Induktans kännetecknar egenskaperna hos elementen i en elektrisk krets för att ackumulera energin i ett magnetfält. Det är också ett mått på förhållandet mellan ström och magnetfält. Det jämförs också med elektricitetens tröghet - precis som massa med ett mått på trögheten hos mekaniska kroppar.
Innehåll
Fenomenet självinduktion
Om strömmen som flyter genom en ledande krets ändras i storlek, uppstår fenomenet självinduktion. I det här fallet ändras det magnetiska flödet genom kretsen, och en emk visas vid terminalerna på strömslingan, kallad självinduktions-emk. Denna EMF är motsatt strömriktningen och är lika med:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Det är uppenbart att EMF för självinduktion är lika med förändringshastigheten för det magnetiska flödet som orsakas av en förändring i strömmen som flyter genom kretsen, och är också proportionell mot förändringshastigheten för strömmen. Proportionalitetskoefficienten mellan självinduktionens EMF och strömförändringshastigheten kallas induktans och betecknas med L. Detta värde är alltid positivt och har en SI-enhet på 1 Henry (1 H). Fraktionerade fraktioner används också - millihenry och microhenry. Vi kan tala om en induktans på 1 Henry om en förändring i strömmen med 1 ampere orsakar en självinduktions-EMK på 1 Volt. Inte bara kretsen har induktans, utan också en separat ledare, såväl som en spole, som kan representeras som en uppsättning seriekopplade kretsar.
Induktansen lagrar energi, vilket kan beräknas som W=L*I2/2, där:
- W—energi, J;
- L – induktans, H;
- I är strömmen i spolen, A.
Och här är energin direkt proportionell mot spolens induktans.
Viktig! Inom teknik är en induktans också en anordning där ett elektriskt fält lagras. Det verkliga elementet som ligger närmast en sådan definition är en induktor.
Den allmänna formeln för beräkning av induktansen för en fysisk spole har en komplex form och är obekväm för praktiska beräkningar. Det är användbart att komma ihåg att induktansen är proportionell mot antalet varv, spolens diameter och beror på den geometriska formen. Dessutom påverkas induktansen av den magnetiska permeabiliteten hos kärnan på vilken lindningen är placerad, men strömmen som flyter genom varven påverkas inte. För att beräkna induktansen måste du varje gång hänvisa till formlerna ovan för en specifik design. Så för en cylindrisk spole beräknas dess huvudkaraktär med formeln:
L=μ*μ*(N2*S/l),
var:
- μ är den relativa magnetiska permeabiliteten för spolkärnan;
- μ – magnetisk konstant, 1,26*10-6 H/m;
- N är antalet varv;
- S är spolens yta;
- l är spolens geometriska längd.
För att beräkna induktansen för en cylindrisk spole och spolar av andra former är det bättre att använda kalkylatorprogram, inklusive onlineräknare.
Serie- och parallellkoppling av induktorer
Induktanser kan kopplas i serie eller parallellt, vilket får en uppsättning med nya egenskaper.
Parallellkoppling
När spolarna är parallellkopplade är spänningen på alla element lika, och strömmarna (variabler) fördelas omvänt med elementens induktanser.
- U=U1=U2=U3;
- Jag=jag1+I2+I3.
Kretsens totala induktans definieras som 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Formeln är giltig för valfritt antal element, och för två spolar är den förenklad till formen L=L1*L2/(L1+L2). Uppenbarligen är den resulterande induktansen mindre än induktansen för elementet med det minsta värdet.
seriell anslutning
Med denna typ av anslutning flyter samma ström genom kretsen som består av spolar, och spänningen (variabel!) På varje komponent i kretsen fördelas i proportion till induktansen för varje element:
- U=U1+U2+U3;
- Jag=jag1=Jag2=Jag3.
Den totala induktansen är lika med summan av alla induktanser och kommer att vara större än induktansen för elementet med det största värdet. Därför används en sådan anslutning vid behov för att erhålla en ökning av induktansen.
Viktig! Vid anslutning av spolar i ett serie- eller parallellbatteri är beräkningsformlerna endast korrekta för fall där den ömsesidiga påverkan av elementens magnetfält på varandra är utesluten (skärmning, långa avstånd, etc.). Om en påverkan existerar, kommer det totala värdet av induktansen att bero på spolarnas relativa läge.
Några praktiska frågor och design av induktorer
I praktiken används olika utformningar av induktorer. Beroende på syfte och användningsområde kan anordningarna tillverkas på olika sätt, men de effekter som uppstår i riktiga spolar måste beaktas.
Kvalitetsfaktor för induktorn
En riktig spole har förutom induktans flera parametrar till, och en av de viktigaste är kvalitetsfaktorn. Detta värde bestämmer förlusterna i spolen och beror på:
- ohmska förluster i lindningstråden (ju större motstånd, desto lägre kvalitetsfaktor);
- dielektriska förluster i trådisolering och lindningsram;
- skärmförlust;
- kärnförluster.
Alla dessa kvantiteter bestämmer förlustmotståndet, och kvalitetsfaktorn är ett dimensionslöst värde lika med Q=ωL/Rlosses, där:
- ω = 2*π*F - cirkulär frekvens;
- L - induktans;
- ωL är spolens reaktans.
Vi kan ungefär säga att kvalitetsfaktorn är lika med förhållandet mellan reaktivt (induktivt) motstånd och aktivt. Å ena sidan, med ökande frekvens, ökar täljaren, men samtidigt, på grund av hudeffekten, ökar förlustmotståndet också på grund av en minskning av trådens användbara tvärsnitt.
skärmeffekt
För att minska påverkan av främmande föremål, såväl som elektriska och magnetiska fält och ömsesidig påverkan av element genom dessa fält, placeras ofta spolar (särskilt högfrekventa) i en skärm. Förutom den fördelaktiga effekten orsakar skärmning en minskning av spolens kvalitetsfaktor, en minskning av dess induktans och en ökning av parasitisk kapacitans. Ju närmare skärmväggarna är spolens varv, desto högre blir den skadliga effekten. Därför tillverkas skärmade spolar nästan alltid med möjlighet att justera parametrarna.
Trimmerinduktans
I vissa fall är det nödvändigt att noggrant ställa in induktansvärdet på plats efter anslutning av spolen till andra kretselement, för att kompensera för parameteravvikelser under inställningen. För detta används olika metoder (växling av svängarnas kranar, etc.), men den mest exakta och smidiga metoden är inställning med hjälp av en kärna. Den är gjord i form av en gängad stång, som kan skruvas in och ut inuti ramen och justerar spolens induktans.
Variabel induktans (variometer)
Där snabb justering av induktansen eller induktiv koppling krävs, används spolar av annan utformning. De innehåller två lindningar - rörliga och fasta. Den totala induktansen är lika med summan av induktanserna för de två spolarna och den inbördes induktansen mellan dem.
Genom att ändra den relativa positionen för en spole till en annan justeras det totala värdet av induktansen. En sådan anordning kallas en variometer och används ofta i kommunikationsutrustning för att ställa in resonanskretsar i fall där användningen av variabla kondensatorer är omöjlig av någon anledning.Variometerns design är ganska skrymmande, vilket begränsar dess omfattning.
Induktans i form av en tryckt spiral
Spolar med en liten induktans kan göras i form av en spiral av tryckta ledare. Fördelarna med denna design är:
- tillverkningsbarhet av produktion;
- hög repeterbarhet av parametrar.
Nackdelarna inkluderar omöjligheten av finjustering under justering och svårigheten att få stora induktansvärden - ju högre induktans, desto mer utrymme tar spolen upp på kortet.
Sektionslindad rulle
Induktans utan kapacitans finns bara på papper. Med någon fysisk implementering av spolen uppstår omedelbart en parasitisk interturn-kapacitans. Detta är skadligt i många fall. Den parasitiska kapacitansen läggs till LC-kretsens kapacitans, vilket minskar resonansfrekvensen och kvalitetsfaktorn hos det oscillerande systemet. Dessutom har spolen sin egen resonansfrekvens, vilket provocerar fram oönskade fenomen.
Olika metoder används för att reducera parasitisk kapacitans, den enklaste är lindningsinduktansen i form av flera seriekopplade sektioner. Med denna inkludering summeras induktanserna och den totala kapacitansen minskar.
Induktor på en toroidformad kärna
Magnetfältslinjerna i en cylindrisk induktor dras genom insidan av lindningen (om det finns en kärna, då genom den) och stängs utifrån genom luften. Detta faktum medför flera nackdelar:
- induktansen reduceras;
- spolens egenskaper är mindre mottagliga för beräkning;
- alla föremål som förs in i ett externt magnetfält ändrar spolens parametrar (induktans, parasitisk kapacitans, förluster, etc.), så avskärmning krävs i många fall.
Spolar lindade på toroidformade kärnor (i form av en ring eller en munk) är i stort sett fria från dessa brister. Magnetiska linjer passerar inuti kärnan i form av slutna slingor. Detta innebär att externa föremål praktiskt taget inte har någon effekt på parametrarna för en spole lindad på en sådan kärna, och skärmning behövs inte för en sådan design. Även induktansen ökar, allt annat lika, och egenskaperna är lättare att beräkna.
Nackdelarna med spolar lindade på tori inkluderar omöjligheten av smidig justering av induktansen på plats. Ett annat problem är lindningens höga arbetsintensitet och låga tillverkningsbarhet. Detta gäller dock alla induktiva element i allmänhet, i större eller mindre utsträckning.
En vanlig nackdel med den fysiska implementeringen av induktansen är också hög vikt och storlek, relativt låg tillförlitlighet och låg underhållsbarhet.
Därför försöker de inom tekniken bli av med induktiva komponenter. Men detta är inte alltid möjligt, så lindningskomponenter kommer att användas både inom överskådlig framtid och på medellång sikt.
Liknande artiklar:
