Selección de bobinas y ferritas según la aplicación

Los componentes inductivos se ofrecen en una gran variedad de diseños. Las versiones en montaje SMD son especialmente populares, ya que son fáciles de instalar en placas de circuito impreso (PCBs). No obstante, conviene señalar que no todos los inductores son iguales. Esto se ilustra en el presente artículo mediante tres tipos representativos de inductores SMD: inductor cerámico, ferrita SMD e inductor de ferrita con hilo bobinado. La imagen 1 presenta una comparación de las curvas de impedancia de los tres tipos de inductores:

• Ferrita SMD: WE-CBF [1]:
• Inductor SMD con núcleo cerámico (‘bobina con núcleo de aire’): WE-KI [2]:
• Espiras bobinadas sobre núcleo de ferrita (‘ferrita con hilo bobinado’): WE-RFI [3]

Los componentes se seleccionaron de forma que tuvieran una curva de impedancia similar en el rango por debajo de sus máximos de impedancia. Las diferencias en las impedancias pueden apreciarse en el área de los máximos. La ferrita SMD tiene su máximo en la frecuencia más baja, la ferrita con hilo bobinado en la más alta. El inductor cerámico presenta el aumento y la caída más pronunciados en el área del máximo de impedancia y, por tanto, el mayor factor de calidad Q.

En la imagen 2 se muestra una comparativa de los parámetros eléctricos de los inductores.

En inductores sin núcleo de ferrita (WE-KI) y núcleo cerámico, la inductancia viene indicada en las fichas técnicas como un valor, en este caso 560 nH. Aunque el valor de inductancia está especificado para una frecuencia concreta, se mantiene prácticamente constante en el rango de frecuencias por debajo de la frecuencia de resonancia (véase ficha técnica).

Si observamos más detenidamente, la reactancia del inductor no aumenta linealmente con la frecuencia. Hay dos efectos que aumentan la impedancia de la bobina con núcleo de aire: el aumento de la reactancia debido a la ley de Lenz y el aumento de la resistencia debido al efecto pelicular (skin).

En un circuito puramente inductivo, la bobina está conectada directamente a la tensión alterna de alimentación. Dado que la tensión aumenta y disminuye con la frecuencia, la fuerza contraelectromotriz (FCEM) autoinducida en la bobina también varía en función de estos cambios.

Se sabe que esta FCEM autoinducida es directamente proporcional a la tasa de cambio de la corriente a través de la bobina (ley de Lenz) y, por tanto, aumenta con la frecuencia. En consecuencia, la reactancia del inductor también aumenta con la frecuencia; esta relación es proporcional.

La impedancia también aumenta más por el efecto pelicular. Un conductor utiliza toda su sección transversal como medio de transporte para los portadores de carga a bajas frecuencias. Al aumentar la frecuencia, un campo magnético incrementado hacia el centro del conductor genera una impedancia para los portadores de carga, como resultado de lo cual disminuye la densidad de corriente en el centro del conductor y aumenta la densidad de corriente en el borde del mismo. Este aumento de la densidad de corriente cerca del borde del conductor se conoce como efecto piel. El efecto aumenta con la frecuencia y también se genera en todos los demás inductores (con núcleo de ferrita).

La frecuencia de resonancia del inductor sin núcleo de ferrita se origina principalmente por la capacitancia parásita entre las espiras individuales. Siempre que dos conductores estén dispuestos en proximidad inmediata, pero separados por un dieléctrico, y exista una diferencia de potencial entre ellos, se forma un condensador.

Estas capacitancias distribuidas a lo largo del devanado se conectan en paralelo con la inductancia de la bobina, creando un circuito resonante en paralelo. Además, existe una capacitancia parásita entre las conexiones (pads de soldadura), que es paralela a la capacidad de devanado. Así, se obtiene como circuito equivalente una capacitancia total parásita conectada en paralelo al devanado. El circuito equivalente está representado en la imagen 3 a la izquierda.

En el caso de los inductores con núcleo de ferrita (WE-RFI) y las ferritas SMD (WE-CBF), la ficha técnica indica la impedancia medida a una frecuencia específica. También se puede observar que la ferrita SMD presenta la tolerancia más alta, mientras que el inductor sin ferrita presenta la tolerancia más baja.

Dado que el inductor WE-KI no tiene un núcleo de ferrita, requiere más espiras para conseguir la misma inductancia que los componentes con ferrita; por ello, el WE-KI también presenta la mayor resistencia de hilo RDC. Se especifica un factor Q, es decir, un factor de calidad, tanto para el WE-KI como para el WE-RFI, pero no para el WE-CBF. El factor Q (Q) es una medida de la propiedad disipativa de un inductor. Los inductores con un factor Q elevado tienen bajas pérdidas y una curva de impedancia de banda más estrecha. Por el contrario, los inductores con un factor Q bajo tienen mayores pérdidas y una curva de impedancia más amplia. El tamaño de la impedancia máxima del inductor está relacionado con el factor de calidad Q. Los inductores con pocas pérdidas y un factor Q elevado tienen un máximo de impedancia muy alto, mientras que un inductor con pérdidas tiene un máximo de impedancia más bajo. Cambiando la forma en que se bobina un inductor o los materiales del núcleo utilizados, se puede alinear el máximo de impedancia y la gama de frecuencias del máximo de impedancia.

La imagen 4 muestra las curvas de impedancia en función de la frecuencia del inductor WE-RFI y de la ferrita SMD WE-CBF. Ambos componentes tienen materiales de ferrita como material del núcleo. Cada uno de los diagramas muestra tres curvas diferentes: R - como resistencia resistiva (óhmica), XL - como reactancia (inductiva) y Z - como el valor de la impedancia del componente. Es importante comprender estos diagramas para poder utilizar con éxito los inductores con material de ferrita.

En muchas aplicaciones de alta frecuencia en las que se requieren grandes valores de inductancia en un espacio reducido, no pueden utilizarse inductores con "núcleo de aire" debido a su tamaño. La forma constructiva del inductor se reduce cuando el núcleo de aire se sustituye por un material de núcleo con una permeabilidad magnética más alta (µr > 1).

Si el tamaño sigue siendo el mismo, el valor de inductancia se mantiene a pesar de la reducción del número de espiras.

Esto ofrece varias ventajas.

• Menor tamaño - debido al menor número de espiras necesarias para una inductancia determinada.
• Mayor factor de calidad (Q) - menos espiras significan menor resistencia del hilo.
• Influencia de la impedancia de la inductancia sobre la frecuencia - mediante la selección/mezcla selectiva del material del núcleo.

Sin embargo, el uso de núcleos magnéticos presenta algunos problemas importantes y debe prestarse atención para asegurarse de que el material del núcleo elegido es el adecuado para la tarea en cuestión. Algunos de estos problemas son:

• Cada material de núcleo tiene grandes pérdidas por encima de un rango de frecuencias específico. Por ejemplo, añadir un núcleo magnético a una bobina con núcleo de aire puede reducir la calidad del inductor, dependiendo del material utilizado y de la frecuencia de funcionamiento.
• La permeabilidad de todos los núcleos magnéticos cambia con la frecuencia y suele descender a un valor muy pequeño en el extremo superior de su rango de funcionamiento. Finalmente se aproxima a la permeabilidad del aire (µr = 1) y se vuelve "invisible" para el circuito.
• Cuanto mayor sea la permeabilidad del núcleo, más sensible será a las fluctuaciones de temperatura. Por ello, la inductancia de la bobina puede fluctuar considerablemente en amplios intervalos de temperatura.
• La permeabilidad del núcleo magnético cambia con el nivel de señal aplicado. Si la corriente a través del inductor es demasiado alta y la densidad de flujo magnético a través del núcleo es, por tanto, demasiado alta, el núcleo se satura.

Para evitar estos problemas, es importante elegir los inductores correctos según el uso previsto durante la fase de diseño. Para ello son necesarios los diagramas de impedancia con las tres curvas de impedancia diferentes R, X_L y Z. El comportamiento de las curvas según la frecuencia depende en gran medida de las propiedades magnéticas del material del núcleo.

En la imagen 3 se muestra el circuito equivalente de un inductor sin núcleo magnético.

El factor de calidad Q de este inductor con ‘núcleo de aire’ se calcula según la ecuación 1:

Q = X _L/R_S              (1)

donde para XL se aplica (ecuación 2):

X _L= ω · L"          (2)

con R_S siendo la resistencia del bobinado.

Si se añade un núcleo magnético al inductor, el circuito equivalente tiene el aspecto de la imagen 3 siguiente. La resistencia R_{p (f)} se ha añadido para representar las pérdidas que se producen en el propio núcleo. Estas pérdidas dependientes de la frecuencia se producen en forma de histéresis magnética. La histéresis es la pérdida de potencia en el núcleo que se produce debido a las corrientes parásitas y al realineamiento de las partículas magnéticas del material cuando cambia la magnetización. Las corrientes de Foucault fluyen en el núcleo debido a las corrientes inducidas en él. Además, a la inductancia L se le asignó una dependencia de frecuencia L(_f), ya que, como se mencionó anteriormente, la permeabilidad magnética del material no es lineal con respecto a la frecuencia f. Por lo tanto, el factor de calidad de un inductor con núcleo de ferrita varía según la corriente que circula por ella y su frecuencia, y debe evaluarse de manera específica para cada caso.

La ferrita es un material que contiene principalmente hierro. Se fabrica a partir de una mezcla de óxido de hierro y otras trazas de metales. Como el material tiene una baja conductividad eléctrica, minimiza las corrientes de Foucault y, por tanto, las pérdidas por corrientes de Foucault. Una propiedad destacada de estos materiales es que dependen mucho de la frecuencia, la densidad del flujo magnético y la temperatura.

La propiedad magnética de los materiales puede describirse mediante la "permeabilidad magnética" µ. µ describe una propiedad que cuantifica la respuesta magnética de la densidad de flujo B cuando el material se expone a una intensidad de campo magnético H. La permeabilidad magnética es proporcional a la relación entre los cambios de B y H (ecuación 3):

µ = ?B/?H    (3)

El valor de la permeabilidad absoluta µ expresa la relación directa entre B (T) y H (A/m), por lo que la unidad SI resultante es (H/m). La permeabilidad relativa no tiene unidades, se refiere a la permeabilidad del vacío (µ₀) y suele indicarse en las fichas de datos de inductores. Los valores relativos permiten obtener un indicador fácilmente comprensible de hasta qué punto el material en cuestión concentra el campo magnético “mejor” que el vacío.

De ello resulta la relación según la ecuación 4:

µ = µ_r .  µ₀ (4)

con µ₀: Permeabilidad magnética del vacío: 1,26 × 10^-6 (H / m).

La mayoría de los materiales de ferrita usados son mezclas de polvo de hierro con componentes de manganeso-zinc (MnZn) y níquel-zinc (NiZn); la permeabilidad relativa típica de MnZn está entre 600 y 15.000, mientras que para NiZn va de 10 a 1.500 Debe tenerse en cuenta que la permeabilidad relativa depende en gran medida de la frecuencia del campo magnético. Asimismo, las curvas en la imagen 4 sugieren que la permeabilidad magnética relativa tiene dos componentes, una parte real µ_r' y otra imaginaria µ_r". Esta permeabilidad compleja entra en juego con los efectos del campo magnético de alta frecuencia, donde se produce un desplazamiento de fase entre H y B. Así se obtiene la ecuación 5:

µ = B₀ · e” ^j(ωt-δ) / (H₀ · e^jωt” = B0 /H0 · e^-δ = B0 /H0 · cos(δ) = - j · B₀ /H₀· sin(δ)      (5)

Al aplicarlo al inductor con núcleo de ferrita se obtienen las ecuaciones 6 y 7:

L _S = µ' · L₀     (6)     y R_S = ω · L₀ · µ"      (7)

Donde L₀ es la inductancia de la bobina de hilo sin ferrita.

Por lo tanto se aplica la relación de la ecuación 8:

Z = j · ω · L₀ · (µ' - j · µ\") = R + j · X      (8)

con L₀: Inductor sin ferrita.

Las fórmulas muestran claramente que una permeabilidad elevada genera una inductancia alta, aunque generalmente también implica mayores pérdidas en el núcleo.

Los componentes individuales de la impedancia, es decir, Z_(f), XL_(f) y R_(f) figuran en las fichas técnicas de los inductores de ferrita. La imagen 5 muestra de nuevo las curvas de impedancia del inductor WE-RFI 744760256A.

Esto también deja claro por qué las curvas de impedancia son tan importantes para el funcionamiento de un circuito cuando se utilizan inductores con núcleo de ferrita. La impedancia (Z) es una combinación vectorial de resistencia y fase. La resistencia óhmica R tiene una propiedad disipativa, la energía se convierte y no se recupera. La reactancia X_L es la parte de la impedancia que genera la inductancia. La fase es el retardo entre una tensión aplicada al componente y la corriente que circula por él. Tanto la resistencia óhmica como la reactancia varían con la frecuencia y, por tanto, también la fase.

Pero eso no es todo. Los materiales magnéticos presentan efectos de saturación que, dependiendo de la frecuencia, están principalmente influenciados por la densidad de flujo magnético, es decir, por la corriente que circula a través del inductor de ferrita. Este fenómeno se conoce como saturación del núcleo, un efecto que no se presenta en la ‘inductancia de aire’. La imagen 6 muestra la impedancia de los dos inductores WE-RFI 744760256A y WE-CBF 742792653 para distintos niveles de premagnetización con corriente continua (DC bias), según la frecuencia.

La diferencia es claramente reconocible.

Los inductores de hilo bobinado son, para la misma corriente nominal, menos sensibles a la pre-saturación causada por corriente continua (current bias) que las ferritas SMD.

La influencia de la premagnetización de diferentes intensidades en las curvas de impedancia puede simularse para todos los números de artículo con la plataforma de simulación en línea RedExpert de Würth Elektronik [4].

La tabla 1 ofrece una visión general de los parámetros más importantes de los tres tipos de inductores y sus campos de aplicación preferidos.

Los detalles relacionados con la medición del comportamiento de la impedancia y las recomendaciones específicas para elegir el inductor adecuado en distintas aplicaciones no se abordan en este artículo.

La AppNote ANP129 de Würth Elektronik [5], en la que se basa este artículo, sugiere una configuración más detallada para medir el comportamiento de la impedancia y presenta un método sencillo para medir la impedancia.

Además, se ilustran los distintos campos de aplicación de los diferentes tipos de inductor mediante el ejemplo de un generador de señales de 20 MHz.

Literatura

1. [SMT-Ferrit WE-CBF von Würth Elektronik (Ferrita SMD WE-CBF de Würth Elektronik): https://www.we-online.com/de/components/products/WE-CBF
2. [SMT-Induktivität mit Keramikkern von Würth Elektronik (Inductor SMD con núcleo de cerámica de Würth Elektronik): https://www.we-online.com/de/components/products/WE-KI
3. Ferrita bead SMD con hilo bobinado de Würth Elektronik: https://www.we-online.com/de/components/products/WE-RFI_FERRITE_BEAD
4. Ejemplo de simulación en RedExpert: https://we-online.com/re/5oGcZLA5
5. Zenkner, H.: Induktivitäten, SMT-Ferrite und drahtbewickelte SMT-Ferrite – Der Draht macht den Unterschied (Inductores, ferritas SMD y ferritas SMD con hilo bobinado - el hilo marca la diferencia) AppNote ANP129 de Würth Elektronik: https://www.we-online.de/ANP129

Dr. Heinz Zenkner, Würth Elektronik.

Autor

Dr.-Ing. Heinz Zenkner cursó estudios en Ingeniería Electrónica, especializándose en comunicaciones y tecnología de alta frecuencia, obteniendo un doctorado. Cuenta con muchos años de experiencia como perito público y jurado especializado en EMC. Además de numerosas publicaciones científicas, colabora frecuentemente como autor en diversas obras sobre EMC. Asimismo, Zenkner ha ejercido como docente en diversas universidades, en la IHK y en múltiples seminarios. Lleva muchos años trabajando en electrónica industrial, abarcando todas las fases desde la idea inicial del producto hasta su fabricación en serie. Su interés se centra especialmente en la transmisión inalámbrica de energía, para la que ha desarrollado sus propios conceptos teóricos y prácticos.