INDUTTORI Nel 1885, William Stanley, Jr. realizzò il primo induttore basandosi su di una idea di Lucien Gaulard e John Gibbs. Era il precursore del moderno trasformatore. Definizione:l'induttore è un componente elettrico che genera un campo magnetico al passaggio di corrente elettrica. Nella teoria dei circuiti l'induttore è un componente ideale in cui tutta l'energia elettrica assorbita è immagazzinata nel campo magnetico prodotto. Gli induttori reali, realizzati con un avvolgimento di un filo conduttore, presentano anche fenomeni dissipativi e capacitativi di cui si deve tenere conto. Gli induttori sono impiegati in una varietà di dispositivi elettrici ed elettronici, tra i quali i trasformatori ed i motori elettrici nonché in svariati circuiti a corrente alternata ad alta frequenza. Un induttore è costituito da un avvolgimento di materiale conduttivo, generalmente filo di rame ricoperto da una sottile pellicola isolante. Per aumentare l'induttanza si usa spesso realizzare l'avvolgimento su un nucleo di materiale con elevata permeabilità magnetica (ad es.: ferriti). Un induttore può anche essere inserito in un circuito integrato. In questo caso comunemente si usa l'alluminio come materiale conduttore. È, tuttavia, raro che un induttore sia inserito in un circuito integrato: limiti pratici rendono molto più comune l'uso di un circuito chiamato giratore che usa un condensatore per simulare il comportamento di un induttore. Piccoli induttori usati per frequenze molto alte sono talvolta realizzati con un semplice filo che attraversa un cilindro o una perlina (piccolo anello) di ferrite. 1
In pratica, con un induttore si cerca di realizzare il componente astratto induttanza. Naturalmente, il filo di rame ha una resistenza elettrica, particolarmente alle alte frequenze (effetto pelle), e tra le spire vicine vi è un accoppiamento capacitivo. Inoltre, vanno tenute presenti le perdite nel nucleo magnetico eventualmente introdotto. Questi ed altri fenomeni parassiti (parassiti perché non voluti) differenziano l'induttore reale dall'induttanza ideale. Spesso, però, nella pratica l'induttore viene chiamato induttanza. L'energia immagazzinata nell'induttore (misurata in joule) è uguale alla quantità di lavoro richiesta per ottenere la corrente che scorre in esso e, quindi, per generare il campo magnetico. Un induttore si oppone solo alle variazioni di corrente. Se fosse ideale non presenterebbe nessuna resistenza alla corrente continua se non quando viene attivata e quando viene tolta (in questi fenomeni transitori l'induttore tende a smorzare le variazioni della corrente). Ma l'induttore reale presenta una resistenza elettrica non nulla e, quindi, il circuito in cui è inserito spende energia anche per mantenere una corrente costante che non varia il campo magnetico creato, ma si dissipa nella resistenza presentata dal filo di rame. Un induttore assomiglia ad un elettromagnete (elettrocalamita) come struttura, ma è usato per uno scopo diverso: immagazzinare energia in un campo magnetico. Per la loro capacità di modificare i segnali in corrente alternata, gli induttori sono usati nell'elettronica analogica e nel trattamento dei segnali elettrici, incluse le trasmissioni via etere. Visto che la reattanza induttiva cambia con la frequenza, un filtro elettronico può usare induttori assieme a condensatori ed altri componenti per filtrare parti specifiche dello spettro di frequenza di un segnale. 2
Due o più induttori (con il campo magnetico in comune) costituiscono un trasformatore comunemente usato sia negli apparati elettronici che in elettrotecnica. L'induttanza, L, è la grandezza fisica che compare nella legge di Faraday come fattore di proporzionalità tra tensione V e corrente I. L'induttanza si misura in henry (H) In termini circuitali, l'induttore è un componente passivo in cui l'aspetto induttivo prevale su quello capacitivo e su quello resistivo. Esso è generalmente costituito dall'avvolgimento di un filo conduttore intorno ad un nucleo di materiale magnetico (ferrite). Valori tipici di induttanza vanno dai nanohenry (nh) ai millihenry (mh). Data la relazione costitutiva dell'induttore, la corrente in esso è continua, mentre la tensione non lo è necessariamente. In condizioni statiche (DC),l'induttore ideale è equivalente ad un corto circuito. Considerata la necessità di inserire un nucleo di ferrite per ottenere valori apprezzabili di induttanza, l'induttore è il componente meno facile da integrare, e quindi viene spesso simulato tramite opportuni componenti attivi (GIC). A frequenze molto elevate, dell'ordine di parecchi gigahertz, l'impedenza mostrata dall'induttore diventa accettabile anche in presenza di basse induttanze, ed è quindi possibile realizzare induttori senza nucleo (induttore in aria). INDUTTANZE AVVOLTE IN ARIA La formula matematica usata per calcolare induttanze di questo tipo, ad un solo strato è questa: 3
Dove: L = induttanza in µh (microhenry) d = diametro del supporto in mm n = numero delle spire l = lunghezza dell'avvolgimento in mm Il supporto si intende senza nucleo l'avvolgimento ( l ) della bobina deve essere lungo almeno ⅔ (dueterzi) del diametro di ( d ). ( se d = 10 mm l avvolgimento deve essere lungo almeno 6 o 7 mm ). Il diametro del filo se vogliamo che l'avvolgimento sia a spire unite sarà dato da l : n. Esempio: Voglio costruire una bobina con induttanza da 2 µh. Utilizzo un supporto di 8 mm di diametro lunghezza dell'avvolgimento (minimo 2/3 di d ) quindi l sarà lungo 6 mm. Applicando la formula abbiamo: Arrotondo il risultato per difetto, quindi devo avvolgere 17 spire. Il diametro del filo di rame (spire unite) è uguale a ; 6 : 17,4 = 0,3 mm. Nota: da tener presente che maggiore è il numero di spire maggiore sarà l'induttanza maggiore è la spaziatura tra le spire minore sarà l'induttanza. Diminuendo il diametro del filo aumenterà l'induttanza. Per calcolare questo tipo di induttanze esiste un programma concepito appositamente per svolgere questo compito. Si chiama BobCalc lo potete scaricare nella sezione Downloads del sito unitamente alle istruzioni per l'uso. 4
Il valore induttivo di una bobina può essere aumentato inserendo un nucleo magnetico al suo interno, nel caso di applicazioni in radiofrequenza questi nuclei sono realizzati in ferrite o polvere di ferro. Talvolta le bobine contengono nuclei in ottone i quali si comporta in maniera opposta ai nuclei citati prima: fanno diminuire l'induttanza e vengono usati principalmente in campo VHF. Il nucleo va scelto in base alla frequenza di utilizzo, un nucleo sbagliato porta ad un considerevole decremento del fattore di merito. (Q ) Altri elementi che influiscono sul Q di una bobina sono: il diametro del filo, il materiale isolante usato come supporto per la bobina stessa e la distanza tra la bobina e gli oggetti conduttori circostanti. La sezione del filo conduttore porta ad un aumento del Q quanto più è ampia infatti la corrente elettrica potrà scorrere più facilmente attraverso un conduttore più largo e a causa dell'effetto pelle si avranno minori perdite se si userà un filo cavo (tondino) come negli accordatori d'antenna o le bobine di potenza negli amplificatori lineari (la corrente scorrerà sia nella faccia esterna che interna al conduttore). Il materiale che dovrà sostenere la bobina dovrà essere assolutamente isolante (ceramica, steatite, fenolo), il miglior Q si ottiene naturalmente con le bobine avvolte in aria ma non sempre ciò è possibile, le bobine avvolte in aria si deformano facilmente e specialmente negli oscillatori provocano instabilità. Il montaggio di una bobina nel contenitore va fatto anch'esso con cognizione di causa, se il contenitore è di metallo l'eccessiva vicinanza all'induttore può non solo modificare il Q ma anche il valore dell'induttanza (fanno eccezione le bobine toroidali che sono autoschermanti). Per piccoli valori induttivi può essere comodo disegnare le bobine direttamente su circuito stampato, questo tipo di induttori vengono chiamati a bobine piatte. Si parte dal presupposto che lo spessore è praticamente nullo, in pratica il rame presente nel circuito stampato ha uno spessore di 35 micron, fino a 70-100 micron in effetti il valore può essere trascurabile. La forma comunemente usata è quella quadrata perché è più facile da disegnare al computer e presenterà minori imperfezioni. 5
