Prohlížíte si webovou stránku pro zákazníky z: Czech Republic. Na základě údajů o poloze doporučená verze stránek pro Vás je USA / US
Panel zákazníka
Váš košík
Registrace

Indukční cívka a její aplikace v praxi elektronika

2020-11-11

Navzdory již tak rozšířenému používání digitálních systémů, jako jsou procesory, programovatelné logické systémy a jejich SoC kombinace, musí tvůrce elektroniky často sáhnout po "analogových" součástech, jako jsou rezistory, kondenzátory nebo induktory. Zajímavé je, že i když je poměrně snadné vytvořit rezistor nebo kondenzátor (s kapacitou v řádech pico faradů) ve struktuře integrovaného obvodu, je velmi obtížné vytvořit cívku. Proto se v aplikačních schématech mnoha prvků stále nachází indukční cívka jako externí prvek. Tento článek obsahuje základní informace o cívkách a popisuje prvky jejich konstrukce, které ovlivňují parametry.

Konstrukce indukční cívky

Indukční cívka není složitý prvek. Skládá se z jádra a izolovaných vinutí kolem něj. Jádro cívky může být přenášeno vzduchem nebo vyrobeno z magnetických materiálů. Je důležité, aby vinutí kolem jádra bylo izolováno, proto se používá k výrobě cívek izolovaný drát nebo neizolované vinutí (například takzvaná stříbřenka), ale s vhodnou vzduchovou mezerou zajišťující požadované oddělení jednotlivých vinutí. Pokud je cívka navinuta neizolovaným vinutým drátem, znamená to zkrat a bude sice mít nějakou indukčnost, ale určitě daleko od zamýšlené.

Často v praxi, když je překročena přípustná teplota nebo napětí, je indukční cívka poškozenazkratem mezi vinutími v důsledku punkce izolace drátu vinutí. Taková poškozená indukční cívka musí být převinuta nebo nahrazena novou. Síťové transformátory jsou často poškozeny tímto způsobem. Další používání takového poškozeného transformátoru může vést k přehřátí, zkratu v elektrické síti nebo dokonce samotnému transformátoru nebo zařízení, které je tímto transformátorem napájeno.

Co je indukční cívka?

Indukční cívka je prvek, který ukládá energii v jádru ve formě magnetického pole, a tím převádí energii elektrického proudu na energii magnetického pole nebo naopak. Změna proudu protékajícího vinutím vytváří elektromotorickou sílu s protisměrným směrem. Podobně proměnné magnetické pole, které proniká do jádra, vyvolává indukci napětí. Pomocí vzorce to lze vyjádřit následovně:

vzorec_1 Kde:

  • e - je elektromotorická síla (voltové napětí) produkovaná cívkou,
  • dφ/dt - je změna magnetického toku v průběhu času,
  • di/dt - je změna proudu v průběhu času,
  • L - je parametr cívky nazývaný indukčnost; jeho jednotkou je Henry.

Je snadné zpozorovat dříve zmíněnou funkci - elektromotorická síla e má opačný směr než napětí, které způsobuje proudění proudu. To působí proti náhlým změnám v proudu protékajícího cívkou a vede k jedné z jeho základních aplikací – použití induktoru jako tzv tlumivky.

Indukční cívka – základní parametry

Základními parametry cívky jsou její indukčnost a rezonanční frekvence. Indukčnost je schopnost cívky ukládat energii ve formě magnetického pole způsobeného proudovým proudem. Indukčnost se měří v jednotkách Henry a vyjadřuje se jako poměr okamžitého napětí k aktuální změně v průběhu času.

vzorec_4

vzorec_6

vzorec_3

Diagram proudu a poklesu napětí na svorkách indukční cívky Diagramy proudu a poklesu napětí na svorkách indukční cívky Pokles je největší, když je napájení zapnuto a v průběhu času klesá. Tento pokles působí proti nárůstu proudu, a proto je proud nejmenší, když je zapnuté napájení a zvyšuje se v průběhu času. Často se říká, že na cívce napětí předbíhá proud

Výše uvedený obrázek ukazuje, co se stane s napětím na cívce, přes kterou protéká proud, když jsou k ní připojeny svorky zdroje napětí. Červená souvislá čára ilustruje průtok proudu. Jak můžete vidět, proud se zvyšuje od okamžiku, kdy je zdroj zapnut, až do dosažení maximální hodnoty stanovené Ohmovým zákonem, to znamená poměru napětí na svorkách, k odporu cívky. Tečkovaná modrá čára ilustruje průběhu poklesu napětí na cívce. Jak můžete vidět, tento pokles je největší v době zapnutí a nejmenší potom co proud dosáhne maximální hodnoty. To je způsobeno skutečností, že indukční napětí má opačný směr než svorky.

Rezonanční frekvence cívky byla popsána při diskusi o parametrech nedokonalé cívky, protože je spojena s parazitickou kapacitou.

Základní materiál jádra a relativní magnetická propustnost

Velmi důležitým prvkem indukční cívky je jádro. Jádro je charakterizováno typem použitého materiálu a související relativní magnetickou propustností. Relativní, protože je určena ve vztahu k propustnosti vakua. Jedná se o bezrozměrné číslo definované jako poměr magnetické propustnosti (absolutní μ) daného jádra k propustnosti magnetického vakua μ 0.

Podle definice je magnetická propustnost množství, které určuje schopnost materiálu nebo středu měnit magnetickou indukci při změně intenzity magnetického pole. V opačném případě je propustnost vlastností materiálu nebo centra, které určuje jeho schopnost soustředit magnetické pole.

Magnetická propustnost vakua podle údajů zveřejněných v roce 2002 Výborem pro údaje pro vědu a techniku (CODATA) je skalární a je označen symbolem μ0 jehož hodnota SI je μ0 = 4·Π·10-7= asi 12.566370614·10-7 [H/m = V·s/A·m].

Indukčnost cívky je vyjádřena vzorcem:

vzorec_2

Ve vzorci jednotlivé symboly označují:

  • L - indukčnost v Henry,
  • μ0- magnetická vakuová propustnost,
  • μ - relativní propustnost jádrového materiálu,
  • Z - počet cívkových vinutí,
  • S - průřez cívky,
  • l - délka cívky.

Relativní propustnost neznečištěného vzduchu se od propustnosti vakua příliš neliší, takže pro jednoduchost v technické praxi se předpokládá, že μ = 1 a vzorec pro indukci vzduchové cívky má podobu:

vzorec_indukčnost_vzduchové_cívky

Síla magnetického pole Modré čáry sil magnetického pole se směrem podle Lenzova pravidla (tzv. "Pravidlo pravé ruky").

Materiály se z hlediska magnetických vlastností rozdělují na paramagnety (stávají se magnety při umístění v magnetickém poli), feromagnety (zmagnetizovaná v přítomnosti magnetického pole) a diamagnety (oslabení magnetického pole). Typ materiálu jádra silně ovlivňuje parametry cívky. V dokonalém vakuu nejsou žádné částice, které by mohly ovlivnit závislost indukce na intenzitě magnetického pole. Proto se v každém materiálovém médiu vzorec indukčnosti upraví v důsledku výskytu magnetické propustnosti tohoto média. Pro vakuum je relativní propustnost přesně 1. U paramagnetů je relativní propustnost o něco větší než 1, u diamagnetů je to o něco méně než 1 – u obou typů jader je rozdíl tak malý, že v technických aplikacích je často opomíjen tím, že se předpokladá hodnota 1.

Shrňme si tento odstavec zadáním parametrů cívky, které nejvíce ovlivňují její indukčnost v bodech:

  • Indukčnost cívky se zvyšuje s:

    • počtem vinutí,
    • relativní propustností materiálu jádra,
    • plochou povrchu cívky,
    • snižováním délky cívky.
  • Indukčnost cívky klesá, když:

    • počet vinutí klesá,
    • relativní propustnost jádrového materiálu klesá,
    • plocha povrchu klesá,
    • délka cívky se zvyšuje.

Proč se používají jádra? Prvním důvodem je, že více energie může být uloženo s menším počtem vinutí než ekvivalent se vzduchovým jádrem. Druhým je mechanická konstrukce cívky – jádro poskytuje kostru pro vinutí cívky a její připevnění v cílovém zařízení. Třetím důležitým důvodem je koncentrace a vedení magnetického pole. V některých aplikacích bude také důležité, aby bylo možné upravit indukčnost cívky přemístěním jádra vzhledem ke vinutí, například zatažením nebo vysunutím.

Nedokonalá cívka

Zatím jsme zvažovali parametry ideální cívky. Ale za reálných podmínek bude mít drát vinutí určitý odpor a kapacitu, což ovlivní skutečné parametry cívky, které jsme dosud nezvážili.

Obrázek znázorňuje náhradní stejnosměrný diagram skutečné cívky. V sérii s cívkami je povolen odpor představující odpor navíjecího drátu. S proudem proudu přes cívku to způsobí nejen pokles napětí, ale také ztrátu výkonu ve formě tepla, což může způsobit zahřání cívky a změnit základní parametry. V důsledku toho klesá také energetická účinnost celého zařízení.

Náhradní schéma skutečné cívky stejnosměrného proudu Projektové schéma skutečné cívky při analýze stejnosměrného proudu

Parazitická kapacita vytvořená izolovanými vrstvami vodiče by měla být také zohledněna v analýze střídavého proudu, a proto se kromě rezistoru objevuje kondenzátor připojený rovnoběžně se svorkami cívky. Tím se vytvoří rezonanční obvod RLC a samotná cívka je indukční a kapacitní před dosažením rezonanční frekvence. Proto se impedance cívky zvyšuje na rezonanční frekvenci, aby se dosáhlo maximální hodnoty rezonance a snižuje při jejím překročení.

Změna znaků skutečné cívky Po dosažení rezonanční frekvence změňte povahu skutečné cívky. Označení v náhradním schématu: L – indukčnost, EPC – parazitní kapacita, EPR – paralelní odpor symbolizující ztrátu výkonu, ESR – sériový odpor symbolizující odpor drátu vinutí)

Tři typy výpadku napájení v indukčních cívkách

Aplikace cívky se zohledňují tři dominantní typy ztrát výkonu. První je výše uvedená ztráta, ke které dochází při sériovém odporu, tedy při odporu drátu vinutí. Tato ztráta výkonu by měla být vzata v úvahu zejména tehdy, když má proud protékající cívkou vysokou intenzitu. Nejčastěji se s ním setkáváme v napájecích zdrojích a napájecích obvodech. Tento typ ztráty způsobí, že cívka se zahřeje, a tím i celé zařízení. To je také nejčastější příčinou poškození, protože vysoké teploty mohou poškodit izolaci a zkrat vinutí.

Druhým typem ztráty výkonu jsou ztráty jádra. Vyskytuje se v důsledku nerovností jádra, přítomnosti virových proudů a přemístění magnetických domén. Tyto ztráty jsou dominantní, když je proud protékající cívkou nízký. Vyskytují se ve vysokofrekvenčních obvodech, digitálních separátorech signálů a dalších. To vede ne tolik k poškození cívky, ale k problémům se ztrátou úrovně signálu v citlivých obvodech.

Třetí typ ztráty výkonu je způsoben ztrátou magnetického průtoku, který může být rozptýlen mechanickými spojovacími prvky, vzduchovými mezerami v jádře nebo nedbalostí zpracování samotné cívky během výroby.

Více o nabídce

Na závěr

Induktor je nekomplikovaný komponent, a proto možná poněkud podceňovaný. Při vytváření elektronického obvodu vybaveného tlumivky nebo transformátory je však třeba věnovat zvláštní pozornost vybraným indukčním součástem, včetně jejich rezonančních frekvencí a parametrů základního materiálu. Ostatní jádra se používají na současných frekvencích desítek nebo stovek hertzů, zatímco jiné se používají pro stovky megahertzů a vyšších. Někdy s vysokofrekvenčními signály stačí část drátu s feritovým prvkem.

Indukční cívky mohou být vyrobeny různými způsoby. Typicky se navíjí několik až na několik set drátových vinutí na jádru. V některých aplikacích jsou cívky vyráběny ve formě tras na desce plošných spojů, někdy se uzavírají ve feritovém obalu. V současné době je většina cívek, zejména tlumivek používaných v napájecích obvodech, vyrobena pro instalaci SMD. Současně je technologický závod stále v plném proudu a jsou neustále vyvíjeny novější magnetické materiály, které, zachovávajíc si své vlastnosti navzdory zvýšení teploty, mají menší ztráty atd.

Cívka určená pro nízkofrekvenční provoz má obvykle železné jádro a velké množství vinutí, což znamená, že má poměrně velkou váhu. Proto má v mnoha aplikacích, zejména těch, které jsou vystaveny nárazům a vibracím, velký význam způsob instalace. Obvykle pájení cívky nestačí – její jádro musí být bezpečněji upevněno, se svorkami, rukojetí nebo šrouby. Při výběru cívky nebo transformátoru pro vaše zařízení stojí za to mít to na paměti.

Použití cívek v elektronice

Cívky se používají pro:

  • blokování toku střídavého proudu v okruhu,
  • zkratování stejnosměrného proudu (napětí),
  • měření plynutí času na základě ztráty proudového toku,
  • výrobu oscilačních obvodů,
  • výrobu filtrů pro specifické frekvence,
  • snižování nebo zvyšování stupňů zesilovače,
  • snížení nebo zvýšení napětí.

Některé aplikace cívky jsou podobné aplikacím kondenzátorů. Jak už víme, cívka se chová jako kondenzátor, když je překročena rezonanční frekvence. To však neznamená, že tyto prvky mohou být v systému zaměnitelné.

Doporučujeme vám, abyste se seznámili s videem na téma indukční cívky a jejich použití v elektronice:

rightColumnPicture

TAKÉ SI PŘEČTĚTE

Váš prohlížeč již není podporován, stáhněte si novou verzi