Induttore - Inductor

induttore
Componenti elettronici induttori.jpg
Una selezione di induttori di basso valore
Tipo Passivo
Principio di funzionamento Induzione elettromagnetica
Prima produzione Michele Faraday (1831)
Simbolo elettronico
Induttore.svg

Un induttore , chiamato anche bobina , induttanza o reattore , è un componente elettrico passivo a due terminali che immagazzina energia in un campo magnetico quando la corrente elettrica lo attraversa. Un induttore è tipicamente costituito da un filo isolato avvolto in una bobina .

Quando la corrente che scorre attraverso la bobina cambia, il campo magnetico variabile nel tempo induce una forza elettromotrice ( fem ) ( tensione ) nel conduttore, descritta dalla legge di induzione di Faraday . Secondo la legge di Lenz , la tensione indotta ha una polarità (direzione) che si oppone alla variazione di corrente che l'ha creata. Di conseguenza, gli induttori si oppongono a qualsiasi cambiamento di corrente attraverso di loro.

Un induttore è caratterizzato dalla sua induttanza , che è il rapporto tra la tensione e la velocità di variazione della corrente. Nel Sistema Internazionale di Unità (SI), l'unità di induttanza è l' henry (H) che prende il nome dallo scienziato americano del XIX secolo Joseph Henry . Nella misura dei circuiti magnetici, è equivalente a weber / ampere . Gli induttori hanno valori che tipicamente vanno da 1  µH (10 -6  H) a 20  H. Molti induttori hanno un nucleo magnetico in ferro o ferrite all'interno della bobina, che serve ad aumentare il campo magnetico e quindi l'induttanza. Insieme a condensatori e resistori , gli induttori sono uno dei tre elementi del circuito lineare passivo che compongono i circuiti elettronici. Gli induttori sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature elettroniche a corrente alternata (AC), in particolare nelle apparecchiature radio . Sono usati per bloccare la corrente alternata lasciando passare la corrente continua; gli induttori progettati per questo scopo sono chiamati induttanze . Sono utilizzati anche nei filtri elettronici per separare segnali di frequenze diverse , e in combinazione con condensatori per realizzare circuiti sintonizzati , utilizzati per sintonizzare ricevitori radio e TV.

Descrizione

Una corrente elettrica che scorre attraverso un conduttore genera un campo magnetico che lo circonda. Il collegamento del flusso magnetico generato da una data corrente dipende dalla forma geometrica del circuito. Il loro rapporto definisce l'induttanza . così

.

L'induttanza di un circuito dipende dalla geometria del percorso della corrente e dalla permeabilità magnetica dei materiali vicini. Un induttore è un componente costituito da un filo o altro conduttore sagomato per aumentare il flusso magnetico attraverso il circuito, solitamente a forma di bobina o elica , con due terminali . L'avvolgimento del filo in una bobina aumenta il numero di volte in cui le linee di flusso magnetico collegano il circuito, aumentando il campo e quindi l'induttanza. Più giri, maggiore è l'induttanza. L'induttanza dipende anche dalla forma della bobina, dalla separazione delle spire e da molti altri fattori. Aggiungendo un "nucleo magnetico" fatto di un materiale ferromagnetico come il ferro all'interno della bobina, il campo di magnetizzazione della bobina indurrà la magnetizzazione nel materiale, aumentando il flusso magnetico. L'elevata permeabilità di un nucleo ferromagnetico può aumentare l'induttanza di una bobina di un fattore di diverse migliaia rispetto a quello che sarebbe senza di essa.

Equazione costitutiva

Qualsiasi cambiamento nella corrente attraverso un induttore crea un flusso variabile, inducendo una tensione attraverso l'induttore. Per la legge dell'induzione di Faraday , la tensione indotta da qualsiasi variazione del flusso magnetico attraverso il circuito è data da

Riformulando la definizione di L sopra, si ottiene

Ne consegue che

per L indipendentemente dal tempo, dalla corrente e dal collegamento del flusso magnetico.

Quindi l'induttanza è anche una misura della quantità di forza elettromotrice (tensione) generata per una data velocità di variazione della corrente. Ad esempio, un induttore con un'induttanza di 1 Henry produce un EMF di 1 volt quando la corrente attraverso l'induttore cambia alla velocità di 1 ampere al secondo. Questa è generalmente considerata la relazione costitutiva (equazione di definizione) dell'induttore.

Il duale dell'induttore è il condensatore , che immagazzina energia in un campo elettrico piuttosto che in un campo magnetico. La sua relazione corrente-tensione si ottiene scambiando corrente e tensione nelle equazioni dell'induttore e sostituendo L con la capacità C .

Equivalenza del circuito al limite a breve termine e al limite a lungo termine

In un circuito, un induttore può comportarsi diversamente in diversi istanti di tempo. Tuttavia, di solito è facile pensare al limite a breve termine e al limite a lungo termine:

  • Nel limite a lungo termine, dopo che il flusso magnetico attraverso l'induttore si è stabilizzato, non verrebbe indotta alcuna tensione tra i due lati dell'induttore; Pertanto, l'equivalenza a lungo termine di un induttore è un filo (cioè un cortocircuito o una batteria da 0 V).
  • Nel limite di breve tempo, se l'induttore si avvia con una certa corrente I, poiché la corrente attraverso l'induttore è nota in questo istante, possiamo sostituirla con una sorgente ideale di corrente I. Nello specifico, se I=0 (no la corrente passa attraverso l'induttore all'istante iniziale), l'equivalenza a breve termine di un induttore è un circuito aperto (cioè 0 A sorgente di corrente).

legge di Lenz

La polarità (direzione) della tensione indotta è data dalla legge di Lenz , la quale afferma che la tensione indotta sarà tale da opporsi alla variazione di corrente. Ad esempio, se la corrente attraverso un induttore è in aumento, la tensione indotta sarà positiva al punto di ingresso della corrente e negativa al punto di uscita, tendendo ad opporsi alla corrente aggiuntiva. L'energia del circuito esterno necessaria per superare questa potenziale "collina" viene immagazzinata nel campo magnetico dell'induttore. Se la corrente è in diminuzione, la tensione indotta sarà negativa al punto di ingresso della corrente e positiva al punto di uscita, tendendo a mantenere la corrente. In questo caso l'energia del campo magnetico viene restituita al circuito.

Energia immagazzinata in un induttore

Una spiegazione intuitiva del motivo per cui viene indotta una differenza di potenziale su un cambiamento di corrente in un induttore è la seguente:

Quando c'è un cambiamento nella corrente attraverso un induttore, c'è un cambiamento nella forza del campo magnetico. Ad esempio, se la corrente aumenta, il campo magnetico aumenta. Questo, tuttavia, non viene senza un prezzo. Il campo magnetico contiene energia potenziale e l'aumento dell'intensità del campo richiede più energia da immagazzinare nel campo. Questa energia proviene dalla corrente elettrica attraverso l'induttore. L'aumento dell'energia potenziale magnetica del campo è fornito da una corrispondente diminuzione dell'energia potenziale elettrica delle cariche che fluiscono attraverso gli avvolgimenti. Questo appare come una caduta di tensione attraverso gli avvolgimenti finché la corrente aumenta. Una volta che la corrente non viene più aumentata e viene mantenuta costante, l'energia nel campo magnetico è costante e non deve essere fornita energia aggiuntiva, quindi la caduta di tensione sugli avvolgimenti scompare.

Allo stesso modo, se la corrente attraverso l'induttore diminuisce, l'intensità del campo magnetico diminuisce e l'energia nel campo magnetico diminuisce. Questa energia viene restituita al circuito sotto forma di aumento dell'energia potenziale elettrica delle cariche in movimento, provocando un aumento di tensione attraverso gli avvolgimenti.

Derivazione

Il lavoro svolto per unità di carica sulle cariche che passano l'induttore è . Il segno negativo indica che il lavoro è fatto contro la forza elettromotrice, e non è fatto per la fem. La corrente è la carica per unità di tempo che passa attraverso l'induttore. Quindi il tasso di lavoro svolto dalle cariche contro la fem, cioè il tasso di variazione dell'energia della corrente, è dato da

Dall'equazione costitutiva per l'induttore, quindi

In un induttore a nucleo ferromagnetico, quando il campo magnetico si avvicina al livello al quale il nucleo si satura, l'induttanza inizierà a cambiare, sarà funzione della corrente . Trascurando le perdite, l' energia immagazzinata da un induttore attraversato da una corrente è pari alla quantità di lavoro necessaria per stabilire la corrente attraverso l'induttore.

Questa è data da: , dove è la cosiddetta "induttanza differenziale" ed è definita come: . In un induttore a nucleo d'aria o un induttore a nucleo ferromagnetico al di sotto della saturazione, l'induttanza è costante (e uguale all'induttanza differenziale), quindi l'energia immagazzinata è

Per gli induttori con nuclei magnetici, l'equazione di cui sopra è valida solo per regioni lineari del flusso magnetico, a correnti inferiori al livello di saturazione dell'induttore, dove l'induttanza è approssimativamente costante. In caso contrario, deve essere utilizzata la forma integrale con variabile.

Induttori ideali e reali

L' equazione costitutiva descrive il comportamento di un induttore ideale con induttanza e senza resistenza , capacità o dissipazione di energia. In pratica, gli induttori non seguono questo modello teorico; gli induttori reali hanno una resistenza misurabile dovuta alla resistenza del filo e alle perdite di energia nel nucleo, e capacità parassita dovuta ai potenziali elettrici tra le spire del filo.

La reattanza capacitiva di un vero induttore aumenta con la frequenza e, a una certa frequenza, l'induttore si comporterà come un circuito risonante . Al di sopra di questa frequenza auto-risonante , la reattanza capacitiva è la parte dominante dell'impedenza dell'induttore. A frequenze più elevate, le perdite resistive negli avvolgimenti aumentano per effetto pelle e per effetto prossimità .

Gli induttori con nuclei ferromagnetici subiscono ulteriori perdite di energia a causa dell'isteresi e delle correnti parassite nel nucleo, che aumentano con la frequenza. Ad alte correnti, gli induttori a nucleo magnetico mostrano anche un improvviso allontanamento dal comportamento ideale a causa della non linearità causata dalla saturazione magnetica del nucleo.

Gli induttori irradiano energia elettromagnetica nello spazio circostante e possono assorbire emissioni elettromagnetiche da altri circuiti, causando potenziali interferenze elettromagnetiche .

Un primo dispositivo di commutazione e amplificazione elettrico a stato solido chiamato reattore saturabile sfrutta la saturazione del nucleo come mezzo per arrestare il trasferimento induttivo di corrente attraverso il nucleo.

Fattore Q

La resistenza dell'avvolgimento si presenta come una resistenza in serie all'induttore; è indicato come DCR (resistenza DC). Questa resistenza dissipa parte dell'energia reattiva. Il fattore di qualità (o Q ) di un induttore è il rapporto tra la sua reattanza induttiva e la sua resistenza ad una data frequenza, ed è una misura della sua efficienza. Maggiore è il fattore Q dell'induttore, più si avvicina al comportamento di un induttore ideale. Gli induttori ad alto Q vengono utilizzati con i condensatori per creare circuiti risonanti in trasmettitori e ricevitori radio. Più alto è il Q, più stretta è la larghezza di banda del circuito risonante.

Il fattore Q di un induttore è definito come, dove L è l'induttanza, R è il DCR e il prodotto ωL è la reattanza induttiva:

Q aumenta linearmente con la frequenza se L e R sono costanti. Sebbene siano costanti alle basse frequenze, i parametri variano con la frequenza. Ad esempio, l'effetto pelle, l'effetto di prossimità e le perdite del nucleo aumentano R con la frequenza; la capacità dell'avvolgimento e le variazioni di permeabilità con la frequenza influenzano L .

Alle basse frequenze e nei limiti, aumentando il numero di spire N si migliora Q perché L varia come N 2 mentre R varia linearmente con N . Allo stesso modo aumentando il raggio r di un induttore migliora (o aumenta) Q perché L varia con r 2 mentre R varia linearmente con r . Quindi gli induttori con nucleo d'aria ad alto Q hanno spesso diametri grandi e molte spire. Entrambi questi esempi presumono che il diametro del filo rimanga lo stesso, quindi entrambi gli esempi usano proporzionalmente più filo. Se la massa totale del filo fosse mantenuta costante, allora non ci sarebbe alcun vantaggio nell'aumentare il numero di spire o il raggio delle spire perché il filo dovrebbe essere proporzionalmente più sottile.

Utilizzando un nucleo ferromagnetico ad alta permeabilità si può aumentare notevolmente l'induttanza a parità di rame, quindi il nucleo può aumentare anche il Q. I nuclei però introducono anche perdite che aumentano con la frequenza. Il materiale del nucleo viene scelto per ottenere i migliori risultati per la banda di frequenza. Gli induttori ad alto Q devono evitare la saturazione; un modo è usare un induttore a nucleo d'aria (fisicamente più grande). A frequenze VHF o superiori è probabile che venga utilizzato un nucleo d'aria. Un induttore con nucleo d'aria ben progettato può avere un Q di diverse centinaia.

Applicazioni

Esempio di filtraggio del segnale. In questa configurazione, l'induttore blocca la corrente alternata, consentendo il passaggio della corrente continua.
Esempio di filtraggio del segnale. In questa configurazione, l'induttore disaccoppia la corrente continua, consentendo il passaggio della corrente alternata.

Gli induttori sono ampiamente utilizzati nei circuiti analogici e nell'elaborazione del segnale. Le applicazioni spaziano dall'uso di grandi induttanze negli alimentatori, che in combinazione con condensatori di filtro rimuovono l' ondulazione che è un multiplo della frequenza di rete (o la frequenza di commutazione per alimentatori a commutazione) dall'uscita in corrente continua, alla piccola induttanza del tallone di ferrite o del toro installato attorno a un cavo per impedire la trasmissione di interferenze a radiofrequenza lungo il filo. Gli induttori vengono utilizzati come dispositivo di accumulo di energia in molti alimentatori a commutazione per produrre corrente CC. L'induttore fornisce energia al circuito per mantenere il flusso di corrente durante i periodi di commutazione "off" e consente topografie in cui la tensione di uscita è superiore alla tensione di ingresso.

Un circuito accordato , costituito da un induttore collegato ad un condensatore , funge da risonatore per la corrente oscillante. I circuiti sintonizzati sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature a radiofrequenza come trasmettitori e ricevitori radio, come filtri passa-banda stretti per selezionare una singola frequenza da un segnale composito e negli oscillatori elettronici per generare segnali sinusoidali.

Due (o più) induttanze in prossimità che hanno accoppiato il flusso magnetico ( mutua induttanza ) formano un trasformatore , che è un componente fondamentale di ogni rete elettrica di servizio . L'efficienza di un trasformatore può diminuire all'aumentare della frequenza a causa delle correnti parassite nel materiale del nucleo e dell'effetto pelle sugli avvolgimenti. La dimensione del nucleo può essere ridotta a frequenze più elevate. Per questo motivo i velivoli utilizzano corrente alternata a 400 hertz anziché i soliti 50 o 60 hertz, consentendo un notevole risparmio di peso dall'utilizzo di trasformatori più piccoli. I trasformatori abilitano alimentatori a commutazione che isolano l'uscita dall'ingresso.

Le induttanze trovano impiego anche nei sistemi di trasmissione elettrica, dove vengono utilizzate per limitare le correnti di commutazione e le correnti di guasto . In questo campo, sono più comunemente indicati come reattori.

Gli induttori hanno effetti parassiti che li inducono a discostarsi dal comportamento ideale. Creano e soffrono di interferenze elettromagnetiche (EMI). La loro dimensione fisica impedisce loro di essere integrati su chip a semiconduttore. Quindi l'uso di induttori sta diminuendo nei moderni dispositivi elettronici, dispositivi portatili particolarmente compatti. Gli induttori reali vengono sempre più sostituiti da circuiti attivi come il gyrator che può sintetizzare l'induttanza usando i condensatori.

Costruzione dell'induttore

Un induttore in ferrite con due avvolgimenti da 20 mH.
Una strozzatura "perla" di ferrite , costituita da un cilindro di ferrite che circonda , sopprime il rumore elettronico in un cavo di alimentazione del computer.
Grande induttore di carico con nucleo di ferro trifase da 50 Mvar in una sottostazione di servizio

Un induttore di solito è costituito da una bobina di materiale conduttore, tipicamente filo di rame isolato , avvolto attorno a un nucleo di plastica (per creare un induttore a nucleo d'aria) o di materiale ferromagnetico (o ferrimagnetico ); quest'ultimo è chiamato induttore "nucleo di ferro". L'elevata permeabilità del nucleo ferromagnetico aumenta il campo magnetico e lo confina strettamente all'induttore, aumentando così l'induttanza. Gli induttori a bassa frequenza sono costruiti come trasformatori, con nuclei di acciaio elettrico laminati per prevenire correnti parassite . Le ferriti "morbide" sono ampiamente utilizzate per i nuclei al di sopra delle frequenze audio , poiché non causano le grandi perdite di energia alle alte frequenze che fanno le normali leghe di ferro. Gli induttori sono disponibili in molte forme. Alcuni induttori hanno un nucleo regolabile, che consente la modifica dell'induttanza. Gli induttori utilizzati per bloccare frequenze molto alte sono talvolta realizzati infilando una perlina di ferrite su un filo.

I piccoli induttori possono essere incisi direttamente su un circuito stampato disponendo la traccia in uno schema a spirale . Alcuni di questi induttori planari utilizzano un nucleo planare . Gli induttori di piccolo valore possono anche essere costruiti su circuiti integrati utilizzando gli stessi processi utilizzati per realizzare le interconnessioni . In genere viene utilizzata l' interconnessione in alluminio , disposta in uno schema a spirale. Tuttavia, le piccole dimensioni limitano l'induttanza ed è molto più comune utilizzare un circuito chiamato gyrator che utilizza un condensatore e componenti attivi per comportarsi in modo simile a un induttore. Indipendentemente dal design, a causa delle basse induttanze e della bassa dissipazione di potenza, gli induttori on-die sono attualmente utilizzati commercialmente solo per circuiti RF ad alta frequenza.

Induttanze schermate

Gli induttori utilizzati nei sistemi di regolazione della potenza, nell'illuminazione e in altri sistemi che richiedono condizioni di funzionamento a basso rumore, sono spesso parzialmente o completamente schermati. Nei circuiti di telecomunicazione che impiegano bobine di induzione e trasformatori ripetitori, la schermatura degli induttori nelle immediate vicinanze riduce la diafonia del circuito.

tipi

Induttore a nucleo d'aria

Una bobina di sintonizzazione dell'antenna in una stazione radio AM. Illustra la costruzione ad alta Q ad alta potenza : avvolgimento a strato singolo con spire distanziate per ridurre le perdite per effetto di prossimità , realizzato con tubi argentati per ridurre le perdite per effetto pelle , supportato da strisce isolanti strette per ridurre le perdite dielettriche .

Il termine bobina del nucleo d'aria descrive un induttore che non utilizza un nucleo magnetico costituito da un materiale ferromagnetico. Il termine si riferisce a bobine avvolte su plastica, ceramica o altre forme non magnetiche, nonché a quelle che hanno solo aria all'interno degli avvolgimenti. Le bobine con nucleo d'aria hanno un'induttanza inferiore rispetto alle bobine con nucleo ferromagnetico, ma sono spesso utilizzate ad alte frequenze perché sono prive di perdite di energia chiamate perdite di nucleo che si verificano nei nuclei ferromagnetici, che aumentano con la frequenza. Un effetto collaterale che può verificarsi nelle bobine con nucleo d'aria in cui l'avvolgimento non è supportato rigidamente su una forma è la 'microfonia': la vibrazione meccanica degli avvolgimenti può causare variazioni nell'induttanza.

Induttore a radiofrequenza

Raccolta di induttori RF, mostrando tecniche per ridurre le perdite. I tre in alto a sinistra e l' antenna ad anello in ferrite o ad asta, in basso, hanno avvolgimenti a cestello.

Alle alte frequenze , in particolare alle radiofrequenze (RF), gli induttori hanno una resistenza maggiore e altre perdite. Oltre a causare perdite di potenza, nei circuiti risonanti questo può ridurre il fattore Q del circuito, ampliando la larghezza di banda . Negli induttori RF, che sono per lo più tipi con nucleo d'aria, vengono utilizzate tecniche di costruzione specializzate per ridurre al minimo queste perdite. Le perdite sono dovute a questi effetti:

Effetto pelle
La resistenza di un filo alla corrente ad alta frequenza è superiore alla sua resistenza alla corrente continua a causa dell'effetto pelle . La corrente alternata a radiofrequenza non penetra molto nel corpo di un conduttore ma viaggia lungo la sua superficie. Ad esempio, a 6 MHz la profondità della pelle del filo di rame è di circa 0,001 pollici (25 µm); la maggior parte della corrente è all'interno di questa profondità della superficie. Pertanto, in un filo pieno, la porzione interna del filo può trasportare poca corrente, aumentando effettivamente la sua resistenza.
Effetto di prossimità
Un altro effetto simile che aumenta anche la resistenza del filo alle alte frequenze è l'effetto di prossimità, che si verifica nei fili paralleli che si trovano vicini l'uno all'altro. Il campo magnetico individuale delle spire adiacenti induce correnti parassite nel filo della bobina, che fa concentrare la corrente nel conduttore in una sottile striscia sul lato vicino al filo adiacente. Come l'effetto pelle, questo riduce l'area della sezione trasversale effettiva del filo che conduce la corrente, aumentandone la resistenza.
Perdite dielettriche
Il campo elettrico ad alta frequenza vicino ai conduttori in una bobina del serbatoio può causare il movimento di molecole polari nei materiali isolanti vicini, dissipando energia sotto forma di calore. Quindi le bobine utilizzate per i circuiti sintonizzati spesso non sono avvolte su forme di bobine ma sono sospese in aria, supportate da sottili strisce di plastica o ceramica.
Capacità parassita
La capacità tra le singole spire di filo della bobina, detta capacità parassita , non provoca perdite di energia ma può modificare il comportamento della bobina. Ogni spira della bobina ha un potenziale leggermente diverso, quindi il campo elettrico tra le spire vicine immagazzina la carica sul filo, quindi la bobina si comporta come se avesse un condensatore in parallelo. Ad una frequenza sufficientemente alta questa capacità può risuonare con l'induttanza della bobina formando un circuito sintonizzato , facendo sì che la bobina diventi auto-risonante .
Bobina serbatoio ad alto Q in un trasmettitore a onde corte
(sinistra) Bobina ragnatela (destra) Bobina RF regolabile in ferrite sintonizzata con slug con avvolgimento intrecciato e filo litz

Per ridurre la capacità parassita e l'effetto di prossimità, le bobine RF ad alto Q sono costruite per evitare di avere molte spire vicine, parallele l'una all'altra. Gli avvolgimenti delle bobine RF sono spesso limitati a un singolo strato e le spire sono distanziate. Per ridurre la resistenza dovuta all'effetto pelle, negli induttori ad alta potenza come quelli utilizzati nei trasmettitori gli avvolgimenti sono talvolta costituiti da una striscia metallica o da un tubo che ha una superficie maggiore e la superficie è argentata.

Bobine a canestro
Per ridurre l'effetto di prossimità e la capacità parassita, le bobine RF multistrato sono avvolte secondo schemi in cui le spire successive non sono parallele ma incrociate ad angolo; questi sono spesso chiamati bobine a nido d'ape o intrecciate . Questi sono occasionalmente avvolti su supporti isolanti verticali con tasselli o asole, con il filo che si intreccia dentro e fuori attraverso le fessure.
Bobine di ragnatela
Un'altra tecnica di costruzione con vantaggi simili sono le bobine a spirale piatta. Questi sono spesso avvolti su un supporto isolante piano con raggi o fessure radiali, con il filo che si intreccia dentro e fuori attraverso le fessure; questi sono chiamati bobine di ragnatela . La forma ha un numero dispari di fessure, quindi i giri successivi della spirale giacciono sui lati opposti della forma, aumentando la separazione.
filo litz
Per ridurre le perdite dell'effetto pelle, alcune bobine sono avvolte con un tipo speciale di filo a radiofrequenza chiamato filo litz . Invece di un singolo conduttore solido, il filo litz è costituito da un numero di fili più piccoli che trasportano la corrente. A differenza del normale filo a trefoli , i trefoli sono isolati l'uno dall'altro, per evitare che l'effetto pelle spinga la corrente verso la superficie, e sono attorcigliati o intrecciati insieme. Il modello di torsione assicura che ogni trefolo di filo spenda la stessa quantità della sua lunghezza all'esterno del fascio di cavi, quindi l'effetto pelle distribuisce la corrente equamente tra i trefoli, risultando in un'area di conduzione della sezione trasversale più ampia rispetto a un singolo filo equivalente.
Induttore assiale

Piccole induttanze per bassa corrente e bassa potenza sono realizzate in custodie stampate simili a resistori. Questi possono essere un nucleo semplice (fenolico) o un nucleo di ferrite. Un ohmmetro li distingue facilmente dai resistori di dimensioni simili mostrando la bassa resistenza dell'induttore.

Induttore a nucleo ferromagnetico

Una varietà di tipi di induttori e trasformatori con nucleo di ferrite

Gli induttori con nucleo ferromagnetico o con nucleo di ferro utilizzano un nucleo magnetico costituito da un materiale ferromagnetico o ferrimagnetico come ferro o ferrite per aumentare l'induttanza. Un nucleo magnetico può aumentare l'induttanza di una bobina di un fattore di diverse migliaia, aumentando il campo magnetico a causa della sua maggiore permeabilità magnetica . Tuttavia le proprietà magnetiche del materiale del nucleo causano diversi effetti collaterali che alterano il comportamento dell'induttore e richiedono una costruzione speciale:

Perdite principali
Una corrente variabile nel tempo in un induttore ferromagnetico, che provoca un campo magnetico variabile nel tempo nel suo nucleo, provoca perdite di energia nel materiale del nucleo che vengono dissipate sotto forma di calore, a causa di due processi:
correnti parassite
Dalla legge dell'induzione di Faraday , il campo magnetico variabile può indurre circuiti circolanti di corrente elettrica nel nucleo metallico conduttivo. L'energia in queste correnti viene dissipata sotto forma di calore nella resistenza del materiale del nucleo. La quantità di energia persa aumenta con l'area all'interno del circuito di corrente.
isteresi
La modifica o l'inversione del campo magnetico nel nucleo provoca anche perdite dovute al movimento dei minuscoli domini magnetici di cui è composto. La perdita di energia è proporzionale all'area del ciclo di isteresi nel grafico BH del materiale del nucleo. I materiali con bassa coercitività hanno anelli di isteresi stretti e quindi perdite di isteresi basse.
La perdita del nucleo è non lineare rispetto sia alla frequenza della fluttuazione magnetica che alla densità del flusso magnetico. La frequenza della fluttuazione magnetica è la frequenza della corrente alternata nel circuito elettrico; la densità del flusso magnetico corrisponde alla corrente nel circuito elettrico. La fluttuazione magnetica dà origine all'isteresi e la densità del flusso magnetico provoca correnti parassite nel nucleo. Queste non linearità si distinguono dalla non linearità di soglia della saturazione. La perdita del nucleo può essere approssimativamente modellata con l'equazione di Steinmetz . A basse frequenze e su intervalli di frequenza limitati (forse un fattore 10), la perdita del nucleo può essere trattata come una funzione lineare della frequenza con un errore minimo. Tuttavia, anche nella gamma audio, gli effetti non lineari degli induttori a nucleo magnetico sono evidenti e preoccupanti.
Saturazione
Se la corrente attraverso una bobina del nucleo magnetico è sufficientemente alta da saturare il nucleo , l'induttanza diminuirà e la corrente aumenterà drasticamente. Questo è un fenomeno di soglia non lineare e provoca una distorsione del segnale. Ad esempio, i segnali audio possono subire distorsioni di intermodulazione negli induttori saturati. Per evitare ciò, nei circuiti lineari la corrente attraverso gli induttori con nucleo di ferro deve essere limitata al di sotto del livello di saturazione. Alcuni nuclei laminati hanno uno stretto traferro per questo scopo e i nuclei di ferro in polvere hanno un traferro distribuito. Ciò consente livelli più elevati di flusso magnetico e quindi correnti più elevate attraverso l'induttore prima che si satura.
Smagnetizzazione del punto Curie
Se la temperatura di un nucleo ferromagnetico o ferrimagnetico sale a un livello specificato, i domini magnetici si dissociano e il materiale diventa paramagnetico, non più in grado di supportare il flusso magnetico. L'induttanza diminuisce e la corrente aumenta drammaticamente, in modo simile a quanto accade durante la saturazione. L'effetto è reversibile: quando la temperatura scende al di sotto del punto di Curie, il flusso magnetico risultante dalla corrente nel circuito elettrico riallinea i domini magnetici del nucleo e il suo flusso magnetico viene ripristinato. Il punto di Curie dei materiali ferromagnetici (leghe di ferro) è piuttosto alto; il ferro è massimo a 770  °C. Tuttavia, per alcuni materiali ferrimagnetici (composti di ferro ceramico – ferriti ) il punto di Curie può essere vicino alla temperatura ambiente (inferiore a 100  °C).

