Induktanssi luonnehtii sähköpiirin elementtien ominaisuuksia keräämään magneettikentän energiaa. Se on myös virran ja magneettikentän välisen suhteen mitta. Sitä verrataan myös sähkön inertiaan - aivan kuten massaa mekaanisten kappaleiden hitausmittaan.
Sisältö
Itseinduktion ilmiö
Jos johtavan piirin läpi kulkevan virran suuruus muuttuu, tapahtuu itseinduktioilmiö. Tässä tapauksessa magneettivuo piirin läpi muuttuu ja virtasilmukan liittimiin ilmestyy emf, jota kutsutaan itseinduktio-emf:ksi. Tämä EMF on vastakkainen virran suunnalle ja on yhtä suuri:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
On selvää, että itseinduktion EMF on yhtä suuri kuin piirin läpi kulkevan virran muutoksen aiheuttama magneettivuon muutosnopeus, ja se on myös verrannollinen virran muutosnopeuteen. Itseinduktion EMF:n ja virran muutosnopeuden välistä suhteellisuuskerrointa kutsutaan induktanssiksi ja sitä merkitään L:llä. Tämä arvo on aina positiivinen ja sen SI-yksikkö on 1 Henry (1 H). Käytetään myös murto-osuuksia - millihenryä ja mikrohenryä. Voidaan puhua 1 Henryn induktanssista, jos virran muutos 1 ampeerilla aiheuttaa 1 voltin itseinduktion EMF:n. Ei vain piirissä ole induktanssia, vaan myös erillinen johdin sekä kela, joka voidaan esittää sarjana kytkettyjä piirejä.
Induktanssi varastoi energiaa, joka voidaan laskea muodossa W=L*I2/2, missä:
- W - energia, J;
- L – induktanssi, H;
- Olen virta kelassa, A.
Ja tässä energia on suoraan verrannollinen kelan induktanssiin.
Tärkeä! Tekniikassa induktanssi on myös laite, johon sähkökenttä on tallennettu. Lähimpänä tällaista määritelmää oleva todellinen elementti on kela.
Fyysisen kelan induktanssin laskentakaavalla on monimutkainen muoto ja se on hankala käytännön laskelmissa. On hyödyllistä muistaa, että induktanssi on verrannollinen kierrosten lukumäärään, käämin halkaisijaan ja riippuu geometrisesta muodosta. Induktanssiin vaikuttaa myös sen sydämen magneettinen permeabiliteetti, jolla käämi on sijoitettu, mutta kierrosten läpi kulkevaan virtaan ei vaikuta. Induktanssin laskemiseksi sinun on joka kerta viitattava yllä oleviin kaavoihin tietylle mallille. Joten lieriömäiselle kelalle sen pääominaisuus lasketaan kaavalla:
L=μ*μ*(N2*S/l),
missä:
- μ on kelan sydämen suhteellinen magneettinen permeabiliteetti;
- μ – magneettinen vakio, 1,26*10-6 H/m;
- N on kierrosten lukumäärä;
- S on kelan pinta-ala;
- l on käämin geometrinen pituus.
Sylinterimäisen kelan ja muun muotoisten kelojen induktanssin laskemiseksi on parempi käyttää laskinohjelmia, mukaan lukien online-laskimet.
Induktorien sarja- ja rinnakkaiskytkentä
Induktanssit voidaan kytkeä sarjaan tai rinnan, jolloin saadaan sarja uusilla ominaisuuksilla.
Rinnakkaisliitäntä
Kun kelat on kytketty rinnan, kaikkien elementtien jännite on sama ja virrat (muuttujia) jakautuvat käänteisesti elementtien induktanssien kanssa.
- U = U1=U2=U3;
- I = I1+I2+I3.
Piirin kokonaisinduktanssi on määritelty 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Kaava pätee mille tahansa määrälle elementtejä ja kahdelle kelalle se on yksinkertaistettu muotoon L=L1*L2/(L1+L2). Ilmeisesti tuloksena oleva induktanssi on pienempi kuin pienimmän arvon omaavan elementin induktanssi.
sarjaliitäntä
Tämän tyyppisellä kytkennällä sama virta kulkee käämeistä koostuvan piirin läpi, ja piirin kunkin komponentin jännite (muuttuva!) jakautuu suhteessa kunkin elementin induktanssiin:
- U = U1+U2+U3;
- I = I1= minä2= minä3.
Kokonaisinduktanssi on yhtä suuri kuin kaikkien induktanssien summa, ja se on suurempi kuin suurimman arvon omaavan elementin induktanssi. Siksi tällaista liitäntää käytetään tarvittaessa induktanssin lisäämiseksi.
Tärkeä! Kytkettäessä keloja sarja- tai rinnakkaisakkuun laskentakaavat ovat oikein vain niissä tapauksissa, joissa elementtien magneettikenttien keskinäinen vaikutus toisiinsa on poissuljettu (suojaus, pitkä matka jne.). Jos vaikutus on olemassa, niin induktanssin kokonaisarvo riippuu kelojen suhteellisesta sijainnista.
Joitakin käytännön kysymyksiä ja induktorien suunnittelua
Käytännössä käytetään erilaisia induktorirakenteita. Laitteita voidaan valmistaa käyttötarkoituksesta ja käyttöalueesta riippuen eri tavoin, mutta todellisissa keloissa esiintyvät vaikutukset on otettava huomioon.
Induktorin laatutekijä
Oikealla kelalla on induktanssin lisäksi useita muita parametreja, ja yksi tärkeimmistä on laatutekijä. Tämä arvo määrittää kelan häviöt ja riippuu:
- ohmiset häviöt käämilangassa (mitä suurempi vastus, sitä pienempi laatutekijä);
- dielektriset häviöt lankaeristyksessä ja käämikehyksessä;
- näytön menetys;
- ydintappiot.
Kaikki nämä suureet määrittävät häviökestävyyden, ja laatutekijä on dimensioton arvo, joka on yhtä suuri kuin Q=ωL/Rlosses, missä:
- ω = 2*π*F - ympyrätaajuus;
- L - induktanssi;
- ωL on käämin reaktanssi.
Voimme suunnilleen sanoa, että laatutekijä on yhtä suuri kuin reaktiivisen (induktiivisen) resistanssin suhde aktiiviseen. Toisaalta taajuuden kasvaessa osoittaja kasvaa, mutta samaan aikaan skin-ilmiön vuoksi häviövastus kasvaa myös johtimen hyödyllisen poikkileikkauksen pienenemisen vuoksi.
näytön tehoste
Vieraiden esineiden vaikutuksen sekä sähkö- ja magneettikenttien sekä elementtien keskinäisen vaikutuksen vähentämiseksi näiden kenttien kautta käämit (erityisesti korkeataajuiset) sijoitetaan usein näyttöön. Edullisen vaikutuksen lisäksi suojaus aiheuttaa kelan laatutekijän laskun, sen induktanssin pienenemisen ja loiskapasitanssin kasvun. Lisäksi mitä lähempänä näytön seinämät ovat kelan kierroksia, sitä suurempi on haitallinen vaikutus. Siksi suojatut kelat valmistetaan lähes aina parametrien säätämismahdollisuudella.
Trimmerin induktanssi
Joissakin tapauksissa induktanssiarvo on asetettava tarkasti paikan päällä sen jälkeen, kun käämi on liitetty muihin piirielementteihin, mikä kompensoi parametrien poikkeamat virityksen aikana. Tätä varten käytetään erilaisia menetelmiä (käännösten hanojen vaihto jne.), mutta tarkin ja sujuva tapa on viritys ytimen avulla. Se on tehty kierretangon muodossa, joka voidaan ruuvata sisään ja ulos rungon sisällä säätämällä kelan induktanssia.
Muuttuva induktanssi (variometri)
Kun induktanssin tai induktiivisen kytkennän nopeaa säätöä tarvitaan, käytetään erityyppisiä keloja. Ne sisältävät kaksi käämiä - liikkuvat ja kiinteät. Kokonaisinduktanssi on yhtä suuri kuin kahden kelan induktanssien ja niiden välisen keskinäisen induktanssin summa.
Muutamalla yhden kelan suhteellista asentoa toiseen, induktanssin kokonaisarvoa säädetään. Tällaista laitetta kutsutaan variometriksi, ja sitä käytetään usein viestintälaitteissa resonanssipiirien virittämiseen tapauksissa, joissa muuttuvien kondensaattoreiden käyttö on jostain syystä mahdotonta.Variometrin muotoilu on melko iso, mikä rajoittaa sen soveltamisalaa.
Induktanssi painetun spiraalin muodossa
Kelat, joilla on pieni induktanssi, voidaan valmistaa painettujen johtimien spiraalin muodossa. Tämän suunnittelun etuja ovat:
- tuotannon valmistettavuus;
- parametrien korkea toistettavuus.
Haittoja ovat hienosäädön mahdottomuus säädön aikana ja vaikeus saada suuria induktanssiarvoja - mitä suurempi induktanssi, sitä enemmän tilaa käämi vie levyllä.
Poikkileikkauskela
Induktanssi ilman kapasitanssia on vain paperilla. Kaiken käämin fyysisen toteutuksen yhteydessä syntyy välittömästi loiskytkentäkapasitanssi. Tämä on haitallista monissa tapauksissa. Parasiittikapasitanssi summautuu LC-piirin kapasitanssiin, mikä vähentää värähtelyjärjestelmän resonanssitaajuutta ja laatutekijää. Lisäksi kelalla on oma resonanssitaajuus, joka aiheuttaa ei-toivottuja ilmiöitä.
Parasiittisen kapasitanssin vähentämiseen käytetään erilaisia menetelmiä, joista yksinkertaisin on käämityksen induktanssi useiden sarjaan kytkettyjen osien muodossa. Tämän sisällyttämisen myötä induktanssit summautuvat ja kokonaiskapasitanssi pienenee.
Induktori toroidisessa ytimessä
Sylinterimäisen induktorin magneettikenttäviivat vedetään käämin sisäpuolen läpi (jos on sydän, niin sen läpi) ja suljetaan ulkopuolelta ilman kautta. Tämä tosiasia sisältää useita haittoja:
- induktanssi pienenee;
- kelan ominaisuudet ovat vähemmän laskettavissa;
- mikä tahansa ulkoiseen magneettikenttään tuotu esine muuttaa käämin parametreja (induktanssi, loiskapasitanssi, häviöt jne.), joten suojausta tarvitaan monissa tapauksissa.
Toroidaalisille ytimille (renkaan tai donitsin muodossa) kierretyt kelat ovat suurelta osin vapaita näistä puutteista. Magneettiset viivat kulkevat ytimen sisällä suljettujen silmukoiden muodossa. Tämä tarkoittaa, että ulkoisilla esineillä ei käytännössä ole vaikutusta tällaiseen ytimeen kierretyn kelan parametreihin, eikä tällaiseen suunnitteluun tarvita suojausta. Myös induktanssi kasvaa muiden asioiden pysyessä samana ja ominaisuudet on helpompi laskea.
Torille kelattujen kelojen haittoja ovat mahdottomuus säätää induktanssia tasaisesti paikalla. Toinen ongelma on käämin korkea työvoimaintensiteetti ja alhainen valmistettavuus. Tämä koskee kuitenkin kaikkia induktiivisia elementtejä yleensä, enemmän tai vähemmän.
Myös yleinen haitta induktanssin fyysisessä toteutuksessa on suuri paino ja koko, suhteellisen alhainen luotettavuus ja alhainen huollettavuus.
Siksi tekniikassa he yrittävät päästä eroon induktiivisista komponenteista. Mutta tämä ei ole aina mahdollista, joten käämikomponentteja käytetään sekä lähitulevaisuudessa että keskipitkällä aikavälillä.
Samanlaisia artikkeleita:
