Inductores: núcleo, saturación y DCR

01 · Punto de partida

El reemplazo «del mismo valor»

Con el taller del Tema 12 cerraste la familia de los capacitores. La que empieza ahora es la menos frecuente en una protoboard, pero está en el centro de cualquier fuente moderna, de cada relé y de cada motor. Y tiene una particularidad: es la familia donde el valor impreso es el dato menos importante.

Es la escena del Tema 6, con otra familia. Allá el resistor de 10 Ω tenía los ohmios correctos y le faltaba potencia. Acá la bobina tiene los microhenrios correctos y le faltan dos cosas: capacidad para soportar esa corriente sin «llenarse», y alambre suficientemente grueso para no calentarse.

La diferencia con el resistor es que en una bobina esos límites casi nunca vienen impresos. Hay que buscarlos en la hoja de datos, y si la pieza no tiene hoja, no hay forma de saberlos mirándola.

• ¿Qué es un inductor y por qué se opone a los cambios de corriente?
• ¿En qué se parece a un capacitor y en qué es su opuesto?
• ¿Qué tipos hay y cómo se lee su valor?
• ¿Qué significa que un inductor se sature?
• ¿Por qué una bobina más chica del mismo valor no es equivalente?
• ¿Qué puedo verificar de una bobina con un multímetro?

02 · Identificar

Por dentro: alambre y campo magnético

Un inductor es la pieza más simple de construir de todo el curso: un alambre enrollado, generalmente alrededor de un núcleo de material magnético. Por eso también se lo llama bobina, y los dos nombres se usan como sinónimos.

Toda corriente eléctrica crea un campo magnético a su alrededor. En un alambre recto es muy débil. Al enrollarlo, los campos de todas las vueltas se suman, y con un núcleo adecuado se multiplican por cientos. Ese campo contiene energía, que salió del circuito al establecerse la corriente y que vuelve al circuito cuando la corriente disminuye.

De ahí sale el comportamiento que define a la pieza:

Para que la corriente aumente, hay que «llenar» el campo

Eso requiere energía y lleva tiempo. La corriente no puede subir de golpe.

Para que la corriente disminuya, hay que «vaciarlo»

La energía guardada tiene que ir a algún lado, y eso también lleva tiempo. La corriente no puede bajar de golpe.

Mientras la corriente no cambia, no pasa nada

Con una corriente continua estable, un inductor ideal es un simple cable.

En resumen: un inductor se opone a los cambios de corriente. La medida de cuánto se opone es la inductancia, que se mide en henrios (H). Como el henrio es una unidad grande, en la práctica se usan el milihenrio (mH, una milésima) y el microhenrio (µH, una millonésima).

De qué depende la inductancia

De la cantidad de vueltas

Es lo que más pesa: con el doble de vueltas, la inductancia se cuadruplica.

Del núcleo

Un núcleo de ferrita multiplica la inductancia por cientos o miles respecto del aire. Es lo que permite inductores chicos, y también lo que les pone un límite, como vas a ver.

De la forma

El área y el largo de la bobina.

Cuánto «frena»: una regla que se puede calcular

Al aplicarle una tensión a un inductor, la corriente crece a un ritmo constante, que es la tensión dividida por la inductancia:

Parece una cifra enorme, pero a la escala de tiempo de un circuito es lenta: después de 10 microsegundos, la corriente subió solo medio amper. Con el doble de inductancia sube a la mitad de velocidad. Esa rampa es la base de todas las fuentes conmutadas.

03 · Concepto

El espejo del capacitor

Si acabás de estudiar los capacitores, ya sabés casi todo sobre los inductores: alcanza con intercambiar «tensión» y «corriente» en cada frase. Los dos guardan energía y los dos se oponen a un cambio; lo que cambia es de qué.

La quinta fila merece una advertencia, porque es la única propiedad del inductor que puede romper otras piezas.

Para un programador, la diferencia entre los dos es la que hay entre amortiguar una cantidad acumulada y amortiguar un flujo. El capacitor es un búfer: absorbe lo que sobra y entrega lo que falta para que el nivel no salte. El inductor es un limitador de la velocidad de cambio: no deja que el caudal varíe de golpe. Un filtro completo usa los dos, uno después del otro.

04 · Características

Los trabajos de una bobina

Hay cuatro usos principales. Lo que se le pide a la pieza es muy distinto en cada uno, y en uno de ellos la inductancia ni siquiera importa.

En este tema nos concentramos en los dos primeros, que son los que se eligen por su ficha. Pero conviene tener presente el tercero: la bobina de un relé o de un motor también es un inductor, con toda su energía guardada, y por eso también produce el pico al cortarla.

05 · Identificar

Tipos de núcleo y cómo reconocerlos

Como en los capacitores el dieléctrico, en los inductores el núcleo decide el carácter de la pieza. Cuanto más «potente» es el material, más inductancia se logra con pocas vueltas, y antes se llega a su límite.

06 · Identificar

Leer el valor

Los inductores usan los mismos sistemas de marcado que ya conocés de los Temas 2 y 7. Cambia una sola cosa: la unidad del resultado es el microhenrio.

La misma trampa de siempre

«220» son 22 y ningún cero: 22 µH, no 220. El de 220 µH dice «221».

La tolerancia es amplia

Lo habitual es ±10 % o ±20 %. No es una familia de precisión, y casi nunca hace falta que lo sea.

Lo que el código no dice

Ni la corriente de saturación ni la resistencia. Dos bobinas marcadas «101» pueden diferir diez veces en la corriente que soportan. El código identifica el valor, no la pieza.

07 · Características

Primer límite: la saturación

El núcleo multiplica el campo magnético, pero no indefinidamente. Hay una cantidad máxima de campo que el material puede sostener. Cuando la corriente lo lleva a ese punto, el núcleo está saturado: aumentar la corriente ya no aumenta el campo en la misma proporción.

La consecuencia es brusca: la inductancia se derrumba. La bobina, que era de 100 µH, pasa a comportarse como una de 30 o de 10. Y recordando que la corriente sube a un ritmo de tensión dividida por inductancia, eso significa que la corriente empieza a crecer tres o diez veces más rápido, lo que satura todavía más el núcleo.

Corriente de saturación (I_sat)

La corriente a partir de la cual la inductancia cayó un cierto porcentaje respecto de su valor nominal. Cada fabricante elige ese porcentaje, entre el 10 y el 30 %, y lo indica en la hoja: «I_sat: corriente para una caída de L del 30 %».

Se compara con la corriente de pico

No con la promedio. El núcleo se satura en el instante en que la corriente es máxima, aunque sea por una fracción de microsegundo.

No daña la bobina, daña lo demás

Un núcleo saturado se recupera al bajar la corriente. Pero mientras está saturado, la corriente sin control puede destruir el transistor que la maneja o sobrecargar la fuente.

Es la primera mitad de la escena: con un LED, la corriente era de miliamperes y la bobina chica trabajaba en la primera fila. Con una carga de un amper, estaba en las últimas.

En programación hay un equivalente exacto: una estructura que funciona con un costo predecible hasta que se llena, y a partir de ahí se degrada de golpe. Una tabla hash con demasiados elementos, un búfer que desborda. No es que funcione «un poco peor»: cambia de régimen.

08 · Características

Segundo límite: el alambre

El bobinado es un alambre de cobre, largo y fino, y como todo alambre tiene resistencia. En las hojas de datos figura como DCR, del inglés DC Resistance: resistencia a la corriente continua. Va de unas milésimas de ohm en bobinas grandes a varios ohms en las chicas.

Es una resistencia común en serie con la bobina, y produce los dos efectos de siempre:

Corriente nominal (I_rms)

La hoja resume el límite térmico en un número: la corriente continua que eleva la temperatura de la bobina una cierta cantidad, generalmente 40 °C. Es el segundo máximo de la pieza, y es independiente del primero.

Se compara con la corriente promedio

El calor depende de la corriente sostenida, no de los picos. Por eso un inductor tiene dos corrientes máximas, y hay que verificar las dos: el pico contra la de saturación y el promedio contra la nominal.

Cuál de las dos manda

Depende de la pieza. En algunas la saturación llega antes que el calor; en otras, al revés. La hoja da las dos, y vale la menor para cada comparación.

Un parásito más: la resonancia propia

En el Tema 11 viste que un capacitor real tiene algo de inductancia y que por eso, pasada cierta frecuencia, deja de comportarse como capacitor. En un inductor pasa lo simétrico: entre las vueltas del bobinado hay una pequeña capacidad, y a partir de la frecuencia de resonancia propia (SRF, en las hojas) la pieza deja de frenar las señales rápidas y empieza a dejarlas pasar. Una bobina grande, de muchas vueltas, resuena a frecuencias más bajas. Es la misma moraleja: más grande no es mejor para lo rápido.

09 · Concepto

Por qué el tamaño no se negocia

Queda por explicar el fondo de la escena: por qué dos bobinas del mismo valor pueden ser tan distintas, y por qué la chica es siempre la peor.

La energía que guarda un inductor depende de su inductancia y del cuadrado de la corriente. Y la máxima energía que puede guardar, antes de saturarse, depende del volumen de su núcleo. Un núcleo más chico guarda menos energía, sin importar cómo se lo bobine.

Los tres dicen «101». Entre el más chico y el más grande hay un factor de cien en la energía que manejan. Para meter 100 µH en un núcleo de 4 mm hacen falta muchas vueltas de un alambre muy fino: eso sube la resistencia, y el núcleo diminuto se llena con poca corriente.

Esto da además una pista práctica para las piezas sin hoja: entre dos bobinas del mismo valor y del mismo tipo de construcción, la más grande y de alambre más grueso soporta más corriente. No reemplaza al dato, pero orienta.

10 · Selección

Elegir y verificar un inductor

Son cuatro preguntas. La primera decide si las otras tres hacen falta.

1. 1
   ¿Para qué trabajo?

   Si es la bobina de un relé o de un motor, viene determinada por el aparato: importan su tensión y su resistencia, y ahí termina la selección. Si es para filtrar o para una fuente, siguen las otras tres.

2. 2
   ¿Qué inductancia?

   La pide el circuito: la hoja de datos del regulador, o el cálculo del filtro. Rara vez hace falta más precisión que el ±20 %.

3. 3
   ¿Cuál es la corriente de pico?

   Tiene que quedar por debajo del 70 % de la corriente de saturación.

4. 4
   ¿Cuál es la corriente promedio?

   Tiene que quedar por debajo de la corriente nominal, con margen. Y la caída de tensión en la resistencia del bobinado tiene que ser aceptable para el circuito.

Qué se puede verificar con un multímetro

Menos que con las otras dos familias, y conviene saberlo de antemano.

11 · Simulador

La corriente en un inductor real

El simulador aplica una tensión a una bobina de 100 µH durante un tiempo corto, como hace una fuente conmutada en cada ciclo, y dibuja cómo crece la corriente.

• La línea punteada es lo que haría un inductor ideal de 100 µH: una rampa recta.
• La línea amarilla es la bobina elegida, con su saturación y su resistencia.
• Las líneas naranjas horizontales marcan la corriente de saturación y el 70 % recomendado.

Las tres bobinas disponibles son las de la tabla de la sección 09: mismo valor impreso, tres tamaños.

Recorrido guiado (7 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   La bobina mediana, con 5 V, parte de 0,2 A y en 10 microsegundos llega a 0,7 A: medio amper más, como decía la cuenta de la sección 02. La línea amarilla está pegada a la punteada. Justo en el 70 % de la saturación.

2. 2
   Subí la «corriente que ya circula» hasta 0,8 A.

   El pico pasa la línea de saturación y la curva amarilla se despega hacia arriba: la corriente crece más rápido de lo que debería. Mirá la casilla de la inductancia: ya no son 100 µH.

3. 3
   Seguí subiendo hasta 1,5 A.

   La curva se dispara. Lo único que termina frenando a la corriente es la resistencia del alambre. En un circuito real, antes de llegar ahí ya se habría dañado el transistor que maneja la bobina.

4. 4
   Con esa misma corriente, cambiá a la bobina toroidal.

   Vuelve la rampa recta. Mismo valor, misma tensión, misma corriente: lo único que cambió fue el tamaño del núcleo.

5. 5
   Tocá «Carga chica» y elegí la bobina SMD.

   Funciona sin problemas. Ahora tocá «Carga de 1 A» con la misma bobina: saturada desde el primer instante, y más de un watt de calor en una pieza de cuatro milímetros. Es la escena completa.

6. 6
   Con la bobina mediana y 0,2 A, cambiá la tensión a 12 V.

   La rampa es más empinada: la misma duración de pulso produce un pico mucho mayor. La saturación no depende solo de la carga: también de cuánta tensión se aplica y durante cuánto tiempo.

Preguntas para pensar

1. En el paso 2, la inductancia bajó y la corriente subió más rápido. ¿Por qué eso empeora la situación en lugar de estabilizarla?
2. En el paso 5, la bobina SMD con una carga de 1 A falla por dos motivos distintos. ¿Cuáles son, y cuál aparecería primero en la práctica?
3. ¿Por qué la corriente de saturación se compara con el pico y la corriente nominal, con el promedio?

12 · El inductor en código

Leer, calcular y verificar

Tres bloques: uno para el marcado, otro para las dos cuentas básicas de una bobina, y otro que convierte las cuatro preguntas en una verificación.

Decodificar el marcado

La misma función del Tema 7, con otra unidad y un caso más.

def inductancia_uh(codigo):
    codigo = codigo.strip().upper()
    if "R" in codigo:                       # la R es la coma, en microhenrios
        return float(codigo.replace("R", "."))
    if "N" in codigo:                       # la N indica nanohenrios
        return float(codigo.replace("N", ".").rstrip(".")) / 1000
    return int(codigo[:-1]) * 10 ** int(codigo[-1])


def legible(uh):
    if uh >= 1000:
        return f"{uh / 1000:g} mH"
    if uh < 1:
        return f"{uh * 1000:g} nH"
    return f"{uh:g} uH"


for codigo in ("101", "220", "221", "102", "4R7", "2R2", "10N"):
    print(f"{codigo:>4}: {legible(inductancia_uh(codigo))}")

¿Qué código lleva un inductor de 470 µH? ¿Y uno de 4,7 mH?

La rampa y la energía

Cuánto sube la corriente en un tiempo dado, y cuánta energía hay guardada. Son las dos fórmulas de las secciones 02 y 09.

def aumento_de_corriente(volts, l_henrios, segundos):
    return volts * segundos / l_henrios           # en amperes


def energia_uj(l_henrios, amperes):
    return 0.5 * l_henrios * amperes ** 2 * 1e6   # en microjoules


L = 100e-6
for volts in (5, 12):
    for us in (5, 10, 20):
        subida = aumento_de_corriente(volts, L, us * 1e-6)
        print(f"{volts:2d} V durante {us:2d} us sobre 100 uH: +{subida:.2f} A")

print("Energía máxima de tres bobinas de 100 uH:")
for nombre, isat in (("SMD de 4 mm", 0.3), ("tambor de 8 mm", 1.0), ("toroide de 20 mm", 3.0)):
    print(f"  {nombre:>18}: {energia_uj(L, isat):6.1f} uJ con {isat} A")

Con 12 V y una bobina de 100 µH que se satura a 1 A, ¿cuánto puede durar el pulso como máximo, partiendo de cero y respetando el 70 %?

La verificación completa

Cada bobina tiene dos corrientes máximas y cada circuito, dos corrientes de trabajo. La función las cruza como corresponde y agrega la caída de tensión, que es lo que suele olvidarse.

BOBINAS = [
    # nombre, saturación (A), corriente nominal (A), resistencia (ohm), precio relativo
    ("SMD de 4 mm",      0.3, 0.35, 1.20, 1.0),
    ("Tambor de 8 mm",   1.0, 1.10, 0.30, 2.0),
    ("Toroide de 20 mm", 3.0, 3.50, 0.06, 6.0),
]


def verificar(i_pico, i_promedio, v_circuito):
    print(f"Circuito de {v_circuito} V: pico {i_pico} A, promedio {i_promedio} A")
    aptas = []
    for nombre, isat, inominal, dcr, precio in BOBINAS:
        caida = i_promedio * dcr
        calor = i_promedio ** 2 * dcr
        if i_pico > isat:
            motivo = f"se satura (pico al {i_pico / isat:.0%} de su límite)"
        elif i_pico > 0.7 * isat:
            motivo = f"sin margen de saturación ({i_pico / isat:.0%})"
        elif i_promedio > inominal:
            motivo = f"se sobrecalienta ({calor:.2f} W)"
        elif caida > 0.05 * v_circuito:
            motivo = f"pierde demasiada tensión ({caida:.2f} V)"
        else:
            motivo = None
            aptas.append((precio, nombre))
        detalle = f"apta: cae {caida:.2f} V, disipa {calor * 1000:.0f} mW" if motivo is None else motivo
        print(f"  {nombre}: {detalle}")
    print("  => ELEGIDA:", min(aptas)[1] if aptas else "ninguna")


verificar(i_pico=0.15, i_promedio=0.1, v_circuito=5)
verificar(i_pico=0.65, i_promedio=0.6, v_circuito=3.3)
verificar(i_pico=1.3, i_promedio=1.0, v_circuito=5)

En el segundo caso, la bobina mediana pasa las dos corrientes y aun así queda descartada. ¿Por qué? ¿Cambiaría el resultado en un circuito de 12 V?

13 · Comprensión

Confusiones frecuentes

14 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: leer bobinas

Indicá el valor de cada inductor.

1. Un bloque SMD marcado «101».
2. Un bloque SMD marcado «470».
3. Un bloque SMD marcado «4R7».
4. Un axial verde con bandas marrón, negro, rojo y plateado.
5. Un carrete marcado «102».

Ejercicio 2: la rampa

Se aplican 12 V a un inductor de 220 µH durante 20 microsegundos, partiendo de corriente cero. ¿A qué corriente llega? Si su corriente de saturación es de 0,8 A, ¿está bien dimensionado?

Ejercicio 3: las dos corrientes

Un circuito de 5 V hace circular por una bobina una corriente promedio de 0,7 A, con picos de 0,9 A. Tenés una bobina con saturación de 1 A, corriente nominal de 1,1 A y resistencia de 0,3 Ω. Verificá los dos límites y la caída de tensión. ¿La usarías?

Ejercicio 4: la bobina de un relé

Medís la bobina de un relé de 5 V con el multímetro y obtenés 70 Ω. ¿Qué corriente consume cuando está activado y qué potencia disipa? ¿Hace falta conocer su corriente de saturación?

Ejercicio 5: el margen, en el simulador

Con la bobina de tambor, 5 V y un pulso de 10 microsegundos, encontrá la mayor «corriente que ya circula» para la que el pico queda dentro del 70 % de la saturación, y la mayor para la que no se satura. Verificá los dos valores con una cuenta.

Ejercicio 6: las bobinas que tenés

Con piezas reales. Buscá todos los bobinados que haya en tu kit o en alguna placa en desuso: inductores, relés, zumbadores, motorcitos. Medí la resistencia de cada uno y anotá el formato y el marcado.

15 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 14?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Explicar por qué un inductor se opone a los cambios de corriente.
• Nombrar tres diferencias entre un capacitor y un inductor.
• Calcular cuánto sube la corriente con 5 V sobre 100 µH durante 10 microsegundos.
• Leer los códigos «101», «220» y «4R7» en un inductor.
• Explicar qué pasa cuando un núcleo se satura.
• Decir con qué corriente se compara la de saturación, y con cuál la nominal.
• Explicar por qué una bobina más chica del mismo valor no sirve de reemplazo.
• Decir qué se puede medir de una bobina con un multímetro.

Ya conocés la pieza y sus límites. En el próximo tema la ponés a trabajar, incluida la parte delicada: el pico al cortar la corriente y el diodo que lo absorbe. Aplicaciones con inductores y taller.