Co rozumíte slovem „naviják“? No. tohle je pravděpodobně nějaký „fík“, na kterém jsou nitě, vlasec, lano, cokoliv! Cívka induktoru je úplně to samé, ale místo nitě, vlasce nebo čehokoli jiného je tam navinutý obyčejný měděný drát v izolaci.
Izolace může být vyrobena z bezbarvého laku, izolace z PVC nebo dokonce z tkaniny. Trik je v tom, že i když jsou dráty v induktoru velmi blízko u sebe, stále jsou navzájem izolované. Pokud cívky cívky navíjíte vlastníma rukama, v žádném případě ani neuvažujte o použití obyčejného holého měděného drátu!
Indukčnost
Každý induktor má indukčnost. Indukčnost cívky se měří v Henry (Gn), označeno písmenem L a měří se pomocí LC metru.
Co je indukčnost? Pokud drátem prochází elektrický proud, vytvoří kolem sebe magnetické pole:
Můj osobní výběr DIY pájecích sad z Aliexpress pro pájení od jednoduchých za 153 až 2500 rublů. Dceři je 5 let – potřebuje si zvyknout na páječku))) – ať se na to zatím alespoň podívá – běžte se podívat, jedna LED kostka stojí hodně
B — magnetické pole, Wb
Vezmeme tento drát a stočíme ho do spirály a na jeho konce přivedeme napětí
A dostaneme tento obrázek s magnetickými siločárami:
Zhruba řečeno, čím více magnetických siločar protíná oblast tohoto solenoidu, v našem případě oblast válce, tím větší bude magnetický tok (F). Protože cívkou protéká elektrický proud, znamená to, že jí prochází proud o intenzitě proudu (I) a koeficient mezi magnetickým tokem a proudovou silou se nazývá indukčnost a vypočítá se podle vzorce:
Z vědeckého hlediska je indukčnost schopnost odebírat energii ze zdroje elektrického proudu a ukládat ji ve formě magnetického pole. Zvyšuje-li se proud v cívce, magnetické pole kolem cívky se rozšiřuje, a pokud proud klesá, magnetické pole se smršťuje.
Samoindukce
Induktor má také velmi zajímavou vlastnost. Když je na cívku přivedeno konstantní napětí, objeví se v cívce na krátkou dobu opačné napětí.
Toto opačné napětí se nazývá Samoindukované emf. Toto EMF závisí na hodnotě indukčnosti cívky. Proto v okamžiku přivedení napětí na cívku proud postupně mění svou hodnotu z 0 na určitou hodnotu během zlomku sekundy, protože napětí v okamžiku přivedení elektrického proudu také mění svou hodnotu z nula na ustálenou hodnotu. Podle Ohmova zákona:
I – síla proudu v cívce, A
U — napětí v cívce, V
R — odpor cívky, Ohm
Jak vidíme ze vzorce, napětí se mění z nuly na napětí přiváděné do cívky, proto se i proud změní z nuly na nějakou hodnotu. Odpor cívky pro DC je také konstantní.
A druhý jev v induktoru je ten, že pokud otevřeme obvod mezi induktorem a zdrojem proudu, pak se naše samoindukční emf přičte k napětí, které jsme již přivedli na cívku.
To znamená, že jakmile přerušíme obvod, napětí na cívce v tu chvíli může být mnohonásobně větší, než bylo před přerušením obvodu, a síla proudu v obvodu cívky tiše klesne, protože samoindukce emf bude udržovat klesající napětí.
Udělejme první závěry o činnosti induktoru, když je do něj dodáván stejnosměrný proud. Když je do cívky přiváděn elektrický proud, bude proudová síla postupně narůstat, a když je elektrický proud z cívky odstraněn, proudová síla plynule klesá na nulu. Stručně řečeno, proudová síla v cívce se nemůže okamžitě změnit.
Typy induktorů
Induktory se dělí hlavně do dvou tříd: s magnetickým a nemagnetickým jádrem. Níže na fotce je cívka s nemagnetickým jádrem.
Ale kde je její jádro? Vzduch je nemagnetické jádro :-). Takové cívky lze také navinout na nějakou válcovou papírovou trubici. Indukční cívky s nemagnetickým jádrem se používají, když indukčnost nepřesahuje 5 milihenry.
A zde jsou induktory s jádrem:
Používají se hlavně jádra z feritových a železných plátů. Jádra výrazně zvyšují indukčnost cívek. Jádra ve formě prstence (toroidní) umožňují získat vyšší indukčnost než jen jádra válce.
Pro cívky se střední indukčností se používají feritová jádra:
Cívky s velkou indukčností jsou vyrobeny jako transformátor s železným jádrem, ale s jedním vinutím, na rozdíl od transformátoru.
Existuje také speciální typ induktoru. Jedná se o tzv tlumivky. Induktor je induktor, jehož úkolem je vytvořit v obvodu vysoký odpor proti střídavému proudu, aby se potlačily vysokofrekvenční proudy.
Stejnosměrný proud prochází induktorem bez problémů. Proč se tak děje, si můžete přečíst v tomto článku. Typicky jsou tlumivky zapojeny v napájecích obvodech zesilovacích zařízení. Tlumivky jsou určeny k ochraně napájecích zdrojů před vysokofrekvenčními signály (RF signály). Při nízkých frekvencích (LF) se používají ve filtrech napájecích zdrojů a obvykle mají kovová nebo feritová jádra. Níže na fotografii jsou výkonové tlumivky:
Existuje ještě další speciální typ tlumivek – tento dvojitý plyn. Skládá se ze dvou protilehlých induktorů. Díky protivinutí a vzájemné indukci je efektivnější. Dvojité tlumivky jsou široce používány jako vstupní filtry pro napájecí zdroje a také v audio technice.
Co ovlivňuje indukčnost?
Na jakých faktorech závisí indukčnost cívky? Udělejme nějaké experimenty. Navinul jsem cívku s nemagnetickým jádrem. Jeho indukčnost je tak malá, že mi LC metr ukazuje nulu.
Má feritové jádro
Cívku začínám zasouvat do jádra až po samý okraj
LC metr ukazuje 21 mikrohenry.
Cívku vložím do středu feritu
35 mikrohenry. Už lepší.
Pokračuji v vkládání cívky na pravý okraj feritu
20 mikrohenry. uzavíráme Největší indukčnost na válcovém feritu se vyskytuje v jeho středu. Pokud tedy navíjíte na válec, snažte se navíjet uprostřed feritu. Tato vlastnost se používá k hladké změně indukčnosti v proměnných induktorech:
2 – to jsou otáčky cívky
3 – jádro, které má nahoře drážku pro malý šroubovák. Zašroubováním nebo vyšroubováním jádra tím změníme indukčnost cívky.
Pojďme experimentovat dále. Zkusme stlačit a uvolnit závity cívky. Nejprve jej vložte doprostřed a začněte stlačovat cívky
Indukčnost se stala téměř 50 mikrohenry!
Zkusme narovnat zatáčky po celém feritu
13 mikrohenry. Došli jsme k závěru: Pro maximální indukčnost musí být cívka navinuta „otočením k otočení“.
Zmenšíme otáčky cívky na polovinu. Bylo 24 oběžných drah, nyní je jich 12.
Velmi nízká indukčnost. Snížil jsem počet závitů 2krát, indukčnost se snížila 10krát. Závěr: čím nižší je počet závitů, tím nižší je indukčnost a naopak. Indukčnost se nemění lineárně napříč závity.
Pojďme experimentovat s feritovým kroužkem.
Posuneme závity cívky směrem od sebe
Hmm, také 15 mikrohenry. Došli jsme k závěru: Vzdálenost od zatáčky k zatáčce nehraje u toroidního induktoru žádnou roli.
Udělejme více zatáček. Byly 3 otáčky, nyní je jich 9.
Páni! Zvýšil se počet závitů 3krát a indukčnost se zvýšila 12krát! Závěr: Indukčnost se nemění lineárně napříč závity.
Pokud věříte vzorcům pro výpočet indukčností, indukčnost závisí na “závitech na druhou”. Tyto vzorce zde nebudu zveřejňovat, protože nevidím potřebu. Řeknu pouze, že indukčnost závisí také na takových parametrech, jako je jádro (z jakého materiálu je vyrobeno), plocha průřezu jádra a délka cívky.
Označení na schématech
Sériové a paralelní zapojení tlumivek
na sériové zapojení tlumivekjejich celková indukčnost se bude rovnat součtu indukčností.
A s paralelní připojení dostaneme toto:
Při připojování indukčností je třeba provést následující: Platí pravidlo, že by měly být na desce prostorově rozmístěny. Pokud jsou totiž blízko sebe, jejich magnetická pole se budou vzájemně ovlivňovat, a proto budou hodnoty indukčností nesprávné. Neumisťujte dvě nebo více toroidních cívek na jednu osu železa. To může mít za následek nesprávné odečty celkové indukčnosti.
Shrnutí
Induktor hraje velmi důležitou roli v elektronice, zejména v zařízeních transceiverů. Na indukčních cívkách se staví i různé filtry pro elektronická rádiová zařízení a v elektrotechnice se používá i jako omezovač proudových rázů.
Kluci z Soldering Iron natočili velmi dobré video o induktoru. Rozhodně doporučuji shlédnout:
Výše jsme zvažovali dva základní pojmy v elektrotechnice – ideální generátor napětí a ideální generátor proudu.
Ideální generátor napětí produkuje dané napětí U (tlak v analogii potrubí) při jakékoli zátěži (odpor vnějšího obvodu).
Navíc, v souladu s Ohmovým zákonem, I=U/R, i když R má tendenci k nule a proud se zvyšuje do nekonečna.
Vnitřní odpor ideálního generátoru napětí je 0.
Ideální generátor proudu produkuje daný proud I (tok v analogii s vodovodním potrubím), i když odpor vnějšího obvodu má tendenci k nekonečnu. Napětí zátěže má také tendenci k nekonečnu U=I*R.
Vnitřní odpor ideálního generátoru proudu je ∞.
Tady je vidět jistá symetrie, dualismus.
Uvažovali jsme o kondenzátoru C, který může akumulovat náboj (proto se nazývá kapacita) C=Q/U. Čím větší je kapacita, tím pomaleji roste napětí (tlak), když je do kondenzátoru čerpán náboj U=Q/C.
Pokud je kapacita nabíjení velmi velká (má sklon k nekonečnu), pak např nekonečný kondenzátor bude ideálním generátorem napětí. Nikdy se nevybije a zároveň může produkovat proud libovolné velikosti a napětí na něm zůstane konstantní.
Prvek symetrický (duální) ke kondenzátoru bude indukčnost. Indukčnost je označena písmenem L (viz obrázek níže).
Obvykle se nazývá samotná elektronická součástka induktora jeho parametrem je indukčnost L.
Obrázek 13. Připojení induktoru ke generátoru napětí.
Pokud je kondenzátor generátorem napětí, pak indukčností je generátor proudu. Indukčnost se snaží udržovat proud v obvodu konstantní, to znamená, že zabraňuje změně proudu v obvodu.
Indukčnost nekonečné velikosti je ideální generátor proudu, to znamená, že bude donekonečna pohánět daný proud I bez ohledu na odpor zátěže.
Jak je dobře řečeno na wiki – “Při porovnání síly elektrického proudu s rychlostí v mechanice a elektrické indukčnosti s hmotností v mechanice je samoindukční emf podobná jako setrvačná síla. “
Je to jako když dojdete k vozíku stojícímu na kolejích a začnete ho tlačit (aplikovat na něj sílu). Vozík začne pomalu zrychlovat a „proud bude protékat dráty rychleji a rychleji“. A pak zkuste zabrzdit vozík a pomalu se zastaví.
Takže v indukčnosti se po přiložení napětí bude proud postupně zvyšovat (trolejbus zrychluje), a když je přivedeno napětí jiné polarity, bude postupně klesat (trolejbus zpomaluje).
To vede k závěru „Vlak nelze zastavit okamžitě!”
“Proud v indukčnosti nelze okamžitě zastavit!”
To znamená, že i když ve schématu kliknete na spínač S4 a otevřete obvod, proud poteče první okamžik dál! V praxi to vede k tomu, že v okamžiku rozepnutí kontaktů ve spínači mezi nimi přeskočí jiskra.
Při rozepnutí kontaktů se odpor zvětší do nekonečna (ve skutečnosti na velmi velké hodnoty) a protékající proud vytvoří na tomto odporu velmi velké napětí, takže dojde k porušení vzduchové mezery mezi kontakty.
V analogii instalatérství lze tento jev přirovnat k vodnímu rázu, kdy množství vody ve vodovodu nabírá na rychlosti a když je kohoutek prudce uzavřen, voda se dále pohybuje setrvačností a vytváří vysoký tlak, který může vést k prasknutí potrubí.
Důvody, proč má indukčnost takové vlastnosti (udržování proudu v obvodu), jsou dobře popsány na wiki – https://ru.wikipedia.org/wiki/Самоиндукция
„Když se proud v obvodu změní, magnetický tok povrchem ohraničeným tímto obvodem se také proporcionálně změní. Změna tohoto magnetického toku v důsledku zákona elektromagnetické indukce vede k vybuzení indukčního emf v tomto obvodu. Tento jev se nazývá samoindukce. Směr samoindukčního EMF se vždy ukáže být takový, že když se proud v obvodu zvýší, samoindukční EMF tomuto nárůstu zabrání (nasměrováno proti proudu), a když se proud sníží, sníží se (směrově s proudem). Fenomén samoindukce se projevuje zpomalováním procesů mizení a usazování proudu.“
Ve vztahu ke kondenzátoru je hlavním rozdílem mezi indukčností jednoduše řečeno to, že kondenzátor propouští střídavý proud a neumožňuje průchod stejnosměrného proudu, zatímco indukčnost naopak propouští stejnosměrný proud a neumožňuje průchod střídavého proudu. přes.
Existuje zde určitý bod – stejnosměrný proud je proud, který se v průběhu času nemění, co se nazývá „konstantní složka“ s frekvencí 0 Hz. Jeho kondenzátor neprojde. Vůbec.
Ale indukčnost vůbec neumožňuje průchod střídavého proudu o nekonečné frekvenci. Jde jen o to, že střídavý proud jakékoli konečné frekvence trochu propustí.
Ke konceptu střídavého napětí se ale vrátíme později.
Uvažujme obvod na obr. 13 – připojení tlumivky ke generátoru napětí.
Níže je graf proudu v indukčnosti, když je na ni aplikováno konstantní napětí z generátoru napětí.
rýže. 14 Graf proudu v indukčnosti, když je na ni přiloženo konstantní napětí.
Když je na indukčnost aplikováno konstantní napětí, proud v ní roste lineárně s časem.
Podobný obrázek si pamatujeme u kondenzátoru.
Napětí na kondenzátoru se lineárně zvyšuje, když je nabíjen konstantním proudem.
Co se stane, když indukčnost napájíte z generátoru proudu?
Obrázek 15. Připojení indukčnosti k generátoru proudu.
Tohle je ze série „kdo si koho vezme – slon nebo velryba“.
Zkuste analyzovat činnost obvodu (nápověda – obecně je obvod zobrazen s chybou. Co to je? Jak správně nakreslit obvod?)
Obvody obsahující kondenzátor a induktor
Jak bylo uvedeno výše, indukčnost v elektrotechnice hraje stejnou roli jako hmotnost v mechanice. Jaká je analogie kondenzátoru v mechanice? Kondenzátor je generátor napětí, to znamená, že vytváří sílu, která posouvá tok náboje přes dráty. Výše jsme představili analog kondenzátoru ve formě vodárenské věže, která je naplněna vodou (náboj) a tlak (napětí) v ní roste.
Kondenzátor si ale můžete představit i ve formě pružiny – při nabití se pružina stlačí a zvýší se stlačovací síla (napětí). Kapacita je v tomto případě převrácená hodnoty tuhosti pružiny. Čím je pružina tužší, tím rychleji se zvyšuje kompresní síla. To znamená, že spojení kondenzátoru a indukčnosti je ekvivalentní vozíku namontovanému na pružině. )
Co se stane, když je kondenzátor připojen k indukčnosti, například jako v obvodu na Obr. 16
Obrázek 16. Paralelní zapojení kondenzátoru a induktoru.
Kondenzátor C necháme nabít na napětí U. Spínač S2 se sepne a obvodem začne protékat proud. To je ekvivalentní stlačení pružiny a jejímu uvolnění v určitém bodě (sepnutí spínače S2).
V prvním okamžiku po sepnutí spínače bude proud v obvodu roven 0, protože indukčnost brání změně proudu. Na vozík působí síla, ale v prvním okamžiku je jeho rychlost 0. Poté se proud začne zvyšovat (vozík zrychluje). Pružina se stále více roztahuje, rychlost vozíku (proud) se zvyšuje a v určitém okamžiku není pružina stlačena. Kondenzátor se vybil na 0. Ale. Pamatujeme si, že “proud v indukčnosti nelze okamžitě zastavit!” Vozík zrychlil a i když na něj netlačíme, bude se pohybovat setrvačností. To znamená, že indukčnost bude udržovat proud a zároveň nabíjet kondenzátor, ale v jiné polaritě – náboje se nyní budou hromadit na druhé desce kondenzátoru. Rostoucí napětí opačného znaménka na kondenzátoru bude bránit pohybu nábojů a nakonec se proud v obvodu stane nulovým. Ale zároveň je kondenzátor již nabitý napětím U jiné polarity!
To znamená, že obvod dosáhl stavu, kdy je kondenzátor nabitý, proud v něm je nulový.
Hmm.. ale to je stejný stav, se kterým jsme začínali, jen polarita napětí je opačná. Následně se proces bude opakovat, pouze proud poteče opačným směrem a systém se vrátí do původního stavu. Vozík se vrátí zpět, projde rovnovážnou polohou a setrvačností opět stlačí pružinu.
Dojde k oscilačnímu procesu. To znamená, že vozík na pružině se bude i nadále přetáčet tam a zpět a při absenci ztráty energie (tření) bude tento proces trvat neomezeně dlouho.
Spojení kondenzátoru s indukčností tedy tvoří oscilační článek. Takové spoje jsou široce používány v elektrotechnice k vytváření generátorů napětí střídavého proudu a filtrů.
Koncept střídavého proudu budeme zvažovat v dalším článku.
UPD.
Protože vznikl spor, zda proud roste exponenciálně při připojení induktoru ke generátoru napětí nebo lineárně, řeknu k této problematice ještě pár slov.
Odkud pochází exponenciála růstu proudu v obvodu na obr. 13?
Odpověď je z ničeho nic. Ona tam není. Proud roste lineárně a závislost proudu na napětí je popsána vzorcem
Samoindukční emf v obvodu je přímo úměrná rychlosti změny proudu v tomto obvodu.
Aby bylo zajištěno U=konst (a U je derivace proudu v cívce), musí se proud zvyšovat lineárně.
Kde se tenkrát vzal rozhovor o exponenciále? A přišel proto, že proud roste lineárně jen v ideálním případě – v obvodu s ideálním generátorem napětí (nekonečný výkon a nulový vnitřní odpor) a ideální indukčností (s nulovým vnitřním odporem).
V reálném případě, s přihlédnutím k vnitřnímu odporu, bude obvod vypadat takto.
Obr. 17. Připojení induktoru ke generátoru napětí s ohledem na vnitřní odpor.
Ve schématu na obr. 17 R symbolizuje vnitřní odpor generátoru a induktoru. (stále jsou zapojeny do série, takže si vystačíte s pouhým R jako součtem těchto odporů)
V tomto případě se proces vyvíjí následovně. Když je klíč S4 uzavřen, obvod se uzavře a proud by měl téct. Tlumivka však brání změně proudu a v prvním okamžiku po sepnutí spínače zůstane proud roven 0! Ve skutečnosti je cívka v tomto okamžiku otevřený obvod s nekonečným odporem. Proto bude napětí U aplikováno na celou cívku. Můžete k tomu přistupovat jinak – Ur=I*R. Úbytek napětí na rezistoru je roven I*R, I se rovná 0, takže napětí na rezistoru je také rovno 0 a na cívku bude přivedeno plné napětí U. Dále proud v cívce se zvýší. V oblasti 0 je mimochodem lineární (viz obr. 19 „Suvorovův přechod Alp“ “Exponenciála prochází nulou pod úhlem 0 stupňů.” Proud se zvýší a úbytek napětí na rezistoru se také zvýší. A cívka podle toho klesne, protože část napětí bude absorbována rezistorem. Proto se časem lineárnost růstu proudu v obvodu naruší. Když se úbytek napětí na rezistoru I*R rovná napětí generátoru U, růst proudu se úplně zastaví, protože napětí na cívce bude rovné 45 (veškeré napětí na rezistoru klesne).
V tomto případě dostanete takový exponenciální graf růstu proudu v indukčnosti.
Rýže. 18 Exponenciální graf aktuálního růstu indukčnosti. IS 19 „Exponenciála prochází 0 pod úhlem 45 stupňů“
PS Na internetu je tolik rozmanitých herezí o induktorech. Jste jen ohromeni.
„Induktor má také velmi zajímavou vlastnost. Když je na cívku přivedeno konstantní napětí, objeví se v cívce na krátkou dobu opačné napětí. Toto opačné napětí se nazývá samoindukované emf. Toto EMF závisí na hodnotě indukčnosti cívky. Proto v okamžiku přivedení napětí na cívku proud postupně mění svou hodnotu z 0 na určitou hodnotu během zlomku sekundy, protože napětí v okamžiku přivedení elektrického proudu také mění svou hodnotu z nula na ustálenou hodnotu.”
No .. protože se nic neříká o rezistoru v obvodu, pak ne na krátkou dobu, ale dokud nebude odstraněno vstupní napětí. Druhá část zní šíleně, ale směr je správný – proud z obvodu roste od nuly do. bez rezistoru do nekonečna, s rezistorem na I=Uin/R.
Předpokládejme, že obyčejný induktor je připojen ke zdroji napětí přes spínač. Při sepnutí spínače se na indukčnost přivede napětí, které způsobí rychlou změnu proudu, který jí protéká. Když přiložené napětí vzroste z nuly na špičkovou hodnotu (v krátkém čase), indukčnost působí proti měnícímu se proudu, který prochází, a indukuje napětí opačné polarity, než je přiložené napětí. Indukované napětí, když je na induktor přivedeno napájení, se nazývá zpětné EMF a je určeno vzorcem 1:
VL = – L*(di/dt), (1)
kde:
VL – napětí (back EMF) indukované na cívce;
L – indukčnost cívky;
di/dt – rychlost změny proudu v čase.
Zřejmě se zde pokusili popsat počáteční okamžik výskytu samoindukčního EMF, ale ukázalo se to jako nesmysl. Říká se, že “indukované napětí má opačnou polaritu než aplikované napětí“je stejné jako”Polarita poklesu napětí na rezistoru je opačná než přiložené napětí” Jo, je to tak, aplikované napětí se přidalo k poklesu napětí a po rezistoru jsme dostali 0. To je pravda, hihi.
„Samoindukované emf“ v cívce je analogické „poklesu napětí“ přes odpor. Pouze v rezistoru se elektrická energie rozptýlí a přemění na teplo, zatímco v indukčnosti se hromadí a mění na energii magnetického pole. Indukčnost je v analogii s vodovodním potrubím turbína vložená do vodovodního potrubí, která má moment setrvačnosti. Turbína propouští vodu pouze tehdy, když se otáčí. A tak se otevřel kohoutek, na turbínu byl vyvinut tlak, ta se začala otáčet a proud tekl dále po potrubí. A čím rychleji se turbína točí, tím větší je její propustnost. Turbína se roztočí, proud se zvýší a tak dále do nekonečna. To v případě, že nedochází ke ztrátě energie – rezistoru. A pokud existuje odpor (tření), pak je část tlaku vynaložena na překonání tření. A když se všechna vstupní energie spotřebuje na tření, turbína přestane zrychlovat a proud dosáhne maximální hodnoty.
Obr. 20 Přechodový děj v obvodu s indukčností
Obrázek je špatně. Ve správné verzi se při vypnutí zdroje připojil rezistor a obvod zůstal uzavřený.
Zvažte následující obvod
Obr. 21 Obvod s indukčností a spínačem
Otázka k položení: Jaké bude napětí na indukčnosti v prvním okamžiku po přepnutí přepínače S z horní do dolní polohy?
Tip: Není třeba si lámat hlavu a snažit se přijít na to, s jakým znamením se samoindukční EMF objeví a co se s ním stane dál. Musíte použít jednoduché pravidlo:
Proud v indukčnosti v prvním okamžiku po přepnutí zůstává nezměněn.
Pak použijte Ohmův zákon.
