Introduktion till induktorer

En passiv komponent som alltid förblir oklar är induktorerna. Dessa är de spolliknande strukturer som du hittar i de flesta elektroniska kraftkretsar och det är på grund av dess egenskaper dina transformatorer fungerar. Anledningen till att många människor inte förstår induktorer är att de inte bara förändrar det elektriska fältet utan också magnetfältet runt det. Låt oss i denna handledning förstå grunderna i en induktor och avmystifiera den så att vi vet hur och när vi ska använda en i våra applikationer.

Vad är en induktor?

Induktorn är kanske den enklaste av alla elektroniska komponenter, konstruerade ungefär som ett motstånd - en enkel trådlängd som är upprullad. Men här är motstånd inte den egendom vi letar efter. Det är något som händer på grund av trådens form - en spole - det skapar ett magnetfält när en ström passeras genom den. Detta inducerade magnetfält ger denna bit tråd några intressanta elektriska egenskaper, särskilt induktans - vilket ger dessa delar deras namn.

Skillnad mellan en induktor och kondensator

Vi har redan lärt oss om kondensatorn i föregående artikel. Och nu när du har känt grunderna i induktor kan du få en fråga, "Vad är skillnaden mellan en induktor och kondensator?"

Först lagrar båda först energi när en spänningspotential appliceras över den, men en kondensator lagrar energi i form av ett elektriskt fält och en induktor lagrar energi i form av en magnetisk felid. Okej, men hur påverkar det dess prestanda.

Vi behöver en grävning mycket djupt in för att förstå det, men för tillfället kan du bara komma ihåg att en kondensator försöker jämna spänningen i en krets, det vill säga att den inte gillar förändringen i potential över varje komponent och därmed kommer den att ladda eller urladdning för att jämna upp spänningen. En induktor å andra sidan gillar inte förändringen i ström inom en krets så att strömmen ändras den kommer att ladda eller urladdas för att utjämna strömmen genom kretsen.

Kom också ihåg att en induktor ändrar den polaritet under urladdning så att potentialen under laddning kommer att vara motsatt till potentialen under urladdning.

Symboler för induktorer

Liksom många andra elektroniska komponenter är symbolen för en induktor ett förenklat piktogram över hur det faktiskt ser ut:

Raderna nära symbolen representerar kärnmaterialet - något vi kommer att diskutera senare.

Arbeta av en induktor

En induktor är, som redan nämnts, bara en trådspole.

Innan vi går in på något annat, låt oss ställa frågan, varför en spole?

Som vi redan vet genererar varje strömförande ledare ett magnetfält på följande sätt:

Men om du ansluter värdet på strömmen till formlerna, kommer du att inse att det producerade magnetfältet är litet - nästan försumbart, om inte strömmarna är omöjligt höga, i storleken på mega-ampere.

Så för att öka det magnetiska fältet som skapas av en viss trådlängd, slår vi in det i form av en spole. Detta ökar magnetfältet, så:

Denna form kallas också en solenoid.

När en spänning appliceras över terminalerna på en induktor skapar strömmen som strömmar ett magnetfält. Detta magnetfält skapar återigen en inducerad ström i induktorn med motsatt polaritet, enligt Lenzs lag. Strömmarna avbryter inte varandra - snarare försöker den inducerade strömmen aktivt motverka den inkommande strömmen på grund av spänningen över induktorn. Det totala resultatet av denna strid är att strömmen genom en induktor inte kan förändras snabbt - det är alltid en linjär sluttning.

Mätning av en induktor

En induktors arbetsbeteende ställer en intressant fråga - hur mäter vi kvantitativt en induktors beteende i termer som är lätt mätbara?

Vi kan försöka mäta induktorer med magnetfältet som de skapar. Så snart vi gör det stöter vi på problem. Det magnetiska fältet som skapas av en induktor beror på strömmen som passerar genom den, så även en liten induktor kan skapa ett stort magnetfält.

Istället kan vi använda samma tillvägagångssätt som vi använde för kondensatorer, och vi kan definiera induktans hos en krets som den spänningsförändring som induceras när strömmen ändras med en viss hastighet.

Matematiskt,

V = L (dI / dt)

Där V är spänningen, är L induktansen, I är strömmen och t är tidsperioden.

Induktans, 'L', mäts i Henrys, uppkallad efter Joseph Henry, den amerikanska forskaren som upptäckte elektromagnetisk induktion.

Formeln för beräkning av induktansen hos en trådspole anges med denna formel:

L = (µn2a) / l

Där L är induktansen i Henrys, är µ permeabilitetskonstanten, dvs en koefficient för hur lätt magnetfältet kan skapas i ett givet medium, n är antalet varv, a är spolens yta och l är längden av spolen.

Återigen är Henry en mycket stor enhet, så praktiskt sett mäts induktorer i microHenrys, uH, som är en miljondel av en Henry, eller milliHenrys, mH, som är en tusendel av en Henry. Ibland kanske du till och med hittar mycket små induktanser uppmätta i nanoHenrys, som är en tusendel av en uH.

Olika typer av induktorer

Nu har µ i ovanstående ekvation några intressanta konsekvenser. Det antyder att magnetfältet inuti induktorn kan manipuleras. Som nämnts ovan faller ibland det magnetiska fältet som skapas även av en magnetventil ibland. Det är därför du nästan alla fall hittar induktorer bildade kring ett kärnmaterial.

Kärnor är material som stöder skapandet av ett magnetfält. De är vanligtvis gjorda av järn och dess föreningar, såsom ferrit (som är en järnoxid). Du kan få ett större magnetfält med en kärna än utan en.

1. LUFTKÄRNINDUKTORER:

Som namnet antyder har denna typ av induktor ingen kärna - kärnmaterialet är luft! Eftersom luft har en relativt låg permeabilitet är induktansen hos luftkärninduktorer ganska låg - sällan över 5uH. Eftersom de har en låg induktans är hastigheten för nuvarande stigning ganska snabb för en applicerad spänning och det gör dem kapabla att hantera höga frekvenser. De används mest i RF-kretsar.

2. IRON CORE INDUCTORS

Järn är kanske det mest kända magnetiska materialet, vilket gör det till ett idealiskt val för induktorer. Dessa har formen av järnkärninduktorer. De används vanligtvis för lågfrekvenslinjefiltrering, eftersom de kan vara ganska köttiga och ha stora induktanser. De används också i ljudutrustning.

3. FERRITE CORE INDUCTORS

Ferrit är bara ett pulver av järnoxider. Detta pulver blandas med ett epoxiharts och formas för att bilda kärnor runt vilka trådar kan lindas. Feritkärninduktorer är lätt de mest igenkända på grund av sin tråkiga gråsvart färg. De är också mycket spröda och bryts lätt. De är de mest använda typerna av induktorer, eftersom permeabiliteten kan kontrolleras fint genom att kontrollera förhållandet mellan ferrit och epoxi i blandningen.

Induktorer i serie och parallell

Induktorer anslutna i serie och parallellt uppför sig exakt motsatt sätt till kondensatorer.

För att beräkna induktansen hos en grupp induktorer i serie kan du till exempel helt enkelt sammanfatta värdena på de individuella induktanserna.

L = L1 + L2 +… + Ln

Där L är den totala induktansen och L1, är L2 ... Ln de individuella induktanserna.

Anta att du har två induktorer, en mäter 10uH och den andra 15uH, sedan genom att sätta dem i serie får du en total induktans på 25uH.

Induktorer parallellt uppför sig på samma sätt som parallella motstånd, induktansen ges av:

1 / L = 1 / L1 + 1 / L2 + ... + 1 / Ln

Där L är den totala induktansen och L1, är L2 ... Ln de individuella induktanserna.

På detta sätt om du ansluter två 10uH-induktorer parallellt, kommer du att få en induktans på 5uH.

Användbara induktorformler

1. ENERGI LAGRAT AV INDUKTORER:

Induktorer kan lagra energi ungefär som kondensatorer, men energin är borta i det ögonblick du kopplar bort strömmen och magnetfältet kollapsar. Med andra ord kan en kraftfri induktor inte upprätthålla sitt magnetfält.

E = ½ * L * I2

Där E är energin i Joules, är L induktansen i Henries och jag är strömmen i ampere.

Om du har en induktor på 20uH med en 5A ström som strömmar genom den, kommer den lagrade energin att vara 0,00025J. I denna aspekt har induktorer, som kondensatorer, mycket energi.

2. RATT AV AKTUELL RISE

Denna formel har redan diskuterats, men det är värt att titta närmare.

V / L = dI / dt

Där V är den spänning som appliceras över induktorn, är L induktansen, I är strömmen och t är tiden.

Detta säger att när en konstant spänning appliceras över induktorn stiger strömmen i en linjär lutning. Detta kan vara användbart för att skapa strömramper, precis som kondensatorn skapade spänningsramper vid en konstant ström.

3. IMPEDANS

Induktorer har impedans som är relaterad till frekvensen med formeln:

XL = 2π * f * L

Där XL är den induktiva impedansen, är f frekvensen i Hertz och L är induktansen i Henrys.

Induktorbeteende i kretsar

Överraskande är induktorer ganska mycket värdelösa i DC-kretsar, eftersom det är en konstant ström som flyter och induktorn fungerar som en bit tråd.

De hittar de flesta av sina användningar i växelströmskretsar. Som nämnts ovan har de en impedans, vilket gör dem användbara för att begränsa strömmen i en växelströmkrets, såsom lysrörsförkoppling.

De kan också användas för att filtrera signaler.

I det första fallet tillåter induktorn all likström att strömma genom den till marken, vilket förhindrar att alla låga frekvenser når utgången. Vid högre frekvenser ökar induktorns impedans stadigt, så att signalen kan passera till utgången, varför den kallas ett högpassfilter.

I det andra fallet tillåter induktorn DC och låga frekvenser att passera men blockerar alla höga frekvenser från utgången och så kallas det ett lågpassfilter.

Induktorer i verkliga livet

Eftersom induktorer är tillverkade av koppartråd och ferrit, tenderar de att vara dyra och hitta de flesta av deras användningsområden i radioapparater, strömförsörjning och telekomutrustning.

I strömförsörjning används en induktors egenskap för att förhindra plötsliga förändringar i strömmen. Tillsammans med en kondensator verkar den för att förhindra plötsliga förändringar i strömförsörjningens utspänning och ström.

RF-kretsar använder sig av en intressant LC-krets som kallas en tank. Kondensatorn laddas och släpps ut i induktorn, som bygger upp sitt magnetfält. När magnetfältet kollapsar skapas en spänning och laddar kondensatorn. Detta skapar periodiska svängningar som kan användas för att generera höga frekvenser.

Frekvensen kan beräknas med formeln:

Där f är frekvensen i Hertz, är L induktansen i Henrys och C är kapacitansen i Farads.

Slutsats

Och det är all praktisk kunskap du kommer att behöva för att arbeta med induktorer. De är i grunden enkla enheter och är inte lika utbredda som deras kondensator- och motståndsfamiljer, men är fortfarande mycket användbara.

För mer information, kontakta oss på sales@xfullstar.com