Ferritas Inductoras - Permeabilidad y Pérdidas del núcleo

Las Ferritas Inductoras son uno de los principales materiales del núcleo que se utilizan en los inductores y transformadores. La ferrita del inductor se utiliza para proporcionar un aumento de la permeabilidad del medio alrededor de la bobina para aumentar la inductancia del inductor. Las ferritas se utilizan ampliamente dentro de la tecnología de los inductores para mejorar el rendimiento de los mismos.

¿Qué son las Ferritas Inductoras?

Las ferritas son básicamente un material magnético basado en hierro en forma de cerámica.

Las ferritas están hechas de un polvo y por lo tanto los núcleos de ferrita utilizados en los inductores y otras aplicaciones pueden ser fabricados en una variedad de formas según los requerimientos.

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Las ferritas, o como también se les conoce, los materiales ferromagnéticos pueden clasificarse en dos categorías basadas en su coercitividad magnética, o en la persistencia de su magnetismo interno:

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• Ferritas blandas: Las ferritas blandas son materiales de ferrita que pueden invertir fácilmente la polaridad de su magnetización sin que se necesite una cantidad significativa de energía para invertir la polaridad magnética. Esto significa que sólo hay una pérdida de energía relativamente pequeña.Las ferritas blandas también tienen una alta resistencia eléctrica y por lo tanto, cuando se utilizan en inductores y transformadores las pérdidas de corrientes de Foucault también son bajas.Las ferritas blandas suelen estar hechas de una mezcla de óxidos de hierro, níquel, zinc o manganeso. Los imanes de manganeso-zinc y níquel-zinc son los más comunes de los imanes de ferrita suave. Como resultado de su alta resistencia, las ferritas blandas se utilizan ampliamente en los núcleos de los inductores o transformadores, ya que dan lugar a una pérdida mínima de energía.

Generalmente se aceptan las ferritas blandas como aquellas que tienen una coercitividad de menos de 1 kA.m.

• Ferritas duras: Las ferritas duras también pueden ser llamadas imanes permanentes. Conservan la polaridad de su magnetización una vez que se ha eliminado el campo magnetizador, es decir, tienen un alto nivel de remanencia.Los imanes de ferrita dura suelen estar hechos de óxidos de bario, hierro o estroncio. Son baratos de producir y son los imanes que se utilizan en un amplio número de aplicaciones, pero pueden verse más comúnmente en aplicaciones tales como los imanes domésticos estándar (por ejemplo, los imanes de cocina).Generalmente se considera que las ferritas duras son aquellas con niveles de coercitividad superiores a 10 kA/m.

Las ferritas son generalmente materiales cerámicos químicamente inertes a base de hierro. Generalmente tienen la estructura química del formato XFe2O4, donde X es un material de transición.

Para fabricar las ferritas utilizadas en los inductores y otras aplicaciones, las potencias de los metales se mezclan en proporciones y luego se muelen para obtener el tamaño de grano requerido y luego se prensan para darle forma.

La sinterización implica calentar el material entre unos 1150C y 1300C.

La sinterización es un proceso en el que un material cerámico en polvo se mantiene en un molde para darle la forma requerida y luego se calienta a una temperatura que está por debajo del punto de fusión del material. Se encuentra que los átomos de las partículas de polvo se difunden a través de los límites de las partículas, de modo que las partículas se fusionan entre sí. De esta manera se crea un único elemento sólido.

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El núcleo sinterizado de la ferrita inductora puede requerir un mayor acabado, puede ser molido para proporcionar una superficie muy plana para situaciones en las que se requiera el apareamiento de las mitades de un núcleo. Aquí las superficies planas son esenciales para asegurar que los huecos de aire en los inductores o transformadores, etc., sean lo más pequeños posible.

El material de ferrita acabado contiene miles de pequeños cristales o granos. Típicamente estos son de alrededor de 10m de diámetro. Dentro de cada grano o cristal hay muchos más dominios magnéticos más pequeños que pueden tener una orientación aleatoria después de calentarse. Con la aplicación de un campo externo, estos dominios tenderán a orientarse en la misma dirección.

La permeabilidad de la ferrita

Hay muchos parámetros que son importantes cuando se utiliza una ferrita dentro de un inductor. Sin embargo, el principal parámetro para una ferrita de un inductor es la permeabilidad. El nivel de permeabilidad de la ferrita del inductor permite que el inductor tenga una inductancia mucho mayor de la que tendría si sólo se utilizara un núcleo de aire.

La permeabilidad de las ferritas utilizadas dentro de los inductores varía considerablemente entre los distintos tipos de ferrita. Pueden tener niveles de permeabilidad que pueden oscilar entre 20 y más de 15.000, aunque algunas muy especializadas pueden ser más altas.

Pérdidas del núcleo de ferrita del inductor

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Un parámetro importante de interés para el ingeniero electrónico que utiliza ferritas en los inductores son las pérdidas del núcleo que presentan y su dependencia de la frecuencia.

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Las pérdidas del núcleo de un núcleo de ferrita pueden expresarse de la siguiente manera:

Pc =Ph + Pe + Pr

Donde:

• Pc = pérdida total del núcleo
• Ph = pérdida de histéresis
• Pe = pérdida de corriente de remolino
• Pr = pérdida residual

Se ha descubierto que la pérdida de histéresis aumenta linealmente con el aumento de la frecuencia y el flujo. La pérdida de corriente de remolino aumenta exponencialmente con el aumento de la frecuencia y el flujo. Sin embargo se encuentra que la pérdida de histéresis es la pérdida del núcleo dominante hasta una frecuencia determinada por el rendimiento del núcleo. Por encima de esto, la pérdida de corriente de remolino predomina.

Para mejorar el rendimiento de la alta frecuencia, el tamaño del grano utilizado en la preparación de la ferrita utilizada para el inductor debe ser pequeño, y también la mezcla utilizada debe estar libre de impurezas.

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