Ați accesat site-ul pentru clienții din: Romania. Pe baza datelor dvs. de localizare, vă sugerăm versiunea paginii din USA / US
Panou client
Coşul dvs.
Inregistrare

Inductorul și aplicația sa practică în electronică

2020-11-11

În pofida utilizării pe scară largă a circuitelor digitale, cum ar fi procesoarele, circuitele logice programabile și sistemele SoC combinate, adeseori constructorul dispozitivului electronic trebuie să utilizeze elemente „analogice”, cum ar fi rezistențe, condensatori sau inductoare. Interesant este faptul că, deși este relativ ușor de realizat un rezistor sau un condensator (cu o capacitate de ordinul picofaradelor) în structura unui circuit integrat, este foarte dificil de realizat un inductor. Din acest motiv, multe componente includ încă un inductor care este conectat drept componentă externă în notele aplicației. Articolul oferă informații de bază despre bobine și descrie elementele de construcție ale acestora care influențează parametrii.

Construcția unui inductor

Inductorul nu este un element complicat. Este format dintr-un miez și bobine conductoare izolate înfășurate în jurul său. Miezul bobinei poate fi cu aer sau din materiale magnetice. Este important ca bobinele înfășurate în jurul miezului să fie izolate, de aceea se utilizează sârmă izolată pentru realizarea bobinelor sau acestea sunt înfășurate cu un fir neizolat (de exemplu, așa-numita sârmă de argint), dar cu un spațiu de aer adecvat care să asigure separarea spirelor. Dacă bobina este înfășurată cu sârmă neizolată, spira pe spiră este un scurtcircuit și da, va avea o anumită inductanță, dar cu siguranță diferită de cea intenționată.

Adesea, în practică, în urma depășirii temperaturii sau tensiunii admisibile, inductorul se deteriorează, constând într-un scurtcircuit între spire din cauza defectării izolației sârmei de bobinaj. Un inductor deteriorat trebuie reînfășurat sau înlocuit cu unul nou. Transformatoarele de rețea sunt adeseori deteriorate în acest fel. Utilizarea ulterioară a unui astfel de transformator deteriorat poate duce la supraîncălzirea acestuia, la un scurtcircuit în rețeaua electrică sau chiar la aprinderea transformatorului în sine sau a dispozitivului furnizat cu acesta.

Ce este un inductor?

Inductorul este un element care stochează energie în miez sub forma unui câmp magnetic și, prin urmare, convertește energia curentului electric în energia câmpului magnetic sau invers. Modificarea curentului care curge prin spire generează o forță electromotivă în direcția care contracarează această modificare. În mod similar, un câmp magnetic alternativ care pătrunde în miez induce o tensiune. Cu ajutorul formulei, aceasta poate fi exprimată după cum urmează:

model_1 În această formulă:

  • e - este forța electromotivă (tensiunea în volți) generată de bobină,
  • dϕ/dt - este schimbarea fluxului magnetic în timp,
  • di/dt - este schimbarea curentului în timp,
  • L - este parametrul bobinei numit inductanță; unitatea sa este Henry.

Este ușor de observat caracteristica menționată mai devreme - forța electromotivă e are sensul opus tensiunii care determină circulația curentului. Acest lucru contracarează schimbările bruște ale curentului care curge prin bobină și conduce la una dintre aplicațiile sale de bază - utilizarea unui inductor drept așa-numita reactanță.

Inductor - parametri de bază

Parametrii de bază ai unui inductor sunt inductanța și frecvența de rezonanță. Inductanța este capacitatea unei bobine de a stoca energia sub forma unui câmp magnetic cauzat de fluxul de curent. Inductanța este măsurată în Henry și este exprimată ca raportul dintre tensiunea instantanee și schimbarea curentului în timp.

 model_4

 model_6

 model_3

Diagrama căderii de curent și tensiune la bornele inductorului Grafice ale căderii de curent și de tensiune pe bornele inductorului. Scăderea este mai mare la pornire și scade în timp. Această scădere contracarează creșterea curentului și, prin urmare, amperajul este cel mai scăzut atunci când puterea este aplicată și crește în timp. Se spune adesea că tensiunea de pe bobină este înaintea curentului

Figura de mai sus arată ce se întâmplă cu tensiunea bobinei și cu curentul care curge prin ea atunci când o sursă de tensiune este conectată la bornele sale. Linia roșie continuă arată fluxul curent. După cum se poate vedea, curentul crește din momentul în care sursa este conectată la valoarea maximă definită de legea lui Ohm, adică raportul dintre tensiunea de la terminale și rezistența bobinei. Linia albastră punctată arată căderea de tensiune pe bobină. După cum se poate vedea, această scădere este cea mai mare la pornire și cea mai mică după ce curentul a atins valoarea maximă. Acest lucru se datorează faptului că tensiunea de inducție este în direcția opusă celei aplicate bornelor.

Am scris despre frecvența de rezonanță a bobinei cu ocazia discuției despre parametrii bobinei imperfecte, deoarece este legată de capacitatea parazită.

Materialul miezului și permeabilitate magnetică relativă

Miezul este un element foarte important al inductorului. Miezul se caracterizează prin tipul de material utilizat și permeabilitatea magnetică relativă asociată acestuia. Relativă, deoarece este determinată în raport cu permeabilitatea la vid. Este un număr adimensional definit ca raportul dintre permeabilitatea magnetică (absolută μ) a unui mediu dat și permeabilitatea magnetică a vidului μ0.

Conform definiției, permeabilitatea magnetică este o cantitate care determină capacitatea unui anumit material sau mediu de a schimba inducția magnetică atunci când intensitatea câmpului magnetic se schimbă. Altfel, se poate spune că permeabilitatea este o proprietate a unui material sau mediu care determină capacitatea sa de a concentra liniile câmpului magnetic.

Permeabilitatea magnetică a vidului, conform datelor publicate în 2002 de către Data Committee for Science and Technology (CODATA), este un scalar marcat cu simbolul μ0 și a cărui valoare în sistem SI este μ0 = 4·Π·10-7= aproximativ 12,566370614·10-7 [H/m = V·s/A·m].

Inductanța bobinei este exprimată prin formula:

model_2

În formulă, simbolurile individuale înseamnă:

  • L - Inductanță în Henry,
  • μ0 - permeabilitatea magnetică a vidului,
  • μ - permeabilitatea relativă a materialului miezului,
  • Z - numărul de spire ale înfășurării bobinei,
  • S - suprafața secțiunii transversale a bobinei,
  • l - lungimea bobinei.

Permeabilitatea relativă a aerului necontaminat nu diferă mult de permeabilitatea vidului, astfel încât, din motive de simplitate în practica inginerească, se presupune că μ = 1 și formula pentru inductanța bobinei cu aer ia forma:

formula_inductanței_bobinei_cu_aer

Puterea câmpului magnetic Liniile de forță ale câmpului magnetic cu direcția conformă cu regula Lentz (așa-numita „Regula mâinii drepte”).

În ceea ce privește proprietățile lor magnetice, materialele sunt împărțite în paramagnetice (devenind magneți atunci când sunt așezate într-un câmp magnetic), feromagnetice (devin magnetizați în prezența unui câmp magnetic) și diamagnetice (care slăbesc câmpul magnetic). Tipul materialului miezului afectează puternic performanța bobinei. Nu există particule într-un vid perfect care ar putea afecta dependența inducției de intensitatea câmpului magnetic. Prin urmare, în fiecare mediu material formula pentru inductanță va fi modificată datorită prezenței permeabilității magnetice a acestui mediu. Pentru vid, permeabilitatea relativă este exact 1. Pentru materialele paramagnetice, permeabilitatea relativă este puțin mai mare decât 1, pentru cele diamagnetice este puțin mai mică decât unitatea – pentru ambele tipuri de medii diferența este atât de mică încât în ​​aplicațiile tehnice este adesea neglijată, presupunând valoarea egală cu 1.

Să rezumăm acest paragraf enumerând parametrii bobinei care au cel mai mare impact asupra inductanței sale:

  • Inductanța bobinei crește cu:

    • numărul de spire ale înfășurării,
    • permeabilitatea relativă a materialului miezului;
    • suprafața bobinei,
    • scăderea lungimii bobinei.
  • Inductanța bobinei scade atunci când:

    • numărul de spire ale înfășurării este redus,
    • permeabilitatea relativă a materialului miezului scade,
    • suprafața scade,
    • lungimea bobinei crește.

La ce se folosesc miezurile? Primul motiv este că poate fi stocată mai multă energie cu mai puține spire decât echivalentul miezului de aer. Al doilea este structura mecanică a bobinei - miezul asigură scheletul spirelor înfășurării și montarea acesteia în dispozitivul țintă. Al treilea motiv important este concentrarea și conducerea câmpului magnetic. În unele aplicații va fi, de asemenea, important să puteți regla inductanța bobinei schimbând poziția miezului în raport cu spirele, de exemplu prin glisarea acestuia în interior sau în afară.

Bobină imperfectă

Până acum, am luat în considerare parametrii unei bobine ideale. Între timp, în condiții reale, sârma de bobinaj va avea o anumită rezistență și capacitate, ceea ce va afecta parametrii reali ai bobinei pe care nu i-am luat în considerare încă.

Figura arată diagrama echivalentă DC a unei bobine reale. Un rezistor care reprezintă rezistența sârmei de bobinaj este conectat în serie cu spire. Pe măsură ce curentul curge prin bobină, acesta va provoca nu numai căderea tensiunii, ci și pierderi de energie sub formă de căldură, ceea ce poate determina încălzirea bobinei și poate schimba parametrii de bază. În consecință, eficiența energetică a întregului dispozitiv scade, de asemenea.

Diagrama DC echivalentă a unei bobine reale Diagrama schematică echivalentă a unei bobine pentru analiza DC

La analiza curentului alternativ trebuie să se ia în considerare și capacitatea parazitară creată de straturile izolate ale conductorului; prin urmare, diagrama substitutivă include, de asemenea, un condensator conectat în paralel la bornele bobinei. Acest lucru creează un circuit rezonant RLC, iar bobina în sine este inductivă înainte de atingerea frecvenței rezonante și capacitivă odată ce este frecvența rezonantă este atinsă. Prin urmare, impedanța bobinei crește la frecvența de rezonanță pentru a atinge valoarea maximă în rezonanță și scade atunci când aceasta este depășită.

Schimbarea naturii bobinei reale Schimbarea naturii bobinei reale după atingerea frecvenței de rezonanță. Simboluri pe diagrama substitutivă: L – inductanță, EPC – capacitate parazitară, EPR – rezistență paralelă care simbolizează pierderile de putere, ESR – rezistență în serie care simbolizează rezistența sârmei de bobinaj)

Trei tipuri de pierderi de putere în inductoare

Există trei tipuri dominante de pierdere de putere în aplicațiile cu bobine. Prima este pierderea de rezistență a seriei menționată anterior, adică rezistența sârmei de bobinaj. Această pierdere de putere trebuie luată în considerare mai ales atunci când curentul prin bobină este mare. Cel mai adesea ne ocupăm de aceasta în surse de alimentare și circuite de alimentare. Acest tip de pierdere face ca bobina să se încălzească și, în consecință, să se încălzească întregul dispozitiv. Este, de asemenea, cea mai frecventă cauză de defecțiune, deoarece temperaturile ridicate pot deteriora izolația și scurtcircuita spirele.

Al doilea tip de pierdere de energie este pierderea miezului. Aceasta apare ca rezultat al performanței inegale a miezului, a curenților Foucault și a modificărilor în poziția domeniilor magnetice. Aceste pierderi sunt dominante atunci când curentul prin bobină este de intensitate redusă. Ele pot fi găsite în circuite de înaltă frecvență, separatoare digitale de semnal și altele. Pierderile nu conduc atât la deteriorarea bobinei, cât la probleme cu pierderile de nivel ale semnalului în circuitele sensibile.

Al treilea tip de pierdere de putere este pierderea fluxului magnetic care poate fi disipat de elementele de fixare mecanice, golurile de aer din miez sau bobina în sine.

Consultați oferta

În încheiere

Un inductor este o componentă necomplicată și, prin urmare, poate puțin neglijată. Între timp, la construirea unui circuit electronic echipat cu reactanțe sau transformatoare, trebuie acordată o atenție specială componentelor inductive selectate, inclusiv frecvențelor lor rezonante și parametrilor materialului miezului. Diferite miezuri sunt utilizate la o frecvență curentă de zeci sau sute de hertz, iar altele sunt utilizate la sute de megahertz și mai mult. Uneori, cu semnale de înaltă frecvență, este suficientă o secțiune de sârmă cu mărgele de ferită filetată.

Inductoarele pot fi realizate în diferite moduri. De obicei, pe miez sunt înfășurate de la câteva la sute de spire. În unele aplicații, înfășurările se fac sub formă de piste pe placa de circuit, uneori închizându-le într-o cupă de ferită. În prezent, majoritatea bobinelor, în special reactanțele utilizate în circuitele de alimentare, sunt realizate pentru montarea SMD. În același timp, cursa tehnologică continuă și se dezvoltă constant materiale magnetice mai noi care își păstrează proprietățile în ciuda creșterii temperaturii, au pierderi mai mici etc.

O bobină proiectată pentru funcționarea cu frecvență joasă are de obicei un miez de fier și un număr mare de spire și, prin urmare, este relativ grea. Prin urmare, în multe aplicații, în special în cele expuse la șocuri și impacturi, metoda de instalare are o mare importanță. De obicei, lipirea bobinei nu este suficientă - miezul său trebuie fixat mai sigur cu o clemă, mânere sau șuruburi. este util să aveți în vedere acest lucru atunci când alegeți o bobină sau un transformator pentru dispozitiv.

Utilizarea bobinelor în electronică

Bobinele sunt utilizate pentru:

  • blocarea fluxului de curent alternativ în circuit,
  • curent de scurtcircuit (tensiune),
  • măsurarea timpului scurs pe baza dispariției fluxului de curent;
  • construirea de circuite oscilatorii,
  • construirea de filtre pentru frecvențe specifice,
  • cuplarea treptelor amplificatorului,
  • reducerea sau creșterea tensiunii.

Unele aplicații cu bobine sunt similare cu aplicațiile cu condensatoare. După cum știm deja, bobina se comportă ca un condensator atunci când depășește frecvența de rezonanță. Acest lucru nu înseamnă, totuși, că aceste elemente pot fi utilizate în mod interschimbabil în sistem.

Vă invităm să urmăriți videoclipul dedicat inductoarelor și aplicării lor în electronică:

rightColumnPicture

CITIŢI ŞI

Browserul dvs. nu mai este suportat, descărcaţi o versiune nouă