Индуктивен елемент

от Уикипедия, свободната енциклопедия
(пренасочване от Бобина)
Направо към: навигация, търсене
Бобини с феритни сърцевини
Обозначаване в електрическите схеми

Индуктивен елемент (на английски: Inductor, на немски: Induktivitaet (Bauelement)) е пасивен елемент, използван в електротехниката и електрониката с постоянна или регулируема стойност на индуктивността.

Индуктивният елемент представлява в общия случай бобина (намотка) от електрически проводник – при протичането на ток по проводника на намотката възниква магнитно поле съгласно закона на Ампер. Заради тяхното свойство да преобразуват променливия ток, бобините са сред основните елементи, използвани в електрически схеми, при които токът и 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 закона на Фарадей, 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 H генерира електродвижеща сила от 1 V, когато протичащият ток се изменя с 1 A/s. Върху размера на индуктивността оказват влияние броят и размерите на навивките, както и материалът на сърцевината, около която са навити. Така магнитният поток може да бъде увеличен многократно, ако проводникът се навие около материал с висока магнитна проницаемост, като желязото.

Устройство[редактиране | редактиране на кода]

Различни видове индуктивни елементи

Индуктивните елементи обикновено се конструират като бобини от електрически проводник, най-често емайлиран проводник , навити върху пластмасово тяло (каркас) или директно върху феромагнитен или феримагнитен материал. 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 трансформаторите, със сърцевина от листова електротехническа стомана, изолирана, за да се предотврати възникването на токове на Фуко. Магнитномеките ферити се използват за сърцевина при честоти над звуковите, 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 проводника е от външна страна, но има и такива, които са изцяло покрити от феритното тяло и се наричат екранирани. 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 интегралните схеми с помощта на технология, подобна на тази за изграждане на транзистори, като обикновено се използва разпрашен алуминиев слой, ецван също в спирална форма. Малките размери на интегралните схеми силно ограничават индуктивността на такива елементи, поради което те се използват рядко. Техните функции обикновено се изпълняват от система от кондензатор и активни електронни компоненти.

Свойства[редактиране | редактиране на кода]

В теоретичната електротехника понякога се разглеждат идеализирани модели на индуктивни елементи, които притежават индуктивност, но не и съпротивление или капацитет. Реалните бобини притежават свойства, различаващи ги от този опростен модел. Те притежават активно (омическо) съпротивление, (причина за което са съпротивлението на проводника и загубата на енергия в материала на магнитната сърцевина) и паразитен капацитет, (причина за което 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 компонент на импеданса става водещ за поведението им.

Реалните индуктивни елементи губят енергия, поради съпротивлението на проводника и загуби в магнитната сърцевина, в резултат на хистерезис. При силни токове реалните индуктивни елементи с желязна сърцевина постепенно се отклоняват от идеалното поведение и заради нелинейности, предизвикани от магнитното насищане. При по-високи честоти съпротивлението и загубите от него нарастват, заради скин-ефект в проводниците на намотката.

Реалните индуктивни елементи действат като антени, излъчвайки част от обработваната енергия в околното пространство и приемайки електромагнитни излъчвания от други електрически схеми, което води до електромагнитна интерференция. Схеми и материали близки до индуктивни елементи с близко поле могат да предизвикат допълнителни загуби на енергия. В много практически ситуации паразитните параметри могат да бъдат също толкова важни за поведението на индуктивни елементи, колкото и индуктивността.

Характеристики на индуктивният елемент[редактиране | редактиране на кода]

Индуктивност[редактиране | редактиране на кода]

Основен параметър на индуктивният елемент е неговата индуктивност, която е равна на отношението на потока на магнитното поле, създадено от бобината към силата на тока.

Индуктивността на индуктивният елемент е пропорционална на линейните размери на бобината, магнитната проницаемост на сърцевината и втората степан на броя на навивките[1][2][3][4].

 L = \mu_0 \cdot \mu_r \cdot s_e \cdot N^2 / l_e \mbox{,}
където  \mu_0  – магнитната проницаемост за вакуум,
 \mu_r  – относителна магнитна проницаемост на материала на сърцевината (зависи от честотата),
 s_e  – сечение на сърцевината,
 l_e  – дължината на средната линия на сърцевината,
 N  – брой навивки.

