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Electrónica Completa
Curso en línea gratis de Electrónica Completa por el Ing. Alberto Picerno
7/ El inductor
¿Qué es un inductor? Cuando un
conductor de electricidad es recorrido por una corriente eléctrica,
alrededor del mismo se genera un campo magnético similar al campo
magnético terrestre.
El campo magnético es por supuesto invisible a los sentidos de un ser
humano y no tienen manifestaciones evidentes de su existencia como el
campo eléctrico. En efecto, si nosotros tomamos nuestras bolitas
metálicas y les aplicamos una tensión creciente llegará el momento en
que se producirá un arco eléctrico con manifestaciones luminosas y
acústicas muy evidentes, que seguramente al lector le recordaran a
Frankeisten.
Se podría decir que no es en realidad una manifestación del campo
eléctrico lo que estamos percibiendo sino justamente su ruptura cuando
los electrones tienen suficiente energía como para saltar el espacio
aislante entre las esferas. Pero lo cierto es que se produce un arco en
el lugar donde se estaba desarrollando el campo eléctrico.
En cambio Ud. puede tomar un conductor hacerle pasar una corriente
creciente por el y no se va a producir ninguna manifestación evidente
del campo magnético aunque la corriente llegue a valores muy grandes.
Si queremos estar seguro de que se produce un campo magnético debemos
hacerlo utilizando algún dispositivo sensible al campo magnético y por
ahora el único que conocemos es la famosa brújula.
Todo aquello que se puede aprender con la experiencia realizada en un
trabajo práctico no debe dejar de realizarse jamás. Así que vamos a
relatar como realizar un trabajo práctico muy interesante utilizando una
brújula y la red de energía eléctrica domiciliaria.
Trabajo práctico sobre electromagnetismo
Vamos a necesitar:
- una brújula
- un artefacto eléctrico de elevado consumo como por ejemplo una estufa o una plancha
Como primera medida Ud. debe construir un pequeño prolongador para la
red domiciliaria; con un 1 metro de longitud construido con cable de
1,5 a 3 mm2 de sección es suficiente. La única característica especial
de este cable es que debe tener sus conductores no paralelos (deben ser
conductores simples y no formando un par o abrir el par cortado el
aislante plástico que los une).
Imaginemos que usa una estufa eléctrica. Coloque la brújula sobre la
mesa y oriéntela con la punta roja hacia el norte. Acerque uno de los
cables del par del prolongador a la brújula. Conecte la estufa y
observará una fuerte oscilación de la aguja indicando que el campo
magnético terrestre sufrió una grave variación.
Por ultimo le pedimos que tome el conductor y lo enrosque sobre si
mismo generando un rulo de unos 10 cm y unas 10 vueltas. Ahora realice
la misma experiencia orientando el rulo en diferentes posiciones.
Observe que el efecto se multiplica es decir que el campo magnético
generado se refuerza con cada espira del rulo. Lo que acabamos de
construir es un inductor o bobina elemental con núcleo de aire.
En la figura 1 se puede observar un conductor eléctrico y la forma del campo magnético que se genera a su alrededor.
Fig.1 Campo magnético alrededor de un conductor
Cuando este conductor se enrolla sobre si mismo el campo magnético de
una espira se refuerza con el campo magnético de la espira anexada y
así sucesivamente hasta lograr un campo magnético reforzado.
El inductor en corriente continua (CC)
Antes de analizar al inductor recordemos las características de un capacitor.
- Si Ud. carga a un capacitor y lo aísla de toda carga el capacitor
quedará cargado permanentemente; es decir que el capacitor es un
componente que retiene la carga.
- Si se conecta un capacitor a una fuente de tensión sabemos que la
tensión sobre el capacitor variará suavemente de modo que debe
transcurrir un tiempo hasta que el capacitor se cargue. Esto significa
que un capacitor se opone a los cambios de tensión, si esta descargado
quiere seguir estándolo y recién después de tener aplicada una corriente
aumenta la tensión sobre el dependiendo de la capacidad del capacitor.
- Si Ud. pretende cargar un capacitor rápidamente conectándolo sobre
una batería, el capacitor protesta generando una chispa de corriente
(rojiza) que inclusive puede arrastrar material de los alambres de
conexión.
El inductor tiene características absolutamente inversas. Si Ud. lo
conecta directamente a una fuente no se producen chispas porque la
corriente aumenta lentamente, dependiendo de la inductancia del
inductor.
Se puede decir, que un inductor se opone a los cambios de
la corriente que circula por él generando una tensión inversa a la de
la fuente.
Esta tensión tiene inclusive un nombre: se llama fuerza
contraelectromotriz. El laboratorio virtual Live Wire nos permite
realizar un trabajo práctico virtual muy instructivo para visualizar la
corriente circulante por un inductor sometido a la acción de una
batería.
Así como utilizamos un osciloscopio para visualizar la tensión sobre
un capacitor usaremos un osciloscopio para medir la corriente que
circula por un inductor. Pero el osciloscopio solo responde a las
variaciones de tensión y nosotros queremos ver variaciones de corriente.
¿Existe algún componente que entregue una tensión proporcional a la
corriente que lo circula? Existe, y Ud. ya lo conoce, se llama resistor.
En efecto un resistor genera sobre él una tensión igual a la corriente
que lo circula multiplicado por la resistencia del resistor es decir
I = V . R
Pero Ud. se preguntará si el agregado de un resistor en el circuito
no modifica las características del mismo haciéndole perder validez al
trabajo práctico. La respuesta es que todo depende del valor del
resistor agregado. Si este es muy pequeño es como si no hubiéramos
agregado nada; el resistor se observa pero no influye en las ecuaciones
del circuito. Por otro lado como un inductor es un componente bobinado
con un alambre de cobre y ese alambre tiene cierta resistencia es como
si estuviéramos aumentando la resistencia del propio bobinado. En la
figura 2 se puede observar el circuito de nuestro trabajo práctico en
LW.
Fig.2 Corriente por un inductor
Nuestro circuito es simplemente un inductor de 1 Hy (unidad de medida
de la inductancia) conectado a una batería de 1V mediante una llave.
También tiene un resistor de 1 Ohm en donde se medirá la tensión con
intención de averiguar el valor de corriente circulante. Nota: este
resistor de pequeño valor se llama “shunt” y para que no afecte
significativamente al funcionamiento del circuito la caída de tensión
sobre él debe ser 100 veces menor a la tensión sobre el inductor (en
nuestro caso no debe superar los 10 mV equivalente a una corriente
circulante de 10 mA).
Antes de encender la simulación predisponga la velocidad del LW
haciendo tools > simulation > timing control y poniendo 1mS como
“Timing base”.
Luego de arrancar la simulación y cuando el haz llega a los 2 mS se
cierra la llave SW1 por medio del mouse o pulsando la tecla “A” que fue
elegida para operarla. De inmediato se observa que el haz rojo da un
salto vertical hasta la tensión de batería (que en nuestro caso queda
fuera de escala) y que el haz azul representativo de la corriente
comienza a crecer lenta y linealmente a razón de 1 mV/mS lo cual
significa un incremento de la corriente de 1 mA/mS o lo que es lo mismo 1
A/S.
Justamente elegimos estos valores para definir al inductor de 1 Hy
como aquel en que la corriente crece a razón de 1A/S cuando se le aplica
una tensión de 1V.
Ahora empleando el mismo circuito vamos a apreciar la característica
mas distintiva del inductor que es su característica de elevar la
tensión de la batería debido a la generación de la fuerza contra
electromotriz. Como ya sabemos el inductor no quiere que la corriente
que circula por él tenga cambios bruscos. La corriente siempre variará
con suavidad cuando hay un inductor en el circuito a pesar de que Ud.
cambie el circuito exterior tan drásticamente como el de nuestro
ejemplo. En efecto la llave SW1 estará cerrada por un tiempo determinado
haciendo que la corriente aumente hasta ese momento. Al abrir la
llave el inductor trata de que la corriente no varíe bruscamente pero se
encuentra con la imposibilidad de hacerlo debido a que nuestro circuito
con la llave abierta es precisamente un circuito abierto y por un
circuito abierto no puede circular corriente. El inductor lleno de
energía magnética solo tiene un recurso por emplear. Aumentar la tensión
hasta que salte un arco por la llave y así mantener la corriente lo mas
invariable que pueda.
¿Será posible simular esta condición de falla? Solo tenemos que
modificar la escala de tensión de nuestro grafico para darle lugar a que
se aprecie una sobretensión negativa de la tensión de batería. Luego
deje la llave cerrada por 10 mS aproximadamente y ábrala con el mouse o
con la tecla A de la PC.
Fig. 3 Fenómeno de la sobretensión en un inductor
Como podemos observar se produce un pulso de tensión negativa de unos
550V que en una llave real produciría un arco de tensión (azulado, con
forma de rayo y saltando entre los dos contactos). Este es un fenómeno
real que cuando se produce en forma indeseada puede alterar muchos
componentes del circuito.
El inductor como acumulador de energía magnética
Ahora vamos a hablar de una característica del inductor que es su
capacidad de almacenar energía. Si Ud. conecta un capacitor a una
batería por medio de un resistor este después de un instante de tiempo
queda cargado a la tensión de la batería. Si lo retira de la batería no
se descarga porque el aire no puede conducir la electricidad y no hay
efectos de sobretensión. El equivalente para cargar un inductor es
hacerle circular una corriente y luego ponerlo en cortocircuito sin
pasar por el circuito abierto. Esta es una condición difícil de lograr
pero suponiendo que pudiera lograrse Ud. no podrá mantener cargado un
inductor real por una razón muy concreta. El conductor con el que esta
construido es de cobre y el cobre tiene una resistencia considerable que
se calienta transformando la energía magnética acumulada en calor.
Por estas razones los técnicos suelen confundir los hechos y no consideran al inductor como un dispositivo capaz de almacenar energía.
Pero el inductor al ser un símil del capacitor es potencialmente un
acumulador de energía (magnética en lugar de eléctrica) y solo basta con
construir un inductor real tan cercano del ideal como los capacitores
reales lo son de los ideales, y por supuesto encontrar un circuito de
carga adecuado que mantenga al inductor cerrado con una resistencia
nula.
Hace un tiempo una universidad de EEUU realizó un experimento real
usando alambres superconductores y el inductor cargado magnéticamente
recorrió varias universidades en diferentes estados sin descargarse.
Combinando un inductor con un capacitor y un resistor
Hasta ahora nuestros circuitos tenían tan solo dos componentes; R y C
ahora intentaremos conectar un tercer componente el L para analizar un
fenómeno fundamental de la electrónica que nos permita realizar la
experiencia de Guillermo Marconi que fue el primero en transmitir a
distancia una señal de radio modulada por código Morse (el primer
telégrafo sin hilos de la historia) y que es la base de toda la
electrónica moderna.
En la figura 4 se puede observar nuestro circuito básico para
construir un transmisor que aun no sabemos lo que es, auque todos los
días recibimos señales de TV o de radio basadas en el proyecto que
estamos encarando aunque obviamente se trata de transmisores mas
sofisticados.
Fig.4 Transmisor similar a los de Marconi con llave mecánica
Ud. puede observar solo dos componentes. El tercero existe
internamente en el inductor y es la resistencia de su bobinado. El
capacitor está conectado a una llave mecánica que genera una tensión
continua de 0 o de 9V de acuerdo a su posición. El grafico esa llave se
opera cada 500 uS. Al segundo cero la llave está en la posición inferior
de 0V permaneciendo allí hasta los 500 uS momento en que el gráfico
azul indica 9V hasta los 1000 uS en que vuelve a cambiar de estado.
Nota: cuando la llave está en cero volt el trazo se pierde detrás del
trazo rojo.
Pero lo mas importante es lo que se observa como una oscilación
después de cada cambio de estado. En el gráfico indicado no se puede
observar con detalle la forma de variación de la señal por eso en la
figura 7.5.2 se puede observar el eje de tiempos ampliado a 2 mS por
división en donde se aprecia la verdadera forma.
Fig.5 Oscilación amortiguada
La forma de onda mostrada se llama oscilación amortiguada y se debe a
la interacción del capacitor con el inductor. En principio vamos a
tratar de entender como se produce esta “señal” (el termino señal se
emplea para indicar tensiones o corrientes variables en el tiempo, en
donde esas variaciones puedan emplearse para transmitir información de
algún tipo).
Durante la primer parte del ciclo, la llave que esta hacia arriba,
produce la carga rápida del capacitor desde la fuente a través de la
resistencia interna de la misma y el inductor. Esto queda indicado por
el trazo del haz azul que indica la tensión después de la llave y que se
observa fijo en 9V. Observe que en este caso la tensión sobre la bobina
(haz rojo) indica una tensión nula.
A los 3,5 uS se mueve la llave y el capacitor se conecta a masa con
lo cual su carga se aplica al inductor. El capacitor observa que tiene
una carga conectada sobre el y le hace circular una corriente que
depende del la tensión acumulada (tensión de fuente en nuestro caso 9V)
con el negativo sobre el vivo del inductor y el negativo sobre la masa.
Un instante después toda la energía eléctrica del capacitor se descargó y
el haz rojo llega nuevamente a cero. Pero que el capacitor esté
descargado no significa que no haya energía acumulada en el circuito. En
efecto, en ese momento el campo magnético sobre el inductor es máximo
porque toda la energía eléctrica (capacitor) se transformó en energía
magnética (inductor) debido a la ley de conservación de la energía que
indica que la energía no puede desaparecer. Ahora el inductor cargado
debe descargarse y solo tiene conectado sobre si mismo un capacitor así
que el capacitor se carga ahora con un pico de tensión positiva y así se
continuaría hasta el infinito si no fuera porque el inductor tiene una
resistencia debido a alambre conductor y en ella se genera energía
térmica (calor). Por esa razón los ciclos de intercambio de energía son
cada ves menores hasta que la energía electromagnética termina
convirtiéndose integramente en calor.
Ley de Thomson
Este trabajo práctico es suficientemente enriquecedor como para que
podamos deducir comprobar fácilmente una formula muy importante de la
electrónica que nos indica a que velocidad se producen los intercambios
energéticos. Esta formula se llama fórmula de Thomson y nos indica la
duración de cada ciclo de intercambio desde un pasaje ascendente por
cero hasta el siguiente (en nuestro caso de 1 uS leyéndolo de la
gráfica). Nosotros no vamos a demostrar la ley de Thomson que esta
basada en las ecuaciones del capacitor y el inductor, solo vamos a
indicarla como:
T = 2π√ LC
Aplicada a nuestro circuito y utilizando potencias de 10 se puede
obtener que T es aproximadamente igual a 1 uS. (en realidad sería
exactamente 1 uS si pudiéramos utilizar capacitores de 500 pF en lugar
de 470 pF).
Pero si Ud. observa el dial de una radio de onda media o OM (en
Argentina onda larga o OL) verá que no está marcada en uS sino Hz o
ciclos por segundo dando lugar a un concepto denominado “frecuencia” de
una señal. Si una señal dura 1 uS significa que se repetirá 1 millón de
veces durante un tiempo de 1 S. Esto se obtiene por una simple regla de
tres simple que indica:
Si un ciclo dura un tiempo
T = 1 uS
en un segundo se producirán 1/T = 1.000.000 de ciclos o un millón de
ciclos o 1 Mc/Seg o un MHz en honor al científico que estudió el
fenómeno que se llamaba Hertz.
Como el lector observara 1 MHz es equivalente a 1.000 KHz y esa es la
frecuencia del centro de la banda de OL que se puede captar con
cualquier radiorreceptor casero. ¿Y que será lo que se escuche cuando
nuestra emisora se sintonice en una radio? Se va a escuchar un
silenciamiento por un instante cada ves que se opere la llave SW2.
Para escuchar un tono audible es necesario mover la llave con un
periodo audible. Por ejemplo un tono de 2 KHz equivale a un periodo de
1/2.000 avo de segundo o 500 uS cosa que evidentemente no podemos
realizar a mano. Por esa razón se debe cambiar el circuito en la sección
de la llave utilizando una fuente de tensión que cambie de 0 a 9V a un
ritmo programable y que aun no conocemos. Esta fuente de tensión se
llama generador de funciones.
Generador de funciones
Un generador de funciones es una fuente de alimentación (como una batería) pero cuya tensión varía a lo largo del tiempo.
Existe tres formas de señal fundamentales que son la rectangular, la
triangular y la sinusoidal. Nosotros conocemos ya a dos de ellas la
rectangular y la sinusoidal porque están presentes en nuestro transmisor
(o generador de señales de radiofrecuencias).
En la figura 6 se puede observar el frente del generador de funciones
que posee el LW y que nosotros vamos a anexar a nuestro circuito.
Búsquelo haciendo Gallery > input component > Signal
generator.
Fig.6 Generador de funciones
Observe en el centro del instrumento, allí existe un dibujo de la
forma de señal de salida. La primera es una señal senoidal que es la
misma que vimos en nuestro trabajo practico virtual pero que en este
caso no es amortiguada sino permanente. La segunda es la señal
rectangular que nosotros generábamos a mano con la llave; la tercera es
la señal triangular que es una sucesión de rampas obtenidas por carga y
descarga de un capacitor y la ultima es una señal con forma aleatoria
que representa el ruido que puede generar por ejemplo un TV sobre el
parlante cuando está fuera de canal (lluvia).
En la parte superior se puede observar el número de posición del
generador en el circuito y una ventana en blanco para colocar algún
comentario. Luego debajo de los botones de forma de señal se puede
observar las características mas importante del generador como la
tensión y la frecuencia. Le pedimos al alumno que conecte un
osciloscopio al generador y observe las señales que entrega el generador
variando todos los parámetros para conocerlo mejor. No se olvide de
predisponer el time control de acuerdo al periodo de la señal a
observar.
Generador de RF modulada
Ppara reparar una radio hace falta un generador de AM que cubra la
banda de OL. Con los conocimientos adquiridos hasta aquí y los que vamos
a adquirir en las próximas lecciones donde aprenderemos a programar un
microprocesador PIC Ud. va a aprender a construir este generador de AM
aun antes de saber que es un transistor.
Para terminar esta lección vamos a modificar el circuito de
nuestro trabajo practico virtual quitando la llave que manejábamos a
mano y agregando un generador de funciones.
Fig.7 Generador de RF con generador de funciones
Nuestro generador de RF consta ahora de los dos componentes
anteriores C1 y L1 cuya frecuencia de resonancia según la formula de
Thomson los hace generar oscilaciones de 1 MHz en el medio de la banda
de OL. Estas oscilaciones no son permanentes sino que tienen forma de
sinusoide amortiguada. Es como si nuestra emisora de radio no estuviera
permanentemente encendida sino que se encendiera a plena potencia cada
500 uS (semiperiodo de la señal entregada por el generador de funciones
XSG1) y luego se atenuara generando unos 20 o 30 ciclos con potencia
decreciente.
En realidad el tiempo de decaimiento real que tendremos en nuestro
prototipo va a ser seguramente muy superior de acuerdo a la construcción
del inductor L1. Si el inductor se construye con una alambre grueso y
de poca resistencia seguramente su componente resistiva va ser muy
pequeña y va a ser prácticamente un inductor ideal que genere poca
amortiguación y prácticamente va a permanecer excitado los 500 uS. En la
figura 8 se puede observar como se vería la señal sobre el inductor
real con un osciloscopio real.
Fig. 8 Oscilograma real sobre L1
Seguramente el alumno estará pensando en este momento “Todo muy lindo
y parece muy simple generar un señal de radio modulada en AM,
¿pero de donde saco un generador de funciones?” En la próxima
lección le vamos a explicar como realizar un generador de funciones
programable con un microprocesador que cuesta algo de 1,5 U$S para
comenzar introducirse en el mundo de las técnicas digitales y construir
un instrumento práctico para nuestro taller que genere señales de audio y
RF modulada.
Conclusiones
Los clásicos cursos básicos de electrónica sin laboratorios virtuales
y para componentes clásicos acostumbraban a tratar los temas con un
orden totalmente diferente al que estamos empleando nosotros. Mi
experiencia me indica que ese modo de enseñar la electrónica está muerto
y enterrado. La electrónica actual requiere una velocidad de
aprendizaje que el concepto antiguo no puede adoptar.
En un curso clásico antes de comenzar con los microprocesadores el
alumno debía aprender toda la electrónica analógica clásica, es decir
que se mencionaban y estudiaban teóricamente todos los componentes
activos como los transistores, diodos y circuitos integrados analógicos y
recién después se pasaba a mundo de los circuitos digitales como
compuertas y microprocesadores programables.
Seguramente los docentes que están siguiendo este curso se estarán
quemando las vestiduras pensando a donde quiero llegar con esta forma de
enseñar que revierte todo la metodología clásica. Quiero llegar a
interesar al alumno, para que haga lo único que no se puede lograr con
los métodos clásicos, aprender armando dispositivos que funcionen, que
sean útiles y didácticos para aprender trabajando que es la mejor forma
de aprender. Y que esa etapa del armado, esté tan al comienzo del curso
como sea posible. Así espero evitar deserciones y aumentar el interés de
los mas jóvenes que son siempre de los mas inquietos y deseosos de
experimentar.
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