Pin
Send
Share
Send


Een inductor is een passieve elektrische component die energie kan opslaan in een magnetisch veld dat wordt gecreëerd door een elektrische stroom erdoorheen te leiden. Een eenvoudige inductor is een draadspiraal. Wanneer een elektrische stroom door de spoel wordt geleid, wordt er een magnetisch veld omheen gevormd. Dit magnetische veld zorgt ervoor dat de spoel weerstand biedt aan veranderingen in de hoeveelheid stroom die erdoorheen gaat.

Het vermogen van een inductor om magnetische energie op te slaan, wordt gemeten aan de hand daarvan inductantie, in eenheden van henries. De inductie van een spoel is recht evenredig met het aantal windingen in de spoel. Inductie varieert ook met de straal van de spoel en het materiaal (of "kern") waarom de spiraal is gewikkeld.

Inductoren worden veel gebruikt in analoge circuits en signaalverwerking. Grote smoorspoelen, in combinatie met condensatoren, zijn nuttig als smoorspoelen in voedingen, om fluctuaties van gelijkstroomoutput te verwijderen. Kleine inductor / condensatorcombinaties zijn nuttig bij het maken van afgestemde circuits voor radio-ontvangst en uitzending. Bovendien worden inductoren gebruikt in transformatoren voor stroomnetten en als energieopslagapparaten in sommige geschakelde voedingen.

Overzicht

Wanneer een elektrische stroom voor het eerst door een inductor (draadspoel) begint te gaan, weerstaat de inductor de stroom van stroom, omdat zich een magnetisch veld rond de inductor opbouwt.1 Nadat dit veld is opgebouwd, laat de inductor er normaal stroom doorheen stromen. Wanneer de elektriciteitstoevoer wordt uitgeschakeld, ondersteunt het magnetische veld rond de spoel de stroomtoevoer gedurende een kort interval, voordat het veld verdwijnt.

inductie (L) (gemeten in henries) is een effect als gevolg van het magnetische veld dat zich vormt rond een stroomvoerende geleider die de neiging heeft weerstand te bieden aan veranderingen in de stroom. Elektrische stroom door de geleider creëert een magnetische flux evenredig met de stroom. Een verandering in deze stroom creëert een verandering in magnetische flux die op zijn beurt volgens de wet van Faraday een elektromotorische kracht (EMV) genereert die zich tegen deze verandering in stroom verzet. Inductantie is een maat voor de hoeveelheid EMF die wordt gegenereerd voor een stroomverandering van de eenheid. Een inductor met een inductie van 1 henry produceert bijvoorbeeld een EMF van 1 volt wanneer de stroom door de inductor verandert met een snelheid van 1 ampère per seconde.

Het aantal lussen, de grootte van elke lus en het materiaal eromheen hebben allemaal invloed op de inductie. De magnetische flux die deze windingen verbindt, kan bijvoorbeeld worden verhoogd door de geleider rond een materiaal met een hoge permeabiliteit zoals ijzer te wikkelen. Dit kan de inductie met 2000 keer verhogen, hoewel minder bij hoge frequenties.

Een "ideale inductor" heeft inductie maar geen weerstand of capaciteit, en het dissipeert geen energie. Een echte inductor heeft niet alleen inductie, maar ook enige weerstand (vanwege de weerstand van de draad) en enige capaciteit. Op een bepaalde frequentie, meestal veel hoger dan de werkfrequentie, gedraagt ​​een echte inductor zich als een resonantiekring (vanwege zijn zelfcapaciteit). Naast het dissiperen van energie in de weerstand van de draad, kunnen magnetische kerninductoren energie in de kern dissiperen als gevolg van hysterese, en kunnen bij hoge stromen andere afwijkingen vertonen van ideaal gedrag vanwege niet-lineariteit.

Hydraulische analogie

Het gedrag van een inductor kan worden beschreven met behulp van een hydraulische analogie.1 Een inductor kan worden gemodelleerd door het vliegwieleffect van een zware turbine die door de stroom wordt geroteerd. Wanneer water (stroom) voor het eerst begint te stromen, veroorzaakt de stationaire turbine een obstructie in de stroom en hoge druk (spanning) tegenover de stroom totdat deze draait. Als de motor eenmaal draait en de waterstroom plotseling wordt onderbroken, blijft de turbine door inertie draaien, waardoor een hoge druk wordt gegenereerd om de stroom in beweging te houden. (Magnetische interacties in transformatoren worden niet hydraulisch gemodelleerd.)

Toepassingen

Een smoorspoel met twee 47mH windingen, zoals te vinden in een voeding.

Inductoren worden veelvuldig gebruikt in analoge circuits en signaalverwerking. Samen met condensatoren en andere componenten worden inductoren gebruikt om afgestemde circuits te vormen die specifieke signaalfrequenties kunnen benadrukken of eruit filteren. Dit kan variëren van het gebruik van grote inductoren als smoorspoelen in voedingen, die in combinatie met filtercondensatoren resterende brom of andere fluctuaties van de gelijkstroomoutput verwijderen, tot kleine inductanties die worden gegenereerd door een ferrietparel of torus rond een kabel om te voorkomen radiofrequentie-interferentie wordt via de draad overgedragen. Kleinere inductor / condensatorcombinaties bieden afgestemde schakelingen die bijvoorbeeld worden gebruikt bij radio-ontvangst en uitzending.

Twee (of meer) inductoren die een gekoppelde magnetische flux hebben, vormen een transformator, die een fundamenteel onderdeel is van elk elektriciteitsnet. De efficiëntie van een transformator kan afnemen naarmate de frequentie toeneemt als gevolg van wervelstromen in het kernmateriaal en huideffect op de wikkelingen. De grootte van de kern kan bij hogere frequenties worden verminderd en om deze reden gebruiken vliegtuigen 400 Hertz wisselstroom in plaats van de gebruikelijke 50 of 60 Hertz, wat aanzienlijk op gewicht bespaart door het gebruik van kleinere transformatoren.2

Een inductor wordt gebruikt als energieopslagapparaat in sommige geschakelde voedingen. De inductor wordt bekrachtigd voor een specifieke fractie van de schakelfrequentie van de regelaar en wordt bekrachtigd voor de rest van de cyclus. Deze energieoverdrachtverhouding bepaalt de verhouding tussen ingangsspanning en uitgangsspanning. Deze XL wordt gebruikt in combinatie met een actief halfgeleiderapparaat om een ​​zeer nauwkeurige spanningsregeling te behouden.

Inductoren worden ook gebruikt in elektrische transmissiesystemen, waar ze worden gebruikt om spanningen van blikseminslagen te onderdrukken en om schakelstromen en foutstromen te beperken. In dit veld worden ze meestal reactoren genoemd.

Aangezien smoorspoelen de neiging hebben groter en zwaarder te zijn dan andere componenten, is hun gebruik in moderne apparatuur verminderd; solid-state schakelvoedingen elimineren bijvoorbeeld grote transformatoren en circuits zijn ontworpen voor het gebruik van slechts kleine smoorspoelen, indien aanwezig; grotere waarden worden gesimuleerd met behulp van gyrator-circuits.

Inductor constructie

Inductors. (Grote schaal weergegeven in centimeters.)

Een inductor wordt meestal geconstrueerd als een spoel van geleidend materiaal, meestal koperdraad, gewikkeld rond een kern van lucht of van ferromagnetisch materiaal. Kernmaterialen met een hogere permeabiliteit dan lucht vergroten het magnetische veld en beperken dit nauw tot de inductor, waardoor de inductie toeneemt. Laagfrequente inductoren zijn gebouwd als transformatoren, met kernen van elektrisch staal gelamineerd om wervelstromen te voorkomen. "Zachte" ferrieten worden veel gebruikt voor kernen boven audiofrequenties, omdat ze niet leiden tot de grote energieverliezen bij hoge frequenties die gewone ijzerlegeringen doen. Dit komt door hun smalle hysteresecurven en hun hoge weerstand voorkomt wervelstromen. Inductoren zijn er in vele vormen. De meeste zijn geconstrueerd als geëmailleerde draad gewikkeld rond een ferriet spoel met draad blootgesteld aan de buitenkant, terwijl sommige de draad volledig in ferriet omsluiten en "afgeschermd" worden genoemd. Sommige smoorspoelen hebben een instelbare kern, waardoor de inductie kan worden gewijzigd. Inductoren die worden gebruikt om zeer hoge frequenties te blokkeren, worden soms gemaakt door een ferrietcilinder of kraal op een draad te rijgen.

Kleine smoorspoelen kunnen rechtstreeks op een printplaat worden geëtst door het spoor in een spiraalvormig patroon te leggen. Sommige van dergelijke vlakke smoorspoelen gebruiken een vlakke kern.

Smoorspoelen met een kleine waarde kunnen ook worden gebouwd op geïntegreerde schakelingen met behulp van dezelfde processen die worden gebruikt om transistoren te maken. Aluminium interconnect wordt meestal gebruikt, aangelegd in een spiraalvormig spiraalpatroon. De kleine afmetingen beperken echter de inductantie en het is veel gebruikelijker om een ​​circuit te gebruiken dat een "gyrator" wordt genoemd, die een condensator en actieve componenten gebruikt om zich op dezelfde manier te gedragen als een inductor.