Горната формула е обща за индуктивни елементи с линейна бобина.

Свързване на индуктивности[редактиране | редактиране на кода]

Схема на последователно съединение на индуктивни елементи. Тока през всеки елемент е един и същ.

При последователно съединяване на индуктивни елементи общата индуктивност е равна на сумата на индуктивностите на всички елементи:

L = \sum_{i=1}^N L_i\mbox{.}
Електрическа схема на паралелно съединение на няколко индуктивни елементи. Напрежението на всички елементи е еднакво.

При паралелно съединение на индуктивни елементи общата индуктивност е равна на:

L = \frac{1}{\sum_{i=1}^N \frac1{L_i}}\mbox{.}

Q-фактор[редактиране | редактиране на кода]

Векторна диаграма на загубите и Q-фактора потерь и добротности на реален индуктивен елемент. Означението Z —е импеданса; Xc – капацитивната съставка на импеданса; Xl – индуктивната съставка на импеданса; X – реактивна съставка на импеданса; Ri – 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. Тока преминавайки през него, се преобразува в топлинни загуби. Q-фактора на индуктивния елемент е отношението на реактивното съпротивление към активното съпротивление при определена честота на тока. Колкото е по-голям Q-фактора, толкова е по-близо индуктивният елемент 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-фактора, толкова по-малка е широчината на пропускане на филтъра, т.е по-добра отделяща способност.

Q = \frac{\omega L}{R}

Q-фактора на един индуктивен елемент може да се определи с горната формула, в която L е индуктивността, R е активното съпротивление на индуктивния елемент и ω е честотата на преминаващия ток, а произведението ωL е индуктивното (реактивно) съпротивление.

Q-фактора 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 повърхностния ефект, взаимното влияние на проводницинте и загубите в сърцевината увеличават активното съпротивление, собствения 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-фактора 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[редактиране | редактиране на кода]

Като се пренебрегнат загубите, енергията, съхранена в индуктивния елемент е равна на работата, необходима да се установи тока в него I~. Тази енергия е равна на :

 E_\mathrm{stored} = {1 \over 2} L I^2

където L е индуктивността и I е тока 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 времемежду t_0 и t_1 може да използва тази формула: E = \int_{t_0}^{t_1} \! P(t)\,dt = \frac{1}{2}LI(t_1)^2 - \frac{1}{2}LI(t_0)^2

Видове[редактиране | редактиране на кода]

С въздушна сърцевина[редактиране | редактиране на кода]

При индуктивните елементи с въздушна сърцевина намотката не е разположена около феромагнитен материал, а остава празна или е навита около немагнитен материал, като пластмаса или керамика. Тези бобини имат по-ниска индуктивност от аналогични бобини с феромагнитна сърцевина, но се използват често при високочестотни токове, тъй като при тях се избягват загубите на енергия в сърцевините, характерни за по-високите честоти. Страничен ефект, който може да възникне при намотките с въздушна сърцевина, които нямат твърдо фиксирана форма, са механичните вибрации на проводника, които предизвикват флуктуации в индуктивността.

Типично приложение на индуктивни елементи с въздушна сърцевина е радиотехниката, където те често служат за обработка на радиочестотни сигнали. При този вид индуктивни елементи загубите на енергия не са в сърцевината, а главно в резултат на съпротивлението на проводника. Освен загубата на мощност, те могат да предизвикат и намаляване на общия Q-фактор на схемата, поради което се използват специални техники за тяхното избягване. Основните причини за такива загуби са:

  • Скин-ефект: Съпротивлението на проводниците при високочестотни токове е по-голямо, отколкото при прав ток. Радиочестотните променливи токове не проникват в дълбочината на проводника, а се разпространяват само по неговата повърхност. По тази причина в дебел проводник през голяма част от напречното сечение не преминава ток. Този ефект увеличава съпротивлението на проводника, което е от особено значение при бобините, където се използват проводници с относително малко сечение и голяма дължина.
  • Ефект на близост: Друг подобен ефект, който също увеличава съпротивлението на проводника при високи честоти на тока, се проявява при успоредни проводници, разположени близо един до друг. Индивидуалните магнитни полета на съседните проводници индуцират токове на Фуко, в резултат на които токът в проводника се концентрира в частта от сечението, близка до съседния проводник. Както и при скин-ефекта, това намалява ефективната площ на напречното сечение на проводника и увеличава неговото съпротивление.
  • 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 задържа електрически заряд. Така намотката действа, като че ли успоредно с нея е разположен кондензатор. При достатъчно висока честота този капацитет може да влезе в резонанс с индуктивността на индуктивния елемент, образувайки трептящ кръг.