INDUTTANZE AVVOLTE SU NUCLEO TOROIDALE I motivi che spingono i progettisti a preferire questi nuclei ad altri sono: il comportamento autoschermante, in quanto il flusso rimane confinato entro il nucleo magnetico. la precisione e la ripetitività dei valori di induttanza e del fattore di qualità. l'assoluta facilità di posizionamento nel montaggio. l'elevato Q anche in circuiti a larga banda. I materiali magnetici usati per la costruzione dei nuclei toroidali sono molti ma i due principali sono: la polvere di ferro (iron powder) e la ferrite. Le caratteristiche salienti di questi nuclei sono: le dimensioni, la permeabilità ( µ ), il range di frequenza e la potenza massima applicabile. La permeabilità è il rapporto tra densità di flusso nel materiale (B) e densità di flusso in aria (H): il simbolo che la rappresenta è la lettera greca µ ( µi = micro index ). Al crescere di H, B tende a saturare in quanto c'è un valore di induzione limite quando tutti i dipoli magnetici del materiale si allineano col campo imposto. In genere maggiore è la permeabilità, più bassa è la frequenza di lavoro raccomandata. 6
Il toroide in polvere di ferro (serie T) è in grado di tollerare alte potenze. il T300 per esempio sopporta 800 Watt RF ed è soggetto a minori variazioni di permeabilità quindi ottimo per gli oscillatori. un esempio è il nucleo 6 giallo che è stabilissimo a patto che si incollino le spire al nucleo per evitare vibrazioni e spostamenti del filo con conseguenti derive di frequenza. Il nucleo in ferrite (serie FT) ha una maggiore permeabilità per cui è necessario un minor numero di spire a parità di induttanza ideale per bobine di blocco RF e trasformatori a larga banda. La giusta scelta consente di dimensionare la bobina in modo da ottenere il Q ottimale alla frequenza che interessa. Per quanto concerne la costruzione delle bobine bisogna considerare la potenza del segnale in transito. Con segnali di modesta entità va bene del rame smaltato con sezione da 0,18 a 1 mm. Se la potenza è elevata bisogna usare del filo rigido ricoperto in PVC (come quello che si usa negli impianti elettrici) di grosso diametro anche 1,5 o 2 mm. Il consiglio di "alcuni" è di avvolgere il nucleo con nastro isolante prima di costruire la bobina stessa specialmente se si lavora in VHF. Se la potenza in gioco è molto elevata e ci sono problemi di surriscaldamento, la cosa migliore è incollare con la resina epossidica due nuclei assieme in modo da usarli come un unico toroide. L'avvolgimento dovrà occupare circa il 330 dei 360 gradi a disposizione; non oltre per evitare capacità parassite, non meno per rientrare nei parametri delle formule relative al dimensionamento. La sigla dei toroidi è composta da una o due lettere: T = toroid FT= ferrite toroid e da una cifra (es. T50) che indica le dimensioni in decimi di pollice del diametro esterno e da un separatore (trattino, punto o barra trasversale) seguito da un altro numero che rappresenta la miscela e la gamma di frequenza al quale sarebbe consigliabile impiegare il toroide. Si tenga presente che un toroide dichiarato con una frequenza X funzionerà egregiamente anche a frequenze 10 volte più elevate, diminuirà soltanto il fattore di merito. I toroidi in polvere di ferro sono colorati a seconda della miscela, il primo colore ricopre 3 lati mentre il secondo colore ricopre il lato rimanente. 7
Le formule per calcolare il numero di spire necessarie a raggiungere una certa induttanza sono le seguenti: per i nuclei FT spire = 1000 sqr (mh : AL). per i nuclei T spire =100 sqr (µh : AL). AL è un valore fornito dal costruttore e varia da nucleo a nucleo rappresenta il valore mh per 1000 spire (serie FT) e il valore µh per 100 spire (serie T). Per calcolare questo tipo di induttanze esiste un programma concepito appositamente per svolgere questo compito. Si chiama AmiTor questa applicazione vi consente di determinare il numero delle spire necessarie alla realizzazione delle bobine senza usare formule o consultare tabelle, basta conoscere solo le sigle dei toroidi. Il programma potete scaricarlo nella sezione Downloads del sito unitamente alle istruzioni per l'uso. 8