Induktyvumas - tai elektrinės grandinės komponentų gebėjimo kaupti magnetinio lauko energiją matas. Tai taip pat yra srovės ir magnetinio lauko santykio matas. Ji taip pat lyginama su elektros energijos inercija, kaip ir masė, kaip mechaninių kūnų inercijos matas.
Turinys
Saviindukcijos reiškinys
Saviindukcijos reiškinys pasireiškia, kai laidžiąja grandine tekančios srovės dydis kinta. Šiuo atveju magnetinis srautas grandinėje pasikeičia, ir srovės laiduose atsiranda EMP, vadinamas saviindukcijos EMP. Šis elektromagnetinis laukas yra priešingas srovės krypčiai ir yra lygus:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Akivaizdu, kad saviindukcinis EML yra lygus magnetinio srauto kitimo greičiui, kurį sukelia grandine tekančios srovės kitimas, ir taip pat yra proporcingas srovės kitimo greičiui. Saviindukcijos EMP ir srovės kitimo greičio proporcingumo koeficientas vadinamas induktyvumu ir žymimas L. Ši vertė visada yra teigiama, o jos SI vienetas yra 1 Henris (1 Gn). Taip pat naudojamos trupmeninės dalys - miligenerijos ir mikrogenerijos. Galima teigti, kad induktyvumas yra 1 Henris, jei 1 ampero srovės pokytis sukelia 1 volto saviindukcijos EMP. Induktyvumu pasižymi ne tik grandinė, bet ir vienas laidininkas bei ritė, kuriuos galima įsivaizduoti kaip daugybę nuosekliai sujungtų grandinių.
Energija kaupiama induktyvume, kurį galima apskaičiuoti taip: W=L*I2/2, kur:
- W - energija, J;
- L - induktyvumas, Gn;
- I - srovė ritėje, A.
Šiuo atveju energija yra tiesiogiai proporcinga ritės induktyvumui.
Svarbu! Inžinerijoje induktyvumas taip pat reiškia prietaisą, kuriame saugomas elektrinis laukas. Šiam apibrėžimui artimiausias elementas yra induktoriaus ritė.
Bendroji fizinės ritės induktyvumo apskaičiavimo formulė yra sudėtinga ir praktiniams skaičiavimams nepatogi. Naudinga prisiminti, kad induktyvumas yra proporcingas vijų skaičiui, ritės skersmeniui ir priklauso nuo geometrinės formos. Induktyvumui taip pat turi įtakos šerdies, ant kurios uždėta ritė, magnetinė skvarba, tačiau jam neturi įtakos ritėmis tekanti srovė. Norint apskaičiuoti induktyvumą, kiekvieną kartą reikia remtis konkrečiai konstrukcijai pateiktomis formulėmis. Pavyzdžiui, cilindrinės ritės pagrindinė charakteristika apskaičiuojama pagal formulę:
L=μ*μ*(N2*S/l),
kur:
- μ - ritės šerdies santykinė magnetinė skvarba;
- μ - magnetinė konstanta, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - apsisukimų skaičius;
- S - ritės plotas
- l - geometrinis ritės ilgis.
Norint apskaičiuoti cilindrinių ir kitų formų ričių induktyvumą, geriausia naudoti skaičiuotuvus, įskaitant internetinius skaičiuotuvus.
Nuoseklus ir lygiagretus induktorių jungimas
Induktyvumą galima sujungti nuosekliai arba lygiagrečiai, taip sukuriant naujų charakteristikų rinkinį.
Lygiagretus sujungimas
Kai ritės sujungtos lygiagrečiai, visų elementų įtampos yra vienodos, o srovės (pakaitomis) yra atvirkščiai proporcingi elementų induktyvumui.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
Bendrasis grandinės induktyvumas apibrėžiamas kaip 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Formulė galioja bet kokiam elementų skaičiui, o dviem ritėms ji supaprastinama iki L=L1*L2/(L1+L2). Akivaizdu, kad gautas induktyvumas yra mažesnis už mažiausią induktyvumą turinčio elemento induktyvumą.
Nuoseklus jungimas
Naudojant tokio tipo jungtį, ta pati srovė teka iš ričių sudaryta grandine, o įtampa (kintamoji!) kiekviename grandinės elemente pasiskirsto proporcingai kiekvieno elemento induktyvumui:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
Bendras induktyvumas yra lygus visų induktyvumų sumai ir bus didesnis už didžiausią vertę turinčio elemento induktyvumą. Todėl ši jungtis naudojama, kai reikia padidinti induktyvumą.
Svarbu! Jungiant rites nuosekliai arba lygiagrečiai, skaičiavimo formulės teisingos tik tais atvejais, kai elementų magnetinių laukų tarpusavio įtaka yra pašalinta (dėl ekranavimo, didelių atstumų ir pan.). Jei įtaka yra, tuomet bendra induktyvumo vertė priklausys nuo ričių tarpusavio išdėstymo.
Kai kurie praktiniai klausimai ir induktorių ričių konstrukcijos
Praktikoje naudojamos įvairios induktoriaus ritės konstrukcijos. Priklausomai nuo paskirties ir taikymo, prietaisus galima gaminti įvairiais būdais, tačiau reikia atsižvelgti į tikrųjų ričių poveikį.
Induktoriaus ritės kokybės koeficientas
Be induktyvumo, tikroji ritė turi keletą parametrų, o vienas iš svarbiausių yra kokybės koeficientas. Ši vertė lemia nuostolius ritėje ir priklauso nuo:
- ominiai nuostoliai apvijos laiduose (kuo didesnė varža, tuo mažesnis kokybės koeficientas);
- Dielektriniai nuostoliai laido ir apvijos karkaso izoliacijoje;
- skydo nuostoliai;
- Pagrindiniai nuostoliai.
Visi šie dydžiai apibrėžia nuostolių pasipriešinimą, o kokybės koeficientas yra bedimensinė vertė, lygi Q=ωL/R nuostoliai, kur:
- ω = 2*π*F - apskritiminis dažnis;
- L - induktyvumas;
- ωL - ritės reaktyvumas.
Apytikriai galima pasakyti, kad kokybės koeficientas yra lygus reaktyviosios (indukcinės) varžos ir aktyviosios varžos santykiui. Viena vertus, didėjant dažniui skaitmuo didėja, tačiau kartu dėl odos efekto mažėjant efektyviajam laido skerspjūviui didėja ir nuostolių varža.
Poveikis odai
Siekiant sumažinti svetimkūnių, taip pat elektrinių ir magnetinių laukų poveikį ir elementų tarpusavio poveikį per šiuos laukus, ritės (ypač aukšto dažnio) dažnai dedamos į ekraną. Be teigiamo poveikio, dėl ekranavimo sumažėja ritės Q vertė, sumažėja induktyvumas ir padidėja parazitinė talpa. Be to, kuo arčiau ekrano sienelių yra ritės apvijos, tuo didesnis žalingas poveikis. Todėl ekranuotos ritės beveik visada yra reguliuojamos.
Reguliuojamas induktyvumas
Kai kuriais atvejais būtina tiksliai nustatyti induktyvumo vertę vietoje, prijungus ritę prie kitų grandinės elementų, kompensuojant derinimo nuokrypius. Tam naudojami įvairūs metodai (keičiant apsukas ir pan.), tačiau tiksliausias ir sklandžiausias metodas yra šerdies reguliavimas. Tai yra srieginis strypas, kurį galima pasukti ir išsukti rėmo viduje, taip reguliuojant ritės induktyvumą.
Kintamas induktyvumas (variometras)
Kai reikia reguliuoti induktyvumą arba induktyvųjį ryšį, naudojamos kitokios konstrukcijos ritės. Juose yra dvi apvijos - judrioji ir nejudrioji. Bendrasis induktyvumas yra lygus abiejų ričių induktyvumo ir jų tarpusavio induktyvumo sumai.
Keičiant santykinę vienos ritės padėtį kitos atžvilgiu, reguliuojama bendra induktyvumo vertė. Toks prietaisas vadinamas variometru ir dažnai naudojamas ryšių įrangoje rezonansinėms grandinėms derinti tais atvejais, kai dėl tam tikrų priežasčių negalima naudoti kintamųjų kondensatorių. Variometras yra gana nepatogus, todėl jo naudojimas yra ribotas.
Induktyvumas spausdintinės ritės pavidalu
Mažo induktyvumo ritės gali būti pagamintos kaip spausdintų laidininkų spiralė. Šios konstrukcijos privalumai:
- gaminamumas;
- didelis pakartojamumas.
Trūkumai yra tai, kad reguliuojant neįmanoma tiksliai sureguliuoti ir sunku gauti didelį induktyvumą - kuo didesnis induktyvumas, tuo daugiau vietos plokštėje užima ritė.
Ritė su sekcine apvija
Induktyvumas be talpos egzistuoja tik popieriuje. Naudojant bet kokią fizinę ritę, iš karto atsiranda parazitinė ritės tarpusavio talpa. Daugeliu atvejų tai yra žalingas reiškinys. Dėl klaidžiojančios talpos padidėja LC grandinės talpa, todėl sumažėja rezonansinis dažnis ir virpesių sistemos kokybės koeficientas. Be to, ritė turi savo rezonansinį dažnį, kuris sukelia nepageidaujamus reiškinius.
Siekiant sumažinti išsklaidytąją talpą, naudojami įvairūs metodai, iš kurių paprasčiausias - induktorių suvynioti į kelias nuosekliai sujungtas sekcijas. Naudojant šį jungimo būdą induktyvumas sumuojamas ir sumažinama bendra talpa.
Induktyvumo ritė ant toroidinės šerdies
Cilindrinės induktoriaus ritės magnetinio lauko linijos eina per ritės vidų (jei yra šerdis - per ją) ir trumpai sujungiamos į išorę per orą. Dėl šio fakto atsiranda keletas trūkumų
- sumažėja induktyvumas;
- ritės charakteristikos yra sunkiau apskaičiuojamos;
- Bet koks į išorinį magnetinį lauką patekęs objektas keičia ritės parametrus (induktyvumą, klaidžiojančią talpą, nuostolius ir t. t.), todėl daugeliu atvejų reikia ekranuoti.
Ritės, suvyniotos ant toroidinių šerdžių (žiedo arba "maišelio" pavidalo), šių trūkumų beveik neturi. Magnetinės linijos šerdies viduje eina uždarosiomis kilpomis. Tai reiškia, kad ant tokios šerdies suvyniotos ritės parametrams išoriniai objektai praktiškai neturi jokios įtakos, o ekranavimas tokiai konstrukcijai nereikalingas. Induktyvumas taip pat padidėja, tačiau kitos sąlygos yra vienodos, o charakteristikas lengviau apskaičiuoti.
Vienas iš ričių, vyniojamų ant torusų, trūkumų yra tas, kad negalima sklandžiai reguliuoti induktyvumo vietoje. Kita problema - didelis darbo imlumas ir žema vyniojimo technologija. Tačiau tai daugiau ar mažiau taikoma visiems indukciniams elementams apskritai.
Be to, įprastas fizinio induktyvumo įgyvendinimo trūkumas yra dideli masės matmenys, santykinai mažas patikimumas ir prastos techninės priežiūros galimybės.
Todėl technologijose bandoma atsisakyti indukcinių komponentų. Tačiau tai ne visada įmanoma, todėl artimiausioje ateityje ir vidutinės trukmės laikotarpiu bus naudojami vyniojamieji komponentai.
Susiję straipsniai:
