Inductor

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 4 octombrie 2021; verificările necesită 7 modificări .

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. .

Terminologie

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.

Constructii

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] .

Proprietățile unui inductor

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

↔ ↔ ; ↔ ; ↔

Caracteristicile unui inductor

Inductanță

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:

Rezistența la pierderi

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 fire

Pierderile de fire sunt cauzate din trei motive:

  • Firele de înfășurare au rezistență ohmică (activă) .
  • Rezistența firului de înfășurare crește odată cu creșterea frecvenței, datorită efectului de piele . Esența efectului este deplasarea curentului în straturile de suprafață ale firului. Ca urmare, secțiunea transversală utilă a conductorului scade și rezistența crește.
  • În firele înfășurării, răsucite în spirală, se manifestă efectul de proximitate, a cărui esență este deplasarea curentului sub influența curenților turbionari și a unui câmp magnetic la periferia înfășurării. Ca urmare, secțiunea transversală prin care curge curentul capătă o formă de semilună, ceea ce duce la o creștere suplimentară a rezistenței firului.
Pierderi dielectrice

Pierderile din dielectric (izolația firului și cadrul bobinei) pot fi clasificate în două categorii:

  • Pierderi din dielectricul unui condensator interturn (scurgeri interturn și alte pierderi caracteristice dielectricilor condensatorului ).
  • Pierderi datorate proprietăților magnetice ale dielectricului (aceste pierderi sunt similare cu pierderile din miez).

În general, pentru bobinele moderne de uz general, pierderile dielectrice sunt adesea neglijabile.

Pierderea miezului

Pierderile 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 turbionari

Un 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.

Factorul de calitate

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 .

Capacitate parazita si autorezonanta

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.

Coeficientul de temperatură al inductanței (TCI)

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:

Coeficientul de temperatură al factorului de calitate (TKD)

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.

Varietăți de inductori

Inductori de buclă utilizate în inginerie radio Aceste bobine sunt folosite împreună cu condensatoare pentru a forma circuite rezonante. Ele trebuie să aibă stabilitate termică ridicată și pe termen lung, iar factorul de calitate , cerințele de capacitate parazită sunt de obicei nesemnificative. Bobine de cuplare sau transformatoare de cuplare O pereche sau mai multe bobine care interacționează cu câmpurile magnetice sunt de obicei conectate în paralel cu condensatoare pentru a organiza circuitele oscilatorii. Astfel de bobine sunt folosite pentru a asigura cuplarea transformatorului între circuitele individuale și cascade, ceea ce face posibilă separarea prin curent continuu, de exemplu, circuitul de bază al cascadei de amplificare ulterioare de colectorul cascadei anterioare etc. Transformatoare de izolare nerezonante nu sunt supuse unor cerințe stricte privind factorul de calitate și precizie, prin urmare sunt realizate din sârmă subțire sub formă de două înfășurări de dimensiuni mici. Parametrii principali ai acestor bobine sunt inductanța și coeficientul de cuplare (coeficientul de inductanță reciprocă). Variometre Acestea sunt bobine a căror inductanță poate fi controlată (de exemplu, pentru a regla frecvența de rezonanță a circuitelor oscilatoare) prin schimbarea poziției relative a două bobine conectate în serie . Una dintre bobine este fixă ​​(stator), cealaltă se află de obicei în interiorul primei și se rotește (rotor). Există și alte modele de variometre. Când poziția rotorului în raport cu statorul se modifică, se modifică gradul de inductanță reciprocă și, în consecință, inductanța variometrului. Un astfel de sistem face posibilă modificarea inductanței cu un factor de 4-5. În ferovariometre, inductanța este modificată prin deplasarea miezului feromagnetic în raport cu înfășurarea sau prin modificarea lungimii spațiului de aer al unui circuit magnetic închis. Sufocă Acestea sunt inductori cu rezistență AC mare și rezistență DC scăzută. Choke-urile sunt conectate în serie cu sarcina pentru a limita curentul alternativ în circuit; ele sunt adesea folosite în circuitele de putere ale dispozitivelor de inginerie radio ca element de filtru și, de asemenea, ca balast pentru transformarea lămpilor cu descărcare într-o rețea de tensiune alternativă. Pentru rețelele de energie electrică cu frecvențe de 50-60 Hz, acestea sunt realizate pe miezuri din oțel de transformator. La frecvențe mai mari, se folosesc și miezuri de permalloy sau ferită . Un tip special de șocuri sunt butoaiele de ferită care suprimă interferența (mărgele sau inele) înșirate pe fire individuale sau pe grupuri de fire (cabluri) pentru a suprima interferența în modul comun de înaltă frecvență. Filtru de mod comun Filtrul de mod comun folosește două inductori contra-înfășurați sau potriviți. Datorită contraînfășurării și inducției reciproce, acestea sunt mai eficiente pentru filtrarea interferențelor în mod comun cu aceleași dimensiuni. Cu înfășurarea consoanelor, acestea sunt eficiente pentru suprimarea zgomotului diferențial. astfel de filtre sunt utilizate pe scară largă ca filtre de intrare pentru surse de alimentare; în filtrele de semnal diferenţial ale liniilor digitale, precum şi în tehnologia audio [6] [7] . Acestea sunt concepute atât pentru a proteja sursele de alimentare împotriva pătrunderii semnalelor de înaltă frecvență induse din rețeaua de alimentare, cât și pentru a preveni pătrunderea interferențelor electromagnetice create de dispozitiv în rețeaua de alimentare. La frecvențe joase, este folosit în filtrele de alimentare și are de obicei un miez feromagnetic (din oțel pentru transformatoare). Pentru filtrarea interferențelor de înaltă frecvență - miez de ferită.

Aplicarea inductorilor

  • Inductoarele (împreună cu condensatoare și/sau rezistențe ) sunt utilizate pentru a construi diverse circuite cu proprietăți dependente de frecvență, în special filtre, circuite de feedback , circuite oscilatorii etc.
  • Inductoarele sunt utilizate în regulatoarele de comutare ca element care stochează energie și convertește nivelurile de tensiune.
  • Două sau mai multe bobine cuplate inductiv formează un transformator .
  • Un inductor, conectat periodic printr-un comutator cu tranzistor la o sursă de joasă tensiune, este uneori folosit ca sursă de înaltă tensiune de putere scăzută în circuitele cu curent scăzut, atunci când crearea unei tensiuni de alimentare înalte separate în sursa de alimentare este imposibilă sau nu este fezabilă din punct de vedere economic. În acest caz , supratensiunile de înaltă tensiune apar pe bobină din cauza auto-inducției , care, după ce au fost rectificate de diodă și netezite de condensator, sunt transformate într-o tensiune constantă.
  • Bobinele sunt folosite și ca electromagneți  - actuatori.
  • Bobinele sunt folosite ca sursă de energie pentru încălzirea plasmei cuplate inductiv , precum și pentru diagnosticarea acesteia.
  • Pentru comunicații radio - primirea undelor electromagnetice, rar - pentru radiații:
    • antenă din ferită;
    • antenă buclă, antenă inelă;
    • Radiator cu inel de discontinuitate direcțională (DDRR);
    • buclă de inducție .
  • Pentru încălzirea materialelor conductoare electric în cuptoarele cu inducție .
  • Ca senzor de deplasare : modificarea inductanței bobinei poate varia mult pe măsură ce miezul feromagnetic se mișcă în raport cu înfășurarea.
  • Inductorul este utilizat la senzorii de câmp magnetic cu inducție din magnetometrele cu inducție [8]
  • Pentru a crea câmpuri magnetice în acceleratoarele de particule elementare, confinarea plasmei magnetice, în experimente științifice, în tomografia magnetică nucleară. Câmpurile magnetice staționare puternice, de regulă, sunt create de bobine supraconductoare.
  • Pentru stocarea energiei.

Vezi și

Note

  1. GOST 19880-74 „Inginerie electrică. Noțiuni de bază. Termeni și definiții” . Preluat la 9 ianuarie 2019. Arhivat din original la 10 ianuarie 2019.
  2. GOST 20718-75 „Inductori ale echipamentelor de comunicație. Termeni și definiții” . Preluat la 9 ianuarie 2019. Arhivat din original la 10 ianuarie 2019.
  3. GOST 18624-73 „Reactoare electrice. Termeni și definiții” . Preluat la 9 ianuarie 2019. Arhivat din original la 10 ianuarie 2019.
  4. Evaluarea efectelor de ecranare asupra transformatoarelor cu circuite imprimate  (link indisponibil)
  5. Un exemplu de calcul al procesului tranzitoriu, vezi articolul Calcul operațional .
  6. A. Sorokin - Tipuri de interferență în liniile de transmitere a informațiilor și modalități de a le trata. . Consultat la 19 februarie 2010. Arhivat din original pe 9 iulie 2010.
  7. Alimentarea echipamentului . Consultat la 19 februarie 2010. Arhivat din original pe 9 februarie 2009.
  8. Fluxgate Magnetometer Arhivat pe 8 decembrie 2009 la  Wayback  Machine 

Literatură

  • Reel, bobbin // Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Efron  : în 86 de volume (82 de volume și 4 suplimentare). - Sankt Petersburg. , 1890-1907.
  • Kotenev SV, Evseev AN Calculul și optimizarea transformatoarelor toroidale și bobinelor. - M .: Hot line - Telecom, 2013. - 360 p. - 500 de exemplare. - ISBN 978-5-9912-0186-5 .
  • Frolov A.D. Componente și noduri radio. - M . : Şcoala superioară, 1975. - S. 135-194. — 440 s. — (Manual pentru universități).

Link -uri