Induttore a nucleo laminato

Induttore di zavorra con nucleo in ferro laminato per una lampada ad alogenuri metallici

Gli induttori a bassa frequenza sono spesso realizzati con nuclei laminati per prevenire le correnti parassite, utilizzando una struttura simile ai trasformatori . Il nucleo è costituito da pile di sottili lamiere di acciaio o lamierini orientati parallelamente al campo, con un rivestimento isolante sulla superficie. L'isolamento impedisce correnti parassite tra i fogli, quindi eventuali correnti residue devono trovarsi all'interno dell'area della sezione trasversale dei singoli lamierini, riducendo l'area dell'anello e quindi riducendo notevolmente le perdite di energia. I lamierini sono realizzati in acciaio al silicio a bassa conduttività per ridurre ulteriormente le perdite di correnti parassite.

Induttore in ferrite

Per frequenze più alte, gli induttori sono realizzati con nuclei di ferrite. La ferrite è un materiale ferrimagnetico ceramico non conduttivo, quindi le correnti parassite non possono fluire al suo interno. La formulazione della ferrite è xxFe 2 O 4 dove xx rappresenta vari metalli. Per i nuclei dell'induttore vengono utilizzate ferriti morbide , che hanno una bassa coercitività e quindi basse perdite di isteresi.

Induttore con nucleo di ferro in polvere

Un altro materiale è il ferro in polvere cementato con un legante.

Induttore toroidale

Induttore toroidale nell'alimentazione di un router wireless

In un induttore avvolto su un nucleo rettilineo a forma di bastoncino, le linee del campo magnetico che emergono da un'estremità del nucleo devono passare attraverso l'aria per rientrare nel nucleo all'altra estremità. Ciò riduce il campo, poiché gran parte del percorso del campo magnetico è nell'aria piuttosto che nel materiale del nucleo a maggiore permeabilità ed è una fonte di interferenza elettromagnetica . Un campo magnetico e un'induttanza più elevati possono essere ottenuti formando il nucleo in un circuito magnetico chiuso . Le linee del campo magnetico formano anelli chiusi all'interno del nucleo senza lasciare il materiale del nucleo. La forma spesso utilizzata è un nucleo di ferrite toroidale oa forma di ciambella. A causa della loro simmetria, i nuclei toroidali consentono a un minimo del flusso magnetico di fuoriuscire all'esterno del nucleo (chiamato flusso di dispersione ), quindi irradiano meno interferenze elettromagnetiche rispetto ad altre forme. Le bobine con nucleo toroidale sono prodotte con vari materiali, principalmente ferrite, ferro in polvere e nuclei laminati.

Induttore variabile

(a sinistra) Induttore con inserto filettato in ferrite (visibile in alto) che può essere ruotato per spostarlo dentro o fuori la bobina, alto 4,2 cm. (a destra) Un variometro utilizzato nei ricevitori radio negli anni '20
Una "bobina a rullo", un induttore RF a nucleo d'aria regolabile utilizzato nei circuiti sintonizzati dei trasmettitori radio. Uno dei contatti con la bobina è costituito dalla piccola ruota scanalata, che scorre sul filo. Ruotando l'albero si ruota la bobina, spostando la ruota di contatto su o giù per la bobina, consentendo più o meno spire della bobina nel circuito, per modificare l'induttanza.

Probabilmente il tipo più comune di induttore variabile oggi è quello con un nucleo magnetico mobile in ferrite, che può essere fatto scorrere o avvitato dentro o fuori dalla bobina. Spostando il nucleo più lontano nella bobina aumenta la permeabilità , aumentando il campo magnetico e l'induttanza. Molti induttori utilizzati nelle applicazioni radio (di solito inferiori a 100 MHz) utilizzano nuclei regolabili per sintonizzare tali induttori sul valore desiderato, poiché i processi di produzione hanno determinate tolleranze (imprecisioni). A volte tali nuclei per frequenze superiori a 100 MHz sono realizzati in materiale non magnetico altamente conduttivo come l'alluminio. Diminuiscono l'induttanza perché il campo magnetico deve bypassarli.

Gli induttori con nucleo d'aria possono utilizzare contatti striscianti o più prese per aumentare o diminuire il numero di spire incluse nel circuito, per modificare l'induttanza. Un tipo molto usato in passato ma oggi per lo più obsoleto ha un contatto a molla che può scorrere lungo la nuda superficie degli avvolgimenti. Lo svantaggio di questo tipo è che il contatto di solito cortocircuita una o più spire. Queste spire agiscono come un avvolgimento secondario del trasformatore cortocircuitato a spira singola ; le grandi correnti indotte in essi provocano perdite di potenza.

Un tipo di induttore a nucleo d'aria a variazione continua è il variometro . Questo è costituito da due bobine con lo stesso numero di spire collegate in serie, una dentro l'altra. La bobina interna è montata su un albero in modo che il suo asse possa essere ruotato rispetto alla bobina esterna. Quando gli assi delle due bobine sono collineari, con i campi magnetici rivolti nella stessa direzione, i campi si sommano e l'induttanza è massima. Quando la bobina interna viene ruotata in modo che il suo asse sia ad angolo con l'esterno, l'induttanza reciproca tra di loro è più piccola, quindi l'induttanza totale è inferiore. Quando la bobina interna viene ruotata di 180° in modo che le bobine siano collineari con i loro campi magnetici opposti, i due campi si annullano a vicenda e l'induttanza è molto piccola. Questo tipo ha il vantaggio di essere continuamente variabile su un ampio intervallo. Viene utilizzato nei sintonizzatori d'antenna e nei circuiti di adattamento per abbinare i trasmettitori a bassa frequenza alle loro antenne.

Un altro metodo per controllare l'induttanza senza parti mobili richiede un avvolgimento di polarizzazione della corrente CC aggiuntivo che controlla la permeabilità di un materiale del nucleo facilmente saturabile. Vedere Amplificatore magnetico .

Soffocare

Un'induttanza radio MF o HF per decimi di ampere e un'induttanza VHF con sfere di ferrite per diversi ampere.

Un choke è un induttore progettato specificamente per il blocco corrente ad alta frequenza alternata (AC) in un circuito elettrico, permettendo DC o segnali a bassa frequenza di passare. Poiché l'induttore limita o "soffoca" le variazioni di corrente, questo tipo di induttore è chiamato induttanza. Di solito consiste in una bobina di filo isolato avvolto su un nucleo magnetico, sebbene alcuni siano costituiti da una "perla" a forma di ciambella di materiale di ferrite infilata su un filo. Come altri induttori, le induttanze resistono ai cambiamenti di corrente che le attraversano sempre più con frequenza. La differenza tra induttanze e altri induttori è che le induttanze non richiedono le tecniche di costruzione ad alto fattore Q utilizzate per ridurre la resistenza negli induttori utilizzati nei circuiti sintonizzati.

Analisi del circuito

L'effetto di un induttore in un circuito è quello di opporsi alle variazioni di corrente attraverso di esso sviluppando una tensione ai suoi capi proporzionale alla velocità di variazione della corrente. Un induttore ideale non offrirebbe alcuna resistenza a una corrente continua costante ; tuttavia, solo gli induttori superconduttori hanno una resistenza elettrica veramente zero .

La relazione tra la tensione variabile nel tempo v ( t ) attraverso un induttore con induttanza L e la corrente variabile nel tempo i ( t ) che lo attraversa è descritta dall'equazione differenziale :

Quando c'è una corrente alternata sinusoidale (AC) attraverso un induttore, viene indotta una tensione sinusoidale. L'ampiezza della tensione è proporzionale al prodotto dell'ampiezza ( I P ) della corrente e della frequenza ( f ) della corrente.

In questa situazione, la fase della corrente è in ritardo rispetto a quella della tensione di π/2 (90°). Per le sinusoidi, quando la tensione ai capi dell'induttore raggiunge il suo valore massimo, la corrente va a zero e quando la tensione ai capi dell'induttore va a zero, la corrente che lo attraversa va al suo valore massimo.

Se un induttore è collegato a una sorgente di corrente continua con valore I tramite una resistenza R (almeno il DCR dell'induttore), e quindi la sorgente di corrente è in cortocircuito, la relazione differenziale sopra mostra che la corrente attraverso l'induttore si scaricherà con un decadimento esponenziale :

Reattanza

Il rapporto tra la tensione di picco e la corrente di picco in un induttore energizzato da una sorgente CA è chiamato reattanza ed è indicato con X L .

Così,

dove ω è la frequenza angolare .

La reattanza viene misurata in ohm, ma indicata come impedenza piuttosto che come resistenza; l'energia viene immagazzinata nel campo magnetico quando la corrente aumenta e viene scaricata quando la corrente diminuisce. La reattanza induttiva è proporzionale alla frequenza. A bassa frequenza la reattanza cade; in DC, l'induttore si comporta come un cortocircuito. All'aumentare della frequenza aumenta la reattanza e ad una frequenza sufficientemente alta la reattanza si avvicina a quella di un circuito aperto.

Frequenza d'angolo

Nelle applicazioni di filtraggio, rispetto ad una particolare impedenza di carico, un'induttanza ha una frequenza d'angolo definita come:

Analisi del circuito di Laplace (dominio s)

Quando si utilizza la trasformata di Laplace nell'analisi del circuito, l'impedenza di un induttore ideale senza corrente iniziale è rappresentata nel dominio s da:

dove

è l'induttanza, e
è la frequenza complessa.

Se l'induttore ha corrente iniziale, può essere rappresentato da:

  • aggiungendo una sorgente di tensione in serie all'induttore, avente il valore:

    dove

    è l'induttanza, e
    è la corrente iniziale nell'induttore.
    (La sorgente dovrebbe avere una polarità allineata con la corrente iniziale.)
  • oppure aggiungendo una sorgente di corrente in parallelo all'induttore, avente il valore:
    dove
    è la corrente iniziale nell'induttore.
    è la frequenza complessa.

Reti di induttori

Gli induttori in una configurazione parallela hanno ciascuno la stessa differenza di potenziale (tensione). Per trovare la loro induttanza equivalente totale ( L eq ):

Uno schema di diversi induttori, uno accanto all'altro, entrambi i cavi di ciascuno collegati agli stessi fili

La corrente attraverso gli induttori in serie rimane la stessa, ma la tensione ai capi di ciascun induttore può essere diversa. La somma delle differenze di potenziale (tensione) è uguale alla tensione totale. Per trovare la loro induttanza totale:

Un diagramma di diversi induttori, collegati da un capo all'altro, con la stessa quantità di corrente che attraversa ciascuno

Queste semplici relazioni sono vere solo quando non c'è accoppiamento reciproco di campi magnetici tra i singoli induttori.

Mutua induttanza

La mutua induttanza si verifica quando il campo magnetico di un induttore induce un campo magnetico in un induttore adiacente. L'induzione reciproca è la base della costruzione del trasformatore.

dove M è la massima mutua induttanza possibile tra 2 induttori e L 1 e L 2 sono i due induttori. Generalmente

poiché solo una frazione del flusso di sé è collegata all'altra. Questa frazione è chiamata "Coefficiente di collegamento del flusso (K)" o "Coefficiente di accoppiamento".

Formule di induttanza

La tabella seguente elenca alcune formule semplificate comuni per calcolare l'induttanza approssimativa di diverse costruzioni di induttori.

Costruzione Formula Appunti
Bobina cilindrica con nucleo in aria
  • L = induttanza in henries (H)
  • μ 0 = permeabilità dello spazio libero = 4 × 10 −7 H/m
  • K = coefficiente di Nagaoka
  • N = numero di giri
  • A = area di sezione della batteria in metri quadrati (m 2 )
  • = lunghezza della bobina in metri (m)
Il calcolo del coefficiente di Nagaoka ( K ) è complicato; normalmente deve essere cercata da una tabella.
Conduttore a filo dritto ,

dove:

  • L = induttanza
  • = lunghezza del cilindro
  • r = raggio del cilindro
  • μ 0 = permeabilità dello spazio libero = 4  × 10 −7  H/m
  • μ = permeabilità del conduttore
  • ρ = resistività
  • ω = velocità di fase
  • = 0,2 µH/m, esattamente.
Esatto se ω = 0, o se ω = ∞.

Il termine B sottrae anziché sommare.

(quando d ² f »1 mm² MHz )

(quando d ² f «1 mm² MHz )

  • L = induttanza (nH)
  • = lunghezza del conduttore (mm)
  • d = diametro del conduttore (mm)
  • f = frequenza
  • = 0,2 µH/m, esattamente.
Richiede  > 100  d

Per permeabilità relativa μ r  = 1 (es. Cu o Al ).

Anello piccolo o bobina molto corta
  • L = induttanza nelle stesse unità di μ 0 .
  • D = Diametro della bobina (conduttore da centro a centro)
  • d = diametro del conduttore
  • N = numero di giri
  • f = frequenza operativa (regolare f , non ω )
  • σ = conducibilità specifica del conduttore della bobina
  • μ r = permeabilità relativa del conduttore
  • La lunghezza totale del conduttore dovrebbe essere di circa 110  lunghezza d'onda o inferiore.
  • Gli effetti di prossimità non sono inclusi: la distanza da bordo a bordo tra le curve deve essere 2× d o maggiore.
  • = 0,2 µH/m, esattamente.
Il conduttore μ r dovrebbe essere il più vicino possibile a 1 – rame o alluminio piuttosto che un metallo magnetico o paramagnetico.
Bobina cilindrica a nucleo d'aria medio o lungo
  • L = induttanza (µH)
  • r = raggio esterno della bobina (in)
  • = lunghezza della bobina (in)
  • N = numero di giri
Richiede una lunghezza del cilindro  > 0,4  r : La lunghezza deve essere almeno 15 del diametro. Non applicabile ad antenne ad anello singolo o bobine molto corte e tozze.
Bobina multistrato a nucleo d'aria
  • L = induttanza (µH)
  • r = raggio medio della bobina (in)
  • = lunghezza fisica dell'avvolgimento della bobina (in)
  • N = numero di giri
  • d = profondità della bobina (raggio esterno meno raggio interno) (in)
Bobina a spirale piatta in aria
  • L = induttanza (µH)
  • r = raggio medio della bobina (cm)
  • N = numero di giri
  • d = profondità della bobina (raggio esterno meno raggio interno) (cm)
  • L = induttanza (µH)
  • r = raggio medio della bobina (in)
  • N = numero di giri
  • d = profondità della bobina (raggio esterno meno raggio interno) (in)
Precisione entro il 5 percento per d  > 0,2  r .
Nucleo toroidale (sezione circolare)
  • L = induttanza (µH)
  • d = diametro dell'avvolgimento della bobina (in)
  • N = numero di giri
  • D = 2 * raggio di rivoluzione (in)
  • L = induttanza (µH)
  • d = diametro dell'avvolgimento della bobina (in)
  • N = numero di giri
  • D = 2 * raggio di rivoluzione (in)
Approssimazione quando d  < 0,1  D
Nucleo toroidale (sezione rettangolare)
  • L = induttanza (µH)
  • d 1 = diametro interno del toroide (in)
  • d 2 = diametro esterno del toroide (in)
  • N = numero di giri
  • h = altezza del toroide (in)

Guarda anche

Appunti

Riferimenti

Fonte

link esterno