Induktivitāte ir elektriskās ķēdes komponentu spējas uzkrāt magnētiskā lauka enerģiju mērvienība. Tas ir arī strāvas un magnētiskā lauka attiecības mērs. To salīdzina arī ar elektrības inerci, tāpat kā masu, kas ir mehānisku ķermeņu inerces mērs.
Saturs
Pašindukcijas fenomens
Pašindukcijas parādība rodas, kad strāvas lielums, kas plūst caur vadošu ķēdi, mainās. Šādā gadījumā magnētiskā plūsma caur ķēdi mainās, un strāvas rāmja izejās rodas EML, ko sauc par pašindukcijas EML. Šis EML ir pretējs strāvas virzienam un ir vienāds ar:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Acīmredzot pašindukcijas EML ir vienāds ar magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrumu, ko izraisa caur ķēdi plūstošās strāvas izmaiņas, un ir arī proporcionāls strāvas izmaiņu ātrumam. Pašindukcijas EML un strāvas izmaiņu ātruma proporcionalitātes koeficientu sauc par induktivitāti, un to apzīmē ar L. Šī vērtība vienmēr ir pozitīva, un tās SI vienība ir 1 Henrijs (1 Gn). Tiek izmantotas arī frakcionālās frakcijas - miliģenerācijas un mikrogenerācijas. Var teikt, ka induktivitāte ir 1 Henrijs, ja 1 ampēra strāvas maiņa izraisa 1 volta pašindukcijas EML. Tā ir ne tikai ķēde, kurai ir induktivitāte, bet arī atsevišķs vadītājs un spole, ko var iedomāties kā virkni virkņu virkņu.
Enerģija tiek uzkrāta induktivitātē, ko var aprēķināt kā W=L*I2/2, kur:
- W - enerģija, J;
- L - induktivitāte, Gn;
- I ir strāva spolē, A.
Šeit enerģija ir tieši proporcionāla spoles induktivitātei.
Svarīgi! Inženierzinātnēs induktivitāte attiecas arī uz ierīci, kurā tiek saglabāts elektriskais lauks. Šai definīcijai vistuvāk esošais elements ir induktora spole.
Vispārējā formula fizikālās spoles induktivitātes aprēķināšanai ir sarežģīta un praktiskiem aprēķiniem neērta. Ir lietderīgi atcerēties, ka induktivitāte ir proporcionāla vijumu skaitam, spoles diametram un ir atkarīga no ģeometriskās formas. Induktivitāti ietekmē arī serdes, uz kuras atrodas spole, magnētiskā caurlaidība, bet to neietekmē caur spoli plūstošā strāva. Lai aprēķinātu induktivitāti, ikreiz ir jāizmanto formulas, kas dotas konkrētajam projektam. Piemēram, cilindriskai spolei tās pamatraksturojumu aprēķina pēc šādas formulas:
L=μ*μ*(N2*S/l),
kur:
- μ ir spoles serdes relatīvā magnētiskā caurlaidība;
- μ - ir magnētiskā konstante, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - pagriezienu skaits;
- S - spoles laukums
- l - spoles ģeometriskais garums.
Lai aprēķinātu induktivitāti cilindriskām spolēm un citām spoļu formām, vislabāk ir izmantot kalkulatorus, tostarp tiešsaistes kalkulatorus.
Sērijveida un paralēla induktoru savienošana
Induktivitātes var savienot virknē vai paralēli, veidojot komplektu ar jaunām īpašībām.
Paralēlais savienojums
Ja spoles ir savienotas paralēli, visu elementu spriegumi ir vienādi un strāvas (pārmaiņus) ir apgriezti proporcionālas elementu induktivitātēm.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
Ķēdes kopējo induktivitāti definē kā 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Formula ir derīga jebkuram elementu skaitam, un divām spolēm to var vienkāršot līdz L=L1*L2/(L1+L2). Ir acīmredzams, ka iegūtā induktivitāte ir mazāka par tā elementa induktivitāti, kuram ir zemākais induktivitātes koeficients.
Sērijveida savienojums
Izmantojot šāda veida savienojumu, viena un tā pati strāva plūst caur ķēdi, kas sastāv no spolēm, un spriegums (maiņstrāva!) katrā ķēdes elementā tiek sadalīts proporcionāli katra elementa induktivitātei:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
Kopējā induktivitāte ir vienāda ar visu induktivitāšu summu, un tā būs lielāka par tā elementa induktivitāti, kuram ir lielākā vērtība. Tāpēc šo savienojumu izmanto, ja nepieciešams palielināt induktivitāti.
Svarīgi! Savienojot spoles virknē vai paralēli, aprēķina formulas ir pareizas tikai gadījumos, kad elementu savstarpējā magnētisko lauku ietekme ir novērsta (ar ekranēšanu, lieliem attālumiem utt.). Ja ir ietekme, tad kopējā induktivitātes vērtība būs atkarīga no spoļu savstarpējā izvietojuma.
Daži praktiski jautājumi un induktoru spoļu konstrukcijas
Praksē tiek izmantotas dažādas induktora spoles konstrukcijas. Atkarībā no mērķa un pielietojuma ierīces var izgatavot dažādos veidos, taču jāņem vērā reālo spoļu ietekme.
Induktora spoles kvalitātes koeficients
Reālai spolei papildus induktivitātei ir vairāki parametri, un viens no svarīgākajiem ir kvalitātes koeficients. Šī vērtība nosaka zudumus spolē un ir atkarīga no:
- omiskie zudumi tinuma vadā (jo lielāka pretestība, jo zemāks kvalitātes koeficients);
- Dielektriskie zudumi vada izolācijā un tinuma rāmī;
- vairoga zaudējumi;
- Galvenie zaudējumi.
Visi šie lielumi nosaka zudumu pretestību, un kvalitātes koeficients ir bezizmēra vērtība, kas vienāda ar Q=ωL/R zudumi, kur:
- ω = 2*π*F - cirkulārā frekvence;
- L - induktivitāte;
- ωL - spoles reaktance.
Aptuveni var teikt, ka kvalitātes koeficients ir vienāds ar reaktīvās (induktīvās) pretestības attiecību pret aktīvo pretestību. No vienas puses, skaitītājs pieaug, palielinoties frekvencei, bet tajā pašā laikā ādas efekta dēļ, samazinoties vada efektīvajam šķērsgriezumam, pieaug arī zudumu pretestība.
Ādas efekts
Lai samazinātu svešķermeņu, kā arī elektrisko un magnētisko lauku ietekmi un elementu savstarpējo ietekmi caur šiem laukiem, spoles (īpaši augstfrekvences) bieži vien ievieto vairogā. Papildus labvēlīgajai ietekmei ekranēšana izraisa spoles Q vērtības samazināšanos, induktivitātes samazināšanos un parazītiskās kapacitātes palielināšanos. Turklāt, jo tuvāk vairoga sieniņas ir spoles tinumiem, jo lielāka ir kaitīgā ietekme. Tāpēc ekranētās spoles gandrīz vienmēr ir veidotas tā, lai tās būtu regulējamas.
Regulējama induktivitāte
Dažos gadījumos ir nepieciešams precīzi iestatīt induktivitātes vērtību pēc spoles savienošanas ar citiem ķēdes elementiem, kompensējot regulēšanas novirzes. Šim nolūkam tiek izmantotas dažādas metodes (pagriezienu pārslēgšana utt.), bet visprecīzākā un vienmērīgākā metode ir serdes regulēšana. Tas ir izgatavots vītņota stieņa formā, ko var pagriezt un izlocīt rāmja iekšpusē, pielāgojot spoles induktivitāti.
Mainīga induktivitāte (variometrs)
Ja nepieciešama induktivitātes vai induktīvās sakabes regulēšana, tiek izmantotas atšķirīgas konstrukcijas spoles. Tajos ir divi tinumi - kustīgais tinums un stacionārais tinums. Kopējā induktivitāte ir vienāda ar abu spoļu induktivitāšu un savstarpējās induktivitātes starp tām summu.
Mainot vienas spoles relatīvo stāvokli attiecībā pret otru, tiek pielāgota kopējā induktivitātes vērtība. Šādu ierīci sauc par variometru, un to bieži izmanto sakaru iekārtās, lai regulētu rezonanses ķēdes gadījumos, kad kādu iemeslu dēļ nevar izmantot mainīgos kondensatorus. Variometrs ir diezgan apgrūtinošs, kas ierobežo tā izmantošanu.
Induktivitāte drukātas spoles veidā
Spirāles ar zemu induktivitāti var izgatavot kā spirāli no iespiestiem vadītājiem. Šīs konstrukcijas priekšrocības ir šādas:
- izgatavojamība;
- augsta atkārtojamība.
Trūkumi ir tie, ka regulēšanas laikā nav iespējams veikt precīzu regulēšanu un ir grūti sasniegt augstu induktivitāti - jo augstāka induktivitāte, jo vairāk vietas spole aizņem uz plates.
Spoles ar sekciju tinumu
Induktivitāte bez kapacitātes pastāv tikai uz papīra. Jebkurā fiziskā spoles izpildījumā uzreiz rodas parazītiska starpspoļu kapacitāte. Daudzos gadījumos tā ir kaitīga parādība. Klaiņojošā kapacitāte papildina LC ķēdes kapacitāti, samazinot rezonanses frekvenci un svārstību sistēmas kvalitātes koeficientu. Arī spolei ir sava rezonanses frekvence, kas izraisa nevēlamas parādības.
Lai samazinātu izkliedēto kapacitāti, tiek izmantotas dažādas metodes, no kurām vienkāršākā ir induktora tinums vairākās secīgi savienotās sekcijās. Izmantojot šāda veida savienojumu, induktivitātes tiek saskaitītas kopā, un kopējā kapacitāte tiek samazināta.
Induktivitātes spole uz toroidālā serdeņa
Cilindriskas induktora spoles magnētiskā lauka līnijas ved caur spoles iekšpusi (ja ir serde, tad caur to) un tiek īssavienotas uz āru caur gaisu. Šis fakts ir saistīts ar vairākiem trūkumiem
- induktivitāte tiek samazināta;
- spoles raksturlielumi ir mazāk aprēķināmi;
- Jebkurš objekts, kas nonāk ārējā magnētiskajā laukā, maina spoles parametrus (induktivitāte, klaiņojošā kapacitāte, zudumi utt.), tāpēc daudzos gadījumos ir nepieciešama ekranēšana.
Spoles, kas uztītas uz toroidāliem serdeņiem (gredzena vai "maisiņa" formā), ir lielā mērā brīvas no šiem trūkumiem. Magnētiskās līnijas kodola iekšpusē iet slēgtu cilpu veidā. Tas nozīmē, ka ārējie objekti praktiski neietekmē uz šādas serdes uztītas spoles parametrus, un šādai konstrukcijai nav nepieciešama ekranēšana. Induktivitāte arī ir palielināta, pārējiem faktoriem paliekot vienādiem, un raksturlielumus ir vieglāk aprēķināt.
Viens no toroidālo spoļu trūkumiem ir tas, ka to induktivitāti nav iespējams vienmērīgi regulēt uz vietas. Vēl viena problēma ir lielā darbietilpība un zemā tehnoloģijas pakāpe. Tomēr tas lielākā vai mazākā mērā attiecas uz visiem induktīvajiem elementiem kopumā.
Arī induktivitātes fiziskās realizācijas kopējais trūkums ir lielie masas izmēri, relatīvi zemā uzticamība un zemā uzturēšanas spēja.
Tāpēc tehnoloģijā tiek mēģināts novērst induktīvos komponentus. Taču tas ne vienmēr ir iespējams, tāpēc gan tuvākajā nākotnē, gan vidējā termiņā tiks izmantoti tinuma komponenti.
Saistītie raksti:
