Induktans är ett mått på förmågan hos komponenter i en elektrisk krets att samla magnetisk fältenergi. Det är också ett mått på förhållandet mellan strömmen och magnetfältet. Den jämförs också med elektricitetens tröghet, på samma sätt som massan är ett mått på mekaniska kroppars tröghet.
Innehåll
Fenomenet självinduktion
Fenomenet självinduktion uppstår när strömmen som flyter genom en ledande krets varierar i storlek. I detta fall ändras det magnetiska flödet genom kretsen och en EMF som kallas självinduktions-EMF uppstår vid ledningarna till den strömförande ramen. Denna EMF är motsatt till strömriktningen och är lika med:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Självklart är den självinducerande elektromagnetiska kraften lika med förändringen av det magnetiska flödet som orsakas av förändringen av den ström som flyter genom kretsen, och är också proportionell mot förändringen av strömmen. Proportionalitetskoefficienten mellan EMF för självinduktion och strömens förändringshastighet kallas induktans och betecknas med L. Detta värde är alltid positivt och har SI-enheten 1 Henry (1 Gn). Bråkfraktioner - milligenerier och mikrogenerier - används också. En induktans på 1 Henry kan sägas vara om en förändring av strömmen på 1 ampere orsakar en EMF på 1 volt av självinduktion. Det är inte bara en krets som har induktans, utan även en enskild ledare och en spole, som kan föreställas som en mängd kretsar i serie.
Energi lagras i induktansen, som kan beräknas som W=L*I2/2, där:
- W - energi, J;
- L - induktans, Gn;
- I är strömmen i spolen, A.
Här är energin direkt proportionell mot spolens induktans.
Viktigt! Inom tekniken hänvisar induktans också till den anordning i vilken det elektriska fältet lagras. Det element som ligger närmast denna definition är spolen.
Den allmänna formeln för att beräkna induktansen hos en fysisk spole är komplicerad och för praktiska beräkningar obekväm. Det är bra att komma ihåg att induktansen är proportionell mot antalet varv, spolens diameter och beror på den geometriska formen. Induktansen påverkas också av den magnetiska permeabiliteten hos den kärna som spolen är placerad på, men påverkas inte av strömmen som flyter genom spolarna. För att beräkna induktansen måste formlerna för den specifika konstruktionen användas varje gång. För en cylindrisk spole beräknas till exempel dess grundläggande egenskaper enligt följande formel:
L=μ*μ*(N2*S/l),
där:
- μ är den relativa magnetiska permeabiliteten hos spolkärnan;
- μ - är den magnetiska konstanten, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - antal varv;
- S - spolens area
- l - spolens geometriska längd.
För att beräkna induktansen för cylindriska spolar och andra spolformer är det bäst att använda kalkylatorer, även online-kalkylatorer.
Anslutning av induktorer i serie och parallellt
Induktanser kan kopplas i serie eller parallellt och skapa en uppsättning med nya egenskaper.
Parallellanslutning
När spolarna är parallellkopplade är spänningarna i alla element lika stora och strömmarna (växelvis) är omvänt proportionella mot elementens induktanser.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
Den totala induktansen i en krets definieras som 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Formeln är giltig för alla antal element och för två spolar förenklas den till L=L1*L2/(L1+L2). Det är uppenbart att den resulterande induktansen är mindre än induktansen hos det element som har den lägsta induktansen.
Anslutning i serie
Med den här typen av anslutning flyter samma ström genom en krets som består av spolar, och spänningen (växelström!) på varje komponent i kretsen fördelas i proportion till induktansen hos varje element:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
Den totala induktansen är lika med summan av alla induktanser och kommer att vara större än induktansen hos elementet med det högsta värdet. Därför används denna anslutning när det är nödvändigt att öka induktansen.
Viktigt! Vid serie- eller parallellkoppling av spolar är beräkningsformlerna endast korrekta i de fall då den ömsesidiga påverkan av elementens magnetfält på varandra är eliminerad (genom avskärmning, stora avstånd etc.). Om det finns ett inflytande beror det totala värdet av induktansen på spolarnas inbördes placering.
Några praktiska frågor och konstruktioner av induktorslingor
I praktiken används olika spolkonstruktioner. Beroende på syfte och tillämpning kan anordningar tillverkas på olika sätt, men effekterna av verkliga spolar måste beaktas.
Kvalitetsfaktor för en induktorspole
En riktig spole har flera parametrar utöver induktansen, och en av de viktigaste är kvalitetsfaktorn. Detta värde bestämmer förlusterna i spolen och beror på:
- Ohmska förluster i lindningstråden (ju högre motstånd, desto lägre kvalitetsfaktor);
- Dielektriska förluster i isoleringen av tråden och lindningsramen;
- Skyddsförluster;
- Förluster i kärnan.
Alla dessa storheter definierar förlustmotståndet, och kvalitetsfaktorn är ett dimensionslöst värde som är lika med Q=ωL/R-förlust, där:
- ω = 2*π*F - cirkulär frekvens;
- L - induktans;
- ωL - spolreaktans.
Man kan grovt säga att kvalitetsfaktorn är lika med förhållandet mellan det reaktiva (induktiva) motståndet och det aktiva motståndet. Å ena sidan ökar täljaren med ökande frekvens, men på grund av skin-effekten ökar samtidigt förlustmotståndet genom att trådens effektiva tvärsnitt minskar.
Effekter på huden
För att minska påverkan från främmande kroppar samt elektriska och magnetiska fält och elementens ömsesidiga påverkan genom dessa fält placeras spolar (särskilt högfrekventa spolar) ofta i en sköld. Förutom den positiva effekten orsakar avskärmning en minskning av spolens Q-värde, en minskning av induktansen och en ökning av den parasitära kapacitansen. Ju närmare sköldväggarna är spollindningarna, desto större är den skadliga effekten. Skärmade spolar är därför nästan alltid konstruerade för att kunna justeras.
Justerbar induktans
I vissa fall är det nödvändigt att exakt ställa in induktansvärdet på plats efter att ha kopplat spolen till andra kretselement, för att kompensera för avvikelser i avstämningen. Olika metoder används för detta (genom att byta varv etc.), men den mest exakta och smidiga metoden är kärnjusteringen. Den är gjord i form av en gängad stång som kan vridas in och ut i ramen och justera spolens induktans.
Variabel induktans (variometer)
När det krävs en operativ justering av induktansen eller den induktiva kopplingen används spolar av en annan konstruktion. De innehåller två lindningar, en rörlig lindning och en stationär lindning. Den totala induktansen är lika med summan av induktanserna i de två spolarna och den ömsesidiga induktansen mellan dem.
Genom att ändra den relativa positionen av den ena spolen i förhållande till den andra justeras det totala induktansvärdet. En sådan anordning kallas variometer och används ofta i kommunikationsutrustning för att ställa in resonanskretsar i fall där variabla kondensatorer av någon anledning inte kan användas. Variometern är ganska otymplig, vilket begränsar dess användning.
Induktans i form av en tryckt spole
Spolar med låg induktans kan tillverkas som en spiral av tryckta ledare. Fördelarna med denna konstruktion är:
- Tillverkningsbarhet;
- hög repeterbarhet.
Nackdelarna är att det är omöjligt att göra finjusteringar vid justering och att det är svårt att få höga induktanser - ju högre induktans, desto mer utrymme tar spolen i anspråk på kretskortet.
Spole med sektionslindning
Induktans utan kapacitans existerar bara på papper. Vid varje fysisk implementering av en spole finns det omedelbart en parasitär kapacitans mellan spolarna. Detta är i många fall ett skadligt fenomen. Den ströande kapacitansen ökar kapacitansen i LC-kretsen, vilket minskar resonansfrekvensen och kvalitetsfaktorn i det oscillerande systemet. Spolen har också en egen resonansfrekvens som orsakar oönskade fenomen.
För att minska strökapacitansen används olika metoder, varav den enklaste är att linda induktorn i flera sektioner som är seriekopplade. Med denna typ av anslutning adderas induktanserna och den totala kapacitansen minskas.
Induktansspole på en toroidkärna
De magnetiska fältlinjerna i en cylindrisk induktorspole leder genom spolens insida (om det finns en kärna, genom den) och kortsluts utåt genom luften. Detta medför flera nackdelar
- induktansen minskar;
- spolens egenskaper är mindre beräkningsbara;
- Alla föremål som förs in i det yttre magnetfältet ändrar spolparametrarna (induktans, strökapacitans, förluster osv.), så i många fall krävs avskärmning.
Spolar som är lindade på toroidala kärnor (i form av en ring eller "bagel") är i stort sett fria från dessa nackdelar. De magnetiska linjerna löper inuti kärnan i form av slutna slingor. Detta innebär att yttre föremål praktiskt taget inte har någon effekt på parametrarna för en spole som är lindad på en sådan kärna, och avskärmning är inte nödvändig för en sådan konstruktion. Induktansen ökar också, om allt annat är lika, och egenskaperna är lättare att beräkna.
En av nackdelarna med ringformade spolar är att det är omöjligt att justera induktansen på plats. Ett annat problem är den höga arbetsintensiteten och den låga tekniken för lindning. Detta gäller dock för alla induktiva element i allmänhet, i större eller mindre utsträckning.
En vanlig nackdel med det fysiska genomförandet av induktans är också de höga massdimensionerna, den relativt låga tillförlitligheten och den låga underhållbarheten.
Inom tekniken försöker man därför att avstå från induktiva komponenter. Detta är dock inte alltid möjligt, så lindningskomponenter kommer att användas under överskådlig tid och även på medellång sikt.
Relaterade artiklar:
