¿Cómo puede este inductor que construí (imagen en la publicación) tener una inductancia tan baja?

Necesitaba estudiar la tasa de cambio de corriente (dI/dt) en un circuito de CC, así que construí un inductor utilizando un núcleo de hierro dulce laminado de un pequeño transformador electrónico. Elegí hierro dulce porque podía hacer un inductor razonable con unas pocas vueltas y evitar saturar el núcleo con la corriente continua (que puede llegar hasta los 10 A).

Necesitaba un conductor grueso, así que torcí un cable AWG 19 2 veces sobre sí mismo en direcciones opuestas (una vez hacia la derecha y luego hacia la izquierda) y lo enrollé en el núcleo.

El inductor que hice

El problema vino cuando medí la inductancia. Primero utilicé una configuración con un amplificador de audio de 25W + smartphone (como generador de onda senoidal), un multímetro de banco para medir la corriente RMS y un osciloscopio para medir la caída de tensión en el inductor. Medí su impedancia a 15 frecuencias de 100 a 10000 Hz, resté la resistencia de CC e hice un ajuste lineal.

El ajuste fue excelente, con R² > 0,99, pero el problema fue el valor que encontré. Desde la pendiente (y su desviación estándar) fue 24,5 +-0,5 uH. Esto es una tontería, si tuviera aire como núcleo no sería mucho más bajo.

Pero todo ha sido revisado dos veces. Verifiqué el multímetro contra el osciloscopio, ambos coincidieron perfectamente en los voltajes de CC y CA, y el amperímetro de CA del multímetro también coincidió con la caída de voltaje en una resistencia, medida en el osciloscopio.

Hoy pensé que el ruido de mi amplificador de audio (que usa un SMPS) podría estar interfiriendo con la medida, una vez que el multímetro estaba midiendo la corriente RMS con todos sus armónicos, mientras que en el osciloscopio solo buscaba la amplitud máxima de la frecuencia que seleccioné en el teléfono inteligente.

Así que decidí hacer todo con el osciloscopio y filtrar el ruido a ojo. En esta configuración utilicé una resistencia en serie con el inductor y medí la caída de voltaje en la resistencia y en toda la serie con el osciloscopio.

Hice mediciones cuando la impedancia en serie era 2, 3, 4 y 6 veces mayor que la resistencia sola (que es una resistencia de 0,5 ohmios) e hice un ajuste lineal nuevamente.

Ahora encontré 22.0 +- 0.8 uH. Básicamente lo mismo, lo que significa que nada estaba mal antes.

Entonces, planteo la pregunta: ¿Qué diablos podría estar pasando aquí?

Sé que el hierro dulce laminado no es bueno para las altas frecuencias, pero según lo que medí, su inductancia solo se redujo perceptiblemente después de 10 kHz.

También sé que los 4 soportes de alambre están correctamente soldados en cada extremo y no tienen cortocircuitos en el medio, porque la resistencia a temperatura ambiente coincide perfectamente con mi estimación de cobre recocido (6,38e-3 ohm frente a 6,8e-3 ohm), si ocurriera algo, tendría que estar apagado.

Por último, incluso hice una réplica de la configuración en MultiSIM para verificar si un programa de inductancia de 20 uH producía ese resultado, y descubrí que sí, ninguno de mis cálculos estaba equivocado.

Entonces, ¿qué queda por considerar aquí? Sé que una vez que tuve que desarmar y pegar el núcleo seguramente quedó peor de lo que estaba originalmente, ya que ahora las laminaciones están un poco más distantes, pero no puede ser tan malo. Tampoco creo que estén en cortocircuito, lo que podría reducir la inductancia general, pero aún parecen estar bien aislados, no dañé el aislamiento original y el pegamento que usé también es aislante.

Sus bucles de alambre no son perfectos, cada bucle se superpone con otro bucle. Tal vez esto tiene algo que ver con eso?
¿Cuántas vueltas tienes ahí? No parece mucho. Parece que estás sobreestimando la inductancia de un inductor de núcleo de aire. 22μH da muchas vueltas.
@TheForceAwakens No creo que esto pueda ser un problema, de lo contrario, el devanado salvaje no funcionaría correctamente y no tiene ningún problema.
@ Sin importancia, calculé que debería tener alrededor de 2 a 3 uH si fuera un núcleo de aire. El problema es que un simple aumento de 10 veces es ridículo para el hierro. Los inductores de núcleo de ferrita de 200 uH de área de bucle similar tienen una cantidad similar de vueltas, siendo que la permeabilidad del hierro es mucho mayor incluso.
No estoy seguro exactamente de cómo se enrolla esto. Un devanado adecuado tiene dos extremos, un extremo que emerge de un lado del núcleo y el otro extremo que emerge del lado opuesto. En la imagen, ambos extremos emergen del mismo lado .
@glen_geek ¿Qué? ¿Qué quieres decir con que están emergiendo del mismo lado? Uno está en el lado izquierdo y el otro en el lado derecho. Y estaba enrollado en una sola dirección, por supuesto.
Esas laminaciones parecen deshilachadas.
Vale, tienes media vuelta extra... ¿Qué pasa con el cable blanco/negro cubierto de algodón?
@glen_geek un termopar incrustado en el inductor
No había necesidad de torcer los cables antes de enrollar la bobina. No hará ninguna diferencia en la inductancia, pero la versión sin torsión sería mucho más fácil de enrollar.
¿Cómo es eso: "Retorcí un cable AWG 19 2 veces sobre sí mismo en direcciones opuestas (una vez en sentido horario y luego en sentido antihorario)", es posible? ¿Cómo puedes torcer 4 cables juntos en CW y CCW? ¿Y cuál debería ser el propósito de "tal" torsión? Y a la pieza inferior del núcleo parece que le falta una pieza.
@MarkoBuršič Dije que lo giré 2 veces sobre sí mismo. Primero lo doblé por la mitad y lo torcí en el sentido de las manecillas del reloj, luego doblé ese cable torcido por la mitad y lo torcí en el sentido de las manecillas del reloj. Hice eso para imitar un cable Litz, aunque no estoy trabajando con frecuencias tan altas que necesito el cable Litz de todos modos, solo tenía que torcerlo en algún patrón, así que elegí ese. No debería tener ningún efecto práctico en absoluto.

Respuestas (1)

En mi experiencia limitada, el espacio de aire en un núcleo hecho en casa o reensamblado es mucho más grande que el original y el rendimiento es mucho más bajo de lo que piensas. Para lograr un hierro continuo efectivo, las laminaciones se fabrican con precisión y se mantienen apretadas con los pernos de las esquinas, o se pegan en una prensa grande para eliminar el aire.
Es mejor cortar el devanado viejo y volver a enrollarlo enhebrando.

Si el hierro tiene una permeabilidad relativa de varios miles, entonces un espacio de aire de 1/1000 de la longitud de la trayectoria del núcleo reducirá drásticamente la permeabilidad y la inductancia efectivas. Esto sería solo 0,1 mm en su caso, o solo unas pocas hojas de papel con aire o pegamento en cada una de las muchas juntas. Si necesita pegamento para mantener unidas las laminaciones y no comprimió el núcleo mientras se fraguaba, ese es el problema más probable.

Calcule la inductancia que esperaría con un núcleo de hierro dulce, pero con un espacio de aire de 0,1 mm.

Bien hecho en sus diversas técnicas de medición, suenan como si fueran razonablemente precisas.