Berekeningen voor elektrische circuits

Een inductor verzet zich tegen stroomveranderingen. Een ideale spoel zou geen weerstand bieden tegen een constante gelijkstroom; alleen supergeleidende smoorspoelen hebben echter echt nul elektrische weerstand.

In het algemeen is de relatie tussen de tijd variërende spanning v(t) over een inductor met inductie L en de tijd variërende stroom ik'(T) er doorheen gaan wordt beschreven door de differentiaalvergelijking:

Wanneer er een sinusvormige wisselstroom (AC) door een inductor is, wordt een sinusvormige spanning geïnduceerd. De amplitude van de spanning is evenredig met het product van de amplitude () van de stroom en de frequentie (F) van de stroom.

In deze situatie blijft de fase van de stroom 90 graden achter bij die van de spanning. #

Als een inductor is aangesloten op een DC-stroombron, met waarde ik via een weerstand, R, en vervolgens de stroombron kortgesloten, de differentiaalrelatie hierboven laat zien dat de stroom door de inductor zal ontladen met een exponentieel verval:

Laplace circuit analyse (s-domein)

Bij gebruik van de Laplace-transformatie in circuitanalyse wordt de overdrachtsimpedantie van een ideale inductor zonder initiële stroom weergegeven in de s domein door:

waar
L is de inductie, en
s is de complexe frequentie

Als de inductor wel een initiële stroom heeft, kan deze worden weergegeven door:

  • het toevoegen van een spanningsbron in serie met de spoel, met de waarde:

(Merk op dat de bron een polariteit moet hebben die tegen de startstroom staat)

  • of door een stroombron parallel aan de inductor toe te voegen, met de waarde:
waar
L is de inductie, en
is de initiële stroom in de inductor.

Inductor-netwerken

Inductoren in een parallelle configuratie hebben elk hetzelfde potentiaalverschil (spanning). Om hun totale equivalente inductie te vinden (Leq):

De stroom door inductors in serie blijft hetzelfde, maar de spanning over elke inductor kan verschillen. De som van de potentiaalverschillen (spanning) is gelijk aan de totale spanning. Om hun totale inductie te vinden:

Deze eenvoudige relaties gelden alleen als er geen onderlinge koppeling van magnetische velden tussen individuele inductoren is.

Opgeslagen energie

De energie (gemeten in joules, in SI) opgeslagen door een inductor is gelijk aan de hoeveelheid werk die nodig is om de stroom door de inductor te vestigen, en dus het magnetische veld. Dit wordt gegeven door:

waar L is inductie en ik is de stroom door de inductor (****).

Q factor

Een ideale spoel zal verliesloos zijn, ongeacht de hoeveelheid stroom door de wikkeling. Typisch hebben inductoren echter een wikkelweerstand van de metaaldraad die de spoelen vormt. Omdat de wikkelweerstand als een weerstand in serie met de spoel verschijnt, wordt deze vaak de serieweerstand. De serieweerstand van de inductor zet elektrische stroom door de spoelen om in warmte, waardoor een inductieve kwaliteitsverlies optreedt. De kwaliteitsfactor (of Q) van een inductor is de verhouding van zijn inductieve reactantie tot zijn weerstand bij een gegeven frequentie, en is een maat voor zijn efficiëntie. Hoe hoger de Q-factor van de inductor, hoe dichter deze het gedrag van een ideale, minder verlies, inductor benadert.

De Q-factor van een inductor kan worden gevonden via de volgende formule, waar R is zijn interne elektrische weerstand en is capacitieve of inductieve reactantie bij resonantie:

Door een ferromagnetische kern te gebruiken, wordt de inductantie sterk verhoogd voor dezelfde hoeveelheid koper, waardoor de Q-kernen worden vermenigvuldigd, maar er treden ook verliezen op die toenemen met de frequentie. Een klasse kernmateriaal wordt gekozen voor de beste resultaten voor de frequentieband. Bij VHF of hogere frequenties wordt waarschijnlijk een luchtkern gebruikt.

Inductoren die rond een ferromagnetische kern zijn gewonden, kunnen bij hoge stromen verzadigen, waardoor de inductie (en Q) dramatisch afneemt. Dit fenomeen kan worden voorkomen door een (fysiek grotere) luchtkerninductor te gebruiken. Een goed ontworpen luchtkerninductor kan een Q van enkele honderden hebben.

Een bijna ideale inductor (Q die oneindig nadert) kan worden gecreëerd door een spoel van een supergeleidende legering onder te dompelen in vloeibaar helium of vloeibare stikstof. Deze onderkoelt de draad waardoor de wikkelweerstand verdwijnt. Omdat een supergeleidende inductor vrijwel verliesloos is, kan deze een grote hoeveelheid elektrische energie opslaan in het omringende magnetische veld (zie supergeleidende magnetische energieopslag).

Inductantie formules

De onderstaande tabel bevat een aantal veel voorkomende formules voor het berekenen van de theoretische inductantie van verschillende inductorconstructies.

BouwFormuleDimensies
Cilindrische spoel3
  • L = inductie in kippen (H)
  • μ0 = permeabiliteit van vrije ruimte = 4 × 10-7 H / m
  • K = Nagaoka-coëfficiënt3
  • N = aantal beurten
  • EEN = oppervlakte van de doorsnede van de spoel in vierkante meters (m2)
  • l = lengte van de spoel in meter (m)
Rechte draadgeleider
  • L = inductie (H)
  • l = lengte van de geleider (m)
  • d = diameter van de geleider (m)
  • L = inductie (nH)
  • l = lengte van de geleider (in)
  • d = diameter van de geleider (in)
Korte lucht-kern cilindrische spoel
  • L = inductie (µH)
  • r = buitenradius van spoel (in)
  • l = lengte van spoel (in)
  • N = aantal beurten
Meerlagige lucht-kern spoel
  • L = inductie (µH)
  • r = gemiddelde straal van spoel (in)
  • l = fysieke lengte van spoelwikkeling (in)
  • N = aantal beurten
  • d = diepte van de spoel (buitenstraal minus binnenstraal) (in)
Platte spiraalvormige lucht-kernspiraal
  • L = inductie (H)
  • r = gemiddelde straal van spoel (m)
  • N = aantal beurten
  • d = diepte van de spoel (buitenstraal minus binnenstraal) (m)
  • L = inductie (µH)
  • r = gemiddelde straal van spoel (in)
  • N = aantal beurten
  • d = diepte van de spoel (buitenstraal minus binnenstraal) (in)
Toroidale kern (cirkelvormige dwarsdoorsnede)
  • L = inductie (H)
  • μ0 = permeabiliteit van vrije ruimte = 4 × 10-7 H / m
  • μr = relatieve permeabiliteit van kernmateriaal
  • N = aantal beurten
  • r = straal van spoelwikkeling (m)
  • D = totale diameter van torus (m)

Synoniemen

  • Spoel
  • Choke (elektronica)
  • reactor

Zie ook

Notes

  1. 1.0 1.1 Hoe dingen werken, hoe smoorspoelen werken. Ontvangen op 23 februari 2009.
  2. ↑ Aspi Wadia, elektrische systemen van vliegtuigen en waarom ze op 400 Hz frequentie werken. Ontvangen op 23 februari 2009.
  3. 3.0 3.1 Hantaro Nagaoka, The Inductance Coefficients of Solenoids, Journal of the College of Science, Imperial University, Tokyo, Japan. 27:18. Ontvangen op 23 februari 2009.

Referenties

  • Giancoli, Douglas. 2007. Natuurkunde voor wetenschappers en ingenieurs, met moderne natuurkunde, 4e ed. Mastering Physics-serie. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 978-0136139263.
  • Gibilisco, Stan. 2005. Elektriciteit Demystified. New York: McGraw-Hill. ISBN 0071439250.
  • Hughes, Edward, et al. 2002. Elektrische en elektronische technologie, 8e ed. Harlow: Prentice Hall. ISBN 058240519X.
  • Tipler, Paul Allen en Gene Mosca. 2004. Natuurkunde voor wetenschappers en ingenieurs, Deel 2: Elektriciteit en magnetisme, Licht, Moderne natuurkunde, 5e ed. New York: W.H. Freeman. ISBN 0716708108
  • Young, Hugh D. en Roger A. Freedman. 2003. Natuurkunde voor wetenschappers en ingenieurs, 11e editie. San Francisco: Pearson. ISBN 080538684X.

Externe links

Alle links zijn opgehaald op 2 maart 2018.

  • Hoe smoorspoelen werken. Hoe dingen werken.
  • Hoofdstuk 25. Capaciteit en inductie. Elektriciteit en magnetisme. (Een hoofdstuk uit een online leerboek.)
  • Coil Inductance Calculator. 66pacific.com.

Pin
Send
Share
Send