Inductor ( choke învechit ) - bobină elicoidală , spirală sau elicoidală a unui conductor izolat în spirală , care are o inductanță semnificativă cu o capacitate relativ mică și o rezistență activă scăzută . Ca rezultat, atunci când un curent electric alternativ trece prin bobină , se observă o inerție semnificativă a acestuia.
Ele sunt utilizate pentru suprimarea interferențelor , netezirea ritmului, stocarea energiei, limitarea curentului alternativ , în circuite rezonante ( circuit oscilant ) și selective în frecvență , ca elemente de inductanță ale liniilor de întârziere artificiale cu parametrii concentrați, creând câmpuri magnetice , senzori de deplasare și așa mai departe. .
Termeni standardizati:
O bobină inductivă este un element al unui circuit electric conceput pentru a-și folosi inductanța [1] (GOST 19880-74, vezi termenul 106).
Un inductor este o bobină inductivă care este un element al unui circuit oscilator și este proiectat să folosească factorul său de calitate [2] (GOST 20718-75, vezi termenul 1).
Un reactor electric este o bobină inductivă concepută pentru a fi utilizată într-un circuit electric de putere [3] (GOST 18624-73, vezi termenul 1). Un tip de reactor este reactorul de limitare a curentului , de exemplu, pentru a limita curentul de scurtcircuit al liniilor electrice .
Atunci când este utilizat pentru suprimarea interferențelor , netezirea ondulațiilor curentului electric , izolarea (decuplarea) la frecvență înaltă a diferitelor părți ale circuitului și stocarea energiei în câmpul magnetic al miezului, este adesea numită șoc și, uneori, reactor. Această interpretare a termenului nestandardizat „throttle” (care este o hârtie de calc cu germanul Drossel) se intersectează cu termeni standardizați. Dacă funcționarea acestui element de circuit se bazează pe factorul de calitate al bobinei, atunci un astfel de element ar trebui numit „inductor”, altfel „bobină inductivă”.
Un inductor cilindric a cărui lungime este mult mai mare decât diametrul se numește solenoid , câmpul magnetic din interiorul solenoidului lung este uniform. În plus, un solenoid este adesea numit un dispozitiv care efectuează un lucru mecanic datorită unui câmp magnetic atunci când un miez feromagnetic este tras înăuntru sau un electromagnet . În releele electromagnetice , acestea sunt numite înfășurare a releului , mai rar - un electromagnet.
Inductor de încălzire - un inductor special, corpul de lucru al instalațiilor de încălzire prin inducție .
Când este utilizat pentru stocarea energiei (de exemplu, într-un circuit de reglare a tensiunii de comutare ) se numește stocare prin inducție sau bobine de stocare.
Din punct de vedere structural, este realizat sub formă de bobine elicoidale sau elicoidale (diametrul înfășurării variază de-a lungul lungimii bobinei) bobine de înfășurări cu un singur strat sau multistrat ale unui conductor izolat cu un singur miez sau toroane ( sârmă litz ) pe un cadru dielectric de un secțiune transversală rotundă, dreptunghiulară sau pătrată, adesea pe un cadru toroidal sau, atunci când se folosește un fir gros și un număr mic de spire - fără cadru. Uneori, pentru a reduce capacitatea parazitară distribuită , atunci când sunt utilizate ca șoc de înaltă frecvență , inductoarele cu un singur strat sunt înfășurate cu un pas „progresiv” - pasul înfășurării se modifică fără probleme de-a lungul lungimii bobinei. Înfășurarea poate fi fie cu un singur strat (obișnuit și cu o treaptă), fie cu mai multe straturi (tip obișnuit, în vrac, universal). „Station wagon” înfășurat are o capacitate parazită mai mică. Adesea, din nou, pentru a reduce capacitatea parazitară, înfășurarea se efectuează secționat, grupurile de spire sunt separate spațial (de obicei pe lungime) unele de altele.
Pentru a crește inductanța, bobinele sunt adesea prevăzute cu un miez feromagnetic închis sau deschis. Inductoarele de suprimare a interferențelor de înaltă frecvență au miezuri ferodielectrice: ferită , fluxtrol, fier carbonil . Bobinele concepute pentru a netezi pulsațiile frecvențelor industriale și audio au miezuri din oțeluri electrice sau aliaje magnetice moi ( permalloys ). De asemenea, miezurile (majoritatea feromagnetice, mai rar diamagnetice ) sunt folosite pentru a modifica inductanța bobinelor în limite mici prin schimbarea poziției miezului în raport cu înfășurarea. La frecvențele microundelor , când ferodielectricii își pierd permeabilitatea magnetică și cresc dramatic pierderile, se folosesc miezuri de metal ( alama ).
Pe plăcile de circuite imprimate ale dispozitivelor electronice, sunt uneori realizate și „bobine” plate de inductanță: geometria conductorului imprimat este realizată sub forma unei spirale rotunde sau dreptunghiulare, a unei linii ondulate sau sub formă de meandre . Astfel de „inductori” sunt adesea folosiți în dispozitivele digitale ultra-rapide pentru a egaliza timpul de propagare a unui grup de semnale de-a lungul diferiților conductori imprimați de la sursă la receptor, de exemplu, în magistralele de date și adrese [4] .
Proprietăți inductor:
Un inductor dintr- un circuit electric pentru curent alternativ are nu numai propria rezistență ohmică (activă), ci și reactanța la curentul alternativ , care crește odată cu creșterea frecvenței, deoarece atunci când curentul se modifică în bobină, are loc fem-ul de auto-inducție , ceea ce împiedică aceasta schimbare.
Inductorul are o reactanță , al cărei modul , unde este inductanța bobinei, este frecvența ciclică a curentului care curge. În consecință, cu cât frecvența curentului care trece prin bobină este mai mare, cu atât rezistența acesteia este mai mare.
O bobină cu curent stochează energie într-un câmp magnetic egal cu munca care trebuie făcută pentru a stabili curentul curent . Această energie este:
Când curentul se modifică în bobină, apare un EMF de auto-inducție, a cărui valoare este:
Pentru un inductor ideal (care nu are parametri paraziți), EMF de auto-inductanță este egală ca mărime și semn opus tensiunii de la capetele bobinei:
Când o bobină cu curent este închisă la un rezistor, are loc un tranzitoriu , în care curentul din circuit scade exponențial în conformitate cu formula [5] :
unde: - curent în bobină,
este curentul inițial al bobinei, - ora curentă, este constanta de timp .Constanta de timp este exprimată prin formula:
unde este rezistența rezistorului,
este rezistența ohmică a bobinei.La scurtcircuitarea unei bobine cu curent, procesul este caracterizat de propria constantă de timp a bobinei:
Când tinde spre zero, constanta de timp tinde spre infinit, motiv pentru care curentul curge „pentru totdeauna” în circuitele supraconductoare .
Într-un circuit de curent sinusoidal, curentul din bobină rămâne în urma fazei tensiunii de pe aceasta cu π/2.
Fenomenul de autoinducție este similar cu manifestarea inerției corpurilor în mecanică, dacă luăm masa, curentul - viteză, tensiunea - forță ca analog al inductanței, atunci multe formule ale mecanicii și comportamentul inductanței într-un circuit ia o formă similară:
↔ ,Unde
↔ ↔ ; ↔ ; ↔ ↔Parametrul principal al unui inductor este inductanța sa, numeric egală cu raportul dintre câmpul magnetic creat de fluxul de curent , care pătrunde în bobină, și puterea curentului care curge. Valorile tipice ale inductanței bobinei sunt de la zecimi de µH la zeci de H.
Inductanța bobinei este proporțională cu dimensiunile liniare ale bobinei, permeabilitatea magnetică a miezului și pătratul numărului de spire de înfășurare. Inductanța bobinei solenoidului :
unde este constanta magnetică , - permeabilitatea magnetică relativă a materialului miezului (depinde de frecvență), este aria secțiunii transversale a miezului, - lungimea liniei mediane a miezului, - numărul de ture.Când bobinele sunt conectate în serie, inductanța totală este egală cu suma inductanțelor tuturor bobinelor conectate:
Când bobinele sunt conectate în paralel, inductanța totală este:
În inductori, pe lângă efectul principal al interacțiunii curentului și câmpului magnetic, se observă efecte parazitare, datorită cărora impedanța bobinei nu este pur reactivă. Prezența efectelor parazitare duce la apariția unor pierderi în bobină, estimate prin rezistența la pierderi .
Pierderile sunt formate din pierderi în fire, dielectric, miez și ecran:
unde - pierderi în fire, - pierderi în dielectric, - pierdere în miez, - pierderi de curent turbionar Pierderi în firePierderile de fire sunt cauzate din trei motive:
Pierderile din dielectric (izolația firului și cadrul bobinei) pot fi clasificate în două categorii:
În general, pentru bobinele moderne de uz general, pierderile dielectrice sunt adesea neglijabile.
Pierderea miezuluiPierderile în miez sunt alcătuite din pierderi datorate curenților turbionari , pierderi datorate inversării magnetizării unui feromagnet - la „ histereză ”.
Pe VHF, pierderile de ferite devin inacceptabile; un șurub de alamă este utilizat pentru a regla astfel de bobine. S-ar părea că bobina scurtcircuitată rezultată ar trebui să reducă factorul de calitate. Dar datorită rezistenței scăzute, aproape că nu există pierderi, iar EMF (variabil) din spate deplasează efectiv câmpul magnetic în afara miezului, reducând „degajul” pentru liniile sale de câmp, ceea ce vă permite să ajustați inductanța. Pierderi prin curenți turbionariUn câmp magnetic alternant induce EMF turbionar în conductorii din jur, de exemplu, în miez, ecran și în firele spirelor adiacente. Curenții turbionari rezultați (curenții Foucault) devin o sursă de pierderi datorită rezistenței ohmice a conductorilor.
O altă caracteristică este strâns legată de rezistența la pierdere - factor de calitate . Factorul de calitate al unui inductor determină raportul dintre rezistențele reactive și active ale bobinei. Factorul de calitate este:
Uneori, pierderile din bobină sunt caracterizate de tangenta unghiului de pierdere (reciproca factorului de calitate) - tangenta unghiului de deplasare între fazele curentului și tensiunea bobinei în circuitul de semnal sinusoidal în raport cu unghi - pentru o bobină ideală.
În practică, factorul de calitate se află în intervalul de la 30 la 200. O creștere a factorului de calitate se realizează printr-o alegere optimă a diametrului firului, o creștere a dimensiunii inductorului și utilizarea miezurilor cu permeabilitate magnetică ridicată și scăzută. pierderi, înfășurare de tip „universal”, folosirea sârmei placate cu argint, utilizarea sârmei cu șuvițe de tip „sârmă litz ” pentru a reduce pierderile cauzate de efectul pielii .
Capacitatea parazită interturn a conductorului ca parte a inductorului transformă bobina într-un circuit distribuit complex. Ca o primă aproximare, putem presupune că bobina reală este echivalentă cu o inductanță ideală conectată în serie cu o rezistență activă a bobinei cu o capacitate parazită conectată în paralel cu acest circuit (vezi Fig.). Ca rezultat, inductorul este un circuit oscilant cu o frecvență de rezonanță caracteristică . Această frecvență de rezonanță poate fi măsurată cu ușurință și se numește frecvența de rezonanță naturală a inductorului. La frecvențe mult mai mici decât frecvența de rezonanță naturală, impedanța bobinei este inductivă, la frecvențele apropiate de rezonanță este în mare parte activă (pur activă la frecvența de rezonanță) și mare în valoare absolută, la frecvențe mult mai mari decât frecvența de rezonanță naturală pe care o are. este capacitiv. În mod normal, frecvența naturală este specificată de producător în fișa de date pentru bobinele industriale, fie explicit, fie implicit ca frecvență maximă de funcționare recomandată.
La frecvențe sub autorezonanța, acest efect se manifestă printr-o scădere a factorului de calitate cu creșterea frecvenței.
Pentru a crește frecvența rezonanței naturale, se folosesc scheme complexe de înfășurare a bobinei, o înfășurare este împărțită în secțiuni distanțate.
TKI este un parametru care caracterizează dependența inductanței bobinei de temperatură.
Instabilitatea temperaturii inductanței se datorează unui număr de factori: atunci când este încălzită, lungimea și diametrul firului de înfășurare cresc, lungimea și diametrul cadrului cresc, în urma cărora pasul și diametrul spirelor se modifică; în plus, atunci când temperatura se schimbă, constanta dielectrică a materialului cadrului se modifică, ceea ce duce la o modificare a capacității proprii a bobinei. Influența temperaturii asupra permeabilității magnetice a feromagnetului miezului este foarte semnificativă:
TKD este un parametru care caracterizează dependența factorului de calitate al bobinei de temperatură. Instabilitatea de temperatură a factorului de calitate se datorează aceluiași număr de factori ca și inductanța.