השראות מאפיינת את תכונות האלמנטים של מעגל חשמלי לצבור את האנרגיה של שדה מגנטי. זה גם מדד לקשר בין זרם לשדה מגנטי. זה גם מושווה לאינרציה של חשמל - בדיוק כמו מסה עם מידה של האינרציה של גופים מכניים.
תוֹכֶן
תופעת האינדוקציה העצמית
אם הזרם הזורם במעגל מוליך משתנה בגודלו, אזי מתרחשת תופעת ההשראה העצמית. במקרה זה, השטף המגנטי דרך המעגל משתנה, ו-emf מופיע בטרמינלים של לולאת הזרם, הנקרא emf של אינדוקציה עצמית. EMF זה מנוגד לכיוון הזרם ושווה ל:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
ברור שה-EMF של ההשראה העצמית שווה לקצב השינוי של השטף המגנטי הנגרם משינוי בזרם הזורם במעגל, והוא גם פרופורציונלי לקצב השינוי של הזרם. מקדם המידתיות בין EMF של השראות עצמית לבין קצב השינוי של הזרם נקרא השראות והוא מסומן ב-L. ערך זה תמיד חיובי, ויש לו יחידת SI של 1 הנרי (1 H). משתמשים גם בשברים שברים - מילי-הנרי ומיקרו-הנרי. אנו יכולים לדבר על השראות של 1 הנרי אם שינוי בזרם ב-1 אמפר גורם ל-EMF בהשראת עצמי של 1 וולט. לא רק למעגל יש השראות, אלא גם מוליך נפרד, כמו גם סליל, שיכול להיות מיוצג כסט של מעגלים מחוברים בסדרה.
השראות אוגרת אנרגיה, אותה ניתן לחשב כ-W=L*I2/2, כאשר:
- ו-אנרגיה, י;
- L – השראות, H;
- I הוא הזרם בסליל, A.
וכאן האנרגיה עומדת ביחס ישר להשראת הסליל.
חָשׁוּב! בהנדסה, השראות היא גם מכשיר שבו מאוחסן שדה חשמלי. האלמנט האמיתי הקרוב ביותר להגדרה כזו הוא משרן.
הנוסחה הכללית לחישוב השראות של סליל פיזיקלי היא בעלת צורה מורכבת ואינה נוחה לחישובים מעשיים. כדאי לזכור שההשראות פרופורציונלית למספר הסיבובים, לקוטר הסליל ותלויה בצורה הגיאומטרית. כמו כן, השראות מושפעת מהחדירות המגנטית של הליבה שעליה ממוקמת הפיתול, אך הזרם הזורם דרך הסיבובים אינו מושפע. כדי לחשב את השראות, בכל פעם אתה צריך להתייחס לנוסחאות לעיל עבור עיצוב ספציפי. אז, עבור סליל גלילי, המאפיין העיקרי שלו מחושב על ידי הנוסחה:
L=μ*μ*(נ2*S/l),
איפה:
- μ היא החדירות המגנטית היחסית של ליבת הסליל;
- μ - קבוע מגנטי, 1.26*10-6 H/m;
- N הוא מספר הסיבובים;
- S הוא השטח של הסליל;
- l הוא האורך הגיאומטרי של הסליל.
כדי לחשב את השראות עבור סליל גלילי וסלילים של צורות אחרות, עדיף להשתמש בתוכנות מחשבון, כולל מחשבונים מקוונים.
חיבור סדרתי ומקביל של משרנים
השראות יכולות להיות מחוברות בסדרה או במקביל, ולקבל סט עם מאפיינים חדשים.
חיבור מקביל
כאשר הסלילים מחוברים במקביל, המתח על כל האלמנטים שווה, והזרמים (משתנים) מפוזרים הפוך עם השראות של האלמנטים.
- U=U1=U2=U3;
- אני=אני1+אני2+אני3.
השראות הכוללת של המעגל מוגדרת כ-1/L=1/L1+1/L2+1/L3. הנוסחה תקפה לכל מספר של אלמנטים, ועבור שני סלילים היא מפושטת לצורה L=L1*ל2/(ל1+L2). ברור שההשראות המתקבלת קטנה מההשראות של האלמנט בעל הערך הקטן ביותר.
חיבור טורי
בחיבור מסוג זה, אותו זרם זורם במעגל המורכב מסלילים, והמתח (המשתנה!) על כל רכיב במעגל מופץ באופן יחסי להשראת כל אלמנט:
- U=U1+U2+U3;
- אני=אני1=אני2=אני3.
השראות הכוללת שווה לסכום כל השראות, והיא תהיה גדולה מההשראות של האלמנט בעל הערך הגדול ביותר. לכן, חיבור כזה משמש במידת הצורך כדי להשיג עלייה בהשראה.
חָשׁוּב! בעת חיבור סלילים בסוללה סדרתית או מקבילה, נוסחאות החישוב נכונות רק למקרים שבהם נשללת ההשפעה ההדדית של השדות המגנטיים של האלמנטים זה על זה (סיכוך, מרחק ארוך וכו'). אם קיימת השפעה, אז הערך הכולל של השראות יהיה תלוי במיקום היחסי של הסלילים.
כמה בעיות מעשיות ועיצובים של משרנים
בפועל, נעשה שימוש בעיצובים שונים של משרנים. בהתאם למטרה ולתחום היישום, ניתן לייצר את המכשירים בדרכים שונות, אך יש לקחת בחשבון את ההשפעות המתרחשות בסלילים אמיתיים.
גורם איכות של המשרן
לסליל אמיתי, בנוסף לשראות, יש עוד כמה פרמטרים, ואחד החשובים ביותר הוא גורם האיכות. ערך זה קובע את ההפסדים בסליל ותלוי ב:
- הפסדים אומהיים בחוט המתפתל (ככל שההתנגדות גדולה יותר, גורם האיכות נמוך יותר);
- הפסדים דיאלקטריים בבידוד תיל ובמסגרת מתפתלת;
- אובדן מסך;
- הפסדי ליבה.
כל הכמויות הללו קובעות את התנגדות ההפסד, וגורם האיכות הוא ערך חסר ממד השווה ל-Q=ωL/Rlosses, כאשר:
- ω = 2*π*F - תדר מעגלי;
- L - השראות;
- ωL היא התגובה של הסליל.
אנו יכולים לומר בקירוב שגורם האיכות שווה ליחס בין התנגדות תגובתית (אינדוקטיבית) לאקטיבית. מצד אחד, בתדירות הולכת וגוברת, המונה עולה, אך יחד עם זאת, בשל אפקט העור, התנגדות ההפסד עולה גם עקב ירידה בחתך השימושי של החוט.
אפקט מסך
כדי להפחית את ההשפעה של עצמים זרים, כמו גם שדות חשמליים ומגנטיים ואת ההשפעה ההדדית של אלמנטים דרך שדות אלה, לרוב ממוקמים במסך סלילים (במיוחד בעלי תדר גבוה). בנוסף להשפעה המיטיבה, המיגון גורם לירידה בגורם האיכות של הסליל, לירידה בהשראות שלו ולעלייה בקיבול הטפילי. יתרה מכך, ככל שקירות המסך קרובים יותר לסיבובי הסליל, כך ההשפעה המזיקה גבוהה יותר. לכן, סלילים ממוגנים מיוצרים כמעט תמיד עם אפשרות להתאים את הפרמטרים.
השראות גוזם
במקרים מסוימים, נדרש להגדיר במדויק את ערך השראות באתר לאחר חיבור הסליל לרכיבי מעגל אחרים, תוך פיצוי על סטיות פרמטר במהלך הכוונון. לשם כך משתמשים בשיטות שונות (החלפת ברזי הסיבובים וכו'), אך השיטה המדויקת והחלקה ביותר היא כוונון בעזרת ליבה. הוא עשוי בצורה של מוט הברגה, שניתן להבריג פנימה והחוצה בתוך המסגרת, תוך התאמת השראות של הסליל.
השראות משתנה (וריומטר)
כאשר נדרשת התאמה מהירה של השראות או צימוד אינדוקטיבי, משתמשים בסלילים בעיצוב שונה. הם מכילים שני פיתולים - מטלטלים וקבועים. השראות הכוללת שווה לסכום השראות של שני הסלילים וההשראות ההדדית ביניהם.
על ידי שינוי המיקום היחסי של סליל אחד לאחר, הערך הכולל של השראות מותאם. מכשיר כזה נקרא וריומטר והוא משמש לעתים קרובות בציוד תקשורת כדי לכוון מעגלי תהודה במקרים בהם השימוש בקבלים משתנים בלתי אפשרי מסיבה כלשהי.העיצוב של הווריומטר די מגושם, מה שמגביל את היקפו.
השראות בצורת ספירלה מודפסת
סלילים עם השראות קטנה יכולים להתבצע בצורה של ספירלה של מוליכים מודפסים. היתרון של עיצוב זה הם:
- יכולת ייצור של ייצור;
- יכולת חזרה גבוהה של פרמטרים.
החסרונות כוללים את חוסר האפשרות לכוונון עדין במהלך ההתאמה ואת הקושי להשיג ערכי השראות גדולים - ככל שההשראות גבוהה יותר, הסליל תופס יותר מקום על הלוח.
סליל פצע חתך
השראות ללא קיבול היא רק על הנייר. עם כל יישום פיזי של הסליל, נוצר מיד קיבול בין-טרור טפילי. זה מזיק במקרים רבים. הקיבול הטפילי מצטבר לקיבול של מעגל ה-LC, ומפחית את תדר התהודה ואת גורם האיכות של המערכת התנודה. כמו כן, לסליל יש תדר תהודה משלו, אשר מעורר תופעות לא רצויות.
שיטות שונות משמשות להפחתת הקיבול הטפילי, הפשוטה שבהן היא השראות מתפתל בצורה של מספר מקטעים המחוברים בסדרה. עם הכללה זו, השראות מסתכמות, והקיבול הכולל יורד.
משרן על ליבה טורואידית
קווי השדה המגנטי של משרן גלילי נמשכים דרך החלק הפנימי של הפיתול (אם יש ליבה, אז דרכה) ונסגרים מבחוץ דרך האוויר. עובדה זו טומנת בחובה מספר חסרונות:
- השראות מופחתת;
- המאפיינים של הסליל פחות ניתנים לחישוב;
- כל חפץ המוכנס לשדה מגנטי חיצוני משנה את הפרמטרים של הסליל (השראות, קיבול טפילי, הפסדים וכו'), כך שסיכוך נדרש במקרים רבים.
סלילים הכרוכים על ליבות טורואידיות (בצורת טבעת או סופגניה) משוחררים במידה רבה מחסרונות אלו. קווים מגנטיים עוברים בתוך הליבה בצורה של לולאות סגורות. משמעות הדבר היא שלאובייקטים חיצוניים אין כמעט השפעה על הפרמטרים של סליל שנפצע על ליבה כזו, ואין צורך במיגון עבור עיצוב כזה. גם השראות גדלה, כששאר הדברים שווים, והמאפיינים קלים יותר לחישוב.
החסרונות של סלילים שמפותלים על טורי כוללים את חוסר האפשרות של התאמה חלקה של השראות במקום. בעיה נוספת היא עוצמת העבודה הגבוהה ויכולת היצור הנמוכה של סלילה. עם זאת, זה חל על כל האלמנטים האינדוקטיביים באופן כללי, במידה רבה יותר או פחות.
כמו כן, חסרון נפוץ ביישום הפיזי של השראות הוא משקל וגודל גבוהים, אמינות נמוכה יחסית ותחזוקה נמוכה.
לכן, בטכנולוגיה מנסים להיפטר ממרכיבים אינדוקטיביים. אבל זה לא תמיד אפשרי, אז רכיבים מתפתלים ישמשו הן בעתיד הנראה לעין והן בטווח הבינוני.
מאמרים דומים:
