Induktor

Spole
Lavpris induktorer.
Fyr	Passiv
Driftsprincip	elektromagnetisk induktion
Opfindelse	Michael Faraday (1831)
elektronisk symbol

Figur 1 : Induktorer, også kaldet spoler.

En induktor , spole eller reaktor er en passiv komponent i et elektrisk kredsløb , der på grund af fænomenet selvinduktion lagrer energi i form af et magnetfelt . ]

Tilsvarende defineret som en induktor , også kaldet en spole , choker eller reaktor , er en passiv to-terminal elektrisk komponent , der lagrer energi i et magnetfelt, når elektrisk strøm flyder gennem den. En induktor består normalt af en isoleret ledning viklet på en spole .

Når strømmen gennem spolen ændres, inducerer det tidsvarierende magnetfelt en elektromotorisk kraft . ( emf ) ( spænding ) i lederen, beskrevet af Faradays induktionslov . Ifølge Lenz's lov har den inducerede spænding en polaritet (retning), der modsætter sig den ændring i strøm, der har skabt den. Som et resultat modarbejder induktorerne enhver ændring i strømmen gennem dem.

En induktor er kendetegnet ved dens induktans , som er forholdet mellem spændingen og strømmens ændringshastighed. I det internationale system af enheder (SI) er induktansenheden Henry (H), opkaldt efter den amerikanske videnskabsmand fra det 19.  århundrede , Joseph Henry . Ved magnetisk kredsløbsmåling svarer det til weber / ampere . Induktorer har typisk værdier fra 1  µH (10 ^-6  H) til 20  H. Mange induktorer har en magnetisk kerne lavet af jern eller ferrit inde i spolen, som tjener til at øge magnetfeltet og dermed induktansen. . Sammen med kondensatorer og modstande er induktorer et af tre lineære passive elementer , der udgør elektroniske kredsløb. Induktorer er meget udbredt i elektronisk udstyr med vekselstrøm (AC) , især radioudstyr. De bruges til at blokere AC og tillade DC at passere igennem; induktorer designet til dette formål kaldes drosler . De bruges også i elektroniske filtre til at adskille signaler af forskellige frekvenser , og i kombination med kondensatorer til at lave tuning-kredsløb , der bruges til at indstille radio- og tv-modtagere.

Beskrivelse

En elektrisk strøm, der strømmer gennem en leder , genererer et magnetfelt, der omgiver den. Den magnetiske fluxforbindelse, der genereres af en given strøm, afhænger af kredsløbets geometriske form. Deres forhold definerer induktansen . Så, $\Phi{\mathbf {B} }$$Yo$$L$

$L:={\frac {\Phi{\mathbf {B} }}{I}}$.

Induktansen af ​​et kredsløb afhænger af strømvejens geometri samt den magnetiske permeabilitet af nærliggende materialer. En induktor er en komponent, der består af en ledning eller en anden leder, der er formet til at øge den magnetiske flux gennem kredsløbet, normalt i form af en spole eller helix med to ledninger . Vikle ledningen til en spole øger antallet af gange, de magnetiske fluxlinjer forbinder kredsløbet, hvilket øger feltet og dermed induktansen. Jo flere drejninger, jo højere induktans. Induktans afhænger også af spolens form, drejningsafstanden og mange andre faktorer. Ved at tilføje en "magnetisk kerne" af et ferromagnetisk materiale såsom jern inde i spolen, vil spolens magnetiseringsfelt inducere magnetisering i materialet, hvilket øger den magnetiske flux. Den høje permeabilitet af en ferromagnetisk kerne kan øge en spoles induktans med en faktor på flere tusinde i forhold til, hvad den ville være uden den.

Byggeri

En induktor består normalt af en spole af leder , typisk emaljeret kobbertråd eller -streng. Der er induktorer med en luftkerne eller med en kerne lavet af jernholdigt materiale (for eksempel magnetisk stål ), for at øge dens magnetisme kapacitet .

Induktorer kan også indbygges i integrerede kredsløb ved at bruge den samme proces, der bruges til at lave mikroprocessorer . I disse tilfælde er aluminium almindeligvis brugt som det ledende materiale. Det er dog sjældent, at induktorer er indbygget i integrerede kredsløb; det er meget mere praktisk at bruge et kredsløb kaldet en " spinner ", som ved hjælp af en op-forstærker får en kondensator til at opføre sig, som om den var en induktor.

