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Calculadora de energía almacenada en un inductor

Calcula la energía almacenada en el campo magnético de un inductor en julios y milijulios según la inductancia y la corriente con E = 0.5*L*I al cuadrado.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se almacena la energía en un inductor?

Un inductor almacena energía en el campo magnético creado por la corriente que circula por su bobina. La energía almacenada es igual a la mitad de la inductancia multiplicada por el cuadrado de la corriente.

¿Por qué interrumpir la corriente de un inductor causa un pico de voltaje?

La energía magnética almacenada debe ir a algún lugar cuando la corriente se detiene abruptamente, produciendo un voltaje elevado. Por eso los diodos flyback protegen los circuitos que manejan relés, motores y otras cargas inductivas.

¿Duplicar la corriente duplica la energía almacenada?

No. La energía depende del cuadrado de la corriente (E = 0.5 x L x I al cuadrado), por lo que duplicar la corriente cuadruplica la energía almacenada. Duplicar la inductancia, en cambio, solo duplica la energía porque la inductancia entra en la fórmula de forma lineal.

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Estimaciones solo con fines informativos.

Aviso importante: Estimaciones solo con fines informativos.

Esta calculadora ofrece estimaciones con fines informativos. Los resultados se basan en supuestos y pueden no reflejar resultados reales. Consulta a profesionales calificados en las áreas correspondientes antes de tomar decisiones importantes basadas en estos resultados.

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Cómo funciona esta calculadora

Un inductor almacena energía en el campo magnético creado por la corriente que circula por su bobina. La energía almacenada es igual a la mitad de la inductancia multiplicada por el cuadrado de la corriente. Dado que la energía depende del cuadrado de la corriente, incluso corrientes modestas en un inductor grande pueden almacenar una energía significativa.

Ejemplo resuelto

Toma un inductor de L = 10 mH que conduce una corriente de I = 2 A. Primero convierte la inductancia a henrios: 10 mH ÷ 1000 = 0.01 H. Luego aplica E = ½ × L × I²:

E = 0.5 × 0.01 H × (2 A)² = 0.5 × 0.01 × 4 = 0.02 J = 20 mJ.

Observa el término al cuadrado: si la corriente subiera a 4 A, la energía almacenada saltaría a 0.5 × 0.01 × 16 = 0.08 J (80 mJ), cuatro veces más por el doble de corriente.

Dónde importa

La energía magnética almacenada es central en las fuentes de alimentación conmutadas, donde un inductor se carga y descarga muchos miles de veces por segundo para convertir tensiones de forma eficiente. También explica el pico de voltaje que aparece cuando la corriente a través de un inductor se interrumpe abruptamente, razón por la cual los diodos flyback protegen los circuitos que manejan relés y motores.

Cómo usarla

Ingresa la inductancia en milihenrios y la corriente en amperios. La calculadora devuelve la energía almacenada en julios y milijulios. Prueba a cambiar la corriente para ver cómo la relación al cuadrado incrementa rápidamente la energía almacenada.

Consejos

Duplicar la corriente cuadruplica la energía almacenada.
La inductancia en milihenrios se divide entre 1000 para llegar a henrios.
Nunca abras un inductor con corriente sin un camino de descarga.

Inductores en la conversión de energía

Las fuentes de alimentación conmutadas dependen de un inductor como elemento principal de transferencia de energía. En un convertidor boost, el interruptor se cierra y la corriente aumenta en el inductor, almacenando energía en el campo magnético. Cuando el interruptor se abre, el inductor fuerza esa corriente a continuar fluyendo por el diodo de salida, entregando energía a la carga a una tensión mayor que la de entrada. En un convertidor buck, el inductor se coloca en serie con la salida y suaviza la corriente pulsante del nodo de conmutación en una corriente CC continua absorbida por la carga. La inductancia y la frecuencia de conmutación determinan juntas el rizado de corriente: una mayor inductancia o una mayor frecuencia produce menos rizado, lo que significa menos variación de la tensión de salida y menor corriente RMS a través de los condensadores.

Saturación del núcleo

Cada núcleo magnético tiene una densidad de flujo de saturación B_sat. Los núcleos de ferrita usados en fuentes conmutadas típicamente saturan entre 0.3 T y 0.5 T. Cuando el núcleo satura, la permeabilidad incremental cae a casi la del aire y la inductancia colapsa; la corriente entonces aumenta casi sin límite, lo que puede destruir el transistor de conmutación. Los núcleos de hierro en polvo tienen un entrehierro distribuido integrado en el material, lo que provoca que saturen de forma más suave y gradual en lugar de abruptamente. Esto hace que el hierro en polvo sea popular para filtros de EMI e inductores de modo diferencial donde una característica de saturación gradual es aceptable. Las bobinas con núcleo de aire nunca saturan porque no hay material magnético que pueda saturarse, pero ofrecen mucha menor inductancia para un tamaño dado y producen un campo magnético externo significativo.

DCR y pérdidas en el cobre

Los inductores reales tienen una resistencia de bobinado llamada resistencia de CC (DCR). La potencia disipada en la DCR es igual a I² × DCR, exactamente como una resistencia. Para un inductor de rail de potencia de alta corriente, incluso unos pocos miliohmios de DCR pueden significar una pérdida de potencia importante a decenas de amperios. Revisa siempre la especificación de DCR en la hoja de datos al seleccionar inductores para rails de alta corriente, y compara la eficiencia a la corriente de operación prevista.

Almacenamiento de energía frente a aplicaciones de impedancia

No todos los inductores están destinados a almacenar energía. Los transformadores flyback almacenan energía en un entrehierro intencional durante la fase de encendido del interruptor y la liberan al secundario durante el apagado; el entrehierro es esencial para el diseño. Los inductores diferenciales colocados en serie con los conductores de fase del motor limitan la velocidad de cambio de la corriente (di/dt), reduciendo el esfuerzo del bobinado del motor en los variadores de frecuencia. Las bobinas de línea en las entradas de las fuentes de alimentación filtran el ruido de modo diferencial de la corriente de suministro. En los circuitos tanque resonantes, un inductor y un condensador intercambian energía de un lado a otro a la frecuencia de resonancia f = 1 / (2π√(LC)); el circuito selecciona naturalmente esa frecuencia con un ancho de banda determinado por las pérdidas del circuito.

Factor Q del inductor

El factor de calidad Q = ωL / R mide qué tan eficientemente un inductor almacena energía en relación con la potencia que disipa. Las bobinas de alto Q construidas con núcleos de aire o hilo de Litz (cable trenzado que reduce las pérdidas por efecto pelicular) se usan en osciladores y filtros de RF donde importan el ancho de banda estrecho y las bajas pérdidas de inserción. Los inductores de bajo Q son perfectamente adecuados para el filtrado de fuentes de alimentación, donde el objetivo es la transferencia de energía en lugar de la selectividad de frecuencia. Los inductores de crossover de audio típicamente apuntan a un Q moderado que da forma a la respuesta del filtro de manera predecible.

Especificaciones prácticas del inductor

Al seleccionar un inductor de un catálogo, las especificaciones clave son: valor de inductancia (a una frecuencia de prueba y polarización CC definidas), corriente nominal (tanto la corriente de saturación a la que la inductancia cae en una cantidad definida, como la corriente RMS a la que el aumento de temperatura alcanza un límite), DCR, frecuencia de autorresonancia (SRF) y factor Q. La SRF es particularmente importante: por encima de la SRF, la capacitancia distribuida del bobinado domina y el componente se comporta como un condensador en lugar de un inductor. Para aplicaciones de filtro de alta frecuencia, la SRF debe estar muy por encima de la frecuencia de operación. El rango de temperatura de operación y la temperatura ambiente máxima también importan para la fiabilidad.

Los inductores magnéticamente apantallados encierran el núcleo en una carcasa conductora o de alta permeabilidad, reduciendo el campo magnético externo que puede acoplarse a componentes vecinos o pistas del PCB. Los inductores no apantallados son más pequeños y baratos para la misma inductancia, pero requieren una colocación cuidadosa para evitar interferencias. El apantallamiento típicamente reduce ligeramente la inductancia alcanzable para un tamaño de encapsulado dado.

Tipos de bobinado y núcleo

Los inductores toroidales enrollan la bobina alrededor de un núcleo en forma de rosquilla; debido a que el flujo está en gran parte contenido dentro del toroide, producen muy poco campo externo y son excelentes para circuitos sensibles. Los inductores de núcleo en E son fáciles de bobinar en un carrete y son la forma dominante para transformadores de potencia e inductores de filtro más grandes. Los inductores de núcleo en barra con una barra de ferrita recta se usan en antenas de radio AM donde la barra concentra el campo magnético externo para la recepción. Las perlas de ferrita son un caso especial: en lugar de actuar como verdaderos inductores con una inductancia bien definida, presentan una impedancia resistiva a altas frecuencias que absorbe y disipa la energía de EMI en lugar de reflejarla. Las perlas de ferrita se usan en rails de fuentes de alimentación y líneas de señal específicamente para suprimir el ruido de alta frecuencia de banda ancha.