Caso práctico: Calcular y enrollar una bobina de aire

• Checklist de esquema antes de dibujar:
• Verifica que +entrada esté arriba y GND abajo.
• Usa rectángulos verticales para todos los componentes; rótulos por fuera.
• Evita nodos flotantes: cada terminal debe ir a otro nodo o a GND.
• Coloca puntos de medida con ● y abreviaturas cortas (Vin, Vout).
• Mantén el diagrama monoespaciado y ≤ 90 columnas.
• Revisa que los valores sean realistas y correspondan a la lista de materiales.

Cálculo y diseño de la bobina de aire (~100 µH)

• Objetivo: fabricar una bobina de aire de alrededor de 100 µH, enrollada en una sola capa.
• Fórmula de Wheeler (una sola capa, unidades en mm):
• L(µH) ≈ (d² · N²) / (18d + 40l), donde d = diámetro de la bobina, l = longitud de bobinado, N = número de vueltas.
• Aproximación: l ≈ N · p, con p ≈ paso del hilo (diámetro del hilo + aislamiento). Para hilo esmaltado AWG 22, p ≈ 0,6 mm.
• Ejemplo de diseño:
• d = 15 mm (tubo/útil de ~15 mm de diámetro).
• p = 0,6 mm.
• Lobjetivo = 100 µH.
• Sustituyendo l = N·p, queda L ≈ (d² N²)/(18d + 40 N p) = (225·N²)/(270 + 24N).
• Resolviendo ≈ 100 µH → N ≈ 17 vueltas; l ≈ 17 · 0,6 = 10,2 mm.
• Nota de ajuste fino:
• Separar ligeramente las espiras reduce L; comprimirlas la aumenta. Apunta a 16–18 vueltas y ajústalo al medir.

Materiales

• 1 × Hilo de cobre esmaltado AWG 22 (≈ 1 m).
• 1 × Útil cilíndrico no conductor de Ø ≈ 15 mm (tubo PVC/rotulador).
• 1 × Cinta adhesiva o bridas pequeñas (para fijar los extremos).
• 1 × Papel de lija fino o cúter (para retirar esmalte en los extremos).
• 1 × Resistor R1 = 1 kΩ (1/4 W).
• 1 × Capacitor C1 = 1 µF (película o electrolítico de baja ESR; 50 V).
• 1 × Generador de señales (seno, 0–20 kHz; puede ser app + adaptador) y/o generador de onda cuadrada.
• 1 × Osciloscopio (preferible) o multímetro con medición de frecuencia.
• 1 × Protoboard y cables de puente.
• 1 × Regla o calibre (para medir diámetro/longitud).
• 2 × Puntas/osciloscopio y pinza de masa.

Construcción de la bobina

• Marca ~12 mm de longitud en el útil de Ø ≈ 15 mm.
• Enrolla 17 vueltas juntas, lo más alineadas posible, en una sola capa.
• Fija los extremos con cinta para que no se deshagan.
• Lija o pela ~5 mm de esmalte en cada extremo para garantizar buen contacto.
• Mide el diámetro y la longitud real del bobinado; guarda estos datos.

Guía de conexionado

• Conecta la salida del generador de señales al nodo superior del circuito (Vin) y su tierra al riel de GND.
• Inserta R1 en serie desde Vin hacia abajo hasta el nodo Vout (tal como en el esquema).
• Desde el nodo Vout baja en dos ramas paralelas a GND: una con L1 (tu bobina) y otra con C1 (1 µF).
• Conecta la punta del osciloscopio a Vout y la pinza de masa a GND.
• Opcional: conecta la segunda punta del osciloscopio a Vin para comparar amplitudes.

Esquemático

                   Vin
                    ●
                    │
                 ┌──┬──┐     R1 1 kΩ
                 │  │  │
                 │  │  │
                 └──┴──┘
                    │
              ● Vout│
            ┌───────┴─────────┐
            │                 │
         ┌──┬──┐           ┌──┬──┐
         │  │  │           │  │  │
         │  │  │           │  │  │
         └──┴──┘           └──┴──┘
      L1 ≈100 µH         C1 1 µF
            │                 │
            └─────────┬───────┘
                      │
                     GND

Mediciones y pruebas

• Comprobación por resonancia (recomendada):

  • Ajusta el generador a seno, 0,5–1 Vpp, y barre de 5 kHz a 30 kHz.
  • Observa Vout (tensión en el punto ● Vout respecto a GND). Vout es máxima en la frecuencia de resonancia f0 del circuito paralelo L1‖C1.
  • Anota f0 (frecuencia donde Vout alcanza el máximo).
  • Calcula L_calc con L_calc = 1 / [ (2π f0)² · C1 ]. Usa C1 = 1 µF en faradios.
  • Compara L_calc con 100 µH. Si L_calc < objetivo, comprime algo las espiras; si L_calc > objetivo, sepáralas ligeramente y repite.

• Alternativa por escalón RL (si tienes onda cuadrada):

  • Retira C1 y deja sólo R1 en serie con L1 a GND (topología RL).
  • Configura el generador a onda cuadrada 0–2 V, ~1 kHz.
  • Mide V_R (tensión en R1). V_R sube exponencialmente hasta el valor final tras el flanco.
  • Obtén τ midiendo el tiempo desde el flanco hasta que V_R alcanza el 63% del valor final. τ = L/R → L_calc = τ · R1.
  • Repite y promedia varias lecturas para reducir error.

• Definición de abreviaturas y cómo medir:

  • Vin: tensión de entrada del generador. Mide entre ● Vin y GND.
  • Vout: tensión en el nodo de prueba. Mide entre ● Vout y GND.
  • f0: frecuencia de resonancia donde Vout es máxima (LC en paralelo).
  • L_calc: inductancia calculada a partir de f0 y C1 o a partir de τ y R1.
  • V_R: tensión en R1 (para el método RL). Coloca la sonda en el nodo superior de R1 y la masa en GND.

Interpretación de resultados y ajuste fino

• Si f0 sale mayor de lo esperado, L es menor: acerca las espiras o añade 1 vuelta.
• Si f0 sale menor de lo esperado, L es mayor: separa un poco las espiras o quita 1 vuelta.
• La resistencia DC de la bobina (R_DC) debe ser baja (típicamente < 1 Ω para longitudes cortas con AWG 22); mídela con el multímetro.

Errores comunes

• No raspar el esmalte: provoca contactos intermitentes y medidas erráticas.
• Conectar el generador sin referenciar su tierra a GND del circuito.
• Usar C1 con tolerancia muy alta o fuga elevada (electrolíticos viejos): desplaza f0 y aumenta pérdidas.
• Medir con cables largos y mala masa en el osciloscopio: introduce resonancias parásitas.

Seguridad y buenas prácticas

• Mantén las puntas del osciloscopio con la pinza de masa lo más cerca posible del punto medido.
• Evita exceder la corriente del generador; R1 limita la carga, no lo elimines.
• No uses capacitores polarizados al revés; respeta su voltaje nominal.

Mejoras y siguientes pasos

• Usa un capacitor NP0/C0G o de película para mayor precisión en f0.
• Construye una forma estable (tubo con ranuras o soporte impreso) para fijar el paso de las espiras.
• Caracteriza el factor Q midiendo el ancho de banda a -3 dB alrededor de f0.
• Explora otras geometrías (toroidal, multilayer) y compara inductancia y Q.

Verificación final

1. He revisado que el esquema cumple: rectángulos verticales, rótulos fuera, +entrada arriba, GND abajo.
2. No hay nodos abiertos ni componentes flotantes; las conexiones cierran correctamente.
3. Los puntos de medida están marcados con ● y abreviaturas cortas (Vin, Vout).
4. El circuito es cableable: si se conecta tal cual, permite medir la inductancia por resonancia.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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