Thuis/Inductoren/De inductor

De inductor

Een inductor is een passief elektrisch onderdeel dat bestaat uit een spoel van draad die is ontworpen om te profiteren van de relatie tussen magnetisme en elektriciteit als gevolg van een elektrische stroom die door de spoel gaat.

In onze tutorials over elektromagnetisme zagen we dat wanneer er elektrische stroom door een draadgeleider stroomt, er een magnetische flux rond de geleider ontstaat. Dit creëert een verband tussen de richting van deze magnetische flux die rond de geleider circuleert en de richting van de stroom die door dezelfde geleider stroomt, wat resulteert in een bekende relatie tussen stroom en magnetische flux, de zogenaamde "Fleming's rechterhandregel".

Maar er is nog een andere belangrijke eigenschap van een gewikkelde spoel, en die bestaat ook. Namelijk dat er door de beweging van de magnetische flux een secundaire spanning in dezelfde spoel wordt geïnduceerd, omdat deze zich tegen elke verandering in de elektrische stroom die erdoorheen stroomt, verzet.

Een typische inductor

In zijn meest basale vorm is eenInductoris niets meer dan een spoel van draad gewikkeld rond een centrale kern. Voor de meeste spoelen is de stroomsterkte (i) die door de spoel stroomt, produceert een magnetische flux, (NΦ) eromheen, die evenredig is met de elektrische stroomsterkte.

DeInductor, ook wel een smoorspoel genoemd, is een ander passief elektrisch onderdeel. Het bestaat uit een draadspoel die is ontworpen om van deze relatie te profiteren door een magnetisch veld in zichzelf of in de kern te induceren als gevolg van de stroom die door de spoel gaat. Dit resulteert in een veel sterker magnetisch veld dan een eenvoudige draadspoel zou produceren.

Spoelen bestaan ​​uit draad die strak om een ​​massieve, centrale kern gewikkeld is. Deze kern kan een rechte cilindrische staaf zijn of een doorlopende lus of ring om de magnetische flux te concentreren.

Het schematische symbool voor een inductor is dat van een spoel van draad, dus een spoel van draad kan ook een spoel van draad worden genoemd.InductorInductoren worden doorgaans gecategoriseerd op basis van het type binnenkern waaromheen ze gewikkeld zijn, bijvoorbeeld holle kern (vrije lucht), massieve ijzeren kern of zachte ferrietkern. De verschillende kerntypen worden onderscheiden door het toevoegen van doorlopende of gestippelde parallelle lijnen naast de draadspoel, zoals hieronder weergegeven.

Inductor symbool

De huidige,iDe magnetische flux die door een spoel stroomt, genereert een magnetische flux die daarmee evenredig is. Maar in tegenstelling tot een condensator, die een spanningsverandering over de platen tegenwerkt, verzet een spoel zich tegen de snelheid van de stroom die erdoorheen stroomt, dankzij de opbouw van zelfgeïnduceerde energie in het magnetische veld.

Met andere woorden, inductoren verzetten zich tegen stroomveranderingen, maar laten gemakkelijk een stationaire gelijkstroom door. Dit vermogen van een inductor om stroomveranderingen te weerstaan, en wat ook de stroom beïnvloedt,imet zijn magnetische fluxkoppeling,NΦals een constante van evenredigheid wordt genoemdInductiewaaraan het symbool wordt gegevenLmet eenheden vanHenry, (H) naar Joseph Henry.

Omdat de Henry een relatief grote eenheid van inductie is, worden voor de kleinere inductoren subeenheden van de Henry gebruikt om de waarde ervan aan te duiden. Bijvoorbeeld:

Inductantie-prefixen

Om de subeenheden van de Henry weer te geven, gebruiken we het volgende voorbeeld:

• 1 mH = 1 milli-Henry– wat gelijk is aan een duizendste (1/1000) van een Henry.

• 100μH = 100 micro-Henries– wat gelijk is aan 100 miljoenste (1/1.000.000) van een Henry.

Inductoren of spoelen worden veel gebruikt in elektrische circuits. Er zijn veel factoren die de inductie van een spoel bepalen, zoals de vorm van de spoel, het aantal windingen van de geïsoleerde draad, het aantal lagen draad, de afstand tussen de windingen, de permeabiliteit van het kernmateriaal, de grootte of doorsnede van de kern, enzovoort.

Een inductorspoel heeft een centrale kern, (A) met een constant aantal windingen van draad per lengte-eenheid, (ik). Dus als een spoel vanNbochten worden verbonden door een hoeveelheid magnetische flux,Fdan heeft de spoel een fluxkoppeling vanNΦen elke stroom, (i) die door de spoel stroomt, zal een geïnduceerde magnetische flux produceren in de tegenovergestelde richting van de stroom. Volgens de Wet van Faraday produceert elke verandering in deze magnetische fluxkoppeling een zelfgeïnduceerde spanning in de enkele spoel van:

• Waar:

• Nis het aantal windingen

• Ais de dwarsdoorsnede in m2

• Fis de hoeveelheid flux in Webers

• Mis de permeabiliteit van het kernmateriaal

• ikis de lengte van de spoel in meters

• di/dtis de veranderingssnelheid van de stroom in ampère/seconde

Een tijdsvariërend magnetisch veld induceert een spanning die evenredig is met de veranderingssnelheid van de stroom die het produceert, waarbij een positieve waarde een toename van de emk aangeeft en een negatieve waarde een afname van de emk. De vergelijking die deze zelfgeïnduceerde spanning, stroom en inductie met elkaar verbindt, kan worden gevonden door deμN2Een / lmetLdie de evenredigheidsconstante aanduidt, deInductievan de spoel.

De verhouding tussen de flux in de spoel en de stroom die door de spoel vloeit, wordt als volgt weergegeven:NΦ = LiOmdat een inductor bestaat uit een spoel van geleidende draad, reduceert dit de bovenstaande vergelijking tot de zelf-geïnduceerde emk, soms detegen-emkook in de spoel geïnduceerd:

Tegen-EMK gegenereerd door een inductor

Waar:Lis de zelfinductie endi/dtde snelheid waarmee de stroom verandert.

Inductorspoel

Uit deze vergelijking kunnen we dus afleiden dat de “zelf-geïnduceerde emk = inductie x snelheid van stroomverandering” en dat een circuit een inductie heeft van 1. Henry zal een emk van 1 volt geïnduceerd hebben in het circuit wanneer de stroom die door het circuit loopt verandert met een snelheid van 1 ampère per seconde.

Een belangrijk punt om op te merken over de bovenstaande vergelijking: deze relateert de emk die door de inductor wordt gegenereerd alleen aan veranderingen in stroomsterkte. Als de stroom door de inductor constant is en niet verandert, zoals bij een stationaire gelijkstroom, zal de geïnduceerde emk-spanning namelijk nul zijn, omdat de momentane snelheid van de stroomverandering nul is.di/dt = 0.

Met een constante gelijkstroom door de spoel en dus een geïnduceerde spanning van nul, gedraagt ​​de spoel zich als een kortsluiting, vergelijkbaar met een stuk draad, of op zijn minst een zeer lage weerstand. Met andere woorden, de weerstand tegen de stroom die een spoel biedt, is sterk verschillend tussen wissel- en gelijkstroomcircuits.

De tijdconstante van een inductor

We weten nu dat de stroom in een spoel niet ogenblikkelijk kan veranderen, want om dit te laten gebeuren, zou de stroom met een eindig bedrag moeten veranderen in de tijd nul, wat zou resulteren in een oneindige snelheid van stroomverandering.di/dt =∞, waardoor de geïnduceerde emk ook oneindig is en er geen oneindige spanningen bestaan. Als de stroom door een spoel echter zeer snel verandert, zoals bij het bedienen van een schakelaar, kunnen er hoge spanningen over de spoel van de spoel worden geïnduceerd.

Beschouw het circuit van de spoel rechts. Met de schakelaar (S1) open, vloeit er geen stroom door de spoel. Omdat er geen stroom door de spoel vloeit, verandert de stroomsterkte (di/dt) in de spoel zal nul zijn. Als de veranderingssnelheid van de stroom nul is, is er geen zelf-geïnduceerde emk, (InL= 0) in de inductorspoel.

Als we nu de schakelaar sluiten (t = 0), zal er een stroom door het circuit vloeien die langzaam stijgt tot zijn maximumwaarde met een snelheid die wordt bepaald door de inductantie van de inductor. Deze stroomsnelheid door de inductor, vermenigvuldigd met de inductantie van de inductor in Henry's, resulteert in een vaste zelfgeïnduceerde emk die over de spoel wordt gegenereerd, zoals bepaald door de bovenstaande vergelijking van Faraday.InL= Ldi/dt.

Deze zelf-geïnduceerde emk over de spoel van de inductor, (InL) vecht tegen de aangelegde spanning totdat de stroom zijn maximale waarde bereikt en een stabiele toestand is bereikt. De stroom die nu door de spoel vloeit, wordt alleen bepaald door de DC- of "zuivere" weerstand van de spoelwikkelingen, aangezien de reactantie van de spoel tot nul is gedaald door de veranderingssnelheid van de stroom (di/dt) is nul in stationaire toestand. Met andere woorden, alleen de gelijkstroomweerstand van de spoel bestaat nu nog om de stroom tegen te houden.

Evenzo zal, als schakelaar (S1) wordt geopend, de stroom door de spoel beginnen te dalen, maar de inductor zal zich opnieuw tegen deze verandering verzetten en proberen de stroom op de oorspronkelijke waarde te houden door een spanning in de andere richting te induceren. De helling van de daling zal negatief zijn en gerelateerd aan de inductantie van de spoel, zoals hieronder weergegeven.

Stroom en spanning in een inductor

Hoeveel geïnduceerde spanning de inductor produceert, hangt af van de snelheid waarmee de stroom verandert. In onze tutorial over elektromagnetische inductie,Wet van Lenzverklaarde dat:“De richting van een geïnduceerde emf is zodanig dat deze altijd de verandering die deze veroorzaakt tegenwerkt”Met andere woorden, een geïnduceerde emk zal zich altijd TEGEN de beweging of verandering keren die de geïnduceerde emk in de eerste plaats heeft veroorzaakt.

Bij een afnemende stroomsterkte fungeert de spanningspolariteit dus als bron en bij een toenemende stroomsterkte als belasting. Bij gelijke stroomsterkteverandering door de spoel zal de grootte van de geïnduceerde emk dus hetzelfde zijn, ongeacht of deze toeneemt of afneemt.

Inductorvoorbeeld nr. 1

Een stationaire gelijkstroom van 4 ampère loopt door een solenoïdespoel van 0,5 H. Wat zou de tegen-EMK-spanning in de spoel zijn als de schakelaar in bovenstaand circuit 10 ms lang open zou staan ​​en de stroom door de spoel zou dalen tot nul ampère?

Vermogen in een inductor

We weten dat een spoel in een circuit de stroom tegenwerkt, (i) erdoorheen, omdat de stroom die deze stroom levert een tegengestelde emk induceert, volgens de Wet van Lenz. Dan moet er arbeid worden verricht door de externe batterijbron om de stroom tegen deze geïnduceerde emk in te laten lopen. Het momentane vermogen dat wordt gebruikt om de stroom te forceren, (i) tegen deze zelf-geïnduceerde emf, (InL) wordt van bovenaf gegeven als:

Het vermogen in een circuit wordt gegeven als:P = V*Idaarom:

Een ideale spoel heeft geen weerstand, alleen inductie. R = 0 Ω en er wordt dus geen vermogen gedissipeerd in de spoel. We kunnen dus zeggen dat een ideale spoel geen vermogensverlies heeft.

Energie in een inductor

Wanneer er stroom door een spoel stroomt, wordt energie opgeslagen in het magnetische veld. Wanneer de stroom door de spoel toeneemt endi/dtgroter wordt dan nul, moet het momentane vermogen in het circuit ook groter zijn dan nul, (P > 0) dat wil zeggen, positief, wat betekent dat er energie in de spoel wordt opgeslagen.

Op dezelfde manier, als de stroom door de inductor afneemt endi/dtkleiner is dan nul, dan moet het momentane vermogen ook kleiner zijn dan nul, (P< 0) d.w.z. negatief, wat betekent dat de spoel energie teruggeeft aan het circuit. Door de bovenstaande vermogensvergelijking te integreren, wordt de totale magnetische energie, die altijd positief is en in de spoel wordt opgeslagen, dus als volgt gegeven:

Energie opgeslagen door een inductor

Waar:INis in joule,Lis in Henries eniis in Ampère

De energie wordt feitelijk opgeslagen in het magnetische veld dat de spoel omringt door de stroom die erdoorheen loopt. In een ideale spoel zonder weerstand of capaciteit stroomt er energie de spoel in naarmate de stroom toeneemt en wordt deze zonder verlies opgeslagen in het magnetische veld. Deze energie komt pas vrij wanneer de stroom afneemt en het magnetische veld instort.

In een wisselstroom- of wisselstroomcircuit slaat een spoel constant energie op en levert deze af bij elke cyclus. Als de stroom door de spoel constant is, zoals in een gelijkstroomcircuit, verandert de opgeslagen energie niet.P = Li(di/dt) = 0.

Spoelen kunnen dus worden gedefinieerd als passieve componenten, omdat ze zowel energie kunnen opslaan als leveren aan het circuit, maar geen energie kunnen genereren. Een ideale spoel wordt geclassificeerd als verliesloos, wat betekent dat hij energie onbeperkt kan opslaan omdat er geen energie verloren gaat.

Echte inductoren zullen echter altijd een zekere weerstand hebben die geassocieerd is met de wikkelingen van de spoel en wanneer er stroom door een weerstand vloeit, gaat er energie verloren in de vorm van warmte vanwege de wet van Ohm (P = ik2R) ongeacht of de stroom wissel- of constant is.

De primaire toepassing van inductoren is in filtercircuits, resonantiecircuits en stroombegrenzing. Een inductor kan in circuits worden gebruikt om wisselstroom of een reeks sinusvormige frequenties te blokkeren of te hervormen. In deze rol kan een inductor worden gebruikt om een ​​eenvoudige radio-ontvanger of diverse soorten oscillatoren te "afstemmen". Het kan ook gevoelige apparatuur beschermen tegen destructieve spanningspieken en hoge inschakelstromen.

In de volgende tutorial over inductoren zullen we zien dat de effectieve weerstand van een spoel inductie wordt genoemd. Die inductie, die zoals we nu weten de eigenschap is van een elektrische geleider die "een verandering in de stroom tegenwerkt", kan intern worden geïnduceerd, zelfinductie genoemd, of extern worden geïnduceerd, wederzijdse inductie genoemd.

https://www.electronics-tutorials.ws/inductor/inductor.html