Características magnéticas y eléctricas de la ferrita

Las ferritas son óxidos metálicos cerámicos (ferrimagnéticos), policristalinos, sinterizados, de alta resistividad eléctrica. Composición típica: ~50% Fe₂O₃ (óxido férrico) + 50% óxidos de Mn, Ni, Zn, Cu, Mg, Co. Su estructura cristalina (espinela, hexagonal, granate) determina propiedades. Usos: núcleos magnéticos (transformadores, inductores, baluns, chokes), supresores EMI/RFI, antenas, cabezales magnéticos, memoria de núcleos (histórico).

Características magnéticas: Ferrimagnetismo

A diferencia del ferromagnetismo (hierro, níquel, cobalto: spins alineados paralelamente → magnetización fuerte), en ferritas existen dos subredes cristalinas con spins antiparalelos (antiferromagnetismo) pero de magnitud distinta → magnetización neta no nula (ferrimagnetismo). Cancelación incompleta → polarización neta fuerte. Temperatura de Curie (Tc): 100-450 °C según composición; por encima, paramagnético.

Pérdidas en núcleos de ferrita

• Pérdidas por histéresis: Área del ciclo B-H. Frecuencia lineal. Materiales "low loss" (bajas pérdidas) para transformadores de potencia (ej. MnZn ferrite 3C90, 3F3, N87).
• Pérdidas por corrientes de Foucault (eddy currents): ∝ f² · B² · (espesor lámina)² / ρ. Ferrita tiene ρ muy alta (10²-10⁴ Ω·cm) → corrientes de Foucault despreciables a alta frecuencia. Ventaja clave frente a hierro laminado/SiFe.
• Pérdidas residuales (anómalas): Relajación de dominios, resonancia dimensional. Importantes en VHF/UHF.
• Pérdidas totales (Pv): Expresadas en kW/m³ o mW/cm³ a f y B dados. Curvas Pv-f-B en datasheets (ej. TDK, Ferroxcube, Fair-Rite, Magnetics).

Alta permeabilidad (μ)

Permeabilidad relativa μᵣ = B / (μ₀·H). Ferritas de alta μ (μᵣ = 5.000 - 20.000+): NiZn (alta f, μ~100-2.000), MnZn (baja-media f, μ~1.000-20.000). Saturación (Bsat): ~300-500 mT (menor que hierro 1,6-2 T). Al saturar, μ → 1 (aire). Diseño: trabajar < Bsat (ej. Bmax 200-300 mT). Desmagnetización térmica: enfriar sin campo.

Pérdidas por corrientes de Foucault (detalle)

En materiales conductores (hierro, polvo de hierro), campo variable induce corrientes circulares (Foucault) que calientan y frenan flujo. Ferrita = cerámica semiconductora/aislante → ρ alta → Foucault mínimas. Por eso ferrita domina >100 kHz - varios MHz (SMPS, PFC, flyback, LLC, baluns RF, common-mode chokes). Polvo de hierro (MPP, Kool Mμ, High Flux) tiene ρ menor → útil 20-200 kHz, mayor Bsat.

Clasificación principal por composición

Formas geométricas comunes

• Toroide (anillo): Flujo confinado, baja EMI radiada, mejor uso de μ. Ideal: chokes modo común, transformadores, inductores.
• E / E-I / ETD / ER / EFD / PQ / RM / Pot: Núcleos desmontables, fácil bobinado automático, entrehierro distribuido. Transformadores potencia, flyback, forward.
• U / UI / UR: Similar E, mayor ventana bobinado.
• Varilla / Barra / Tubo: Antenas (ferrite loopstick), inductores variables, chokes axiales.
• Bead / Chip bead (SMD 0402-1812): Supresión ruido en pistas PCB / cables. Impedancia Z @ 100 MHz (ej. 600 Ω, 1 kΩ, 2 kΩ).
• Planar / LTCC: Integrado en PCB multicapa. Transformadores/inductores perfil bajo.

Selección práctica para diseño

1. Defina: topología (flyback, forward, LLC, buck, boost, CM choke), f 스위칭, Potencia, Vin/Vout, ΔB objetivo, ΔI ripple.
2. Elija material: MnZn potencia (3C90, 3F3, N87, 2P90), NiZn RF (4S2, 4B1, 4C65, 4M2).
3. Elija forma: Toroide (CM choke, bajo ruido), ETD/PQ (potencia alta, bobinado auto), Planar (alta densidad, perfil bajo).
4. Calcule: Ae (área efectiva), le (longitud magnética), Ve (volumen), Al (factor inductancia nH/N²). N = √(L/Al). Verifique Bmax = (L·Ipk)/(N·Ae) < Bsat. Pérdidas Pv = f(Vol, f, B) < límite térmico.
5. Termal: Rth (núcleo-ambiente) → ΔT = Pv·Ve·Rth. Añada disipador / flujo aire si ΔT > 40-60°C.
6. Mecánico: Epoxi / barniz impregnación (reduce ruido magnetoestrictivo "canto", fija bobina). Tornillo central en toroides (no magnético).