Induktans karakteriserer egenskaberne af elementerne i et elektrisk kredsløb til at akkumulere energien af et magnetisk felt. Det er også et mål for forholdet mellem strøm og magnetfelt. Det sammenlignes også med elektricitets inerti - ligesom masse med et mål for mekaniske legemers inerti.
Indhold
Fænomenet selvinduktion
Hvis strømmen, der strømmer gennem et ledende kredsløb, ændres i størrelse, så opstår fænomenet selvinduktion. I dette tilfælde ændres den magnetiske flux gennem kredsløbet, og en emk vises ved terminalerne på strømsløjfen, kaldet selvinduktions-emf. Denne EMF er modsat strømmens retning og er lig med:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Det er indlysende, at selvinduktionens EMF er lig med ændringshastigheden af den magnetiske flux forårsaget af en ændring i strømmen, der strømmer gennem kredsløbet, og er også proportional med strømmens ændringshastighed. Proportionalitetskoefficienten mellem selvinduktionens EMF og strømmens ændringshastighed kaldes induktans og er betegnet med L. Denne værdi er altid positiv og har en SI-enhed på 1 Henry (1 H). Fraktionerede fraktioner bruges også - millihenry og microhenry. Vi kan tale om en induktans på 1 Henry, hvis en strømændring på 1 ampere forårsager en selvinduktions-EMK på 1 Volt. Ikke kun kredsløbet har induktans, men også en separat leder samt en spole, der kan repræsenteres som et sæt serieforbundne kredsløb.
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 proportional med spolens induktans.
Vigtig! I teknik er en induktans også en enhed, hvor et elektrisk felt er lagret. Det egentlige element, der er tættest på en sådan definition, er en induktor.
Den generelle formel til beregning af induktansen af en fysisk spole har en kompleks form og er ubelejlig til praktiske beregninger. Det er nyttigt at huske, at induktansen er proportional med antallet af omdrejninger, spolens diameter og afhænger af den geometriske form. Også induktansen påvirkes af den magnetiske permeabilitet af kernen, hvorpå viklingen er placeret, men strømmen, der strømmer gennem vindingerne, påvirkes ikke. For at beregne induktansen skal du hver gang henvise til ovenstående formler for et specifikt design. Så for en cylindrisk spole beregnes dens hovedkarakteristik ved formlen:
L=μ*μ*(N2*S/l),
hvor:
- μ er den relative magnetiske permeabilitet af spolekernen;
- μ – magnetisk konstant, 1,26*10-6 H/m;
- N er antallet af omdrejninger;
- S er området af spolen;
- l er den geometriske længde af spolen.
For at beregne induktansen for en cylindrisk spole og spoler af andre former er det bedre at bruge lommeregnerprogrammer, herunder online-regnemaskiner.
Serie- og parallelforbindelse af induktorer
Induktanser kan forbindes i serie eller parallelt, hvilket får et sæt med nye egenskaber.
Parallel forbindelse
Når spolerne er forbundet parallelt, er spændingen på alle elementer ens, og strømmene (variabler) er fordelt omvendt med elementernes induktanser.
- U=U1=U2=U3;
- jeg=jeg1+I2+I3.
Den samlede induktans af kredsløbet er defineret som 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Formlen er gyldig for et vilkårligt antal elementer, og for to spoler er den forenklet til formen L=L1*L2/(L1+L2). Det er klart, at den resulterende induktans er mindre end induktansen af elementet med den mindste værdi.
seriel forbindelse
Med denne type forbindelse løber den samme strøm gennem kredsløbet, der består af spoler, og spændingen (variabel!) På hver komponent i kredsløbet er fordelt i forhold til induktansen af hvert element:
- U=U1+U2+U3;
- jeg=jeg1=I2=I3.
Den samlede induktans er lig med summen af alle induktanser, og vil være større end induktansen af elementet med den største værdi. Derfor bruges en sådan forbindelse om nødvendigt for at opnå en stigning i induktansen.
Vigtig! Ved tilslutning af spoler i et serie- eller parallelbatteri er beregningsformlerne kun korrekte i tilfælde, hvor den gensidige påvirkning af elementernes magnetiske felter på hinanden er udelukket (afskærmning, lang afstand osv.). Hvis der eksisterer en påvirkning, vil den samlede værdi af induktansen afhænge af spolernes relative position.
Nogle praktiske spørgsmål og design af induktorer
I praksis anvendes forskellige designs af induktorer. Afhængigt af formål og anvendelsesområde kan apparaterne laves på forskellige måder, men der skal tages hensyn til de effekter, der opstår i rigtige spoler.
Kvalitetsfaktor for induktoren
En rigtig spole har udover induktans adskillige flere parametre, og en af de vigtigste er kvalitetsfaktoren. Denne værdi bestemmer tabene i spolen og afhænger af:
- ohmske tab i viklingstråden (jo større modstand, jo lavere kvalitetsfaktor);
- dielektriske tab i trådisolering og viklingsramme;
- tab af skærm;
- kernetab.
Alle disse størrelser bestemmer tabsmodstanden, og kvalitetsfaktoren er en dimensionsløs værdi svarende til Q=ωL/Rlosses, hvor:
- ω = 2*π*F - cirkulær frekvens;
- L - induktans;
- ωL er spolens reaktans.
Vi kan omtrent sige, at kvalitetsfaktoren er lig med forholdet mellem reaktiv (induktiv) modstand og aktiv. På den ene side, med stigende frekvens, øges tælleren, men på samme tid, på grund af hudeffekten, øges tabsmodstanden også på grund af et fald i det nyttige tværsnit af ledningen.
skærmeffekt
For at reducere påvirkningen af fremmedlegemer, såvel som elektriske og magnetiske felter og den gensidige påvirkning af elementer gennem disse felter, er spoler (især højfrekvente) ofte placeret i en skærm. Ud over den gavnlige effekt forårsager afskærmning et fald i spolens kvalitetsfaktor, et fald i dens induktans og en stigning i parasitisk kapacitans. Desuden, jo tættere skærmvæggene er på spolens vindinger, jo højere er den skadelige effekt. Derfor laves der næsten altid skærmede spoler med mulighed for at justere parametrene.
Trimmer induktans
I nogle tilfælde er det nødvendigt at indstille induktansværdien nøjagtigt på stedet efter tilslutning af spolen til andre kredsløbselementer, der kompenserer for parameterafvigelser under tuning. Til dette bruges forskellige metoder (skiftning af drejninger osv.), Men den mest nøjagtige og glatte metode er tuning ved hjælp af en kerne. Den er lavet i form af en gevindstang, som kan skrues ind og ud inde i rammen, hvilket justerer spolens induktans.
Variabel induktans (variometer)
Hvor hurtig justering af induktansen eller induktiv kobling er påkrævet, anvendes spoler af et andet design. De indeholder to viklinger - bevægelige og faste. Den samlede induktans er lig med summen af de to spolers induktanser og den indbyrdes induktans mellem dem.
Ved at ændre den relative position af en spole til en anden, justeres den samlede værdi af induktansen. En sådan enhed kaldes et variometer og bruges ofte i kommunikationsudstyr til at indstille resonanskredsløb i tilfælde, hvor brugen af variable kondensatorer af en eller anden grund er umulig.Designet af variometeret er ret omfangsrigt, hvilket begrænser dets omfang.
Induktans i form af en trykt spiral
Spoler med en lille induktans kan laves i form af en spiral af trykte ledere. Fordelene ved dette design er:
- fremstillingsevne af produktionen;
- høj repeterbarhed af parametre.
Ulemperne inkluderer umuligheden af finjustering under justering og vanskeligheden ved at opnå store induktansværdier - jo højere induktans, jo mere plads fylder spolen på brættet.
Sektionsoprulle
Induktans uden kapacitans er kun på papiret. Ved enhver fysisk implementering af spolen opstår der straks en parasitisk interturn kapacitans. Dette er skadeligt i mange tilfælde. Den parasitære kapacitans lægger op til kapacitansen af LC-kredsløbet, hvilket reducerer resonansfrekvensen og kvalitetsfaktoren for det oscillatoriske system. Også spolen har sin egen resonansfrekvens, hvilket fremkalder uønskede fænomener.
Forskellige metoder bruges til at reducere parasitisk kapacitans, hvoraf den enkleste er viklingsinduktans i form af flere serieforbundne sektioner. Med denne inklusion summeres induktanserne, og den samlede kapacitans falder.
Induktor på en toroidformet kerne
De magnetiske feltlinjer i en cylindrisk induktor trækkes gennem indersiden af viklingen (hvis der er en kerne, så gennem den) og lukkes udefra gennem luften. Dette faktum medfører flere ulemper:
- induktansen reduceres;
- spolens egenskaber er mindre modtagelige for beregning;
- enhver genstand, der bringes ind i et eksternt magnetfelt, ændrer spolens parametre (induktans, parasitisk kapacitans, tab osv.), så afskærmning er påkrævet i mange tilfælde.
Spoler viklet på toroidale kerner (i form af en ring eller en donut) er stort set fri for disse mangler. Magnetiske linjer passerer inde i kernen i form af lukkede sløjfer. Dette betyder, at eksterne objekter praktisk talt ikke har nogen indflydelse på parametrene for en spole viklet på en sådan kerne, og afskærmning er ikke nødvendig for et sådant design. Induktansen stiger også alt andet lige, og karakteristikaene er nemmere at beregne.
Ulemperne ved spoler viklet på tori inkluderer umuligheden af jævn justering af induktansen på stedet. Et andet problem er viklingens høje arbejdsintensitet og lave fremstillingsevne. Dette gælder dog for alle induktive elementer generelt, i større eller mindre omfang.
En fælles ulempe ved den fysiske implementering af induktansen er også høj vægt og størrelse, relativt lav pålidelighed og lav vedligeholdelse.
Derfor forsøger de i teknologien at slippe af med induktive komponenter. Men dette er ikke altid muligt, så viklingskomponenter vil blive brugt både i en overskuelig fremtid og på mellemlang sigt.
Lignende artikler:
