Induktans er et mål for komponenternes evne til at opsamle magnetisk feltenergi i et elektrisk kredsløb. Det er også et mål for forholdet mellem strøm og magnetfelt. Den sammenlignes også med elektricitetens inerti, ligesom det er tilfældet med masse som mål for mekaniske legemers inerti.
Indhold
Fænomenet selvinduktion
Fænomenet selvinduktion opstår, når den strøm, der løber gennem et ledende kredsløb, varierer i størrelsen. I dette tilfælde ændres den magnetiske flux gennem kredsløbet, og der opstår en EMF kaldet selvinduktions-EMF ved ledningerne til den strømførende ramme. Denne EMF er modsat strømretningen og er lig med:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Det er klart, at den selvinducerende EMF er lig med hastigheden af ændringen i den magnetiske flux forårsaget af ændringen i den strøm, der løber gennem kredsløbet, og er også proportional med hastigheden af ændringen i strømmen. Proportionalitetskoefficienten mellem EMF ved selvinduktion og strømændringshastigheden kaldes induktans og betegnes L. Denne værdi er altid positiv og har en SI-enhed på 1 Henry (1 Gn). Der anvendes også brøkdele - milligenerier og mikrogenerier. Man kan sige, at der er tale om en induktans på 1 Henry, hvis en ændring i strømmen på 1 ampere forårsager en EMF på 1 volt af selvinduktion. Det er ikke kun et kredsløb, der har induktans, men også en enkelt leder og en spole, som kan forestilles som et væld af kredsløb i serie.
Energien lagres i induktansen, som kan beregnes som W=L*I2/2, hvor:
- W - energi, J;
- L - induktans, Gn;
- I er strømmen i spolen, A.
Her er energien direkte proportional med spolens induktans.
Vigtigt! Inden for teknikken henviser induktans også til den enhed, hvori det elektriske felt er lagret. Det faktiske element, der ligger tættest på denne definition, er induktionsspolen.
Den generelle formel til beregning af induktansen af en fysisk spole er kompleks og uhensigtsmæssig i praktiske beregninger. Det er nyttigt at huske, at induktansen er proportional med antallet af vindinger, spolens diameter og afhænger af den geometriske form. Induktansen påvirkes også af den magnetiske permeabilitet af den kerne, som spolen er placeret på, men påvirkes ikke af den strøm, der løber gennem spolerne. For at beregne induktansen skal de formler, der er angivet for den specifikke konstruktion, konsulteres hver gang. For en cylindrisk spole beregnes dens grundlæggende karakteristik for eksempel efter formlen:
L=μ*μ*(N2*S/l),
hvor:
- μ er den relative magnetiske permeabilitet af spolekernen;
- μ - er den magnetiske konstant, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - antal omdrejninger;
- S - spolens areal
- l - spolens geometriske længde.
For at beregne induktansen for cylindriske spoler og andre spoleformer er det bedst at bruge lommeregnere, herunder online lommeregnere.
Tilslutning af induktorer i serie og parallelt
Induktanser kan forbindes i serie eller parallelt, hvilket skaber et sæt med nye egenskaber.
Parallelforbindelse
Når spolerne er parallelforbundet, er spændingerne for alle elementer lige store, og strømmene (vekslende) er omvendt proportional med elementernes induktanser.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
Den samlede induktans i et kredsløb er defineret som 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Formlen gælder for et vilkårligt antal elementer, og for to spoler kan den forenkles til L=L1*L2/(L1+L2). Det er indlysende, at den resulterende induktans er mindre end induktansen for det element, der har den laveste
Tilslutning i serie
Med denne type forbindelse strømmer den samme strøm gennem et kredsløb bestående af spoler, og spændingen (AC!) på hver komponent i kredsløbet fordeles i forhold til induktansen af hvert element:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
Den samlede induktans er lig med summen af alle induktanserne og vil være større end induktansen for det element med den højeste værdi. Derfor anvendes denne forbindelse, når det er nødvendigt at øge induktansen.
Vigtigt! Ved serie- eller parallelforbindelse af spoler er beregningsformlerne kun korrekte i de tilfælde, hvor den gensidige påvirkning af elementernes magnetfelter på hinanden er elimineret (ved afskærmning, store afstande osv.). Hvis der er indflydelse, afhænger den samlede værdi af induktansen af spolernes indbyrdes placering.
Nogle praktiske spørgsmål og design af induktionsspoler
I praksis anvendes forskellige spoledesigns i forskellige induktionsspoler. Afhængigt af formålet og anvendelsen kan enhederne fremstilles på forskellige måder, men der skal tages hensyn til virkningerne af virkelige spoler.
Kvalitetsfaktor for en induktionsspole
En rigtig spole har flere parametre ud over induktansen, og en af de vigtigste er kvalitetsfaktoren. Denne værdi bestemmer tabene i spolen og afhænger af:
- ohmsk tab i vikletråd (jo højere modstand, jo lavere kvalitetsfaktor);
- Dielektrisk tab i isolationen af ledningen og viklingsrammen;
- tab af skjold;
- Centrale tab.
Alle disse størrelser definerer tabsmodstanden, og kvalitetsfaktoren er en dimensionsløs værdi lig med Q=ωL/R tab, hvor:
- ω = 2*π*F - cirkulær frekvens;
- L - induktans;
- ωL - spolens reaktans.
Det kan groft sagt siges, at kvalitetsfaktoren er lig med forholdet mellem den reaktive (induktive) modstand og den aktive modstand. På den ene side vokser tælleren med stigende frekvens, men samtidig vokser tabsmodstanden på grund af skin-effekten også ved at reducere trådens effektive tværsnit.
Skin effekt
For at reducere påvirkningen fra fremmedlegemer samt elektriske og magnetiske felter og den gensidige påvirkning af elementer gennem disse felter placeres spoler (især højfrekvensspoler) ofte i en afskærmning. Ud over den gavnlige virkning forårsager afskærmning et fald i spolens Q-værdi, et fald i induktansen og en stigning i den parasitære kapacitet. Desuden er den skadelige effekt større, jo tættere skjoldvæggene er på spoleviklingerne. Afskærmede spoler er derfor næsten altid konstrueret til at kunne justeres.
Justerbar induktans
I nogle tilfælde er det nødvendigt at indstille induktansværdien præcist på stedet efter at have tilsluttet spolen til andre kredsløbselementer for at kompensere for afvigelser i afstemningen. Der anvendes forskellige metoder til dette (ved at skifte omdrejninger osv.), men den mest nøjagtige og jævne metode er kernejustering. Denne er lavet i form af en gevindstang, som kan drejes ind og ud inde i rammen og justere spolens induktans.
Variabel induktans (variometer)
Hvis der er behov for justering af induktans eller induktiv kobling, anvendes spoler af en anden konstruktion. De indeholder to viklinger, en bevægelig vikling og en stationær vikling. Den samlede induktans er lig med summen af de to spolers induktanser og den gensidige induktans mellem dem.
Ved at ændre den relative position af den ene spole i forhold til den anden justeres den samlede induktansværdi. En sådan anordning kaldes et variometer og bruges ofte i kommunikationsudstyr til at afstemme resonanskredsløb i tilfælde, hvor variable kondensatorer af en eller anden grund ikke kan anvendes. Variometeret er ret besværligt, hvilket begrænser dets anvendelse.
Induktans i form af en trykt spole
Spoler med lav induktivitet kan fremstilles som en spiral af trykte ledere. Fordelene ved dette design er:
- fremstillingsegnethed;
- høj repeterbarhed.
Ulemperne er, at det er umuligt at foretage en finjustering under justeringen, og at det er vanskeligt at opnå høje induktanser - jo højere induktans, jo mere plads optager spolen på printpladen.
Spole med sektionsvikling
Induktivitet uden kapacitet findes kun på papiret. Ved enhver fysisk implementering af en spole er der straks en parasitær kapacitet mellem spolerne. Dette er i mange tilfælde et skadeligt fænomen. Den omstrejfende kapacitans øger kapacitansen i LC-kredsløbet, hvilket reducerer resonansfrekvensen og kvalitetsfaktoren i det svingende system. Spolen har også sin egen resonansfrekvens, som forårsager uønskede fænomener.
For at reducere den omstrejfende kapacitet anvendes forskellige metoder, hvoraf den enkleste er at vikle induktoren i flere sektioner, der er forbundet i serie. Med denne type forbindelse lægges induktanserne sammen, og den samlede kapacitet reduceres.
Induktionsspole på en ringformet kerne
De magnetiske feltlinjer i en cylindrisk induktionsspole fører gennem spolens indre (hvis der er en kerne, så gennem den) og kortsluttes udad gennem luften. Denne omstændighed medfører flere ulemper
- reduceres induktansen;
- spolens egenskaber er mindre beregnelige;
- Ethvert objekt, der kommer ind i det eksterne magnetfelt, ændrer spolens parametre (induktans, strejfkapacitans, tab osv.), så i mange tilfælde er det nødvendigt med afskærmning.
Spoler, der er viklet på ringformede kerner (i form af en ring eller "bagel"), er stort set fri for disse ulemper. De magnetiske linjer løber inde i kernen i form af lukkede sløjfer. Det betyder, at eksterne genstande praktisk taget ikke har nogen indflydelse på parametrene for en spole, der er viklet på en sådan kerne, og afskærmning er ikke nødvendig for en sådan konstruktion. Induktansen øges også, alt andet lige, og karakteristikken er lettere at beregne.
En af ulemperne ved spoler, der er viklet på torus, er den manglende mulighed for at justere induktansen jævnt på stedet. Et andet problem er den høje arbejdskraftintensitet og den lave teknologi i forbindelse med vikling. Dette gælder dog for alle induktive elementer generelt i større eller mindre grad.
En almindelig ulempe ved den fysiske implementering af induktans er også de høje massedimensioner, den relativt lave pålidelighed og den lave vedligeholdelsesvenlighed.
Derfor forsøger man i teknologien at undvære induktive komponenter. Men det er ikke altid muligt, og derfor vil der blive anvendt viklingskomponenter både i en overskuelig fremtid og på mellemlang sigt.
Relaterede artikler:
