Inductantie kenmerkt de eigenschappen van de elementen van een elektrisch circuit om de energie van een magnetisch veld te accumuleren. Het is ook een maat voor de relatie tussen stroom en magnetisch veld. Het wordt ook vergeleken met de traagheid van elektriciteit - net als massa met een maat voor de traagheid van mechanische lichamen.
Inhoud
Het fenomeen van zelfinductie
Als de stroom die door een geleidend circuit vloeit in grootte verandert, treedt het fenomeen van zelfinductie op. In dit geval verandert de magnetische flux door het circuit en verschijnt er een emf aan de klemmen van de stroomlus, de zelfinductie-emf genoemd. Deze EMF is tegengesteld aan de stroomrichting en is gelijk aan:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Het is duidelijk dat de EMF van zelfinductie gelijk is aan de veranderingssnelheid van de magnetische flux veroorzaakt door een verandering in de stroom die door het circuit vloeit, en ook evenredig is met de veranderingssnelheid van de stroom. De evenredigheidscoëfficiënt tussen de EMF van zelfinductie en de veranderingssnelheid van de stroom wordt inductantie genoemd en wordt aangegeven met L. Deze waarde is altijd positief en heeft een SI-eenheid van 1 Henry (1 H). Fractionele fracties worden ook gebruikt - millihenry en microhenry. We kunnen spreken van een inductantie van 1 Henry als een stroomverandering van 1 ampère een zelfinductie EMF van 1 Volt veroorzaakt. Niet alleen het circuit heeft inductantie, maar ook een afzonderlijke geleider, evenals een spoel, die kan worden weergegeven als een reeks in serie geschakelde circuits.
De inductantie slaat energie op, die kan worden berekend als W=L*I2/2, waar:
- W-energie, J;
- L - inductantie, H;
- I is de stroom in de spoel, A.
En hier is de energie recht evenredig met de inductantie van de spoel.
Belangrijk! In de techniek is een inductantie ook een apparaat waarin een elektrisch veld wordt opgeslagen. Het echte element dat zo'n definitie het dichtst benadert, is een inductor.
De algemene formule voor het berekenen van de inductantie van een fysieke spoel heeft een complexe vorm en is onhandig voor praktische berekeningen. Het is handig om te onthouden dat de inductantie evenredig is met het aantal windingen, de diameter van de spoel en afhankelijk is van de geometrische vorm. Ook wordt de inductantie beïnvloed door de magnetische permeabiliteit van de kern waarop de wikkeling zich bevindt, maar de stroom die door de windingen vloeit wordt niet beïnvloed. Om de inductantie te berekenen, moet u elke keer naar de bovenstaande formules voor een specifiek ontwerp verwijzen. Dus voor een cilindrische spoel wordt het belangrijkste kenmerk berekend met de formule:
L=μ*μ*(N2*S/l),
waar:
- μ is de relatieve magnetische permeabiliteit van de spoelkern;
- – magnetische constante, 1,26*10-6 H/m;
- N is het aantal beurten;
- S is het gebied van de spoel;
- l is de geometrische lengte van de spoel.
Om de inductantie voor een cilindrische spoel en spoelen met andere vormen te berekenen, is het beter om rekenprogramma's te gebruiken, inclusief online rekenmachines.
Serie- en parallelschakeling van inductoren
Inductanties kunnen in serie of parallel worden geschakeld, waardoor een set met nieuwe kenmerken ontstaat.
Parallelle verbinding
Wanneer de spoelen parallel zijn geschakeld, is de spanning op alle elementen gelijk en de stromen (variabelen) zijn omgekeerd verdeeld met de inductanties van de elementen.
- U=U1=U2=U3;
- ik = ik1+ik2+ik3.
De totale inductantie van het circuit is gedefinieerd als 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. De formule is geldig voor een willekeurig aantal elementen en voor twee spoelen is deze vereenvoudigd tot de vorm L=L1*L2/(L1+L2). Het is duidelijk dat de resulterende inductantie kleiner is dan de inductantie van het element met de kleinste waarde.
seriële verbinding
Bij dit type verbinding vloeit dezelfde stroom door het circuit dat bestaat uit spoelen en wordt de spanning (variabel!) Op elk onderdeel van het circuit verdeeld in verhouding tot de inductantie van elk element:
- U=U1+U2+U3;
- ik = ik1= ik2= ik3.
De totale inductantie is gelijk aan de som van alle inductanties en zal groter zijn dan de inductantie van het element met de grootste waarde. Daarom wordt een dergelijke verbinding indien nodig gebruikt om een verhoging van de inductantie te verkrijgen.
Belangrijk! Bij het aansluiten van spoelen in een serie of parallelle batterij zijn de berekeningsformules alleen correct voor gevallen waarin de wederzijdse invloed van de magnetische velden van de elementen op elkaar is uitgesloten (afscherming, lange afstand, etc.). Als er een invloed is, dan zal de totale waarde van de inductantie afhangen van de relatieve positie van de spoelen.
Enkele praktische problemen en ontwerpen van inductoren
In de praktijk worden verschillende ontwerpen van inductoren gebruikt. Afhankelijk van het doel en toepassingsgebied kunnen de apparaten op verschillende manieren worden gemaakt, maar er moet rekening worden gehouden met de effecten die optreden in echte spoelen.
Kwaliteitsfactor van de inductor
Een echte spoel heeft, naast inductantie, nog meer parameters, en een van de belangrijkste is de kwaliteitsfactor. Deze waarde bepaalt de verliezen in de spoel en is afhankelijk van:
- ohmse verliezen in de wikkeldraad (hoe groter de weerstand, hoe lager de kwaliteitsfactor);
- diëlektrische verliezen in draadisolatie en wikkelframe;
- schermverlies;
- kern verliezen.
Al deze grootheden bepalen de verliesweerstand, en de kwaliteitsfactor is een dimensieloze waarde gelijk aan Q=ωL/Rlosses, waarbij:
- ω = 2*π*F - cirkelvormige frequentie;
- L - inductie;
- ωL is de reactantie van de spoel.
We kunnen ongeveer zeggen dat de kwaliteitsfactor gelijk is aan de verhouding van reactieve (inductieve) weerstand tot actief. Enerzijds neemt met toenemende frequentie de teller toe, maar tegelijkertijd neemt door het skin-effect ook de verliesweerstand toe door een afname van de bruikbare doorsnede van de draad.
schermeffect
Om de invloed van vreemde voorwerpen, maar ook elektrische en magnetische velden en de onderlinge beïnvloeding van elementen door deze velden te verminderen, worden vaak (vooral hoogfrequente) spoelen in een scherm geplaatst. Naast het gunstige effect veroorzaakt afscherming een afname van de kwaliteitsfactor van de spoel, een afname van de inductantie en een toename van de parasitaire capaciteit. Bovendien, hoe dichter de schermwanden bij de windingen van de spoel liggen, hoe groter het schadelijke effect. Daarom worden afgeschermde spoelen bijna altijd gemaakt met de mogelijkheid om de parameters aan te passen.
Trimmerinductie
In sommige gevallen is het nodig om de inductantiewaarde ter plaatse nauwkeurig in te stellen nadat de spoel op andere circuitelementen is aangesloten, om parameterafwijkingen tijdens het afstemmen te compenseren. Hiervoor worden verschillende methoden gebruikt (omschakelen van de tikken van de bochten, etc.), maar de meest nauwkeurige en soepele methode is het afstemmen met behulp van een kern. Het is gemaakt in de vorm van een draadstang, die in en uit het frame kan worden geschroefd, waardoor de inductantie van de spoel wordt aangepast.
Variabele inductie (variometer)
Waar een snelle afstelling van de inductantie of inductieve koppeling gewenst is, worden spoelen van een ander ontwerp gebruikt. Ze bevatten twee wikkelingen - beweegbaar en vast. De totale inductantie is gelijk aan de som van de inductanties van de twee spoelen en de onderlinge inductantie daartussen.
Door de relatieve positie van de ene spoel naar de andere te veranderen, wordt de totale waarde van de inductantie aangepast. Zo'n apparaat wordt een variometer genoemd en wordt vaak gebruikt in communicatieapparatuur om resonantiecircuits af te stemmen in gevallen waarin het gebruik van variabele condensatoren om de een of andere reden onmogelijk is.Het ontwerp van de variometer is nogal omvangrijk, wat de reikwijdte beperkt.
Inductantie in de vorm van een gedrukte spiraal
Spoelen met een kleine inductantie kunnen worden gemaakt in de vorm van een spiraal van gedrukte geleiders. De voordelen van dit ontwerp zijn:
- maakbaarheid van de productie;
- hoge herhaalbaarheid van parameters.
De nadelen zijn onder meer de onmogelijkheid van fijnafstemming tijdens het afstellen en de moeilijkheid om grote inductantiewaarden te verkrijgen - hoe hoger de inductantie, hoe meer ruimte de spoel op het bord inneemt.
Sectionele wondspoel
Inductantie zonder capaciteit is alleen op papier. Bij elke fysieke implementatie van de spoel ontstaat onmiddellijk een parasitaire interturn-capaciteit. Dit is in veel gevallen schadelijk. De parasitaire capaciteit komt neer op de capaciteit van het LC-circuit, waardoor de resonantiefrequentie en de kwaliteitsfactor van het oscillerende systeem worden verminderd. Ook heeft de spoel zijn eigen resonantiefrequentie, wat ongewenste verschijnselen veroorzaakt.
Er worden verschillende methoden gebruikt om parasitaire capaciteit te verminderen, waarvan de eenvoudigste de wikkelinductantie is in de vorm van verschillende in serie geschakelde secties. Met deze opname tellen de inductanties op en neemt de totale capaciteit af.
Inductor op een ringkern
De magnetische veldlijnen van een cilindrische inductor worden door de binnenkant van de wikkeling getrokken (als er een kern is, dan erdoor) en van buitenaf door de lucht gesloten. Dit feit brengt verschillende nadelen met zich mee:
- de inductantie wordt verminderd;
- de kenmerken van de spoel zijn minder vatbaar voor berekening;
- elk object dat in een extern magnetisch veld wordt gebracht, verandert de parameters van de spoel (inductantie, parasitaire capaciteit, verliezen, enz.), dus in veel gevallen is afscherming vereist.
Spoelen gewikkeld op ringkernen (in de vorm van een ring of een donut) zijn grotendeels vrij van deze tekortkomingen. Magnetische lijnen passeren de kern in de vorm van gesloten lussen. Dit betekent dat externe objecten praktisch geen invloed hebben op de parameters van een spoel die op een dergelijke kern is gewikkeld, en afscherming is voor een dergelijk ontwerp niet nodig. De inductantie neemt ook toe, terwijl andere zaken gelijk blijven, en de kenmerken zijn gemakkelijker te berekenen.
De nadelen van op tori gewikkelde spoelen zijn onder meer de onmogelijkheid om de inductantie ter plaatse soepel af te stellen. Een ander probleem is de hoge arbeidsintensiteit en de lage maakbaarheid van het wikkelen. Dit geldt echter in meer of mindere mate voor alle inductieve elementen in het algemeen.
Ook is een algemeen nadeel van de fysieke implementatie van de inductantie een hoog gewicht en afmeting, relatief lage betrouwbaarheid en lage onderhoudbaarheid.
Daarom proberen ze in de technologie inductieve componenten kwijt te raken. Maar dit is niet altijd mogelijk, dus zowel in de nabije toekomst als op middellange termijn zullen wikkelcomponenten worden gebruikt.
Vergelijkbare artikelen:
