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Fatti interessanti su induttori, bobine e bobine d'arresto

<<Condurre la corrente attraverso un filo è una cosa ovvia al giorno d'oggi, che sembra quasi banale. Non c'è da stupirsi, visto che questa tecnologia è diffusa ormai da quasi 200 anni. Tuttavia, se il filo viene avvolto in una bobina, il flusso di corrente ha improvvisamente effetti completamente diversi. Vi raccontiamo cosa c'è dietro la tecnologia di bobine, bobine di arresto e induttori.

  • Cosa sono induttori, bobine o bobine d'arresto?

  • Come funzionano le bobine e le induttanze?

  • Cos'è l'induttanza delle bobine?

  • Cos'è la reattanza induttiva delle bobine?

  • Dove vengono utilizzate le bobine?

  • Diversi tipi di bobina

 

Cosa sono induttori, bobine o bobine d'arresto?

Una bobina è costituita da un filo isolato, che è stato avvolto in forma circolare o in altra forma. Come isolamento serve spesso solo uno strato sottile di vernice, lacca che separa elettricamente i fili di rame adiacenti.

Grazie a questa struttura fisica si raggiungono determinate proprietà elettriche che possono essere utilizzate per i compiti più svariati. In questo modo, ad esempio, le bobine possono essere costruite meccanicamente in modo da rappresentare una resistenza molto piccola per una tensione alternata con una bassa frequenza di 50 Hz. Con un'elevata frequenza di diverse migliaia di Hertz, invece, queste bobine hanno una resistenza molto grande

Tali bobine vengono preferibilmente utilizzate all'ingresso di rete di dispositivi elettrici. Mentre la corrente con la frequenza di rete di 50 Hz può passare senza problemi attraverso la bobina, gli impulsi di disturbo ad alta frequenza dalla rete elettrica sono tenuti in modo efficace lontano dal dispositivo. D'altra parte, queste bobine garantiscono anche che gli impulsi di interferenza, ad es. causati da spazzole sul motore a collettore, non vengano trasmessi nella rete pubblica.  

Filo di rame avvolto su un nucleo in una bobina.

Grazie a queste proprietà di soppressione delle interferenze, queste bobine sono anche chiamate bobine, bobine di rete o bobine di soppressione delle interferenze. Inoltre, le bobine vengono combinate anche sotto il termine generico Induttori. Poiché i trasformatori e i motori presentano anche caratteristiche induttive grazie ai loro avvolgimenti, il tecnico del ramo parla piuttosto di un carico induttivo.

 

Come funzionano le bobine e le induttanze?

Una bobina chiusa (1) genera un campo magnetico (2) che può essere rinforzato con un nucleo ferromagnetico (3). In caso di corrente continua, ciò produce un elettromagnete.

Quando viene applicata una tensione elettrica su una bobina, la corrente deve sempre scorrere attraverso ogni singolo avvolgimento della bobina. 

In questo modo, il conduttore della bobina a corrente continua crea un campo magnetico. Grazie al design con i loop dei conduttori disposti uno accanto all'altro, i campi magnetici di tutti gli avvolgimenti della bobina si sommano ad un singolo grande campo magnetico. Maggiore è il numero di spire e maggiore è la corrente, maggiore sarà il campo magnetico.

Tuttavia, il filo di rame più lungo aumenta anche la resistenza ohmica e aumenta i costi di produzione. Per questo motivo, un nucleo di polvere di ferro pressata (ferrite) viene spesso utilizzato al centro della bobina per aumentare la permeabilità e quindi il campo magnetico. Il termine permeabilità indica quanto bene o male un nucleo della bobina guida le linee del campo magnetico. 

Se la bobina è alimentata con una tensione continua, si ottiene un elettromagnete, che viene utilizzato anche in impianti di smistamento o relè di corrente continua. Accendendo e spegnendo la corrente è possibile attivare o disattivare l'effetto magnetico a piacere.

Se viene applicata una tensione alternata alla bobina, questa reagisce in modo completamente diverso rispetto alla tensione continua. Per comprendere i collegamenti, è necessario osservare il comportamento della bobina in relazione a un'onda sinusoidale:

Grazie all'aumento della tensione, la bobina crea un campo magnetico sempre più forte.

Il campo magnetico in crescita a sua volta genera una tensione nella bobina tramite autoinduzione, che contrasta la tensione alternata fornita. Ciò significa che il flusso di corrente attraverso la bobina viene quindi bloccato o ritardato.

Sul lato posteriore dell'onda sinusoidale la tensione si riduce nuovamente e il campo magnetico diventa più debole. Il campo magnetico che collassa a sua volta genera anche una tensione che il campo magnetico vuole mantenere. Nel caso del semiasse negativo della curva sinusoidale, il processo si ripete, ma con direzione di corrente inversa attraverso la bobina.

In questo modo, durante il corso di un'onda sinusoidale, la corrente e la tensione non sono più uguali. La corrente è "più lenta" della tensione. Il tecnico del ramo parla di uno sfasamento di 90°.

In una bobina, il flusso di corrente (I)° avviene con uno spostamento di fase di 90 alla tensione (U).

 

La nostra buona pratica

Per consentire agli elettricisti in erba di ricordare meglio lo spostamento di fase c'è un semplice, ma da decenni un punto di vista molto collaudato: "Con l'induttanza la corrente arriva° troppo tardi di 90!"

 

Nota!
L'auto-induzione si verifica naturalmente anche quando una bobina viene azionata con tensione continua/corrente continua. Tuttavia, l'effetto si verifica solo in accensione e in spegnimento . Mentre l'accensione è meno problematica, le bobine possono generare picchi di tensione molto elevati quando vengono spente. Per questo motivo, in un relè a corrente di scorrimento, un diodo viene collegato in parallelo alla bobina.

Quando il transistor di commutazione (T) viene controllato, la corrente passa attraverso il relè (R) e il transistor (T). Il relè è stato serrato e il contatto di commutazione è chiuso. In questo momento non scorre corrente attraverso il diodo (D) (vedere lo schizzo sinistro). Al momento dello spegnimento, quando il transistor (T) è bloccato, il diodo (D) chiude brevemente la corrente di induzione risultante (vedere schizzo a destra).  Il transistor di commutazione (T) è quindi protetto in modo efficace dai picchi di tensione dannosi.  

Oltre all'auto-induzione c'è anche l'induzione esterna. In caso di induzione esterna, un campo magnetico viene costruito da una bobina che genera una tensione in una seconda bobina. L'induzione esterna viene utilizzata per trasformatori o bobine di accensione.

Il diodo (D) protegge il transistor di commutazione (T) durante la fase di spegnimento dai picchi di tensione di induzione. 

 

Cos'è l'induttanza delle bobine?

Come detto, una modifica del flusso di corrente nella bobina comporta sempre una modifica del campo magnetico della bobina. E la modifica del campo magnetico a sua volta genera sempre una tensione di autoinduzione. Questa tensione contrasta sempre la variazione di tensione fornita dall'esterno.

L'altezza della tensione di autoinduzione dipende dalle dimensioni della variazione di corrente, dal periodo di tempo in cui avviene la variazione di corrente e dall'induttanza della bobina. L'induttanza a sua volta è determinata dalla struttura meccanica della bobina e dalle caratteristiche del materiale. Tra questi vi sono il numero di spire e le dimensioni della bobina. Spesso i fili della bobina sono avvolti intorno a un nucleo in materiale magnetizzabile (ferromagnetico), aumentando così l'induttanza. I nuclei della bobina possono essere a forma di barra o formati come nucleo ad anello. Ma sono possibili anche altri tipi di costruzione.

Infine, l'induttanza è un riepilogo di tutte le proprietà elettriche di una bobina.  L'induttanza consente inoltre di confrontare bobine diverse l'una con l'altra.

Il simbolo della forma per l'induttanza è L e il nome è H (Henry), secondo il fisico americano Joseph Henry, che nel 19° secolo. Jhd. Ha scoperto l'auto-induzione.

L'induttanza è definita come segue:

Se in un periodo di 1 secondo la corrente cambia di 1 ampere (A) e la tensione di auto-induzione è di 1 V, la bobina ha un'induttanza di 1 Henry (H).

Tuttavia, nel settore dell'elettronica vengono utilizzate bobine con induttanze notevolmente inferiori. Come per i condensatori, anche per le bobine esiste la suddivisione 1/1000.

Henry1 H1 H100 H
Millihenry1 mH0,001 H10 -3 H
Microhenry1 µH0,000001 H10 -6 H
Nanohenry1 nH0,000000001 H10 -9 H
 

Cos'è la reattanza induttiva delle bobine?

Con una resistenza a strato di carbone, una resistenza a strato metallico o una resistenza a filo, in linea di principio non importa se viene utilizzata su tensione continua o tensione alternata.  Il suo valore di resistenza non cambia in entrambi i tipi di tensione. Per le bobine la cosa è leggermente diversa.

Se una bobina è alimentata con tensione continua, funziona solo la resistenza ohmica dell'avvolgimento in rame. Questa modalità di funzionamento viene utilizzata per bobine in relè a corrente continua. Per questo motivo, questi relè hanno anche bobine con filo sottile e molti avvolgimenti.

Se una bobina viene azionata a tensione alternata, la resistenza della bobina dipende dall'induttanza della bobina (L) e dalla frequenza della tensione alternata (f). Questa resistenza è nota come resistenza induttiva (X L).

La resistenza induttiva reattiva può essere calcolata come segue:

X L = 2 xπ f x L

I relè a corrente continua sono dotati di bobine con filo di rame lungo e sottile.

Per illustrare, abbiamo calcolato la resistenza reattiva di una bobina da 50 mH a diverse frequenze:

Frequenza (f)Resistenza reattiva (XL)
0 Hz (tensione continua)< 1 Ohm*
50 Hz15,71 Ohm
100 Hz31,42 Ohm
500 Hz157,08 Ohm
1 kHz314,16 Ohm
10 kHz3.141,59 Ohm
100 kHz31.415,93 Ohm

* con una tensione continua è solo la resistenza ohmica del filo di bobina. Questo a sua volta dipende dalla sezione del filo e dalla lunghezza del filo. Poiché questi valori possono variare molto in caso di bobine con la stessa induttanza, non è possibile indicare qui un valore generale e specifico.

Nota:
Con l'aumentare della frequenza, la resistenza reattiva di una bobina aumenta. Tuttavia, la tabella è una determinazione puramente matematica dei valori di resistenza reattiva. A seconda del tipo di bobina, i valori effettivi possono variare, in quanto le bobine non reagiscono più in modo lineare alle alte frequenze e alle forti correnti. I nuclei della bobina entrano quindi in saturazione magnetica , che porta ad una diminuzione dell'induttanza. Le bobine senza nucleo hanno una linearità notevolmente maggiore e sono chiamate bobine aria.

La nostra buona pratica

I materiali in polvere di ferro (Fe) possono essere utilizzati come induttanza pura fino a circa 400 kHz, in intervalli di frequenza più elevati la percentuale di perdita dovuta alla resistenza alle perdite diventa troppo grande. A partire da 20 MHz, i nuclei in polvere di ferro non sono efficaci. 

I nuclei zinco-manganese (MnZn) sono induttivi nella gamma di frequenza da 20 MHz a 30 MHzI nuclei nichel-zinco (NiZn) sono induttivi fino a frequenze di 60 MHz. A frequenze più elevate, il materiale è soggetto a perdite. I materiali nanocristallini (FeCuNbSiB) possono essere utilizzati a frequenze molto elevate

  

 

Dove vengono utilizzate le bobine?

Le bobine possono essere utilizzate in diversi modi e per le più svariate attività. Ecco alcuni esempi che mostrano solo una frazione delle molteplici possibilità di applicazione delle bobine:

Elettromagnete

L'impiego classico di una bobina con tensione continua è l'elettromagnete. Per generare elevate forze di sollevamento e di fissaggio, le bobine sono parzialmente integrate in speciali teste metalliche e sono incapsulate per la protezione dall'umidità.

Gli elettromagneti vengono utilizzati anche per relè o contattori elettromeccanici. interruttori di protezione.  

 

Filtri di rete

Come già detto, le bobine possono essere utilizzate per filtrare gli impulsi di disturbo sulla tensione di rete. In parte, le bobine sono ancora integrate con condensatori, creando così unità di filtraggio di rete complete. Con alcuni filtri di rete, la presa di rete necessaria viene integrata nell'alloggiamento.

 

Separatori di frequenza

In caso di crossover si utilizza la resistenza reattiva delle bobine a frequenze diverse. In questo modo si garantisce che l'altoparlante woofer sia alimentato solo alle frequenze più basse. Al contrario, il tweeter riceve solo le frequenze ad alta frequenza. Così come per i filtri di rete, anche per i diffusori morbidi si lavora anche con condensatori per ottimizzare la separazione di frequenza.

 

Alimentatori a commutazione

Quando una bobina crea un campo magnetico, in questo campo magnetico viene memorizzata energia, che può essere rifornita dalla bobina quando viene spenta. Le bobine, che sono state progettate preferibilmente per questo scopo, sono chiamate anche bobine di memoria.

L'effetto della conservazione dell'energia viene utilizzato con alimentatori a commutazione switching o regolatori di commutazione. Con una frequenza di commutazione adeguata, le bobine e i trasformatori possono guastarsi di conseguenza. In questo modo gli alimentatori a commutazione sono piccoli, leggeri e convenienti.

 

Circuiti oscillanti

Un circuito oscillante è una combinazione di bobina e condensatore (collegamento LC), in cui in caso di risonanza l'energia oscilla costantemente tra il campo magnetico della bobina e il campo elettrico del condensatore.

Con l'aiuto di circuiti oscillanti, nella tecnica di ricezione è possibile filtrare da una miscela di frequenza determinate frequenze o sopprimere frequenze indesiderate. Alcuni di questi circuiti risonanti hanno nuclei di bobina rotanti in un alloggiamento metallico schermato o compensatori accordabili per regolare il filtro esattamente alla frequenza desiderata.

 

Limitatori di corrente

Grazie alle loro proprietà induttive, le bobine vengono utilizzate anche nei circuiti di corrente alternata per limitare la corrente.

Per rafforzare le proprietà magnetiche, le bobine sono avvolte su materiali facilmente magnetizzanti (magnetici morbidi) come ferrite o metalli. Queste bobine vengono poi chiamate bobine a farfalla e, in caso di nuclei anulari, bobine a nucleo ad anello. 

 

Tecnologia di ricarica wireless

Per la ricarica senza fili, nella stazione di carica è integrata una bobina nella base trasmettitore e una bobina nel ricevitore nel telefono o spazzolino. Non appena il telefono viene posizionato sulla stazione di carica, la bobina del ricevitore converte il campo magnetico della bobina del trasmettitore in una corrente elettrica con la quale la batteria viene caricata. Le tessere chiave funzionano secondo lo stesso schema. La stazione sulla porta crea un campo magnetico in modo che la bobina nella scheda possa generare una tensione di esercizio per il chip di memoria. Successivamente, è possibile scambiare i dati necessari tramite l'accoppiamento magnetico.

 

Compensazione della potenza reattiva

A causa dello spostamento di fase, i dispositivi induttivi, come ad esempio trasformatori o motori, nonché i dispositivi capacitivi, come ad esempio gli alimentatori switching, assorbono più energia di quella che emettono. Questa ulteriore potenza reattiva si muove costantemente tra l'utenza e il fornitore di energia.

A differenza dei consumatori privati, nei clienti industriali viene rilevata anche la potenza reattiva e fatturata. Per questo motivo, i clienti industriali utilizzano delle compensazioni con bobine e condensatori secondo i contatori di corrente. Se si utilizzano principalmente dispositivi induttivi, i condensatori di compensazione vengono collegati alla rete elettrica. Se il carico capacitivo è maggiore, le bobine vengono collegate alla rete elettrica. La potenza reattiva quindi oscilla solo tra l'utenza e la compensazione e non aumenta inutilmente i costi dell'energia elettrica.

 

Diversi tipi di bobina

L'induttanza non è la stessa induttanza. Una bobina di memoria è utilizzabile in molti casi e richiede quindi anche un adattamento specifico nella forma e nel design. Oltre alle versioni SMD e THT, una bobina ha altri avvolgimenti o forme di costruzione a seconda del campo di applicazione.

Modelli SMD

I componenti SMD ( S urface- m unted d evice) vengono fissati sul circuito stampato e poi saldati secondo diversi metodi. Questo tipo di montaggio è noto come montaggio superficiale. Al contrario, durante il montaggio THT ( T hrough H ole T echnology) i fili di collegamento dei componenti vengono inseriti attraverso i fori di contatto nel circuito stampato e poi saldati. Questo tipo di montaggio è noto anche come montaggio a foro passante.
 

 

Gli induttori SMD a filo avvolto
sono molto piccoli e leggeri. Inoltre, i fili di collegamento vengono eliminati, in modo che gli standard di costruzione SMD siano utilizzati soprattutto nella produzione industriale

 

Gli induttori multistrato
di una pasta metallica, spesso argento, vengono applicati su una base sottile di ferrite o altri materiali nel modello della bobina. Questo tipo di induttori è molto piccolo e può essere installato anche nei telefoni cellulari. 

 
 

Bobine di accelerazione

Le bobine a farfalla sono integrate in un circuito di corrente alternata per ridurre o limitare le correnti alternate.

Funzionano secondo il seguente principio: La tensione che genera l'autoinduzione agisce contro la causa. In questo modo, il flusso di corrente nella bobina si riduce a causa della tensione. La resistenza induttiva è la misura della riduzione di potenza. Le bobine di accelerazione vengono utilizzate per limitare la corrente.

 
 

Bobina toroidale (anche bobina toroide, bobina ad anello circolare o bobina ad anello)

 

Il nucleo della bobina è un anello circolare. Grazie a questo modello, il flusso magnetico si espande solo nel nucleo. Per questo motivo il campo di dispersione all'esterno della bobina circolare è relativamente debole.

Le bobine toroidali vengono utilizzate in filtri elettrici passivi, in modo da eliminare le interferenze ad alta frequenza. Ma anche negli interruttori di protezione da corrente residua sono spesso installati. 

 
 

Bobina di memoria

Le bobine di memoria memorizzano l'energia magnetica. Il nucleo è spesso interrotto da un traferro riempito con carta, resina o plastica per la stabilizzazione meccanica. In questo traferro viene immagazzinata quasi tutta l'energia, in modo da evitare la saturazione del materiale del nucleo e garantire un andamento lineare dell'induttanza.

Si applicano bobine di memoria in determinati alimentatori a commutazione, regolatori di commutazione, convertitori invers e convertitori SEPIC.

 
 

Bobine Power wireless

Questo tipo di bobina ha un'altezza d'installazione molto ridotta e viene quindi spesso integrato negli indossabili. Le bobine di potenza wireless sono Ideal per la trasmissione di energia wireless senza fili. Nella stazione di carica è presente una bobina di trasmissione e una bobina di ricezione nel dispositivo corrispondente. Tra queste due bobine avviene un accoppiamento induttivo e risonante. Il processo di carica inizia tramite induzione.

Questa forma di trasmissione dell'energia è già in uso, ma in futuro saranno disponibili sul mercato molte altre innovazioni. La ricarica di un'auto elettrica viene già testata con un pad di ricarica. Questo è integrato in una bobina del trasmettitore. 

 
 
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