Уикипедия

Индуктивен елемент: Разлика между версии

Интерактивен преглед на историята
← По-стара редакцияПо-нова редакция →
Изтрито е съдържание Добавено е съдържание
ВизуаленУикитекст
кор.
Ред 1:
[[Файл:Electronic component inductors.jpg|мини|250п|Бобини с феритни сърцевини]]
[[Файл:Inductor.svg|thumb|150px|Означаване в електрическите схеми]]
'''Индуктивен елемент''' е спирален, пасивен, двутерминален електрически елемент с два извода, използван в [[електротехника]]та и [[електроника]]та с постоянна или регулируема стойност на [[индуктивност]]та.
 
Индуктивният елемент представлява в общия случай [[бобина]] (намотка) от електрически [[проводник]], гол или изолиран. При протичането на [[електрически ток|ток]] по проводника на намотката възниква [[магнитно поле]] съгласно [[закон на Ампер|закона на Ампер]]. Заради тяхното свойство да взаимодействат с [[променлив ток|променливия ток]], бобините са сред основните елементи, използвани в електрически схеми, при които токът и [[електрическо напрежение|напрежението]] се променят във времето.
 
Индуктивността е резултат от образуваното около проводника магнитно поле, което се противопоставя на измененията в протичащия през него ток. Токът през проводника създава [[магнитен поток]], пропорционален на тока, а промените в тока предизвикват съответна промяна в магнитния поток, която, от своя страна, съгласно [[закон на Фарадей]] [[закон на Фарадей|закона на Фарадей за електромагнитната индукция]], създава [[електродвижеща сила]], противопоставяща се на промените в тока. Индуктивността е величина, съответстваща на размера на възникващата електродвижеща сила за единица промяна в тока. Например, бобина с индуктивност 1 [[хенри (единица)|H]] генерира електродвижеща сила от 1 [[волт|V]], когато протичащият ток се изменя с 1 [[ампер|A]]/[[секунда|s]]. Върху размера на индуктивността оказват влияние броят и размерите на навивките, както и материалът, от който е направена сърцевината, около която са навити. Така магнитният поток може да бъде увеличен многократно, ако проводникът се навие около материал с висока [[магнитна проницаемост]], като например [[желязо]].
 
== Устройство ==
[[Файл:Coils.jpg|мини|Различни видове индуктивни елементи]]
Индуктивните елементи обикновено се конструират като бобини от електрически проводник, най-често [[емайлиран проводник]], навитинавит върху пластмасово тяло (каркас) или директно върху [[феромагнетизъм|феримагнитенферомагнитен]] материал или [[ферити|ферит]]<ref>Виж [[феримагнетизъм]].</ref>. Сърцевината от материал с магнитна проницаемост, по-висока от тази на въздуха, усилва магнитното поле и го задържа близо до бобината, като по този начин чувствително увеличава нейната индуктивност. Нискочестотните бобини се конструират подобно на [[трансформатор]]ите, със сърцевина от листова електротехническа [[стомана]], изолирана, за да се предотврати възникването на [[токове на Фуко]]. Това най-често са [[дросел]]ите. Магнитномеките керамични ферити се използват за сърцевина при честоти над няколко килохерца (над звуковите честоти), тъй като имат по-малки загуби на [[енергия]] при високи честоти, отколкото железните сплави.
 
Индуктивните елементи се произвеждат в различни форми. Повечето са конструирани като навит около феритна сърцевина емайлиран проводник, като проводникапроводникът е от външната страна, но има и такива, които са изцяло покрити от феритното тяло и се наричат екранирани. Това намалява загубите от магнитно разсейване. Някои индуктивни елементи имат регулируема сърцевина, която дава възможност за промяна на тяхната индуктивност. Индуктивните елементи, предназначени за блокиране на много високи честоти, понякога се изготвят чрез нанизването на феритен цилиндър или феритно мънисто на проводника.
 
Малки по стойност индуктивни елементи могат да бъдат изработени направо върху печатна платка чрез ецване на медния слой със спирална форма. Понякога такива равнинни бобини имат и магнитна сърцевина, монтирана допълнително върху платката. Бобини с малка индуктивност могат да се вградят в [[интегрална схема|интегралните схеми]] с помощта на технология, подобна на тази за изграждане на [[транзистор]]ите, като обикновено се използва разпрашен алуминиев слой, [[ецване|ецван]] също в спирална форма. Малките размери на интегралните схеми силно ограничават индуктивността на такива елементи, поради което те се използват рядко. Техните функции като правило се изпълняват от система от [[кондензатор]] и активни електронни компоненти.
Ред 18:
В теоретичната електротехника понякога се разглеждат идеализирани модели на индуктивни елементи, които притежават индуктивност, но не и [[електрическо съпротивление|съпротивление]] или [[електрически капацитет|капацитет]].
 
Реалните бобини притежават свойства, различаващи ги от този опростен модел. Те притежават активно (омическоомично) съпротивление, причина за което са съпротивлението на проводника и [[хистерезис]], водещ до загубата на енергия в материала на магнитната сърцевина. ПаразитенИмат и паразитен капацитет, причина за който е електрическото поле между намотките на индуктивния елемент, които имат малка разлика в електрическия потенциал. При определени честоти на тока, някои реални бобини имат поведението на [[трептящ кръг]], поради своя [[паразитен капацитет]], а при дадени честоти капацитивният характер на [[импеданс]]а става водещ за поведението им. Реалните бобини притежават свойства, различаващи ги от този опростен модел.
 
При силни токове реалните индуктивни елементи с желязна сърцевина постепенно се отклоняват от идеалното поведение и заради нелинейности, предизвикани от [[магнитно насищане|магнитното насищане]]. При по-високи честоти съпротивлението и загубите от него нарастват, заради [[скин-ефект]] в проводниците на намотката.
 
Реалните индуктивни елементи действат като [[Антена|антени]], излъчвайки част от обработваната енергия в околното пространство и приемайки електромагнитни излъчвания от други електрически схеми, което води до [[електромагнитна интерференция]] и радиошум. Схеми и материали близо до индуктивни елементи с магнитно поле могат да предизвикат допълнителни загуби на енергия. В много практически ситуации [[паразитни параметри|паразитните параметри]] могат да бъдат също толкова важни за поведението на индуктивни елементи, колкото и индуктивността.
Ред 82:
: <math> L = \mu_0 \cdot \mu_r \cdot s_e \cdot N^2 / l_e \mbox{,}</math>
 
: където <math> \mu_0 </math> –е [[магнитна проницаемост|магнитната проницаемост за вакуум]],
: <math> \mu_r </math> – [[магнитна проницаемост|относителна магнитна проницаемост]] на материала на сърцевината (зависи от честотата),
: <math> s_e </math> – сечение на сърцевината,
Ред 92:
==== Закон на Ленц ====
{{основна|Закон на Ленц}}
Полярността (посоката) на индуцираното напрежение се определя от [[Закон на Ленц|закона на Ленц]], който гласи, че индуцираното ще бъде такова, че да се противопостави на промяната в тока.<ref name="Shamos">{{Cite book|url=https://books.google.com/books?id=J0fCAgAAQBAJ&pg=PT238&lpg=PT238&dq=1834+Lenz%E2%80%99sLenz’s+Law&source=bl&ots=OydZ5Gh36h&sig=eMuxVY230eH6k_Kj4fZBWdA-jY8&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwigncny6dbVAhVi_4MKHVSUCzUQ6AEIZDAK#v=onepage&q=1834%20Lenz%E2%80%99s20Lenz’s%20Law&f=false|title=Great Experiments in Physics: Firsthand Accounts from Galileo to Einstein|last=Shamos|first=Morris H.|date=2012-10-16|publisher=Courier Corporation|isbn=9780486139623|language=en}}</ref>. Например, ако токът през индуктора се увеличава, индуцираното напрежение ще бъде положително в терминалаизвода, през който токът влиза, и отрицателно в терминалаизвода, през който излиза<ref name="Schmitt">{{cite book
| last1 = Schmitt
| first1 = Ron
| title = Electromagnetics Explained: A Handbook for Wireless/ RF, EMC, and High-Speed Electronics
| publisher = Elsevier
| date = 2002
| pages = 75- – 77
| url = https://books.google.com/books?id=7gJ4RocvEskC&pg=PA75&dq=%22lenz%27s+law%22+energy
| doi =
Ред 118:
}}</ref><ref name="Lerner">{{cite book
| last1 = Lerner
| first1 = Lawrence S.
| title = Physics for Scientists and Engineers, Vol. 2
| publisher = Jones and Bartlet Learning
Ред 127:
| id =
| isbn = 0763704601
}}</ref>. Енергията от външната верига, необходима за преодоляване на този потенциален хълм, се съхранява в магнитното поле на индуктора. Ако токът намалява, индуцираното напрежение ще бъде отрицателно в терминалаизвода, през който токът влиза и положително в терминалаизвода, през който излиза. В този случай енергията от магнитното поле се връща към веригата.
 
==== Свързване на индуктивности ====
[[Файл:inductors in series.svg|thumb|Схема на последователно съединение на индуктивни елементи. ТокаТокът през всеки елемент е един и същ.]]
При последователно съединяване на индуктивни елементи общата индуктивност е равна на сумата на индуктивностите на всички елементи:
 
Ред 142:
=== Q-фактор ===
[[Файл:Phasor of real inductor impedance.gif|thumb|Векторна диаграма на загубите и Q-фактора на реален индуктивен елемент. Означения: ''Z'' – импеданс; ''X<sub>c</sub>'' – капацитивна съставка на импеданса; ''X<sub>l</sub>'' – индуктивна съставка на импеданса; ''X'' – реактивна съставка на импеданса; ''R<sub>i</sub>'' – активна съставка на импеданса.]]
Един идеален индуктивен елемент няма активно съпротивление и енергийни загуби. Реалният индуктивен елемент има активно съпротивление от проводника на намотките. Това съпротивление се представя последователно свързано с индуктивността. Токът, преминавайки през него, се преобразува в топлинни загуби. Q-факторът на индуктивния елемент е отношението на реактивното съпротивление към активното съпротивление при определена честота на тока. Колкото е по-голям Q-факторът, толкова индуктивният елемент е по-близо до идеалния модел (без загуби). Индуктивните елементи с високо Q се използват заедно с кондензатори за направа на резонансни филтри, и колкото по-висок е Q-факторафакторът, толкова по-малка е широчината на пропускане на филтъра, т.е. по-добраотделящата отделящаму способност е по-добра.
 
:<math>Q = \frac{\omega L}{R}</math>
 
Q-факторафакторът на един индуктивен елемент може да се определи с горната формула, в която L е индуктивността, R е активното съпротивление на индуктивния елемент и, ''&omega;'' е честотата на преминаващия ток, а произведението ''&omega;L'' е индуктивното (реактивно) съпротивление.
 
Q-факторът се увеличава линейно с честотата, ако L и R са константни. Тези параметри при ниски честоти се приемат за константни, но тъй като те се променят при промяна на честотата, затова и той се променя. Така например повърхностнияповърхностният ефект, взаимното влияние на проводниците и загубите в сърцевината увеличават активното съпротивление, собственияа собственият капацитет на навивките и промяната на магнитната проницаемост с увеличаването на честотата влошават индуктивността.
 
Понякога загубите в индуктивния елемент се характеризират с тангенса на ъгъла на загубите, която е величина, реципрочна на Q-фактора.
 
Практически Q-факторафакторът е със стойности от 30 до 200. Подобряването му се постига с оптимален избор на диаметъра на проводника, увеличаване на размера на индуктивния елемент и използване на сърцевина с висока магнитна проницаемост и малки загуби, използване на посребрен проводник и на многожилен проводник с цел да се намалят загубите от повърхностния ефект.
 
=== Енергия, съхранена в индуктивния елемент ===
Като се пренебрегнат загубите, [[енергия]]та, съхранена в индуктивния елемент е равна на работата, необходима да се установи токатокът в него I~. Тази енергия е равна на :
 
<math> E_\mathrm{stored} = {1 \over 2} L I^2 </math>
 
където ''L'' е индуктивността и ''I'' е токатокът през индуктивния елемент.
 
Това съотношение е валидно само за линейната (ненаситената) част от функцията на магнитния поток към тока. По принцип, ако трябва да се определи енергията, която е съхранена в индуктивен елемент, който има първоначален ток за определено времемеждувреме между <math>t_0</math> и <math>t_1</math>, може да използва тази формула:
<math>E = \int_{t_0}^{t_1} \! P(t)\,dt = \frac{1}{2}LI(t_1)^2 - \frac{1}{2}LI(t_0)^2 </math>
 
Ред 173:
* [[Паразитен капацитет]]: Капацитетът между отделните навивки в бобината не води до преки загуби на енергия, но променя нейното цялостно поведение. Всяка навивка в намотката има малко по-различен потенциал от съседните, поради което електрическото поле между тях създава електрически заряд. Така намотката действа като разположен успоредно с нея кондензатор. При достатъчно висока честота този капацитет може да влезе в резонанс с индуктивността на индуктивния елемент, образувайки трептящ кръг.
 
За да се ограничат паразитнияпаразитният капацитет и ефектът на близост, радиочестотните индуктивни елементи се конструират така, че да се избегне наличието на множество успоредни близки навивки. Намотките на тези бобини често се ограничават до само един пласт, а между навивките се оставя празно пространство. За да се ограничи съпротивлението, дължащо се на скин-ефекта, при по-мощни индуктивни елементи, като използваните в предавателите, намотките понякога се правят от метална лента или тръба, които имат по-голяма специфична повърхнина, или повърхността на проводника се посребрява.
 
=== С феромагнитна сърцевина ===
[[Image:Aplikimi i feriteve.png|thumb|Различни видове индуктивни елементи с феритна сърцевина]]
 
Индуктивните елементи с феритна или желязна сърцевина използват магнитномека сърцевина, направена от феромагнитен или феримагнитен материал, за да се увеличи индуктивността. Магнитната сърцевина може да увеличи няколко хиляди пъти индуктивността, като увеличава магнитното поле поради много по-високата стойност на [[магнитна проницаемост|магнитната проницаемост]]. Магнитните свойства на сърцевината променят свойствата на индуктивния елемент и изискваизискват специална конструкция.
*Загуби в магнитната сърцевина: Променливият ток в индуктивния елемент, който създава променливо магнитно поле във феромагнитната сърцевина, генерира загуби, причина за което са два процеса: Единият процес е свързан с генерираните токове на Фуко (вихрови токове) в проводимата метална сърцевина, които се преобразуват в топлинни загуби. ВторияВторият процес е свързан с хистерезисните загуби, получавани при пренамагнитването на магнитните домени. Големината на тези загуби е пропорционална на площта на хистерезисната кримакрива (ВН-графика) на сърцевината. Магнитни материали с ниска коерцитивна сила имат по-тясна хистерезисна крива и съответно по-малки загуби.
*Нелинейност: При увеличаване на тока през индуктивния елемент може да се получи насищане на магнитната му сърцевина и, индуктивността ще се промени и ще зависи от стойността на тока. Това се нарича нелинейност и води до изкривяване на сигнала през индуктивния елемент. Затова при линейните схеми е необходимо да се осигури при линейните схеми да се работиработа само под областта на насищане на магнитната сърцевина.
 
==== Индуктивен елемент със сърцевина от листов материал (дросели) ====
[[Image:Vorschaltdrossel Kvg.jpg|thumb|upright=0.6|Индуктивен елемент със сърцевина от листов материал (баласт)]]
Нискочестотните индуктивни елементи често се правят със сърцевина от листов магнитен материал, за да се предотвратят вехровитевихровите токове, подобно на трансформаторните магнитопроводи. Сърцевината е изработена от пакет от тънки листове от магнитно мекмагнитномек материал като [[електротехническа стомана]] или [[пермалой]], чийто повърхности са изолирани. Тази изолация предотвратява вихровитетевихровите токове между отделните листове и по този начин намалява загубите.
 
==== Индуктивен елемент с феритна сърцевина ====
За високи честоти индуктивните елементи се правят със сърцевина от ферит. Голяма част от феритните магнитномеки материали са с високо обемно съпротивление и вихровите токовнетокове са минимални.
 
==== Индуктивен елемент с тороидална сърцевина ====
[[File:3Com OfficeConnect ADSL Wireless 11g Firewall Router 2012-10-28-0869.jpg|thumb|upright=0.8|Тороидален индуктивен елемент наот захранването на безжичен рутер]]
При индуктивен елемент, изработен върху права (линейна) сърцевина, магнитното поле от края на сърцевината трябва да се затвори в другия край на сърцевината, преминавайки през околната въздушна междина. Това намалява магнитното поле, тъй като по-голямата част от магнитното поле преминава през въздуха. При тороида това се избягва, тъй като магнитната верига изцяло е от магнитномекия материал. Тороидите се изработват от ферит или листов материал.
 
=== Променливи индуктивни елементи ===
Ред 208:
 
== Функции в електрическите схеми ==
[[Image:Ferrite bead no shell.jpg|thumb|Феритна сърцевина, състояща се феритен цилиндър, отстраняващ електронниятелектронния шум от захранващиятзахранващия кабел.]]
Последователното свързване на индуктивността във веригата служи за подтискане на високочестотните и пропускане на нискочестотните и постояннотоковите съставки. Включването на индуктивността паралелно на захранващата мрежа премахва постоянотоковата съставка и пропуска високочестотната.
 
Индуктивните елементи, заедно със [[резистор]]и и [[кондензатор]]и, се използват за изграждане на различни честотнозависими вериги, като филтри, вериги за обратна връзка, резонансни кръгове и други. В зависимост от схемата на свързване се филтрират постоянотоковитепостояннотоковите или променливотоковите съставки. Могат да се създават филтри само за определена честота или за област от честоти.
 
== Приложение ==
[[Файл:Common mode choke 2A with 20mH inductance.jpg|мини|Бобина с две намотки с индуктивност по 20&nbsp;mH, предназначена за използване в захранващи блокове на електронни устройства]]
Индуктивните елементи намират широко приложение в [[Аналогова електроника|аналоговите схеми]] и обработката на сигнали. Съвместно с [[кондензатор]]и и други компоненти те се използват за усилване или филтриране на определени сигнални честоти. Приложенията на бобините варират от големи устройства в силовите захранвания, които заедно с филтърни кондензатори отстраняват остатъчен шум и други флуктуации от правотоковияпостояннотоковия изход, до елементи с малка индуктивност, като [[Феритен пръстен|феритните пръстени]], монтирани около кабелите, за да предотвратят предаването по тях на радиочестотна интерференция. По-малки съчетания на индуктивни елементи и кондензатори образуват трептящите кръгове, използвани в [[радиотехника]]та.
 
Две или повече бобини с взаимодействащ си магнитен поток образуват [[трансформатор]], основен елемент във всички електроразпространителни мрежи. Ефективността на трансформаторите може да намалее при нарастване на честотата на тока, заради токовете на Фуко в сърцевината и скин-ефекта в проводника. Размерът на сърцевината може да бъде по-малък при по-високи честоти, поради което в авиацията обикновено се използва променлив ток с честота 400&nbsp;Hz, вместо обичайните 50 – 60&nbsp;Hz, за да се спести тегло.<ref>{{cite web | url = http://www.wonderquest.com/expounding-aircraft-electrical-systems.htm | title = Aircraft electrical systems | publisher = Wonderquest.com | accessdate = 24 септември 2010 | lang = en}}</ref>.
 
Индуктивните елементи се използват за съхранение на енергия в някои [[Импулсен стабилизатор на напрежението|импулсни стабилизатори на напрежението]]. При тях индуктивният елемент се зарежда в определена част от цикъла на синусоидата на напрежението и се разрежда през останалата част. Съотношението между двете части определя съотношението между входното и изходното напрежение. В такива системи бобините се използват съвместно с активни полупроводникови устройства за постигане на прецизен контрол върху напрежението.
Ред 251:
}}</ref> . Основен принцип на индуктивните датчици е управление, при което се използва промяна на параметър на индуктивността.
 
Принципът на действие е на основата на изменението на амплитудата на колебаниятатрептенията на генератора при доближаването в зоната на чувствителния индуктивен елемент на метален, магнитен или феромагнитен материал с определени размери. При подаването на захранващото напрежение на повърхността на индуктивния елемент се създава променливо магнитно поле. Това поле създава вихрови токове в материала, които водят до изменение на амплитудата на колебанията на генератора. В резултат на това се изработва аналогов изходен сигнал, големината на който се изменя от разстоянието между датчика и контролирания предмет. Един [[Тригер (електроника)|тригер]] преобразува аналоговия сигнал в логически.
 
=== Противокражбени етикети ===
Взето от „https://bg.wikipedia.org/wiki/Индуктивен_елемент“.