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Bobina di induzione e sue applicazioni pratiche nell'elettronica

2020-11-11

Nonostante l'utilizzo già diffuso di sistemi digitali come ad es. processori, circuiti logici programmabili e loro combinazioni in forma di circuiti SoC, spesso il costruttore di elettronica si trova a dover utilizzare componenti "analogici" come resistori, condensatori o induttori. È interessante notare che, per quanto sia relativamente facile realizzare un componente quale un resistore o condensatore (dell'ordine di alcuni picofarad) in forma di circuito integrato, ciò risulta molto difficile nel caso di una bobina. Pertanto, nelle note applicative di molti elementi è ancora presente una bobina di induzione associata come elemento esterno. In questo articolo forniremo informazioni base sulle bobine, assieme ad una descrizione degli elementi della loro struttura che influiscono sui parametri.

Struttura della bobina di induzione

La bobina di induzione di per sé non è un elemento complicato. È composta da un nucleo e spire isolate di un conduttore avvolte intorno ad esso. Il nucleo della bobina può essere in aria o realizzato in materiali magnetici. È importante che le spire avvolte intorno al nucleo siano isolate, pertanto per la realizzazione delle bobine viene utilizzato un filamento isolato o queste vengono realizzate con un filamento non isolato (ad es. con del filo di rame rivestito di uno strato di argento), tuttavia con il mantenimento di un adeguato spazio d'aria per assicurare la separazione tra le varie spire. Se la bobina viene avvolta con un filamento non isolato senza mantenere una distanza tra le spire, avrà luogo un cortocircuito, certamente avremo a che fare con un'induttanza minima, tuttavia diversa da quella prevista.

Spesso, in pratica, quando viene superata la temperatura o la tensione ammissibile, la bobina di induzione viene danneggiata a seguito di un cortocircuito tra gli avvolgimenti a causa di una scarica disruptiva nell'isolamento del filo di avvolgimento. Tale bobina di induzione danneggiata dovrà essere riavvolta o sostituita con una bobina nuova. I trasformatori di rete spesso vengono danneggiati in questo modo. L'ulteriore utilizzo di un trasformatore danneggiato in questo modo potrebbe condurre al suo surriscaldamento, a un cortocircuito nella rete elettrica o anche all'accensione del trasformatore stesso o del dispositivo alimentato.

Cos'è una bobina di induzione?

La bobina di induzione è un elemento che immagazzina energia nel nucleo in forma di campo magnetico, e pertanto converte l'energia della corrente elettrica nell'energia del campo magnetico o viceversa. Una variazione della corrente che scorre attraverso gli avvolgimenti genera una forza elettromotrice con una direzione opposta. Allo stesso modo, un campo magnetico variabile che penetra nel nucleo induce la tensione. Con l'aiuto di una formula possiamo descrivere questo fenomeno:

formula_1 In questa formula:

  • e - esprime la forza elettromotrice (tensione in volt) prodotta dalla bobina,
  • dϕ/dt - esprime la variazione del flusso magnetico nel tempo,
  • di/dt - esprime la variazione della corrente nel tempo,
  • L - esprime il parametro della bobina, chiamato induttanza; la sua unità di misura sono gli Henr.

È facile notare la caratteristica menzionata in precedenza - la forza elettromotrice e presenta una direzione opposta rispetto alla tensione che provoca il flusso di corrente. Questa forza contrasta gli improvvisi cambiamenti della corrente che scorre attraverso la bobina e conduce ad una delle sue applicazioni base - l'utilizzo della bobina di induzione come bobina di arresto.

Bobina di induzione - parametri base

I parametri base della bobina sono la sua induttanza e la frequenza di risonanza. L'induttanza è la capacità della bobina di immagazzinare energia in forma di campo magnetico originato dal flusso di corrente. L'induttanza viene misurata in Henr ed esprime il rapporto tra tensione istantanea e variazione della corrente nel tempo.

formula_4

formula_6

formula_3

Grafico della corrente e della caduta di tensione alle estremità della bobina di induzione Grafico della corrente e della caduta di tensione alle estremità della bobina di induzione. La caduta assume il valore maggiore al momento del collegamento dell'alimentazione e diminuisce con il passare del tempo. Questa caduta contrasta l'aumento di corrente e pertanto l'intensità di corrente è la più bassa quando l'alimentazione viene accesa e aumenta con il passare del tempo. Spesso si dice che nell'induttore la tensione precede la corrente

La figura soprastante mostra cosa succede con la tensione presente nella bobina e con la corrente che scorre attraverso di essa quando le estremità vengono collegate ad una sorgente di tensione. La linea rossa continua illustra il flusso di corrente. Come è possibile notare, la corrente aumenta dal momento in cui la sorgente viene collegata, fino a raggiungere il valore massimo determinato dalla legge di Ohm, vale a dire, il rapporto tra la tensione sui morsetti fino alla resistenza della bobina. La linea blu tratteggiata illustra l'andamento della caduta di tensione presente sulla bobina. Come si può osservare, questa caduta è maggiore al momento dell'accensione e minore dopo che la corrente raggiunge il valore massimo. Ciò è dovuto al fatto che la tensione di induzione presenta direzione opposta a quella applicata sui morsetti.

La frequenza di risonanza della bobina è stata descritta durante la presentazione dei parametri della bobina imperfetta, poiché è associata alla capacità parassita.

Materiale del nucleo e permeabilità magnetica relativa

Un elemento molto importante della bobina di induzione è costituito dal nucleo. Il nucleo dipende dal tipo di materiale utilizzato e dalla permeabilità magnetica relativa associata ad esso. Relativa, poiché è determinata in relazione alla permeabilità del vuoto. Si tratta di un numero adimensionale, caratterizzato da rapporto tra permeabilità magnetica (assoluta μ) di un determinato materiale e la permeabilità magnetica del vuoto μ0.

Secondo la definizione, la permeabilità magnetica è la grandezza che determina la capacità di un materiale o di un oggetto di cambiare l'induzione magnetica al variare dell'intensità di un campo magnetico. In altre parole possiamo dire che la permeabilità è la proprietà di un materiale o di un oggetto che determina la sua capacità di concentrare le linee del campo magnetico.

La permeabilità magnetica del vuoto secondo i dati pubblicati nel 2002 dal Comitato per i Dati per la Scienza e la Tecnica (CODATA) è il valore scalare contrassegnato con il simbolo μ0, il cui valore nel sistema SI ammonta a μ0 = 4·Π·10-7= circa 12,566370614·10-7 [H/m = V·s/A·m].

L'induttanza della bobina è espressa dalla formula:

formula_2

Nella formula i singoli simboli indicano:

  • L - induttanza in Henr,
  • μ0 - permeabilità magnetica del vuoto,
  • μ - permeabilità relativa del materiale del nucleo,
  • Z - numero di spire della bobina,
  • S - superficie della sezione trasversale della bobina,
  • l - lunghezza della bobina.

La permeabilità relativa dell'aria non inquinata differisce poco dalla permeabilità del vuoto, pertanto per semplicità nella pratica ingegneristica si assume μ = 1 e la formula per l'induttanza della bobina d'aria assume la forma:

formula_dell'induttanza_bobina_in aria

Forza del campo magnetico In blu sono state disegnate le linee delle forze del campo magnetico con direzione conforme alla regola di Lenz (la cosiddetta "Regola della mano destra").

I materiali in termini di proprietà magnetiche sono divisi in paramagnetici (si magnetizzano se collocati in un campo magnetico), ferromagnetici (soggetti a magnetizzazione in presenza di un campo magnetico) e diamagnetici (indeboliscono il campo magnetico). Il tipo di materiale del nucleo influisce fortemente sui parametri della bobina. Nel vuoto perfetto non vi sono particelle che potrebbero influire sulla dipendenza tra l'induzione e l'intensità del campo magnetico. Pertanto, in ogni materiale la formula dell'induttanza verrà modificata a causa del verificarsi della permeabilità magnetica di tale elemento. Per il vuoto la permeabilità relativa è esattamente 1. Per i materiali paramagnetici la permeabilità relativa è poco superiore a 1, per i diamagnetici è di poco inferiore all'unità – per entrambi i tipi di materiali la differenza è così piccola che nelle applicazioni tecniche viene spesso trascurata, prendendo in considerazione il valore pari a 1.

Volendo riassumiamo questo paragrafo in base alla suddivisione in sottosezioni, i parametri della bobina che influiscono maggiormente sulla sua induttanza sono:

  • L'induttanza della bobina aumenta all'aumentare:

    • del numero di spire,
    • della permeabilità relativa del materiale del nucleo,
    • della superficie della sezione trasversale della bobina,
    • al diminuire della lunghezza della bobina.
  • L'induttanza della bobina diminuisce quando:

    • il numero di spire diminuisce,
    • diminuisce la permeabilità relativa del materiale del nucleo,
    • diminuisce la superficie della sezione trasversale, -aumenta la lunghezza della bobina.

Perché vengono utilizzati i nuclei? La prima ragione è la possibilità di immagazzinare una maggiore quantità di energia con un minor numero di spire rispetto all'equivalente con il nucleo in aria. La seconda è la struttura meccanica della bobina - il nucleo svolge la funzione di scheletro per le spire e consente l'installazione del componente nel dispositivo di destinazione. La terza ragione importante è la concentrazione e la conduzione del campo magnetico. In alcune applicazioni inoltre sarà importante la possibilità di regolare l'induttanza della bobina, riposizionando il nucleo rispetto alle spire, ad es. mediante il suo inserimento e la sua rimozione.

Bobina non ideale

Finora abbiamo preso in considerazione i parametri della bobina ideale. Nel frattempo, in condizioni reali, il filo di avvolgimento presenterà una certa resistenza e capacità, ciò influirà sui parametri effettivi della bobina che non abbiamo ancora analizzato.

La figura mostra lo schema equivalente in corrente costante della bobina reale. In serie con le spire è stato inserito un resistore che rappresenta la resistenza del filo di avvolgimento. Con il flusso di corrente che passa attraverso la bobina, questo causerà non solo una caduta di tensione, ma anche una perdita di potenza in forma di calore, che potrà causare il riscaldamento della bobina e modificare i parametri del nucleo. Di conseguenza diminuirà l'efficienza energetica dell'intero dispositivo.

Schema equivalente a corrente costante della bobina Schema ideale equivalente della bobina per l'analisi in corrente costante

Durante l'analisi a corrente variabile bisogna inoltre prendere in considerazione la capacità parassita creata dagli strati isolati del conduttore e pertanto nello schema equivalente oltre al resistore dovrà essere presente anche un condensatore collegato in parallelo ai morsetti della bobina. In questo modo si crea un circuito di risonanza RLC, e la bobina stessa prima del raggiungimento della frequenza di risonanza presenterà una caratteristica induttiva, e al suo raggiungimento presenterà caratteristica capacitiva. Pertanto l'impedenza della bobina aumenterà fino alla frequenza di risonanza, per raggiungere il valore massimo alla risonanza e diminuire al suo superamento.

Cambiamento della caratteristica della bobina reale Cambiamento della caratteristica della bobina reale dopo il raggiungimento della frequenza di risonanza. Marcature presenti nello schema equivalente: L – induttanza, EPC – capacità parassitaria, EPR – resistenza parallela che simboleggia la perdita di potenza, ESR – resistenza in serie che simboleggia la resistenza del filo di avvolgimento)

Tre tipi di perdite di potenza nelle bobine di induzione

Nelle applicazioni delle bobine vengono considerate le tre perdite di potenza dominanti. La prima è la perdita sopra descritta, che si verifica sulla resistenza disposta in serie, ossia sulla resistenza del filo di avvolgimento. Questa perdita di potenza dovrebbe essere presa in considerazione soprattutto quando la corrente che scorre attraverso la bobina presenta un'intensità elevata. Il più delle volte ci troviamo a dover fare i conti con essa negli alimentatori e nei circuiti di alimentazione. Questo tipo di perdita causa il riscaldamento della bobina, e di conseguenza dell'intero dispositivo. Si tratta inoltre della causa più comune di danneggiamento, poiché le alte temperature possono danneggiare l'isolamento e condurre alla cortocircuitazione delle spire.

Il secondo tipo di perdita di potenza è la perdita che avviene nel nucleo. Si verifica a causa di irregolarità del nucleo, della presenza di correnti parassite e della variazione della posizione dei domini magnetici. Queste perdite sono dominanti quando la corrente che scorre attraverso la bobina è di bassa intensità. Possiamo avere a che fare con questi fenomeni in circuiti ad alta frequenza, separatori di segnale digitali e altri dispositivi. Ciò comporta non tanto il danneggiamento della bobina, quanto problemi con la perdita del livello del segnale nei circuiti sensibili.

Il terzo tipo di perdita di potenza è quello causato dalle perdite del flusso magnetico, che può essere disperso dai dispositivi meccanici di fissaggio, dagli spazi d'aria nel nucleo o, infine, dall'incuria nell'esecuzione della bobina.

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Conclusioni

La bobina di induzione è un componente semplice e pertanto può essere un po' trascurato. Allo stesso tempo durante la realizzazione di un circuito elettronico dotato di induttori o trasformatori, è necessario prestare particolare attenzione alla scelta dei componenti induttivi, in particolare alle frequenze di risonanza e ai parametri del materiale del nucleo. Altri nuclei vengono utilizzati con frequenze della corrente che raggiungono decine o centinaia di hertz, mentre altri vengono utilizzati con centinaia di megahertz e valori maggiori. A volte, con segnali ad alta frequenza, è sufficiente un tratto di cavo con un anello di ferrite installato su di esso.

Le bobine di induzione possono essere realizzate in modi diversi. Tipicamente viene avvolto un numero di spire di filamento che varia da alcune decine ad alcune centinaia. In alcune applicazioni, le spire vengono realizzate in forma di piste sul circuito stampato, a volte racchiuse in una cupola di ferrite. Al giorno d'oggi la maggior parte delle bobine, in particolare delle bobina di arresto utilizzate nei circuiti di alimentazione, sono predisposte per il montaggio SMD. Allo stesso tempo, è ancora in corso la gara tecnologica e vengono costantemente sviluppati materiali magnetici all'avanguardia, in grado di mantenere le proprietà magnetiche nonostante l'aumento della temperatura, caratterizzati da un minor numero di perdite, ecc.

Le bobine destinate all'impiego a bassa frequenza, di solito dispongono di un nucleo di ferro e un gran numero di spire, pertanto presentano un peso relativamente elevato. Pertanto, in molte applicazioni, in particolare quelle esposte a urti e vibrazioni, la modalità di installazione è di grande importanza. Di solito, la saldatura della bobina non è sufficiente, il suo nucleo deve essere fissato in modo sicuro, mediante morsetti, staffe o viti. Nello scegliere una bobina o un trasformatore per il dispositivo di destinazione vale la pena di prendere in considerazione questi fattori.

Utilizzo delle bobine nell'elettronica

Le bobine vengono utilizzate per:

  • bloccare il flusso della corrente alternata nel circuito,
  • cortocircuitare la corrente continua (tensione),
  • misurare il trascorrere del tempo in base all'esaurirsi del flusso di corrente,
  • costruire circuiti oscillanti,
  • costruire filtri per frequenze specifiche,
  • accoppiare livelli di amplificatori,
  • abbassare o aumentare la tensione.

Alcune applicazioni delle bobine sono simili alle applicazioni del condensatore. Come già sappiamo, la bobina al superamento della frequenza di risonanza, si comporta come un condensatore. Tuttavia, ciò non significa che questi elementi possono essere utilizzati in modo intercambiabile nel circuito.

Vi invitiamo a guardare il video dedicato alle bobine di induzione e al loro utilizzo nell'elettronica:

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