Induktoren består af følgende dele: ]

• Induktorvikling: Det er det sæt af drejninger, der er bestemt til at producere den magnetiske flux, når den gennemløbes af den elektriske strøm .
• Hoved: Det er et stykke ferromagnetisk stof, ikke omgivet af viklinger, og beregnet til at forbinde maskinens poler .
• Polstykke: Det er den del af det magnetiske kredsløb, der er placeret mellem cylinderhovedet og luftgabet , inklusive kernen og den polære ekspansion.
• Kerne: Det er den del af det magnetiske kredsløb omgivet af feltviklingen.
• Poludvidelse: Det er den del af polstykket ved siden af ​​ankeret og grænser op til luftspalten.
• Hjælpe- eller kommuteringspol: Det er en supplerende magnetisk pol, forsynet eller ej, med viklinger og beregnet til at forbedre kommutering. De bruges normalt i mellemstore og høje effektmaskiner.

Små induktorer, der bruges til meget høje frekvenser , kan også fremstilles med en leder, der passerer gennem en ferritcylinder eller pellet.

Betjening af en spole

Betragt en spole eller solenoide , der består af en leder af længden l og sektion S , og som er blevet viklet i N vindinger, hvorigennem en elektrisk strøm i ( t ) cirkulerer.

Ved at anvende Biot-Savart-loven , der relaterer den magnetiske induktion, B ( t ), til årsagen, der frembringer den, det vil sige strømmen i ( t ), der cirkulerer gennem solenoiden, opnås det, at den magnetiske flux Φ ( t ) der omfatter er lig med:

${\phi (t)}={B(t)}\cdot {S}={\mu​​o}}\cdot {{N} \over {\ell }}\cdot {i(t )}\cdot {S}={\mu​​o}}\cdot {{N}{S} \over {\ell }}\cdot {i(t)}\,$

Hvis den magnetiske flux er variabel i tid, i henhold til Faradays lov , genereres en selvinducerende elektromotorisk kraft (emf) i hver drejning, som ifølge Lenz's lov har en tendens til at modsætte sig årsagen, der frembringer den, dvs. variation af den elektriske strøm, der genererer den magnetiske flux. Af denne grund kaldes det ofte tilbage elektromotorisk kraft . Dette har værdien:

${{\mathcal {E}}(t)}={-N}{{d}{\phi (t)} \over {dt}}={-}{\mu​​o}}\ cdot {{N^{2}}{S} \over {\ell }}\cdot {{di(t)} \over {dt}}$

Udtrykket kaldes selvinduktionskoefficienten , L , som relaterer strømvariationen til den inducerede emk og, som det ses, afhænger af spolens geometri og den kerne, den er viklet på. Det måles i Henrys . ${\mu​​o}}\cdot {{N^{2}}{S} \over {\ell }}\,\!\quad$

Lagret energi

Spolen lagrer energi i form af et magnetfelt, når strømintensiteten stiger, og returnerer den, når den falder. Matematisk kan det vises, at energien , lagret af en spole med induktans , som gennemløbes af en strøm af intensitet , er givet af: ${\mathcal {w}}\,\!$ $L\,\!$$i\,\!$

$w={1 \over 2}Li^{2}$

Startende fra ligningen, der relaterer spændingen til strømmen i en induktor:

${\mathcal {v}}=L{di \over dt}$

den øjeblikkelige effektligning kan bruges til at nå frem til den, der angiver den tilsvarende energi i spolen.

${\mathcal {p}}=vi={\biggl (}L{di \over dt}{\biggr )}i$

Den lagrede energi kan således udtrykkes som:

$w=\int--\infty }^{t}p\,dt=\int--\infty }^{t}{\biggl (}L{di \over dt}{\biggr) }i \,dt=L\int -\infty }^{t}i\,di={1 \over 2}Li^{2}(t)-{1 \over 2}Li^{2} (-\infty )={1 \over 2}Li^{2}$

Det er rimeligt og praktisk at tro, at på et eller andet tidspunkt i fortiden var strømmen gennem induktoren 0, så strømmen på tidspunktet lig med minus uendelig er 0.

I kredsløb

Figur 1 : Kredsløb med induktans.

Fra den fysiske formulering af spolen er udtrykket blevet ekstraheret:

${{\mathcal {E}}(t)}={-L}\cdot {{di(t)} \over {dt}}$

Hvis vi antager en ideel spole (figur 1), uden belastningstab, ved at anvende Kirchhoffs anden lov , har vi:

${v(t)}+{e(t)}={0}\,\!$

Det vil sige, i hver elektrisk spole i et kredsløb er der et spændingsfald i det:

${v_{L}(t)}={v(t)}={-e(t)}={L}\cdot {{di(t)} \over {dt}}$

Fjernelse af intensiteten:

${i(t)}={i(0)}+{{1} \over {L}}\cdot {\int{0}^{t}v(t)\,dt}\, \ !$

Hvis spolen på tidspunktet t = 0 er belastet med en strøm I , kan den erstattes af en ubelastet spole og en strømkilde med værdien i(0) = I parallelt.

Strømmen gennem spolen og derfor fluxen kan ikke variere brat, ellers skulle spændingen blive uendelig. Af denne grund, når du åbner et kredsløb, hvor en spole er tilsluttet, vil en strømbue altid hoppe mellem terminalerne på kontakten, der udsender den strøm, der aflader spolen. ${v_{L}(t)}$

Når induktoren ikke er ideel, fordi den har en intern modstand i serie, er den påførte spænding lig med summen af ​​spændingsfaldet over den indre modstand plus den selvinducerede tilbage-emf.

I vekselstrøm

I vekselstrøm tilbyder en ideel spole en modstand mod strømmen af ​​elektrisk strøm, der modtager navnet på induktiv reaktans , , hvis værdi er givet af produktet af pulsationen ( ) gange induktansen, L : ${X_{L}}$$\quad \omega =2\pi f\,\!$

$\quad X_{L}=j\omega L\,\!$

Hvis pulsationen er i radianer pr. sekund (rad/s), og induktansen er i henrys (H), vil reaktansen være i ohm .

Ifølge Ohms lov vil der cirkulere en vekselstrøm, der vil blive forsinket med 90° ( ) i forhold til den påførte spænding. $\pi /2$

Fælles associationer

Figur 2. Generel serieforening.

Figur 3. Generel parallelassociation.

Ligesom modstandene kan spolerne forbindes i serie (figur 2), parallelle (figur 3) eller på en blandet måde. I disse tilfælde, og så længe der ikke er nogen magnetisk kobling , vil den ækvivalente induktans for serietilknytningen blive givet af:

$L_{AB}=L_{1}+L_{2}+...+L_{n}=\sum​​k=1}^{n}L_{k}$

For parallelforeningen har vi:

$L_{AB}={1 \over \sum​​k=1}^{n}{1 \over L_{k}}}$

For den blandede forening, fortsæt på samme måde som med modstandene.

Hvis en større forståelse af en induktors reaktive adfærd er påkrævet, så er det praktisk at analysere Lenz's lov i detaljer og dermed verificere, hvordan en induktiv reaktans opstår, som er født på grund af en opposition præsenteret af induktoren eller spolen. af magnetisk flux.

Ideel og faktisk adfærd

I jævnstrøm

En ideel spole i jævnstrøm opfører sig som en kortslutning (ideal leder), da den er i( t ) konstant, dvs. den varierer ikke med tiden, er der ingen selvinduktion af nogen emf

${v_{L}(t)}={L}\cdot {{di(t)} \over {dt}}={0}\,\!$

En rigtig spole i permanent regime opfører sig som en modstand, hvis værdi (figur 6a) vil være dens vikling. ${R_{L}}$

I transient regime, det vil sige, når du tilslutter eller afbryder et kredsløb med en spole, opstår der elektromagnetiske fænomener, der påvirker strømmen (se RL- og RC-seriekredsløb ).

I vekselstrøm

Figur 4. Kartesisk diagram over spændingerne og strømmen i en spole.

Ved tilslutning af en sinusformet AC v ( t ) til en spole vil der opstå en strøm i ( t ), også sinusformet, det vil sige variabel, så som nævnt ovenfor vil der opstå en modelektromotorisk kraft, - e ( t ), hvis den absolutte værdi kan påvises at være lig med værdien af ​​v ( t ). Derfor, når strømmen i( t ) stiger, falder e( t ) for at hindre stigningen; analogt, når i ( t ) falder, stiger e ( t ) for at modvirke nævnte fald. Dette kan ses i diagrammet i figur 4. Mellem 0° og 90° er kurven i ( t ) negativ, idet den falder fra dens maksimale negative værdi til nul, idet man observerer, at e ( t ) stiger, indtil den når sin maksimale negative værdi. Mellem 90° og 180° stiger strømmen fra nul til dens maksimale positive værdi, mens e ( t ) falder til nul. Fra 180° til 360° svarer ræsonnementet til det foregående.

Figur 5. Fasordiagram .

Da den påførte spænding, v ( t ) er lig med - e ( t ), eller hvad der er det samme, er den 180° ude af fase i forhold til e ( t ), det følger, at strømmen i ( t ) halter 90 ° med hensyn til den påførte spænding. Lad os derfor betragte en spole L , som den i figur 1, til hvilken der påføres en vekselspænding med værdi:

$u(t)=V_{0}\cdot \sin(\omega t+\beta ),$

Figur 6. : Ækvivalente kredsløb for en reel spole i DC, a), og i AC, b) og c).

Ifølge Ohms lov vil der cirkulere en vekselstrøm, der er 90° forsinket ( ) i forhold til den påførte spænding (figur 5), af værdi: $\pi /2$

$i(t)={u(t) \over R}=I_{0}\cdot \sin(\omega t+\beta -90^{\circ }),$

hvor . Hvis den effektive værdi af den opnåede strøm er repræsenteret i polær form: $I_{0}={V_{0} \over X_{L}}$

${\vec {I}}=I_{/\!\!\!{\underline {\ \beta -90^{\circ }}}}$

Og fungerer matematisk:

${\vec {I}}=\left({V \over X_{L}}\right)_{/\!\!\!{\understreget {\ \beta -90^{\circ }} }}={V_{/!\!\!{\understreget {\ \beta }}} \over {X_{L}}_{/\!\!\!{\understreget {\ 90^{\circ }}}}}$

Derfor, i AC-kredsløb , kan en ideel spole assimileres til en kompleks størrelse uden nogen reel del og positiv imaginær del:

${\vec {X_{L}}}=0+jX_{L}={X_{L}}_{/\!\!\!{\underline {\ 90^{\circ }}}}$

_I den rigtige spole vil det være nødvendigt at tage højde for modstanden af ​​dens vikling, RL , og dens ækvivalente kredsløb eller model kan være den, der vises i figur 6b) eller 6c), afhængigt af typen af ​​spole eller driftsfrekvens , selvom for mere præcise analyser kan bruges modeller mere komplekse end de foregående.

Adfærd ved kredsløbsafbrydelse

Lad os undersøge den praktiske opførsel af en induktor, når kredsløbet, der føder den, afbrydes. På tegningen til højre er vist en induktor, der oplades gennem en modstand og en kontakt. Den stiplede kondensator repræsenterer induktorens parasitære kapacitanser . Det er trukket separat fra induktoren, men det er faktisk en del af det, fordi det repræsenterer de parasitære kapacitanser af vindingerne i viklingen imellem sig. Alle induktorer har parasitære kapacitanser, selv viklinger specielt designet til at minimere dem, såsom "honeycomb" viklingen.

På et bestemt tidspunkt åbner kontakten. Hvis vi ser på definitionen af ​​induktans: $\scriptstyle {t_{\circ }}$

$V=L{dI \over dt}$

vi ser, at for at strømmen gennem induktoren stopper øjeblikkeligt, skal der opstå en uendelig spænding, og det kan ikke ske. Af den grund fortsætter strømmen med at strømme gennem spolens parasitære kapacitanser. I starten er den eneste vej, du har, gennem de vildledende kapacitanser. Strøm fortsætter med at strømme gennem den omstrejfende kapacitans, hvilket negativt oplader kondensatorens højdepunkt på tegningen.

Vi finder et LC-kredsløb , der vil oscillere ved en puls :

$\textstyle {\omega ={1 \over {\sqrt {LC}}}}$

hvor er den ækvivalente værdi af de parasitære kapacitanser. Hvis viklingsisoleringerne er tilstrækkeligt modstandsdygtige over for høje spændinger, og hvis kontakten bryder kredsløbet godt, vil oscillationen fortsætte med en amplitude, der vil blive dæmpet på grund af de dielektriske og resistive tab af induktorens parasit- og lederkapacitanser. Hvis induktoren derudover har en ferromagnetisk kerne, vil der også være tab i kernen. $\scriptstyle {C}$

Bemærk, at den maksimale spænding (kendt som "surge") af oscillationen kan være meget stor, da spændingens maksimum svarer til det øjeblik, hvor al energien, der er lagret i spolen , vil være gået til de parasitære kapacitanser . Hvis disse er små, kan spændingen være meget høj, og der kan opstå elektriske lysbuer mellem vinding af spolen eller mellem kontaktens åbne kontakter. $\scriptstyle {{1 \over 2}LI^{2}}$$\scriptstyle {{1 \over 2}CV^{2}}$

Selvom lysbueblink ofte er skadelige og farlige, er de nogle gange nyttige og ønskede. Dette er tilfældet med lysbuesvejsning , lysbuelamper, elektriske højovne og lysbueovne. I tilfælde af buesvejsning er kontakten i vores diagram kontakten mellem det metal, der skal svejses, og elektroden.

Hvad der sker, når lysbuen vises, afhænger af lysbuens elektriske egenskaber. Og karakteristikaene for en bue afhænger af strømmen gennem den. Når strømmen er stor (tivis af ampere), er buen opbygget af en tyk bane af ioniserede molekyler og atomer , der har ringe elektrisk modstand og termisk inerti, der gør, at den holder. Buen spreder hundredvis af watt og kan smelte metaller og starte brande. Hvis lysbuen opstår mellem kontakterne, er kredsløbet ikke rigtigt åbent, og strømmen vil fortsætte med at flyde. Uønskede lysbuer er et alvorligt og vanskeligt problem at løse, når der bruges høje spændinger og høj effekt.

Når strømmene er små, afkøles lysbuen hurtigt og holder op med at lede elektricitet. På tegningen til højre har vi illustreret et bestemt tilfælde, der kan forekomme, men det er kun et af de mulige tilfælde. Vi har udvidet tidsskalaen omkring afbryderåbning og buedannelse.

Efter åbning af kontakten stiger spændingen over induktansen (med modsat fortegn). På tidspunktet er spændingen tilstrækkelig til at skabe en bue mellem to vindinger af spolen. Lysbuen har lille elektrisk modstand og aflader hurtigt parasitære kapacitanser. Strømmen, i stedet for at fortsætte med at belaste de parasitære kapacitanser, begynder at passere gennem buen. Vi har tegnet det tilfælde, hvor bovspændingen er relativt konstant. Induktorstrømmen falder, indtil den øjeblikkeligt er for lille til at opretholde lysbuen, og lysbuen er slukket og ikke-ledende. Strømmen går igen gennem de parasitære kapacitanser og denne gang fortsætter oscillationen med at dæmpe og uden at skabe nye buer, da spændingen denne gang ikke vil nå for store værdier. Husk, at dette kun er et muligt tilfælde. $\scriptstyle {t_{1}}$$\scriptstyle {t_{2}}$

Hvorfor en person kan få et lille elektrisk stød, kan forklares ved at måle modstanden i en vikling med et simpelt ohmmeter , der kun kan levere nogle få milliampere og få volt. Årsagen er, at man for at måle viklingens modstand kører et par milliampere igennem den. Hvis fingrene, når ohmmeterkablerne er frakoblet, fortsætter med at røre spolens terminaler, vil de milliampere, der cirkulerede i den, fortsætte med at gøre det, men passere gennem fingrene.

Forbigående analyse

Reglen er, at for at undgå lysbuer eller overspændinger skal kredsløb beskyttes ved at give en vej til induktorstrømmen, når kredsløbet afbrydes. I diagrammet til højre er et eksempel på en transistor, der styrer strømmen i en spole (f.eks. et relæ ). Når transistoren er blokeret, oplader den strøm, der flyder i spolen, de parasitære kapacitanser, og kollektorspændingen stiger og kan nemt overstige den maksimale kollektor-base krydsspænding og ødelægge transistoren. Ved at placere en diode som i diagrammet finder strømmen en vej i dioden og kollektorspændingen vil være begrænset til forsyningsspændingen plus 0,6V fra dioden. Den funktionelle pris for denne beskyttelse er, at spolestrømmen er længere tid om at falde, og det kan i nogle tilfælde være en ulempe. Tiden kan reduceres, hvis der i stedet for en ensretterdiode placeres en zener- eller Transil- diode . Det skal ikke glemmes, at beskyttelsesanordningen skal være i stand til at absorbere næsten al den energi, der er lagret i induktoren.

Typer

En antenneindstillingsspole på en AM-radiostation. Illustrerer høj-effekt, høj Q-konstruktion: Enkeltlags vikling med indbyrdes afstande for at reducere nærhedstab, lavet af sølvbelagte rør for at reducere tab af hudeffekt, understøttet af smalle isolerende strimler for at reducere dielektrisk tab

Air core inducer

Udtrykket luftkernet spole beskriver en induktor, der ikke bruger en magnetisk kerne lavet af et ferromagnetisk materiale. Udtrykket refererer til spoler viklet i plastik, keramik eller andre ikke-magnetiske former, såvel som dem med kun luft inde i viklingerne. Spoler med luftkerne har en lavere induktans end ferromagnetiske spoler, men bruges ofte ved høje frekvenser, fordi de er fri for de energitab, kaldet kernetab, der opstår i ferromagnetiske kerner, som stiger med frekvensen. . En bivirkning, der kan forekomme i spoler med luftkerne, hvor viklingen ikke er stift understøttet på én måde, er "mikrofonik": mekanisk vibration af viklingerne kan forårsage variationer i induktans.

Radiofrekvensinduktor

Samling af RF-induktorer, der viser teknikker til at reducere tab. De tre øverste til venstre og ferritstangen eller stangantennen, ​ nedenfor, har kurveviklinger.

Ved høje frekvenser , især s (RF), har induktorer højere modstand og andre tab. Ud over at forårsage strømtab kan dette i resonanskredsløb reducere kredsløbets Q-faktor , hvilket udvider båndbredden . I RF-induktorer, som for det meste er af luftkernetypen, bruges specialiserede konstruktionsteknikker for at minimere disse tab. Tab skyldes disse effekter:

film effekt

Et kabels modstand mod højfrekvent strøm er større end modstanden mod jævnstrøm på grund af hudeffekten. Radiofrekvent vekselstrøm trænger ikke langt ind i en leders krop, men bevæger sig i stedet langs dens overflade. For eksempel ved 6 MHz er huddybden af ​​kobbertråd ca. 0,001 tomme (25 µm); det meste af strømmen er inden for denne dybde fra overfladen. I en massiv ledning kan den indre del af ledningen derfor bære lidt strøm, hvilket effektivt øger dens modstand.

nærhedseffekt

En anden lignende effekt, der også øger kabelmodstanden ved høje frekvenser, er nærhedseffekten, som opstår i parallelle kabler, der er tæt på hinanden. Det individuelle magnetfelt af tilstødende vindinger inducerer hvirvelstrømme i spoleledningen, hvilket får strømmen i lederen til at blive koncentreret i et tyndt bånd på siden nær den tilstødende ledning. Ligesom hudeffekten reducerer dette det effektive tværsnitsareal af den strømførende ledning, hvilket øger dens modstand.

dielektriske tab

Det højfrekvente elektriske felt nær lederne i en tankspole kan forårsage bevægelse af polære molekyler i nærliggende isoleringsmaterialer og sprede energi som varme. På grund af dette er spolerne, der bruges i tunede kredsløb, normalt ikke viklet i spoleformer, men suspenderet i luften, understøttet af smalle strimler af plastik eller keramik.

parasitisk kapacitans

Kapacitansen mellem de enkelte vindinger af spolen, kaldet stray capacitance , forårsager ikke energitab, men kan ændre spolens opførsel. Hver vinding af spolen har et lidt forskelligt potentiale, så det elektriske felt mellem nabosving gemmer ladning i ledningen, så spolen virker, som om den har en kondensator parallelt med sig. Ved en høj nok frekvens kan denne kapacitans resonere med spolens induktans, der danner et tunet kredsløb , hvilket får spolen til at blive selvresonant .

Ferromagnetisk kerneinduktor

En række forskellige typer ferritkernespoler og transformere

Ferromagnetiske kerne- eller jernkernespoler bruger en magnetisk kerne lavet af et ferromagnetisk materiale såsom jern eller ferrit for at øge induktansen. En magnetisk kerne kan øge en spoles induktans med en faktor på flere tusinde ved at øge magnetfeltet på grund af dets højere magnetiske permeabilitet . Kernematerialets magnetiske egenskaber forårsager dog flere bivirkninger, der ændrer induktorens opførsel og kræver speciel konstruktion:

Kernetab

En tidsvarierende strøm i en ferromagnetisk induktor, der forårsager et tidsvarierende magnetfelt i dens kerne, forårsager, at energitab i kernematerialet spredes som varme på grund af to processer

Hvirvelstrøm

Fra Faradays lov om induktion kan det skiftende magnetfelt inducere cirkulerende sløjfer af elektrisk strøm i den ledende metalkerne. Energien fra disse strømme spredes som varme i kernematerialets modstand . Mængden af ​​tabt energi stiger med arealet inden for strømsløjfen.

Hysterese

Ændring eller vending af magnetfeltet i kernen forårsager også tab på grund af bevægelsen af ​​de små magnetiske domæner , der udgør den. Energitabet er proportionalt med arealet af hysteresesløjfen i BH-plottet af kernematerialet. Materialer med lav koercitivitet har tætte hysterese-løkker og derfor lave hysteresetab.

Kernetabet er ikke lineært med hensyn til frekvensen af ​​den magnetiske fluktuation og den magnetiske fluxtæthed. Den magnetiske fluktuationsfrekvens er frekvensen af ​​vekselstrømmen i det elektriske kredsløb; den magnetiske fluxtæthed svarer til strømmen i det elektriske kredsløb. Magnetisk fluktuation giver anledning til hysterese, og magnetisk fluxtæthed forårsager hvirvelstrømme i kernen. Disse ikke-lineariteter skelnes fra mætningstærsklens ikke-linearitet. Tabet i kernen kan groft modelleres med Steinmetz-ligningen . Ved lave frekvenser og over begrænsede frekvensområder (måske en faktor 10) kan kernetab behandles som en lineær funktion af frekvensen med minimal fejl. Men selv i lydområdet er de ikke-lineære effekter af magnetiske kerne-induktorer mærkbare og giver anledning til bekymring.

Mætning

Hvis strømmen gennem en magnetisk kernespole er høj nok til, at kernen bliver mættet , vil induktansen falde, og strømmen vil stige dramatisk. Dette er et ikke-lineært tærskelfænomen og resulterer i signalforvrængning. For eksempel kan lydsignaler lide af intermodulationsforvrængning i mættede induktorer. For at undgå dette skal strømmen gennem jernkernespolerne i lineære kredsløb begrænses til under mætningsniveauet. Nogle laminerede kerner har en smal luftspalte til dette formål, og pulveriserede jernkerner har en fordelt luftspalte. Dette tillader højere niveauer af magnetisk flux og dermed højere strømme gennem induktoren, før den mættes. ]

Curi punkt afmagnetisering

Hvis temperaturen af ​​en ferromagnetisk eller ferrimagnetisk kerne stiger til et vist niveau, adskilles de magnetiske domæner, og materialet bliver paramagnetisk og understøtter ikke længere magnetisk flux. Induktansen falder og strømmen stiger dramatisk, svarende til hvad der sker under mætning. Effekten er reversibel: Når temperaturen falder til under Curie-punktet, vil den magnetiske flux, der stammer fra strømmen i det elektriske kredsløb, justere kernens magnetiske domæner, og dens magnetiske flux vil blive genoprettet. Curie-punktet for ferromagnetiske materialer (jernlegeringer) er ret højt; den for jern er højest ved 770  °C. For nogle ferrimagnetiske materialer ( keramiske jern- ferritforbindelser ) kan Curie-punktet dog være tæt på omgivelsestemperaturer (under 100  °C).

Lamineret kerne induktor

Lamineret jernkerne-ballastinduktor til metalhalogenlampe

Lavfrekvente induktorer er ofte lavet med en lamineret kerne for at forhindre hvirvelstrømme ved at bruge en konstruktion svarende til transformatorer . Kernen består af stakke af tynde stålplader eller laminering orienteret parallelt med feltet, med en isolerende belægning på overfladen. Isoleringen forhindrer hvirvelstrømme mellem lamineringerne, så eventuel resterende strøm skal ligge inden for tværsnitsarealet af de enkelte lamineringer, hvilket reducerer sløjfearealet og dermed effekttabet en hel del. Lamineringerne er lavet af siliciumstål med lav ledningsevne for yderligere at reducere hvirvelstrømstab.

Ferritkerneinduktor

For højere frekvenser er induktorer lavet med ferritkerner. Ferrit er et ferrimagnetisk keramisk materiale, der er ikke-ledende, så hvirvelstrømme ikke kan strømme igennem det. Formuleringen for ferrit er xxFe ₂ O ₄ hvor xx repræsenterer forskellige metaller. Bløde ferriter anvendes til induktorkernerne , som har lav koercivitet og dermed lave hysteresetab.

Pulveriseret jernkerne induktor

Et andet materiale er pulveriseret jern cementeret med et bindemiddel.

Toroidal kerne induktor

Toroidal induktor i strømforsyningen til en trådløs router

I en induktor viklet på en lige stangformet kerne skal magnetfeltlinjer, der forlader den ene ende af kernen, passere gennem luft for at komme ind i kernen igen i den anden ende. Dette reducerer feltet, da meget af magnetfeltets vej er i luften i stedet for kernematerialet med højere permeabilitet, og er en kilde til elektromagnetisk interferens . Et højere magnetfelt og induktans kan opnås ved at danne kernen i et lukket magnetisk kredsløb . De magnetiske feltlinjer danner lukkede sløjfer inde i kernen uden at forlade kernematerialet. Den form, der normalt bruges, er en toroid- eller donutformet ferritkerne. På grund af deres symmetri tillader toroidale kerner en minimal del af den magnetiske flux at undslippe uden for kernen (kaldet lækageflux ), så de udstråler mindre elektromagnetisk interferens end andre former. Toroidale kernespoler er lavet af forskellige materialer, hovedsageligt ferrit, jernpulver og laminerede kerner. ]

Variabel induktor

( venstre ) Induktor med en gevindforsynet ferritstift (synlig i toppen), der kan drejes for at flytte den ind eller ud af spolen, 4,2 cm høj. ( højre ) Et variometer brugt i radiomodtagere i 1920'erne

"Roller coil", en afstembar luftkerne RF-induktor, der bruges i radiosenderes tunede kredsløb. En af spolekontakterne er lavet af det lille slidsede hjul, som er monteret på kablet. Når akslen roterer, roterer spolen og bevæger kontakthjulet op eller ned ad spolen, hvilket tillader flere eller færre drejninger af spolen i kredsløbet, for at ændre induktansen.

Sandsynligvis den mest almindelige type variabel induktor i dag er en med en bevægelig ferritmagnetisk kerne, som kan skydes eller skrues ind eller ud af spolen. Ved at forskyde kernen mod det indre af spolen øges den magnetiske permeabilitet, hvilket øger magnetfeltet og induktansen. Mange af de induktorer, der bruges i radioapplikationer (typisk mindre end 100 MHz) bruger afstembare kerner for at indstille induktorerne til deres ønskede værdi, da fremstillingsprocesser har visse tolerancer (unøjagtighed). Nogle gange er disse kerner til frekvenser over 100 MHz lavet af stærkt ledende, ikke-magnetisk materiale såsom aluminium. De mindsker induktansen, fordi magnetfeltet skal omgå dem.

Luftkernespoler kan bruge glidende kontakter eller flere tryk til at øge eller mindske antallet af drejninger, der er inkluderet i kredsløbet, for at ændre induktansen. En type, der er meget brugt i fortiden, men næsten forældet i dag, den har en fjederkontakt, der kan glide langs den nøgne overflade af viklingerne. Ulempen ved denne type er, at kontakten normalt kortslutter en eller flere omgange. Disse vindinger fungerer som en enkelt omgang kortsluttet transformator sekundærvikling ; de store strømme, der induceres i dem, forårsager effekttab.

En type af kontinuerligt variabel luftkerneinduktor er variometeret . Den består af to spoler med det samme antal vindinger forbundet i serie, den ene inde i den anden. Den indre spole er monteret på en aksel, så dens akse kan rotere i forhold til den ydre spole. Når akserne for de to spoler er kollineære, med magnetfelterne pegende i samme retning, adderes felterne, og induktansen er maksimal. Når den indre spole drejes, så dens akse danner en vinkel med den ydre spole, er den gensidige induktans mellem dem mindre, så den samlede induktans er mindre. Når den indre spole drejes 180°, så spolerne er collineære med deres modsatte magnetfelter, ophæver de to felter hinanden, og induktansen er meget lille. Denne type har den fordel, at den er trinløs variabel over et bredt område. Det bruges i "antennetunere" og matchende kredsløb for at matche lavfrekvente sendere til deres antenner.

En anden metode til styring af induktans uden bevægelige dele kræver en ekstra jævnstrømsvikling, der styrer permeabiliteten af ​​et let mætteligt kernemateriale.

Chokerspole

MF eller HF radioinduktor til tiendedele af en forstærker og en VHF induktor med ferritperler til flere ampere.

En drosselspole er en induktor specielt designet til at blokere højfrekvent vekselstrøm (AC) i et elektrisk kredsløb, samtidig med at DC eller lavfrekvente signaler kan passere igennem. Da induktoren modstår eller "choker" ændringer i strøm, kaldes denne type induktor en choker. Det består normalt af en spole af isoleret ledning viklet på en magnetisk kerne, selvom nogle består af en donut-formet "perle" af ferritmateriale trukket på en ledning. Som andre induktorer modstår drosler ændringer i strømmen gennem dem med stigende frekvens. Forskellen mellem spoler og andre spoler er, at spoler ikke kræver de høje Q-faktor konstruktionsteknikker, der bruges til at reducere modstanden i spoler, der bruges i tunede kredsløb.

Se også

• Solenoide .
• Tændspole .
• Rogowski spole .

Referencer

Bibliografi

• Gomez Campomanes, Jose. Elektriske kredsløb . Publikationstjeneste ved University of Oviedo. ISBN  84-7468-288-6 . 
• Terman, Frederick (1943). Radioingeniørernes håndbog . McGraw-Hill. 

Eksterne links

• Wikimedia Commons har en mediekategori om induktorer .
• Måling af viklingsmodstand i transformere (artikel/manual)
• Single Layer Air Core Coil Design - Online Lommeregner