Inductanța caracterizează proprietățile elementelor unui circuit electric de a acumula energia unui câmp magnetic. Este, de asemenea, o măsură a relației dintre curent și câmp magnetic. De asemenea, este comparată cu inerția electricității - la fel ca masa cu o măsură a inerției corpurilor mecanice.
Conţinut
Fenomenul de autoinducere
Dacă curentul care curge printr-un circuit conductor își schimbă magnitudinea, atunci apare fenomenul de auto-inducție. În acest caz, fluxul magnetic prin circuit se modifică, iar la bornele buclei de curent apare o fem, numită fem de auto-inducție. Acest EMF este opus direcției curentului și este egal cu:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Este evident că EMF de auto-inducție este egală cu rata de modificare a fluxului magnetic cauzată de o modificare a curentului care curge prin circuit și este, de asemenea, proporțională cu rata de schimbare a curentului. Coeficientul de proporționalitate dintre EMF de autoinducție și viteza de schimbare a curentului se numește inductanță și se notează cu L. Această valoare este întotdeauna pozitivă și are o unitate SI de 1 Henry (1 H). Se folosesc și fracții fracționale - millihenry și microhenry. Putem vorbi despre o inductanță de 1 Henry dacă o modificare a curentului cu 1 amper determină o FEM de auto-inducție de 1 Volt. Nu numai circuitul are inductanță, ci și un conductor separat, precum și o bobină, care poate fi reprezentată ca un set de circuite conectate în serie.
Inductanța stochează energie, care poate fi calculată ca W=L*I2/2, unde:
- W—energie, J;
- L – inductanță, H;
- I este curentul din bobină, A.
Și aici energia este direct proporțională cu inductanța bobinei.
Important! În inginerie, o inductanță este, de asemenea, un dispozitiv în care este stocat un câmp electric. Elementul real cel mai apropiat de o astfel de definiție este un inductor.
Formula generală pentru calcularea inductanței unei bobine fizice are o formă complexă și este incomodă pentru calcule practice. Este util să ne amintim că inductanța este proporțională cu numărul de spire, cu diametrul bobinei și depinde de forma geometrică. De asemenea, inductanța este afectată de permeabilitatea magnetică a miezului pe care se află înfășurarea, dar curentul care curge prin spire nu este afectat. Pentru a calcula inductanța, de fiecare dată trebuie să vă referiți la formulele de mai sus pentru un design specific. Deci, pentru o bobină cilindrică, caracteristica sa principală este calculată prin formula:
L=μ*μ*(N2*S/l),
Unde:
- μ este permeabilitatea magnetică relativă a miezului bobinei;
- μ – constantă magnetică, 1,26*10-6 H/m;
- N este numărul de spire;
- S este aria bobinei;
- l este lungimea geometrică a bobinei.
Pentru a calcula inductanța pentru o bobină cilindrică și bobine de alte forme, este mai bine să utilizați programe de calculator, inclusiv calculatoare online.
Conexiune în serie și paralelă a inductorilor
Inductanțe pot fi conectate în serie sau în paralel, obținând un set cu caracteristici noi.
Conexiune paralelă
Când bobinele sunt conectate în paralel, tensiunea pe toate elementele este egală, iar curenții (variabile) sunt distribuite invers cu inductanțele elementelor.
- U=U1=U2=U3;
- eu = eu1+I2+I3.
Inductanța totală a circuitului este definită ca 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Formula este valabilă pentru orice număr de elemente, iar pentru două bobine se simplifică la forma L=L1*L2/(L1+L2). Evident, inductanța rezultată este mai mică decât inductanța elementului cu cea mai mică valoare.
conexiune serială
La acest tip de conexiune, același curent circulă prin circuitul format din bobine, iar tensiunea (variabilă!) pe fiecare componentă a circuitului este distribuită proporțional cu inductanța fiecărui element:
- U=U1+U2+U3;
- eu = eu1=I2=I3.
Inductanța totală este egală cu suma tuturor inductanțelor și va fi mai mare decât inductanța elementului cu cea mai mare valoare. Prin urmare, o astfel de conexiune este utilizată dacă este necesar pentru a obține o creștere a inductanței.
Important! La conectarea bobinelor într-o baterie în serie sau paralelă, formulele de calcul sunt corecte numai pentru cazurile în care este exclusă influența reciprocă a câmpurilor magnetice ale elementelor unul asupra celuilalt (ecranaj, distanță lungă etc.). Dacă există o influență, atunci valoarea totală a inductanței va depinde de poziția relativă a bobinelor.
Câteva probleme practice și modele ale inductorilor
În practică, sunt utilizate diferite modele de inductori. In functie de scopul si domeniul de aplicare, dispozitivele pot fi realizate in diverse moduri, dar trebuie luate in considerare efectele care apar in bobine reale.
Factorul de calitate al inductorului
O bobină adevărată, pe lângă inductanță, mai are câțiva parametri, iar unul dintre cei mai importanți este factorul de calitate. Această valoare determină pierderile în bobină și depinde de:
- pierderi ohmice în firul de înfășurare (cu cât rezistența este mai mare, cu atât factorul de calitate este mai mic);
- pierderi dielectrice în izolația firului și în cadrul de înfășurare;
- pierderea ecranului;
- pierderi de miez.
Toate aceste mărimi determină rezistența la pierderi, iar factorul de calitate este o valoare adimensională egală cu Q=ωL/Rloss, unde:
- ω = 2*π*F - frecventa circulara;
- L - inductanță;
- ωL este reactanța bobinei.
Putem spune aproximativ că factorul de calitate este egal cu raportul dintre rezistența reactivă (inductivă) și cea activă. Pe de o parte, cu o frecvență crescândă, numărătorul crește, dar în același timp, din cauza efectului de piele, crește și rezistența la pierderi din cauza scăderii secțiunii transversale utile a firului.
efect de ecran
Pentru a reduce influența obiectelor străine, precum și a câmpurilor electrice și magnetice și a influenței reciproce a elementelor prin aceste câmpuri, bobinele (în special cele de înaltă frecvență) sunt adesea plasate într-un ecran. Pe lângă efectul benefic, ecranarea determină o scădere a factorului de calitate al bobinei, o scădere a inductanței sale și o creștere a capacității parazitare. Mai mult, cu cât pereții ecranului sunt mai aproape de spirele bobinei, cu atât efectul dăunător este mai mare. Prin urmare, bobinele ecranate sunt aproape întotdeauna realizate cu posibilitatea de reglare a parametrilor.
Inductanța trimmerului
În unele cazuri, este necesară setarea cu precizie a valorii inductanței la fața locului după conectarea bobinei la alte elemente de circuit, compensând abaterile parametrilor în timpul reglajului. Pentru aceasta, se folosesc metode diferite (comutarea robinetelor turelor etc.), dar cea mai precisă și lină metodă este reglarea cu ajutorul unui miez. Este realizat sub forma unei tije filetate, care poate fi înșurubată în interiorul cadrului, ajustând inductanța bobinei.
Inductanță variabilă (variometru)
Acolo unde este necesară reglarea rapidă a inductanței sau a cuplajului inductiv, se folosesc bobine cu un design diferit. Acestea conțin două înfășurări - mobile și fixe. Inductanța totală este egală cu suma inductanțelor celor două bobine și a inductanței reciproce dintre ele.
Prin schimbarea poziției relative a unei bobine la alta, valoarea totală a inductanței este ajustată. Un astfel de dispozitiv se numește variometru și este adesea folosit în echipamentele de comunicații pentru a regla circuitele rezonante în cazurile în care utilizarea condensatoarelor variabile este imposibilă din anumite motive.Designul variometrului este destul de voluminos, ceea ce îi limitează domeniul de aplicare.
Inductanța sub formă de spirală imprimată
Bobinele cu o inductanță mică pot fi realizate sub forma unei spirale de conductori imprimați. Avantajele acestui design sunt:
- fabricabilitatea producției;
- repetabilitate ridicată a parametrilor.
Dezavantajele includ imposibilitatea reglajului fin în timpul ajustării și dificultatea de a obține valori mari ale inductanței - cu cât inductanța este mai mare, cu atât mai mult spațiu ocupă bobina pe placă.
Bobina bobinată secțională
Inductanța fără capacitate este doar pe hârtie. Cu orice implementare fizică a bobinei, apare imediat o capacitate interturn parazită. Acest lucru este dăunător în multe cazuri. Capacitatea parazită se adaugă la capacitatea circuitului LC, reducând frecvența de rezonanță și factorul de calitate al sistemului oscilator. De asemenea, bobina are propria frecvență de rezonanță, ceea ce provoacă fenomene nedorite.
Pentru reducerea capacității parazite sunt utilizate diferite metode, dintre care cea mai simplă este inductanța înfășurării sub forma mai multor secțiuni conectate în serie. Cu această includere, inductanțele se adună, iar capacitatea totală scade.
Inductor pe un miez toroidal
Liniile de câmp magnetic ale unui inductor cilindric sunt trase prin interiorul înfășurării (dacă există un miez, atunci prin el) și închise din exterior prin aer. Acest fapt implică mai multe dezavantaje:
- inductanța este redusă;
- caracteristicile bobinei sunt mai puțin susceptibile de calcul;
- orice obiect adus într-un câmp magnetic extern modifică parametrii bobinei (inductanță, capacitate parazită, pierderi etc.), astfel încât ecranarea este necesară în multe cazuri.
Bobinele înfășurate pe miezuri toroidale (sub formă de inel sau gogoașă) sunt în mare parte lipsite de aceste neajunsuri. Liniile magnetice trec în interiorul miezului sub formă de bucle închise. Aceasta înseamnă că obiectele externe nu au practic niciun efect asupra parametrilor unei bobine înfășurate pe un astfel de miez, iar ecranarea nu este necesară pentru un astfel de design. Creste si inductanta, restul fiind egale, iar caracteristicile sunt mai usor de calculat.
Dezavantajele bobinelor înfășurate pe tori includ imposibilitatea de reglare lină a inductanței la fața locului. O altă problemă este intensitatea ridicată a muncii și capacitatea scăzută de fabricație a înfășurării. Totuși, acest lucru se aplică tuturor elementelor inductive în general, într-o măsură mai mare sau mai mică.
De asemenea, un dezavantaj comun al implementării fizice a inductanței este greutatea și dimensiunea ridicate, fiabilitatea relativ scăzută și mentenabilitatea scăzută.
Prin urmare, în tehnologie, ei încearcă să scape de componentele inductive. Dar acest lucru nu este întotdeauna posibil, așa că componentele de bobinare vor fi utilizate atât în viitorul apropiat, cât și pe termen mediu.
Articole similare:
