Индуктивен елемент е спирален, пасивен електрически елемент с два извода, използван в електротехниката и електрониката с постоянна или регулируема стойност на индуктивността.
Индуктивният елемент представлява в общия случай бобина (намотка) от електрически проводник, гол или изолиран. При протичането на ток по проводника на намотката възниква магнитно поле съгласно закона на Ампер. Заради тяхното свойство да взаимодействат с променливия ток, бобините са сред основните елементи, използвани в електрически схеми, при които токът и напрежението се променят във времето.
Индуктивността е резултат от образуваното около проводника магнитно поле, което се противопоставя на измененията в протичащия през него ток. Токът през проводника създава магнитен поток, пропорционален на тока, а промените в тока предизвикват съответна промяна в магнитния поток, която, от своя страна, съгласно закона на Фарадей за електромагнитната индукция, създава електродвижеща сила, противопоставяща се на промените в тока. Индуктивността е величина, съответстваща на размера на възникващата електродвижеща сила за единица промяна в тока. Например, бобина с индуктивност 1 H генерира електродвижеща сила от 1 V, когато протичащият ток се изменя с 1 A/s. Върху размера на индуктивността оказват влияние броят и размерите на навивките, както и материалът, от който е направена сърцевината, около която са навити. Така магнитният поток може да бъде увеличен многократно, ако проводникът се навие около материал с висока магнитна проницаемост, като например желязо.
Устройство
Индуктивните елементи обикновено се конструират като бобини от електрически проводник, най-често емайлиран проводник, навит върху пластмасово тяло (каркас) или директно върху феромагнитен материал или феритВиж феримагнетизъм.. Сърцевината от материал с магнитна проницаемост, по-висока от тази на въздуха, усилва магнитното поле и го задържа близо до бобината, като по този начин чувствително увеличава нейната индуктивност. Нискочестотните бобини се конструират подобно на трансформаторите, със сърцевина от листова електротехническа стомана, изолирана, за да се предотврати възникването на токове на Фуко. Това най-често са дроселите. Магнитномеките керамични ферити се използват за сърцевина при честоти над няколко килохерца (над звуковите честоти), тъй като имат по-малки загуби на енергия при високи честоти, отколкото железните сплави.
Индуктивните елементи се произвеждат в различни форми. Повечето са конструирани като навит около феритна сърцевина емайлиран проводник, като проводникът е от външната страна, но има и такива, които са изцяло покрити от феритното тяло и се наричат екранирани. Това намалява загубите от магнитно разсейване. Някои индуктивни елементи имат регулируема сърцевина, която дава възможност за промяна на тяхната индуктивност. Индуктивните елементи, предназначени за блокиране на много високи честоти, понякога се изготвят чрез нанизването на феритен цилиндър или феритно мънисто на проводника.
Малки по стойност индуктивни елементи могат да бъдат изработени направо върху печатна платка чрез ецване на медния слой със спирална форма. Понякога такива равнинни бобини имат и магнитна сърцевина, монтирана допълнително върху платката. Бобини с малка индуктивност могат да се вградят в интегралните схеми с помощта на технология, подобна на тази за изграждане на транзисторите, като обикновено се използва разпрашен алуминиев слой, ецван също в спирална форма. Малките размери на интегралните схеми силно ограничават индуктивността на такива елементи, поради което те се използват рядко. Техните функции като правило се изпълняват от система от кондензатор и активни електронни компоненти.
Свойства В теоретичната електротехника понякога се разглеждат идеализирани модели на индуктивни елементи, които притежават индуктивност, но не и съпротивление или капацитет.
Реалните бобини притежават свойства, различаващи ги от този опростен модел. Те притежават активно (омично) съпротивление, причина за което са съпротивлението на проводника и хистерезис, водещ до загубата на енергия в материала на магнитната сърцевина. Имат и паразитен капацитет, причина за който е електрическото поле между намотките на индуктивния елемент, които имат малка разлика в електрическия потенциал. При определени честоти на тока някои реални бобини имат поведението на трептящ кръг поради своя паразитен капацитет, а при дадени честоти капацитивният характер на импеданса става водещ за поведението им. Реалните бобини притежават свойства, различаващи ги от този опростен модел.
При силни токове реалните индуктивни елементи с желязна сърцевина постепенно се отклоняват от идеалното поведение и заради нелинейности, предизвикани от магнитното насищане. При по-високи честоти съпротивлението и загубите от него нарастват заради скин-ефект в проводниците на намотката.
Реалните индуктивни елементи действат като антени, излъчвайки част от обработваната енергия в околното пространство и приемайки електромагнитни излъчвания от други електрически схеми, което води до електромагнитна интерференция и радиошум. Схеми и материали близо до индуктивни елементи с магнитно поле могат да предизвикат допълнителни загуби на енергия. В много практически ситуации паразитните параметри могат да бъдат също толкова важни за поведението на индуктивни елементи, колкото и индуктивността.
Характеристики на индуктивния елемент Индуктивност
Основен параметър на индуктивния елемент е неговата индуктивност, която е равна на отношението на потока на магнитното поле, създадено от бобината към силата на тока.
Индуктивността на индуктивния елемент е пропорционална на линейните размери на бобината, магнитната проницаемост на сърцевината и втората степан на броя на навивките.
където е магнитната проницаемост за вакуум, – относителна магнитна проницаемост на материала на сърцевината (зависи от честотата), – сечение на сърцевината, – дължината на средната линия на сърцевината, – брой навивки.
Горната формула е обща за индуктивни елементи с линейна бобина. За идеален индуктор индуктивността не варира в зависимост от честотата. Това, което варира, е реактивността.
Закон на Ленц
Полярността (посоката) на индуцираното напрежение се определя от закона на Ленц, който гласи, че индуцираното ще бъде такова, че да се противопостави на промяната в тока.. Например, ако токът през индуктора се увеличава, индуцираното напрежение ще бъде положително в извода, през който токът влиза, и отрицателно в извода, през който излиза. Енергията от външната верига, необходима за преодоляване на този потенциален хълм, се съхранява в магнитното поле на индуктора. Ако токът намалява, индуцираното напрежение ще бъде отрицателно в извода, през който токът влиза и положително в извода, през който излиза. В този случай енергията от магнитното поле се връща към веригата.
Свързване на индуктивности
При последователно свързване на индуктивни елементи общата индуктивност е равна на сумата на индуктивностите на всички елементи:
При успоредно свързване на индуктивни елементи общата индуктивност е равна на:
Q-фактор
Един идеален индуктивен елемент няма активно съпротивление и енергийни загуби. Реалният индуктивен елемент има активно съпротивление от проводника на намотките. Това съпротивление се представя последователно свързано с индуктивността. Токът, преминавайки през него, се преобразува в топлинни загуби. Q-факторът на индуктивния елемент е отношението на реактивното съпротивление към активното съпротивление при определена честота на тока. Колкото е по-голям Q-факторът, толкова индуктивният елемент е по-близо до идеалния модел (без загуби). Индуктивните елементи с високо Q се използват заедно с кондензатори за направа на резонансни филтри, и колкото по-висок е Q-факторът, толкова по-малка е широчината на пропускане на филтъра, т.е. отделящата му способност е по-добра.
Q-факторът на един индуктивен елемент може да се определи с горната формула, в която L е индуктивността, R е активното съпротивление на индуктивния елемент, ω е честотата на преминаващия ток, а произведението ωL е индуктивното (реактивно) съпротивление.
Q-факторът се увеличава линейно с честотата, ако L и R са константни. Тези параметри при ниски честоти се приемат за константни, но тъй като те се променят при промяна на честотата, затова и той се променя. Така например повърхностният ефект, взаимното влияние на проводниците и загубите в сърцевината увеличават активното съпротивление, а собственият капацитет на навивките и промяната на магнитната проницаемост с увеличаването на честотата влошават индуктивността.
Понякога загубите в индуктивния елемент се характеризират с тангенса на ъгъла на загубите, която е величина, реципрочна на Q-фактора.
Практически Q-факторът е със стойности от 30 до 200. Подобряването му се постига с оптимален избор на диаметъра на проводника, увеличаване на размера на индуктивния елемент и използване на сърцевина с висока магнитна проницаемост и малки загуби, използване на посребрен проводник и на многожилен проводник с цел да се намалят загубите от повърхностния ефект.
Енергия, съхранена в индуктивния елемент Като се пренебрегнат загубите, енергията, съхранена в индуктивния елемент е равна на работата, необходима да се установи токът в него I~. Тази енергия е равна на:
където L е индуктивността и I е токът през индуктивния елемент.
Това съотношение е валидно само за линейната (ненаситената) част от функцията на магнитния поток към тока. По принцип, ако трябва да се определи енергията, която е съхранена в индуктивен елемент, който има първоначален ток за определено време между и , може да използва тази формула:
Видове С въздушна сърцевина При индуктивните елементи с въздушна сърцевина (соленоиди) намотката не е разположена около феромагнитен материал, а остава празна или е навита около немагнитен материал, като пластмаса или керамика. Тези индуктори имат по-ниска индуктивност от тези с феромагнитна сърцевина, но се използват главно при високочестотни токове, тъй като при тях се избягват загубите от хистерезис, характерни при високите честоти. Важно свойство е, че индуктивността при тях не се влияе от тока, който протича. Страничен ефект, който може да възникне при намотките с въздушна сърцевина, които нямат твърдо фиксирана форма, са механичните вибрации на проводника, които предизвикват промени в индуктивността.
Типично приложение на индуктивни елементи с въздушна сърцевина е радиотехниката, където те често служат за обработка на радиочестотни сигнали. При този вид индуктивни елементи загубите на енергия не са в сърцевината, а главно в резултат на съпротивлението на проводника. Освен загубата на мощност, те могат да предизвикат и намаляване на общия Q-фактор на схемата, поради което се използват специални техники за тяхното избягване. Основните причини за такива загуби са: Скин-ефект: Съпротивлението на проводниците при високочестотни токове е по-голямо, отколкото при постоянен ток. Радиочестотните променливи токове не проникват в дълбочината на проводника, а се разпространяват само по неговата повърхност. По тази причина в дебел проводник през голяма част от напречното сечение не преминава ток. Този ефект увеличава съпротивлението на проводника, което е от особено значение при бобините, където се използват проводници с относително малко сечение и голяма дължина. Ефект на близост: Друг подобен ефект, който също увеличава съпротивлението на проводника при високи честоти на тока, се проявява при успоредни проводници, разположени близо един до друг. Индивидуалните магнитни полета на съседните проводници индуцират токове на Фуко, в резултат на които токът в проводника се концентрира в частта от сечението, близка до съседния проводник. Както и при скин-ефекта, това намалява ефективната площ на напречното сечение на проводника и увеличава неговото съпротивление.