Induktivnost je merilo sposobnosti komponent v električnem vezju, da shranijo energijo magnetnega polja. Je tudi merilo razmerja med tokom in magnetnim poljem. Primerjajo jo tudi z vztrajnostjo elektrike, saj je masa merilo vztrajnosti mehanskih teles.
Vsebina
Fenomen samoindukcije
Če se jakost toka, ki teče skozi prevodno vezje, spreminja, pride do pojava samoindukcije. V tem primeru se spremeni magnetni tok skozi tokokrog in na vodnikih tokovnega okvirja nastane EMF, imenovan EMF samoindukcije. Ta EMF je nasproten smeri toka in je enak:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Očitno je samoindukcijska EMF enaka hitrosti spremembe magnetnega pretoka, ki jo povzroči sprememba toka, ki teče skozi vezje, in je tudi sorazmerna s hitrostjo spremembe toka.Koeficient sorazmernosti med EMF samoindukcije in hitrostjo spremembe toka se imenuje induktivnost in je označen z L. Ta vrednost je vedno pozitivna in ima enoto SI 1 Henry (1 Gn). Uporabljajo se tudi frakcijski ulomki, miligenerije in mikrogenerije. O induktivnosti 1 Henryja lahko govorimo, če sprememba toka 1 ampera povzroči EMF 1 volta samoindukcije. Induktivnost nima le vezje, ampak tudi en sam vodnik in tuljava, ki ju lahko predstavimo kot sklop tokokrogov v seriji.
Energija je shranjena v induktivnosti, ki jo lahko izračunamo kot W=L*I2/2, kjer je:
- W - energija, J;
- L - induktivnost, Gn;
- I - tok v tuljavi, A.
In tukaj je energija neposredno sorazmerna z induktivnostjo tuljave.
Pomembno! V tehniki se induktivnost nanaša tudi na napravo, v kateri je shranjeno električno polje. Pravi element, ki je najbližje tej definiciji, je induktorska tuljava.
Splošna formula za izračun induktivnosti fizične tuljave ima zapleteno obliko in je neprijetna za praktične izračune. Koristno je vedeti, da je induktivnost sorazmerna s številom obratov, premerom tuljave in je odvisna od geometrijske oblike. Na induktivnost vpliva tudi magnetna prepustnost jedra, na katerem je tuljava, ne vpliva pa tok, ki teče skozi tuljave. Če želite izračunati induktivnost, se morate vsakič sklicevati na dane formule za določeno zasnovo. Tako se za cilindrično tuljavo njegova osnovna karakteristika izračuna po formuli:
L=μ*μ*(N2*S/l),
Kje:
- μ je relativna magnetna prepustnost jedra tuljave;
- μ - magnetna konstanta, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - število obratov;
- S - območje tuljave;
- l - geometrijska dolžina tuljave.
Za izračun induktivnosti za cilindrično tuljavo in druge oblike tuljav je bolje uporabiti programe za računanje, vključno s spletnimi kalkulatorji.
Vezava induktivnosti zaporedno in vzporedno
Induktivnosti se lahko povežejo zaporedno ali vzporedno, kar ustvari niz z novimi značilnostmi.
Vzporedna povezava
Pri vzporedni povezavi tuljav so napetosti na vseh elementih enake in tokovi (izmenično) so obratno sorazmerne z induktivnostmi elementov.
- U=U1=U2=U3;
- jaz=jaz1+jaz2+jaz3.
Celotna induktivnost vezja je definirana kot 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Formula velja za poljubno število elementov, za dve tuljavi pa je poenostavljena na obliko L=L1*L2/(L1+L2). Očitno je, da je nastala induktivnost manjša od induktivnosti elementa z najnižjo
Serijska povezava
Pri tej vrsti povezave teče enak tok skozi vezje, sestavljeno iz tuljav, napetost (AC!) na vsaki komponenti vezja pa se porazdeli sorazmerno z induktivnostjo vsakega elementa:
- U=U1+U2+U3;
- jaz=jaz1=jaz2=jaz3.
Skupna induktivnost je enaka vsoti vseh induktivnosti in bo večja od induktivnosti elementa z najvišjo vrednostjo. Zato se ta povezava uporablja, ko je potrebno doseči povečanje induktivnosti.
Pomembno! Pri vezavi tuljav v zaporedno ali vzporedno baterijo veljajo formule za izračun samo za primere, ko je izključen medsebojni vpliv magnetnih polj elementov drug na drugega (zaščita, velika razdalja itd.). Če vpliv obstaja, bo skupna vrednost induktivnosti odvisna od medsebojne razporeditve tuljav.
Nekaj praktičnih vprašanj in zasnov induktorskih tuljav
V praksi se uporabljajo različne izvedbe induktorskih tuljav. Glede na namen in uporabo je naprava lahko izdelana na različne načine, vendar je treba upoštevati učinke, ki se pojavljajo v realnih tuljavah.
Faktor kakovosti induktorske tuljave
Prava tuljava ima poleg induktivnosti več parametrov, eden najpomembnejših pa je kakovostni faktor. Ta vrednost določa izgube v tuljavi in je odvisna od:
- ohmske izgube v navitni žici (večji kot je upor, nižji je faktor kakovosti);
- Dielektrične izgube v izolaciji žice in okvirja navitja;
- izgube v ščitu;
- Izgube jedra.
Vse te količine določajo odpornost proti izgubi, faktor kakovosti pa je brezdimenzijska vrednost, ki je enaka izgubi Q=ωL/R, kjer je:
- ω = 2*π*F - krožna frekvenca;
- L - induktivnost;
- ωL - reaktanca tuljave.
V grobem lahko rečemo, da je faktor kakovosti enak razmerju med reaktivnim (induktivnim) uporom in aktivnim uporom. Po eni strani se z naraščajočo frekvenco povečuje števec, hkrati pa zaradi skin efekta narašča tudi izgubna upornost zaradi zmanjšanja uporabnega prereza žice.
Učinek kože
Da bi zmanjšali vpliv tujkov ter električnih in magnetnih polj ter medsebojnega vplivanja elementov skozi ta polja, so tuljave (zlasti visokofrekvenčne) pogosto nameščene v oklopu. Poleg uporabnega učinka oklop povzroči zmanjšanje Q-faktorja tuljave, zmanjša njeno induktivnost in poveča parazitsko kapacitivnost. Poleg tega, bližje kot so stene ščita vrtenju tuljave, večji je škodljiv učinek. Zato so oklopljene tuljave skoraj vedno izdelane z možnostjo prilagajanja parametrov.
Nastavljiva induktivnost
V nekaterih primerih je treba po priključitvi tuljave na druge elemente vezja natančno nastaviti vrednost induktivnosti, ki kompenzira odstopanje parametrov med uglaševanjem. Za to se uporabljajo različne metode (preklapljanje obratov itd.), vendar je najbolj natančna in gladka metoda nastavitev z jedrom.Izdelan je v obliki navojne palice, ki jo je mogoče priviti in izvleči znotraj okvirja ter tako prilagoditi induktivnost tuljave.
Spremenljiva induktivnost (variometer)
Kadar je potrebna nastavitev delovanja induktivnosti ali induktivne sklopke, se uporabi drugačna zasnova tuljave. Vsebujejo dve navitji, gibljivo navitje in mirujoče navitje. Skupna induktivnost je enaka vsoti induktivnosti obeh tuljav in medsebojne induktivnosti med njima.
S spreminjanjem relativnega položaja ene tuljave na drugo se prilagodi skupna vrednost induktivnosti. Takšna naprava se imenuje variometer in se pogosto uporablja v komunikacijski opremi za nastavitev resonančnih vezij v primerih, ko je uporaba kondenzatorjev spremenljive kapacitete iz nekega razloga nemogoča. Variometer je precej okoren, kar omejuje njegovo področje uporabe.
Induktivnost v obliki tiskane tuljave
Tuljave z nizko induktivnostjo so lahko izdelane v obliki spirale tiskanih vodnikov. Prednosti takšne zasnove so:
- izdelljivost;
- visoka ponovljivost parametrov.
Slabosti so nezmožnost natančne nastavitve med nastavljanjem in težave pri pridobivanju velikih vrednosti induktivnosti - večja kot je induktivnost, več prostora zavzame tuljava na plošči.
Tuljava s sekcijskim navitjem
Induktivnost brez kapacitivnosti se zgodi samo na papirju. Pri kateri koli fizični izvedbi tuljave takoj pride do parazitske kapacitivnosti med navitji. To je v mnogih primerih škodljiv pojav. Potepuška kapacitivnost se sešteje s kapacitivnostjo LC-vezja, kar zmanjša resonančno frekvenco in faktor kakovosti nihajnega sistema. Tudi tuljava ima lastno resonančno frekvenco, ki povzroča neželene pojave.
Za zmanjšanje blodeče kapacitivnosti se uporabljajo različne metode, od katerih je najenostavnejša navijanje induktorjev v obliki več zaporedno povezanih odsekov. S to povezavo se induktivnosti seštejejo, skupna kapacitivnost pa se zmanjša.
Induktivna tuljava na toroidnem jedru
Magnetne silnice cilindrične induktorske tuljave potekajo skozi notranjost tuljave (če obstaja jedro, potem skozi njo) in so v kratkem stiku skozi zrak. To dejstvo prinaša več pomanjkljivosti:
- Induktivnost se zmanjša;
- značilnosti tuljave so manj izračunljive;
- kateri koli predmet, ki je vnesen v zunanje magnetno polje, spremeni parametre tuljave (induktivnost, parazitsko kapacitivnost, izgube itd.), zato je v mnogih primerih potrebna zaščita.
Tuljave, navite na toroidna jedra (v obliki obroča ali "bagel"), so večinoma brez teh pomanjkljivosti. Magnetne linije potekajo znotraj jedra v obliki zaprtih zank. To pomeni, da zunanji predmeti skoraj ne vplivajo na parametre tuljave, navite na takšno jedro, in oklop za takšno zasnovo ni potreben. Prav tako se poveča induktivnost, pri čemer so vsi ostali parametri enaki, in karakteristike so lažje izračunane.
Pomanjkljivosti tuljav, navitih na toruse, vključujejo nezmožnost gladkega prilagajanja induktivnosti na mestu. Druga težava je visoka delovna intenzivnost in nizka proizvodnost navijanja. Vendar to v večji ali manjši meri velja za vse induktivne elemente na splošno.
Tudi pogosta pomanjkljivost fizične izvedbe induktivnosti so velike masne dimenzije, relativno nizka zanesljivost in nizka vzdržljivost.
Zato se v tehniki poskušajo znebiti induktivnih komponent. Vendar to ni vedno mogoče, zato se bodo komponente za navijanje uporabljale tako v bližnji prihodnosti kot v srednjeročnem obdobju.
Povezani članki:
