- Aufbau des Induktors
- Wie funktioniert ein Induktor?
- Aufbau eines Induktors
- Strom und Spannung in einem Induktor
- Anwendungen von Induktoren
Der Induktor ist eine der wichtigsten passiven Komponenten in der Elektronik. Die grundlegenden passiven Komponenten in der Elektronik sind Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten. Induktivitäten sind eng mit den Kondensatoren verwandt, da beide ein elektrisches Feld zum Speichern von Energie verwenden und beide zwei terminale passive Komponenten sind. Kondensatoren und Induktivitäten haben jedoch unterschiedliche Konstruktionseigenschaften, Einschränkungen und Verwendungsmöglichkeiten.
Der Induktor ist eine zweipolige Komponente, die Energie in ihren Magnetfeldern speichert. Es wird auch als Spule oder Drossel bezeichnet. Es blockiert alle Änderungen des durch ihn fließenden Stroms.
Der Induktor ist durch den Induktivitätswert gekennzeichnet, der das Verhältnis von Spannung (EMF) und Stromänderung innerhalb der Spule ist. Die Induktivitätseinheit ist Henry. Wenn der Stromfluss durch eine Induktivität mit einer Geschwindigkeit von einem Ampere pro Sekunde geändert wird und 1 V EMF in der Spule erzeugt wird, beträgt der Induktivitätswert 1 Henry.
In der Elektronik wird der Induktor mit einem Wert von Henry selten verwendet, da er in Bezug auf die Anwendung einen sehr hohen Wert aufweist. Typischerweise werden in den meisten Anwendungen viel niedrigere Werte wie Milli Henry, Micro Henry oder Nano Henry verwendet.
Symbol | Wert | Beziehung zu Henry |
mH | Milli Henry | 1/1000 |
äh | Micro Henry | 1/1000000 |
nH | Nano Henry | 1/1000000000 |
Das Symbol eines Induktors ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Das Symbol ist eine Darstellung von verdrillten Drähten, was bedeutet, dass Drähte so konstruiert sind, dass sie zu einer Spule werden.
Aufbau des Induktors
Induktivitäten werden unter Verwendung isolierter Kupferdrähte gebildet, die sich weiter als Spule bilden. Die Spule kann in Form und Größe unterschiedlich sein und kann auch in eine andere Art von Materialien eingewickelt werden.
Die Induktivität eines Induktors hängt in hohem Maße von mehreren Faktoren ab, wie der Anzahl der Drahtwindungen, dem Abstand zwischen den Windungen, der Anzahl der Windungsschichten, der Art der Kernmaterialien, seiner magnetischen Permeabilität, Größe, Form usw.
Es gibt einen großen Unterschied zwischen dem idealen Induktor und den tatsächlichen realen Induktoren, die in elektronischen Schaltkreisen verwendet werden. Realer Induktor hat nicht nur Induktivität, sondern auch Kapazität und Widerstand. Die eng umwickelten Spulen erzeugen eine messbare Streukapazität zwischen den Spulenwindungen. Diese zusätzliche Kapazität sowie der Drahtwiderstand verändern das Hochfrequenzverhalten eines Induktors.
Induktoren werden in fast jedem elektronischen Produkt verwendet. Einige DIY-Anwendungen von Induktoren sind:
- Metalldetektor
- Arduino Metalldetektor
- FM-Sender
- Oszillatoren
Wie funktioniert ein Induktor?
Bevor wir weiter diskutieren, ist es wichtig, den Unterschied zwischen zwei Terminologien, Magnetfeld und Magnetfluss, zu verstehen.
Während des Stromflusses durch den Leiter wird ein Magnetfeld erzeugt. Diese beiden Dinge sind linear proportional. Wenn daher der Strom erhöht wird, nimmt daher auch das Magnetfeld zu. Dieses Magnetfeld wird in der SI-Einheit Tesla (T) gemessen. Nun, was ist Magnetic Flux ? Nun, es ist die Messung oder Größe des Magnetfeldes, das durch einen bestimmten Bereich geht. Magnetic Flux hat auch eine Einheit im SI-Standard, es ist Weber.
Ab sofort gibt es ein Magnetfeld über den Induktoren, das durch den durch sie fließenden Strom erzeugt wird.
Um weiter zu verstehen, ist das Verständnis des Faradayschen Induktivitätsgesetzes erforderlich. Nach dem Faradayschen Induktivitätsgesetz ist die erzeugte EMK proportional zur Änderungsrate des Magnetflusses.
VL = N (dΦ / dt)
Dabei ist N die Anzahl der Windungen und Φ die Menge des Flusses.
Aufbau eines Induktors
Eine generische Standardkonstruktion und Arbeitsweise eines Induktors kann als Kupferdraht demonstriert werden, der fest über ein Kernmaterial gewickelt ist. In der folgenden Abbildung ist Kupferdraht eng um ein Kernmaterial gewickelt, wodurch es sich um einen passiven Induktor mit zwei Anschlüssen handelt.
Wenn der Strom durch den Draht fließt, entwickelt sich das elektromagnetische Feld über den Leiter und es entsteht eine elektromotorische Kraft oder EMF in Abhängigkeit von der Änderungsrate des Magnetflusses. Die Flussverknüpfung ist also Nɸ.
Die Induktivität des gewickelten Spuleninduktors in einem Kernmaterial soll sein
µN 2 A / L.
Dabei ist N die Anzahl der Windungen
A ist die Querschnittsfläche des Kernmaterials
L ist die Länge der Spule
µ ist die Permeabilität des Kernmaterials, die konstant ist.
Die Formel der erzeugten Gegen-EMK lautet
Vemf (L) = -L (di / dt)
In der Schaltung, wenn eine Spannungsquelle unter Verwendung eines Schalters an die Induktivität angelegt wird. Dieser Schalter kann alles wie Transistoren, MOSFET oder jede Art von typischem Schalter sein, der die Spannungsquelle für die Induktivität bereitstellt.
Es gibt zwei Zustände der Schaltung.
Wenn der Schalter geöffnet ist, tritt kein Stromfluss in der Induktivität auf und die Stromänderungsrate ist Null. Der EMF ist also auch Null.
Wenn der Schalter geschlossen ist, steigt der Strom von der Spannungsquelle zur Induktivität an, bis der Stromfluss den maximalen stationären Wert erreicht. In dieser Zeit nimmt der Stromfluss durch den Induktor zu und die Stromänderungsrate hängt vom Induktivitätswert ab. Gemäß dem Faradayschen Gesetz erzeugt der Induktor eine Gegen-EMK, die so lange anhält, bis der Gleichstrom in den stabilen Zustand übergeht. Im eingeschwungenen Zustand gibt es keine Stromänderung in der Spule und der Strom fließt einfach durch die Spule.
Während dieser Zeit wirkt ein idealer Induktor als Kurzschluss, da er keinen Widerstand hat, aber in einer praktischen Situation hat der Stromfluss durch die Spule und die Spule einen Widerstand sowie die Kapazität.
In dem anderen Zustand, in dem der Schalter wieder geschlossen wird, fällt der Induktorstrom schnell ab und es kommt wieder zu einer Änderung des Stroms, was weiter zur EMF-Erzeugung führt.
Strom und Spannung in einem Induktor
Das obige Diagramm zeigt den Schaltzustand, den Induktorstrom und die induzierte Spannung in der Zeitkonstante.
Die Leistung durch den Induktor kann unter Verwendung des Ohmschen Leistungsgesetzes berechnet werden , wobei P = Spannung x Strom. Daher ist in einem solchen Fall die Spannung –L (di / dt) und der Strom ist i. Die Leistung in einem Induktor kann also mit dieser Formel berechnet werden
P L = L (di / dt) i
Im eingeschwungenen Zustand wirkt der reale Induktor jedoch wie ein Widerstand. So kann die Leistung berechnet werden als
P = V 2 R.
Es ist auch möglich, die in einem Induktor gespeicherte Energie zu berechnen. Ein Induktor speichert Energie unter Verwendung des Magnetfelds. Die im Induktor gespeicherte Energie kann mit dieser Formel berechnet werden:
W (t) = Li 2 (t) / 2
Es gibt verschiedene Arten von Induktoren in Bezug auf Aufbau und Größe. Konstruktionsmäßig können Induktoren in Luftkern, Ferritkern, Eisenkern usw. ausgebildet werden. In Bezug auf die Form stehen verschiedene Arten von Induktoren zur Verfügung, wie z. B. Trommelkerntyp, Drosseltyp, Transformatortyp usw.
Anwendungen von Induktoren
Induktivitäten werden in einem weiten Anwendungsbereich eingesetzt.
- In RF-bezogenen Anwendungen.
- SMPS und Netzteile.
- Im Transformator.
- Überspannungsschutz zur Begrenzung des Einschaltstroms.
- In den mechanischen Relais usw.