Raffaele Ilardo
Induttori e induttanza (parte prima)
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Significato fisico dell'induttanza
L'induttanza è una particolare proprietà elettrica caratteristica di alcuni dispositivi, in virtù della loro conformazione fisica; nei circuiti ove è presente, essa si manifesta come una tendenza ad opporsi alle variazioni di corrente, e determina uno sfasamento in ritardo della corrente rispetto alla tensione applicata. Un elemento circuitale, il cui comportamento sia prevalentemente induttivo, viene definito induttore; grazie alla sua induttanza, esso è in grado di immagazzinare energia sotto forma di campo magnetico
Fig.1 - a sinistra: solenoide; a destra: induttore toroidale
L = V /(di/dt),
essendo V la tensione applicata, di la variazione di corrente e dt l'intervallo di tempo in cui tale variazione ha luogo.
La sua unità di misura è l'Henry (H); l'induttanza di un circuito ha valore di 1 Henry se, variando la corrente di 1 A al secondo, si genera nel circuito una forza contro-elettromotrice pari ad 1 V.
In realtà, in un circuito elettrico chiuso, qualsiasi conduttore presenta una certa induttanza, ma gli induttori veri e propri (figura 1) si realizzano avvolgendo un filo conduttore in aria libera oppure su un nucleo di materiale ferromagnetico, avente forma rettilinea, come nel caso del solenoide, o forma di anello (o toroide) come nel caso degli induttori toroidali.
L'induttore reale
Un induttore perfetto dovrebbe avere resistenza nulla; naturalmente questo non è realizzabile, poichè qualsiasi avvolgimento presenta una propria resistenza, sia pure minima.Occorre tenere presente che il valore della permeabilità magnetica varia al variare del campo magnetico. Nel progettare un induttore è importante tenere in considerazione il fenomeno della saturazione magnetica, poichè questa comporta diminuzione dell'induttanza ed aumento della corrente nel circuito, con conseguente aumento delle perdite di potenza. Il cosiddeto air-gap, ovvero il traferro che interrompe un circuito magnetico, modifica significativamente i parametri di un induttore: determina una diminuzione dell'induttanza, ma aumenta la corrente di saturazione e linearizza la curva B-H del circuito magnetico. L'air-gap può quindi essere usato nei casi in cui sia più presente il rischio di saturazione magnetica, per esempio negli alimentatori switching (SMPS) e nei filtri ad alta frequenza.
Se poi il filo della bobina viene avvolto su un nucleo di materiale ferromagnetico ad elevata permeabilità, si ottiene un valore di induttanza maggiore rispetto a quello ottenibile con una bobina in aria avente le stesse dimensioni, ma si introducono ulteriori perdite dovute alle correnti parassite e ad altri fenomeni come l'isteresi e la saturazione; tali perdite magnetiche si aggiungono a quelle determinate dalla resistenza dell'avvolgimento.L'induttore reale equivale quindi ad un induttore perfetto avente in serie una ipotetica resistenza R, che esprime le perdite di potenza attiva PA dovute alla resistenza del filo avvolto ed al riscaldamento del nucleo magnetico. Il rapporto fra la potenza reattiva PR dell'induttore e la potenza attiva dissipata in calore viene definito coefficiente di merito e indicato con la lettera Q;
Fig.2 - Angolo di perdita di un induttore
Q = ωL / R = XL / R (dove XL indica la reattanza induttiva).
In un induttore ideale la corrente è sfasata di 90° in ritardo sulla tensione; a causa della resistenza dell'avvolgimento e delle eventuali altre perdite, questo sfasamento tende invece a diminuire di un certo angolo: tale angolo, indicato con δ nella figura 2 a lato,
I nuclei di materiale magnetico possono essere costituiti da lamierini in ferro-silicio nel caso di basse frequenze, mentre si usano materiali sinterizzati, o permalloy o ferrite, per le frequenze più elevate.
Nel caso dell'induttore toroidale, poiché il circuito magnetico è chiuso, il flusso disperso è quasi nullo.
Circuito per la verifica del fenomeno induttivo
Il fenomeno fisico dell'induttanza può essere analizzato col semplice circuito di figura 3. Un alimentatore fornisce tensione all'induttore L, attraverso la resistenza R e l'amperometro A, mentre il voltmetro misura la tensione VL ai capi dell'induttore.
Fig.3 - Circuito di prova per induttore
Come si può osservare nel grafico che segue (figura 4), alla chiusura del tasto T (istante TON) la tensione VL sull'induttore è massima, mentre in circuito non passa alcuna corrente. Successivamente il valore della corrente in circuito tende a crescere, mentre cala la tensione VL. Quando l'interruttore viene aperto (istante TOFF), si assiste ad un repentino cambio di polarità della tensione VL, mentre la corrente comincia a decrescere, fino a tornare a zero.
Fig.4 - Tensione e corrente in circuito induttivo
E' interessante notare che dall'istante dell'apertuta di T la corrente chiude il suo percorso circolando nel diodo D; se questo non fosse presente, l'extra tensione generata dalla brusca apertura dell'interruttore determinerebbe l'innesco di un arco fra i suoi contatti.
Induttori e induttanza (parte seconda)
