Indutores toroidais: qual o material mais indicado para cada aplicação?

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Os indutores são componentes eletrônicos que acumulam energia na forma de campo magnético, reagindo às variações de corrente elétrica. Nos indutores toroidais o enrolamento da bobina está disposto sobre um toroide, forma similar a um anel, feito de um material ferromagnético macio. Este núcleo toroidal concentra as linhas do campo magnético no seu interior de maneira que o campo magnético produzido é o mesmo em qualquer posição do núcleo e apresenta dispersão quase nula das linhas de força.

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Não há uma restrição propriamente dita no uso de um material para uma aplicação específica. No entanto, devido a características específicas de cada material, alguns são mais recomendados de acordo com a topologia e finalidade do circuito.

Para indutores toroidais operando de forma diferencial os materiais mais utilizados são os núcleos de pó de ferro e suas ligas. Esses núcleos ganharam bastante espaço no mercado de eletrônica de potência por não necessitar de um gap externo ao núcleo (por exemplo, o ferrite no formato E). Além disso, eles reduzem o volume do componente, resultando em menor dispersão de fluxo sem aumentar o aquecimento do indutor. Eles podem operar desde níveis CC até CA em altas frequências.

Operando em outros modos, como o modo comum, utilizam-se núcleos de outros materiais como o ferrite de alta permeabilidade e nanocristalinos para os indutores toroidais. Esses materiais não possuem um gap distribuído e por isso saturam em campos indutivos menores.

Para o cálculo de indutores toroidais, dispomos de um guia inicial que pode ser acessado clicando aqui.
Como nesse guia não consta indicações de materiais para cada aplicação, listamos algumas aplicações e materiais para ajudar na elaboração de projetos de indutores.

-Simulação de Redes de Distribuição em Bancadas:
Comum em projetos de pesquisa acadêmica e industrial, os indutores nesta aplicação são utilizados para simular as características indutivas das linhas de transmissão. Neste tipo de sistema é importante haver uma resposta linear para diferentes níveis de indução. Por esse motivo o ideal é trabalhar com o material pó de ferro 002 ou a liga metálica S26, que apresentam baixa permeabilidade magnética e curva de magnetização linear.

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Núcleo Sendust material S26

-Dimmers:
São equipamentos utilizados para regular a intensidade da luz em sistemas de iluminação. O circuito empregado em dimmers possui um componente chamado tiristor ou outro componente chamado triac, que chaveia a alimentação AC, provocando uma subida abrupta da corrente elétrica. O indutor nesse caso é empregado para atrasar a subida da corrente, tornando essa subida suave e, dessa forma, proteger o triac e evitar um transiente (ruído) na rede elétrica, que pode afetar, entre outras coisas, o áudio em shows e espetáculos. Para dimmers se recomenda o emprego de núcleos de pó de ferro dos materiais 026 e 052.

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Indutor aplicado em dimmers. Fabricado com núcleo de pó de ferro material 026.

-Filtros classe D:
Empregados em circuitos amplificadores de potência, o principal requisito é que os indutores aplicados como filtros suportem modulações em altas frequências (100 a 500 kHz), necessárias para garantir a fidelidade do áudio. Para isso é importante que o núcleo empregado tenha baixas perdas e uma curva de magnetização linear.

Nessa aplicação se recomendam os núcleos de liga sendust S26 e S14, os núcleos de pó de ferro do material 002, e núcleos de liga de pó nanocristalino N14.

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Indutor aplicado em amplificadores de classe D. Fabricado com núcleo de pó de ferro material 002.

-Conversores CC-CC:
Os indutores toroidais são empregados nos circuitos de conversores CC-CC onde a corrente elétrica é chaveada em alta frequência. Essa frequência pode variar de alguns kHz até algumas centenas de kHz e é essa característica que define que tipo de material utilizar para o conversor. Mesmo existindo diferentes topologias de conversores CC-CC – Buck, Boost, Buck-Boost, Push-Pull, Flyback, etc., ela não é o fator mais crítico para a escolha do material do núcleo. Para chaveamento de até 50 kHz podemos utilizar os núcleos de pó de ferro dos materiais 026, 052 e 034. Se a frequência for superior a 100 kHz, o melhor é trabalhar com as ligas metálicas Sendust (S26, S40, S60 e S75). Aliando a frequência com a indução magnética que irá atuar no circuito (originada pelo ripple) conseguimos estimar corretamente as perdas no núcleo e qual o material que traz o melhor resultado.

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Indutor bobinado com núcleo de pó de ferro material 052. Aplicável a conversores.

– Conversores CC-CA (Inversores):
Os indutores toroidais aplicados a inversores podem ser utilizados tanto na saída quanto na entrada do circuito atuando como um filtro, sendo que o indutor de entrada atua como filtro de modo comum e o de saída atua de forma diferencial.
Para o indutor de modo comum que protege o inversor dos ruídos provenientes de outros sistemas chaveados e protege a rede elétrica dos ruídos produzidos pelo inversor, o ideal é trabalhar com ferrites de alta permeabilidade, como o material os 107 e 110, ou com núcleos nanocristalinos.

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Indutores toroidais de modo comum. À esquerda usando um núcleo nanocristalino e à direita um núcleo de ferrite de alta permeabilidade.

Os indutores de saída servem como filtros para sinais de alta frequência que são injetadas na rede. O dimensionamento do material utilizado no indutor é muito semelhante ao dos conversores CC-CC, porém, há uma diferença importante: o pó de ferro e as ligas metálicas reagem de formas distintas a estímulos gerados por corrente contínua e por corrente alternada. Assim, é importante nos inversores que o material do núcleo não tenha uma variação de permeabilidade muito intensa com a indução magnética, pois isso afetaria outros componentes dos filtros que são determinados para atuar junto com o valor de indutância. Levando isso em consideração, o ideal é trabalhar com o material 034, o material 002 e as ligas de Fe.

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Indutor toroidal aplicável a inversores de até 30kVA utilizando núcleo de pó de ferro material 034.

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