Блог

Ток, генерируемый в проводнике изменяющимся магнитным полем, пропорционален скорости изменения магнитного поля. Этот эффект называется индуктивностью и обозначается символом L. Она измеряется в единицах, называемых Генри (H), названных в честь американского физика Джозефа Генри (1797-1878).

Один Генри — это величина индуктивности, необходимая для создания ЭДС в 1 вольт в проводнике, когда ток в проводнике изменяется со скоростью 1 Ампер в секунду. Генри — довольно большая единица измерения для использования в электронике, при этом милли-Генри (mH) и микро-Генри (µH) являются более распространенными. Эти единицы описывают одну тысячную и одну миллионную генри соответственно.

Хотя Генри присваивается символ (заглавной) H, имя Генри, применяемое к единице индуктивности, использует нижний регистр h.

Факторы, влияющие на индуктивность

Величина индуктивности в индукторе зависит от:

• Количества витков провода в индукторе
• Материала сердечника
• Формы и размера сердечника
• Формы, размера и расположения провода, составляющего катушки.

Поскольку индуктивность (в генри) зависит от очень многих переменных величин, ее довольно сложно точно рассчитать. Также в этих формулах часто требуется использовать специальные константы и таблицы данных преобразования для работы с требуемой степенью точности. Использование компьютерных программ и автоматизированного проектирования несколько облегчило ситуацию. Однако внешние воздействия, вызванные другими компонентами и проводкой рядом с индуктором, также могут повлиять на его значение индуктивности после сборки в цепь, поэтому, когда требуется точное значение индуктивности, одним из подходов является расчет приблизительного значения и проектирование индуктора таким образом, чтобы его можно было регулировать.

Типичная формула для аппроксимации значения индуктивности индуктора приведена ниже. Эта конкретная формула предназначена для расчета индуктивности «соленоида, намотанного одним слоем витков бесконечно тонкой ленты, а не проволоки, причем витки расположены равномерно и близко друг к другу».

Где:

L — индуктивность в генри
d — диаметр катушки в метрах
n — количество витков в катушке
l — длина катушки в метрах

Для катушек, не соответствующих в точности приведенным выше спецификациям, необходимо учитывать дополнительные факторы. На картинке ниже показан один из способов получения достаточно точной индуктивности, используемый в некоторых высокочастотных и радиочастотных цепях. Миниатюрная катушка индуктивности намотана на пластиковый корпус, в который ввинчен ферритовый сердечник, дающий нужную величину индуктивности.

Напряжение и ЭДС

Напряжение, индуцированное в проводнике, называется ЭДС (электродвижущей силой), потому что его источником является изменяющееся магнитное поле вокруг проводника и вне его. Любое внешнее напряжение (включая напряжение, создаваемое внешней батареей или источником питания) называется ЭДС, а напряжение (разность потенциалов) на внутреннем компоненте цепи называется напряжением.

Обратная ЭДС

Обратная ЭДС (также называемая встречной ЭДС) представляет собой ЭДС, создаваемую на индукторе изменяющимся магнитным потоком вокруг проводника, вызванным изменением тока в индукторе. Его значение можно рассчитать по формуле:

Где:

E — обратная ЭДС индукции в вольтах
L — индуктивность катушки в генри
ΔI — изменение тока в амперах
Δt — время, необходимое для изменения тока, в секундах

Δ (греч. — дельта) обозначает различие или изменение свойства.

Таким образом, формула описывает обратную ЭДС как зависимость от индуктивности (в генри), умноженной на скорость изменения тока (в амперах в секунду).

Знак минус перед L указывает на то, что полярность индуцированной обратной ЭДС будет обратной по сравнению с изменением напряжения на проводнике, которое первоначально вызвало изменение тока и последующее изменение магнитного поля.

Помните, что при работе с практическими значениями милли- или микрогенри все значения, используемые в формуле, должны быть преобразованы в стандартные значения генри-ампер и секунд.

Пример

Поскольку значение обратной ЭДС зависит от скорости изменения тока, оно будет наибольшим, когда произойдет самое быстрое изменение. Например, скорость изменения чрезвычайно высока всякий раз, когда ток через катушку индуктивности отключается; тогда изменение может быть от максимума до нуля всего за несколько миллисекунд.

Представьте, что катушка индуктивности 200 мГн, подключенная к источнику питания 9 В, пропускает ток силой 2 ампера. Когда ток отключается, он падает до нуля за 10 мс, какой будет обратная ЭДС, создаваемая на катушке?

Е = 200 мГн х 2 А / 10 мс

или же

Е = 200 х 10 ^-3 х 2/10 х 10 ^-3 = 40 вольт

Таким образом, обратная ЭДС, возникающая при выключении, более чем в 4 раза превышает напряжение питания.

Эти импульсы высокого напряжения, возникающие при отключении индуктивного компонента, такого как двигатель или катушка реле, потенциально могут привести к повреждению выходного транзистора или интегральной схемы, переключающей устройство. Поэтому необходимая защита обеспечивается включением диода в выходной каскад.

Защита от обратной ЭДС

Защитный диод на картинке ниже, подключенный к катушке индуктивности, обычно смещен в обратном направлении, так как напряжение на его катоде, подключенном к шине питания +V, будет более положительным, чем на его аноде на коллекторе транзистора. Однако при выключении на катушке индуктивности появляется большой всплеск напряжения противоположной полярности из-за коллапса магнитного поля. Во время этого всплеска напряжения коллектор транзистора может находиться под более высоким потенциалом, чем источник питания, за исключением того, что если это произойдет, диод станет смещенным в прямом направлении и предотвратит повышение напряжения коллектора выше, чем на шине питания.

На картинке ниже показана популярная ИС (ULN2803) для переключения индуктивных нагрузок. Каждый из восьми выходов инвертирующих усилителей защищен диодом, а их общие катоды подключены к положительной шине питания +V на контакте 10.

Самоиндукция

То, как работает самоиндукция, зависит от двух взаимосвязанных действий, происходящих одновременно, и от того, что каждое из этих действий зависит от другого:

• Действие 1: Любой проводник, в котором меняется ток, создаст вокруг себя изменяющееся магнитное поле.
• Действие 2: В любом проводнике в меняющемся магнитном поле будет индуцироваться изменяющаяся ЭДС. Величина этой ЭДС индукции и величина индуцированного тока, который она производит в проводнике, будут зависеть от скорости изменения магнитного поля; чем быстрее изменяется поток поля, тем больше будет ЭДС индукции и связанный с ней ток.

Эффект индуктора, индуцирующего ЭДС внутри себя, называется самоиндукцией (но часто упоминается просто как индукция). Когда индуктор индуцирует ЭДС в отдельном соседнем индукторе, это называется взаимной индукцией и является свойством, используемым трансформаторами.

Изменяющееся магнитное поле, создаваемое вокруг проводника изменяющимся током в проводнике, вызывает изменение ЭДС на этом проводнике. Эта переменная ЭДС, в свою очередь, создает переменный ток, текущий в направлении, противоположном первоначальному току. Таким образом, изменения в этом токе противоречат изменениям в первоначальном токе.

Таким образом, эффект действия 2 заключается в ограничении изменений, происходящих из-за действия 1. Если первоначальный ток увеличивается, индуцированный ток замедляет скорость увеличения. Точно так же, если первоначальный ток уменьшается, индуцированный ток будет замедлять скорость уменьшения. Общий результат этого заключается в уменьшении амплитуды переменного тока через индуктор и, таким образом, уменьшении амплитуды переменного напряжения на индукторе.

Поскольку сила магнитного поля, создаваемого первоначальным током, зависит от скорости изменения тока, индуктор уменьшает поток переменного тока (AC) больше на высоких частотах, чем на низких. Этот ограничивающий эффект, создаваемый ЭДС индукции, будет больше на более высоких частотах, потому что на высоких частотах ток и, следовательно, поток изменяются быстрее. Название, данное этому эффекту, — индуктивное реактивное сопротивление.

Индуктивное реактивное сопротивление

Реактивное сопротивление создает сопротивление потоку переменного тока. Как и сопротивление, оно измеряется в Омах, но, поскольку сопротивление имеет одинаковое значение на любой частоте, а сопротивление переменному току в катушках индуктивности зависит от частоты, его нельзя назвать сопротивлением. Вместо этого он называется реактивным сопротивлением (X). Конденсаторы также обладают свойством реактивного сопротивления, но они по-разному реагируют на частоту, поэтому существует два типа реактивного сопротивления; индукторы имеют индуктивное реактивное сопротивление (X_L) , а конденсаторы имеют емкостное реактивное сопротивление (X_C) .

В следующей статье мы с вами поговорим о различных индукторах.

С Уважением, МониторБанк