Introduzione agli induttori

Un componente passivo che rimane sempre oscuro sono gli induttori. Queste sono le strutture a bobina che trovi nella maggior parte dei circuiti elettronici di potenza ed è a causa delle sue proprietà che lavorano i tuoi trasformatori. Il motivo per cui molte persone non comprendono gli induttori è che non solo alterano il campo elettrico ma anche il campo magnetico che lo circonda. In questo tutorial cerchiamo di comprendere le basi di un induttore e di demistificarlo in modo da sapere come e quando utilizzarne uno nelle nostre applicazioni.

Che cos'è un induttore?

L'induttore è forse il più semplice di tutti i componenti elettronici, costruito in modo molto simile a un resistore, una semplice lunghezza di filo arrotolato. Tuttavia, qui, la resistenza non è la proprietà che stiamo cercando. È qualcosa che accade a causa della forma del filo - una bobina - crea un campo magnetico quando una corrente lo attraversa. Questo campo magnetico indotto conferisce a questo pezzettino di filo alcune interessanti proprietà elettriche, in particolare l'induttanza, che dà il nome a queste parti.

Differenza tra un induttore e un condensatore

Abbiamo già imparato a conoscere il condensatore nel precedente articolo. E ora che hai conosciuto le basi dell'induttore potresti avere una domanda: "Qual è la differenza tra un induttore e un condensatore?"

Innanzitutto, entrambe accumulano energia quando viene applicato un potenziale di tensione, ma un condensatore immagazzina energia sotto forma di un campo elettrico e un induttore immagazzina energia sotto forma di un felino magnetico. Va bene, ma come influisce sulle sue prestazioni.

Abbiamo bisogno di scavare molto nel profondo per capirlo, ma per ora puoi solo ricordare che un condensatore tenta di livellare la tensione in un circuito, cioè non gli piace il cambiamento di potenziale attraverso ciascun componente e quindi si carica o scarica per aumentare di livello la tensione. D'altra parte, un induttore non gradisce il cambiamento di corrente all'interno di un circuito, quindi la corrente cambia carica o scarica per equalizzare la corrente attraverso il circuito.

Ricorda inoltre che un Induttore cambia la sua polarità durante la scarica, quindi il potenziale durante la carica sarà opposto al potenziale durante la scarica.

Simboli per induttori

Come molti altri componenti elettronici, il simbolo di un induttore è un pittogramma semplificato di come appare effettivamente:

Le linee vicino al simbolo rappresentano il materiale principale - qualcosa di cui discuteremo più avanti.

Funzionamento di un induttore

Un induttore, come già accennato, è solo una bobina di filo.

Prima di entrare in qualsiasi altra cosa, facciamo la domanda, perché una bobina?

Come già sappiamo, qualsiasi conduttore che trasporta corrente genera un campo magnetico nel modo seguente:

Tuttavia, se inserisci il valore della corrente nelle formule, ti renderai conto che il campo magnetico prodotto è minuscolo - quasi trascurabile, a meno che le correnti non siano incredibilmente alte, nell'ordine dei mega-amp.

Quindi, al fine di aumentare il campo magnetico creato da una specifica lunghezza di filo, lo avvolgiamo nella forma di una bobina. Ciò aumenta il campo magnetico, in questo modo:

Questa forma è anche chiamata solenoide.

Quando viene applicata una tensione attraverso i terminali di un induttore, la corrente che scorre crea un campo magnetico. Questo campo magnetico crea nuovamente una corrente indotta nell'induttore di polarità opposta, secondo la legge di Lenz. Le correnti non si annullano a vicenda - piuttosto, la corrente indotta cerca attivamente di contrastare la corrente in ingresso a causa della tensione attraverso l'induttore. Il risultato complessivo di questa battaglia è che la corrente attraverso un induttore non può cambiare rapidamente - è sempre una pendenza lineare.

Misurare un induttore

Il comportamento lavorativo di un induttore pone una domanda interessante: come misuriamo quantitativamente il comportamento di un induttore in termini facilmente misurabili?

Potremmo provare a misurare gli induttori in base al campo magnetico che creano. Non appena lo facciamo, ci imbattiamo in problemi. Il campo magnetico creato da un induttore dipende dalla corrente che lo attraversa, quindi anche un piccolo induttore può creare un grande campo magnetico.

Invece, potremmo usare lo stesso approccio che abbiamo usato per i condensatori e possiamo definire l'induttanza di un circuito come la variazione di tensione indotta quando la corrente cambia ad una certa velocità.

Matematicamente,

V = L (dI / dt)

Dove V è la tensione, L è l'induttanza, I è la corrente et t è il periodo di tempo.

L'induttanza, "L", è misurata in Henrys, dal nome di Joseph Henry, lo scienziato americano che ha scoperto l'induzione elettromagnetica.

La formula per calcolare l'induttanza di una bobina di filo è data da questa formula:

L = (µn2a) / l

Dove L è l'induttanza in Henrys, µ è la costante di permeabilità, ovvero un coefficiente di quanto facilmente può essere creato il campo magnetico in un dato mezzo, n è il numero di giri, a è l'area della bobina e l è la lunghezza della bobina.

Ancora una volta, Henry è un'unità molto grande, quindi praticamente gli induttori sono misurati in microHenrys, uH, che è un milionesimo di un Henry, o milliHenrys, mH, che è un millesimo di un Henry. Occasionalmente potresti persino trovare induttanze molto piccole misurate in nanoHenrys, che sono un millesimo di uH.

Diversi tipi di induttori

Ora µ nell'equazione sopra ha alcune implicazioni interessanti. Suggerisce che il campo magnetico all'interno dell'induttore può essere manipolato. Come accennato in precedenza, a volte il campo magnetico creato anche da un solenoide non soddisfa i requisiti a volte. Ecco perché in quasi tutti i casi trovi induttori formati attorno a un materiale centrale.

I nuclei sono materiali che supportano la creazione di un campo magnetico. Sono generalmente fatti di ferro e dei suoi composti, come la ferrite (che è un ossido di ferro). Puoi ottenere un campo magnetico maggiore usando un nucleo piuttosto che senza uno.

1. INDUTTORI DEL CORE DELL'ARIA:

Come suggerisce il nome, questo tipo di induttore non ha un nucleo: il materiale principale è l'aria! Poiché l'aria ha una permeabilità relativamente bassa, l'induttanza degli induttori del nucleo dell'aria è piuttosto bassa - raramente al di sopra di 5uH. Dal momento che hanno una bassa induttanza, il tasso di aumento di corrente è abbastanza veloce per una tensione applicata e ciò li rende in grado di gestire le alte frequenze. Sono utilizzati principalmente nei circuiti RF.

2. INDUTTORI DEL NUCLEO DI FERRO

Il ferro è forse il materiale magnetico più riconoscibile, il che lo rende una scelta ideale per gli induttori. Questi assumono la forma di induttori a nucleo di ferro. Di solito vengono utilizzati per il filtraggio delle linee a bassa frequenza, poiché possono essere piuttosto robusti e avere induttanze elevate. Sono utilizzati anche in apparecchiature audio.

3. INDUTTORI AL CUORE DI FERRITE

La ferrite è solo una polvere di ossidi di ferro. Questa polvere viene miscelata con una resina epossidica e modellata per formare nuclei attorno ai quali possono essere avvolti i fili. Gli induttori al nucleo in ferrite sono facilmente i più riconoscibili a causa del loro opaco colore grigio-nero. Inoltre sono molto fragili e si rompono facilmente. Sono i tipi di induttori più utilizzati, poiché la permeabilità può essere controllata con precisione controllando il rapporto tra ferrite e resina epossidica nella miscela.

Induttori in serie e paralleli

Gli induttori collegati in serie e in parallelo si comportano esattamente al contrario dei condensatori.

Ad esempio, per calcolare l'induttanza di un gruppo di induttori in serie, è possibile semplicemente riassumere i valori delle singole induttanze.

L = L1 + L2 +… + Ln

Dove L è l'induttanza totale e L1, L2 ... Ln sono le induttanze individuali.

Supponiamo di avere due induttori, uno che misura 10 uH e l'altro 15 uH, quindi inserendoli in serie si ottiene un'induttanza totale di 25 uH.

Gli induttori in parallelo si comportano allo stesso modo dei resistori in parallelo, l'induttanza è data da:

1 / L = 1 / L1 + 1 / L2 +… + 1 / Ln

Dove L è l'induttanza totale e L1, L2 ... Ln sono le induttanze individuali.

In questo modo se si collegano due induttori 10uH in parallelo, si otterrà un'induttanza di 5uH.

Formule utili per l'induttore

1. ENERGIA MEMORIZZATA DAGLI INDUTTORI:

Gli induttori possono immagazzinare energia in modo molto simile ai condensatori, ma l'energia scompare nel momento in cui si scollega l'alimentazione e il campo magnetico collassa. In altre parole, un induttore non alimentato non può sostenere il suo campo magnetico.

E = ½ * L * I2

Dove E è l'energia in Joules, L è l'induttanza in Henries e I è la corrente in ampere.

Se hai un induttore di 20uH con una corrente di 5A che lo attraversa, l'energia immagazzinata sarà 0.00025J. Anche in questo aspetto gli induttori, come i condensatori, trattengono pochissima energia.

2. TASSO DI AUMENTO CORRENTE

Questa formula è già stata discussa, ma vale la pena dare un'occhiata più da vicino.

V / L = dI / dt

Dove V è la tensione applicata attraverso l'induttore, L è l'induttanza, I è la corrente e t è il tempo.

Ciò afferma che quando viene applicata una tensione costante attraverso l'induttore, la corrente aumenta in una pendenza lineare. Questo può essere utile nella creazione di rampe di corrente, proprio come il condensatore ha creato rampe di tensione a corrente costante.

3. IMPEDENZA

Gli induttori hanno impedenza correlata alla frequenza dalla formula:

XL = 2π * f * L

Dove XL è l'impedenza induttiva, f è la frequenza in Hertz e L è l'induttanza in Henrys.

Comportamento dell'induttore nei circuiti

Sorprendentemente, gli induttori sono praticamente inutili nei circuiti CC, poiché c'è un flusso di corrente costante e l'induttore si comporta come un filo di filo.

Trovano la maggior parte dei loro usi nei circuiti CA. Come menzionato sopra, hanno un'impedenza, che li rende utili per limitare la corrente in un circuito CA, come i reattori della lampada fluorescente.

Possono anche essere usati per filtrare i segnali.

Nel primo caso, l'induttore consente a tutta la corrente CC di fluire attraverso di essa verso terra, impedendo a tutte le basse frequenze di raggiungere l'uscita. A frequenze più alte, l'impedenza dell'induttore aumenta costantemente, quindi il segnale può passare attraverso l'uscita, quindi viene chiamato filtro passa alto.

Nel secondo caso, l'induttore consente al DC e alle basse frequenze di passare, ma blocca tutte le alte frequenze dall'uscita e quindi viene chiamato filtro passa basso.

Induttori nella vita reale

Gli induttori, poiché sono fatti di filo di rame e ferrite, tendono ad essere costosi e trovano la maggior parte dei loro usi in radio, alimentatori e apparecchiature di telecomunicazione.

Negli alimentatori, viene utilizzata la proprietà di un induttore per prevenire improvvisi cambiamenti di corrente. Insieme a un condensatore, agisce per impedire improvvisi cambiamenti nella tensione e nella corrente di uscita dell'alimentatore.

I circuiti RF fanno uso di un interessante circuito LC chiamato serbatoio. Il condensatore viene caricato e scaricato nell'induttore, che crea il suo campo magnetico. Quando il campo magnetico collassa, viene creata una tensione che carica il condensatore. Questo crea oscillazioni periodiche che possono essere utilizzate per generare alte frequenze.

La frequenza può essere calcolata con la formula:

Dove f è la frequenza in Hertz, L è l'induttanza in Henrys e C è la capacità in Farads.

Conclusione

E questa è tutta la conoscenza pratica di cui avrai bisogno per lavorare con gli induttori. Sono dispositivi intrinsecamente semplici e non sono così diffusi come i loro parenti di condensatori e resistori, ma sono comunque molto utili.

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