Основы индуктивности:все, что вам нужно знать

Катушки индуктивности редко используются в хобби-электронике. Тем не менее, их важно знать, если вы делаете что-либо, связанное с переменным током (AC). Они так же популярны, как резисторы, в приложениях, использующих переменный ток. Они вносят изменения в течение тока. В результате они отлично подходят для фильтрации сигналов и преобразования между различными напряжениями переменного тока. Вот почему мы часто используем их в регулируемых источниках питания. Это лишь некоторые из причин, по которым вам следует узнать о катушках индуктивности. Тем не менее, в этом руководстве будут рассмотрены некоторые основы индуктора.

Что такое индуктор?

Набор катушек индуктивности

Катушка индуктивности — это электронный компонент, который кратковременно накапливает энергию. Следовательно, он использует магнитное поле для достижения этой цели. Как правило, большинство катушек индуктивности представляют собой витки проволоки (часто медной проволоки) вокруг магнитного или немагнитного каркаса. Формовщики могут использовать следующие основные типы основного материала:

• Железное ядро
• Ферритовый сердечник
• Воздушное ядро
• Дроссели с керамическим сердечником

Следовательно, катушки индуктивности с ферритовыми и железными сердечниками могут быть наиболее предпочтительными, поскольку они могут генерировать более сильные магнитные поля и, таким образом, накапливать больше энергии.

Как работает индуктор?

индуктор

Как вы, возможно, заметили, катушки индуктивности не обязательно требуют формирователей для работы. Большинство воздушных индукторов представляют собой плотно изолированные провода, намотанные без центра. Из-за закона индукции Фарадея, когда электрический ток проходит через катушку, он создает магнитное поле.

Когда мы наматываем группу проводов, это может создать еще большее магнитное поле. Когда ток течет через этот кластер, он становится магнитной энергией. Однако, когда ток перестает течь, электромагнитное поле разрушается, и магнитная энергия превращается в электронную энергию. На этом этапе он имитирует классический кусок проволоки.

Однако требуется некоторое время, прежде чем индуктор преобразует и высвободит всю магнитную и электрическую энергию, и это основная концепция электромагнетизма, на которой работают все индукторы.

Чтобы проиллюстрировать это, мы можем думать о катушках индуктивности как о больших водяных колесах. Когда у вас есть тяжелое стационарное водяное колесо и вы начинаете пропускать через него воду, потребуется некоторое время и энергия, чтобы заставить колесо подняться и вращаться. Однако, как только он начнет вращаться и получит значительный импульс, потребуется время, чтобы остановить вращение, когда вы отключите подачу воды. Индукторы работают по тому же принципу, но с электрическим зарядом.

Это сопротивление электрическому потоку и есть то, что мы знаем как индуктивность. Он описывает соотношение между магнитным потоком и электрическим током, который его индуцирует. Существует множество различных типов катушек индуктивности . на рынке электроники. Все они имеют свои уникальные базовые свойства, конструкции и цели.

Различия между катушками индуктивности и конденсаторами

Конденсаторы и катушки индуктивности платы блока питания

Хотя катушки индуктивности и конденсаторы выполняют схожие функции, они работают совершенно по-разному. Они оба являются пассивными компонентами, которые накапливают энергию из цепи, а затем разряжают ее. Однако конденсатор накапливает энергию в электрическом поле. Напротив, индукторы накапливают энергию в магнитном поле и выделяют ее в виде электрической энергии. Следовательно, это процесс, известный нам как электромагнитная индукция.

Примечательно, что именно здесь катушки индуктивности получили свои имена. Тем не менее, мы обычно используем конденсаторы в высоковольтных электролитических устройствах, таких как источники питания.

Мы также можем использовать их в приложениях с более низким напряжением и в общих целях, где нам требуются большие значения емкости. С другой стороны, мы используем катушки индуктивности в приложениях переменного тока, таких как радио и телевидение.

Символ индуктора

Мы измеряем индуктивность, используя единицу индуктивности СИ, известную как Генри (ЧАС). Он получил свое название от Джозефа Генри, выдающегося ученого, открывшего взаимную индуктивность. Тем не менее, различные электронные символы катушек индуктивности выглядят так:

Электрические/электронные символы для катушек индуктивности

Как измерить индуктивность

Прежде чем мы сможем изучить, как измерить индуктивность, нам нужно изучить, какие факторы влияют на индуктивность.

Факторы, влияющие на индуктивность

Коллекция промышленных дросселей

Мы можем определить электромагнитную индуктивность катушки индуктивности по четырем основным факторам:

• Количество витков катушки (N )
• Материал сердцевины и проницаемость (мк)
• Площадь поперечного сечения катушки (A)
• Длина катушки (l )

Индуктивность прямо пропорциональна магнитной проницаемости. Если мы увеличиваем проницаемость, мы увеличиваем индуктивность. Рассмотрим индуктор с воздушным сердечником. Воздух имеет относительную проницаемость 1 (μ =1). Это связано с тем, что воздух, как и керамика, практически не обладает магнитными свойствами и, следовательно, никоим образом не увеличивает индуктивность катушки.

Если вам требуется индуктор с более высокой индуктивностью, вам следует рассмотреть возможность использования сердечника из магнитного или ферромагнитного материала. Между прочим, катушки индуктивности с магнитным сердечником имеют проницаемость, исчисляемую сотнями (μ =100+).

Таким образом, они обеспечивают значительно более высокую индуктивность для катушки индуктивности того же размера. Вот почему производители стараются не создавать катушки индуктивности с воздушным сердечником. Хотя вам может показаться хорошей идеей использовать материал сердечника с самой высокой проницаемостью, это не потому, что тип материала сердечника влияет на мощность и тепловую эффективность.

