Indukčnosť je miera schopnosti súčiastok v elektrickom obvode zhromažďovať energiu magnetického poľa. Je to tiež miera vzťahu medzi prúdom a magnetickým poľom. Porovnáva sa aj so zotrvačnosťou elektriny, podobne ako v prípade hmotnosti ako miery zotrvačnosti mechanických telies.
Obsah
Fenomén samoindukcie
K javu samoindukcie dochádza vtedy, keď sa mení veľkosť prúdu pretekajúceho vodivým obvodom. V tomto prípade sa magnetický tok v obvode mení a na výstupoch prúdového rámu vzniká EMP nazývané samoindukčné EMP. Toto EMF je opačné ako smer prúdu a rovná sa:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Je zrejmé, že samoindukčné EMP sa rovná rýchlosti zmeny magnetického toku spôsobenej zmenou prúdu pretekajúceho obvodom a je tiež úmerné rýchlosti zmeny prúdu. Koeficient úmernosti medzi EMF vlastnej indukcie a rýchlosťou zmeny prúdu sa nazýva indukčnosť a označuje sa L. Táto hodnota je vždy kladná a má jednotku SI 1 Henry (1 Gn). Používajú sa aj zlomkové frakcie - miligenerácie a mikrogenerácie. O indukčnosti 1 Henryho možno hovoriť, ak zmena prúdu o 1 ampér spôsobí EMF o hodnote 1 volt vlastnej indukcie. Indukčnosť má nielen obvod, ale aj jeden vodič a cievka, ktoré si možno predstaviť ako množstvo sériovo zapojených obvodov.
Energia je uložená v indukčnosti, ktorú možno vypočítať ako W=L*I2/2, kde:
- W - energia, J;
- L - indukčnosť, Gn;
- I je prúd v cievke, A.
Energia je tu priamo úmerná indukčnosti cievky.
Dôležité! V technike je indukčnosť tiež zariadenie, v ktorom je uložené elektrické pole. Skutočným prvkom, ktorý je najbližšie k tejto definícii, je indukčná cievka.
Všeobecný vzorec na výpočet indukčnosti fyzikálnej cievky je zložitý a pre praktické výpočty nevýhodný. Je užitočné si uvedomiť, že indukčnosť je úmerná počtu závitov, priemeru cievky a závisí od geometrického tvaru. Indukčnosť je ovplyvnená aj magnetickou permeabilitou jadra, na ktorom je cievka umiestnená, ale nie je ovplyvnená prúdom, ktorý preteká cievkami. Pri výpočte indukčnosti je potrebné vždy vychádzať zo vzorcov uvedených pre konkrétnu konštrukciu. Napríklad pre valcovú cievku sa jej základná charakteristika vypočíta podľa vzorca:
L=μ*μ*(N2*S/l),
kde:
- μ je relatívna magnetická permeabilita jadra cievky;
- μ - je magnetická konštanta, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - počet otáčok;
- S - plocha cievky
- l - geometrická dĺžka cievky.
Na výpočet indukčnosti valcových cievok a iných tvarov cievok je najlepšie použiť kalkulačky vrátane online kalkulačiek.
Sériové a paralelné zapojenie induktorov
Indukčnosti možno zapojiť sériovo alebo paralelne, čím sa vytvorí sústava s novými charakteristikami.
Paralelné pripojenie
Keď sú cievky zapojené paralelne, napätia všetkých prvkov sú rovnaké a prúdy (striedanie) sú nepriamo úmerné indukčnosti prvkov.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
Celková indukčnosť obvodu je definovaná ako 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Vzorec platí pre ľubovoľný počet prvkov a pre dve cievky je zjednodušený na L=L1*L2/(L1+L2). Je zrejmé, že výsledná indukčnosť je menšia ako indukčnosť prvku s najnižšou
Sériové zapojenie
Pri tomto type zapojenia preteká obvodom zloženým z cievok rovnaký prúd a napätie (striedavé!) na každom prvku v obvode je rozložené úmerne indukčnosti každého prvku:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
Celková indukčnosť sa rovná súčtu všetkých indukčností a bude väčšia ako indukčnosť prvku s najvyššou hodnotou. Preto sa toto zapojenie používa, keď je potrebné zvýšiť indukčnosť.
Dôležité! Pri sériovom alebo paralelnom zapojení cievok sú výpočtové vzorce správne len v prípadoch, keď je vzájomný vplyv magnetických polí prvkov na seba eliminovaný (tienením, veľkými vzdialenosťami atď.). Ak existuje vplyv, potom celková hodnota indukčnosti závisí od vzájomného usporiadania cievok.
Niektoré praktické otázky a návrhy cievok induktora
V praxi sa používajú rôzne konštrukcie indukčných cievok. V závislosti od účelu a použitia môžu byť zariadenia vyrobené rôznymi spôsobmi, ale musia sa zohľadniť účinky skutočných cievok.
Koeficient kvality cievky induktora
Skutočná cievka má okrem indukčnosti niekoľko parametrov a jedným z najdôležitejších je faktor kvality. Táto hodnota určuje straty v cievke a závisí od:
- ohmické straty vo vinutí (čím vyšší odpor, tým nižší faktor kvality);
- Dielektrické straty v izolácii vodiča a v ráme vinutia;
- straty štítu;
- Straty jadra.
Všetky tieto veličiny definujú stratový odpor a faktor kvality je bezrozmerná hodnota rovnajúca sa Q=ωL/R straty, kde:
- ω = 2*π*F - kruhová frekvencia;
- L - indukčnosť;
- ωL - reaktancia cievky.
Zhruba možno povedať, že činiteľ kvality sa rovná pomeru jalového (indukčného) odporu k činnému odporu. Na jednej strane čitateľ rastie s rastúcou frekvenciou, ale zároveň v dôsledku kožného efektu rastie aj stratový odpor, pretože sa zmenšuje účinný prierez vodiča.
Účinok na pokožku
Na zníženie vplyvu cudzích telies, ako aj elektrických a magnetických polí a vzájomného ovplyvňovania prvkov týmito poľami sa cievky (najmä vysokofrekvenčné) často umiestňujú do tienenia. Okrem priaznivého účinku spôsobuje tienenie zníženie hodnoty Q cievky, zníženie indukčnosti a zvýšenie parazitnej kapacity. Okrem toho, čím bližšie sú steny tienenia k vinutiam cievky, tým väčší je škodlivý účinok. Tienené cievky sú preto takmer vždy navrhnuté tak, aby boli nastaviteľné.
Nastaviteľná indukčnosť
V niektorých prípadoch je potrebné presne nastaviť hodnotu indukčnosti na mieste po pripojení cievky k ostatným prvkom obvodu a kompenzovať odchýlky ladenia. Používajú sa na to rôzne metódy (prepínanie otáčok atď.), ale najpresnejšou a najplynulejšou metódou je nastavenie jadra. Tá je vyrobená vo forme závitovej tyče, ktorú možno v ráme otáčať dovnútra a von, čím sa upravuje indukčnosť cievky.
Variabilná indukčnosť (variometer)
Tam, kde sa vyžaduje prevádzkové nastavenie indukčnosti alebo indukčnej väzby, sa používajú cievky inej konštrukcie. Obsahujú dve vinutia, pohyblivé vinutie a stacionárne vinutie. Celková indukčnosť sa rovná súčtu indukčností oboch cievok a vzájomnej indukčnosti medzi nimi.
Zmenou relatívnej polohy jednej cievky voči druhej sa upravuje celková hodnota indukčnosti. Takéto zariadenie sa nazýva variometer a často sa používa v komunikačných zariadeniach na ladenie rezonančných obvodov v prípadoch, keď sa z nejakého dôvodu nemôžu použiť premenlivé kondenzátory. Variometer je pomerne ťažkopádny, čo obmedzuje jeho použitie.
Indukčnosť vo forme tlačenej cievky
Cievky s nízkou indukčnosťou možno vyrobiť ako špirálu z tlačených vodičov. Výhody tejto konštrukcie sú:
- vyrobiteľnosť;
- vysoká opakovateľnosť.
Nevýhodou je nemožnosť jemného doladenia počas nastavovania a ťažkosti pri dosahovaní vysokých indukčností - čím vyššia je indukčnosť, tým viac miesta zaberá cievka na doske.
Cievka so sekcionálnym vinutím
Indukčnosť bez kapacity existuje len na papieri. Pri akejkoľvek fyzickej realizácii cievky okamžite vzniká parazitná kapacita medzi cievkami. V mnohých prípadoch je to škodlivý jav. Bludná kapacita sa pridáva ku kapacite LC-obvodu, čím sa znižuje rezonančná frekvencia a faktor kvality oscilujúceho systému. Cievka má tiež vlastnú rezonančnú frekvenciu, ktorá spôsobuje nežiaduce javy.
Na zníženie bludnej kapacity sa používajú rôzne metódy, z ktorých najjednoduchšia je vinutie induktora v niekoľkých sekciách spojených do série. Pri tomto type zapojenia sa indukčnosti sčítajú a celková kapacita sa zníži.
Indukčná cievka na toroidnom jadre
Magnetické siločiary valcovej indukčnej cievky vedú cez vnútro cievky (ak je prítomné jadro, tak cez neho) a sú skratované smerom von vzduchom. Táto skutočnosť má niekoľko nevýhod
- indukčnosť sa zníži;
- vlastnosti cievky sú menej vypočítateľné;
- Akýkoľvek predmet zavedený do vonkajšieho magnetického poľa mení parametre cievky (indukčnosť, parazitná kapacita, straty atď.), takže v mnohých prípadoch je potrebné tienenie.
Cievky navinuté na toroidných jadrách (v tvare prstenca alebo "bagelu") sú z veľkej časti zbavené týchto nevýhod. Magnetické čiary prebiehajú vo vnútri jadra v podobe uzavretých slučiek. To znamená, že vonkajšie predmety nemajú prakticky žiadny vplyv na parametre cievky navinutej na takomto jadre a pre takúto konštrukciu nie je potrebné tienenie. Indukčnosť je tiež zvýšená, ostatné veci sú rovnaké, a charakteristiky sú ľahšie vypočítateľné.
Jednou z nevýhod cievok navinutých na torzoch je nemožnosť plynulého nastavenia indukčnosti na mieste. Ďalším problémom je vysoká prácnosť a nízka technológia navíjania. To však platí vo väčšej či menšej miere pre všetky indukčné prvky všeobecne.
Častou nevýhodou fyzikálnej realizácie indukčnosti sú aj veľké hmotnostné rozmery, relatívne nízka spoľahlivosť a nízka udržiavateľnosť.
Preto sa v technológii snažíme upustiť od indukčných súčiastok. Nie vždy je to však možné, preto sa v dohľadnej budúcnosti aj v strednodobom horizonte budú používať vinuté komponenty.
Súvisiace články:
