Como funcionam os toroides (ART560)

Os núcleos com formatos toroidais oferecem uma excelente possibilidade de escolha para o projetista de indutores e transformadores. Os tipos com núcleos de ferrite e pó de ferro em especial são indicados para as aplicações de médias e altas frequências que vão desde a filtragem e bloqueio de transientes até transformadores de fontes chaveadas. Neste especial falaremos um poucos dos núcleos de ferrite e como usá-los com indicações sobre o enrolamento de indutores.

Conforme o nome sugere, os núcleos toroidais tem o formato de toroides, conforme mostra a figura 1 e podem ser encontrados numa ampla faixa de materiais, diâmetros e espessuras.

 

Núcleos toroidais de diversos tamanhos.
Núcleos toroidais de diversos tamanhos.

 

A escolha do tipo e do tamanho depende de fatores como a intensidade do sinal, a indutância desejada e também a freqüência do sinal que deve ser trabalhado.

 

Vantagens e Desvantagens

Os núcleos dos indutores são usados para concentrar as linhas de força do campo magnético.

Na forma tradicional do solenoide cilindrico, mostrado na figura 2, o bastão cilíndrico de material ferroso concentra as linhas de força do campo criado.

 

Campo magnético num solenóide.
Campo magnético num solenóide.

 

 

No entanto, conforme podemos ver, este tipo de núcleo traz problemas que podem se tornar sérios em algumas aplicações.

As linhas de força "escapam" da bobina e se espalham pelo espaço. Este fato, além de significar uma perda na maior indutância que será possível obter com a bobina e o núcleo também significa a possibilita do campo magnético criado interferir em circuitos próximos.

Com a finalidade de aumentar a indutância, concentrando as linhas de força uma saída consiste em se utilizar núcleos com formatos que "fechem" as linhas de força do campo magnético.

Assim, podemos usar núcleos com os formatos da figura 3, tanto em E x I como em forma de copos.

 

Alguns outros tipos de núcleos.
Alguns outros tipos de núcleos.

 

Estes núcleos "fecham" as linhas de força dos campos criados pelas bobinas aumentando seu rendimento e também evitando que elas se espalhem interferindo em circuitos próximos.

Um tipo de núcleo que "fecha" o campo magnético, permitindo assim que sejam obtidas indutores e transformadores de excelente rendimento é o toroidal.

Na figura 4 mostramos o enrolamento de indutores e transformadores usando este tipo de núcleo.

 

Indutor e transformadores com núcleos toroidais.
Indutor e transformadores com núcleos toroidais.

 

Na prática encontramos indutores e transformadores com núcleos toroidais que vão desde pequenos indutores de alguns milímetros de diâmetros usados em filtros e circuitos de altas frequências até transformadores pesados de vários quilogramas usados em fontes de alimentação de alta potência.

Os toridoides têm vantagens e desvantagens em relação aos outros tipos de núcleos:

 

a) Vantagens

* Indutância elevada em relação ao tamanho que ocupam

* Faixa de aplicações entre 20 kHz a 3 MHz

* Não apresenta interação sensível com os circuitos adjacentes como ocorre com indutores de outros tipos

* Podem ser obtidos em diversas permeabilidades

* Valores muito altos de fator Q quando enrolados corrertamente e quando os núcleos apropriados são selecionados.

* Os núcleos podem ser obtidos numa gama muito grande de tamanhos e espessuras

* Baixo custo

* Simples de montar e têm uma instalação mecânica segura.

 

b) Desvantagens

* Não é possível variar a indutância

* Estão sujeitos a uma certa deriva térmica

 

Na tabela abaixo damos as comparações de desempenho para os diversos tipos de núcleos disponíveis quando comparados aos tipos toroidais.

 

Tabela comparativa.
Tabela comparativa.

 

 

a) Núcleos tipo POT

* Custo do núcleo: elevado

* Custo da bobina: baixo

* Custo do processo de enrolamento: baixo

* Flexibilidade ao enrolar: boa

* Montagem: simples

* Dissipação de calor: pobre

* Blindagem: excelente

 

b) Núcleos tipo E

* Custo do núcleo: baixo

* Custo da bobina: baixo

* Custo do processo de enrolamento: baixo

* Flexibilidade ao enrolar: excelente

* Montagem: boa

* Dissipação de calor: excelente

* Blindagem: pobre

 

c) Nucleos EC, ETD, EER

* Custo do núcleo: médio

* Custo da bobina: médio

* Custo do processo de enrolamento: baixo

* Flexibilidade ao enrolar: excelente

* Montagem; média

* Dissipação de calor: boa

* Blindagem: pobre

 

d) Núcleos PQ

* Custo do núcleo: alto

* Custo da bobina: alto

* Custo do processo de enrolamento: baixo

* Flexibilidade ao enrolar: boa

* Montagem: simples

* Dissipação de calor: boa

* Blindagem: razoável

 

e) Núcleos EP

* Custo do núcleo: médio

* Custo da bobina: alto

* Custo do processo de enrolamento: baixo

* Flexibilidade ao enrolar: boa

* Montagem: simples

* Dissipação de calor: pobre

* Blindagem: excelente

 

f) Toroides

* Custo do núcleo: muito baixo

* Custo da bobina: extremamente baixo

* Custo do processo de enrolamento: alto

* Montagem: simples

* Dissiopação de calor: boa

* Blindagem: boa

 

Aplicações e Tipos

Os toroides apresenta uma elevada eficiência magnética pelo fato de não terem um aberura de ar por onde as linhas do campo possam escapar ocorrendo perdas, conforme mostra a figura 5.

 

Campo magnético de um solenóide toroidal.
Campo magnético de um solenóide toroidal.

 

Os núcleos para bobinas de médias e altas frequ6encias de pó de ferro e ferrite são obtidos normalmente em tamanhos na faixa de 2,5 mm a 15 cm de diâmetro aproximadamente. Tamanhos diferentes também podem ser obtidos sob encomenda.

Em alguns casos, para facilitar o enrolamento das bobinas e também proporcionar maior isolamento para aplicações em altas tensões os núcleos de toroide podem ser dotados de uma capa isolante usando diversos materiais como:

 

a) parylene C - trata-se de um material usado por alguns industrias com uma espessura que varia entre 0,0005 a 0,002 polegadas .Esta cobertura pode isolar tensões de até 600 V.

b) Grey que consiste numa cobertura barata de 0,004 a 0,08 polegadas de espessura com boa adesão e isolamento. A tensão de isollamento minima desta cobertura é de 1000 volts

c) Laquê preto eu consiste numa cobertura barata de 0,0005 a 0,002 polegadas de espessura com boas características de isolamento e facilitação do enrolamento.

 

Como Usar

Os toroides comuns podem ser obtidos em tamanhos que variam de 2 mm a 15 mm sendo os tamanhos mais comuns para aplicações gerais os que variam de 6 a 50 mm de diâmetro.

Em frequências acima de 100 kHz os tipos de ferrite e pó de ferro tem seu desempenho limitado mais pela elevação da temperatura do que pela saturação.

Os núcleos de ferrite podem apresentar mudanças de temperatura depois de serem submetidos a um fluxo magnético de alta intensidade enquanto que os núcleos de pó de ferro retornam aos seus valores normais de permeabilidade depois que esfriam.

A saturação normalmente não ocorre em circuitos com potências inferiores a 500 mW , mas pode ser um fator a ser considerado num circuito com um nível de potência acima de 1 W. Por este motivo, é importante que no projeto sempre seja usado o maior núcleo possível que caiba no espaço disponível para este componente.

A tabela 2 dá alguns limites para a densidade de fluxo para núcleos tanto de ferrite como pó de ferro:

 

Freqüência (MHz)

0,1 1 7 14 21 28
Desidade de Fluxo AC (Gauss) 250 150 57 42 36 30

Obs: 10 000 Gauss = 1 Tesla

 

Um ponto crítico em qualquer projeto que envolva núcleos toroidais é a freqüência.

Um núcleo que opera satisfatoriamente em uma freqüência de 1 MHz pode queimar numa freqüência de 20 ou 30 MHz com a mesma potência.

Como os núcleos de ferro têm menor permeabilidade, para se obter a mesma indutância de um que use núcleo de ferrite, são necessárias mais espiras. Por isso, os núcleos de pó de ferro podem manusear maior potência já que a densidade de fluxo será menor para uma determinada tensão que seja aplicada.

Para se evitar que a densidade de fluxo aumente devido ao menor número de espiras de um núcleo de ferrire a tensão aplicada deve ser reduzida.

Os dois tipos de materiais podem ser usados na elaboraçao de transformadores, mas ambos têm suas limitações e vantagens. Os núcleos de ferrite exigem menos voltas dos enrolamentos das bobinas, mas cada volta de fio terá uma impedância maior resultando em maior acoplamento. Os núcleos de pó de ferro requerem mais voltas, mas teremos uma impedância menor por volta e um acoplamento menor mas em compensação eles podes podem trabalhar com maior potência.

 

Escolhendo o Material

No projeto de qualquer aplicação de médias e altas frequências que envolva o uso de núcleos toroidais talvez o ponto mais importante a ser considerado seja a escolha do material.

Os tipos mais comuns são os feitos de pó de ferro e ferrite que, conforme vimos apresentam características diferentes.

Assim, a escolhe entre qual dos dois deve ser usado numa aplicação leva em primeiro lugar a largura da faixa de frequências em que ele deve ser usado.

Para um determinado tamanho, os núcleos de ferrite saturam com fluxo menor do que os de pó de ferro. Enquanto a permeabilidade dos núcleos de ferrite variam entre 20 e 5000 as permeabilidades dos núcleos de pó de ferro variam entre 2 e 75.

Como uma regra simples a ser adotada, quanto maior for a permeabilidade, maior será o coeficiente de temperatura do material.

Assim, se tivermos de usar o núcleo num circuito de banda estreita (sintonizado) será interessante optar pelo tipo de pó de ferro que permanecerá dentro da sintonia numa faixa maior de temperaturas, o que pode não acontecer com os núcleos de ferrite.

Nas aplicações de banda larga, como por exemplo em baluns, a escolha de um ou de outro já não é tão importante.

Para circuitos de banda larga, os núcleos de ferrite são preferidos dada a sua alta permeabilidade que possibilita a obtenção de uma indutância mais alta com menor número de espiras, conforme mostra a figura 6.

 

Núcleos de ferrite têm maior permeabilidade.
Núcleos de ferrite têm maior permeabilidade.

 

O tipo de ferrite a ser escolhido numa determinada aplicação deve ter perdas pequenas na faixa de frequências de operação.

Uma regra comum adotada pelos projetistas de transfgormadores e indutores de banda larga com núcleos toroidais é que a reatância (XL) de um enrolamento não deve ser menor do que 4 vezes a impedância da fonte na freqüência mais baixa de operação.

Com a seleção aproproada de materiais é possível construir transformadores de banda larga capazes de cobrir uma década de frequências, por exemplo entre 3 e 30 MHz.

Na tabela 3 temos a relação entre o número de espiras que cabem num núcleo toroidal de ferrite (dos tipos mais comuns) em função do número (AWG) do fio usado.

 

 

Para as aplicações de banda estreita normalmente são usados núcleos de pó de ferro que tem ainda a vantagem de proporcionar um fator Q elevado nas frequências mais altas da faixa de VHF. Este tipo de núcleo é especialmente importante nos projetos de osciladores e filtros.

Na Tabela 4 temos a relaçao entre o número de espiras que cabem num núcleo toroidal de pó de ferro (dos tipos mais comuns) em função do número (AWG) do fio usado.

 

 

Os núcleos de ferrite podem ser divididos em dois grupos: aqueles cuja permeabilidade inicial é menor que 100, sendo fabricados de compostos de níquel e zinco e os que tem uma permeabiidade maior que 1000 que são compostos de manganês e zinco.

Os ferrites de níquel-zinco apresenta resistividade elevada e estabilidade de temperatura moderada apresentando fatores de qualidade altos na faixa de frequências entre 0,5 e 100 MHz. Estes materiais são indicados para aplicações de baixa potência e alta indutância.

Já, o grupo dos ferrites de manganês-zinco tem uma resistividade relativamente baixa e uma densidade de fluxo de saturação moderada. Estes materiais resultam em componentes com fatores Q elevados na faixa de frequências de 1 kHz a 1 MHz e alguns são apropriados para serem usados em transformadores de fontes chaveadas em frequências na faixa de 20 kHz a 100 kHz.

Para calcular facilmente as indutâncias com diversos tamanhos de núcleos damos duas tabelas (Tabela III e Tabela IV).

Nestas tabelas 5 e 6 temos o valor AL que é empregado pelos fabricantes para indicar o índice de indutância do núcleo.

Este índice diz para os núcleos de pó de ferro o número de microhenry (uH) para cada 1000 voltas de fio que se obtem. Para os núcleos de ferrite ele normalmente é indicado pelo número de milihenry (mH) eu se obtém para cada 1000 espiras de fio.

 

 

 

Observamos que alguns fabricantes costumam expressar estas tabela de outra forma, como por exemplo nH/t2

Onde nH é a indutância e t é o número de espiras

Finalmente, completamos este artigo com duas tabelas (7 e 8) em que damos as dimensões físicas em centímetros e polegadas para os principais tipos de núcleos de ferrites e pó de ferro comumente empregados na maioria das aplicações práticas.

 

Nestas tabelas temos:

Id - diâmetro interno

od - diâmetro externo

hgt - altura

ie - compimento médio do toroide (cm)

Ae - área da secção reta (cm2)

Ve - volume (cm3)

 

 

 

 

 

Conclusão

Calcular transformadores e indutores usando núcleos toroidais de ferrite ou pó de ferro é algo que muitos profissionais não sabiam como fazer e que é cada vez mais necessário nas aplicações industriais onde estes componentes tornam-se cada vez mais comuns.

Esperamos que, com as informações dadas neste artigo os leitores não só tenham aprendido um pouco mais sobre este componente como também tenha recolhido informações importantes que facilitem seus futuros projetos envolvendo a tecnologia do núcleo toroidal.


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