Ферритовые и металлические композитные материалы — это два типа сердечников, которые производители обычно используют в проводниках. Каждый вид материала имеет сильные и слабые стороны. Например, ферритовый материал, как правило, имеет очень высокую проницаемость и высокое значение индуктивности для данного размера корпуса.

Однако термическая нестабильность может быть фактором, который отговаривает людей от выбора этого материала сердцевины. Рабочий входной ток выше уровня насыщения может привести к перегреву и выходу из строя электронной схемы.

Металлические композитные сердечники, как правило, более желательны из-за их более мягких характеристик насыщения. Это может быть ближе к вашему идеальному индуктору. Тем не менее, при выборе индуктора необходимо учитывать эти факторы. Они контролируют и влияют на электромагнитные свойства индуктора.

Как рассчитать микрогенри катушки индуктора

Чтобы найти индуктивность катушки, вам нужно измерить длину (L) и диаметр (d) петли, а также посчитать количество (N) витков (или колец в петле). Затем вы должны возвести в квадрат число витков (N^2) и диаметр (D^2). Далее вам нужно будет умножить числа в квадрате друг на друга. В отдельном расчете умножьте диаметр на 18 (18D) и прибавьте его к длине, которую вы умножите на 40 (40L).

Разделите первое уравнение на второе уравнение. Ваше окончательное уравнение будет выглядеть так:

мкГн =(N^2)(D^2) ÷ (18D + 40L)

Приведенные выше расчеты покажут микрогенри катушки. Чтобы преобразовать микрогенри в генри, вам нужно взять результат приведенного выше анализа и разделить его на 1 000 000. Это потому, что:

• 1 мкГн =0,000001 Гн
• 1Гн =1000000 мкГн

Вы можете найти онлайн-калькуляторы индуктивности катушек или приобрести катушки индуктивности известной стоимости, чтобы облегчить себе задачу.

Дроссели последовательно и параллельно

Точно так же, как последовательно и параллельно соединять резисторы и конденсаторы, вы, скорее всего, захотите сделать то же самое с катушками индуктивности. Как правило, катушки индуктивности добавляются в цепочки и параллельны так же, как это делают резисторы. Таким образом, уравнение для резисторов, соединенных последовательно и параллельно, аналогично для катушек индуктивности.

Катушки индуктивности последовательно складываются так же, как резисторы. Допустим, у вас есть две катушки индуктивности последовательно (L1 и L2). Уравнение будет выглядеть так:

Всего =L1 + L2

Схема последовательного соединения катушек индуктивности

Это имеет смысл, потому что через все катушки индуктивности проходит один и тот же ток. Таким образом, при изменении тяги разница во всех индукторах одинакова. Когда мы соединяем индукторы параллельно, общая индуктивность будет меньше, чем у каждого индуктора.

Соответственно, на каждую катушку индуктивности действует меньшее количество электрического тока, чем общее количество электрического тока, проходящего через электрическую цепь, потому что электрический ток разделяется. Таким образом, отношение магнитного потока к электрическому току различно. Таким образом, уравнение будет выглядеть так:

Всего =1/(1/L1+1/L2)

Схема цепи при параллельном соединении катушек индуктивности

Энергия, запасенная катушкой индуктивности

В этом разделе мы рассмотрим, как рассчитать количество электроэнергии в катушке индуктивности.

Давайте возьмем пример, где ток 15 А (Ампер) протекает через индуктор 200 мГн. Запасенная энергия равна 1/2 индуктивности, умноженной на квадрат ветра.

Шаблон для нашего уравнения выглядит следующим образом:

U =1/2L * I^2

Используя наш пример, первый шаг, который нам нужно сделать, это преобразовать mH (миллигенри) в H (генри). Для этого вам нужно умножить значение индуктивности в мГн на 10^-3. Таким образом, расчет и результат будут выглядеть так:

200 мч * 10^-3 =0,2 ч

Получив индуктивность в генри, мы можем рассчитать энергию магнитного поля. Расчет выглядит следующим образом:

U =1/2(0,2) * 15^2

U =22,5 Дж

Это стандартное уравнение для расчета накопленной энергии в магнитном поле индуктора.

Приложения индуктора

Дроссель как дроссель в цепи

Мы кратко коснулись некоторых применений катушек индуктивности в предыдущем разделе. Тем не менее, давайте подробнее рассмотрим некоторые из этих приложений. Мы используем катушки индуктивности для:

• Повышающие преобразователи, которые помогают увеличить выходное напряжение постоянного тока при одновременном снижении силы тока.
• Чтобы заглушить источники переменного тока и разрешить прохождение через цепь только постоянного тока.
• Разделение разных частот
• ВЧ-схемы, аналоговые схемы и настроенные схемы
• Двигатели, трансформаторы, реле и широкий спектр другой электроники и преобразователей

Это наиболее распространенные применения индукторов, и мы также можем использовать высокочастотные индукторы в радиоприложениях.

Обзор

Важно помнить, что вы не можете измерить индуктивность стандартным мультиметром. Однако вы можете найти определенные модели со встроенным измерителем RLC. Тем не менее, он не покажет вам наиболее точный результат. Для правильного измерения индуктивности необходимо использовать RLC-метр. Вы можете подключить индуктор к устройству, и он запустит быстрый тест для измерения значений. Кроме того, вы можете использовать некоторую информацию из приведенного выше руководства, чтобы понять, как рассчитать индуктивность самостоятельно. Тем не менее, мы надеемся, что приведенный выше текст оказался для вас полезным. Как всегда, спасибо за чтение.