Induktor-Grundlagen:Alles, was Sie wissen müssen

Induktivitäten sind für die Hobbyelektronik selten. Sie sind jedoch wichtig, um sich darüber zu informieren, wenn Sie etwas tun, das mit Wechselstrom (AC) zu tun hat. Sie sind so beliebt wie Widerstände in Anwendungen, die Wechselstrom verwenden. Sie erzwingen Änderungen im Stromfluss. Daher eignen sie sich hervorragend zum Filtern von Signalen und zum Transformieren zwischen verschiedenen Wechselspannungen. Deshalb setzen wir sie oft in variablen Netzteilen ein. Dies sind nur einige der Gründe, warum Sie sich über Induktoren informieren sollten. Trotzdem werden in diesem Handbuch einige der Induktor-Grundlagen untersucht.

Was ist ein Induktor?

Ein Satz Induktionsspulen

Ein Induktor ist ein elektronisches Bauteil, das vorübergehend Energie speichert. Folglich verwendet es ein Magnetfeld, um dies zu erreichen. Im Allgemeinen erscheinen die meisten Induktoren als Drahtspule (häufig Kupferdraht) um einen magnetischen oder nichtmagnetischen Spulenkörper. Former können die folgenden Haupttypen von Kernmaterial verwenden:

• Eisenkern
• Ferritkern
• Luftkern
• Induktivitäten mit Keramikkern

Folglich sind Ferrit- und Eisenkern-Induktoren möglicherweise am besten geeignet, da sie größere Magnetfelder erzeugen und somit mehr Energie speichern können.

Wie funktioniert ein Induktor?

Ein Induktor

Wie Sie vielleicht bemerkt haben, benötigen Induktoren nicht unbedingt Former, um zu funktionieren. Die meisten Luftinduktoren sind dicht isolierte Drähte, die ohne Zentrum zusammengewickelt sind. Aufgrund des Faradayschen Induktionsgesetzes erzeugt ein elektrischer Strom, wenn er durch eine Spule fließt, ein Magnetfeld.

Wenn wir eine Gruppe von Drähten aufwickeln, kann dies ein noch größeres Magnetfeld erzeugen. Wenn Strom durch diesen Cluster fließt, wird er zu magnetischer Energie. Wenn der Strom jedoch aufhört zu fließen, bricht das elektromagnetische Feld zusammen und die magnetische Energie wandelt sich in elektronische Energie um. In dieser Phase ahmt es ein klassisches Stück Draht nach.

Es dauert jedoch eine Weile, bis der Induktor die gesamte magnetische und elektrische Energie umwandelt und freisetzt, und dies ist das Grundkonzept des Elektromagnetismus, nach dem alle Induktoren funktionieren.

Zur Veranschaulichung können wir uns Induktoren als große Wasserräder vorstellen. Wenn Sie ein schweres stationäres Wasserrad haben und anfangen, Wasser hindurchfließen zu lassen, wird es einige Zeit und Energie brauchen, um das Rad hochzubekommen und sich zu drehen. Sobald es sich jedoch zu drehen beginnt und einen beträchtlichen Schwung hat, wird es einige Zeit dauern, bis es aufhört, sich zu drehen, wenn Sie die Wasserzufuhr unterbrechen. Induktivitäten funktionieren nach dem gleichen Prinzip, jedoch mit einer elektrischen Ladung.

Dieser Widerstand gegen den elektrischen Fluss ist das, was wir als Induktivität kennen. Sie beschreibt das Verhältnis zwischen magnetischem Fluss und dem ihn induzierten elektrischen Strom. Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Arten von Induktoren auf dem Elektronikmarkt. Sie alle haben ihre eigenen einzigartigen grundlegenden Eigenschaften, Konstruktionen und Zwecke.

Unterschiede zwischen Induktivitäten und Kondensatoren

Kondensatoren und Induktivitäten der Stromversorgungsplatine

Während Induktivitäten und Kondensatoren ähnliche Funktionen erfüllen, funktionieren sie ziemlich unterschiedlich. Beide sind passive Komponenten, die Energie aus einem Stromkreis speichern und dann entladen. Ein Kondensator speichert jedoch Energie in einem elektrischen Feld. Im Gegensatz dazu speichern Induktoren Energie in einem Magnetfeld und geben sie als elektrische Energie ab. Folglich ist dies ein Vorgang, den wir als elektromagnetische Induktion kennen.

Insbesondere erhalten Induktoren hier ihre Namen. Nichtsdestotrotz verwenden wir in der Regel Kondensatoren in Hochspannungs-Elektrolytanwendungen wie Netzteilen.

Wir können sie auch in Niederspannungsanwendungen und allgemeinen Zwecken verwenden, wo wir große Kapazitätswerte benötigen. Auf der anderen Seite verwenden wir Induktivitäten in AC-Anwendungen wie Radio-TV.

Induktorsymbol

Wir messen die Induktivität mit der SI-Einheit der Induktivität, die wir als Henry kennen (H). Es hat seinen Namen von Joseph Henry, einem prominenten Wissenschaftler, der die Gegeninduktivität entdeckte. Trotzdem sehen die unterschiedlichen elektronischen Symbole für Induktivitäten so aus:

Elektrische/elektronische Symbole für Induktoren

So messen Sie die Induktivität

Bevor wir untersuchen können, wie die Induktivität gemessen wird, müssen wir untersuchen, welche Faktoren die Induktivität beeinflussen.

Faktoren, die die Induktivität beeinflussen

Eine Sammlung industrieller Drosselspulen

Wir können die elektromagnetische Induktivität eines Induktors durch vier Hauptfaktoren bestimmen:

• Anzahl der Windungen der Spule (N )
• Kernmaterial und Permeabilität (μ)
• Die Querschnittsfläche der Spule (A)
• Länge der Spule (l )

Die Induktivität ist direkt proportional zur Permeabilität. Wenn wir die Permeabilität erhöhen, erhöhen wir die Induktivität. Betrachten wir den Luftkerninduktor. Luft hat eine relative Permeabilität von 1 (μ =1). Dies liegt daran, dass Luft, ähnlich wie Keramik, praktisch keine magnetischen Eigenschaften hat und daher die Induktivität der Spule in keiner Weise erhöht.

Wenn Sie eine Induktivität mit höherer Induktivität benötigen, sollten Sie die Verwendung eines Kerns mit magnetischem Material oder ferromagnetischem Material in Betracht ziehen. Magnetkerninduktivitäten haben übrigens eine Permeabilität, die in den Hunderterbereich geht (μ =100+).

Als solche bieten sie eine deutlich höhere Induktivität für die Induktivität gleicher Größe. Aus diesem Grund neigen Hersteller dazu, den Bau von Luftspulen zu vermeiden. Auch wenn Sie denken, dass es eine gute Idee ist, Kernmaterial mit der höchsten Permeabilität zu verwenden, liegt dies nicht daran, dass die Art des Kernmaterials die Leistung und den thermischen Wirkungsgrad beeinflusst.

Ferrit- und Metallverbundwerkstoffe sind zwei Arten von Kernen, die Hersteller üblicherweise in Leitern verwenden. Jede Materialart hat Stärken und Schwächen. Zum Beispiel neigt Ferritmaterial dazu, eine sehr hohe Permeabilität und einen hohen Induktivitätswert für eine gegebene Gehäusegröße zu haben.

Thermische Instabilität kann jedoch ein Faktor sein, der Menschen davon abhält, sich für dieses Kernmaterial zu entscheiden. Der Betrieb mit eingehendem Strom über dem Sättigungspegel kann zu Überhitzung und Ausfall der elektronischen Schaltung führen.

Metallverbundkerne sind aufgrund ihrer weicheren Sättigungseigenschaften tendenziell wünschenswerter. Dies kann Ihrem idealen Induktor näher kommen. Dennoch sind dies die Faktoren, die Sie bei der Auswahl eines Induktors berücksichtigen müssen. Sie steuern und beeinflussen die elektromagnetischen Eigenschaften des Induktors.

So berechnen Sie die Mikrohenry einer Induktorspule

Um die Induktivität einer Spule zu ermitteln, müssen Sie die Länge (L) und den Durchmesser (d) der Schleife messen sowie die Anzahl (N) der Windungen (oder Ringe in der Schleife) zählen. Als nächstes müssen Sie sowohl die Anzahl der Windungen (N^2) als auch den Durchmesser (D^2) quadrieren. Als nächstes musst du die quadrierten Zahlen miteinander multiplizieren. Multiplizieren Sie in einer separaten Berechnung den Durchmesser mit 18 (18D) und addieren Sie ihn zur Länge, die Sie mit 40 (40L) multiplizieren.

Teilen Sie die erste Gleichung durch die zweite Gleichung. Ihre endgültige Gleichung sieht folgendermaßen aus:

μH =(N^2)(D^2) ÷ (18D + 40L)

Die obigen Berechnungen zeigen die Mikrohenry einer Spule. Um Mikrohenry in Henry umzuwandeln, müssen Sie das Ergebnis der obigen Analyse durch 1.000.000 teilen. Dies liegt daran:

• 1μH =0,000001H
• 1H =1000000μH

Sie können Online-Spuleninduktivitätsrechner finden oder Induktivitäten mit einem bekannten Wert kaufen, um es sich einfacher zu machen.

Induktoren in Reihe und parallel

So wie Sie Widerstände und Kondensatoren in Reihe und parallel schalten, möchten Sie höchstwahrscheinlich dasselbe mit Induktivitäten tun. Als allgemeine Faustregel gilt, dass Induktivitäten Strings hinzufügen und parallel schalten, genauso wie es Widerstände tun. Daher ist die Gleichung für Widerstände in Reihe und parallel für Induktivitäten ähnlich.

In Reihe geschaltete Induktivitäten addieren sich wie Widerstände. Nehmen wir an, Sie haben zwei Induktoren in Reihe (L1 und L2). Die Gleichung sieht folgendermaßen aus:

Gesamt =L1 + L2

Schaltplan von Induktivitäten in einer Reihe

Dies ist sinnvoll, da durch alle Induktoren derselbe Strom fließt. Ändert sich also der Luftzug, ist der Unterschied bei allen Induktoren gleich. Wenn wir Induktivitäten parallel schalten, ist die Gesamtinduktivität kleiner als jede Induktivität.

Dementsprechend erfährt jeder Induktor weniger als die Gesamtmenge an elektrischem Strom, der durch die elektrische Schaltung fließt, da sich der elektrische Strom aufteilt. Als solches ist das Verhältnis des magnetischen Flusses zum elektrischen Strom unterschiedlich. Die Gleichung sieht also folgendermaßen aus:

Gesamt =1/(1/L1+1/L2)

Schaltplan Wenn Induktivitäten parallel geschaltet sind

Durch einen Induktor gespeicherte Energie

In diesem Abschnitt untersuchen wir, wie die Menge an elektrischer Energie in einem Induktor berechnet wird.

Nehmen wir ein Beispiel, bei dem ein Strom von 15 A (Ampere) durch eine 200-mH-Induktivität fließt. Die gespeicherte Energie ist 1/2 der Induktivität multipliziert mit dem Quadrat des Windes.

Die Vorlage für unsere Gleichung sieht so aus:

U =1/2L * I^2

In unserem Beispiel müssen wir zunächst mH (Millihenry) in H (Henry) umwandeln. Dazu müssen Sie den mH-Induktivitätswert mit 10^-3 multiplizieren. Somit sehen die Berechnung und das Ergebnis wie folgt aus:

200 MH * 10^-3 =0,2 Std.

Sobald wir unsere Induktivität in Henry haben, können wir die Energie des Magnetfelds berechnen. Die Berechnung sieht folgendermaßen aus:

U =1/2(0,2) * 15^2

U =22,5 Joule

Dies ist die Standardgleichung zur Berechnung der gespeicherten Energie im Magnetfeld eines Induktors.

Induktoranwendungen

Der Induktor als Drossel in einem Stromkreis

Wir haben im obigen Abschnitt einige der Verwendungen von Induktoren kurz angesprochen. Lassen Sie uns dennoch einige dieser Anwendungen genauer betrachten und erweitern. Wir verwenden Induktivitäten für:

• Aufwärtswandler, bei denen sie helfen, die Ausgangsgleichspannung (DC) zu erhöhen, während sie den Strom verringern
• Um Wechselstromversorgungen zu drosseln und nur Gleichstrom (DC) durch einen Stromkreis fließen zu lassen
• Trennung verschiedener Frequenzen
• HF-Schaltungen, analoge Schaltungen und abgestimmte Schaltungen
• Motoren, Transformatoren, Relais und eine breite Palette anderer Elektronik und Konverter

Dies sind die häufigsten Induktoranwendungen, und wir können auch Induktoren mit höherer Frequenz in Funkanwendungen verwenden.

Zusammenfassung

Denken Sie daran, dass Sie die Induktivität nicht mit einem Standard-Multimeter messen können. Sie können jedoch bestimmte Modelle mit einem eingebauten RLC-Messgerät finden. Es wird Ihnen jedoch nicht das genaueste Ergebnis zeigen. Um die Induktivität korrekt zu messen, müssen Sie ein RLC-Messgerät verwenden. Sie können den Induktor an das Gerät anschließen, und es wird einen Schnelltest durchführen, um die Werte zu messen. Alternativ können Sie einige der Informationen in der obigen Anleitung verwenden, um herauszufinden, wie Sie die Induktivität selbst berechnen können. Trotzdem hoffen wir, dass Sie den obigen Text hilfreich fanden. Wie immer danke fürs Lesen.