Pruebas en Circuito de Inductores y Transformadores para Fuentes de Alimentación Conmutadas

Por Wilson Lee, Technical Marketing Manager en Tektronix.

Inductores y transformadores son la columna vertebral de fuentes de alimentación conmutadas (SMPS). Para garantizar operación fiable, su rendimiento debe verificarse en circuito bajo condiciones reales de operación.

Mientras datasheets de componentes y modelos de simulación guían el diseño, efectos parásitos, variaciones de temperatura y variaciones de señal a menudo cambian el comportamiento real. Este artículo recorre fundamentos y pasos prácticos para medir inductores y transformadores directamente en un SMPS en funcionamiento, usando osciloscopios modernos, sondas y análisis de curva B‑H.

Teoría del Inductor

Leyes de Faraday y Lenz describen la relación entre corriente a través de un inductor y voltaje a través de él:

Reorganizando e integrando se obtiene:

En la práctica, se puede extraer la inductancia registrando formas de onda de voltaje y corriente con un osciloscopio que soporte sondas de voltaje diferencial, sondas de corriente y trazado X‑vs‑Y. Este enfoque en dominio temporal captura la inductancia real bajo la forma de señal, amplitud y frecuencia presentes en la fuente.

Inductores reales exhiben dependencia de corriente, temperatura y frecuencia, por lo que su valor puede derivar durante operación.

Figura 1. Un inductor básico consiste en una bobina enrollada en núcleo ferromagnético. La corriente I (A) fluye a través de N vueltas, y la inductancia describe cómo esa corriente induce flujo magnético.

Por ejemplo, la inductancia de un toroide puede aproximarse por:

donde µ es permeabilidad del núcleo (H/m), N número de vueltas, r radio del núcleo (cm), y A área transversal (cm²). Como N² domina, número de vueltas es la mayor palanca para inductancia. Seleccionar núcleo con alta µ permite tamaño físico menor y menor pérdida.

Material y geometría de núcleo dictan inductancia en todos los puntos de operación y la pérdida de potencia resultante.

Medidas de Inductancia

Diseñadores normalmente verifican inductancia con medidor LCR tras fabricación. Medidores LCR excitan el componente con sinusoide de banda estrecha, adecuado para comprobación rápida pero no predictivo de rendimiento en circuito. En un SMPS, la excitación es típicamente un pulso no‑sinusoidal de alta frecuencia, por lo que medida en circuito es esencial.

Para medir inductancia en circuito, conecte sonda de voltaje diferencial a través del devanado y sonda de corriente al mismo devanado. El software de análisis de potencia del osciloscopio integra el voltaje en el tiempo y divide por el cambio de corriente, eliminando automáticamente offsets DC y promediando sobre muchos ciclos.

Al medir un transformador, evite cargar el secundario. Mida la inductancia primaria sin carga para obtener inductancia de magnetización; cargar el secundario alterará la inductancia efectiva por acoplamiento mutuo.

Figura 2. La inductancia promedio (H) se obtiene de la pendiente de corriente (CH2) versus voltaje integrado (CH1).

Figura 3. El gráfico I vs ∫V también revela cualquier sesgo DC que se acumula entre ciclos.

Medidas de Curva B‑H

Componentes magnéticos en un SMPS deben operar en región lineal de su ciclo de histéresis para evitar saturación y pérdida excesiva. Sin embargo, condiciones de operación pueden variar con cambios de carga, temperatura y transitorios de arranque, dificultando predicción en fase de diseño.

Curvas B‑H, suministradas por muchos fabricantes de núcleos, ilustran la relación entre fuerza magnetizante H (A/m) y densidad de flujo B (T). Revelan parámetros clave:

• Permeabilidad (µ) — pendiente de la curva B‑H, indicando qué tan eficientemente el núcleo convierte H en B.
• Densidad de flujo de saturación — punto donde H adicional ya no aumenta B.
• Características de histéresis — anchura del ciclo, correlacionada con pérdida de núcleo. Materiales magnéticos suaves minimizan remanencia (Br) y fuerza coercitiva (Hc).

Indicadores de inestabilidad incluyen pico B acercándose al límite de saturación o ciclo B‑H que cambia entre ciclos.

Un osciloscopio puede generar gráfico B‑H midiendo voltaje a través y corriente por el devanado, luego calculando B y H desde:

B = (1 / (µ₀·N·A)) · ∫V dt H = I / (l)

donde l es longitud del camino magnético. El software de análisis del osciloscopio automatiza este cálculo.

Figura 4. Medidas magnéticas en transformador con múltiples devanados secundarios. La forma de onda naranja es la corriente combinada cuando secundarios son excitados.

Curvas B‑H para Transformadores

Cuando un transformador está cargado, parte de la corriente primaria alimenta el secundario. Para aislar corriente de magnetización, modele el transformador con un inductor imaginario Lₘ en paralelo con el primario. Lₘ representa comportamiento magnético del núcleo y lleva solo la corriente de magnetización.

Figura 5. Circuito equivalente mostrando inductor de magnetización Lₘ en paralelo con el primario.

Análisis de Pérdidas

Pérdidas magnéticas dominan el presupuesto de eficiencia de un SMPS. Pérdida de núcleo, comprendiendo histéresis y pérdida por corrientes de Foucault, depende de densidad de flujo y frecuencia, mientras pérdida de cobre surge de resistencia de devanado.

Fórmula empírica de Steinmetz estima pérdida de núcleo:

donde k, a, y b son constantes de material suministradas por fabricante del núcleo. Datasheets a menudo proveen valores de pérdida para excitación sinusoidal, pero en SMPS la excitación es no‑sinusoidal, por lo que medida en tiempo real es preferible.

Figura 6. La función de análisis de potencia del osciloscopio promedia el producto v(t) × i(t) para rendir pérdida magnética total, que incluye tanto pérdida de cobre como de núcleo. Restando pérdida de núcleo del fabricante se obtiene pérdida de cobre.

Osciloscopios pueden realizar este cálculo para inductores de devanado único, multi‑devanado o transformadores. Para un transformador, sonda diferencial en primario y sonda de corriente en primario (y secundario si necesario) alimentan el software, que luego entrega la pérdida en vatios.

En resumen, inductores y transformadores son críticos para rendimiento SMPS —filtrado, aislamiento, almacenamiento de energía y temporización. Medida precisa en circuito usando osciloscopios modernos y software de análisis de potencia asegura que estos componentes cumplan especificaciones de diseño y operen fiablemente bajo todas las condiciones.