Введение в индукторы

Одним из пассивных компонентов, который всегда остается неясным, являются индукторы. Это структуры, подобные катушке, которые вы найдете в большинстве силовых электронных схем, и именно благодаря своим свойствам ваши трансформаторы работают. Причина, по которой многие люди не понимают индукторов, заключается в том, что они изменяют не только электрическое поле, но и магнитное поле вокруг него. В этом уроке мы поймем основы Индуктора и демистифицируем его, чтобы мы знали, как и когда использовать его в наших приложениях.

Что такое индуктор?

Индуктор, пожалуй, самый простой из всех электронных компонентов, сконструированных во многом как резистор - простая длина провода, который намотан. Однако здесь сопротивление - это не то свойство, которое мы ищем. Это то, что происходит из-за формы провода - катушки - оно создает магнитное поле, когда через него проходит ток. Это индуцированное магнитное поле придает этому проволоку некоторые интересные электрические свойства, особенно индуктивность, что дает этим частям их имя.

Разница между индуктором и конденсатором

Мы уже узнали о конденсаторе в предыдущей статье. И теперь, когда вы узнали основы индуктора, у вас может возникнуть вопрос: «В чем разница между индуктором и конденсатором?»

Первым делом, прежде всего, накапливается энергия, когда на него подается потенциал напряжения, но конденсатор накапливает энергию в форме электрического поля, а индуктор накапливает энергию в форме магнитного кошачьего. Хорошо, но как это влияет на его производительность.

Нам нужно глубоко вникнуть, чтобы понять это, но сейчас вы можете просто вспомнить, что конденсатор пытается выровнять напряжение в цепи, то есть ему не нравится изменение потенциала на каждом компоненте, и, следовательно, он будет заряжаться или разрядить, чтобы выровнять напряжение. Индуктор, с другой стороны, не любит изменение тока в цепи, поэтому при изменении тока он будет заряжаться или разряжаться для выравнивания тока в цепи.

Также помните, что индуктор меняет полярность при разряде, поэтому потенциал во время зарядки будет противоположен потенциалу во время разряда.

Символы для индукторов

Как и многие другие электронные компоненты, символ для индуктора представляет собой упрощенную пиктограмму того, как он на самом деле выглядит:

Линии рядом с символом представляют основной материал - то, что мы обсудим позже.

Работа Индуктора

Индуктор, как уже упоминалось, это просто катушка провода.

Прежде чем мы перейдем к чему-либо еще, давайте зададимся вопросом, почему катушка?

Как мы уже знаем, любой проводник с током генерирует магнитное поле следующим образом:

Однако, если вы включите значение тока в формулы, то поймете, что создаваемое магнитное поле крошечно - почти ничтожно, если только токи не могут быть слишком высокими, порядка мегаампер.

Таким образом, чтобы увеличить магнитное поле, создаваемое определенной длиной провода, мы заключаем его в форму катушки. Это увеличивает магнитное поле, вот так:

Эту форму также называют соленоидом.

Когда напряжение подается на клеммы индуктора, текущий ток создает магнитное поле. Это магнитное поле снова создает индуктивный ток в индукторе противоположной полярности, согласно закону Ленца. Токи не компенсируют друг друга - скорее, индуцированный ток активно пытается противостоять входящему току из-за напряжения на индуктивности. Общий результат этой битвы состоит в том, что ток через индуктор не может быстро меняться - это всегда линейный наклон.

Измерение Индуктора

Рабочее поведение индуктора ставит интересный вопрос - как мы можем количественно измерить поведение индуктора в терминах, которые легко измеримы?

Мы могли бы попытаться измерить индукторы по магнитному полю, которое они создают. Как только мы это делаем, мы сталкиваемся с проблемами. Магнитное поле, создаваемое индуктором, зависит от тока, который проходит через него, поэтому даже маленький индуктор может создать большое магнитное поле.

Вместо этого мы могли бы использовать тот же подход, который мы использовали для конденсаторов, и мы можем определить индуктивность цепи как изменение напряжения, вызванное, когда ток изменяется с определенной скоростью.

Математически,

V = L (dI / dt)

Где V - напряжение, L - индуктивность, I - ток, а t - период времени.

Индуктивность, «L», измеряется в Генри, названном в честь Джозефа Генри, американского ученого, открывшего электромагнитную индукцию.

Формула для расчета индуктивности катушки проволоки дается по этой формуле:

L = (µn2a) / л

Где L - индуктивность в Генри, µ - постоянная проницаемости, т.е. коэффициент того, насколько легко магнитное поле может быть создано в данной среде, n - число витков, a - площадь катушки, а l - длина. катушки.

Опять же, Генри - очень большая единица, поэтому практически индукторы измеряются в микроГенри, мм, что составляет миллионную часть Генри, или миллиГенри, мГ, что составляет тысячную часть Генри. Иногда вы можете даже обнаружить очень малую индуктивность, измеренную в нано-генри, которая составляет одну тысячную доли мкГн.

Различные типы индукторов

Теперь µ в приведенном выше уравнении имеет некоторые интересные следствия. Это говорит о том, что магнитным полем внутри индуктора можно манипулировать. Как упомянуто выше, иногда магнитное поле, созданное даже соленоидом, иногда не соответствует требованиям. Вот почему почти во всех случаях вы найдете индукторы, сформированные вокруг материала сердечника.

Ядра - это материалы, которые поддерживают создание магнитного поля. Они обычно сделаны из железа и его соединений, таких как феррит (который является оксидом железа). С помощью сердечника вы можете получить большее магнитное поле, чем без него.

1. ВОЗДУШНЫЕ ИНДУКТОРЫ:

Как следует из названия, этот вид индуктора не имеет сердечника - материал сердечника - воздух! Поскольку воздух имеет относительно низкую проницаемость, индуктивность индукторов с воздушным сердечником довольно низкая - редко превышает 5 мкГн. Поскольку они имеют низкую индуктивность, скорость нарастания тока достаточно высока для приложенного напряжения, что делает их способными обрабатывать высокие частоты. Они в основном используются в радиочастотных цепях.

2. ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ ИНДУКТОРЫ

Железо, пожалуй, самый узнаваемый магнитный материал, что делает его идеальным выбором для индукторов. Они принимают форму индукторов с железным сердечником. Они обычно используются для низкочастотной линейной фильтрации, поскольку они могут быть довольно громоздкими и иметь большую индуктивность. Они также используются в аудиооборудовании.

3. ФЕРРИТ ОСНОВНЫЕ ИНДУКТОРЫ

Феррит это просто порошок оксидов железа. Этот порошок смешивают с эпоксидной смолой и формуют для образования сердечников, вокруг которых могут быть намотаны провода. Индукторы с ферритовым сердечником легко узнать из-за их серо-черного цвета. Они также очень хрупкие и легко ломаются. Они являются наиболее широко используемыми видами индукторов, поскольку проницаемость можно точно контролировать, контролируя соотношение феррита и эпоксидной смолы в смеси.

Индукторы последовательно и параллельно

Индукторы, соединенные последовательно и параллельно, ведут себя совершенно противоположно конденсаторам.

Например, чтобы рассчитать индуктивность группы индукторов последовательно, вы можете просто суммировать значения отдельных индуктивностей.

L = L1 + L2 +… + Ln

Где L - общая индуктивность, а L1, L2 ... Ln - индивидуальная индуктивность.

Предположим, у вас есть два индуктора, один измеряет 10 мкГн, а другой 15 мкГн, а затем, последовательно соединяя их, вы получаете общую индуктивность 25 мкГн.

Параллельно индукторы ведут себя так же, как резисторы параллельно, индуктивность определяется как:

1 / L = 1 / L1 + 1 / L2 +… + 1 / Ln

Где L - общая индуктивность, а L1, L2 ... Ln - индивидуальная индуктивность.

Таким образом, если вы подключите две индуктивности 10 мкГн параллельно, вы получите индуктивность 5 мкГн.

Полезные формулы индуктора

1. ЭНЕРГИЯ, СОХРАНЯЕМАЯ ИНДУКТОРАМИ:

Индукторы могут накапливать энергию так же, как конденсаторы, но энергия исчезает, как только вы отключаете питание, и магнитное поле разрушается. Другими словами, индуктор без питания не может поддерживать свое магнитное поле.

E = ½ * L * I2

Где E - энергия в Джоулях, L - индуктивность в Генри, а I - ток в амперах.

Если у вас есть индуктор 20 мкГн, через который протекает ток 5 А, то запас энергии будет 0,00025 Дж. В этом аспекте индукторы, подобно конденсаторам, также содержат очень мало энергии.

2. СКОРОСТЬ ТЕКУЩЕГО ВОЗРАСТА

Эта формула уже обсуждалась, но стоит присмотреться.

V / L = dI / dt

Где V - напряжение, приложенное к индуктору, L - индуктивность, I - ток, а t - время.

Это говорит о том, что когда на индуктор подается постоянное напряжение, ток возрастает по линейному наклону. Это может быть полезно при создании линейных изменений тока, так же как конденсаторы создают линейные изменения напряжения при постоянном токе.

3. ИМПЕДАНС

Индукторы имеют импеданс, который связан с частотой по формуле:

XL = 2π * f * L

Где XL - индуктивный импеданс, f - частота в герцах, а L - индуктивность в Генри.

Поведение индукторов в цепях

Удивительно, но катушки индуктивности практически бесполезны в цепях постоянного тока, так как протекает постоянный ток, а катушка индуктивности действует как кусочек провода.

Они находят большую часть своего использования в цепях переменного тока. Как упомянуто выше, они имеют импеданс, что делает их полезными для ограничения тока в цепи переменного тока, такой как балласты люминесцентных ламп.

Они также могут быть использованы для фильтрации сигналов.

В первом случае индуктор пропускает весь постоянный ток через него на землю, предотвращая выход всех низких частот на выход. На более высоких частотах полное сопротивление индуктора постоянно увеличивается, поэтому сигнал может проходить через выход, поэтому он называется фильтром верхних частот.

Во втором случае индуктор пропускает постоянный ток и низкие частоты, но блокирует все высокие частоты с выхода, и поэтому он называется фильтром нижних частот.

Индукторы в реальной жизни

Индукторы, поскольку они изготовлены из медной проволоки и феррита, имеют тенденцию быть дорогими и находят большую часть своего применения в радио, источниках питания и телекоммуникационном оборудовании.

В источниках питания используется свойство индуктора предотвращать внезапные изменения тока. Наряду с конденсатором он предотвращает внезапные изменения выходного напряжения и тока блока питания.

Радиочастотные схемы используют интересную LC-схему, называемую танком. Конденсатор заряжается и разряжается в индуктор, который создает его магнитное поле. Когда магнитное поле разрушается, создается напряжение и заряжает конденсатор. Это создает периодические колебания, которые можно использовать для генерации высоких частот.

Частота может быть рассчитана по формуле:

Где f - частота в герцах, L - индуктивность в Генри, а C - емкость в Фарадах.

Заключение

И это все практические знания, которые вам потребуются для работы с индукторами. Они являются по сути простыми устройствами и не так распространены, как их родственники по конденсаторам и резисторам, но все же очень полезны.

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами по sales@xfullstar.com