Induttore (Guida pratica)

L’induttore è un componente elettrico passivo, reattivo, che al passaggio di corrente è in grado di accumulare energia elettromagnetica. La quantità di energia che l’induttore è in grado di immagazzinare, è identificata dal suo valore di induttanza.

L’induttore ha come funzione quella di immagazzinare energia sotto forma di energia elettromagnetica. Una importante proprietà dell’induttore è quella di immagazzinare e rilasciare rapidamente questa energia elettromagnetica. Questa è una caratteristica molto utile, ad esempio nel caso si voglia poter gestire dei picchi improvvisi di corrente. Inoltre, come il condensatore, è un componente con memoria poiché l’energia immagazzinata può essere rilasciata quando non è più alimentato. L’induttore trova utilità in svariate applicazioni in pressoché qualsiasi tipo di circuito. Vediamo in questo articolo quali sono le caratteristiche principali dell’induttore per capire come utilizzarlo al meglio e come sceglierlo adeguatamente.

Come è fatto un induttore?

Un induttore è tipicamente costituito da una bobina avvolta attorno ad un nucleo. La bobina è di materiale conduttivo, ad esempio un filo di rame, mentre il nucleo può essere di materiale ferromagnetico.

Taluni induttori non presentano il nucleo ma sono costituiti unicamente da un filo avvolto a spirale, in questo caso di parla di induttore in aria.

Quando nell’induttore circola corrente questo genera un campo magnetico. La variazione del flusso magnetico nel tempo produce a sua volta una tensione. L’intensità del flusso magnetico dipende dalle caratteristiche costruttive dell’induttore che vengono espresso tramite il valore di induttanza (L). I fattori che influenzano il flusso magnetico, e quindi il parametro di induttanza, sono il numero di avvolgimenti, la sezione del filo avvolto a spirale e, nel caso di induttore con nucleo, la permeabilità magnetica del nucleo e la sua sezione.

Consideriamo, per semplicità, un induttore lineare (che non varia la sua induttanza nel tempo). La relazione tra tensione v e variazione di corrente i è la seguente.

   

dove L rappresenta il parametro di induttanza e si misura in Henry (H). L’induttanza è il parametro fondamentale dell’induttore e raccoglie in sé le caratteristiche fisiche e costruttive del componente tramite la seguente relazione.

   

dove μ rappresenta il valore di permeabilità magnetica del nucleo e si misura in Henry su metro (H/m), N rappresenta il numero di avvolgimenti del conduttore (il numero di spire del filo di rame), A la sezione del nucleo ed l la lunghezza del nucleo.

Da queste relazioni si capisce che induttori con avvolgimenti e nuclei diversi hanno valori diversi di induttanza.

, a sua volta, dipende

Consideriamo, per semplicità, un induttore lineare (che non varia la sua induttanza nel tempo). Come detto in precedenza, la variazione del flusso magnetico induce una tensione che può essere espressa dalla seguente relazione.

   

dove v rappresenta la tensione e Φ rappresenta il flusso magnetico.

Assumendo quindi che l’induttore non vari la propria induttanza nel tempo si ha una dipendenza lineare del flusso magnetico con la corrente circolante a meno del parametro di induttanza L che è costante. La relazione tra flusso magnetico e corrente per ogni istante di tempo è quindi la seguente.

   

dove i rappresenta la corrente ed L rappresenta l’induttanza.

Combinando la prima e la seconda relazione si esplicita la dipendenza della tensione dalla variazione di corrente tramite il parametro di induttanza L.

   

A cosa serve un induttore

L’induttore ha svariate applicazioni nei circuiti elettrici ed elettronici. Vediamo di seguito le principali.

L’induttore come filtro

L’induttore, quando attraversato da corrente presenta una tensione ai sui capi. Questa tensione è proporzionale alla variazione di corrente nel tempo.

Nel caso in cui la corrente sia costante (corrente continua), non essendoci variazione di corrente, la tensione ai capi dell’induttore è nulla ovvero si comporta come un corto circuito. Quindi, una corrente continua che attraversa un induttore trova una impedenza nulla. Nella realtà, a causa degli effetti parassiti tale impedenza è molto bassa ma non nulla.

Quando invece l’induttore è attraversato da una corrente alternata questo rappresenta una impedenza che sarà tanto più grande quanto più è elevata la frequenza del segnale.

Da questo deriva il comportamento dell’induttore che, se posto in serie, permette di filtrare le componenti in alternata permettendo il passaggio di corrente in continua. Se, invece, l’induttore è posto in parallelo con un terminale connesso a terra, il segnale in ingresso risulterà disaccoppiato per la parte in continua mentre permetterà il passaggio della componente in alternata. L’induttore quindi, a seconda di come è posizionato può essere utilizzato come filtro delle componenti in continua oppure in alternata del segnale in ingresso. Questo comportamento è mostrato nella tabella seguente.

Generalmente l’induttore è utilizzato in combinazione con condensatori e/o resistenze per creare i cosiddetti filtri passivi, utili per ripulire il segnale da componenti indesiderate di rumore. A seconda di come induttori, condensatori e resistenze sono connessi, il filtro può assumere diversi tipi di risposta in frequenza:

• passa-basso
• passa-alto
• passa-banda.

Le configurazioni più semplici che implementano questi filtri sfruttando semplicemente induttori e condensatori, sono mostrate di seguito.

Filtro LC passa-basso

I filtri passa-basso permettono il passaggio di segnali in continua ed a bassa frequenza mentre impediscono il passaggio di segnali ad alta frequenza.

Filtro LC passa-alto

I filtri passa-alto permettono il passaggio di segnali ad alta frequenza mentre impediscono il passaggio di segnali in continua ed a bassa frequenza.

Filtro LC passa-banda

I filtri passa-banda permettono il passaggio di quella parte di segnale in un determinato intervallo di frequenze mentre impediscono il passaggio di segnali nelle altre frequenze.

L’induttore nei trasformatori

Un trasformatore è costituito da due o più induttori che condividono lo stesso campo magnetico. I trasformatori funzionano in corrente alternata ed hanno un largo utilizzo nell’elettronica di potenza. Nella figura seguente viene mostrato lo schema di funzionamento di un trasformatore monofase.

Il nucleo in questo caso è un anello generalmente di materiale ferromagnetico. Un filo di materiale conduttore, avvolto attorno una parte dell’anello, è connesso ad una fonte di segnale in frequenza come può essere la rete di alimentazione in alternata e costituisce il primo induttore. Un secondo filo di conduttore è avvolto su un’altra parte dell’anello formando così il secondo induttore collegato al resto del circuito. Il primo avvolgimento, quello collegato all’ingresso, è detto primario mentre quello collegato al carico è detto secondario. Variando il rapporto tra il numero di avvolgimenti del primario e del secondario è possibile variare la tensione in uscita dal trasformatore. Un grande vantaggio nell’utilizzo dei trasformatori è la separazione fisica che vi è tra il primario ed il secondario. Grazie a questa, la tensione secondaria non risente di eventuali disturbi presenti sulla tensione primaria.

Il sensore induttivo

I sensori induttivi sfruttano l’induzione elettromagnetica per determinare la presenza o più in generale la distanza di un altro oggetto di materiale ferromagnetico. L’induttore viene utilizzato come parte fondamentale del circuito oscillatore che genera un campo elettromagnetico ad alta frequenza. Quando un oggetto metallico si avvicina a questo campo ne risulta influenzato poiché subirà la presenza di correnti indotte ma allo stesso tempo influenzerà il lo stesso campo elettromagnetico in quanto porterà a cambiare l’ampiezza della oscillazione. Da questa variazione viene poi ricavata la distanza dell’oggetto dal sensore. Un grande vantaggio dei sensori induttivi è che il loro funzionamento non è influenzato da fattori ambientali come temperatura oppure umidità e resistono bene alla polvere ed allo sporco e per questo trovano largo utilizzo in ambito industriale.

Motori ad induzione

I motori ad induzione, detti anche motori asincroni, si basano sullo stesso principio degli induttori ovvero l’induzione magnetica. I motori sono costituiti da una parte fissa detta statore ed una parte mobile detta rotore. Entrambi sono costituiti da laminati ed avvolgimenti. Quando il motore è alimentato da una corrente alternata, gli avvolgimenti dello statore creano un campo magnetico rotante che induce una tensione negli avvolgimenti del rotore. Le correnti che scorrono sul rotore in combinazione con l’effetto del campo magnetico rotante produce una coppia che fa muovere il rotore nella stessa direzione del campo.

L’induttore per immagazzinare energia

Una tipica applicazione dell’induttore che è utilizzato per immagazzinare energia è quella dei convertitori DC/DC. Questi convertitori vengono utilizzati per fornire in uscita dei valori di tensione diversi da quelli in ingresso. Si distinguono tre principali tipi di convertitori DC/DC che sono: il convertitore discesa (buck o step-down) che fornisce in uscita una tensione inferiore a quella in ingresso; il convertitore salita (boost o step-up) con un tensione in uscita superiore ai valori di quella in ingresso ed infine il convertitore di salita e discesa (buck-boost) che in un solo circuito combina l’azione dei precedenti e quindi a seconda delle applicazioni può fornire una tensione superiore od inferiore a quella di ingresso.

Questi convertitori basano il loro funzionamento sulla commutazione di interruttori generalmente realizzati tramite transistore. Si distinguono generalmente due fasi di lavoro del circuito. Nella prima fase l’interruttore è chiuso, circola corrente sull’induttore che si carica mentre nella seconda fase l’interruttore è aperto e l’induttore rilascia l’energia immagazzinata al circuito a valle. Questa modalità discontinua di utilizzo del segnale in ingresso (switching) presenta notevoli vantaggi in termini di efficienza ma allo stesso tempo le alte frequenze di commutazione portano inevitabilmente a produrre importanti interferenze elettromagnetiche.

L’induttore con nucleo di ferrite

Il nucleo di una ferrite può essere in metallo composto oppure in ferrite. La ferrite è un materiale ferromagnetico che può essere usato come nucleo dell’induttore in quanto offre numerosi vantaggi rispetto al classico metallo composto. Il parametro più importante è sicuramente la permeabilità magnetica. I valori di permeabilità possono variare a seconda del tipo di ferrite ma generalmente variano da 20 a 15.000 ma possono anche essere superiori. In conseguenza di questa caratteristica, quando una ferite è posta attorno ad un induttore, se opportunamente dimensionata è in grado di filtrare adeguatamente un certo range di frequenze che possono creare interferenze elettromagnetiche. Tuttavia, il recente sviluppo nei metalli compositi pare stia permettendo di superare anche i limiti dei nuclei di ferrite in quanto sono grado di fornire maggiore robustezza meccanica, dimensioni più contenute e minore dissipazione in calore.

L’induttore nei relè

Il relè è un interruttore che sfrutta il comportamento elettromagnetico di una bobina. Il relè è comandato da un piccolo segnale che eccitando la bobina fa muovere un contatto da una posizione ad un’altra permettendo quindi di comandare l’accensione oppure lo spegnimento di un carico come ad esempio una lampadina oppure un motore. Tale bobina è un avvolgimento di un filo tipicamente di rame e quindi è a tutti gli effetti un induttore.

Induttore per ricarica wireless

La ricarica wireless è un tipo di trasferimento di potenza senza fili. Esistono diverse modalità di ricarica senza fili. Si distinguono due categoria, la prima è basata sul trasferimento di potenza a campo vicino mentre la seconda sul trasferimento di potenza a campo lontano. Ad oggi, l’elettronica di consumo mette in commercio molti prodotti che permetto la ricarica senza fili basata sull’accoppiamento induttivo, detta anche ricarica induttiva. Il principio di funzionamento è quello tipico dell’induttore. Per la ricarica senza fili si ha una bobina alimentata da corrente alternata che si trova nella stazione di ricarica. Come per gli induttori “classici”, quando la bobina è attraversata da questa corrente alternata, si genera un campo magnetico la cui variazione induce una corrente alternata nella bobina presente nel dispositivo da ricaricare. Questa corrente viene poi successivamente “raddrizzata” per poter quindi ricaricare la batteria del dispositivo.

Simbolo grafico dell’induttore

I simboli grafici utilizzati per indicare l’induttore negli schemi elettrici, in base alla norma EN 60617 sono i seguenti.

Tipo di Induttore	IEC 60617
Induttore generico
Induttore a nucleo magnetico
Induttore a nucleo magnetico con traferro
Induttore a nucleo magnetico variabile con continuità
Induttore a prese fisse (in figura a due prese)
Induttore a contatto mobile, con variazione a gradini
Variometro

Tipi di induttore

Qui puoi trovare una lista dei principali tipi di induttore con relative caratteristiche ed applicazioni tipiche.

Induttore in aria

L’induttore in aria è costituito unicamente da un filo conduttore avvolto a spirale. Non è presente un nucleo metallico e per questo è detto “induttori avvolti in aria”. Alle volte l’avvolgimento è realizzato attorno a materiale non magnetico come plastica oppure ceramica unicamente per ragioni costruttive. Sono induttori generalmente a prezzo piuttosto contenuto in grado di fornire valori di induttanza che variano poco al cambiare delle condizioni di utilizzo e garantiscono perdite ridotte al crescere della frequenza del segnale.

Induttore a nucleo ceramico

Questi induttori hanno un comportamento analogo agli induttori in aria poiché il nucleo non è magnetico. In conseguenza di questo, bassi valori di permeabilità del nucleo portano a bassi valori di induttanza. Come gli induttori in aria, trovano applicazione in tutte quelle situazioni in cui è desiderabile avere basse perdite nel nucleo

Induttore a nucleo ferromagnetico

L’induttore a nucleo ferromagnetico è costituito di materiale ferromagnetico come ad esempio il ferro. In generale le caratteristiche di elevata permeabilità magnetica permettono di avere elevati campi magnetici che permettono di aumentare considerevolmente l’induttanza dell’induttore. Questi tipi di induttore risentono delle cosiddette perdite nel nucleo dovute a corrente parassitarie.

Induttore a nucleo di ferrite

Questi tipi di induttore presentano un nucleo di ferrite, un materiale caratterizzato dall’avere elevati valori di permeabilità magnetica. Le ferriti sono tipicamente composte di ossido di ferro (Fe₂O₃). Una caratteristica importante delle ferriti è quella di garantire bassa conduttività elettrica che permette di avere basse perdite dovute alle correnti parassitarie in presenza di segnali ad alta frequenza.

Induttore a nucleo in polvere metallica

Questi induttori hanno il nucleo costituito di un composto di polvere di materiali come Ferro, Silicio, Nichel. Sono caratterizzati dall’avere alte correnti continue ed una particolare robustezza alle sovratensioni. Gli induttori a nucleo in polvere metallica possono presentare valori anche molto diversi di induttanza poiché, a seconda dei materiali utilizzati per formare il composto, il nucleo può avere valori diversi di permeabilità magnetica.

Induttore a nucleo laminato

Questi induttori hanno il nucleo costituito da una serie di fogli sottili sovrapposti. Le caratteristiche di questo tipo di induttori dipendono dal materiale utilizzato per i fogli e per le dimensioni degli stessi. I fogli sono separati tra loro da materiale isolante che permette di aumentarne la resistenza elettrica e prevenire il flusso di correnti parassite. Applicazioni tipiche sono quelle in cui si hanno segnali ad alta frequenza, generalmente oltre il kHz.

Induttore variabile

Gli induttori variabili hanno la caratteristica di poter cambiare il proprio valore di induttanza. Questo può essere utile in applicazioni in cui è di interesse la possibilità di intervenire direttamente sul valore di induttanza dell’induttore per variarne l’induttanza senza dover cambiare il componente. Una progettazione tipica di un induttore variabile è quella mostrata in figura dove l’induttore a sinistra presenta un nucleo di ferrite mobile. Muovendo il nucleo di ferrite attraverso gli avvolgimenti, si andrà a cambiare i valori di permeabilità magnetica e di conseguenza il valore dell’induttanza dell’induttore dell’induttore. Un altro modello di induttore variabile è quello raffigurato a destra nella figura precedente costituito da un contatto mobile. Questo contatto, regolabile con un semplice cacciavite, permette di agire direttamente sul numero di avvolgimenti attorno al nucleo e quindi sul valore di induttanza.

Parametri dell’induttore

Qui ci sono i principali parametri dell’induttore.

Induttanza

L’induttanza nominale indica quanto l’induttore è in grado di opporsi alla variazione della corrente che lo attraversa. Si misura in Henry (H) e dipende dalle caratteristiche geometriche della bobina e da quelle fisiche del nucleo.

Tolleranza

La tolleranza indica lo scostamento dell’induttanza nominale dal suo valore reale. E’ indicata in percentuale ed esprime il range di possibili valori di induttanza che l’induttore può assumere. Le caratteristiche fisiche dei materiali coinvolti e costruttive dell’induttore possono far sì che il valore di induttanza possa variare al variare della temperatura ambiente e della frequenza.

Massima corrente continua

Questo parametro indica il massimo valore di corrente continua che può attraversare l’induttore senza che questo ne subisca i danni e viene espresso in Ampere (A).

Massima resistenza in continua

La massima resistenza in continua indica il massimo valore di resistenza che l’induttore può avere. A causa del comportamento non ideale dell’induttore ci sarà infatti una certa resistenza che l’induttore oppone ad un segnale in continua. Questo parametro si misura in Ohm (Ω) e rappresenta la resistenza ohmica dell’avvolgimento. Tipicamente è preferibile averlo basso poiché è responsabile di una dissipazione indesiderata di potenza ma è importante valutare eventuali esigenze di ingombro del componente. Una resistenza in continua più bassa si può ottenere utilizzando per gli avvolgimenti un cavo con sezione maggiore. Questa resistenza può essere rappresentata in serie all’induttore.

Fattore di merito Q

Il fattore di merito Q dell’induttore chiamato anche fattore di qualità è un parametro che indica quanto il comportamento dell’induttore approssima quello ideale. Rappresenta il rapporto tra la reattanza e la resistenza dell’induttore e dipende dalla frequenza. La formula del fattore di merito è:

   

Molte schede tecniche non riportano questo parametro ma può essere utile calcolarlo per capire se l’induttore che andiamo a mettere nel nostro circuito in base alla frequenza di utilizzo viene impiegato in maniera efficiente.

Frequenza di risonanza massima

La frequenza di risonanza massima indica la frequenza oltre la quale l’induttore si comporta come un condensatore. Bisogna considerare che gli avvolgimenti presentano degli effetti capacitivi tra loro stessi e quindi, in parallelo all’induttore, sono presenti delle capacità distribuite. Al crescere della frequenza cresce anche questo effetto capacitivo finché la capacita totale eguaglia il valore di induttanza. Questa è la frequenza di risonanza, a tale frequenza l’induttore si comporta come un circuito aperto mentre a frequenze superiori l’effetto induttivo è sempre più trascurabile rispetto a quello capacitivo.

Materiale

E’ tipico trovare nelle schede dati degli induttori anche il materiale di cui si compone il nucleo. Tipici materiali sono:

• ferro;
• ferro al carbonio;
• ferrite;
• ferrite allo zinco – manganese;
• nanocristallo;
• polvere di ferro;
• fenolico;
• …