Panel zákazníka
Vo Vašom košíku
Zaregistruj sa

Indukčná cievka a jej použitie v praxi

2020-11-11

Napriek mimoriadne rozšírenému používaniu digitálnych obvodov, takých ako procesory, programovateľné logické obvody a ich spojenia - obvody SoC, musí elektronik neraz siahnuť po “analógových” súčiastkach, ako sú rezistory, kondenzátory alebo indukčné cievky. Zaujímavé je, že kým v štruktúre integrovaného obvodu pomerne jednoducho vyrobíte rezistor alebo kondenzátor (s kapacitou pikofaradov), vyrobiť indukčnú cievku je veľmi náročné. Preto sa v aplikačných dokumentoch mnohých súčiastok naďalej nachádza indukčná cievka pridaná ako externý prvok. V článku uvádzame základné informácie o cievkach a ich konštrukčných prvkoch, ovplyvňujúcich ich parametre.

Konštrukcia indukčnej cievky

Indukčná cievka nie je komplikovaná súčiastka. Skladá sa z kostry a na nej navinutého izolovaného vodiča. Kostra cievky môže byť bez jadra – vzduchová alebo z magnetického materiálu. Je dôležité, aby vinutie okolo kostry bolo izolované, preto sa pri výrobe cievky používa izolovaný drôt alebo sa navíjajú neizolovaným drôtom (napríklad postriebreným), ale pri zachovaní dostatočnej vzduchovej medzery poskytujúcej požadovanú separáciu medzi vinutiami. Ak bude cievka navinutá neizolovaným drôtom vinutie pri vinutí, spôsobí to skrat. Samozrejme, bude mať istú indukčnosť, ale určite inú, než bola plánovaná.

V praxi dochádza často k poškodeniu indukčnej cievky spočívajúcemu v skrate medzi vinutím spôsobeným prebitím izolácie navinutého vodiča v dôsledku prekročenia povolenej teploty alebo napätia. Takto poškodená indukčná cievka vyžaduje previnutie alebo výmenu. Často sú takto poškodené sieťové transformátory. Ďalšie používanie poškodeného transformátora môže spôsobiť jeho prehriatie alebo dokonca vzplanutie samotného transformátora alebo zariadenia, ktoré napája.

Čo je to indukčná cievka?

Indukčná cievka je súčiastka, ktorá zachováva energiu v jadre vo forme magnetického poľa, teda mení energiu elektrického prúdu na energiu magnetického poľa alebo opačne. Zmena prúdu pretekajúceho cez vinutie generuje elektromotorickú silu nasmerovanú proti tejto zmene. Podobne, premenné magnetické pole prechádzajúce kostrou indukuje napätie. Pomocou vzťahu sa to dá vyjadriť nasledovne:

vzťah_1 v tomto vzťahu:

  • e - elektromotorická sila (napätie vo voltoch) vytváraná cievkou,
  • dϕ/dt - zmena elektromagnetického toku v čase,
  • di/dt - zmena prúdu v čase,
  • L - parameter cievky zvaný indukčnosť, jej jednotkou je Henry.

Ako môžeme vidieť, spomínaná vlastnosť – elektromotorická sila e - má opačný smer ako napätie vyvolávajúce pretekanie prúdu. Zabraňuje to náhlym zmenám prúdu pretekajúceho cez cievku a vedie k jednému z jej základných využití – k použitiu indukčnej cievky ako takzvanej tlmivky.

Indukčná cievka – základné parametre

Základnými parametrami cievky je jej indukčnosť a rezonančná frekvencia. Indukčnosť je inými slovami schopnosť cievky uchovávať energiu v podobe magnetického poľa vyvolaného pretekajúcim prúdom. Indukčnosť sa meria v jednotkách Henry a vyjadruje sa ako pomer okamžitého napätia k zmene prúdu v čase.

vzťah_4

vzťah_6

vzťah_3

Prúd a pokles napätia na svorkách indukčnej cievky Závislosti prúdu a poklesu napätia na svorkách indukčnej cievky. Pokles je najväčší v okamihu zapojenia napájania a s časom klesá. Tento pokles zabraňuje nárastu prúdu a preto je intenzita prúdu najnižšia v okamihu zapojenia napájania a s časom rastie. Často sa hovorí, že na cievke napätie predbieha prúd

Na obrázku vyššie je znázornené, čo sa deje s napätím na cievke a prúdom, ktorý cez cievku prechádza po pripojení jej svoriek k zdroju napájania. Červenou farbou je označený prúd. Ako si môžete všimnúť, prúd rastie od momentu pripojenia zdroja až kým nedosiahne maximálnu hodnotu stanovenú Ohmovým zákonom, čiže pomerom napätia na svorkách a odporu cievky. Prerušovaná modrá krivka ilustruje pokles napätia na cievke. Všimnite si, že klesá najviac v momente zapojenia a najmenej, keď je prúd maximálny. Súvisí to so spomínaným faktom, že indukčné napätie má opačný smer ako priložené k svorkám.

Rezonančnú frekvenciu cievky spomíname pri parametroch neideálnej cievky, pretože je spojená s parazitickou kapacitou.

Materiál kostry a relatívna magnetická permeabilita

Veľmi dôležitým prvkom indukčnej cievky je kostra. Tú určuje druh použitého materiálu a s tým spojená relatívna magnetická priepustnosť - permeabilita. Relatívna, pretože sa určuje vo vzťahu k permeabilite vákua. Je to bezrozmerná veličina definovaná ako vzťah magnetickej permeability (absolútnej μ) daného prostredia k magnetickej permeabilite vákua μ0.

Podľa definície je magnetická permeabilita veličina vyjadrujúca mieru magnetizácie daného materiálu alebo prostredia v dôsledku zmeny intenzity magnetického poľa. Inými slovami môžeme povedať, že permeabilita je vlastnosť materiálu alebo prostredia definovaná ako schopnosť polarizovateľnosti magnetického poľa.

Magnetická permeabilita vákua je v súlade s údajmi, ktoré v roku 2002 publikovala interdisciplinárna komisia Medzinárodného výboru pre vedu (CODATA) skalárom, ktorý sa označuje symbolom μ0 a ktorý má v SI sústave hodnotu μ0 = 4·Π·10-7= približne 12,566370614·10-7 [H/m = V·s/A·m].

Indukčnosť cievky sa vyjadruje vzťahom:

vzťah_2

Význam jednotlivých symbolov:

  • L - indukčnosť v Henry,
  • μ0 - magnetická permeabilita vákua,
  • μ - relatívna permeabilita materiálu jadra,
  • Z - počet vinutí cievky,
  • S - plocha priečneho rezu cievky,
  • l - dĺžka cievky.

Relatívna permeabilita neznečisteného vzduchu sa veľmi nelíši od permeability vákua, preto sa v inžinierskej praxi predpokladá, že μ = 1 a vzťah pre indukčnosť vzduchovej cievky má nasledovnú podobu:

vzťah_indukčnosť_vzduchovej_cievky

Sila magnetického poľa Namodro sú označené siločiary magnetického poľa v smere udanom Lenzovym zákonom (tzv. „Pravidlo pravej ruky”).

Materiály sa z hľadiska magnetických vlastností rozdeľujú na paramagnety (magnetmi sa stávajú po vložení do magnetického poľa), ferromagnety (zmagnetizované pôsobením magnetického poľa) a diamagnety (vytláčajúce magnetické pole). Druh materiálu jadra výrazne ovplyvňuje parametre cievky. V dokonalom vákuu nie sú prítomné žiadne čiastočky, ktoré by mohli ovplyvniť závislosť indukcie od intenzity magnetického poľa. V každom materiálnom prostredí bude vzťah k indukčnosti modifikovaný magnetickou permeabilitou tohto prostredia. Pre vákuum sa relatívna permeabilita rovná 1. Pre paramagnety je relatívna permeabilita o čosi väčšia ako 1, pre diamagnety je o čosi menšia ako 1 – pre oba typy týchto prostredí je rozdiel taký malý, že v technických aplikáciách sa často zanedbáva a považuje sa za hodnotu rovnajúcu sa 1.

Zhrňme si túto časť do menších bodov, v ktorých uvedieme parametre cievky najviac ovplyvňujúce jej indukčnosť:

  • Indukčnosť cievky rastie s:

    • počtom jej vinutí,
    • relatívnou permeabilitou materiálu jadra,
    • plochou prierezu cievky,
    • skracovaním dĺžky cievky.
  • Indukčnosť cievky klesá::

    • zmenšením počtu vinutí,
    • znižovaním relatívnej permeability materiálu jadra,
    • zmenšovaním plochy prierezu cievky,
    • nárastom dĺžky cievky.

Na čo sa používajú jadrá? Prvým dôvodom je možnosť uchovávať viac energie pri menšom počte vinutí v porovnaní s ekvivalentom so vzduchovým jadrom. Druhým dôvodom je mechanická konštrukcia cievky – jadro zabezpečuje kostru pre vinutie a jej upevnenie v cieľovom zariadení. Tretím závažným dôvodom je koncentrácia a vplyv magnetického poľa. V určitých aplikáciách je dôležitá aj regulácia indukčnosti cievky prostredníctvom zmeny polohy jadra k vinutiam, napríklad jeho zasúvaním alebo vysúvaním.

Neideálna cievka

Doteraz sme hovorili o parametroch ideálnej cievky, no v reálnych podmienkach bude mať drôt vinutia určitý odpor a kapacitu, čo ovplyvní skutočné parametre cievky, ktoré sme si ešte nerozobrali.

Na obrázku je znázornená alternatívna schéma jednosmerného prúdu reálnej cievky. Za vinutím je sériovo zapojený odpor, ktorý predstavuje odpor drôtu vinutia. Pri pretekaní prúdu cez cievku spôsobí nielen pokles napätia, ale aj stratu výkonu v podobe tepla, čo môže zahriať cievku a zmeniť parametre jadra. V dôsledku uvedeného klesá aj energetická účinnosť celého zariadenia..

Alternatívna schéma skutočnej cievky s jednosmerným prúdom Alternatívna schéma skutočnej cievky s jednosmerným prúdom

V analýze so striedavým prúdom treba zohľadniť parazitickú kapacitu tvorenú odizolovanými vrstvami prevodníka a preto sa v alternatívnej schéme objavuje okrem rezistora aj kondenzátor pripojený paralelne k svorkám cievky. Takto sa tvorí rezonančný obvod RLC, pričom samotná cievka má pred dosiahnutím rezonančnej frekvencie indukčný charakter, a po jej dosiahnutí – kapacitný charakter. Preto impedancia cievky rastie po rezonančnú frekvenciu a po jej prekročení klesá.

Zmena charakteristiky skutočnej cievky Zmena charakteristiky skutočnej cievky po dosiahnutí rezonančnej frekvencie. Označenia na náhradnej schéme: L – indukčnosť, EPC – parazitická kapacita, EPR – paralelná rezistencia straty výkonu, ESR – sériová rezistencia odporu drôtu vinutia)

Tri druhy strát výkonu v indukčných cievkach

V aplikáciách cievok sa posudzujú tri dominantné druhy výkonových strát. Prvým je už spomínaná strata, ku ktorej dochádza v rámci sériovej rezistencie, t. j. na rezistencii drôtu vinutia. Túto stratu treba brať na zreteľ, keď má prúd pretekajúci cez cievku vysokú intenzitu. Najčastejšie sa s ňou stretávame v napájacích zdrojoch a obvodoch. Tento druh strát spôsobuje zahrievanie cievky a tým aj celého zariadenia. Je to súčasne aj najčastejšia príčina poškodenia, pretože vysoká teplota môže poškodiť izoláciu a spôsobiť skrat vinutia.

Druhým typom strát výkonu sú straty vyskytujúce sa v jadre. Objavujú sa v dôsledku nerovnomerne vyrobeného jadra, výskytu vírivých prúdov a zmeny polohy magnetických domén. Tieto straty sú dominantné, keď má prúd pretekajúci cievkou slabú intenzitu. S tým sa môžete stretnúť v obvodoch s vysokou frekvenciou, v oddeľovačoch digitálnych a iných signálov. Spôsobuje nielen poškodenie cievky, ale aj problémy so stratami úrovne signálu v aktívnych obvodoch.

Tretím druhom výkonových strát sú tie, ku ktorým dochádza v dôsledku magnetického toku, ktorý môžu narúšať mechanické upevňovacie prvky, vzduchové medzery v jadre alebo aj nepresnosti pri výrobe samotnej cievky.

Pozrite si ponuku

Slová na záver

Indukčná cievka je jednoduchá súčiastka, kvôli čomu môže byť niekedy podceňovaná. Pri výrobe elektronického obvodu vybaveného tlmivkami alebo transformátormi však výberu indukčných komponentov, vrátane ich rezonančnej frekvencie a parametrom materiálu jadra, treba venovať osobitnú pozornosť. Iné jadrá sa používajú pri frekvencii prúdu rádovo v desiatkach či stovkách hertzov, iné pri stovkách megahertzov a viac. Niekedy stačí pri signáloch s vysokou frekvenciou kúsok vodiča s odrušovacím feritovým korálikom.

Indukčné cievky sa môžu vyrábať rôznymi spôsobmi. Bežne sa navíja niekoľko až niekoľko sto vinutí drôtu na jadro. V niektorých aplikáciách sa vyrábajú vinutia vo forme cestičiek na doske plošných spojov, niekedy sú zatvorené vo ferritovom hrnčeku. V súčasnosti sa väčšina cievok, najmä tlmiviek používaných v napájacích obvodoch, vyrába pre SMD montáž. No stále prebiehajú technologické preteky a pripravujú sa novšie a novšie magnetické materiály, ktoré si napriek nárastu teploty zachovávajú svoje vlastnosti, majú menšie straty a pod.

Cievka určená na prevádzku pri malých frekvenciách má železné jadro a veľký počet vinutí, preto má pomerne vysokú hmotnosť. V mnohých aplikáciách, najmä v tých, ktoré sú vystavené vibráciám a nárazom, má mimoriadny význam spôsob montáže. Bežné prispájkovanie cievky nestačí – jej jadro musí byť pripevnené pevnejšie, pomocou objímky, úchytov alebo skrutiek. Pri výbere cievky alebo transformátora do zariadenia na to treba pamätať.

Použitie cievok v elektronike

Cievky sa používajú na:

  • blokovanie prietoku striedavého prúdu v obvode,
  • zabezpečenie jednosmerného prúdu (napätia),
  • meranie času na základe zániku prietoku prúdu,
  • tvorbu oscilačných obvodov,
  • výrobu filtrov pre stanovené frekvencie,
  • prepojovanie stupňov zosilňovačov,
  • znižovanie alebo zvyšovanie napätia.

Niektoré využitia cievky sú podobné ako pri kondenzátore. Ako už vieme, cievka sa správa ako kondenzátor po prekročení rezonančnej frekvencie. To však neznamená, že sa tieto súčiastky musia v obvode používať alternatívne.

Pozrite si video venované problematike indukčných cievok a ich použitiu v elektronike:

rightColumnPicture

ČÍTAŤ VIAC

Váš prehliadač už nie je podporovaný, stiahnite si novú verziu