Indukčnost charakterizuje vlastnosti prvků elektrického obvodu pro akumulaci energie magnetického pole. Je to také míra vztahu mezi proudem a magnetickým polem. Porovnává se také se setrvačností elektřiny – stejně jako hmotnost s mírou setrvačnosti mechanických těles.
Obsah
Fenomén samoindukce
Změní-li se velikost proudu procházejícího vodivým obvodem, dochází k jevu samoindukce. V tomto případě se magnetický tok obvodem změní a na svorkách proudové smyčky se objeví emf, nazývané samoindukční emf. Tento EMF je opačný ke směru proudu a rovná se:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Je zřejmé, že EMF samoindukce se rovná rychlosti změny magnetického toku způsobené změnou proudu protékajícího obvodem a je také úměrné rychlosti změny proudu. Koeficient úměrnosti mezi EMF vlastní indukce a rychlostí změny proudu se nazývá indukčnost a označuje se L. Tato hodnota je vždy kladná a má jednotku SI 1 Henry (1 H). Používají se i zlomkové zlomky – millihenry a mikrohenry. Můžeme mluvit o indukčnosti 1 Henry, pokud změna proudu o 1 ampér způsobí samoindukční EMF 1 Volt. Nejen obvod má indukčnost, ale také samostatný vodič a také cívku, která může být reprezentována jako soubor sériově zapojených obvodů.
Indukčnost ukládá energii, kterou lze vypočítat jako W=L*I2/2, kde:
- W-energie, J;
- L – indukčnost, H;
- I je proud v cívce, A.
A zde je energie přímo úměrná indukčnosti cívky.
Důležité! Ve strojírenství je indukčnost také zařízení, ve kterém je uloženo elektrické pole. Skutečným prvkem, který se takové definici nejvíce blíží, je induktor.
Obecný vzorec pro výpočet indukčnosti fyzické cívky má složitou formu a je pro praktické výpočty nepohodlný. Je užitečné si zapamatovat, že indukčnost je úměrná počtu závitů, průměru cívky a závisí na geometrickém tvaru. Také indukčnost je ovlivněna magnetickou permeabilitou jádra, na kterém je vinutí umístěno, ale proud protékající závity není ovlivněn. Chcete-li vypočítat indukčnost, pokaždé se musíte obrátit na výše uvedené vzorce pro konkrétní návrh. Takže pro válcovou cívku se její hlavní charakteristika vypočítá podle vzorce:
L=μ*μ*(N2*S/l),
kde:
- μ je relativní magnetická permeabilita jádra cívky;
- μ – magnetická konstanta, 1,26*10-6 H/m;
- N je počet závitů;
- S je plocha cívky;
- l je geometrická délka cívky.
Pro výpočet indukčnosti pro válcovou cívku a cívky jiných tvarů je lepší použít kalkulačkové programy včetně online kalkulaček.
Sériové a paralelní zapojení tlumivek
Indukčnost lze zapojit sériově nebo paralelně a získat tak sadu s novými charakteristikami.
Paralelní připojení
Když jsou cívky zapojeny paralelně, napětí na všech prvcích je stejné a proudy (proměnné) jsou rozloženy nepřímo s indukčnostmi prvků.
- U=U1=U2=U3;
- já=já1+Já2+Já3.
Celková indukčnost obvodu je definována jako 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Vzorec platí pro libovolný počet prvků a pro dvě cívky je zjednodušen do tvaru L=L1*L2/(L1+L2). Je zřejmé, že výsledná indukčnost je menší než indukčnost prvku s nejmenší hodnotou.
sériové připojení
Při tomto typu zapojení protéká obvodem složeným z cívek stejný proud a napětí (proměnné!) na každé součástce obvodu je rozloženo úměrně indukčnosti každého prvku:
- U=U1+U2+U3;
- Já=já1= já2= já3.
Celková indukčnost se rovná součtu všech indukčností a bude větší než indukčnost prvku s největší hodnotou. Proto se takové spojení používá, pokud je to nutné pro získání zvýšení indukčnosti.
Důležité! Při zapojení cívek do sériové nebo paralelní baterie jsou výpočtové vzorce správné pouze pro případy, kdy je vyloučeno vzájemné ovlivňování magnetických polí prvků na sebe (stínění, velká vzdálenost apod.). Pokud existuje vliv, pak bude celková hodnota indukčnosti záviset na vzájemné poloze cívek.
Některé praktické problémy a návrhy induktorů
V praxi se používají různé konstrukce induktorů. V závislosti na účelu a oblasti použití mohou být zařízení vyrobena různými způsoby, ale je třeba vzít v úvahu efekty, které se vyskytují u skutečných cívek.
Faktor kvality induktoru
Skutečná cívka má kromě indukčnosti několik dalších parametrů a jedním z nejdůležitějších je faktor kvality. Tato hodnota určuje ztráty v cívce a závisí na:
- ohmické ztráty v drátu vinutí (čím větší odpor, tím nižší činitel jakosti);
- dielektrické ztráty v izolaci vodičů a rámu vinutí;
- ztráta obrazovky;
- ztráty jádra.
Všechny tyto veličiny určují ztrátový odpor a činitel jakosti je bezrozměrná hodnota rovna Q=ωL/Rztráty, kde:
- ω = 2*π*F - kruhová frekvence;
- L - indukčnost;
- ωL je reaktance cívky.
Můžeme přibližně říci, že činitel jakosti je roven poměru reaktivního (indukčního) odporu k činnému. Na jedné straně se zvyšující se frekvencí roste čitatel, ale zároveň se vlivem skinefektu zvyšuje i ztrátový odpor v důsledku zmenšování užitečného průřezu drátu.
efekt obrazovky
Pro omezení vlivu cizích předmětů, ale i elektrických a magnetických polí a vzájemného ovlivňování prvků prostřednictvím těchto polí se často cívky (zejména vysokofrekvenční) umísťují do stínění. Stínění způsobuje kromě příznivého efektu snížení jakostního činitele cívky, snížení její indukčnosti a zvýšení parazitní kapacity. Navíc, čím blíže jsou stěny stínění k závitům cívky, tím vyšší je škodlivý účinek. Téměř vždy se proto vyrábí stíněné cívky s možností úpravy parametrů.
Indukčnost trimru
V některých případech je nutné přesně nastavit hodnotu indukčnosti na místě po připojení cívky k dalším prvkům obvodu, kompenzovat odchylky parametrů při ladění. K tomu se používají různé metody (přepínání kohoutků závitů atd.), ale nejpřesnější a nejplynulejší je ladění pomocí jádra. Vyrábí se ve formě závitové tyče, kterou lze zašroubovat a vyjmout uvnitř rámu, čímž se nastavuje indukčnost cívky.
Proměnná indukčnost (variometr)
Tam, kde je požadováno rychlé nastavení indukčnosti nebo indukční vazby, se používají cívky jiné konstrukce. Obsahují dvě vinutí - pohyblivé a pevné. Celková indukčnost je rovna součtu indukčností dvou cívek a vzájemné indukčnosti mezi nimi.
Změnou vzájemné polohy jedné cívky vůči druhé se upraví celková hodnota indukčnosti. Takové zařízení se nazývá variometr a často se používá v komunikačních zařízeních k ladění rezonančních obvodů v případech, kdy je použití proměnných kondenzátorů z nějakého důvodu nemožné.Konstrukce variometru je značně objemná, což omezuje jeho rozsah.
Indukčnost ve tvaru tištěné spirály
Cívky s malou indukčností mohou být vyrobeny ve formě spirály tištěných vodičů. Výhodou tohoto designu je:
- vyrobitelnost výroby;
- vysoká opakovatelnost parametrů.
Mezi nevýhody patří nemožnost jemného doladění při nastavování a obtížnost získání velkých hodnot indukčnosti – čím vyšší indukčnost, tím více místa cívka na desce zabírá.
Sekční naviják
Indukčnost bez kapacity je pouze na papíře. Při jakékoli fyzické implementaci cívky okamžitě vzniká parazitní mezizávitová kapacita. To je v mnoha případech škodlivé. Parazitní kapacita se sčítá s kapacitou LC obvodu, čímž se snižuje rezonanční frekvence a činitel jakosti oscilačního systému. Také cívka má vlastní rezonanční frekvenci, která vyvolává nežádoucí jevy.
Ke snížení parazitní kapacity se používají různé metody, z nichž nejjednodušší je indukčnost vinutí ve formě několika sériově zapojených sekcí. S tímto zahrnutím se indukčnosti sčítají a celková kapacita klesá.
Induktor na toroidním jádru
Magnetické siločáry válcového induktoru jsou taženy vnitřkem vinutí (pokud je tam jádro, pak skrz něj) a uzavřeny zvenčí vzduchem. Tato skutečnost s sebou nese několik nevýhod:
- indukčnost je snížena;
- charakteristiky cívky jsou méně přístupné výpočtu;
- jakýkoli předmět přivedený do vnějšího magnetického pole mění parametry cívky (indukčnost, parazitní kapacita, ztráty atd.), proto je v mnoha případech vyžadováno stínění.
Cívky navinuté na toroidních jádrech (ve formě prstence nebo prstence) jsou z velké části prosté těchto nedostatků. Magnetické linie procházejí uvnitř jádra ve formě uzavřených smyček. To znamená, že vnější předměty nemají prakticky žádný vliv na parametry cívky navinuté na takovém jádru a stínění není u takové konstrukce potřeba. Indukčnost se také zvyšuje, ostatní věci jsou stejné a charakteristiky se snáze vypočítají.
Mezi nevýhody cívek navinutých na tori patří nemožnost plynulé úpravy indukčnosti na místě. Dalším problémem je vysoká pracnost a malá vyrobitelnost vinutí. To se však ve větší či menší míře týká obecně všech indukčních prvků.
Společnou nevýhodou fyzické implementace indukčnosti je také vysoká hmotnost a velikost, relativně nízká spolehlivost a malá udržovatelnost.
Proto se v technice snaží zbavit indukčních součástek. To ale není vždy možné, takže vinuté komponenty budou využívány jak v dohledné době, tak ve střednědobém horizontu.
Podobné články:
