Ország, amelynek oldalán vagy: Hungary. Számodra javasolt verzió USA / US
Vevői fiók
A TE kosaradban
Regisztráció

Az indukciós tekercs és alkalmazása az elektronikai mérnöki gyakorlatban

2020-11-11

A digitális áramkörök, például a processzorok, a programozható logikai eszközök és a SoC áramkörök – a kettő kombinációja - széles körű használata ellenére, az elektronikai tervezőnek néha „analóg” elemeket is fel kell használniuk, például: ellenállások, kondenzátorok vagy indukciós tekercsek. Ami érdekes, hogy egy ellenállást vagy egy kondenzátort (picofaradokban számolt kapacitással) viszonylag könnyen be lehet építeni az integrált áramkör struktúrájába, egy indukciós tekerccsel ugyanezt megtenni kifejezetten nehéz. Éppen ezért sok elem felhasználási megjegyzése az indukciós tekercset még mindig a készlethez hozzáadott külső komponensként említi. Ez a cikk az indukciós tekercsekről nyújt alapvető információt, és leírja szerkezetüknek azon elemeit, amelyek befolyásolják paramétereiket.

Az indukciós tekercsek szerkezete

Maga az indukciós tekercs egyáltalán nem bonyolult. A magból és a körülötte tekercselt szigetelt huzalokból áll. A mag lehet levegőmag vagy mágneses anyagokból is készülhet. Fontos, hogy a mag körül tekercselt huzalok legyenek szigetelve, éppen ezért tekercsek készítéséhez szigetelt huzalokat használnak, vagy nem szigetelt huzallal (például az úgynevezett ezüst acéllal) tekercselik, de légréssel biztosítják a huzal egyes fordulatai közötti szükséges elválasztás. Ha a nem szigetelt huzalt egymásra tekerjük fel, akkor rövidzárlat lép fel, és bár némi induktivitás jelen van, ez határozottan eltér a kívánttól.

A gyakorlatban gyakran előfordul a indukciós tekercs károsodása, vagyis rövidzárlat keletkezik a huzal fordulatai között a szigetelés meghibásodása következtében, a megengedett legnagyobb hőmérséklet vagy feszültség túllépése miatt. Az így megsérült tekercset újra kell tekercselni, vagy le kell cserélni. A hálózati transzformátorok is így károsodnak. Egy ilyen sérült transzformátor további használata túlmelegedést, rövidzárlatot okozhat a hálózatban, vagy akár a transzformátor vagy az általa meghajtott eszköz kigyulladását is eredményezheti.

Mi is az az indukciós tekercs?

A indukciós tekercs egy olyan elem, amely mágneses térként tárolja az energiát a magban, így az elektromos áram energiáját mágneses tér energiává változtatja, vagy fordítva. A tekercseken átáramló áram változása elektromotoros erő keletkezéséhez vezet abban az irányban, amely ellensúlyozza ezt a változást. Hasonlóképpen, a magba behatoló változtatható mágneses mező feszültség indukciót okoz. Ez a következő képlet segítségével írható le:

1_képlet Ahol a karakterek jelentése :

  • e - a tekercs által generált elektromotoros erő (feszültség voltban),
  • dϕ/dt - a mágneses fluxus időbeli változása,
  • di/dt - az aktuális időváltozás,
  • L - a tekercs induktivitásnak nevezett paraméterét jelenti; egysége Henry.

Könnyű észrevenni a korábban említett tulajdonságot – vagyis, hogy az e elektromotoros erő ellentétes irányú, mint az áramlást okozó feszültség. Ez ellensúlyozza a tekercsen átáramló áram gyors változását, és lehetővé teszi a tekercs számára az egyik alapvető funkciójának elvégzését – az úgynevezett gátló szerep betöltését.

Indukciós tekercs – alapvető paraméterek

A tekercs alapvető paraméterei az induktivitás és a rezonancia frekvencia. Az induktivitás más szóval a tekercs azon képessége, hogy az áram áramlása miatt mágneses tér formájában tárolja az energiát. Az induktivitást Henrykben mérik, és az ideiglenes feszültség és az áram időbeli változásának arányaként határozzák meg

4_képlet

wzor_6

wzor_3

Az indukciós tekercs termináljainak áram- és feszültségesését ábrázoló diagramok

Az indukciós tekercs termináljainak áram- és feszültségesését ábrázoló diagramok Az indukciós tekercs termináljainak áram- és feszültségesését ábrázoló diagramok. A csökkenés az áramellátás aktiválásának pillanatában a legnagyobb, és idővel csökken. A csökkenés ellensúlyozza az áram növekedését, így az áramellátást az áramellátás aktiválásának pillanatában, és idővel növekszik. Gyakran mondják, hogy a feszültség vezeti az áramot a tekercsen.

A fenti ábra mutatja, hogy mi történik a tekercs feszültségével és az azon átfolyó árammal, miután a terminálok áramellátást kapnak. A folytonos piros vonal az áram áramlását szemlélteti. Amint az megfigyelhető, az áram az áramellátás után növekszik, amíg el nem éri az Ohm-törvény által meghatározott csúcsértéket, vagyis a terminálon a feszültség és a tekercs ellenállás arányának értékét el nem éri. A szaggatott kék vonal szemlélteti a tekercs feszültségesését. Amint az megfigyelhető, az áramellátás pillanatában a legnagyobb a csökkenés, és a legkisebb, miután az áram eléri a csúcsértékét. Ide kapcsolódik a korábban említett tény, hogy az indukciós feszültség ellentétes irányú, mint a terminálokra vezetett feszültség.

A tekercs rezonancia frekvenciáját a nem ideális tekercs paramétereinek leírásakor tárgyaljuk, mivel összefügg a parazita kapacitással.

A mag anyaga és a relatív mágneses permeabilitás

Az indukciós tekercs nagyon fontos eleme a magja. A magot a felhasznált anyag típusa és a hozzá kapcsolódó relatív mágneses permeabilitás jellemzi. „Relatívnak” hívják, mert a vákuum áteresztőképességéhez viszonyítva határozzák meg. Ez egy dimenzió nélküli szám, amelyet egy adott közeg mágneses permeabilitásának (abszolút μ) és a vákuum μ0 permeabilitásának arányaként határozunk meg.

A meghatározás szerint a mágneses permeabilitás egy adott anyag vagy közeg azon képessége, hogy a mágneses indukciót a mágneses térerősség változásával együtt megváltoztassa. Más szavakkal, a permeabilitás az anyag vagy a közeg olyan jellemzője, amely leírja a mágneses mező vonalainak koncentrálására való képességét.

A mágneses permeabilitás - a Tudományos és Technológiai Adatok Bizottsága (CODATA) által 2002-ben közzétett adatokkal összhangban - skalár, amelyet μ0 szimbólum jelöl és amelynek értéke a Nemzetközi Mértékegységrendszerben (SI) μ0 = 4·Π·10-7= ca. 12,566370614·10-7 [H/m = V·s/A·m].

A tekercs induktivitását a következő képlet segítségével tudjuk leírni::

2_képlet

A képletben használt szimbólumok jelentései a következők:

  • L - induktivitás henry-ben,
  • μ0 - a vákuum mágneses permeabilitása,
  • μ - a mag anyagának relatív permeabilitása,
  • Z - huzalfordulatok száma a tekercsben,
  • S - a tekercs keresztmetszete,
  • l - a tekercs hossza. A szennyezetlen levegő relatív permeabilitása nem sokban különbözik a vákuum permeabilitásától, ezért az egyszerűség kedvéért a mérnöki gyakorlatban azt feltételezzük, hogy μ = 1, a levegőtekercs induktivitási képlete pedig:

a levegőtekercs induktivitási képlete

Mágneses térerő A kék vonalak mutatják a mágneses erő erővonalait, amelyeket a Lentz-szabály (az úgynevezett jobbkezes szabály) szerint irányítottak.

A mágneses jellemzőket tekintve az anyagokat paramágneses anyagokra (anyagok, amelyek mágnessé válnak, miután a mágneses mezőbe helyezik), ferromágneses anyagokra (amelyek mágnesessé válnak mágneses tér jelenlétében) és diamagnetikus anyagokra (a mágneses anyagot gyengítő) osztják fel. A maganyag típusa erősen befolyásolja a tekercs paramétereit. Tökéletes vákuumban nincsenek olyan részecskék, amelyek befolyásolhatják az induktivitás és a mágneses tér erőssége közötti összefüggést. Ennek ellenére minden anyagi közegben az induktivitási képlet módosul, az adott közeg permeabilitásától függően. Vákuum esetén az áteresztőképesség értéke 1. A paramágneses anyagok esetében a relatív permeabilitás valamivel magasabb, mint 1, a diamágneses anyagoknál valamivel kisebb, mint 1 - a különbség mindkét esetben olyan kicsi, hogy az a műszaki alkalmazásokban elhanyagolható és a feltételezett érték egyenlő 1-gyel.

Foglaljuk össze a fenti bekezdést a tekercs azon paramétereinek felsorolásával, amelyek a legnagyobb mértékben befolyásolják az induktivitását:

  • A tekercs induktivitása együtt növekszik:

    • huzalfordulások számával,
    • a maganyag relatív permeabilitásával,
    • a tekercs felületével,
    • a tekercs hosszának csökkenésével.
  • A tekercs induktivitása csökken, ha:

    • a huzalfordulás száma csökken,,
    • a maganyag relatív permeabilitása csökken,
    • a felület csökken,
    • a tekercs hossza megnő.

Miért használnak magokat? Először is, a magnak köszönhetően több energiát lehet tárolni kevesebb fordulattal, mint egy egyenértékű légmag esetén. Másodszor, a tekercs mechanikai felépítése miatt - a mag támogatja a huzalfordulásokat, és lehetővé teszi a megfelelő felszerelést a céleszközbe. A harmadik fontos ok a mágneses tér koncentrációja és vezetése. Bizonyos alkalmazásokban fontos lehet a tekercs induktivitásának szabályozása is a magnak a huzalfordulatokhoz viszonyított helyzetének megváltoztatásával, például behelyezésével vagy kiemelésével.

A nem ideális tekercs

Ezidáig az ideális tekercs paramétereit tárgyaltuk meg. Eközben reális körülmények között a tekercselő huzalnak van némi ellenállása és kapacitása, ami befolyásolja a tekercs tényleges paramétereit, amelyeket még nem vettünk figyelembe.

Az ábra egy valódi tekercs egyenértékű egyenáramú sémáját mutatja. A tekercshuzal ellenállását ábrázoló ellenállást sorosan csatlakoztattuk a tekercsfordulatokhoz. A tekercsen keresztül áramló áram mellett ez nemcsak feszültségesést, hanem energiaveszteséget is okoz hő formájában, ami a tekercs túlmelegedését és a magparaméterek megváltoztatását okozhatja. Ennek következtében az egész készülék elektromos hatékonysága is csökken.

A tekercs alternatív sematikus rajza A tekercs alternatív sematikus rajza – egyenáram elemzés Váltakozó áramú elemzés esetén figyelembe kell venni a vezető szigeteletlen rétegei által létrehozott parazita kapacitást is, ezért az egyenértékű diagram az ellenállástól eltekintve tartalmaz egy, a tekercs kivezetéseivel párhuzamosan kapcsolt kondenzátort is. Így RLC áramkör jön létre, és maga a tekercs induktív, mielőtt elérné a rezonancia frekvenciát, majd annak elérése után kapacitívvé válik. Ezért a tekercs impedanciája növekszik a rezonancia frekvenciájával, hogy elérje a maximális rezonancia értéket, és csökkenjen a frekvencia túllépése után. Egy valódi tekercs átváltása induktívból kapacitívvá Egy valódi tekercs váltása induktívból kapacitívvá a rezonancia frekvencia elérése után. A megfelelő sematikus diagrammon látható szimbólumok: L - induktivitás, EPC - parazita kapacitás, EPR - az energiaveszteséget szimbolizáló párhuzamos ellenállás, ESR - a tekercsmag ellenállását szimbolizáló soros ellenállás)

Az indukciós tekercsben előforduló háromféle teljesítményveszteség

A tekercsek alkalmazásában az energiaveszteség három domináns típusát vesszük figyelembe. Az elsőt már korábban említettük, nevezetesen a soros ellenállásban bekövetkező veszteséget, vagyis a tekercselő vezetéket. Ezt az energiaveszteséget különösen akkor kell figyelembe venni, ha a tekercsen keresztül áramló áram nagy áramerősséggel bír. Ez a tápegységek és áramkörök leggyakoribb energiavesztesége. A tekercs és ennek következtében egy egész eszköz túlmelegedését okozza. Ez a károk leggyakoribb oka is, mivel a magas hőmérséklet károsíthatja a szigetelést és rövidzárlatot okozhat a tekercseken.

A második típusú energiaveszteség a magban fordul elő. Ezek a kivitelezés szabálytalanságainak, az örvényáramok előfordulásának és a mágneses tartományok helyzetének változásainak következményei. Az ilyen veszteségek akkor dominánsak, ha a tekercsen keresztül áramló áram alacsony amperértékű. Nagy frekvenciájú áramkörökben, digitális jelelválasztókban, stb. fordulnak elő. Ez nem annyira a tekercs károsodásához vezethet, mint inkább az érzékeny áramkörök jelszintjének elvesztéséhez.A harmadik típusú energiaveszteség a mágneses fluxus elvesztésének következménye, amelyet mechanikus rögzítőelemek, a magban lévő levegőhézagok vagy a tekercs előállítása során történt hanyag munkák okozhatnak.

Fedezze fel kínálatunkat

Záró megjegyzések

Az indukciós tekercs egyszerű alkatrész, ezért kissé elhanyagolhatónak tűnik. Fojtókkal vagy átalakítókkal felszerelt elektronikus áramkör felszerelésekor ugyanakkor különös figyelmet kell fordítani a választott induktív alkatrészekre, ideértve azok rezonancia frekvenciáit és az alapanyag paramétereit is. Különböző magokat használnak az aktuális tíz vagy száz hertz frekvenciával, és különböző magokat több száz megahertz frekvenciával. Néha nagyfrekvenciás jelek esetén elegendő akár egy ferritgyöngy is.

Az indukciós tekercseket különböző módon lehet előállítani. Jellemzően több száz és száz fordulatos huzalt tekercselnek a magra. Bizonyos alkalmazásokban a kanyarulatok nyomvonalként vannak feltekercselve egy nyomtatott táblára, és néha egy ferrit csésze-magban záródnak. Manapság a tekercsek többségét, különösen az áramkörökben használt fojtókat SMT-szerelés céljából készítik. Mégis, a technológiai verseny szoros, és egyre újabb mágneses anyagokat fejlesztenek ki, amelyek képesek megőrizni jellemzőiket és korlátozni a veszteségeket, a hőmérsékletemelkedés ellenére stb.

Az alacsony frekvencián történő működésre tervezett tekercseknek általában vasmagja van és nagy a tekercselt fordulatok száma, így viszonylag nehézzé válnak. Éppen ezért sok alkalmazásban, különösen azokban, amelyek érzékenyek az ütésekre és a túlfeszültségekre, a szerelés módszere jelentős szerepet játszik. A tekercs forrasztása általában nem elegendő - a magot megfelelően kell rögzíteni egy kapcson, tartó vagy csavar segítségével. Amikor tekercset vagy átalakítót választunk egy eszközhöz, ezt a szempontot is érdemes figyelembe venni.

Tekercsek alkalmazása az elektronikában

Az indukciós tekercseket a következőkre használják:

  • blokkolja a váltakozó áram áramlását az áramkörben,
  • az egyenáram (feszültség) rövidzárlata,
  • az idő mérése a áramerősség csökkenése alapján,
  • oszcillációs áramkör kiépítése,
  • szűrők építése meghatározott frekvenciákhoz,
  • az erősítő fokozatainak párosítása,
  • a feszültség csökkentése vagy növelése.

A tekercsek egyes alkalmazásai hasonlóak a kondenzátorokéhoz. Mint már tudjuk, egy tekercs kondenzátorként viselkedik, miután túllépte a rezonancia frekvenciát. Ez azonban nem jelenti azt, hogy ezeket az elemeket az áramkörön belül egymással fel lehet cserélni.

Ne felejtse el megnézni a videót az indukciós tekercsekről és azok elektronikai alkalmazásáról:

rightColumnPicture

EZT IS OLVASD EL

A Te böngésződ már elavult, tölts le egy újabb verziót

Firefox Firefox Letöltés
Internet explorer Internet Explorer Letöltés