За да се ограничат паразитния 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[редактиране | редактиране на кода]

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 магнитната проницаемост. Магнитните свойства на сърцевината променят свойствата на индуктивния елемент и изисква специална конструкция.

  • Загуби в магнитната сърцевина: Променливият ток в индуктивния елемент, който създава променливо магнитно поле в 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. Втория процес е свързан с хистерезисните загуби, получавани при пренамагнитването на магнитните домени. Големината на тези загуби е пропорционална на площта на хистерезисната крима (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 е необходимо да се осигури при линейните схеми да се работи само под областта на насищане на магнитната сърцевина.

Индуктивен елемент със сърцевина от листов материал[редактиране | редактиране на кода]

Индуктивен елемент със сърцевина от листов материал (баласт)

Нискочестотните индуктивни елементи често се правят със сърцевина от листов магнитен материал, за да се предотвратят вехровите токове подобно на трансформаторните магнитопроводи. Сърцевината е изработена от пакет от тънки листове от магнитно мек материал като електротехническа стомана или пермалой, чийто повърхности са изолирани. Тази изолация предотвратява вихровитете токове между отделните листове и по този начин намалява загубите.

Индуктивен елемент с феритна сърцевина[редактиране | редактиране на кода]

За високи честоти индуктивните елементи се правят със сърцевина от ферит. Голяма част от феритните магнитномеки материали са с високо обемно съпротивление и вихровите токовне са минимални.

Индуктивен елемент с тороидална сърцевина[редактиране | редактиране на кода]

Тороидален индуктивен елемент на 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.

Дросел[редактиране | редактиране на кода]

Един MF или HF радио дросел за десети от ампера и феритен дросел за няколко ампера.

Дроселът е конструиран специално за блокиране на високочестотен променлив ток в една електрическа схема, като в същото време позволява да преминават нискочестотната и постояннотоковата съставка на електрическия сигнал. Електрическият импеданс на дросела се увеличава при увеличаване на честотата на тока, поради което съпротивлението за високи честоти е много по-високо от съпротивлението за ниски честоти.

Променливи индуктивни елементи[редактиране | редактиране на кода]

(от ляво) Индуктивен елемент с феритна сърцевина с резба (видима на върха) която може да се навива и влиза или излиза от бобината. (вдясно) Вариометър използван в радиоприемниците от 20-те години на 20 век.

Най-често използваният вид индуктивен елемент е с подвижна магнитна сърцевина, която може да бъде преместена навън или навътре в бобината. Преместването навътре води до увеличаването на магнитното поле и от там на индуктивността.

Друг вид променлив индуктивен елемент е вариатора, използван в миналото. Вариаторът се състои от две въздушни бобини една в друга с еднакъв брой навивки, които са свързани последователно. Вътрешната бобина е на въртяща се ос, като двете бобини създават магнитни полета, чиито оси лежат на една равнина. При съвпадане на двете оси в една и съща посока на магнитното поле, полетата се събират и индуктивността е максимална. При завъртане на едната бобина спрямо другата, индуктивността намалява постепенно и при завъртане на обратна посока на вътрешната бобина спрямо външната, магнитните полета стават противоположни по посока и индуктивността става минимална.

Функции в електрическите схеми[редактиране | редактиране на кода]

Феритна сърцевина,състояща се феритен цилиндър отстраняващ електронният шум от захранващият 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 резистори и кондензатори 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 постоянотоковите или променливотоковите съставки. Могат да се създават филтри само за определена честота или за област от честоти.

Приложение[редактиране | редактиране на кода]

Бобина с две намотки с индуктивност по 47 mH, предназначена за използване в захранващи блокове на електронни устройства

Индуктивните елементи намират широко приложение в аналоговите схеми и обработката на сигнали. Съвместно с кондензатори 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 правотоковия изход, до елементи с малка индуктивност, като 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 радиотехниката.

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 Hz, вместо обичайните 50 – 60 Hz, за да се спести тегло.[5].

Индуктивните елементи се използват за съхранение на енергия в някои 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.

Друго важно приложение на индуктивните елементи е разделянето на постоянния от променливия ток. При подобно приложение те се наричат най-често дросели.

Металотърсач[редактиране | редактиране на кода]

Американски войник използва металотърсач за търсене на мини.

Металотърсачът е прибор, с помощта на който се откриват различни метални предмети. Най-широко разпространение имат те във военното дело, за охрана на летища и други обекти. Принципът на действие много често е основан на използването на индуктивни елементи. Използват се принципи на откриване на метал като:

  • Предаваща и приемаща бобина. При наличието на метален предмет се променя коефициента на предаване.
  • Две напълно еднакви бобини балансирани например в мостова схема. При поява на метален предмет в обсега на едната, моста се разбалансира.
  • Измерване на Q-фактора и други.

Усъвършенстването на тези схеми е важно, особено за откриването на мини, оръжия на терористи и други.

Индуктивен датчик[редактиране | редактиране на кода]

Елементи на индуктивен датчик.
1. Индуктивен елемент
2. Осцилатор
3. Демодулатар
4. Тригер
5. Изход
Промишлен индуктивен датчик

Индуктивният датчик е безконтактен датчик, предназначен за контролиране положението на обекти от метал и не е чувствителен към други материали[6] . Основен принцип на индуктивните датчици е управление, при което се използва промяна на параметър на индуктивността.

Принципа на действие е на основата на изменението на амплитудата на колебанията 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 преобразува аналоговия сигнал в логически.

Противокражбени етикети[редактиране | редактиране на кода]

Етикет с LC-трептящ кръг

Тези етикети съдържат вграден трептящ кръг, състоящ се от индуктивен елемент (плоска бобина) и кондензатор. Трептящият кръг има резонансна честота 1.75 MHz до 9.5 MHz. Най-използваната честота е около 8.2 MHz. Отчитането чрез апаратурата се извършва чрез обхождането около резонансната честота и отчитането на извършена кражба. Дезактивирането на етикета 8.2 MHz се постига чрез физическото унищожаване с перфорирането на индуктивния елемент или чрез разрушаването на кондензатора. Това се постига безконтактно чрез силен електромагнитен импулс с честота равна на резонансната честота и индуктирането на електромагнитно напрежение в токовия кръг, превишаващо пробивното напрежение на кондензатора.

Медицинско приложение[редактиране | редактиране на кода]

Миниатюрни индуктивни елементи (бобини) или комбинация от индуктивни елементи, разположени по трите оси [7] се използват за:

  • Диагностика: безжична комуникация с миниатюрни импланти, служещи за датчици (кръвно налягане, сърдечен пулс)
  • Активни импланти за контролиране на пейсмейкъри или пряка мозъчна стимулация
  • Приложение за придвижване в определено направление: целево подаване на лекарствени препарати, придвижване на стент, ендоскопия, гастроскопия и други.
  • Слухови протези.
  • Безжично зареждане на акумулаторни батерии в имплантирани прибори.

Бележки[редактиране | редактиране на кода]

  1. Singh, Yaduvir. Electro Magnetic Field Theory. Pearson Education India, 2011. ISBN 8131760618. с. 65.
  2. Wadhwa, C. L.. Electrical Power Systems. New Age International, 2005. ISBN 8122417221. с. 18.
  3. Pelcovits, Robert A.. Barron's AP Physics C. Barron's Educatonal Series, 2007. ISBN 0764137107. с. 646.
  4. Purcell, Edward M.. Electricity and Magnetism. Cambridge Univ. Press, 2013. ISBN 1107014026. с. 364.
  5. ((en))  Aircraft electrical systems. // Wonderquest.com. Посетен на 24 септември 2010.
  6. Inductive sensors. // September 1, 2001. Посетен на December 29, 2015.
  7. http://www.mirror.upsite.co.il/uploaded/files/1333_237f2b5287baa62bccc8a6a7fd60dd81.pdf