Indukcyjność charakteryzuje właściwości elementów obwodu elektrycznego do akumulacji energii pola magnetycznego. Jest to również miara związku między prądem a polem magnetycznym. Jest też porównywana z bezwładnością elektryczności - podobnie jak masa z miarą bezwładności ciał mechanicznych.
Zawartość
Zjawisko samoindukcji
Jeżeli prąd płynący przez obwód przewodzący zmienia swoją wielkość, wówczas występuje zjawisko samoindukcji. W tym przypadku zmienia się strumień magnetyczny przez obwód, a na zaciskach pętli prądowej pojawia się emf, zwany emfem indukcji własnej. Ta siła elektromotoryczna jest przeciwna do kierunku prądu i jest równa:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Jest oczywiste, że SEM samoindukcji jest równa szybkości zmiany strumienia magnetycznego spowodowanej zmianą prądu płynącego przez obwód, a także jest proporcjonalna do szybkości zmiany prądu. Współczynnik proporcjonalności między polem elektromagnetycznym indukcji własnej a szybkością zmiany prądu nazywa się indukcyjnością i jest oznaczony przez L. Wartość ta jest zawsze dodatnia i ma jednostkę SI 1 Henry (1 H). Stosowane są również frakcje ułamkowe - millihenry i mikrohenry. Możemy mówić o indukcyjności 1 Henry'ego, jeśli zmiana prądu o 1 amper powoduje samoindukcyjne pole elektromagnetyczne o wartości 1 wolta. Obwód ma nie tylko indukcyjność, ale także oddzielny przewodnik, a także cewkę, którą można przedstawić jako zestaw obwodów połączonych szeregowo.
Indukcyjność magazynuje energię, którą można obliczyć jako W=L*I2/2, gdzie:
- W – energia, J;
- L – indukcyjność, H;
- Ja to prąd w cewce, A.
A tutaj energia jest wprost proporcjonalna do indukcyjności cewki.
Ważny! W inżynierii indukcyjność to także urządzenie, w którym przechowywane jest pole elektryczne. Prawdziwym elementem najbliższym takiej definicji jest cewka indukcyjna.
Ogólny wzór na obliczenie indukcyjności cewki fizycznej ma złożoną postać i jest niewygodny dla praktycznych obliczeń. Warto pamiętać, że indukcyjność jest proporcjonalna do liczby zwojów, średnicy cewki i zależy od kształtu geometrycznego. Na indukcyjność wpływa również przenikalność magnetyczna rdzenia, na którym znajduje się uzwojenie, ale nie ma to wpływu na prąd płynący przez zwoje. Aby obliczyć indukcyjność, należy za każdym razem odnieść się do powyższych wzorów dla konkretnego projektu. Tak więc w przypadku cewki cylindrycznej jej główną cechę oblicza się według wzoru:
L=μ*μ*(N2*S/l),
gdzie:
- μ jest względną przenikalnością magnetyczną rdzenia cewki;
- μ – stała magnetyczna 1,26*10-6 H/m;
- N to liczba zwojów;
- S to obszar cewki;
- l to geometryczna długość cewki.
Aby obliczyć indukcyjność cewki cylindrycznej i cewek o innych kształtach, lepiej użyć programów kalkulatora, w tym kalkulatorów online.
Szeregowe i równoległe połączenie wzbudników
Indukcyjności można łączyć szeregowo lub równolegle, uzyskując zestaw o nowych charakterystykach.
Połączenie równoległe
Gdy cewki są połączone równolegle, napięcie na wszystkich elementach jest równe, a prądy (zmienne) rozkładają się odwrotnie proporcjonalnie do indukcyjności elementów.
- U=U1=U2=U3;
- ja=ja1+Ja2+Ja3.
Całkowita indukcyjność obwodu jest zdefiniowana jako 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Wzór obowiązuje dla dowolnej liczby elementów, a dla dwóch zwojów jest uproszczony do postaci L=L1*L2/(L1+L2). Oczywiście wynikowa indukcyjność jest mniejsza niż indukcyjność elementu o najmniejszej wartości.
połączenie szeregowe
Przy tego typu połączeniu przez obwód złożony z cewek płynie ten sam prąd, a napięcie (zmienne!) na każdym elemencie obwodu rozkłada się proporcjonalnie do indukcyjności każdego elementu:
- U=U1+U2+U3;
- ja=ja1=I2=I3.
Całkowita indukcyjność jest równa sumie wszystkich indukcyjności i będzie większa niż indukcyjność elementu o największej wartości. Dlatego takie połączenie jest używane w razie potrzeby, aby uzyskać wzrost indukcyjności.
Ważny! Przy łączeniu cewek w baterii szeregowej lub równoległej wzory obliczeniowe są poprawne tylko w przypadkach, w których wykluczony jest wzajemny wpływ pól magnetycznych elementów na siebie (ekranowanie, duża odległość itp.). Jeśli istnieje wpływ, całkowita wartość indukcyjności będzie zależeć od względnego położenia cewek.
Kilka praktycznych problemów i konstrukcji wzbudników
W praktyce stosuje się różne konstrukcje cewek indukcyjnych. W zależności od przeznaczenia i zakresu zastosowania urządzenia mogą być wykonane na różne sposoby, ale należy wziąć pod uwagę efekty jakie występują w rzeczywistych cewkach.
Współczynnik jakości cewki indukcyjnej
Prawdziwa cewka oprócz indukcyjności ma kilka innych parametrów, a jednym z najważniejszych jest współczynnik jakości. Wartość ta określa straty w cewce i zależy od:
- straty omowe w drucie nawojowym (im większa rezystancja, tym niższy współczynnik jakości);
- straty dielektryczne w izolacji przewodów i ramie uzwojenia;
- utrata ekranu;
- straty podstawowe.
Wszystkie te wielkości określają odporność na straty, a współczynnik jakości jest wartością bezwymiarową równą Q=ωL/Rstraty, gdzie:
- ω = 2*π*F - częstotliwość kołowa;
- L - indukcyjność;
- ωL jest reaktancją cewki.
Możemy w przybliżeniu powiedzieć, że współczynnik jakości jest równy stosunkowi reaktywnej (indukcyjnej) rezystancji do czynnej. Z jednej strony, wraz ze wzrostem częstotliwości, licznik wzrasta, ale jednocześnie, ze względu na efekt naskórkowości, wzrasta również rezystancja strat ze względu na zmniejszenie użytecznego przekroju drutu.
efekt ekranu
Aby zmniejszyć wpływ ciał obcych, a także pól elektrycznych i magnetycznych oraz wzajemne oddziaływanie elementów poprzez te pola, cewki (zwłaszcza wysokoczęstotliwościowe) są często umieszczane w ekranie. Oprócz korzystnego efektu, ekranowanie powoduje spadek współczynnika jakości cewki, spadek jej indukcyjności oraz wzrost pojemności pasożytniczej. Co więcej, im bliżej zwojów cewki znajdują się ścianki ekranu, tym większy jest szkodliwy efekt. Dlatego cewki ekranowane są prawie zawsze wykonywane z możliwością regulacji parametrów.
Indukcyjność trymera
W niektórych przypadkach wymagane jest dokładne ustawienie wartości indukcyjności na miejscu po podłączeniu cewki do innych elementów obwodu, kompensując odchyłki parametrów podczas strojenia. W tym celu stosuje się różne metody (przełączanie odczepów zwojów itp.), Ale najdokładniejszą i najpłynniejszą metodą jest strojenie za pomocą rdzenia. Wykonany jest w postaci pręta gwintowanego, który można wkręcać i wykręcać wewnątrz ramy, regulując indukcyjność cewki.
Zmienna indukcyjność (wariometr)
Tam, gdzie wymagana jest szybka regulacja indukcyjności lub sprzężenia indukcyjnego, stosuje się cewki o innej konstrukcji. Zawierają dwa uzwojenia - ruchome i stałe. Całkowita indukcyjność jest równa sumie indukcyjności dwóch cewek i wzajemnej indukcyjności między nimi.
Zmieniając względne położenie jednej cewki na drugą, regulowana jest całkowita wartość indukcyjności. Takie urządzenie nazywa się wariometrem i jest często używane w sprzęcie komunikacyjnym do strojenia obwodów rezonansowych w przypadkach, gdy użycie zmiennych kondensatorów jest z jakiegoś powodu niemożliwe.Konstrukcja wariometru jest dość nieporęczna, co ogranicza jego zakres.
Indukcyjność w postaci drukowanej spirali
Cewki o małej indukcyjności mogą być wykonane w postaci spirali z przewodników drukowanych. Zaletą tego projektu są:
- produkcyjność produkcji;
- wysoka powtarzalność parametrów.
Wady to brak możliwości dokładnego dostrojenia podczas regulacji oraz trudność uzyskania dużych wartości indukcyjności – im wyższa indukcyjność, tym więcej miejsca zajmuje cewka na płytce.
Sekcja zwijana
Indukcyjność bez pojemności jest tylko na papierze. Przy każdej fizycznej realizacji cewki natychmiast powstaje pasożytnicza pojemność międzyzwojowa. W wielu przypadkach jest to szkodliwe. Pasożytnicza pojemność sumuje się do pojemności obwodu LC, zmniejszając częstotliwość rezonansową i współczynnik jakości układu oscylacyjnego. Cewka ma również własną częstotliwość rezonansową, która wywołuje niepożądane zjawiska.
W celu zmniejszenia pojemności pasożytniczej stosuje się różne metody, z których najprostszą jest indukcyjność uzwojenia w postaci kilku połączonych szeregowo odcinków. Wraz z tym włączeniem indukcyjności sumują się, a całkowita pojemność maleje.
Cewka na rdzeniu toroidalnym
Linie pola magnetycznego cewki cylindrycznej są przeciągane przez wnętrze uzwojenia (jeśli jest rdzeń, to przez niego) i zamykane z zewnątrz przez powietrze. Fakt ten ma kilka wad:
- indukcyjność jest zmniejszona;
- charakterystyka cewki jest mniej podatna na obliczenia;
- każdy obiekt wprowadzony w zewnętrzne pole magnetyczne zmienia parametry cewki (indukcyjność, pojemność pasożytnicza, straty itp.), dlatego w wielu przypadkach wymagane jest ekranowanie.
Cewki nawinięte na rdzeniach toroidalnych (w postaci pierścienia lub pączka) są w dużej mierze wolne od tych wad. Linie magnetyczne przechodzą wewnątrz rdzenia w postaci zamkniętych pętli. Oznacza to, że obiekty zewnętrzne nie mają praktycznie żadnego wpływu na parametry cewki nawiniętej na taki rdzeń, a do takiej konstrukcji nie jest potrzebne ekranowanie. Indukcyjność również wzrasta, inne rzeczy są równe, a charakterystyka jest łatwiejsza do obliczenia.
Wadą cewek nawiniętych na tori jest brak możliwości płynnej regulacji indukcyjności na miejscu. Kolejnym problemem jest duża pracochłonność i niska produkcyjność uzwojenia. Dotyczy to jednak ogólnie wszystkich elementów indukcyjnych, w większym lub mniejszym stopniu.
Również powszechną wadą fizycznej realizacji indukcyjności jest duży ciężar i rozmiar, stosunkowo niska niezawodność i niska łatwość konserwacji.
Dlatego w technologii starają się pozbyć elementów indukcyjnych. Ale nie zawsze jest to możliwe, więc elementy uzwojenia będą używane zarówno w przewidywalnej przyszłości, jak iw perspektywie średnioterminowej.
Podobne artykuły:
