Induktans karakteriserer egenskapene til elementene i en elektrisk krets for å akkumulere energien til et magnetfelt. Det er også et mål på forholdet mellom strøm og magnetfelt. Det sammenlignes også med tregheten til elektrisitet - akkurat som masse med et mål på tregheten til mekaniske legemer.
Innhold
Fenomenet selvinduksjon
Hvis strømmen som strømmer gjennom en ledende krets endrer seg i størrelse, oppstår selvinduksjonsfenomenet. I dette tilfellet endres den magnetiske fluksen gjennom kretsen, og en emf vises ved terminalene til strømsløyfen, kalt selvinduksjons-emf. Denne EMF er motsatt av strømmens retning og er lik:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Det er åpenbart at EMF for selvinduksjon er lik endringshastigheten til den magnetiske fluksen forårsaket av en endring i strømmen som strømmer gjennom kretsen, og er også proporsjonal med endringshastigheten til strømmen. Proporsjonalitetskoeffisienten mellom selvinduksjonens EMF og strømmens endringshastighet kalles induktans og er betegnet med L. Denne verdien er alltid positiv, og har en SI-enhet på 1 Henry (1 H). Fraksjonelle fraksjoner brukes også - millihenry og mikrohenry. Vi kan snakke om en induktans på 1 Henry hvis en strømendring med 1 ampere forårsaker en selvinduksjons-EMK på 1 Volt. Ikke bare kretsen har induktans, men også en separat leder, samt en spole, som kan representeres som et sett med seriekoblede kretser.
Induktansen lagrer energi, som kan beregnes som W=L*I2/2, hvor:
- W—energi, J;
- L – induktans, H;
- I er strømmen i spolen, A.
Og her er energien direkte proporsjonal med induktansen til spolen.
Viktig! I ingeniørfag er en induktans også en enhet der et elektrisk felt er lagret. Det virkelige elementet nærmest en slik definisjon er en induktor.
Den generelle formelen for beregning av induktansen til en fysisk spole har en kompleks form og er upraktisk for praktiske beregninger. Det er nyttig å huske at induktansen er proporsjonal med antall omdreininger, diameteren på spolen og avhenger av den geometriske formen. Også induktansen påvirkes av den magnetiske permeabiliteten til kjernen som viklingen er plassert på, men strømmen som strømmer gjennom svingene påvirkes ikke. For å beregne induktansen må du hver gang referere til formlene ovenfor for en spesifikk design. Så, for en sylindrisk spole, beregnes hovedkarakteristikken av formelen:
L=μ*μ*(N2*S/l),
hvor:
- μ er den relative magnetiske permeabiliteten til spolekjernen;
- μ – magnetisk konstant, 1,26*10-6 H/m;
- N er antall omdreininger;
- S er området til spolen;
- l er den geometriske lengden til spolen.
For å beregne induktansen for en sylindrisk spole og spoler av andre former, er det bedre å bruke kalkulatorprogrammer, inkludert online kalkulatorer.
Serie- og parallellkobling av induktorer
Induktanser kan kobles i serie eller parallelt, og får et sett med nye egenskaper.
Parallellkobling
Når spolene er koblet parallelt, er spenningen på alle elementene lik, og strømmene (variabler) er fordelt omvendt med induktansene til elementene.
- U=U1=U2=U3;
- jeg=jeg1+I2+I3.
Den totale induktansen til kretsen er definert som 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Formelen er gyldig for et hvilket som helst antall elementer, og for to spoler er den forenklet til formen L=L1*L2/(L1+L2). Det er klart at den resulterende induktansen er mindre enn induktansen til elementet med den minste verdien.
seriell tilkobling
Med denne typen tilkobling flyter den samme strømmen gjennom kretsen som består av spoler, og spenningen (variabel!) På hver komponent i kretsen er fordelt i forhold til induktansen til hvert element:
- U=U1+U2+U3;
- jeg=jeg1=jeg2=jeg3.
Den totale induktansen er lik summen av alle induktansene, og vil være større enn induktansen til elementet med størst verdi. Derfor brukes en slik forbindelse om nødvendig for å oppnå en økning i induktansen.
Viktig! Ved tilkobling av spoler i et serie- eller parallellbatteri, er beregningsformlene bare riktige for tilfeller der gjensidig påvirkning av magnetfeltene til elementene på hverandre er utelukket (skjerming, lang avstand, etc.). Hvis en påvirkning eksisterer, vil den totale verdien av induktansen avhenge av den relative posisjonen til spolene.
Noen praktiske problemer og design av induktorer
I praksis brukes ulike utforminger av induktorer. Avhengig av formål og bruksområde kan enhetene lages på ulike måter, men det må tas hensyn til effektene som oppstår i ekte spoler.
Kvalitetsfaktor for induktoren
En ekte spole har i tillegg til induktans flere parametere, og en av de viktigste er kvalitetsfaktoren. Denne verdien bestemmer tapene i spolen og avhenger av:
- ohmske tap i viklingstråden (jo større motstand, jo lavere kvalitetsfaktor);
- dielektriske tap i ledningsisolasjon og viklingsramme;
- tap av skjerm;
- kjernetap.
Alle disse mengdene bestemmer tapsmotstanden, og kvalitetsfaktoren er en dimensjonsløs verdi lik Q=ωL/Rlosses, hvor:
- ω = 2*π*F - sirkulær frekvens;
- L - induktans;
- ωL er reaktansen til spolen.
Vi kan omtrent si at kvalitetsfaktoren er lik forholdet mellom reaktiv (induktiv) motstand og aktiv. På den ene siden, med økende frekvens, øker telleren, men på samme tid, på grunn av hudeffekten, øker tapsmotstanden også på grunn av en reduksjon i det nyttige tverrsnittet av ledningen.
skjermeffekt
For å redusere påvirkningen av fremmedlegemer, samt elektriske og magnetiske felt og gjensidig påvirkning av elementer gjennom disse feltene, plasseres ofte spoler (spesielt høyfrekvente) i en skjerm. I tillegg til den gunstige effekten, forårsaker skjerming en reduksjon i kvalitetsfaktoren til spolen, en reduksjon i dens induktans og en økning i parasittisk kapasitans. Dessuten, jo nærmere skjermveggene er svingene på spolen, jo høyere er den skadelige effekten. Derfor lages skjermede spoler nesten alltid med mulighet for å justere parametrene.
Trimmerinduktans
I noen tilfeller er det nødvendig å angi induktansverdien nøyaktig på stedet etter tilkobling av spolen til andre kretselementer, for å kompensere for parameteravvik under innstilling. For dette brukes forskjellige metoder (bytte kranene på svingene, etc.), men den mest nøyaktige og jevne metoden er tuning ved hjelp av en kjerne. Den er laget i form av en gjenget stang, som kan skrus inn og ut inne i rammen, og justerer induktansen til spolen.
Variabel induktans (variometer)
Der hurtigjustering av induktansen eller induktiv kobling er nødvendig, brukes spoler av en annen utforming. De inneholder to viklinger - bevegelige og faste. Den totale induktansen er lik summen av induktansene til de to spolene og den gjensidige induktansen mellom dem.
Ved å endre den relative posisjonen til en spole til en annen, justeres den totale verdien av induktansen. En slik enhet kalles et variometer og brukes ofte i kommunikasjonsutstyr for å stille inn resonanskretser i tilfeller der bruken av variable kondensatorer av en eller annen grunn er umulig.Utformingen av variometeret er ganske klumpete, noe som begrenser omfanget.
Induktans i form av en trykt spiral
Spoler med liten induktans kan lages i form av en spiral av trykte ledere. Fordelen med dette designet er:
- produksjon av produksjon;
- høy repeterbarhet av parametere.
Ulempene inkluderer umuligheten av finjustering under justering og vanskeligheten med å oppnå store induktansverdier - jo høyere induktans, jo mer plass tar spolen opp på brettet.
Snittvikle
Induktans uten kapasitans er kun på papiret. Ved enhver fysisk implementering av spolen oppstår det umiddelbart en parasittisk interturn-kapasitans. Dette er skadelig i mange tilfeller. Den parasittiske kapasitansen legger opp til kapasitansen til LC-kretsen, og reduserer resonansfrekvensen og kvalitetsfaktoren til det oscillerende systemet. Spolen har også sin egen resonansfrekvens, noe som provoserer uønskede fenomener.
Ulike metoder brukes for å redusere parasittisk kapasitans, den enkleste av disse er viklingsinduktans i form av flere seriekoblede seksjoner. Med denne inkluderingen summeres induktansene, og den totale kapasitansen synker.
Induktor på en toroidal kjerne
De magnetiske feltlinjene til en sylindrisk induktor trekkes gjennom innsiden av viklingen (hvis det er en kjerne, så gjennom den) og lukkes fra utsiden gjennom luften. Dette faktum har flere ulemper:
- induktansen reduseres;
- egenskapene til spolen er mindre mottagelige for beregning;
- ethvert objekt som bringes inn i et eksternt magnetfelt endrer parametrene til spolen (induktans, parasittisk kapasitans, tap, etc.), så skjerming er nødvendig i mange tilfeller.
Spoler viklet på toroidale kjerner (i form av en ring eller en smultring) er stort sett fri for disse manglene. Magnetiske linjer passerer inne i kjernen i form av lukkede løkker. Dette betyr at eksterne objekter praktisk talt ikke har noen effekt på parametrene til en spole viklet på en slik kjerne, og skjerming er ikke nødvendig for en slik utforming. Induktansen øker også, alt annet likt, og karakteristikkene er lettere å beregne.
Ulempene med spoler viklet på tori inkluderer umuligheten av jevn justering av induktansen på stedet. Et annet problem er viklingens høye arbeidsintensitet og lave produksjonsevne. Dette gjelder imidlertid for alle induktive elementer generelt, i større eller mindre grad.
En vanlig ulempe ved den fysiske implementeringen av induktansen er høy vekt og størrelse, relativt lav pålitelighet og lav vedlikeholdsevne.
Derfor prøver de i teknologi å kvitte seg med induktive komponenter. Men dette er ikke alltid mulig, så viklingskomponenter vil bli brukt både i overskuelig fremtid og på mellomlang sikt.
Lignende artikler:
