricavabile dalla curva di taratura mostrata nella figura. La formula di dimensionamento dell induttore L proposta nella figura 4 (detta di Hazeltine) si riferisce invece a una bobina corta (l < 5 D) a più strati avvolta a nido d ape. 1 Fig. 3 Diagramma per la determinazione del fattore di correzione K (costante di Nagaoka). Formula di progetto: L = KD 2 N 2 l (mh) N è il numero delle spire della bobina K , D l CAP 6 - Induttori 3

4 D (cm) Fig. 4 Bobina a più strati avvolti a nido d ape progettata con la formula di Hazeltine. Formula di progetto: L = 0,08 l (cm) N 2 D ,45 D N è il numero delle spire della bobina (mh) S (cm) Induttori con nucleo ferromagnetico Questo tipo di induttore viene realizzato avvolgendo il filo della bobina su un nucleo di materiale ferromagnetico a elevata permeabilità. Tale nucleo riduce la riluttanza del circuito elettromagnetico aumentando, a parità di volume, il valore dell induttanza rispetto a quello ottenibile da un analoga bobina con nucleo in aria. Il nucleo ferromagnetico introduce, però, nuove perdite dovute a una certa conducibilità del materiale, che comporta la presenza di correnti parassite, e alle sue caratteristiche magnetiche quali l isteresi, la non linearità e la saturazione. Tali perdite magnetiche si aggiungono a quelle ohmiche aumentando la resistenza equivalente serie dell induttore reale. Si ha quindi un peggioramento del fattore di merito Q della bobina. Le tecniche costruttive adottate per la realizzazione degli induttori a nucleo ferromagnetico cercano di minimizzare queste perdite con una scelta oculata del materiale ferromagnetico, utilizzando lamierini sinterizzati di permalloy, permivar, permendur o mumetal per le alte frequenze, e lamierini ferro-silicio laminati per le basse frequenze. I la - mierini sinterizzati sono ottenuti mescolando particelle molto piccole di materiale ferromagnetico con un legante isolante. I lamierini costituiti da ferriti, ossidi di ferro miscelati a nichel, zinco o rame, presentano un ciclo di isteresi estremamente stretto; hanno quindi perdite per correnti parassite molto basse e manifestano alti valori del coefficiente di merito. Il rapporto fra induzione magnetica e campo applicato, definito permeabilità magnetica, non è costante: al variare dell induzione: varia in maniera non lineare secondo una curva di magnetizzazione (4Vol. 1, Mod. A, cap. 2). I materiali magnetici presentano il fenomeno dell isteresi magnetica, per il quale il materiale dà luogo a cicli di magnetizzazione che dipendono dagli stati magnetici precedenti. I cicli di isteresi sono simmetrici. Nella figura 5 viene mostrato il ciclo di isteresi di un materiale magnetico sottoposto a un eccitazione alternata; il grafico evidenzia che i valori di induzione magnetica durante il ciclo ascendente e quello discendente non si sovrappongono. Fig. 5 Ciclo di isteresi. B A 2 B r H 1 A 3 0 A 1 H 1 H A 4 4 Vol. 1 - MODULO B

5 Quando un induttore con nucleo ferromagnetico è percorso da una corrente alternata sovrapposta a una corrente continua si determina una forte magnetizzazione del nucleo. Poiché il ciclo di magnetizzazione si sposta, il ciclo di isteresi assume la forma della figura 6. Fig. 6 Ciclo di isteresi di un induttore percorso da corrente alternata. B (Wb/m 2 ) DB DH H (A/m) Il ciclo di isteresi è caratterizzato dal valore della permeabilità media, o permeabilità incrementale m i, misurata in H/m e così definita: 2 La permeabilità incrementale è proporzionale alla pendenza della linea che congiunge le estremità del ciclo d isteresi. Il valore dell induttanza di una bobina è direttamente proporzionale alla permeabilità magnetica incrementale, per cui anche il suo valore risente delle modificazioni del valore di permeabilità magnetica indotte nel circuito magnetico dalla componente continua della corrente circolante nell induttore. La permeabilità magnetica di un nucleo ferromagnetico continuo è elevata quando si è lontani dal punto di saturazione e diminuisce quando l intensità di magnetizzazione H aumenta. Introducendo un traferro, la permeabilità magnetica del circuito magnetico dipende dal contributo di quella incrementale e di quella del traferro. Se quest ultima è sufficientemente elevata, si può fare in modo che il valore dell induttanza della bobina dipenda solo dalla permeabilità del traferro e diventi insensibile alle variazioni della permeabilità incrementale dovute alle variazioni di corrente. Il traferro viene realizzato distanziando fra loro i giunti delle lamine che compongono il nucleo. La forma dei lamierini può variare in funzione del tipo di applicazione dell induttore. Le figure 7a, b, c mostrano alcune forme costrutti- CAP 6 - Induttori 5

6 Figg. 7a, b, c Nuclei di ferrite per induttanze: a. nuclei a perline (bead core); b. ETD; c. nuclei a tazza o a olla (pot core). 7a 7b 7c Fig. 8 Bobina toroidale. ve degli induttori. L induttore toroidale, illustrato nella figura 8, viene realizzato avvolgendo uniformemente una bobina attorno a un nucleo ad anello. Poiché il circuito magnetico è chiuso, questo induttore non ha praticamente flusso disperso ed è poco sensibile ai campi magnetici esterni; inoltre, se il nucleo è realizzato con polvere di ferro sinterizzata, l induttore presenta elevati valori del coefficiente di merito Q. I nuclei ferromagnetici possono, entro certi limiti, variare il valore dell induttanza modificando la posizione del nucleo rispetto all avvolgimento della bobina. Gli induttori variabili sono realizzati in modo tale che la posizione del nucleo possa essere modificata utilizzando un albero di comando che, agendo su una vite senza fine, consenta la traslazione del nucleo lungo l asse della bobina. In quasi tutte le realizzazioni la rotazione dell albero è comandata da una vite di regolazione (4Fig. 9). PER FISSARE I CONCETTI Fig. 9 Bobina a induttanza variabile. 1. Quali sono le principali tecnologie costruttive degli induttori? 2. In un induttore avvolto su più strati si manifesta un comportamento capacitivo significativo: quale accorgimento costruttivo permette di ridurre tale effetto? 3. La presenza di un nucleo altera significativamente il valore dell induttanza di un induttore? 4. Se si collegano due lampade fortemente induttive in serie, l induttanza totale del circuito aumenta o diminuisce? 5. Che cosa è la permeabilità magnetica? 6. Che cosa è l isteresi magnetica? 7. Che caratteristiche hanno i cicli di isteresi? 6 Vol. 1 - MODULO B

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