Причуды индуктора

В идеальном случае индуктор действует как чисто реактивное устройство. То есть его противодействие переменному току строго основано на индуктивной реакции на изменения тока, а не на трении электронов, как в случае с резистивными компонентами.

Однако катушки индуктивности не так уж чисты в своем реактивном поведении. Начнем с того, что они сделаны из проволоки, и мы знаем, что все провода обладают некоторым измеримым сопротивлением (если только это не сверхпроводящий провод).

Это встроенное сопротивление действует так, как если бы оно было подключено последовательно с идеальной индуктивностью катушки, например:

Схема индуктивности, эквивалентная реальной катушке индуктивности.

Следовательно, полное сопротивление любой реальной катушки индуктивности всегда будет представлять собой сложную комбинацию сопротивления и индуктивного реактивного сопротивления.

Эту проблему усугубляет то, что называется скин-эффектом . , что является тенденцией переменного тока течь через внешние области поперечного сечения проводника, а не через середину. Когда электроны движутся в одном направлении (постоянный ток), они используют для движения всю площадь поперечного сечения проводника.

С другой стороны, электроны, меняющие направление потока, стремятся избежать прохождения через самую середину проводника, ограничивая доступную эффективную площадь поперечного сечения. Скин-эффект становится более выраженным с увеличением частоты.

Кроме того, переменное магнитное поле индуктора, питаемого переменным током, может излучаться в космос как часть электромагнитной волны, особенно если переменный ток имеет высокую частоту. Эта излучаемая энергия не возвращается к катушке индуктивности и поэтому проявляется в виде сопротивления (рассеиваемой мощности) в цепи.

Вихревые токи в индукторах

Помимо резистивных потерь в проводе и излучения, в индукторах с железным сердечником действуют и другие эффекты, которые проявляются как дополнительное сопротивление между выводами. Когда на катушку индуктивности подается переменный ток, создаваемые переменные магнитные поля имеют тенденцию индуцировать циркулирующие токи в железном сердечнике, известные как вихревые токи . .

Эти электрические токи в железном сердечнике должны преодолевать электрическое сопротивление, обеспечиваемое железом, который не так хорош в качестве проводника, как медь. Вихретоковым потерям в первую очередь противодействуют, разделив железный сердечник на множество тонких листов (пластин), каждый из которых отделен друг от друга тонким слоем электроизоляционного лака.

Поскольку поперечное сечение сердечника разделено на множество электрически изолированных участков, ток не может циркулировать в пределах этой площади поперечного сечения, и из-за этого не будет (или будет очень мало) резистивных потерь.

Как и следовало ожидать, потери на вихревые токи в металлических сердечниках индуктора проявляются в виде тепла.

Эффект более выражен на более высоких частотах и ​​может быть настолько сильным, что иногда его используют в производственных процессах для нагрева металлических предметов!

Фактически, этот процесс «индукционного нагрева» часто используется в процессах литья металлов высокой чистоты, где металлические элементы и сплавы должны нагреваться в вакууме, чтобы избежать загрязнения воздухом, и, таким образом, там, где стандартная технология нагрева сжиганием была бы бесполезной.

Это «бесконтактная» технология:нагретое вещество не должно касаться катушки (катушек), создающей магнитное поле.

В высокочастотной среде вихревые токи могут возникать даже в поперечном сечении самого провода, что способствует дополнительным резистивным эффектам. Чтобы противодействовать этой тенденции, используется специальный провод из очень тонких, индивидуально изолированных жил, называемый лицевым проводом . (сокращение от Litzendraht ) можно использовать.

Изоляция, отделяющая жилы друг от друга, предотвращает циркуляцию вихревых токов по всей площади поперечного сечения провода.

Кроме того, любой магнитный гистерезис, который необходимо преодолевать при каждом изменении направления магнитного поля индуктора, представляет собой расход энергии, который проявляется как сопротивление в цепи.

Некоторые материалы сердечника (например, феррит) особенно известны своим гистерезисным эффектом. Противодействовать этому эффекту лучше всего путем правильного выбора материала сердечника и ограничения пиковой напряженности магнитного поля, генерируемой в каждом цикле.

В целом паразитные резистивные свойства реального индуктора (сопротивление провода, радиационные потери, вихревые токи и гистерезисные потери) выражаются одним термином «эффективное сопротивление»:

Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности со скин-эффектом, излучением, вихревыми токами и гистерезисными потерями.

Стоит отметить, что скин-эффект и потери на излучение применимы к прямым отрезкам провода в цепи переменного тока так же хорошо, как и к спиральному проводу. Обычно их совокупный эффект слишком мал, чтобы его можно было заметить, но на радиочастотах они могут быть довольно большими.

Например, антенна радиопередатчика спроектирована специально для рассеивания наибольшего количества энергии в виде электромагнитного излучения.

Фактор качества (Q-фактор)

Эффективное сопротивление в катушке индуктивности может быть серьезным фактором для проектировщика цепей переменного тока. Чтобы помочь количественно оценить относительную величину эффективного сопротивления в катушке индуктивности, существует другое значение, называемое Q-фактором . , или «коэффициент качества», который рассчитывается следующим образом:

Символ «Q» не имеет ничего общего с электрическим зарядом (кулонами), что может сбивать с толку. По какой-то причине Власти решили использовать одну и ту же букву алфавита для обозначения совершенно другой величины.

Чем выше значение «Q», тем «чище» катушка индуктивности. Поскольку при необходимости очень легко добавить дополнительное сопротивление, индуктор с высокой добротностью лучше, чем индуктор с низкой добротностью для целей проектирования. Идеальная катушка индуктивности должна иметь бесконечную добротность при нулевом эффективном сопротивлении.

Поскольку индуктивное реактивное сопротивление (X) зависит от частоты, то же самое и с Q. Однако, поскольку резистивные эффекты индукторов (скин-эффект провода, радиационные потери, вихревые токи и гистерезис) также зависят от частоты, Q не изменяется пропорционально реактивному сопротивлению. Чтобы значение Q имело точное значение, оно должно указываться при определенной частоте испытаний.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист индукторов