Induktor

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. október 4-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 7 szerkesztést igényelnek .

Induktor  (elavult fojtótekercs ) - tekercselt szigetelt vezető spirális , spirális vagy spirális tekercs , amely jelentős induktivitással rendelkezik, viszonylag kis kapacitással és alacsony aktív ellenállással . Ennek eredményeként, amikor váltakozó elektromos áram folyik át a tekercsen , annak jelentős tehetetlensége figyelhető meg.

Zavarelnyomásra , ütemsimításra , energiatárolásra, váltakozó áram korlátozására , rezonáns ( oszcilláló áramkör ) és frekvencia-szelektív áramkörökben, mesterséges késleltetési vonalak induktivitáselemeiként , csomózott paraméterekkel, mágneses mezők létrehozására, eltolásérzékelők stb. .

Terminológia

Szabványos kifejezések:

Az induktív tekercs egy elektromos áramkör eleme, amelyet az induktivitás használatára terveztek [1] (GOST 19880-74, lásd a 106. kifejezést).

Az induktor egy induktív tekercs, amely egy oszcillációs áramkör eleme, és úgy van kialakítva, hogy a minőségi tényezőjét használja [2] (GOST 20718-75, lásd az 1. kifejezést).

Az elektromos reaktor egy induktív tekercs, amelyet erősáramú elektromos áramkörben való használatra terveztek [3] (GOST 18624-73, lásd az 1. kifejezést). A reaktorok egyik típusa az áramkorlátozó reaktor , például az elektromos vezetékek rövidzárlati áramának korlátozására .

Amikor zavarelnyomásra , elektromos áram hullámainak simítására , az áramkör különböző részeinek nagyfrekvenciájú leválasztására (leválasztására) és a mag mágneses mezőjében történő energiatárolásra használják, gyakran fojtónak , néha reaktornak nevezik. A nem szabványosított "fojtószelep" kifejezés (amely a német Drossel pauszpapír) ez az értelmezése metszi a szabványos kifejezéseket. Ha ennek az áramköri elemnek a működése a tekercs minőségi tényezőjén alapul, akkor az ilyen elemet "induktornak", egyébként "induktív tekercsnek" kell nevezni.

Az átmérőnél jóval nagyobb hosszúságú hengeres tekercset mágnestekercsnek nevezzük , a mágneses tér a hosszú mágnestekercs belsejében egyenletes. Ezenkívül a mágnesszelepet gyakran olyan eszköznek nevezik, amely ferromágneses mag vagy elektromágnes behúzásakor mágneses tér hatására mechanikai munkát végez . Az elektromágneses relékben relé tekercsnek , ritkábban elektromágnesnek nevezik .

Fűtőinduktor - egy speciális induktor, az indukciós fűtőberendezések  munkateste.

Ha energiatárolásra használják (például kapcsolási feszültségszabályozó áramkörben ), indukciós tárolónak vagy tároló fojtótekercsnek nevezik .

Építkezés

Szerkezetileg spirális vagy spirális (a tekercs átmérője a tekercs hossza mentén változik) tekercsek formájában készül, amelyek egyrétegű vagy többrétegű tekercseket tartalmaznak egy szigetelt egymagos vagy sodrott ( Litz -huzal ) vezető dielektromos keretén . kerek, téglalap vagy négyzet keresztmetszetű, gyakran toroid kereten, vagy vastag huzal és kis fordulatszám esetén - keret nélkül. Néha az elosztott parazita kapacitás csökkentése érdekében , amikor nagyfrekvenciás fojtóként használják , az egyrétegű induktorokat „progresszív” menetemelkedéssel tekerik fel - a tekercselés menetemelkedése simán változik a tekercs hossza mentén. A tekercselés lehet egyrétegű (közönséges és lépcsős) vagy többrétegű (közönséges, ömlesztett, univerzális). A tekercselő "kombi" kisebb parazita kapacitással rendelkezik. Gyakran ismét a parazita kapacitás csökkentése érdekében a tekercselés szakaszosan történik, a menetcsoportokat térben (általában a hossz mentén) elválasztják egymástól.

Az induktivitás növelése érdekében a tekercseket gyakran zárt vagy nyitott ferromágneses maggal látják el. A nagyfrekvenciás zavarszűrő induktorok ferrodielektromos maggal rendelkeznek: ferrit , fluxtrol, karbonil-vas . Az ipari és hangfrekvenciák pulzációinak kiegyenlítésére tervezett tekercsek elektromos acélból vagy lágy mágneses ötvözetekből ( permalloy ) készült magokkal rendelkeznek. Ezenkívül a magokat (többnyire ferromágneses, ritkábban diamágneses ) a tekercsek induktivitásának kis határokon belüli megváltoztatására használják a mag tekercshez viszonyított helyzetének megváltoztatásával. Mikrohullámú frekvenciákon , amikor a ferrodielektrikumok elveszítik mágneses permeabilitását és drámaian megnövelik a veszteségeket, fém ( sárgaréz ) magokat használnak.

Az elektronikus eszközök nyomtatott áramköri lapjain néha lapos induktivitású "tekercseket" is készítenek: a nyomtatott vezető geometriája kerek vagy téglalap alakú spirál, hullámos vonal vagy kanyarulat formájában készül . Az ilyen "induktorokat" gyakran használják az ultragyors digitális eszközökben, hogy kiegyenlítsék egy jelcsoport terjedési idejét különböző nyomtatott vezetők mentén a forrástól a vevőig, például adat- és címbuszokban [4] .

Egy induktor tulajdonságai

Az induktor tulajdonságai:

A váltakozó áramú elektromos áramkörben lévő induktornak nemcsak saját ohmos (aktív) ellenállása van, hanem a váltakozó árammal szembeni reaktanciája is , ami a frekvencia növekedésével növekszik, mivel amikor az áram változik a tekercsben, önindukciós emf lép fel , ami megakadályozza ez a változás.

Az induktor reaktanciája , melynek modulusa , ahol  a tekercs induktivitása,  az átfolyó áram ciklikus frekvenciája . Ennek megfelelően minél nagyobb a tekercsen átfolyó áram frekvenciája, annál nagyobb az ellenállása.

Az árammal rendelkező tekercs az áramerősség létrehozásához szükséges munkával egyenlő mágneses mezőben tárolja az energiát . Ez az energia:

Amikor az áram változik a tekercsben, önindukciós EMF keletkezik, amelynek értéke:

Ideális (parazita paraméterekkel nem rendelkező) tekercs esetén az öninduktivitás EMF egyenlő nagyságú és ellentétes előjelű a tekercs végein lévő feszültséggel:

Ha egy tekercs árammal zárva van egy ellenálláshoz, tranziens lép fel, amelyben az áramkörben az áram exponenciálisan csökken az [5] képletnek megfelelően :

ahol:  - áram a tekercsben,

 a tekercs kezdeti árama,  - aktuális idő,  az időállandó .

Az időállandót a következő képlet fejezi ki:

hol  van az ellenállás ellenállása,

 a tekercs ohmos ellenállása.

A tekercs árammal történő rövidre zárásakor a folyamatot a tekercs saját időállandója jellemzi :

Ha nullára hajlik, az időállandó a végtelenbe hajlik, ezért az áram "örökké" folyik a szupravezető áramkörökben.

Szinuszos áramkörben a tekercsben lévő áram π/2-vel elmarad a rajta lévő feszültség fázisától.

Az önindukció jelensége hasonló a testek tehetetlenségének megnyilvánulásához a mechanikában, ha az induktivitás analógjának vesszük a tömeget, áramot - sebességet, feszültséget - erőt, akkor számos mechanikai képlet és az induktivitás viselkedése egy áramkörben vegyen hasonló formát:

↔ ,

ahol

↔ ↔ ; ↔ ; ↔

Egy induktor jellemzői

Induktivitás

Az induktor fő paramétere az induktivitása , amely számszerűen megegyezik a tekercsen áthatoló áram által létrehozott mágneses tér és az áramló áram erősségének arányával. A tipikus tekercs induktivitás értéke tized µH és tíz H között van .

A tekercs induktivitása arányos a tekercs lineáris méreteivel, a mag mágneses permeabilitásával és a tekercsmenetek számának négyzetével. Mágnestekercs induktivitása :

hol  van a mágneses állandó ,  - a maganyag relatív mágneses permeabilitása (frekvenciától függően),  a mag keresztmetszete,  - a mag középvonalának hossza,  - fordulatok száma.

Ha a tekercsek sorba vannak kötve, a teljes induktivitás egyenlő az összes csatlakoztatott tekercs induktivitásának összegével:

Ha a tekercseket párhuzamosan csatlakoztatjuk, a teljes induktivitás:

Veszteségállóság

Az induktorokban az áram és a mágneses tér kölcsönhatásának fő hatása mellett parazita hatások is megfigyelhetők, amelyek miatt a tekercs impedanciája nem tisztán reaktív. A parazita hatások jelenléte veszteségek megjelenéséhez vezet a tekercsben, a veszteségellenállás alapján becsülve .

A veszteségek a vezetékek, a dielektrikumok, a mag és az árnyékolás veszteségéből tevődnek össze:

hol  - veszteségek a vezetékekben,  - veszteségek a dielektrikumban,  - magvesztés,  - örvényáram veszteségek Vezetékek veszteségei

A vezetékek elvesztését három ok okozza:

  • A tekercsvezetékek ohmos (aktív) ellenállással rendelkeznek .
  • A tekercshuzal ellenállása a frekvencia növekedésével növekszik a bőrhatás miatt . A hatás lényege az áram eltolódása a vezeték felületi rétegeibe. Ennek eredményeként a vezető hasznos keresztmetszete csökken, az ellenállás pedig nő.
  • A tekercs spirálba csavart vezetékeiben megnyilvánul a közelség hatása, melynek lényege az áram örvényáramok és mágneses tér hatására a tekercs peremére történő elmozdulása. Ennek eredményeként a keresztmetszet, amelyen keresztül az áram folyik, félhold alakot vesz fel, ami a vezeték ellenállásának további növekedéséhez vezet.
Dielektromos veszteségek

A dielektrikum veszteségei (huzalszigetelés és tekercskeret) két kategóriába sorolhatók:

  • Az interturn kondenzátor dielektrikumából származó veszteségek (interturn szivárgás és egyéb, a kondenzátor dielektrikumra jellemző veszteségek ).
  • A dielektrikum mágneses tulajdonságaiból eredő veszteségek (ezek a veszteségek hasonlóak a mag veszteségéhez).

Általánosságban elmondható, hogy a modern, általános célú tekercseknél a dielektromos veszteség gyakran elhanyagolható.

Magvesztés

A mag veszteségei az örvényáramok okozta veszteségekből, a ferromágnesek mágnesezettségének  „ hiszterézissé ” történő megfordításából eredő veszteségekből tevődnek össze .

VHF-en a ferritek vesztesége elfogadhatatlan, az ilyen tekercsek beállításához sárgaréz csavart használnak. Úgy tűnik, hogy a keletkező rövidre zárt tekercsnek csökkentenie kell a minőségi tényezőt. De az alacsony ellenállás miatt szinte nincs benne veszteség, és a (változó) hátsó EMF hatékonyan kiszorítja a mágneses teret a magon kívülre, csökkentve a térvonalak "hézagát", ami lehetővé teszi az induktivitás beállítását. Örvényáram veszteségek

A váltakozó mágneses tér örvényes EMF -et indukál a környező vezetékekben, például a magban, az árnyékolóban és a szomszédos menetek vezetékeiben. A keletkező örvényáramok (Foucault-áramok) a vezetők ohmos ellenállása miatt veszteségforrássá válnak.

Minőségi tényező

Egy másik jellemző a veszteségállósággal – minőségi tényezővel – szorosan összefügg . Az induktor minőségi tényezője határozza meg a tekercs reaktív és aktív ellenállásának arányát. A minőségi tényező a következő:

Néha a tekercs veszteségeit a veszteségi szög érintője (a minőségi tényező reciproka) jellemzi - a szinuszos jeláramkörben lévő tekercs áramának és feszültségének fázisai közötti eltolódási szög érintője a szinuszos jeláramkörhöz képest szög  - ideális tekercshez.

A gyakorlatban a minőségi tényező 30 és 200 közötti tartományban van. A minőségi tényező növelése a huzalátmérő optimális megválasztásával, az induktor méretének növelésével, valamint nagy mágneses permeabilitású és alacsony magok használatával érhető el. veszteségek, "univerzális" típusú tekercselés, ezüstözött huzal használata, " litz drót" típusú sodrott huzal használata a bőrhatás okozta veszteségek csökkentésére .

Parazita kapacitás és önrezonancia

A vezető interturn parazita kapacitása az induktor részeként a tekercset összetett elosztott áramkörré alakítja. Első közelítésként feltételezhetjük, hogy a valós tekercs egy ideális induktivitásnak felel meg, amely sorba van kapcsolva az ezzel az áramkörrel párhuzamosan kapcsolt parazita kapacitású tekercs aktív ellenállás ellenállással (lásd az ábrát). Ennek eredményeként az induktor egy jellemző rezonanciafrekvenciájú oszcilláló áramkör . Ez a rezonanciafrekvencia könnyen mérhető, és az induktor természetes rezonanciafrekvenciájának nevezik. A természetes rezonancia frekvenciánál jóval alacsonyabb frekvenciákon a tekercs impedanciája induktív, a rezonancia közeli frekvenciákon többnyire aktív (tisztán aktív a rezonancia frekvencián) és nagy abszolút értékben, a természetes rezonancia frekvenciánál jóval magasabb frekvenciákon kapacitív. Általában a sajátfrekvenciát a gyártó az ipari induktorok adatlapján határozza meg, akár kifejezetten, akár hallgatólagosan, mint ajánlott maximális működési frekvenciát.

Az önrezonancia alatti frekvenciákon ez a hatás a minőségi tényező gyakoriságának növekedésével csökkenésében nyilvánul meg.

A természetes rezonancia frekvenciájának növelése érdekében összetett tekercselési sémákat használnak, az egyik tekercset egymástól elválasztott szakaszokra osztják.

Hőmérséklet induktivitási együttható (TCI)

A TKI egy olyan paraméter, amely a tekercs induktivitásának hőmérséklettől való függését jellemzi.

Az induktivitás hőmérsékleti instabilitását számos tényező okozza: hevítéskor a tekercselő huzal hossza és átmérője nő, a keret hossza és átmérője nő, aminek következtében a menetek menetemelkedése és átmérője megváltozik; ráadásul a hőmérséklet változásával a keret anyagának dielektromos állandója is megváltozik, ami a tekercs önkapacitásának megváltozásához vezet. A hőmérséklet hatása a mag ferromágnesének mágneses permeabilitására nagyon jelentős:

A minőségi tényező hőmérsékleti együtthatója (TKD)

A TKD egy olyan paraméter, amely a tekercs minőségi tényezőjének hőmérséklettől való függését jellemzi. A minőségi tényező hőmérsékleti instabilitását ugyanannyi tényező okozza, mint az induktivitás.

Az induktorok változatai

A rádiótechnikában használt huroktekercsek Ezeket a tekercseket kondenzátorokkal együtt használják rezonáns áramkörök kialakítására. Nagy termikus és hosszú távú stabilitással kell rendelkezniük, és a minőségi tényező , a parazita kapacitás követelményei általában jelentéktelenek. Csatolótekercsek vagy csatoló transzformátorok A mágneses mezőkkel kölcsönhatásba lépő tekercspárt vagy több tekercset általában párhuzamosan kapcsolják kondenzátorokkal az oszcillációs áramkörök megszervezésére. Az ilyen tekercsek az egyes áramkörök és kaszkádok közötti transzformátorcsatolás biztosítására szolgálnak, ami lehetővé teszi például a következő erősítő kaszkád alapáramkörének egyenárammal történő leválasztását az előző kaszkád kollektorától stb. Nem rezonáns leválasztó transzformátorok nem vonatkoznak szigorú minőségi és pontossági követelmények, ezért vékony huzalból készülnek, két kis méretű tekercs formájában. E tekercsek fő paraméterei az induktivitás és a csatolási együttható (kölcsönös induktivitási együttható). Variométerek Ezek olyan tekercsek, amelyek induktivitása szabályozható (például az oszcillációs áramkörök rezonanciafrekvenciájának hangolására) két sorba kapcsolt tekercs egymáshoz viszonyított helyzetének megváltoztatásával . Az egyik tekercs rögzített (állórész), a másik általában az első belsejében található és forog (rotor). Vannak más típusú variométerek is. Amikor a forgórész helyzete az állórészhez képest megváltozik, megváltozik a kölcsönös induktivitás mértéke, és ennek következtében a variométer induktivitása. Egy ilyen rendszer lehetővé teszi az induktivitás 4-5-szeres megváltoztatását. A ferrovariométerekben az induktivitás megváltoztatása a ferromágneses mag tekercshez viszonyított mozgatásával, vagy zárt mágneses kör légrés hosszának változtatásával történik. Fulladás Ezek nagy AC ellenállású és alacsony egyenáramú ellenállású induktorok. A fojtótekercsek sorba vannak kötve a terheléssel, hogy korlátozzák az áramkörben a váltakozó áramot; gyakran használják rádiótechnikai eszközök áramköreiben szűrőelemként, valamint előtétként a kisülőlámpák váltakozó feszültségű hálózattá alakításához. Az 50-60 Hz frekvenciájú áramhálózatokhoz transzformátoracélból készült magokra készülnek. Magasabb frekvenciákon permalloy vagy ferrit magokat is használnak . A fojtótekercsek egy speciális fajtája az egyes vezetékekre vagy vezetékcsoportokra (kábelekre) felfűzött, a nagyfrekvenciás közös módú interferenciák elnyomására felfűzött interferencia-elnyomó ferrit hengerek (gyöngyök vagy gyűrűk). Közös módú szűrő A közös módú szűrő két ellentekercses vagy illesztett tekercset használ. Az ellentekercselésnek és a kölcsönös indukciónak köszönhetően hatékonyabban szűrik az azonos méretű közös módú interferenciákat. Mássalhangzós tekercseléssel hatékonyan elnyomják a differenciális zajt. az ilyen szűrőket széles körben használják tápegységek bemeneti szűrőjeként; digitális vonalak differenciális jelszűrőiben, valamint az audiotechnikában [6] [7] . Úgy tervezték, hogy megvédjék a tápegységeket az indukált nagyfrekvenciás jelek behatolásától a táphálózatból, és megakadályozzák az eszköz által keltett elektromágneses interferencia behatolását a táphálózatba. Alacsony frekvenciákon tápszűrőkben használják, és általában ferromágneses maggal rendelkezik (transzformátor acélból). A nagyfrekvenciás interferencia szűrésére - ferritmag.

Induktorok alkalmazása

  • Az induktorokat (a kondenzátorokkal és/vagy ellenállásokkal együtt ) különféle frekvenciafüggő tulajdonságokkal rendelkező áramkörök építésére használják, különösen szűrők, visszacsatoló áramkörök , oszcillációs áramkörök stb.
  • Az induktorokat a kapcsolási szabályozókban energia tárolására és feszültségszintek átalakítására szolgáló elemként használják.
  • Két vagy több induktív csatolású tekercs alkot transzformátort .
  • A tranzisztoros kapcsolón keresztül időnként alacsony feszültségű forráshoz csatlakoztatott induktivitást néha alacsony áramerősségű áramkörökben alacsony teljesítményű nagyfeszültségű forrásként használnak, amikor a tápegységben különálló nagy tápfeszültség létrehozása lehetetlen vagy gazdaságilag nem megvalósítható. Ebben az esetben a tekercsen az önindukció következtében nagy feszültséglökések lépnek fel , amelyek a dióda általi egyenirányítás és a kondenzátor általi simítás után állandó feszültséggé alakulnak.
  • A tekercseket elektromágnesként is használják  - aktuátorként.
  • A tekercseket energiaforrásként használják az induktív csatolású plazma fűtésére , valamint annak diagnosztikájára.
  • Rádiókommunikációhoz - elektromágneses hullámok vételéhez, ritkán - sugárzáshoz:
    • Ferrit antenna;
    • hurokantenna, gyűrűs antenna;
    • Irányított megszakítási gyűrűs radiátor (DDRR);
    • indukciós hurok .
  • Elektromosan vezető anyagok melegítésére indukciós kemencékben .
  • Eltolásérzékelőként : a tekercs induktivitásának változása széles határok között változhat, ahogy a ferromágneses mag elmozdul a tekercshez képest .
  • Az induktort indukciós mágneses térérzékelőkben használják indukciós magnetométerekben [8]
  • Mágneses terek létrehozása elemi részecskegyorsítókban, mágneses plazmazárásban, tudományos kísérletekben, magmágneses tomográfiában. Erőteljes álló mágneses mezőket általában szupravezető tekercsek hoznak létre.
  • Energia tárolására.

Lásd még

Jegyzetek

  1. GOST 19880-74 „Elektromos technika. Alapfogalmak. Kifejezések és meghatározások" . Letöltve: 2019. január 9. Az eredetiből archiválva : 2019. január 10.
  2. GOST 20718-75 „Kommunikációs berendezések induktorai. Kifejezések és meghatározások" . Letöltve: 2019. január 9. Az eredetiből archiválva : 2019. január 10.
  3. GOST 18624-73 „Elektromos reaktorok. Kifejezések és meghatározások" . Letöltve: 2019. január 9. Az eredetiből archiválva : 2019. január 10.
  4. A nyomtatott áramköri transzformátorok árnyékolási hatásainak értékelése  (nem elérhető link)
  5. Példa a tranziens folyamat kiszámítására, lásd a Műveleti számítás című cikket .
  6. A. Sorokin – Az információátviteli vonalakban fellépő interferencia típusai és azok kezelésének módjai. . Letöltve: 2010. február 19. Az eredetiből archiválva : 2010. július 9..
  7. Berendezés tápegység . Letöltve: 2010. február 19. Az eredetiből archiválva : 2009. február 9..
  8. Fluxgate Magnetometer archiválva 2009. december 8. a  Wayback  Machine - nél 

Irodalom

  • Orsó, orsó // Brockhaus és Efron enciklopédikus szótára  : 86 kötetben (82 kötet és további 4 kötet). - Szentpétervár. , 1890-1907.
  • Kotenev SV, Evseev AN Toroid transzformátorok és fojtótekercsek számítása és optimalizálása. - M .: Forró vonal - Telecom, 2013. - 360 p. - 500 példányban. - ISBN 978-5-9912-0186-5 .
  • Frolov A.D. Rádiókomponensek és csomópontok. - M . : Felsőiskola, 1975. - S. 135-194. — 440 s. — (Tankönyv egyetemek számára).

Linkek