Kelat muuttuvalla induktanssilla. Vektorikaavio todellisesta kelasta ja sen kokonaisresistanssista. Ydinhäviöt koostuvat pyörrevirtahäviöistä, hystereesihäviöistä ja alkuhäviöistä.

Mitä tarkoitat sanalla "rulla"? No... tämä on luultavasti jonkinlainen "viikuna", jossa langat, siima, köysi, mitä tahansa! Induktorikela on täsmälleen sama asia, mutta siihen kierretään langan, siiman tai minkä tahansa muun sijaan tavallinen eristeen kuparilanka.

Eristys voi olla kirkasta lakkaa, PVC-eristettä tai jopa kangasta. Temppu tässä on, että vaikka induktorin johdot ovat hyvin lähellä toisiaan, ne silti eristetty toisistaan. Jos käämit induktorikelat omin käsin, älä missään tapauksessa edes ajattele tavallisen paljaan kuparilangan käyttöä!

Induktanssi

Jokaisella induktorilla on induktanssi. Kelan induktanssi mitataan Henry(Gn), merkitty kirjaimella L ja mitataan LC-mittarilla.

Mikä on induktanssi? Jos sähkövirta johdetaan johdon läpi, se luo magneettikentän ympärilleen:

Missä

B — magneettikenttä, Wb

minä-

Otetaan tämä lanka ja kelataan se spiraaliksi ja kytketään jännite sen päihin

Ja saamme tämän kuvan magneettisilla voimalinjoilla:

Karkeasti sanottuna mitä enemmän magneettikenttäviivoja ylittää tämän solenoidin alueen, meidän tapauksessamme sylinterin alueen, sitä suurempi magneettivuo on (F). Koska kelan läpi kulkee sähkövirta, se tarkoittaa, että sen läpi kulkee virta, jolla on virran voimakkuus (minä), ja magneettivuon ja virran voimakkuuden välistä kerrointa kutsutaan induktanssiksi ja se lasketaan kaavalla:

Tieteellisesti katsottuna induktanssi on kyky ottaa energiaa sähkövirran lähteestä ja varastoida se magneettikentän muodossa. Jos käämin virta kasvaa, magneettikenttä käämin ympärillä laajenee, ja jos virta pienenee, magneettikenttä supistuu.

Itseinduktio

Induktorilla on myös erittäin mielenkiintoinen ominaisuus. Kun syötetään kelalle DC jännite, vastakkainen jännite ilmestyy kelaan lyhyen aikaa.

Tätä vastakkaista jännitettä kutsutaan Itse aiheutettu emf. Tämä riippuu kelan induktanssiarvosta. Siksi sillä hetkellä, kun käämiin syötetään jännite, virta muuttaa vähitellen arvoaan 0:sta tiettyyn arvoon sekunnin murto-osassa, koska jännite sähkövirran syöttöhetkellä muuttaa myös arvoaan nollasta tasaiseen arvoon. Ohmin lain mukaan:

Missä

minä- virran voimakkuus kelassa, A

U- jännite kelassa, V

R- kelan vastus, ohm

Kuten kaavasta nähdään, jännite muuttuu nollasta kelaan syötettyyn jännitteeseen, joten myös virta muuttuu nollasta johonkin arvoon. DC:n kelan resistanssi on myös vakio.

Ja toinen ilmiö induktorissa on, että jos avaamme induktorin ja virtalähteen välisen piirin, itseinduktio-emf lisätään jännitteeseen, jonka olemme jo syöttäneet kelaan.

Eli heti kun katkaisemme piirin, kelan jännite sillä hetkellä voi olla monta kertaa suurempi kuin se oli ennen piirin katkeamista, ja virranvoimakkuus kelapiirissä laskee hiljaa, koska itseinduktio emf ylläpitää laskevaa jännitettä.

Tehdään ensimmäiset johtopäätökset kelan toiminnasta, kun siihen syötetään tasavirtaa. Kun kelaan syötetään sähkövirtaa, virran voimakkuus kasvaa vähitellen ja kun sähkövirta poistetaan kelasta, virranvoimakkuus laskee tasaisesti nollaan. Lyhyesti sanottuna kelan virranvoimakkuus ei voi muuttua välittömästi.

Induktorityypit

Induktorit jaetaan pääasiassa kahteen luokkaan: magneettisella ja ei-magneettisella ytimellä. Kuvan alla on kela, jossa on ei-magneettinen ydin.

Mutta missä on hänen ydin? Ilma on ei-magneettinen ydin :-). Tällaisia ​​keloja voidaan myös kääriä jollekin lieriömäiselle paperiputkelle. Induktanssikeloja, joissa on ei-magneettinen sydän, käytetään, kun induktanssi ei ylitä 5 millihenryä.

Ja tässä ovat induktorit ytimellä:

Pääasiassa käytetään ferriitti- ja rautalevyistä valmistettuja ytimiä. Sydämet lisäävät kelojen induktanssia merkittävästi. Renkaan muotoiset ytimet (toroidiset) mahdollistavat suuremman induktanssin kuin pelkät sylinteriytimet.

Keskiinduktanssin keloissa käytetään ferriittiytimiä:

Korkean induktanssin omaavat käämit valmistetaan kuten muuntaja, jossa on rautasydäminen, mutta yhdellä käämityksellä, toisin kuin muuntaja.

Tukehtuu

On myös erikoislaatuinen induktorit. Nämä ovat ns. Kuristus on kela, jonka tehtävänä on luoda piiriin suuri vastus vaihtovirta vaimentaa suurtaajuisia virtoja.

Tasavirta kulkee kelan läpi ilman ongelmia. Voit lukea tästä artikkelista, miksi näin tapahtuu. Tyypillisesti kuristimet on kytketty vahvistinlaitteiden tehonsyöttöpiireihin. Rikastimet on suunniteltu suojaamaan virtalähteitä joutumasta niihin. korkeataajuisia signaaleja(RF-signaalit). Päällä matalat taajuudet(LF) niitä käytetään tehonsyöttöpiireissä ja niissä on yleensä metalli- tai ferriittiytimet. Alla kuvassa tehokuristimet:

On myös toinen erityinen kuristimia - tämä. Se koostuu kahdesta vastakääritystä kelasta. Vastakäämityksen ja keskinäisen induktion ansiosta se on tehokkaampi. Kaksoiskuristimia käytetään laajasti virtalähteiden tulosuodattimina sekä äänitekniikassa.

Kokeilu kelalla

Mistä tekijöistä kelan induktanssi riippuu? Tehdään joitain kokeita. Kääriin kelan, jossa on ei-magneettinen ydin. Sen induktanssi on niin pieni, että LC-mittari näyttää minulle nollaa.

Siinä on ferriittisydän

Alan työntää kelaa ytimeen aivan reunaan asti

LC-mittari näyttää 21 mikrohenryä.

Asetan kelan ferriitin keskelle

35 mikrohenryä. Jo paremmin.

Jatkan kelan työntämistä ferriitin oikeaan reunaan

20 mikrohenryä. Päättelemme Sylinterimäisen ferriitin suurin induktanssi esiintyy sen keskellä. Siksi, jos kelaat sylinterillä, yritä kelata ferriitin keskeltä. Tätä omaisuutta käytetään tasainen muutos induktanssi sisään muuttuvat kelat induktanssi:

Missä

1 on kelan runko

2 - nämä ovat kelan kierrokset

3 - ydin, jonka päällä on ura pienelle ruuvimeisselille. Ruuvaamalla tai irrottamalla sydäntä muutamme siten käämin induktanssia.

Induktanssi on tullut lähes 50 mikrohenryä!

Yritetään oikaista käännöksiä läpi ferriitin

13 mikrohenryä. Päättelemme: Maksimaalisen induktanssin saavuttamiseksi kela on kierrettävä "käännös käännökseen".

Vähennetään kelan kierroksia puoleen. Kiertoja oli 24, nyt niitä on 12.

Erittäin pieni induktanssi. Vähensin kierrosten määrää 2 kertaa, induktanssi laski 10 kertaa. Johtopäätös: mitä pienempi kierrosten määrä, sitä pienempi induktanssi ja päinvastoin. Induktanssi ei muutu lineaarisesti kierrosten yli.

Kokeillaan ferriittirengasta.

Mittaamme induktanssin

15 mikrohenryä

Siirretään kelan kierroksia poispäin toisistaan

Mitataan taas

Hmm, myös 15 mikrohenryä. Päättelemme: Etäisyydellä käännöksestä käännökseen ei ole mitään merkitystä toroidisessa induktorissa.

Tehdään lisää käännöksiä. Käänteitä oli 3, nyt niitä on 9.

Me mittaamme

Vau! Lisäsi kierrosten määrää 3 kertaa ja induktanssi kasvoi 12 kertaa! Johtopäätös: Induktanssi ei muutu lineaarisesti kierrosten yli.

Jos uskot induktanssien laskentakaavoja, induktanssi riippuu "käännösten neliöstä". En julkaise näitä kaavoja tänne, koska en näe tarvetta. Sanon vain, että induktanssi riippuu myös sellaisista parametreista kuin ydin (mikä materiaalista se on valmistettu), sydämen poikkileikkauspinta-ala ja kelan pituus.

Merkinnät kaavioissa

Kelojen sarja- ja rinnakkaiskytkentä

klo sarjaliitäntä induktanssit, niiden kokonaisinduktanssi on yhtä suuri kuin induktanssien summa.

Ja milloin rinnakkaisliitäntä saamme tämän:

Kun kytket induktanssit, on tehtävä seuraava: Sääntönä on, että ne tulee sijoittaa laudalla tilapäisesti. Tämä johtuu siitä, että jos ne ovat lähellä toisiaan, niiden magneettikentät vaikuttavat toisiinsa ja siksi induktanssien lukemat ovat virheellisiä. Älä aseta kahta tai useampaa toroidaalista kelaa yhdelle rauta-akselille. Tämä voi johtaa vääriin kokonaisinduktanssilukemiin.

Yhteenveto

Induktorilla on erittäin tärkeä rooli elektroniikassa, erityisesti lähetin-vastaanotinlaitteissa. Erilaisia ​​elektronisia radiolaitteita rakennetaan myös induktorikeloihin, ja sähkötekniikassa niitä käytetään myös virran ylijänniterajoittimena.

Soldering Ironin kaverit tekivät erittäin hyvän videon kelasta. Suosittelen katsomaan pakollinen:

Jos kela on kytketty vaihtovirtapiiriin, niin tällaisessa piirissä virran vaihe on aina jäljessä jännitevaiheesta. Analysoidaan syitä tähän viiveeseen käyttämällä yksinkertaisinta esimerkkiä, kun piirissä on vain induktiivinen resistanssi, eikä ohmista vastusta ole ollenkaan, tai pikemminkin itseinduktiokelan johtimen ohminen resistanssi voidaan jättää huomiotta, koska se on pieni.

Ilmiöiden tarkastelun helpottamiseksi oletetaan, että kytkemme kelan vaihtovirtalähteeseen sillä hetkellä, kun sen liittimissä olevalla jännitteellä U on maksimiamplitudiarvo (kuva 1a). Pidämme tätä hetkeä jakson alussa.

Kuva 1. Itseinduktio-inertia.a) virran, jännitteen ja itseinduktion emf vaiheiden välinen suhde, kun kela on kytketty vaihtovirtapiiriin; b) liikenopeuden, ulkoisen voiman ja hitausvoiman vaiheiden välinen suhde

Kun kela kytketään päälle, siihen syntyy välittömästi sähkövirta. Mutta virta ei voi saavuttaa heti amplitudiarvoaan, koska sen ilmaantuessa kelan ympärille alkaa muodostua magneettikenttä, joka indusoi kelassa itseinduktio-emf:n, joka on suunnattu vastaan. ulkoinen jännite, eli vaihtovirtalähteen jännite. Itseinduktion sähkömotorinen voima estää virran nopean kasvun kelassa. Siksi nykyinen nousu kestää kokonaisen neljänneksen jaksosta.

Jakson ensimmäisen vuosineljänneksen loppua lähestyessä kelan virran nousuvauhti hidastuu vähitellen.

Mutta samaan aikaan myös itseinduktio-emf heikkenee, koska sen suuruus riippuu virran voimakkuuden muutosnopeudesta.

Joten jakson ensimmäisen neljänneksen lopussa kelaan syötetty ulkoinen jännite on yhtä suuri kuin nolla, itseinduktio emf on myös yhtä suuri kuin nolla ja kelan virta ja sen ympärillä oleva magneettivuo on suurimmat amplitudiarvot. Tietty määrä virtalähteestä vastaanotettua energiaa varastoidaan kelan magneettikenttään.

Jakson toisen vuosineljänneksen alussa suuntaaan vaihtanut ulkoinen jännite kasvaa, minkä seurauksena käämin virta, joka edelleen virtaa samaan suuntaan, alkaa laskea. Mutta nyt itseinduktio-emf nousee jälleen kelaan magneettivuon vähenemisen vuoksi, mikä pitää virran samassa suunnassa.

Jakson koko toisen neljänneksen ajan ulkoinen jännite kasvaa ja virta pienenee. Toisen vuosineljänneksen alussa pienenä virranvoimakkuuden laskuvauhti kiihtyy vähitellen ja saavuttaa suurimman arvonsa tämän vuosineljänneksen lopussa.

Eli jakson toisen neljänneksen loppuun mennessä ulkoinen jännite lähestyy amplitudiarvoa ja virran voimakkuus ja magneettinen sävel lähestyvät nollaa, mikä pienenee suurempi nopeus, jonka seurauksena itseinduktio-EMF saavuttaa amplitudiarvonsa. Itseinduktion EMF:n suunta, kuten aina, pysyy vastakkaisena ulkoisen jännitteen suuntaan. Jakson ensimmäisen neljänneksen aikana magneettikenttään varastoitunut energia palautetaan nyt takaisin piiriin.

Jakson toisella puoliskolla (kolmannella ja neljännellä neljänneksellä) kaikki ilmiöt tapahtuvat samassa järjestyksessä, ainoana erona on se, että virran, ulkoisen jännitteen ja itseinduktion emf:n suunnat muuttuvat päinvastaisiksi (kuva 1a). .).

Näin ollen virran vaihe jää aina jännitteen vaihetta jäljessä ja on helppo huomata, että virran ja jännitteen vaihesiirtymä on 90°.

Kuvitellaan, että työnnämme lastattua vaunua kiskoja pitkin. Ensimmäisellä hetkellä, kun vaunu vain alkaa liikkua, kohdistamme siihen maksimivoiman, jota vähennämme vähitellen vaunun nopeuden kasvaessa. Samalla tunnemme, että vaunu, jolla on hitaus, näyttää vastustavan ponnistelujamme. Tämä vaunun vastustus (reaktio) on alussa erityisen voimakas, mutta ponnistelujemme heikkeneessä vaunun vastus heikkenee, se lakkaa vähitellen olemasta "itsepäinen" ja rullaa kuuliaisesti kiskoja pitkin.

Sitten lopetamme vaunun työntämisen kokonaan ja jopa päinvastoin, alamme vetää sitä vähitellen vastakkaiseen suuntaan. Samalla tunnemme, että vaunu vastustaa jälleen ponnistelujamme. Jos vedämme vaunua takaisin yhä kovemmin, niin sen vastus kasvaa vastaavasti yhä enemmän. Lopuksi voimme pysäyttää vaunun ja jopa muuttaa sen liikesuuntaa. Kun vaunu rullaa taaksepäin, heikennämme asteittain ponnistelujamme, eli vedämme sitä heikommin ja heikommin, mutta tästä huolimatta vaunun nopeus kasvaa edelleen (laakerien kitkan ollessa heikko).

Kun vaunu kulkee puoliväliin vastakkaiseen suuntaan, lopetamme sen vetämisen kokonaan ja muutamme taas ponnistelujemme suuntaa, eli alamme viivyttää sitä uudelleen, lisäämällä asteittain jarrutusvoimaa, kunnes vaunu pysähtyy, ottamalla alkuperäisen (käynnistyksen) asema. Tämän jälkeen voimme jatkaa kaikkia toimiamme alusta.

Tässä esimerkissä vaunuun kohdistettu ponnistelumme vastaa ulkoinen EMF, vaunun vastus sen hitaudesta - Itse aiheutettu emf, ja vaunun nopeus on sähkövirta . Jos kuvaamme graafisesti ponnistelujemme muutosta sekä vaunun vastuksen ja sen nopeuden muutosta ajan myötä, saamme kaavioita (kuva 1b), jotka vastaavat tarkasti kuvan 1a käyriä.

Tästä esimerkistä reaktiivisen (wattleless) vastuksen olemus tulee selvemmäksi. Itse asiassa jakson ensimmäisen neljänneksen aikana työnsimme vaunua, ja se vastusti ponnistelujamme; jakson toisella neljänneksellä hän rullasi omillaan, ja me "lepäsimme"; jakson kolmannella neljänneksellä vedimme sitä jälleen, ja vaunu vastusti jälleen ponnistuksiamme ja lopulta jakson neljännellä neljänneksellä se rullasi jälleen itsestään ja hidastimme sitä.

Lyhyesti sanottuna jakson ensimmäisen ja kolmannen vuosineljänneksen aikana työskentelimme "kärrylle" ja toisella ja neljännellä vuosineljänneksellä se toimi "meille" palauttaen saamamme energian. Seurauksena oli, että työmme osoittautui "kiivattomaksi".

Täten induktori vaihtovirtapiirissä voi toimia kiiltottomana vastuksena.

Pitkän solenoidin sisällä oleva magneettikenttä on tasainen. Lisäksi usein solenoidi kutsutaan laitteeksi, joka suorittaa mekaaninen työ magneettikentästä johtuen vedettäessä ferromagneettista ydintä sisään, tai sähkömagneetti. Sähkömagneettisissa releissä niitä kutsutaan releen kela, harvemmin - sähkömagneetti.

Kun sitä käytetään energian varastointiin, sitä kutsutaan induktioakku.

Design

Induktanssin lisäämiseksi niissä on usein suljettu tai avoin ferromagneettinen ydin. Kuristimet, jotka on suunniteltu tasoittamaan teollisia ja teollisia pulsaatioita äänitaajuus niissä on sähköteräksistä tai pehmeistä magneettiseoksista (permalloy) valmistettuja ytimiä. Sydämiä käytetään myös käämien induktanssin muuttamiseen pienissä rajoissa muuttamalla sydämen paikkaa suhteessa käämiin, yleensä ferromagneettiseen ytimeen. Mikroaaltotaajuuksilla, kun ferrodielektrit menettävät korkean magneettisen läpäisevyytensä ja häviöt kasvavat jyrkästi, tähän tarkoitukseen käytetään metallisydämiä (messinkiä).

Induktorin ominaisuudet

Induktorin ominaisuudet:

• Kelan läpi kulkevan virran muutosnopeus on rajoitettu ja sen määrää kelan induktanssi.
• Kelan resistanssi (impedanssimoduuli) kasvaa sen läpi kulkevan virran taajuuden kasvaessa.
• Kun virta kulkee, induktori varastoi energiaa magneettikenttään. Kun yhteys on katkaistu ulkoinen lähde virta, käämi vapauttaa varastoidun energian yrittäen ylläpitää virran määrää piirissä. Tässä tapauksessa käämin jännite kasvaa, kunnes eristys hajoaa tai kytkentäkytkimeen syntyy kaari.

Kelan induktanssi on verrannollinen käämin lineaarisiin mittoihin, sydämen magneettiseen läpäisevyyteen ja käämityskierrosten neliöön. Toroidiytimeen kierretyn kelan induktanssi:

missä - magneettivakio - ydinmateriaalin suhteellinen magneettinen permeabiliteetti (taajuudesta riippuen) - sydämen poikkileikkauspinta-ala - sydämen keskilinjan pituus - kierrosten lukumäärä

Kun kelat on kytketty sarjaan, kokonaisinduktanssi on yhtä suuri kuin kaikkien kytkettyjen käämien induktanssien summa:

Kun kelat on kytketty rinnan, kokonaisinduktanssi on yhtä suuri:

Tappiokestävyys

Johtojen häviöt

Johtojen katoaminen johtuu kolmesta syystä:

• Käämilangoilla on ohminen (aktiivinen) vastus.
• Käämilangan vastus kasvaa taajuuden kasvaessa, mikä johtuu ihovaikutuksesta. Vaikutuksen ydin on virran siirtyminen langan pintakerroksiin. Tämän seurauksena johtimen hyödyllinen poikkileikkaus pienenee ja vastus kasvaa.
• Spiraaliksi kierretyn käämin johdoissa ilmenee läheisyysvaikutus, jonka ydin on virran siirtyminen pyörrevirtojen ja magneettikentän vaikutuksesta käämin kehälle. Tämän seurauksena poikkileikkaus, jonka läpi virta kulkee, saa puolikuun muodon, mikä johtaa langan resistanssin lisäkasvuun.

Dielektriset häviöt

Häviöt eristeessä (langan eristys ja käämin runko) voidaan luokitella kahteen luokkaan:

• Välikondensaattorin eristeestä aiheutuvat häviöt (kierrosvuoto ja muut kondensaattorien dielektrikolle ominaiset häviöt).
• Häviöt, jotka johtuvat eristeen magneettisista ominaisuuksista (nämä häviöt ovat samanlaisia ​​kuin ytimen häviöt).

SISÄÄN yleinen tapaus Voidaan todeta, että yleiseen käyttöön tarkoitettujen nykyaikaisten kelojen häviöt eristeessä ovat useimmiten mitättömiä.

Ytimen menetys

Ytimen häviöt koostuvat pyörrevirroista aiheutuvista häviöistä, ferromagneetin magnetoinnin käänteisestä johtuvista häviöistä, hystereesistä.

Pyörrevirtahäviöt

Vaihtuva magneettikenttä indusoi pyörre-EMF:n ympäröiviin johtimiin, esimerkiksi sydämeen, suojukseen ja vierekkäisten kierrosten johtimiin. Tuloksena syntyvistä pyörrevirroista (Foucault-virrat) tulee häviöiden lähde johtimien ohmisen resistanssin vuoksi.

Laatutekijä

Toinen ominaisuus liittyy läheisesti häviönkestävyyteen - laatutekijä. Induktorin laatutekijä määrää kelan aktiivisuuden ja reaktanssin suhteen. Laatutekijä on

Joskus käämin häviöille on ominaista häviötangentti (laatutekijän käänteisluku) - käämin virran ja jännitteen vaihesiirto sinimuotoisessa signaalipiirissä suhteessa π/2:een - ihanteellinen kela.

Taajuuksilla, jotka ovat oman resonanssinsa alapuolella, tämä vaikutus ilmenee laatutekijän heikkenemisenä taajuuden kasvaessa.

Voit lisätä oman resonanssinsa taajuutta käyttämällä monimutkaiset piirit käämityskelat, jakamalla yksi käämi erillään oleviin osiin.

Lämpötila-induktanssikerroin (TCI)

TCI on parametri, joka luonnehtii kelan induktanssin riippuvuutta lämpötilasta.

Painolastin kuristin. Aikaisemmin käytetty mm reaktanssi varten loistelamput induktori

Katso myös

Huomautuksia

Linkit

Passiivinen kiinteä tila	Vastus Muuttuva vastus Trimmeri vastus Varistori Kondensaattori Muuttuva kondensaattori Trimmeri kondensaattori Induktori · Kvartsi resonaattori· Sulake · Itsepalautuva sulake Muuntaja
Aktiivinen solid State	Diodi· LED · Valodiodi · Puolijohdelaser · Schottky diodi· Zener-diodi · Stabilisaattori · Varicap · Varicond Diodi silta · Lumivyörydiodi · Tunneli diodi · Gunn diodi Transistori · Bipolaarinen transistori · Kenttätransistori · CMOS-transistori · Unijunction-transistori· Fototransistori · Komposiittitransistori Ballistinen transistori Integroitu virtapiiri · Digitaalinen integroitu piiri · Analoginen integroitu piiri Tyristori· Triac · Dynistor · Memristor
Passiivinen tyhjiö	Barett
Aktiivinen tyhjiö ja kaasupurkaus	Sähköinen lamppu · Sähkötyhjiödiodi ·

Siten jännite induktanssin poikki muuttuu jaksollisen lain mukaan amplitudilla , mutta jännitteen vaihtelut induktanssin yli ovat virran vaihevaihteluita edellä. Induktanssin virran ja jännitteen aikariippuvuudet on esitetty kuvassa. 7.5

Fyysinen syy Vaihe-eron esiintyminen virran ja jännitteen välillä induktanssin yli on seuraava. Virran kasvaessa induktorissa syntyy indusoitunut virta, joka tässä tapauksessa ohjataan Lenzin säännön mukaan päävirtaan. Siksi virran muutos on epävaiheessa jännitteen muutoksen kanssa. Vertaamalla c Ohmin lain lauseketta voit nähdä, että määrällä on vastuksen rooli. Sitä kutsutaan yleisesti induktiiviseksi reaktanssiksi. Induktiivinen reaktanssi riippuu taajuudesta, joten korkeilla taajuuksilla pienetkin induktanssit voivat aiheuttaa suuria vastustuksia vaihtovirroille. Tasavirralla induktanssi ei ole vastus.

Vektorikaaviossa (kuva 7.6) induktanssin poikki jännitteen vaihtelua vastaava vektori on kierretty suhteessa virran akseliin, sen pituus on yhtä suuri kuin amplitudi.

Induktiivista reaktanssia käytetään rakentamaan kuristimia, jotka ovat lankakeloja, jotka on asetettu vaihtovirtapiiriin. Kuristimien käyttöönotto mahdollistaa virran voimakkuuden säätelyn ilman ylimääräisiä energiahäviöitä, jotka liittyvät lämmön vapautumiseen Joule-Lenzin lain mukaisesti.

Selitys

Jos korkeamman matematiikan elementtien käyttö tämän osan opiskelussa aiheuttaa vaikeuksia, voit käyttää pienten lisäysten käsitettä muuttujia

Käsiteltävänä olevassa tapauksessa a. Käytetty jännite on täsmälleen tasapainotettu itseinduktion sähkömoottorivoimalla. Jos virtapiirissä on , niin jännitehäviö induktanssin yli on yhtä suuri kuin . Virran voimakkuuden muutos lyhyellä aikavälillä on yhtä suuri kuin

Koska aika on lyhyt, , siis, . Täältä saamme sen . Induktanssin yli oleva jännite on yhtä suuri kuin

Siten päästään samaan tulokseen: jännite induktanssin poikki muuttuu jaksollisen lain mukaan, jonka amplitudi on , mutta jännitteen vaihtelut induktanssin yli ovat virran vaihtelua edellä.

Ketju kapasiteetilla

Tarkastellaan vaihtovirtapiiriä, jossa on osa, joka sisältää kapasitanssin omaavan kondensaattorin (kuva 7.7); induktanssi ja resistanssi voidaan jättää huomiotta. Kondensaattorin läsnäolo piirissä estää tasavirran kulkemisen sen läpi. Tässä tapauksessa kondensaattorilevyjen välinen potentiaaliero kompensoi täysin sähkömotorinen voima. Tällaisessa piirissä voi kuitenkin olla vaihtovirtaa, koska levyjen varaus muuttuu ajan myötä. Jännitteen pudotus kondensaattorin yli. Jos , niin kondensaattorilevyjen varaus on yhtä suuri . Tässä kaavassa tarkoittaa jatkuva lataus kondensaattori, joka ei liity virran vaihteluihin. Mietitäänpä sitä yhtä kuin nolla. Siten kondensaattorilevyjen jännite on yhtä suuri:

,

missä on jännitteen vaihteluiden amplitudi.

Ohmin lakiin verrattuna on selvää, että suurella on vastuksen rooli, sitä kutsutaan yleensä reaktiiviseksi kapasitanssiksi. Kuten ohminen vastus, kapasitanssi SI-yksiköissä ilmaistaan ​​ohmeina. Huomaa, että kaava määrittää suhteen virran ja jännitteen maksimiarvojen välille. Sitä ei kuitenkaan voida pitää virran ja jännitteen hetkellisten arvojen välisenä suhteena, kuten tasavirran Ohmin lain tapauksessa, koska jännitteen ja virran välillä on vaihe-ero ja niiden maksimiarvot eivät ole saavutetaan samanaikaisesti.

Kaava on helppo testata kokeellisesti. Jos teet piirin, joka sisältää säädettävän kondensaattorin, hehkulampun ja vaihtovirtalähteen, voit olla varma, että mitä lisää kapasiteettia kondensaattori, mitä kirkkaampi hehkulamppu, eli sitä suurempi virtapiirissä. Kapasitanssi riippuu myös taajuudesta. Siksi erittäin korkeat taajuudet Pienetkin kapasitanssit voivat vastustaa vaihtovirtaa hyvin vähän. Tasavirralle kapasitanssi edustaa äärettömän suurta vastusta, joten DC. tällaisessa ketjussa on olemassa vain kauden ensimmäisellä neljänneksellä, jolloin lataus käynnissä kondensaattori. Sitten virta pysähtyy, piiri on avoin tasavirralle. Tällaisessa piirissä on vaihtovirtaa, ja korkeilla taajuuksilla pienet kapasitanssit edustavat pieniä vastuksia.

Kaavio virran ja jännitteen muutoksista kondensaattorin yli on esitetty kuvassa. 7.8 Kondensaattorin jännite, kuten virta, muuttuu harmonisen lain mukaan, mutta jännitteenvaihtelut jäävät virran vaihevaihteluista jälkeen. Fyysinen merkitys Tämä vaikutus selitetään yksinkertaisesti. Kun jännite alkaa nousta, kondensaattorin levyjen varaus on nolla, joten varaus virtaa esteettä levyille ja virta on suuri. Kun jännite lähestyy maksimiarvoaan, kondensaattorilevyille jo kertynyt varaus estää latauksen jatkamisen ja virtapiirissä putoaa nollaan. Lisäksi kun jännite laskee, levyihin kertynyt varaus alkaa lähteä levyistä ja virta kasvaa, mutta virta kulkee vastakkaiseen suuntaan. Toisin sanoen kondensaattorin jännite jossain vaiheessa määräytyy kondensaattorin levyjen varauksen määrän mukaan, jonka syöttää aikaisemmassa värähtelyvaiheessa kulkeva virta. Siksi virran vaihtelut ovat kondensaattorin yli esiintyvän jännitteen edellä.

Vektorikaaviossa (kuva 7.9) jännitteen heilahteluvektoria kierretään suhteessa virran akseliin negatiivisen kulman verran.

2.6. AC piiri,
sisältää aktiivisen resistenssin,
induktanssi ja kapasitanssi

Tarkastellaan piiriä, joka koostuu sarjaan kytketystä aktiivisesta resistanssista, kelasta, kondensaattorista ja lähteestä AC jännite U(Kuva 7.10). Etsitään virran voimakkuus, joka muodostuu piiriin, kun jännite vaihtelee lain mukaan.

Tasavirralla kokonaisresistanssi sarjakytkennässä on yhtä suuri kuin kaikkien piirielementtien vastusten summa. Tämä johtuu siitä, että kokonaispotentiaaliero kytkettäessä piirielementtejä sarjaan on yhtä suuri kuin yksittäisten elementtien jännitehäviöiden summa. Vaihtovirran tapauksessa tilanne on monimutkaisempi. Virralla kaikissa piirin elementeissä on sama arvo samaan aikaan ja sama vaihe. Kondensaattorissa oleva jännite johtaa virran vaiheeseen ja johtaa siten kondensaattorin kanssa sarjaan kytketyn resistanssin jännitteen mukaan. Samanaikaisesti induktorin yli oleva jännite on epävaiheessa päällä olevan virran kanssa ja siten epävaiheessa kondensaattorin ylittävän jännitteen kanssa. Siksi induktorin ja kondensaattorin välinen kokonaisjännite on yhtä suuri kuin niiden välinen jännite-ero ja johtaa jännitteen resistanssin yli vaiheittain. Koko piirin potentiaaliero on yhtä suuri kuin näiden kahden sinimuotoisesti vaihtelevan jännitteen summa: tuloksena oleva jännite kelan ja kondensaattorin yli ja jännite aktiivinen vastus. Tämä jännite muuttuu myös sinilain mukaan ja sen amplitudi on yhtä suuri kuin piirin kaikkien elementtien jänniteamplitudien vektorisumman moduuli. yhtä suuri kuin vaihesiirto virran ja jännitteen välillä piirissä. Kolmiosta. Jännitevaihe induktanssilla johtaa aina ulkoisen jännitteen vaiheen kulman 0 - - ja kondensaattorissa aina kulman 0 - - jäljessä. Vektorikaavio kuvassa 7.11 on rakennettu tapaukseen, kun . Tässä tapauksessa ulkoisen lähteen jännite on kulman verran edellä vaiheessa virtaamassa piirissä.

Induktori vaihtovirtapiirissä

Vaihtovirtapiirissä oleva kela käyttäytyy eri tavalla kuin vastus. Jos vastukset yksinkertaisesti vastustavat elektronien virtausta (jännite niiden yli on suoraan verrannollinen virtaan), niin induktorit vastustavat niiden läpi kulkevan virran muutosta (niiden yli oleva jännite on suoraan verrannollinen virran muutosnopeuteen). Lenzin lain mukaan indusoituneella jännitteellä on aina polariteetti, joka yrittää säilyttää virran nykyisen arvon. Eli jos virta kasvaa, indusoitu jännite "hidastaa" elektronien virtausta; jos virta pienenee, jännitteen polariteetti vaihtuu ja "auttaa" elektronivirran pysymään samalla tasolla. Tätä vastusta virran muutokselle kutsutaan reaktanssiksi.

Matemaattinen suhde kelan yli kulkevan jännitteen ja sen läpi kulkevan virran muutosnopeuden välillä on seuraava:

Suhde di/dt on hetkellisen virran (i) muutosnopeus ajan kuluessa, ja se mitataan ampeereina sekunnissa. Induktanssi (L) mitataan Henryllä ja hetkellinen jännite (u) mitataan voltteina. Analysoidaan yksinkertainen induktiivinen piiri, jotta voidaan näyttää, mitä vaihtovirralla tapahtuu:

Yksinkertainen induktiivinen piiri: käämin virta on 90 o jäljessä jännitteestä.

Jos juonitaan virta ja jännite tälle yksinkertaiselle piirille, sitten hän katsoo näin:

Kuten muistat, induktorin jännitteen muutos on vastaus sen läpi kulkevan virran muutokseen. Tästä voimme päätellä, että hetkellinen jännite on nolla aina, kun hetkellinen virran arvo on huipussaan (nollamuutos tai virran siniaallon nollakulma), ja hetkellinen jännite on yhtä suuri kuin sen huippuarvo aina, kun hetkellinen virta on pisteitä suurin muutos(virran aallon jyrkimmän rinteen kohdat, joissa se ylittää nollaviivan). Kaikki tämä johtaa siihen, että jänniteaalto on 90 o eri vaiheesta virta-aallon kanssa. Kaavio näyttää, kuinka jänniteaalto antaa "otoksen" virta-aaltolle: jännite "johtaa" virtaa ja virta "jättää" jännitteen jälkeen.

Jos piirrämme piirimme tehoarvot tälle kaaviolle, kaikesta tulee vielä mielenkiintoisempaa:

Koska hetkellinen teho on hetkellisen jännitteen ja hetkellisen virran tulo (p = iu), se on nolla, jos hetkellinen jännite tai virta on nolla. Aina kun hetkellinen virta- ja jännitearvot ovat positiivisia (nollaviivan yläpuolella), teho on myös positiivinen. Kuten esimerkissä resistiivisellä piirillä, teho saa positiivisen arvon, vaikka hetkellinen virta ja jännite olisivat negatiivisia (nollaviivan alapuolella). Kuitenkin, koska jännite- ja virta-aallot ovat 90 o eri vaiheista, on tapauksia, joissa virta on positiivinen ja jännite negatiivinen (tai päinvastoin), mikä johtaa negatiivisiin hetkellisiin tehoarvoihin.

Mutta mitä on negatiivinen voima? Negatiivinen teho tarkoittaa, että kela vapauttaa energiaa takaisin piiriin. Positiivinen teho tarkoittaa, että kela imee energiaa piiristä. Koska positiiviset ja negatiiviset tehojaksot ovat suuruudeltaan ja kestoltaan yhtä suuret, koko syklin aikana kela laittaa takaisin piiriin niin paljon tehoa kuin se ottaa siitä. Käytännössä tämä tarkoittaa, että käämin reaktanssi ei haihduta energiaa, mikä eroaa vastuksen reaktanssista, joka haihduttaa energiaa lämpönä. Kaikki yllä oleva pätee kuitenkin vain ihanteellisiin keloihin, joiden johdoissa ei ole vastusta.

Induktorin resistanssi, joka muuttaa virran voimakkuutta, tulkitaan vastukseksi vaihtovirralle kokonaisuutena, joka määritelmän mukaan muuttaa jatkuvasti hetkellistä suuruutta ja suuntaa. Tämä AC-resistanssi on samanlainen kuin normaali vastus, mutta eroaa siitä siinä, että se johtaa aina vaihesiirtoon virran ja jännitteen välillä ja myös haihduttaa nollatehoa. Näiden erojen vuoksi tällä resistanssilla on hieman erilainen nimi - reaktanssi. Reaktanssi, kuten tavallinen reaktanssi, mitataan ohmeina, vain se on merkitty symbolilla X, ei R. Tarkemmin sanottuna induktorin reaktanssi on yleensä merkitty iso kirjain X, jossa L-kirjain indeksinä: X L .

Koska induktorin yli oleva jännite on verrannollinen virran muutosnopeuteen, se on suurempi nopeasti muuttuvilla virroilla ja pienempi hitaammin muuttuvilla virroilla. Tämä tarkoittaa, että minkä tahansa induktorin reaktanssi (ohmeina) on suoraan verrannollinen vaihtovirran taajuuteen. Tarkka kaava reaktanssin laskemiseksi on seuraava:

Jos kela, jonka induktanssi on 10 mH, altistetaan taajuuksille 60, 120 ja 2500 Hz, sen reaktanssi saa seuraavat arvot:

Reaktanssiyhtälössä lausekkeella "2πf" on tärkeä. Se tarkoittaa lukua radiaaneina sekunnissa, joka luonnehtii vaihtovirran "kiertoa" (yksi täydellinen vaihtovirtajakso edustaa yhtä täydellistä kiertoa). Radiaani on kulmien mittayksikkö: yhdessä täydessä ympyrässä on 2π radiaania, aivan kuten siinä on 360 o. Jos laturi on kaksinapainen, se tuottaa yhden täydellisen jakson jokaista akselin täydellistä kierrosta kohti, mikä tarkoittaa 2π radiaania tai 360 o. Jos vakio 2π kerrotaan taajuudella hertseinä (jaksoja sekunnissa), tulos on luku radiaaneina sekunnissa, joka tunnetaan vaihtovirran kulmataajuudena (syklisenä).

Vaihtovirran kulmataajuutta voidaan ilmaista lausekkeen 2πf lisäksi pienellä kreikkalaisella kirjaimella ω (Omega). Tässä tapauksessa kaava X L = 2πfL voidaan kirjoittaa muodossa X L = ωL.

On tärkeää ymmärtää, että kulmataajuus on ilmaus siitä, kuinka nopeasti aalto suorittaa syklinsä loppuun, mikä on yhtä suuri kuin 2π radiaania. Se ei välttämättä edusta vaihtovirtaa tuottavan generaattorin todellista akselinopeutta. Jos generaattorissa on enemmän kuin kaksi napaa, sen kulmataajuus on akselin nopeuden kerrannainen. Tästä syystä ω ilmaistaan ​​joskus sähköisenä radiaanina sekunnissa sen erottamiseksi mekaanisesta liikkeestä.

Millä tahansa menetelmällä kulmataajuuden ilmaisemiseksi on selvää, että se on suoraan verrannollinen induktorin reaktanssiin. Kun vaihtovirran taajuus (tai generaattorin akselin pyörimisnopeus) kasvaa, kela antaa suuremman vastuksen virran kulkua vastaan ​​ja päinvastoin. Vaihtovirta yksinkertaisessa induktiivisessa piirissä on yhtä suuri kuin jännite (voltteina) jaettuna kelan reaktanssilla (ohmeina). Kuten näet, tämä on samanlainen kuin se, että vaihto- tai tasavirta yksinkertaisessa resistiivisessä piirissä on yhtä suuri kuin jännite (voltteina) jaettuna resistanssilla (ohmeina). Tarkastellaanpa esimerkkinä seuraavaa kaaviota:

Meidän on kuitenkin pidettävä mielessä, että jännitteellä ja virralla on eri vaiheet. Kuten aiemmin mainittiin, jännitteen vaihesiirto on +90 o suhteessa virtaan (kuva alla). Jos esitämme jännitteen ja virran vaihekulmat matemaattisesti (kompleksilukujen muodossa), näemme, että induktorin vaihtovirtaresistanssilla on seuraava vaihekulma:

Induktorin yli kulkeva virta on 90 o jäljessä jännitteestä.

Matemaattisesti voidaan sanoa, että induktorin vaihtovirtaresistanssin vaihekulma on 90 o. Virran reaktanssin vaihekulma on erittäin tärkeä piirianalyysissä. Tämä merkitys on erityisen ilmeinen analysoitaessa monimutkaisia ​​vaihtovirtapiirejä, joissa reaktiiviset ja yksinkertaiset vastukset ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Se osoittautuu myös hyödylliseksi edustamaan minkä tahansa komponentin vastusta sähkövirralle kompleksilukuina (eikä vastuksen ja reaktanssin skalaarimäärien muodossa).