Indukčnost je mírou schopnosti součástek v elektrickém obvodu shromažďovat energii magnetického pole. Je také měřítkem vztahu mezi proudem a magnetickým polem. Srovnává se také se setrvačností elektřiny, stejně jako v případě hmotnosti jako míry setrvačnosti mechanických těles.
Obsah
Fenomén samoindukce
K jevu samoindukce dochází, když se mění velikost proudu protékajícího vodivým obvodem. V tomto případě se magnetický tok obvodem mění a na výstupech proudového rámečku vzniká EMP nazývané samoindukční EMP. Toto EMF je opačné než směr proudu a je rovno:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Je zřejmé, že samoindukční EMF se rovná rychlosti změny magnetického toku způsobené změnou proudu protékajícího obvodem a je rovněž úměrná rychlosti změny proudu. Koeficient úměrnosti mezi EMF vlastní indukce a rychlostí změny proudu se nazývá indukčnost a označuje se L. Tato hodnota je vždy kladná a má jednotku SI 1 Henry (1 Gn). Používají se také zlomkové frakce - miligenerace a mikrogenerace. O indukčnosti 1 Henryho lze hovořit, pokud změna proudu o velikosti 1 ampéru vyvolá EMF o velikosti 1 voltu vlastní indukce. Indukčnost má nejen obvod, ale také jeden vodič a cívka, které si lze představit jako množství sériově zapojených obvodů.
Energie je uložena v indukčnosti, kterou lze vypočítat jako W=L*I.2/2, kde:
- W - energie, J;
- L - indukčnost, Gn;
- I je proud v cívce, A.
Energie je zde přímo úměrná indukčnosti cívky.
Důležité! V technice se indukčnost vztahuje také na zařízení, ve kterém je uloženo elektrické pole. Skutečným prvkem, který je této definici nejblíže, je cívka induktoru.
Obecný vzorec pro výpočet indukčnosti fyzikální cívky je složitý a pro praktické výpočty nevhodný. Je užitečné si uvědomit, že indukčnost je úměrná počtu závitů, průměru cívky a závisí na geometrickém tvaru. Indukčnost je také ovlivněna magnetickou permeabilitou jádra, na kterém je cívka umístěna, ale není ovlivněna proudem protékajícím cívkami. Pro výpočet indukčnosti je třeba vždy vycházet ze vzorců uvedených pro konkrétní konstrukci. Například pro válcovou cívku se její základní charakteristika vypočítá podle vzorce:
L=μ*μ*(N2*S/l),
kde:
- μ je relativní magnetická permeabilita jádra cívky;
- μ - je magnetická konstanta, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - počet otáček;
- S - plocha cívky
- l - geometrická délka cívky.
Pro výpočet indukčnosti válcových cívek a jiných tvarů cívek je nejlepší použít kalkulačky, včetně online kalkulaček.
Sériové a paralelní zapojení induktorů
Indukčnosti lze zapojit sériově nebo paralelně, čímž vznikne soustava s novými charakteristikami.
Paralelní připojení
Jsou-li cívky zapojeny paralelně, jsou napětí všech prvků stejná a proudy (střídavý) jsou nepřímo úměrné indukčnosti prvků.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
Celková indukčnost obvodu je definována jako 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Vzorec platí pro libovolný počet prvků a pro dvě cívky se zjednodušuje na L=L1*L2/(L1+L2). Je zřejmé, že výsledná indukčnost je menší než indukčnost prvku s nejnižší hodnotou.
Sériové zapojení
Při tomto typu zapojení protéká obvodem složeným z cívek stejný proud a napětí (střídavé!) na jednotlivých prvcích obvodu je rozloženo úměrně indukčnosti každého prvku:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
Celková indukčnost se rovná součtu všech indukčností a bude větší než indukčnost prvku s nejvyšší hodnotou. Proto se toto zapojení používá v případě, že je třeba zvýšit indukčnost.
Důležité! Při sériovém nebo paralelním zapojení cívek jsou výpočtové vzorce správné pouze v případech, kdy je vzájemný vliv magnetických polí prvků na sebe eliminován (stíněním, velkými vzdálenostmi apod.). Pokud k ovlivnění dojde, pak celková hodnota indukčnosti bude záviset na vzájemném uspořádání cívek.
Některé praktické otázky a návrhy cívek induktorů
V praxi se používají různé konstrukce cívek. V závislosti na účelu a použití lze zařízení vyrobit různými způsoby, ale je třeba vzít v úvahu účinky skutečných cívek.
Činitel jakosti indukční cívky
Skutečná cívka má kromě indukčnosti několik parametrů a jedním z nejdůležitějších je činitel jakosti. Tato hodnota určuje ztráty v cívce a závisí na:
- ohmické ztráty ve vodiči vinutí (čím vyšší odpor, tím nižší činitel jakosti);
- Dielektrické ztráty v izolaci vodiče a rámu vinutí;
- ztráty štítu;
- Základní ztráty.
Všechny tyto veličiny definují ztrátový odpor a činitel jakosti je bezrozměrná hodnota rovnající se Q=ωL/R ztráty, kde:
- ω = 2*π*F - kruhová frekvence;
- L - indukčnost;
- ωL - reaktance cívky.
Zhruba lze říci, že činitel jakosti je roven poměru jalového (indukčního) odporu k činnému odporu. Na jedné straně čitatel roste s rostoucí frekvencí, ale zároveň v důsledku skin efektu roste i ztrátový odpor, protože se zmenšuje účinný průřez vodiče.
Účinek na kůži
Aby se omezil vliv cizích těles a elektrických a magnetických polí a vzájemné ovlivňování prvků těmito poli, jsou cívky (zejména vysokofrekvenční) často umístěny ve stínění. Kromě příznivého účinku způsobuje stínění snížení hodnoty Q cívky, snížení indukčnosti a zvýšení parazitní kapacity. Čím blíže jsou stěny stínění k vinutí cívky, tím větší je škodlivý účinek. Stíněné cívky jsou proto téměř vždy konstruovány jako nastavitelné.
Nastavitelná indukčnost
V některých případech je nutné po připojení cívky k ostatním prvkům obvodu přesně nastavit hodnotu indukčnosti na místě a kompenzovat odchylky ladění. K tomu se používají různé metody (přepínání otáček apod.), ale nejpřesnější a nejplynulejší metodou je nastavení jádra. Ten má podobu závitové tyče, kterou lze uvnitř rámu otáčet dovnitř a ven, čímž se upravuje indukčnost cívky.
Proměnná indukčnost (variometr)
Tam, kde je požadováno provozní nastavení indukčnosti nebo indukční vazby, se používají cívky jiné konstrukce. Obsahují dvě vinutí, pohyblivé a stacionární. Celková indukčnost se rovná součtu indukčností obou cívek a vzájemné indukčnosti mezi nimi.
Změnou relativní polohy jedné cívky vůči druhé se upravuje celková hodnota indukčnosti. Takové zařízení se nazývá variometr a často se používá v komunikačních zařízeních k ladění rezonančních obvodů v případech, kdy z nějakého důvodu nelze použít proměnné kondenzátory. Variometr je poměrně těžkopádný, což omezuje jeho použití.
Indukčnost ve formě tištěné cívky
Cívky s nízkou indukčností lze vyrobit jako spirálu z tištěných vodičů. Výhody této konstrukce jsou:
- vyrobitelnost;
- vysoká opakovatelnost.
Nevýhodou je nemožnost jemného doladění při nastavování a obtížné dosažení vysokých indukčností - čím vyšší indukčnost, tím více místa cívka na desce zabírá.
Cívka se sekčním vinutím
Indukčnost bez kapacity existuje pouze na papíře. Při jakémkoli fyzickém provedení cívky okamžitě vzniká parazitní kapacita mezi cívkami. To je v mnoha případech škodlivý jev. Bludná kapacita se sčítá s kapacitou LC-obvodu, čímž se snižuje rezonanční frekvence a činitel jakosti oscilačního systému. Cívka má také vlastní rezonanční frekvenci, která způsobuje nežádoucí jevy.
Ke snížení bludné kapacity se používají různé metody, z nichž nejjednodušší je vinutí induktoru v několika sekcích spojených do série. Při tomto typu zapojení se indukčnosti sčítají a celková kapacita se snižuje.
Indukční cívka na toroidním jádře
Magnetické siločáry válcové indukční cívky vedou vnitřkem cívky (pokud je přítomno jádro, pak skrz něj) a jsou zkratovány směrem ven vzduchem. Tato skutečnost s sebou nese několik nevýhod
- se sníží indukčnost;
- charakteristiky cívky jsou hůře vypočitatelné;
- Jakýkoli předmět vnesený do vnějšího magnetického pole mění parametry cívky (indukčnost, parazitní kapacita, ztráty atd.), takže v mnoha případech je nutné stínění.
Cívky navinuté na toroidních jádrech (ve tvaru prstence nebo "bagelu") jsou z velké části zbaveny těchto nevýhod. Magnetické čáry probíhají uvnitř jádra v podobě uzavřených smyček. To znamená, že vnější předměty nemají na parametry cívky navinuté na takovém jádře prakticky žádný vliv a stínění není u takové konstrukce nutné. Indukčnost se také zvyšuje, při zachování ostatních podmínek, a charakteristiky se snadněji počítají.
Jednou z nevýhod cívek navinutých na torzech je nemožnost plynulého nastavení indukčnosti na místě. Dalším problémem je vysoká pracnost a nízká technologie navíjení. To však platí ve větší či menší míře pro všechny induktivní prvky obecně.
Častou nevýhodou fyzikálního provedení indukčnosti jsou také velké hmotnostní rozměry, relativně nízká spolehlivost a malá udržovatelnost.
Proto se v technologii snažíme upustit od indukčních prvků. To však není vždy možné, a proto se v dohledné době i ve střednědobém horizontu budou používat navíjené komponenty.
Související články:
