U bekijkt de website voor klanten uit: Netherlands. Op basis van uw locatiegegevens is de voorgestelde pagina voor u USA / US
Klantpaneel
In uw winkelwagen
Laat zich registreren

De inductiespoel en zijn toepassing in elektronicapraktijk

2020-11-11

Ondanks het wijdverbreide gebruik van digitale elementen, zoals processors, programmeerbare logische schakelingen en SoC's die daar een combinatie van zijn, moet een constructeur van elektronica vaak nog "analoge" elementen gebruiken, zoals weerstanden, condensators of inductiespoelen. Hoewel het relatief eenvoudig is om een weerstand of een condensator uit te voeren in een chip (met een capaciteit in de orde van grootte van picofarads) is het maken van een inductiespoel erg lastig. Daarom bevatten de applicatienotities van veel componenten nog steeds een inductiespoel die als externe component is toegevoegd. Dit artikel geeft basisinformatie over deze spoelen en beschrijft de elementen van hun constructie die van invloed zijn op de parameters.

Bouw van een inductiespoel

Een inductiespoel is op zichzelf geen gecompliceerd element. Hij bestaat uit een kern en daaromheen gewonden geïsoleerde wikkelingen van een geleider. De spoelkern kan lucht bevatten of zijn gemaakt van magnetische materialen. Het is belangrijk dat de wikkelingen die om de kern zijn gewonden, geïsoleerd zijn, daarom wordt voor het maken van spoelen geïsoleerde draad gebruikt of ze worden gewikkeld met een niet-geïsoleerde draad (bv. de zogenaamde zilverdraad), maar met passende luchtspleten die de vereiste scheiding tussen de wikkelingen garandeert. Als de spoel is gewikkeld met niet-geïsoleerde draad is er sprake van kortsluiting. Ja, hij zal dan wel enige inductie vertonen, maar absoluut anders dan bedoeld.

Als gevolg van overschrijding van de toegestane temperatuur of spanning raakt de inductiespoel in de praktijk vaak beschadigd door kortsluiting tussen de wikkelingen als gevolg van doorboring van de isolatie van de wikkeldraad. Zo'n beschadigde inductiespoel moet opnieuw worden gewikkeld of vervangen door een nieuwe. Vaak raken nettransformatoren op deze manier beschadigd. Verder gebruik van zo'n beschadigde transformator kan leiden tot oververhitting, kortsluiting in het elektriciteitsnet of zelfs het in brand vliegen van de transformator zelf of het gevoede apparaat.

Wat is een inductiespoel?

Een inductiespoel is een element dat energie opslaat in de kern in de vorm van een magnetisch veld. Zo wordt de energie van de elektrische stroom omgezet in de energie van het magnetische veld of vice versa. Een verandering van de stroom die door de wikkelingen vloeit, genereert een elektromotorische kracht in een richting die deze verandering tegenwerkt. Ook het wisselende magnetisch veld dat de kern binnendringt, induceert een spanning. Dit kan worden uitgedrukt met de volgende formule:

formule_1 In deze formule is:

  • e - de elektromotorische kracht (spanning in volt) die door de spoel wordt opgewekt;
  • dϕ/dt - de verandering in magnetische flux in de loop van de tijd;
  • di/dt - de verandering van de stroom in de loop van de tijd;
  • L - de spoelparameter die coëfficiënt van zelfinductie heet; zijn eenheid is henry.

Het is gemakkelijk om de eerder genoemde eigenschap op te merken - de elektromotorische kracht e heeft een tegenovergestelde beweging ten opzichte van de spanning die de stroom veroorzaakt. Dit gaat plotselinge veranderingen in de stroom door de spoel tegen en leidt tot een van zijn basistoepassingen - het gebruik van de inductiespoel als zgn. smoorspoel.

Inductiespoel – basisparameters

De basisparameters van een spoel zijn de zelfinductie en resonantiefrequentie. Zelfinductie is het vermogen van een spoel om energie op te slaan in de vorm van een magnetisch veld dat wordt veroorzaakt door de stroom. Zelfinductie wordt gemeten in henry en uitgedrukt als de verhouding tussen de momentane spanning en de stroomverandering in de tijd.

formule_4

formule_6

formule_3

Grafiek van de stroom en spanningsval op de klemmen van de inductiespoel Grafieken van de stroom en spanningsval op de klemmen van de inductiespoel. De daling is het grootst op het moment dat de stroom wordt ingeschakeld en neemt af met de tijd. Deze daling gaat de toename van de stroom tegen en daarom is de stroomintensiteit het laagst als de stroom wordt ingeschakeld en neemt deze in de loop van de tijd toe. Vaak wordt gezegd dat in de spoel de spanning voorloopt op de stroom

De bovenstaande figuur laat zien wat er gebeurt met de spanning in de spoel en de stroom die er doorheen loopt nadat een spanningsbron wordt aangesloten op de klemmen. De doorlopende rode lijn illustreert de stroomsterkte. Zoals u kunt zien, neemt de stroom toe vanaf het moment dat de bron wordt aangesloten op de spoel tot de maximale waarde die is gedefinieerd door de wet van Ohm, nl. de verhouding tussen de spanning die aanwezig is op de klemmen en de weerstand van de spoel. De blauwe stippellijn illustreert de spanningsval op de spoel. Zoals u kunt zien, is deze daling het hoogst op het moment van inschakelen en het laagst nadat de stroom zijn maximale waarde heeft bereikt. Dit komt door het feit dat de inductiespanning tegengesteld is aan de richting van de spanning op de klemmen.

De resonantiefrequentie van de spoel wordt besproken bij de parameters van de niet-ideale spoel, omdat deze is gerelateerd aan de parasitaire capaciteit.

Materiaal van de kern en de relatieve magnetische permeabiliteit

Een zeer belangrijk element van de inductiespoel is de kern. De kern wordt gekenmerkt door het type materiaal dat wordt gebruikt en de bijbehorende relatieve magnetische permeabiliteit. Relatief, omdat hij wordt aangeduid ten opzichte van de aan de permeabiliteit van een vacuüm. Het is een dimensieloos getal dat wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de magnetische permeabiliteit (absolute μ) van een bepaald medium tot de magnetische permeabiliteit van vacuüm μ0.

Volgens de definitie is de magnetische permeabiliteit een grootheid die het vermogen definieert van een bepaald materiaal of medium om de magnetische inductie te veranderen wanneer de magnetische veldsterkte verandert. Met andere woorden, de permeabiliteit is de eigenschap van een materiaal of medium dat zijn vermogen om magnetische veldlijnen te concentreren definieert.

De magnetische permeabiliteit van vacuüm volgens de gegevens die in 2002 door het Data Committee for Science and Technology (CODATA) zijn gepubliceerd, is een scalair die wordt aangeduid met het symbool μ0. De waarde ervan in het SI-systeem bedraagt μ0 = 4·Π·10-7= circa 12,566370614·10-7 [H/m = V·s/A·m].

De zelfinductie van de spoelen wordt uitgedrukt in de formule:

formule_2

In de formule staan de afzonderlijke symbolen voor:

  • L - zelfinductie in henry;
  • μ0 - magnetische permeabiliteit in vacuüm;
  • μ - relatieve permeabiliteit van het kernmateriaal;
  • Z - aantal wikkelingen van de spoel;
  • S - doorsnede van de spoel;
  • l - lengte van de spoel.

De relatieve permeabiliteit van niet-verontreinigde lucht verschilt niet veel van die van vacuüm, dus omwille van de eenvoud wordt in de technische praktijk aangenomen dat μ = 1. De formule voor zelfinductie van de luchtspoel ziet er dan als volgt uit:

wzor_indukcyjnosc_cewki_powietrznej

Sterkte van het magnetische veld De krachtlijnen van het magnetisch veld zijn getekend in blauw met de richting in overeenstemming met de wet van Lenz (de zgn. "Rechterhandregel").

Materialen worden op basis van hun magnetische eigenschappen onderverdeeld in paramagnetisch (die na plaatsing in een magnetisch veld magneten worden), ferromagnetisch (die in aanwezigheid van een magnetisch veld gemagnetiseerd worden) en diamagnetisch (die het magnetisch veld verzwakken). Het type kernmateriaal heeft een sterke invloed op de parameters van de spoel. In perfect vacuüm zijn er geen deeltjes die invloed hebben op de afhankelijkheid van inductie van de magnetische veldsterkte. Daarom zal in elk materiaalmedium de formule voor zelfinductie veranderen door het optreden van de magnetische permeabiliteit van dit medium. Voor vacuüm is de relatieve permeabiliteit exact gelijk aan 1. Voor paramagnetische materialen is de relatieve permeabiliteit niet veel hoger dan 1 en voor diamagnetische materialen is hij iets lager dan 1. Voor beide soorten media is het verschil zo klein dat hij in technische toepassingen vaak wordt verwaarloosd en er wordt uitgegaan van een waarde die gelijk is aan 1.

We vatten deze paragraaf samen door de parameters van de spoel te noemen die de zelfinductie het meest beïnvloeden:

  • De zelfinductie van de spoel neemt toe met:

    • het aantal wikkelingen;
    • de relatieve permeabiliteit van het kernmateriaal;
    • de oppervlakte van de spoel;
    • vermindering van de lengte van de spoel.
  • De zelfinductie van de spoel neemt toe als:

    • het aantal wikkelingen afneemt;
    • de relatieve permeabiliteit van het kernmateriaal vermindert;
    • de oppervlakte afneemt;
    • de lengte van de spoel toeneemt.

Waarom wordt een kern gebruikt? De eerste reden is dat er meer energie kan worden opgeslagen met minder wikkelingen dan het equivalent met een luchtkern. De tweede is de mechanische structuur van de spoel - de kern vormt het skelet voor de wikkelingen en de montage ervan in het doelapparaat. De derde belangrijke reden is de concentratie en geleiding van het magnetische veld. In sommige toepassingen is het daarnaast belangrijk dat de zelfinductie van de spoel kan worden aangepast door de positie van de kern ten opzichte van de wikkelingen te veranderen, bijvoorbeeld door hem in- of uit te schuiven.

Niet-ideale spoel

Tot nu toe hebben we de parameters van een ideale spoel besproken. Ondertussen zal de wikkeldraad onder praktijkomstandigheden een bepaalde weerstand en capaciteit hebben. Dit heeft invloed op de werkelijke parameters van de spoel die we nog niet hebben besproken.

De afbeelding toont het alternatieve DC-schema van een werkelijke spoel. Een weerstand die de resistantie van de wikkeldraad vertegenwoordigt, is in serie geschakeld met de wikkelingen. Als er stroom door de spoel stroomt, zal dit niet alleen een spanningsval veroorzaken, maar ook vermogensverliezen in de vorm van warmte, waardoor de spoel kan opwarmen en de kernparameters kunnen veranderen. Als gevolg hiervan neemt ook de energie-efficiëntie van het hele apparaat af.

De afbeelding toont het alternatieve DC-schema van een werkelijke spoel Alternatief schema van een spoel bij gelijkstroomanalyse

Bij het analyseren van wisselstroom moet ook rekening worden gehouden met de parasitaire capaciteit die wordt gecreëerd door de geïsoleerde lagen van de geleider. Daarom is in het alternatieve schema, naast de weerstand, ook een condensator opgenomen die parallel is aangesloten op de spoelklemmen. Hierdoor ontstaat een RLC-resonantiecircuit en de spoel zelf heeft voor het bereiken van de resonantiefrequentie een inductief karakter en na het bereiken van de resonantiefrequentie een capacitief karakter. Daarom neemt de impedantie van de spoel toe tot de resonantiefrequentie om in resonantie de maximale waarde te bereiken en neemt hij weer af zodra deze wordt overschreden.

Karakterverandering van de eigenlijke spoel Karakterverandering van de eigenlijke spoel na het bereiken van de resonantiefrequentie. Symbolen in het vervangende schema: L -zelfinductie; EPC - parasitaire capaciteit; EPR - parallelle weerstand die het vermogensverlies symboliseert; ESR - seriële weerstand die de weerstand van de wikkeldraad symboliseert)

Drie soorten vermogensverlies in inductiespoelen

Er worden drie belangrijke typen vermogensverlies voorzien bij spoeltoepassingen. De eerste is het eerder genoemde verlies dat optreedt in de seriële weerstand, namelijk de weerstand van de wikkeldraad. U moet vooral met dit vermogensverlies rekening houden als de stroom door de spoel een hoge intensiteit heeft. U krijgt hier meestal mee te maken in voedingen en stroomcircuits. Dit type verlies zorgt voor opwarming van de spoel en dus ook van het hele apparaat. Het is ook de meest voorkomende oorzaak van storingen, omdat hoge temperaturen beschadiging van de isolatie en kortsluiting van de wikkelingen kunnen veroorzaken.

Het tweede type vermogensverlies zijn de kernverliezen. Ze verschijnen als gevolg van onregelmatigheden in de uitvoering van de kern, het optreden van wervelstromen en de verandering van positie van magnetische domeinen. Deze verliezen zijn dominant als de stroom die door de spoel loopt een lage intensiteit heeft. Ze komen voor in hoogfrequente circuits, digitale signaalscheiders en andere. Ze leiden niet zozeer tot schade aan de spoel als wel tot problemen met verliezen van het signaalniveau in gevoelige circuits.

Het derde type vermogensverlies is het verlies aan magnetische flux dat kan worden gedissipeerd door mechanische bevestigingselementen, luchtspleten in de kern of de onzorgvuldige uitvoering van de spoel zelf.

Bekijk het aanbod

Tot slot

De inductiespoel is een weinig compliceerde component die daardoor wellicht enigszins wordt onderschat. Ondertussen moet bij het bouwen van een elektronisch circuit met smoorspoelen of transformatoren, wel speciale aandacht worden besteed aan de gekozen inductieve componenten, inclusief hun resonantiefrequenties en parameters van het kernmateriaal. Er worden andere kernen gebruikt bij een frequentie van tientallen of honderden hertz dan bij frequenties van honderden megahertz of meer. Soms is bij hoogfrequente signalen een stuk draad met een ferrietkraal voldoende.

Inductiespoelen kunnen op verschillende manieren worden gemaakt. Gewoonlijk worden enkele tot honderden draadwikkelingen om een kern gemaakt. Bij sommige toepassingen worden lijnen gemaakt in de vorm van sporen op een printplaat, soms omsloten door een ferrietomhulsel. Tegenwoordig zijn de meeste spoelen, vooral smoorspoelen die in stroomcircuits worden gebruikt, gemaakt voor SMD-montage. Tegelijkertijd is de technologische wedloop nog steeds gaande en worden steeds weer nieuwe magnetische materialen ontwikkeld, die hun eigenschappen behouden ondanks temperatuurstijgingen, met minder verliezen etc.

Een spoel die is bestemd voor laagfrequent gebruik heeft meestal een ijzeren kern en een groot aantal wikkelingen, waardoor hij relatief zwaar is. Daarom is bij veel toepassingen de montagemethode van groot belang, vooral bij toepassingen die worden blootgesteld aan schokken en stoten. Meestal is solderen van de spoel niet voldoende - de kern moet steviger worden bevestigd met een klem, houders of schroeven. Bij het kiezen van een spoel of transformator voor een apparaat is het de moeite waard hier rekening mee te houden.

Toepassing van spoelen in de elektronica

Spoelen worden gebruikt voor:

  • het blokkeren van wisselstroom in het circuit;
  • kortsluiting van gelijkstroom (spanning);
  • meting van het tijdsverloop op basis van het verdwijnen van de stroom;
  • het bouwen van oscillerende circuits;
  • het bouwen van filters voor specifieke frequenties;
  • koppeling van versterkertrappen;
  • verlaging of verhoging van de spanning.

Sommige toepassingen van spoelen zijn vergelijkbaar met condensatortoepassingen. We weten al dat een spoel zich gedraagt als een condensator na overschrijding van de resonantiefrequentie. Dit betekent echter niet dat deze elementen onderling uitwisselbaar zijn.

We raden u aan om de video te bekijken die is gewijd aan inductiespoelen en hun toepassing in de elektronica:

rightColumnPicture

VERDER LEZEN

Uw browser wordt niet meer ondersteund, download een nieuwe versie

Chrome Chrome Download
Firefox Firefox Download
Internet explorer Internet Explorer Download