Індуктивність характеризує властивості елементів електричного кола накопичувати енергію магнітного поля. Також це міра зв'язку між струмом та магнітним полем. Ще її порівнюють з інерцією електрики – як масу з мірою інерції механічних тіл.

Явище самоіндукції

Якщо струм, що йде через провідний контур, змінюється за величиною, виникає явище самоіндукції. У цьому випадку змінюється магнітний потік через контур, і на висновках рамки зі струмом виникає ЕРС, яка називається ЕРС самоіндукції. Ця ЕРС протилежна напрямку струму і дорівнює:

• ε=-∆Ф/∆t=-L*(∆I/∆t)

Очевидно, що ЕРС самоіндукції дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, викликаного зміною струму, що протікає по контуру, а також пропорційна швидкості зміни струму. Коефіцієнт пропорційності між ЕРС самоіндукції та швидкістю зміни струму називається індуктивністю та позначається L. Ця величина завжди позитивна, і має одиницю виміру в СІ 1 Генрі (1 Гн). Також використовуються дробові частки - мілігенрі та мікрогенрі. Про індуктивності в 1 Генрі можна говорити, якщо зміна струму на 1 ампер викликає ЕРС самоіндукції в 1 Вольт. Індуктивність має не тільки контур, а й окремий провідник, а також котушка, яку можна представити як безліч послідовно включених контурів.

В індуктивності запасається енергія, яку можна обчислити як W=L*I2/2, де:

• W - Енергія, Дж;
• L - індуктивність, Гн;
• I - Струм у котушці, А.

І тут енергія прямо пропорційна до індуктивності котушки.

Важливо! У техніці індуктивністю також називається пристрій, де відбувається запасання електричного поля. Реальний елемент, найближчий до такого визначення – котушка індуктивності.

Загальна формула для розрахунку індуктивності фізичної котушки має складний вигляд і для практичних обчислень незручна. Корисно запам'ятати, що індуктивність пропорційна кількості витків, діаметру котушки і залежить від геометричної форми. Також на індуктивність впливає магнітна проникність осердя, на якому розташована обмотка, але не впливає струм, що протікає по витках. Для обчислення індуктивності щоразу треба звертатися до наведених формул для конкретної конструкції. Так, для циліндричної котушки її основна характеристика обчислюється за такою формулою:

• L=μ*μ*(N2*S/l),

де:

• μ - відносна магнітна проникність сердечника котушки;
• μ - магнітна постійна, 1,26 * 10-6 Гн / м;
• N – кількість витків;
• S – площа витка;
• l – геометрична довжина котушки.

Для обчислення індуктивності для циліндричної котушки та котушок інших форм краще скористатися програмами-калькуляторами, зокрема онлайн-калькуляторами.

Послідовне та паралельне з'єднання індуктивностей

Індуктивності можна з'єднувати послідовно чи паралельно, отримуючи набір із новими характеристиками.

Паралельне з'єднання

При паралельному з'єднанні котушок напруга всіх елементів рівні, а струми (змінні) розподіляються назад пропорційно індуктивностям елементів.

• U = U1 = U2 = U3;
• I=I1+I2+I3.

Загальна індуктивність ланцюга визначається як 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Формула справедлива для будь-якої кількості елементів, а для двох котушок спрощується до вигляду L=L1*L2/(L1+L2). Очевидно, що підсумкова індуктивність менша за індуктивність елемента з найменшим значенням.

Послідовне з'єднання

При такому вигляді з'єднання через ланцюг, складений з котушок, тече один і той же струм, а напруга (змінна!) на кожному компоненті ланцюга розподіляється пропорційно до індуктивності кожного елемента:

• U=U1+U2+U3;
• I=I1=I2=I3.

Сумарна індуктивність дорівнює сумі всіх індуктивностей і буде більше індуктивності елемента з найбільшим значенням. Тому таке з'єднання використовують за необхідності отримати збільшення індуктивності.

Важливо! При з'єднанні котушок у послідовну або паралельну батарею формули розрахунку правильні лише для випадків, коли виключено взаємний вплив магнітних полів елементів один на одного (екрануванням, великою відстанню тощо). Якщо вплив існує, то загальне значення індуктивності залежатиме від взаємного розташування котушок.

Деякі практичні питання та конструкції котушок індуктивності

Насправді застосовують різні конструкції котушок індуктивності. Залежно від призначення та області застосування пристрою можна виконати у різний спосіб, але треба враховувати ефекти, що виникають у реальних котушках.

Добротність котушки індуктивності

Реальна котушка, крім індуктивності, має ще кілька параметрів, і один з найважливіших – добротність. Ця величина визначає втрати в котушці і залежить від:

• омічних втрат у проводі обмотки (що більший опір, тим нижча добротність);
• діелектричних втрат в ізоляції дроту та каркасі обмотки;
• втрат у екрані;
• втрат у сердечнику.

Всі ці величини визначають опір втрат, а добротністю називають безрозмірну величину, рівну Q=ωL/Rвтрат, де:

• ω = 2*π*F – кругова частота;
• L – індуктивність;
• ωL – реактивний опір котушки.

Можна приблизно говорити про те, що добротність дорівнює відношенню реактивного (індуктивного) опору до активного. З одного боку, зі зростанням частоти зростає чисельник, але водночас за рахунок скін-ефекту зростає та опір втрат за рахунок зменшення корисного перерізу дроту.

Екранний ефект

Для зменшення впливу сторонніх предметів, а також електричних та магнітних полів та взаємного впливу елементів за допомогою цих полів, котушки (особливо високочастотні) часто поміщають у екран. Крім корисного ефекту, екранування викликає зниження добротності котушки, зниження її індуктивності та підвищення паразитної ємності. Причому чим ближче стінки екрану до витків котушки, тим вищий шкідливий вплив. Тому екрановані котушки практично завжди виконують із можливістю підстроювання параметрів.

Підстроювальна індуктивність

У деяких випадках потрібно точно встановити значення індуктивності на місці після підключення котушки до інших елементів ланцюга, компенсуючи відхилення параметрів під час налаштування. Для цього застосовуються різні способи (перемикання відводів витків тощо), але найбільш точний і плавний метод – підстроювання за допомогою осердя. Він виконується у вигляді стрижня з різьбленням, який можна повертати та вивертати всередині каркаса, налаштовуючи індуктивність котушки.

Змінна індуктивність (варіометр)

Там, де потрібне оперативне регулювання індуктивності або індуктивного зв'язку, використовуються котушки іншої конструкції. Вони містять дві обмотки – рухливу та нерухому. Загальна індуктивність дорівнює сумі індуктивностей двох котушок та взаємної індуктивності між ними.

Зміною відносного положення однієї котушки до іншої регулюється загальне значення індуктивності. Такий пристрій називається варіометром і часто застосовується у зв'язковій апаратурі для налаштування резонансних контурів у тих випадках, коли застосування конденсаторів змінної ємності з якихось причин неможливе. Конструкція варіометра досить громіздка, що обмежує сферу його застосування.

Кульовий варіометр

Індуктивність у вигляді друкарської спіралі

 

Котушки з невеликою індуктивністю можна виконувати у вигляді спіралі з друкарських провідників. Перевагою такої конструкції є:

• технологічність виробництва;
• висока повторюваність параметрів.

До недоліків відносять неможливість точного підстроювання при регулюванні та складність отримання більших значень індуктивності – чим вища індуктивність, тим більше котушка займає місця на платі.

Котушка з секційним намотуванням

Індуктивність без ємності буває лише на папері. За будь-якої фізичної реалізації котушки відразу ж виникає паразитна міжвиткова ємність. Це у багатьох випадках шкідливе явище. Паразитна ємність складається з ємністю LC-контуру, знижуючи резонансну частоту та добротність коливальної системи. Також у котушки виникає власна резонансна частота, що провокує небажані явища.

Для зниження паразитної ємності застосовують різні способи, найпростіший з яких - намотування індуктивності у вигляді кількох послідовно включених секцій. За такого включення індуктивності складаються, а сумарна ємність знижується.

Котушка індуктивності на тороїдальному сердечнику

Лінії магнітного поля циліндричної котушки індуктивності проводять через внутрішню частину обмотки (якщо там сердечник - через нього) і замикаються зовні через повітря. Цей факт спричиняє кілька недоліків:

• знижується індуктивність;
• показники котушки менше піддаються розрахунку;
• будь-який предмет, внесений у зовнішнє магнітне поле, змінює параметри котушки (індуктивність, паразитна ємність, втрати тощо), тому у
• багатьох випадках потрібне екранування.

Від цих недоліків багато в чому вільні котушки, намотані на тороїдальних сердечниках (у вигляді кільця або «бублика»). Магнітні лінії проходять усередині осердя у вигляді замкнутих петель. Це означає, що зовнішні предмети практично не впливають на параметри намотаної на такому сердечнику котушки, і екранування для такої конструкції не потрібне. Також збільшується індуктивність за інших рівних параметрів, а характеристики простіше розрахувати.

Лінії магнітного поля тороїдальної котушки

До недоліків котушок, намотаних на торах, відносять неможливість плавного підстроювання індуктивності на місці. Інша проблема – висока трудомісткість та низька технологічність намотування. Втім, це стосується всіх індуктивних елементів загалом, більшою чи меншою мірою.

Також загальним недоліком фізичної реалізації індуктивності є високі масогабаритні показники, відносно невисока надійність та низька ремонтопридатність.

Тому в техніці від індуктивних компонентів намагаються позбавлятися. Але це можливо далеко не завжди, тому намотувальні компоненти будуть використовуватися як у найближчому майбутньому, так і в середньостроковій перспективі.

СХОЖІ СТАТТІ:

• Що таке електрична ємність і у чому вона вимірюється
• Що таке діелектрична проникність
• Визначення ємності послідовно або паралельно з'єднаних конденсаторів - формула

Ви не маєте права надсилати коментарі