Inductanța este o măsură a capacității componentelor unui circuit electric de a colecta energia câmpului magnetic. Este, de asemenea, o măsură a relației dintre curent și câmpul magnetic. De asemenea, este comparată cu inerția electricității, la fel ca și în cazul masei ca măsură a inerției corpurilor mecanice.
Conținut
Fenomenul de autoinducție
Fenomenul de autoinducție apare atunci când curentul care circulă printr-un circuit conductor variază în mărime. În acest caz, fluxul magnetic prin circuit se modifică, iar la ieșirile cadrului de curent apare un câmp electromagnetic numit câmp electromagnetic de autoinducție. Această forță electromagnetică este opusă direcției curentului și este egală cu:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Evident, forța electromagnetică de autoinducție este egală cu rata de variație a fluxului magnetic cauzată de variația curentului care circulă prin circuit și este, de asemenea, proporțională cu rata de variație a curentului. Coeficientul de proporționalitate dintre forța electromagnetică de autoinducție și viteza de variație a curentului se numește inductanță și se notează cu L. Această valoare este întotdeauna pozitivă și are o unitate SI de 1 Henry (1 Gn). Se utilizează, de asemenea, fracții fracționare - miligenerii și microgeneriile. Se poate spune că o inductanță de 1 Henry dacă o modificare a curentului de 1 amperiu determină o forță electromagnetică de autoinducție de 1 volt. Nu numai un circuit are inductanță, ci și un singur conductor și o bobină, care pot fi imaginate ca o multitudine de circuite în serie.
Energia este stocată în inductanță, care poate fi calculată ca W=L*I2/2, unde:
- W - energie, J;
- L - inductanță, Gn;
- I este curentul din bobină, A.
În acest caz, energia este direct proporțională cu inductanța bobinei.
Important! În inginerie, inductanța se referă, de asemenea, la dispozitivul în care este stocat câmpul electric. Elementul real care se apropie cel mai mult de această definiție este bobina de inducție.
Formula generală pentru calcularea inductanței unei bobine fizice este complexă și, pentru calculele practice, incomodă. Este util să ne amintim că inductanța este proporțională cu numărul de spire, cu diametrul bobinei și depinde de forma geometrică. Inductanța este, de asemenea, afectată de permeabilitatea magnetică a miezului pe care este plasată bobina, dar nu este afectată de curentul care circulă prin bobine. Pentru a calcula inductanța, trebuie să se consulte de fiecare dată formulele furnizate pentru proiectul specific. De exemplu, pentru o bobină cilindrică, caracteristica de bază a acesteia se calculează conform formulei:
L=μ*μ*(N2*S/l),
unde:
- μ este permeabilitatea magnetică relativă a miezului bobinei;
- μ - este constanta magnetică, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - numărul de spire;
- S - suprafața bobinei
- l - lungimea geometrică a bobinei.
Pentru a calcula inductanța pentru bobinele cilindrice și alte forme de bobine, cel mai bine este să folosiți calculatoare, inclusiv calculatoare online.
Conectarea inductorilor în serie și în paralel
Inductanțele pot fi conectate în serie sau în paralel, creând un set cu caracteristici noi.
Conexiune paralelă
Atunci când bobinele sunt conectate în paralel, tensiunile tuturor elementelor sunt egale, iar curenții (alternativ) sunt invers proporționale cu inductanțele elementelor.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
Inductanța totală a unui circuit 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 L=L1*L2/(L1+L2). Este evident că inductanța rezultată este mai mică decât inductanța elementului cu cea mai mică inductanță.
Conexiune în serie
Cu acest tip de conexiune, același curent trece printr-un circuit format din bobine, iar tensiunea (CA!) pe fiecare componentă a circuitului este distribuită proporțional cu inductanța fiecărui element:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=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, această conexiune este utilizată atunci când este necesar să se mărească inductanța.
Important! La conectarea bobinelor în serie sau în paralel, formulele de calcul sunt corecte numai în cazurile în care influența reciprocă a câmpurilor magnetice ale elementelor este eliminată (prin ecranare, distanțe mari etc.). Dacă există o influență, atunci valoarea totală a inductanței va depinde de dispunerea reciprocă a bobinelor.
Unele probleme practice și proiecte de bobine de inductor
În practică se utilizează diferite modele de bobine de inductor. În funcție de scop și de aplicație, dispozitivele pot fi realizate în diferite moduri, dar trebuie să se țină cont de efectele bobinelor reale.
Factorul de calitate al unei bobine de inductor
O bobină reală are mai mulți parametri în plus față de inductanță, iar unul dintre cei mai importanți este factorul de calitate. Această valoare determină pierderile din bobină și depinde de:
- pierderile ohmice în firul de înfășurare (cu cât rezistența este mai mare, cu atât este mai mic factorul de calitate);
- Pierderi dielectrice în izolația firului și a cadrului de înfășurare;
- pierderi de scut;
- Pierderi de bază.
Toate aceste mărimi definesc rezistența la pierderi, iar factorul de calitate este o valoare adimensională egală cu Q=ωL/R pierderi, unde:
- ω = 2*π*F - frecvența circulară;
- L - inductanță;
- ωL - reactanța bobinei.
Se poate spune, în linii mari, că factorul de calitate este egal cu raportul dintre rezistența reactivă (inductivă) și rezistența activă. Pe de o parte, numărătorul crește odată cu creșterea frecvenței, dar în același timp, datorită efectului de piele, rezistența de pierdere crește și ea prin reducerea secțiunii transversale efective a firului.
Efectul pielii
Pentru a reduce influența corpurilor străine, precum și a câmpurilor electrice și magnetice și influența reciprocă a elementelor prin aceste câmpuri, bobinele (în special cele de înaltă frecvență) sunt adesea plasate într-un scut. În plus față de efectul său benefic, ecranarea determină o scădere a valorii Q a bobinei, o scădere a inductanței și o creștere a capacității parazite. În plus, cu cât pereții de ecranare sunt mai aproape de înfășurările bobinei, cu atât mai mare este efectul dăunător. Prin urmare, bobinele ecranate sunt aproape întotdeauna proiectate pentru a fi reglabile.
Inductanță reglabilă
În unele cazuri, este necesar să setați cu precizie valoarea inductanței după conectarea bobinei la alte elemente de circuit, compensând abaterile de acordare. Pentru aceasta se folosesc diferite metode (prin schimbarea turelor etc.), dar cea mai precisă și mai ușoară metodă este reglarea miezului. Aceasta este realizată sub forma unei tije filetate care poate fi rotită în interiorul cadrului, reglând inductanța bobinei.
Inductanță variabilă (variometru)
În cazul în care este necesară reglarea operațională a inductanței sau a cuplării inductive, se utilizează bobine de un alt tip. Acestea conțin două înfășurări, o înfășurare mobilă și una staționară. Inductanța totală este egală cu suma inductanțelor celor două bobine și a inductanței reciproce dintre ele.
Prin modificarea poziției relative a unei bobine față de cealaltă, se ajustează valoarea totală a inductanței. Un astfel de dispozitiv se numește variometru și este adesea utilizat în echipamentele de comunicații pentru a acorda circuitele rezonante în cazurile în care, din anumite motive, nu se pot utiliza condensatori variabili. Variometrul este destul de greoi, ceea ce îi limitează utilizarea.
Inductanță sub forma unei bobine imprimate
Bobinele cu inductanță redusă pot fi realizate sub forma unei spirale de conductoare imprimate. Avantajele acestui design sunt:
- manufacturabilitate;
- repetabilitate ridicată.
Dezavantajele sunt reprezentate de imposibilitatea efectuării unui reglaj fin în timpul reglării și de dificultatea de a obține inductanțe ridicate - cu cât este mai mare inductanța, cu atât mai mult spațiu ocupă bobina pe placă.
Bobină cu înfășurare secțională
Inductanța fără capacitate există doar pe hârtie. În cazul oricărei implementări fizice a unei bobine, există imediat o capacitate parazită între bobine. Acesta este un fenomen dăunător în multe cazuri. Capacitatea de dispersie se adaugă la capacitatea circuitului LC, reducând frecvența de rezonanță și factorul de calitate al sistemului oscilant. Bobina are, de asemenea, o frecvență de rezonanță proprie care provoacă fenomene nedorite.
Pentru a reduce capacitatea de dispersie, se folosesc diferite metode, dintre care cea mai simplă este înfășurarea inductorului în mai multe secțiuni conectate în serie. Cu acest tip de conexiune, inductanțele sunt adunate și capacitatea totală este redusă.
Bobină de inductanță pe un miez toroidal
Liniile de câmp magnetic ale unei bobine inductoare cilindrice trec prin interiorul bobinei (dacă există un miez, atunci prin acesta) și sunt scurtcircuitate în exterior prin aer. Acest fapt atrage după sine mai multe dezavantaje
- se reduce inductanța;
- caracteristicile bobinei sunt mai puțin ușor de calculat;
- Orice obiect introdus în câmpul magnetic extern modifică parametrii bobinei (inductanță, capacitate de dispersie, pierderi etc.), astfel încât, în multe cazuri, este necesară ecranarea.
Bobinele înfășurate pe miezuri toroidale (sub formă de inel sau "baghetă") sunt în mare parte lipsite de aceste dezavantaje. Liniile magnetice se deplasează în interiorul miezului sub forma unor 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 proiect. Inductanța este, de asemenea, crescută, celelalte lucruri fiind egale, iar caracteristicile sunt mai ușor de calculat.
Unul dintre dezavantajele bobinelor înfășurate pe toroane este imposibilitatea de a regla lin și fără probleme inductanța la fața locului. O altă problemă este reprezentată de intensitatea ridicată a forței de muncă și de tehnologia redusă de înfășurare. 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 reprezentat de dimensiunile mari ale masei, fiabilitatea relativ scăzută și mentenabilitatea redusă.
Prin urmare, în tehnologie, se încearcă să se renunțe la componentele inductive. Dar acest lucru nu este întotdeauna posibil, așa că se vor folosi componente de înfășurare atât în viitorul apropiat, cât și pe termen mediu.
Articole conexe:
