Indukčnosť charakterizuje vlastnosti prvkov elektrického obvodu na akumuláciu energie magnetického poľa. Je to tiež miera vzťahu medzi prúdom a magnetickým poľom. Porovnáva sa tiež so zotrvačnosťou elektriny – rovnako ako hmotnosť s mierou zotrvačnosti mechanických telies.
Obsah
Fenomén samoindukcie
Ak prúd pretekajúci vodivým obvodom zmení veľkosť, potom nastáva fenomén samoindukcie. V tomto prípade sa magnetický tok obvodom zmení a na svorkách prúdovej slučky sa objaví emf, ktorý sa nazýva samoindukčný emf. Tento EMF je opačný k smeru prúdu a rovná sa:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Je zrejmé, že EMF samoindukcie sa rovná rýchlosti zmeny magnetického toku spôsobenej zmenou prúdu pretekajúceho obvodom a je tiež úmerné rýchlosti zmeny prúdu. Koeficient úmernosti medzi EMF vlastnej indukcie a rýchlosťou zmeny prúdu sa nazýva indukčnosť a označuje sa L. Táto hodnota je vždy kladná a má jednotku SI 1 Henry (1 H). Používajú sa aj zlomkové frakcie - millihenry a mikrohenry. Môžeme hovoriť o indukčnosti 1 Henry, ak zmena prúdu o 1 ampér spôsobí samoindukciu EMF 1 Volt. Nielen obvod má indukčnosť, ale aj samostatný vodič, ako aj cievku, ktorá môže byť reprezentovaná ako súbor sériovo zapojených obvodov.
Indukčnosť ukladá energiu, ktorú možno vypočítať ako W=L*I2/2, kde:
- W - energia, J;
- L – indukčnosť, H;
- I je prúd v cievke, A.
A tu je energia priamo úmerná indukčnosti cievky.
Dôležité! V strojárstve je indukčnosť tiež zariadenie, v ktorom je uložené elektrické pole. Skutočný prvok najbližšie k takejto definícii je induktor.
Všeobecný vzorec na výpočet indukčnosti fyzickej cievky má zložitú formu a je nepohodlný pre praktické výpočty. Je užitočné si uvedomiť, že indukčnosť je úmerná počtu závitov, priemeru cievky a závisí od geometrického tvaru. Tiež indukčnosť je ovplyvnená magnetickou permeabilitou jadra, na ktorom je umiestnené vinutie, ale prúd pretekajúci závitmi nie je ovplyvnený. Ak chcete vypočítať indukčnosť, zakaždým musíte použiť vyššie uvedené vzorce pre konkrétny dizajn. Takže pre valcovú cievku sa jej hlavná charakteristika vypočíta podľa vzorca:
L=μ*μ*(N2*S/l),
kde:
- μ je relatívna magnetická permeabilita jadra cievky;
- μ – magnetická konštanta, 1,26*10-6 H/m;
- N je počet závitov;
- S je plocha cievky;
- l je geometrická dĺžka cievky.
Na výpočet indukčnosti pre valcovú cievku a cievky iných tvarov je lepšie použiť programy na kalkulačky vrátane online kalkulačiek.
Sériové a paralelné zapojenie tlmiviek
Indukčnosti môžu byť zapojené do série alebo paralelne, čím sa získa súbor s novými charakteristikami.
Paralelné pripojenie
Keď sú cievky zapojené paralelne, napätie na všetkých prvkoch je rovnaké a prúdy (premenné) sú rozdelené inverzne s indukčnosťami prvkov.
- U=U1=U2=U3;
- Ja = ja1+ ja2+ ja3.
Celková indukčnosť obvodu je definovaná ako 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Vzorec platí pre ľubovoľný počet prvkov a pre dve cievky je zjednodušený na tvar L=L1*L2/(L1+L2). Je zrejmé, že výsledná indukčnosť je menšia ako indukčnosť prvku s najmenšou hodnotou.
sériové pripojenie
Pri tomto type zapojenia tečie rovnaký prúd obvodom zloženým z cievok a napätie (premenlivé!) na každom komponente obvodu je rozdelené úmerne k indukčnosti každého prvku:
- U=U1+U2+U3;
- Ja = ja1= ja2= ja3.
Celková indukčnosť sa rovná súčtu všetkých indukčností a bude väčšia ako indukčnosť prvku s najväčšou hodnotou. Preto sa takéto spojenie používa v prípade potreby na zvýšenie indukčnosti.
Dôležité! Pri pripájaní cievok v sériovej alebo paralelnej batérii sú výpočtové vzorce správne len pre prípady, keď je vylúčené vzájomné ovplyvňovanie magnetických polí prvkov na seba (tienenie, veľká vzdialenosť a pod.). Ak existuje vplyv, potom celková hodnota indukčnosti bude závisieť od relatívnej polohy cievok.
Niektoré praktické problémy a návrhy induktorov
V praxi sa používajú rôzne konštrukcie induktorov. V závislosti od účelu a oblasti použitia môžu byť zariadenia vyrobené rôznymi spôsobmi, ale treba brať do úvahy efekty, ktoré sa vyskytujú v skutočných cievkach.
Faktor kvality induktora
Skutočná cievka má okrem indukčnosti ešte niekoľko parametrov a jedným z najdôležitejších je faktor kvality. Táto hodnota určuje straty v cievke a závisí od:
- ohmické straty v drôte vinutia (čím väčší odpor, tým nižší faktor kvality);
- dielektrické straty v izolácii drôtu a ráme vinutia;
- strata obrazovky;
- straty jadra.
Všetky tieto veličiny určujú stratový odpor a faktor kvality je bezrozmerná hodnota rovnajúca sa Q=ωL/Rstraty, kde:
- ω = 2*π*F - kruhová frekvencia;
- L - indukčnosť;
- ωL je reaktancia cievky.
Môžeme približne povedať, že činiteľ kvality sa rovná pomeru reaktívneho (indukčného) odporu k aktívnemu. Na jednej strane so zvyšujúcou sa frekvenciou sa zvyšuje čitateľ, ale súčasne sa vplyvom skinefektu zvyšuje aj stratový odpor v dôsledku poklesu užitočného prierezu drôtu.
efekt obrazovky
Na zníženie vplyvu cudzích predmetov, ako aj elektrických a magnetických polí a vzájomného ovplyvňovania prvkov prostredníctvom týchto polí sa cievky (najmä vysokofrekvenčné) často umiestňujú do clony. Okrem priaznivého účinku tienenie spôsobuje zníženie kvalitatívneho činiteľa cievky, zníženie jej indukčnosti a zvýšenie parazitnej kapacity. Navyše, čím bližšie sú steny sita k závitom cievky, tým vyšší je škodlivý účinok. Preto sa tienené cievky vyrábajú takmer vždy s možnosťou úpravy parametrov.
Indukčnosť trimera
V niektorých prípadoch je potrebné presne nastaviť hodnotu indukčnosti na mieste po pripojení cievky k iným prvkom obvodu, čím sa kompenzujú odchýlky parametrov počas ladenia. Na to sa používajú rôzne metódy (prepínanie kohútikov závitov atď.), Ale najpresnejšia a najplynulejšia je ladenie pomocou jadra. Vyrába sa vo forme závitovej tyče, ktorú je možné zaskrutkovať a zaskrutkovať do rámu, čím sa nastavuje indukčnosť cievky.
Variabilná indukčnosť (variometer)
Tam, kde sa vyžaduje rýchle nastavenie indukčnosti alebo indukčnej väzby, sa používajú cievky inej konštrukcie. Obsahujú dve vinutia - pohyblivé a pevné. Celková indukčnosť sa rovná súčtu indukčností dvoch cievok a vzájomnej indukčnosti medzi nimi.
Zmenou relatívnej polohy jednej cievky k druhej sa upraví celková hodnota indukčnosti. Takéto zariadenie sa nazýva variometer a často sa používa v komunikačných zariadeniach na ladenie rezonančných obvodov v prípadoch, keď je použitie variabilných kondenzátorov z nejakého dôvodu nemožné.Konštrukcia variometra je pomerne objemná, čo obmedzuje jeho rozsah.
Indukčnosť vo forme tlačenej špirály
Cievky s malou indukčnosťou môžu byť vyrobené vo forme špirály tlačených vodičov. Výhodou tohto dizajnu je:
- vyrobiteľnosť výroby;
- vysoká opakovateľnosť parametrov.
Medzi nevýhody patrí nemožnosť jemného doladenia pri nastavovaní a obtiažnosť získania veľkých hodnôt indukčnosti - čím vyššia je indukčnosť, tým viac miesta zaberá cievka na doske.
Sekcionálne navinutý navijak
Indukčnosť bez kapacity je len na papieri. Pri akejkoľvek fyzickej implementácii cievky okamžite vzniká parazitná medzizávitová kapacita. To je v mnohých prípadoch škodlivé. Parazitná kapacita sa pripočítava ku kapacite LC obvodu, čím sa znižuje rezonančná frekvencia a faktor kvality oscilačného systému. Cievka má tiež vlastnú rezonančnú frekvenciu, ktorá vyvoláva nežiaduce javy.
Na zníženie parazitnej kapacity sa používajú rôzne metódy, z ktorých najjednoduchšia je indukčnosť vinutia vo forme niekoľkých sériovo zapojených sekcií. S týmto zahrnutím sa indukčnosti sčítavajú a celková kapacita klesá.
Induktor na toroidnom jadre
Magnetické siločiary valcového induktora sú ťahané cez vnútro vinutia (ak je tam jadro, potom cez neho) a zvonku uzavreté vzduchom. Táto skutočnosť má niekoľko nevýhod:
- indukčnosť je znížená;
- charakteristiky cievky sú menej prístupné výpočtu;
- akýkoľvek predmet privedený do vonkajšieho magnetického poľa mení parametre cievky (indukčnosť, parazitná kapacita, straty a pod.), preto je v mnohých prípadoch potrebné tienenie.
Cievky navinuté na toroidných jadrách (vo forme prstenca alebo donutu) sú z veľkej časti zbavené týchto nedostatkov. Magnetické čiary prechádzajú vnútri jadra vo forme uzavretých slučiek. To znamená, že vonkajšie predmety nemajú prakticky žiadny vplyv na parametre cievky navinutej na takomto jadre a tienenie nie je pri takejto konštrukcii potrebné. Indukčnosť sa tiež zvyšuje, ostatné veci sú rovnaké a charakteristiky sa dajú ľahšie vypočítať.
Medzi nevýhody cievok navinutých na tori patrí nemožnosť plynulého nastavenia indukčnosti na mieste. Ďalším problémom je vysoká prácnosť a nízka vyrobiteľnosť vinutia. To však vo väčšej či menšej miere platí pre všetky indukčné prvky všeobecne.
Spoločnou nevýhodou fyzickej implementácie indukčnosti je tiež vysoká hmotnosť a veľkosť, relatívne nízka spoľahlivosť a nízka udržiavateľnosť.
Preto sa v technike snažia zbaviť indukčných komponentov. Ale to nie je vždy možné, takže komponenty vinutia sa budú používať v dohľadnej budúcnosti aj v strednodobom horizonte.
Podobné články:
