Existem três tipos de componentes passivos em circuitos eletrônicos: resistores, capacitores e indutores, entre os quais os indutores podem ser os mais peculiares em princípio. O fenômeno da indutância foi descoberto por Michael Faraday e Joseph Henry na década de 1830: Faraday descobriu que um campo magnético variável pode induzir corrente; Henry estudou de forma independente o fenômeno da "autoindução", que se refere à indução de corrente em um condutor dentro de si.
Antes que as pessoas entendessem completamente o eletromagnetismo, era um mistério que o simples enrolamento de um fio em uma bobina pudesse alterar suas propriedades elétricas. Nos primórdios do rádio, os entusiastas do faça-você-mesmo usavam uma haste magnética ou um tubo de papelão de apenas alguns centímetros de comprimento, enrolado com dezenas de voltas de fio para fazer indutores de bobina de sintonia, para montar rádios transistorizados.
O símbolo esquemático de um indutor é baseado no design de sua aparência física (Figura 1). Os tipos de indutores incluem oco, núcleo de ferro e variável.
Figura 1: Os indutores (figura à direita) eram inicialmente formados por fios enrolados em torno de um tubo oco ou núcleo de ferro; Os símbolos principais correspondentes são mostrados na figura (imagem à esquerda). (Fonte da imagem: Hackatronic.com)
A indutância é uma característica de um condutor e, devido ao efeito de seu campo magnético, a corrente que passa pelo condutor muda frequentemente. Portanto, os indutores são às vezes chamados de bobinas porque podem "sufocar" as mudanças na corrente. A relação entre a indutância (L) e a taxa de variação da tensão (V) e da corrente (I) pode ser expressa por uma equação simples: V=L (dI/dt).
Embora os indutores de bobina enrolada ainda sejam amplamente utilizados, eles não são mais adequados para muitos circuitos atualmente. Eles podem ser muito grandes, incapazes de fornecer os valores necessários, exibir efeitos parasitas indesejáveis, ter alta resistência DC (DCR) e apresentar degradação de desempenho em frequências mais altas. Em comparação com os primeiros entusiastas de rádio DIY, indutores enrolados prontos para aplicações de radiofrequência (RF) com dimensões inferiores a 1 milímetro quadrado (mm2) estão agora disponíveis para compra.
Indutores modernos para conversores de potência
Embora os indutores tenham feito progressos significativos, mesmo os indutores de bobina aprimorados apresentam deficiências de desempenho e tamanho para os circuitos modernos. Os indutores de potência modernos são componentes de precisão que foram cuidadosamente modelados, com seus parâmetros principais e secundários totalmente definidos e suas propriedades otimizadas de acordo com diferentes prioridades de aplicação.
Além disso, os fornecedores desenvolveram novos materiais para atender às necessidades de diferentes topologias de fontes de alimentação de comutação, como conversores de indutores primários de terminação única (SEPIC), conversores Ć uk (em homenagem ao seu inventor Slobodan Ć uk) e várias configurações de buck boost.
A maioria desses indutores usa ferrite avançada e materiais em pó, e suas características foram cuidadosamente ajustadas. Esses indutores têm DCR extremamente baixo (melhorando significativamente o valor Q da indutância - o valor padrão para medir o desempenho da indutância) e redução suave da indutância. Este último refere-se ao grau em que o valor real da indutância diminui ou "diminui" devido à saturação do núcleo magnético à medida que a corrente CC aumenta, semelhante à redução da resposta de frequência de um filtro.
Os indutores usados em fontes de alimentação normalmente também precisam ter capacidades de tratamento de corrente nominal relativamente alta, normalmente na casa das dezenas de amperes. Este parâmetro não é definido por um único valor, mas por vários valores, como raiz quadrada média da corrente (Irms), corrente de pico (Ipeak) e corrente de saturação (Isat). Os indutores fornecidos pelo fabricante terão diferentes combinações de correntes nominais e outras referências de parâmetros de nível superior para atender aos requisitos de prioridade de várias estruturas de topologia.
O fabricante também desenvolveu materiais avançados e tecnologia de montagem em superfície (SMT) (Figura 2) que podem suportar o calor associado sem comprometer o desempenho ou a confiabilidade. O tipo de blindagem ajuda a minimizar problemas de interferência de radiofrequência (RFI) em aplicações sensíveis.
Figura 2: Os indutores SMT de alta potência agora podem fornecer vários tamanhos pequenos surpreendentes sem afetar o desempenho. (Fonte da imagem: Eaton)
A série de indutores moldados HCM/HPAL da Eaton Electronics Division reflete o avanço e a diferenciação desses indutores otimizados para conversores. Ambas as séries usam materiais indutores avançados, caracterizados por durabilidade, alta corrente e baixo EMI. Sua estrutura moldada pode fornecer uma redução suave da indutância em várias faixas de corrente nominal.
Os dispositivos das séries HCM e HPAL vêm em vários tamanhos, mas seus volumes são relativamente pequenos.
Para garantir confiabilidade e robustez, a temperatura operacional nominal dos dispositivos HCM/HPAL é de -55 a 125 °C (temperatura ambiente mais aumento de temperatura própria) e eles contêm inibidores de ferrugem que ajudam a prevenir a ferrugem superficial devido a ambientes úmidos (MSL nível 1).
A série HCM utiliza pó de ferro prensado avançado com excelente desempenho Isat, que pode ser visto em dois dispositivos representativos, HCM0503V2-R68-R e HCM0503V2-4R7-R. HCM0503V2-R68-R é um indutor DCR não blindado de 680 nanohenries (nH), 8 miliohms (m Ω) com uma frequência operacional de até 1 megahertz (MHz). Seu tamanho é de apenas 5,7 × 5,4 × 3,0 mm, com corrente nominal de 10 amperes (A) (Irms)/12 amperes (Isat). HCM0503V2-4R7-R usa o mesmo tamanho de pacote, mas é adequado para situações que exigem maior indutância. É um dispositivo não blindado de 4,7 µ H, 47 m Ω com corrente nominal de 4,1 A (Irms)/6 A (Isat).
Em contraste, os indutores HPAL usam pó de liga para obter menor DCR e maior Irms, mantendo menores perdas no núcleo. A faixa de potência desta série de indutores é de 0,15 μ H a 10 μ H, e a corrente é de 4,5 A a 40 A. Possui função de blindagem eletromagnética (EMI), que é crucial em certas aplicações. Dispositivos de exemplo incluem HPAL1V0630-R47-R (um indutor de 470 nH, 4,1 m Ω classificado em 18 A (Irms) e 20 A (Isat)) e HPAL1V0630-8R2-R (um indutor de 8,2 µ H, 55 m Ω classificado em 5 A (Irms) e 5,5 A (Isat)).
O gráfico na Figura 3 mostra a relação de roll-off entre a indutância nominal, corrente CC e temperatura do indutor HPAL1V0630-8R2-R.