Inductantie is een maat voor het vermogen van componenten in een elektrische stroomkring om magnetische veldenergie te verzamelen. Het is ook een maat voor de relatie tussen de stroom en het magnetisch veld. Het wordt ook vergeleken met de traagheid van elektriciteit, zoals het geval is met massa als maatstaf voor de traagheid van mechanische lichamen.
Inhoud
Het fenomeen van zelfinductie
Het verschijnsel zelfinductie doet zich voor wanneer de stroom die door een geleidende stroomkring loopt, in grootte varieert. In dit geval verandert de magnetische flux door de stroomkring, en ontstaat er een EMF, zelfinductie-EMF genaamd, aan de geleiders van het stroomvoerende frame. Deze EMF is tegengesteld aan de richting van de stroom en is gelijk aan:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Het is duidelijk dat de zelfinductie-EMF gelijk is aan de verandering van de magnetische flux ten gevolge van de verandering van de stroom die door de stroomkring loopt, en evenredig is met de verandering van de stroomsterkte. De evenredigheidscoëfficiënt tussen de EMF van de zelfinductie en de veranderingssnelheid van de stroom wordt inductantie genoemd en wordt aangeduid met L. Deze waarde is altijd positief en heeft een SI-eenheid van 1 Henry (1 Gn). Fractionele fracties - milligenerieën en microgenerieën - worden ook gebruikt. Er is sprake van een inductie van 1 Henry als een verandering van de stroomsterkte van 1 ampère een EMF van 1 Volt zelfinductie veroorzaakt. Niet alleen een stroomkring heeft inductantie, maar ook een enkele geleider en een spoel, die kunnen worden voorgesteld als een veelheid van stroomkringen in serie.
Energie wordt opgeslagen in inductantie, die kan worden berekend als W=L*I2/2, waar:
- W - energie, J;
- L - inductantie, Gn;
- I is de stroom in de spoel, A.
Hier is de energie recht evenredig met de inductie van de spoel.
Belangrijk! In de techniek verwijst inductantie ook naar het apparaat waarin het elektrische veld wordt opgeslagen. Het element dat het dichtst bij deze definitie komt is de spoel van de spoel.
De algemene formule voor het berekenen van de inductantie van een fysische spoel is complex en voor praktische berekeningen onhandig. Het is nuttig te bedenken dat de inductie evenredig is met het aantal windingen, de diameter van de spoel en afhankelijk is van de geometrische vorm. De inductantie wordt ook beïnvloed door de magnetische permeabiliteit van de kern waarop de spoel is geplaatst, maar wordt niet beïnvloed door de stroom die door de spoelen loopt. Voor de berekening van de inductantie moeten telkens de voor het specifieke ontwerp gegeven formules worden geraadpleegd. Bijvoorbeeld, voor een cilindrische spoel wordt zijn basiseigenschap berekend volgens de formule
L=μ*μ*(N2*S/l),
waar:
- μ de relatieve magnetische permeabiliteit van de spoelkern is;
- μ - is de magnetische constante, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - aantal omwentelingen;
- S - oppervlakte van de spoel
- l - geometrische lengte van de spoel.
Om de inductie voor cilindrische spoelen en andere spoelvormen te berekenen, kunt u het beste rekenmachines gebruiken, ook online.
Aansluiting van spoelen in serie en parallel
Inductanties kunnen in serie of parallel worden geschakeld, waardoor een set met nieuwe eigenschappen ontstaat.
Parallelle aansluiting
Wanneer de spoelen parallel geschakeld zijn, zijn de spanningen van alle elementen gelijk en de stromen (afwisselend) zijn omgekeerd evenredig met de inducties van de elementen.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
De totale inductie van een stroomkring is gedefinieerd als 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. De formule is geldig voor een willekeurig aantal elementen, en voor twee spoelen wordt ze vereenvoudigd tot L=L1*L2/(L1+L2). Het is duidelijk dat de resulterende inductie kleiner is dan de inductie van het element met de laagste
Aansluiting in serie
Bij dit type aansluiting vloeit dezelfde stroom door een stroomkring die uit spoelen bestaat, en de spanning (wisselstroom!) op elk onderdeel van de stroomkring wordt verdeeld in verhouding tot de inductie van elk element:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
De totale inductantie is gelijk aan de som van alle inductanties, en zal groter zijn dan de inductantie van het element met de hoogste waarde. Daarom wordt deze aansluiting gebruikt wanneer het nodig is de inductie te verhogen.
Belangrijk! Bij het aansluiten van spoelen in serie of parallel zijn de berekeningsformules alleen juist voor gevallen waarin de onderlinge invloed van de magnetische velden van de elementen op elkaar is uitgeschakeld (door afscherming, grote afstanden, enz.). Als er invloed is, dan zal de totale waarde van de inductie afhangen van de onderlinge opstelling van de spoelen.
Enkele praktische vraagstukken en ontwerpen van spoelspoelen
In de praktijk worden verschillende spoelontwerpen gebruikt. Afhankelijk van het doel en de toepassing kunnen toestellen op verschillende manieren worden gemaakt, maar er moet rekening worden gehouden met de effecten van echte spoelen.
Kwaliteitsfactor van een spoel
Een echte spoel heeft verschillende parameters naast de inductie, en een van de belangrijkste is de kwaliteitsfactor. Deze waarde bepaalt de verliezen in de spoel en is afhankelijk van:
- ohmse verliezen in de wikkeldraad (hoe hoger de weerstand, hoe lager de kwaliteitsfactor);
- Diëlektrische verliezen in de isolatie van de draad en het wikkelframe;
- schild verliezen;
- Kernverliezen.
Al deze grootheden bepalen de verliesweerstand, en de kwaliteitsfactor is een dimensieloze waarde die gelijk is aan Q=ωL/R verlies, waarbij:
- ω = 2*π*F - cirkelvormige frequentie;
- L - inductantie;
- ωL - spoelreactantie.
Grofweg kan worden gesteld dat de kwaliteitsfactor gelijk is aan de verhouding tussen de reactieve (inductieve) weerstand en de actieve weerstand. Enerzijds neemt de teller toe met toenemende frequentie, maar tegelijkertijd neemt, als gevolg van het skin-effect, de verliesweerstand ook toe doordat de effectieve doorsnede van de draad kleiner wordt.
Huideffect
Om de invloed van vreemde voorwerpen en van elektrische en magnetische velden en de wederzijdse beïnvloeding van elementen door deze velden te verminderen, worden spoelen (vooral hoogfrequente) vaak in een afscherming geplaatst. Afscherming heeft niet alleen een gunstig effect, maar veroorzaakt ook een afname van de Q-waarde van de spoel, een afname van de inductie en een toename van de parasitaire capaciteit. Bovendien geldt dat hoe dichter de afschermingswanden zich bij de spoelwindingen bevinden, hoe groter het nadelige effect. Afgeschermde spoelen zijn daarom bijna altijd ontworpen om instelbaar te zijn.
Instelbare inductantie
In sommige gevallen is het nodig de inductiewaarde nauwkeurig in te stellen nadat de spoel op andere schakelingselementen is aangesloten, ter compensatie van afstemmingsafwijkingen. Hiervoor worden verschillende methoden gebruikt (door de bochten te verwisselen enz.), maar de meest nauwkeurige en soepele methode is de kernafstelling. Deze wordt gemaakt in de vorm van een staaf met schroefdraad die in en uit het frame kan worden gedraaid, waardoor de inductie van de spoel wordt aangepast.
Veranderlijke inductantie (variometer)
Wanneer een operationele aanpassing van de inductantie of de inductieve koppeling vereist is, worden spoelen van een ander ontwerp gebruikt. Zij bevatten twee wikkelingen, een bewegende wikkeling en een stationaire wikkeling. De totale inductantie is gelijk aan de som van de inductanties van de twee spoelen en de onderlinge inductantie tussen beide.
Door de relatieve positie van de ene spoel ten opzichte van de andere te veranderen, wordt de totale inductiewaarde aangepast. Een dergelijk apparaat wordt variometer genoemd en wordt vaak gebruikt in communicatieapparatuur om resonantiekringen af te stemmen in gevallen waarin variabele condensatoren om de een of andere reden niet kunnen worden gebruikt. De variometer is vrij onhandig, wat het gebruik ervan beperkt.
Inductantie in de vorm van een gedrukte spoel
Spoelen met lage inductie kunnen worden gemaakt als een spiraal van gedrukte geleiders. De voordelen van dit ontwerp zijn:
- maakbaarheid;
- hoge herhaalbaarheid.
De nadelen zijn de onmogelijkheid van fijnafstelling tijdens de afstelling en de moeilijkheid om hoge inductanties te bereiken - hoe hoger de inductantie, hoe meer ruimte de spoel inneemt op de printplaat.
Spoel met sectionele wikkeling
Inductantie zonder capacitantie bestaat alleen op papier. Bij elke fysieke uitvoering van een spoel is er onmiddellijk een parasitaire tussen-spoel-capaciteit. Dit is in vele gevallen een schadelijk verschijnsel. De zwerfcapaciteit wordt opgeteld bij de capaciteit van het LC-circuit, waardoor de resonantiefrequentie en de kwaliteitsfactor van het oscillerende systeem worden verlaagd. De spoel heeft ook zijn eigen resonantiefrequentie die ongewenste verschijnselen veroorzaakt.
Om de zwerfcapaciteit te verminderen worden verschillende methoden gebruikt, waarvan de eenvoudigste is de spoel op te winden in meerdere in serie geschakelde secties. Bij dit type aansluiting worden de inducties bij elkaar opgeteld en wordt de totale capaciteit kleiner.
Inductiespoel op een ringkern
De magnetische veldlijnen van een cilindrische spoel lopen door de binnenkant van de spoel (als er een kern aanwezig is, dan er doorheen) en worden door de lucht naar buiten kortgesloten. Dit brengt verschillende nadelen met zich mee
- wordt de inductie verminderd;
- zijn de kenmerken van de spoel minder berekenbaar;
- Elk voorwerp dat in het externe magnetische veld wordt gebracht, verandert de spoelparameters (inductantie, zwerfcapaciteit, verliezen, enz.), zodat in veel gevallen afscherming nodig is.
Spoelen gewikkeld op ringkernen (in de vorm van een ring of "bagel") zijn grotendeels vrij van deze nadelen. De magnetische lijnen lopen in de kern in de vorm van gesloten lussen. Dit betekent dat externe objecten praktisch geen effect hebben op de parameters van een spoel die op een dergelijke kern is gewikkeld, en dat afscherming bij een dergelijk ontwerp niet nodig is. De inductie wordt ook groter, ceteris paribus, en de karakteristieken zijn gemakkelijker te berekenen.
Een van de nadelen van spoelen die op torussen zijn gewikkeld, is dat de inductie ter plaatse niet soepel kan worden aangepast. Een ander probleem is de hoge arbeidsintensiviteit en de lage technologie van het wikkelen. Dit geldt echter voor alle inductieve elementen in het algemeen, in meer of mindere mate.
Een veel voorkomend nadeel van de fysische uitvoering van inductie is de grote massa, de betrekkelijk geringe betrouwbaarheid en de geringe onderhoudbaarheid.
Daarom wordt in de technologie geprobeerd om inductieve componenten achterwege te laten. Dit is echter niet altijd mogelijk, zodat zowel binnen afzienbare tijd als op middellange termijn gebruik zal worden gemaakt van wikkelcomponenten.
Verwante artikelen:
