Induktanssi mittaa sähköpiirin komponenttien kykyä kerätä magneettikentän energiaa. Se mittaa myös virran ja magneettikentän välistä suhdetta. Sitä verrataan myös sähkön inertiaan, kuten massaa verrataan mekaanisten kappaleiden inertian mittaamiseen.
Sisältö
Itseinduktioilmiö
Itseinduktioilmiö ilmenee, kun johtavan piirin läpi kulkevan virran suuruus vaihtelee. Tällöin piirin läpi kulkeva magneettivuo muuttuu, ja virtaa kuljettavan kehyksen johtimiin syntyy sähkömagneettinen kenttä, jota kutsutaan itseinduktioelektromagneettiseksi kentäksi. Tämä sähkömagneettinen kenttä on vastakkainen virran suuntaan nähden ja on yhtä suuri kuin:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
On selvää, että itseinduktioEMF on yhtä suuri kuin piirin läpi kulkevan virran muutoksen aiheuttama magneettivuon muutosnopeus, ja se on myös verrannollinen virran muutosnopeuteen. Itseinduktion EMF:n ja virran muutosnopeuden välistä suhteellisuuskerrointa kutsutaan induktanssiksi, ja sitä merkitään L:llä. Tämä arvo on aina positiivinen, ja sen SI-yksikkö on 1 Henry (1 Gn). Myös murtolukuja - milli- ja mikrosukupolvia - käytetään. Induktanssi on 1 Henry, jos 1 ampeerin virran muutos aiheuttaa 1 voltin sähkömagneettisen sähkömagneettisen kentän itseinduktion. Induktanssi ei ole vain virtapiirissä, vaan myös yksittäisessä johtimessa ja käämissä, jotka voidaan kuvitella moniksi sarjaan kytketyiksi virtapiireiksi.
Energia varastoituu induktanssiin, joka voidaan laskea seuraavasti: W=L*I2/2, jossa:
- W - energia, J;
- L - induktanssi, Gn;
- I on kelan virta, A.
Tässä tapauksessa energia on suoraan verrannollinen kelan induktanssiin.
Tärkeää! Tekniikassa induktanssilla tarkoitetaan myös laitetta, johon sähkökenttä varastoituu. Tätä määritelmää lähinnä oleva varsinainen elementti on induktorikela.
Yleinen kaava fyysisen kelan induktanssin laskemiseksi on monimutkainen ja käytännön laskelmien kannalta hankala. On hyödyllistä muistaa, että induktanssi on verrannollinen kierrosten lukumäärään, kelan halkaisijaan ja riippuu geometrisesta muodosta. Induktanssiin vaikuttaa myös sen ytimen magneettinen permeabiliteetti, johon kela on sijoitettu, mutta kelan läpi kulkeva virta ei vaikuta siihen. Induktanssin laskemiseksi on aina käytettävä kyseistä rakennetta varten annettuja kaavoja. Esimerkiksi sylinterimäisen kelan perusominaisuus lasketaan kaavalla:
L=μ*μ*(N2*S/l),
missä:
- μ on kelan ytimen suhteellinen magneettinen permeabiliteetti;
- μ - on magneettinen vakio, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - kierrosten lukumäärä;
- S - kelan pinta-ala
- l - kelan geometrinen pituus.
Sylinterimäisten käämien ja muiden käämien induktanssin laskemiseksi on parasta käyttää laskimia, myös verkkolaskimia.
Induktoreiden kytkeminen sarjaan ja rinnakkain
Induktanssit voidaan kytkeä sarjaan tai rinnakkain, jolloin saadaan aikaan joukko, jolla on uudet ominaisuudet.
Rinnakkaiskytkentä
Kun kelat on kytketty rinnakkain, kaikkien elementtien jännitteet ovat yhtä suuret ja virrat (vuorotellen) ovat kääntäen verrannollisia elementtien induktansseihin.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
Piirin kokonaisinduktanssi määritellään seuraavasti: 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Kaava pätee mille tahansa elementtien lukumäärälle, ja kahdelle kelalle se yksinkertaistuu muotoon L=L1*L2/(L1+L2). On selvää, että tuloksena oleva induktanssi on pienempi kuin sen elementin induktanssi, jonka induktanssi on pienin.
Sarjakytkentä
Tämäntyyppisessä kytkennässä sama virta kulkee käämeistä koostuvan piirin läpi, ja jännite (vaihtojännite!) jakautuu piirin jokaiselle komponentille suhteessa kunkin elementin induktanssiin:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
Kokonaisinduktanssi on yhtä suuri kuin kaikkien induktanssien summa, ja se on suurempi kuin sen elementin induktanssi, jonka arvo on suurin. Siksi tätä liitäntää käytetään, kun induktanssia on lisättävä.
Tärkeää! Kun keloja kytketään sarjaan tai rinnakkain, laskentakaavat ovat oikeita vain tapauksissa, joissa elementtien magneettikenttien keskinäinen vaikutus toisiinsa on eliminoitu (suojaus, suuret etäisyydet jne.). Jos vaikutus on olemassa, induktanssin kokonaisarvo riippuu kelojen keskinäisestä järjestelystä.
Joitakin käytännön kysymyksiä ja induktorikäämien suunnittelua koskevia ratkaisuja
Käytännössä käytetään erilaisia induktorikäämien malleja. Laitteita voidaan valmistaa eri tavoin käyttötarkoituksesta ja sovelluksesta riippuen, mutta todellisten kelojen vaikutukset on otettava huomioon.
Induktorikelan laatutekijä
Todellisella kelalla on induktanssin lisäksi useita parametreja, ja yksi tärkeimmistä on laatukerroin. Tämä arvo määrittää kelan häviöt ja riippuu:
- käämityslangan ohmiset häviöt (mitä suurempi vastus, sitä pienempi laatukerroin);
- Johdon ja käämikehyksen eristyksen dielektriset häviöt;
- suojata tappiot;
- Ydintappiot.
Kaikki nämä suureet määrittelevät häviöresistanssin, ja laatutekijä on dimensioton arvo, joka on Q=ωL/R-häviö, missä:
- ω = 2*π*F - ympyrätaajuus;
- L - induktanssi;
- ωL - kelan reaktanssi.
Karkeasti voidaan sanoa, että laatukerroin on yhtä suuri kuin reaktiivisen (induktiivisen) resistanssin ja aktiivisen resistanssin suhde. Toisaalta osoittaja kasvaa taajuuden kasvaessa, mutta samaan aikaan skin-ilmiön vuoksi myös häviöresistanssi kasvaa pienentämällä langan tehollista poikkileikkausta.
Ihon vaikutus
Vieraiden kappaleiden sekä sähkö- ja magneettikenttien vaikutuksen vähentämiseksi ja elementtien keskinäisen vaikutuksen vähentämiseksi näiden kenttien kautta käämit (erityisesti korkeataajuiset) sijoitetaan usein suojaan. Suojaus aiheuttaa hyödyllisen vaikutuksensa lisäksi kelan Q-arvon pienenemistä, induktanssin pienenemistä ja loiskapasitanssin kasvua. Lisäksi mitä lähempänä suojaseinät ovat kelan käämejä, sitä suurempi on haitallinen vaikutus. Suojakelat on siksi lähes aina suunniteltu säädettäviksi.
Säädettävä induktanssi
Joissakin tapauksissa on tarpeen asettaa induktanssiarvo tarkasti paikalleen sen jälkeen, kun kela on kytketty muihin piirielementteihin, jolloin virityspoikkeamat voidaan kompensoida. Tähän käytetään erilaisia menetelmiä (vaihtamalla kierroksia jne.), mutta tarkin ja sujuvin menetelmä on ydinsäätö. Tämä on tehty kierteitetyn tangon muodossa, jota voidaan kääntää sisään ja ulos kehyksen sisällä, jolloin kelan induktanssi voidaan säätää.
Muuttuva induktanssi (variometri)
Jos induktanssin tai induktiivisen kytkennän toiminnallinen säätö on tarpeen, käytetään erimallisia keloja. Niissä on kaksi käämiä, liikkuva käämi ja kiinteä käämi. Kokonaisinduktanssi on yhtä suuri kuin kahden kelan induktanssien ja niiden välisen keskinäisen induktanssin summa.
Kokonaisinduktanssin arvoa säädetään muuttamalla yhden kelan suhteellista asentoa toiseen. Tällaista laitetta kutsutaan variometriksi, ja sitä käytetään usein tietoliikennelaitteissa resonanssipiirien virittämiseen tapauksissa, joissa muuttuvia kondensaattoreita ei jostain syystä voida käyttää. Variometri on melko hankala, mikä rajoittaa sen käyttöä.
Induktanssi painetun kelan muodossa
Käämit, joilla on alhainen induktanssi, voidaan valmistaa painetuista johtimista muodostuvana spiraalina. Tämän rakenteen etuja ovat:
- valmistettavuus;
- korkea toistettavuus.
Haittapuolina ovat mahdottomuus hienosäätöön säädön aikana ja vaikeus saada suuria induktansseja - mitä suurempi induktanssi, sitä enemmän tilaa kela vie levyllä.
Kela, jossa on osittainen käämitys
Induktanssi ilman kapasitanssia on olemassa vain paperilla. Missä tahansa kelan fyysisessä toteutuksessa on välittömästi loiskapasitanssi kelan välissä. Tämä on monissa tapauksissa haitallinen ilmiö. Hajakapasitanssi lisää LC-piirin kapasitanssia, mikä vähentää resonanssitaajuutta ja värähtelevän järjestelmän laatutekijää. Kelalla on myös oma resonanssitaajuutensa, joka aiheuttaa ei-toivottuja ilmiöitä.
Hajakapasitanssin vähentämiseksi käytetään erilaisia menetelmiä, joista yksinkertaisin on käämittää induktori useisiin sarjaan kytkettyihin osiin. Tämäntyyppisessä kytkennässä induktanssit lasketaan yhteen ja kokonaiskapasitanssi pienenee.
Induktanssikela toroidisydämellä varustettuna
Sylinterimäisen induktorikelan magneettikentän linjat kulkevat kelan sisäpuolella (jos siinä on ydin, sen läpi) ja oikosulkevat ulospäin ilman läpi. Tästä aiheutuu useita haittoja
- induktanssi pienenee;
- kelan ominaisuudet ovat vähemmän laskettavissa;
- Kaikki ulkoiseen magneettikenttään joutuvat esineet muuttavat kelan parametreja (induktanssi, hajakapasitanssi, häviöt jne.), joten monissa tapauksissa tarvitaan suojausta.
Nämä haitat eivät juurikaan koske toroidiytimiin (rengas- tai "bagel"-muotoisiin) käämeihin käärittyjä käämejä. Magneettijohdot kulkevat ytimen sisällä suljettujen silmukoiden muodossa. Tämä tarkoittaa, että ulkoisilla esineillä ei ole käytännössä mitään vaikutusta tällaiseen ytimeen käämitetyn kelan parametreihin, eikä suojaus ole tarpeen tällaisessa rakenteessa. Induktanssi kasvaa myös, jos muut asiat ovat ennallaan, ja ominaisuudet ovat helpommin laskettavissa.
Yksi toroidikäämien haittapuolista on se, että niiden induktanssia on mahdotonta säätää tasaisesti paikan päällä. Toinen ongelma on käämityksen suuri työläys ja alhainen teknologia. Tämä pätee kuitenkin enemmän tai vähemmän kaikkiin induktiivisiin elementteihin yleensä.
Induktanssin fyysisen toteutuksen yleinen haittapuoli on myös suuri massa, suhteellisen alhainen luotettavuus ja huono huollettavuus.
Siksi tekniikassa pyritään luopumaan induktiivisista komponenteista. Tämä ei kuitenkaan ole aina mahdollista, joten käämikomponentteja käytetään lähitulevaisuudessa ja keskipitkällä aikavälillä.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
