Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina
Departamento Acadêmico de Eletrônica
Eletrônica de Potência
Projeto de Indutores para
Alta Frequência
Prof. Clóvis Antônio Petry.
Florianópolis, novembro de 2012.
Bibliografia para esta aula Capítulo 9: Choppers DC:
1.  Projeto de indutores em alta freqüência.
www.ProfessorPetry.com.br
Nesta aula
Conversores CC-CC – Projeto de indutores em alta
freqüência:
1.  Auto-indutância;
2.  Projeto de indutores com núcleo de ar;
3.  Projeto de indutores com núcleo de ferrite.
Auto-Indutância
A propriedade de uma bobina de se opor a qualquer variação de
corrente é medida pela sua auto-indutância (L). A unidade de
medida é o Henry (H).
N ⋅µ⋅ A
L=
l
2
Auto-Indutância
Exemplo 12.1: Determine a indutância da bobina de núcleo de ar da figura abaixo:
µr = 1
µ = µ r ⋅ µo = 1 ⋅ µo = µo
A=
π ⋅d
4
2
=
π ⋅ ( 4 ⋅10
A = 12,57 ⋅10−6 m 2
4
)
−3 2
N2 ⋅µ ⋅ A
L=
l
1002 ⋅ 4π ⋅10−7 ⋅12,57 ⋅10−6
L=
= 1,58 µ H
0,1
Projeto de indutores
O projeto de um indutor depende:
•  Da freqüência de operação;
•  Da corrente no mesmo;
•  Do regime de trabalho;
•  Do material utilizado para o núcleo;
•  Entre outros....
Projeto de indutores com núcleo de ar
Bobinas longas:
N2 ⋅µ ⋅ A
L=
l
L ⋅l
N=
µ⋅A
Onde:
• 
• 
• 
• 
• 
N – número de espiras da bobina;
L – indutância [Henry, H];
A – área do núcleo [m2];
l – comprimento da bobina [m];
µ – permeabilidade do núcleo [Wb/A·m].
Projeto de indutores com núcleo de ar
Bobina de camada única com núcleo de ar:
L ⋅ ( 9 ⋅ a + 10 ⋅ l )
N=
39,5 ⋅ a 2
Onde:
• 
• 
• 
• 
N – número de espiras da bobina;
L – indutância [micro Henry, µH];
a – raio do núcleo [m];
l – comprimento da bobina [m].
l = N ⋅ Dfio
Projeto de indutores com núcleo de ar
Bobina de camada única com núcleo de ar:
L ⋅ ( 9 ⋅ a + 10 ⋅ l )
N=
2
39,5 ⋅ a
l = N ⋅ Dfio
39,5 ⋅ a 2 ⋅ N 2 − 10 ⋅ L ⋅ D fio ⋅ N − 9 ⋅ a ⋅ L = 0
N=
10 ⋅ L ⋅ D fio ±
2
−
10
⋅
L
⋅
D
−
4
⋅
39,5
⋅
a
(
(
) ⋅ ( −9 ⋅ a ⋅ L )
fio )
2
2 ⋅ ( 39,5 ⋅ a 2 )
Projeto de indutores com núcleo de ar
Bobina de diversas camadas com núcleo de ar:
N=
L ⋅ ( 6 ⋅ r1 + 9 ⋅ l + 10 ⋅ ( r2 − r1 ) )
Onde:
• 
• 
• 
• 
• 
N – número de espiras da bobina;
L – indutância [micro Henry, µH];
l – comprimento da bobina [m];
r1 – raio interno [m];
r2 – raio externo [m].
31, 6 ⋅ r
2
1
Projeto de indutores com núcleo de ar
Núcleos toroidais:
2π ⋅ r ⋅ L
N=
µ⋅A
Onde:
• 
• 
• 
• 
• 
N – número de espiras da bobina;
L – indutância [Henry, H];
A – área do núcleo [m2];
µ – permeabilidade do núcleo [Wb/A·m];
r – raio do toroide [m].
Projeto de indutores com núcleo de ar
Indutor planar:
Se
Di = 0
L ≈ 8,5 ⋅ 10 −10 ⋅ D ⋅ N
5
3
De acordo com:
http://members.aol.com/marctt2/induct2.pdf
Projeto de indutores com núcleo de ar
Indutor planar:
n ⋅ d avg
k1 = 2,34
1 + k2 ⋅ ρ
k2 = 2, 75
2
L = k1 ⋅ uo ⋅
davg
dout + din
=
2
dout − din
ρ=
dout + din
De acordo com:
http://smirc.stanford.edu/papers/JSSC99OCT-mohan.pdf
Projeto de indutores de alta freqüência com núcleo
Núcleos usados na implementação de indutores de HF:
http://www.magmattec.com.br
http://www.thornton.com.br
http://www.mag-inc.com
Projeto de indutores de alta freqüência com núcleo
Núcleos usados na implementação de indutores de HF:
Projeto de indutores com núcleo de ferrite
Características do núcleo:
Projeto de indutores com núcleo de ferrite
Montagem do núcleo (com entreferro):
Projeto de indutores com núcleo de ferrite
1) Dados de entrada:
Lo = 100 µ H
Indutância do indutor;
Fs = 20 kHz
Freqüência de operação;
I Lop = 10 A
Corrente de pico;
I Loef =6A
Corrente eficaz;
ΔI Lo =1A
Ondulação de corrente;
k=0,7
Fator de enrolamento;
J=450A/cm 2
B=0,35T
Densidade de corrente;
Densidade de fluxo máximo;
µo =4π ⋅ 10−7 Wb / A / m
Permeabilidade no vácuo.
iL ( t )
ΔI
Ts
2
t
Ts
Projeto de indutores com núcleo de ferrite
2) Escolha do núcleo:
ΔI Lo
1
ΔB = B
= 0,35 = 0,035T
I Lop
10
AeAw =
Lo ⋅ I Lop ⋅ I Loef ⋅ 104
k ⋅B⋅J
100 ⋅ 10−6 ⋅ 10 ⋅ 6 ⋅ 104
=
= 0,544 cm4
0,7 ⋅ 0,35 ⋅ 450
Núcleo Ae (cm2) Aw (cm2) le (cm) lt (cm) ve(cm3) AeAw (cm4)
E-20
0,312
0,26
4,28
3,8
1,34
0,08
E-30/7
0,60
0,80
6,7
5,6
4,00
0,48
E-30/14
1,20
0,85
6,7
6,7
8,00
1,02
E-42/15
1,81
1,57
9,7
8,7
17,10
2,84
E-42/20
2,40
1,57
9,7
10,5
23,30
3,77
E-55
3,54
2,50
1,2
11,6
42,50
8,85
Projeto de indutores com núcleo de ferrite
3) Cálculo do número de espiras:
N=
Lo ⋅ I Lop ⋅ 104
B ⋅ Ae
100 ⋅ 10−6 ⋅ 10 ⋅ 104
=
= 24espiras
0,35 ⋅ 1,20
4) Cálculo do entreferro:
N 2 ⋅ µo ⋅ Ae ⋅ 10−2 242 ⋅ 4π ⋅ 10−7 ⋅ 1,20 ⋅ 10−2
lg =
=
= 0,087 cm
−6
Lo
100 ⋅ 10
Projeto de indutores com núcleo de ferrite
Perdas no núcleo:
Correntes parasitas:
- Induzidas no núcleo, devido ao mesmo ser, normalmente,
de material ferromagnético.
Perdas por histerese:
- Trabalho realizado
pelo campo (H) para obter o
fluxo (B);
- Expressa a dificuldade
que o campo (H) terá para
orientar
os domínios de um material
ferromagnético.
Projeto de indutores com núcleo de ferrite
5) Perdas no núcleo:
K H = 4 ⋅ 10−5
K E = 4 ⋅ 10−10
Pnucleo = ΔB2,4 ⋅ ( K H ⋅ Fs + K E ⋅ Fs 2 ) ⋅ Ve
Pnucleo = 0,0352,4 ⋅ ( 4 ⋅10−5 ⋅ 20000 + 4 ⋅10−10 ⋅ 200002 ) ⋅ 8
Pnucleo = 2,46 mW
Projeto de indutores com núcleo de ferrite
Perdas no condutor:
Efeito de proximidade:
•  Relaciona um aumento na resistência em função dos campos
magnéticos produzidos pelos demais condutores colocados nas
adjacências.
Efeito pelicular (efeito skin):
•  Restringe a secção do condutor para frequências elevadas.
•  Em altas frequências, a tensão oposta induzida se concentra no
centro do condutor, resultando em uma corrente maior próxima à
superfície do condutor e uma rápida redução próxima do centro.
Profundidade de penetração
7,5
Δ=
[cm]
fs
Projeto de indutores com núcleo de ferrite
6) Profundidade de penetração:
7,5
7,5
Δ=
=
= 0,053 cm
Fs
20000
Dfiomax = 2 ⋅ Δ = 2 ⋅ 0,053 = 0,106 cm
Não poderá ser utilizado condutor com diâmetro maior que 0,106 cm.
Portanto, podem ser utilizados condutores mais finos que o fio 18 AWG.
Escolheu-se o condutor 22 AWG.
Acu 22 = 0,003255 cm2
ρ22 = 0,000530 Ω / cm
S22 = 0,004013 cm2
Projeto de indutores com núcleo de ferrite
7) Escolha da seção dos condutores:
S=
I Loef
N fios
J
=
6
= 0,013 cm2
450
Maior que a área do fio 22 AWG.
S
0,013
=
=
= 5 fios
Acu 22 0,003255
8) Cálculo da resistência do fio:
R fio = N ⋅
ρ22
N fios
0,000530
⋅ lt = 24 ⋅
⋅ 6,7 = 0,017 Ω
5
Projeto de indutores com núcleo de ferrite
9) Perdas no cobre:
Pcobre = R fio ⋅ I Loef 2 = 0,017 ⋅ 62 = 0,614W
10) Perdas totais:
Ptotais = Pnucleo + Pcobre = 2,46m + 0,614 = 0,616W
11) Elevação de temperatura:
Rt = 23 ⋅ ( AeAw )
−0,37
= 23 ⋅ (1,02 )
−0,37
= 22,832 oC / W
ΔT = Rt ⋅ Ptotal = 22,832 ⋅ 0,616 = 14,066 o
Projeto de indutores com núcleo de ferrite
12) Cálculo do fator de ocupação:
Awneces =
Kocup
N ⋅ N fios ⋅ S22
0,7
24 ⋅ 5 ⋅ 0,004013
=
= 0,688 cm2
0,7
Awneces 0,688
=
=
= 0,809
Aw
0,85