Spis treści:
Nejdůležitějším úkolem každé indukční tlumivky, známé také jako induktor, je zabránit nežádoucím změnám proudu. Tato součástka se vyznačuje velmi jednoduchou a nekomplikovanou strukturou, se kterou stojí za to se seznámit. .
Ačkoli tyto komponenty nejsou pro digitální elektroniku nezbytné, pro analogovou elektroniku je tomu naopak. Cívky jsou pak nejen nezbytnou součástí konstrukce, ale také velmi užitečné. Když se proud procházející cívkou odpojí, vytvoří se na jejích svorkách napětí, které lze využít k návrhu zajímavých konstrukcí. Ve skutečnosti je však vlastností tlumivek mnohem více a stojí za to se o nich všech dozvědět.
Co je to cívka a indukční tlumivka?
Cívka slouží pouze k filtraci napětí a zároveň k zachycení energie magnetického pole a její vhodnost v daném obvodu je určena parametrem henr (H), který umožňuje měřit magnetické pole, které lze daným obvodem generovat. Elektromotorická síla vytvořená existencí magnetického pole vytváří zpětný proud přímo způsobený změnami proudu v daném obvodu, což je známo jako samoindukce.
Tímto jevem tlumivka zabraňuje změnám proudu. Jedná se o zcela pasivní a relativně malou součástku, která je však velmi často nutná pro fungování některých obvodů. Cívky mohou buď tlumit proud, nebo fungovat jako přijímač rádiových vln v LC obvodu. Zajímavé je, že vinutí dvou cívek na stejné jádro vykazuje činnost podobnou transformátoru.
Jaký je rozdíl mezi tlumivkou a kondenzátorem?
Cívka, která se často označuje jako tlumivka, se používá k filtraci napětí a rozdíl mezi oběma formulacemi je poměrně plynulý. Cívka je obecně definovaný induktivní prvek, zatímco tlumivka je určena přímo k filtraci proudových poruch. Mnoho lidí považuje induktor za opačný prvek než kondenzátor, což dává velký smysl. Kondenzátor je do obvodu zapojen paralelně, zatímco induktor je zapojen sériově. To je velmi velký rozdíl. Kondenzátor se nabíjí ze zdroje energie a lze jej označit za nouzový zdroj energie v podobě baterie s velmi malou „kapacitou“. Cívky jsou zapojeny sériově, takže dokonale propouštějí konstantní napětí a zkracují ho pouze od proměnného rušení.
Kondenzátor je vyroben z dvojice vodičů, které jsou odděleny dielektrikem. Elektrický náboj přiváděný na obaly kondenzátoru způsobuje jeho hromadění v zařízení pomocí elektrostatické přitažlivosti. Po odpojení napájení zůstane náboj na krytech. Na trhu existuje mnoho typů kondenzátorů se zcela odlišnými způsoby fungování a provádění jejich práce.
Konstrukce cívky
Cívka má poměrně jednoduchou a nekomplikovanou strukturu. Součástka se skládá ze šroubovitě navinutého úseku drátu různé tloušťky v závislosti na typu a druhu cívky. Uvnitř této spirály se v závislosti na modelu mohou nacházet různé druhy materiálu. Mezi nimi stojí za zmínku jádro z magnetického materiálu s vysokou úrovní magnetických vlastností. V případě tlumivek se nejčastěji používají feritové materiály, které vykazují vysoký elektrický odpor a nízkou saturační indukci, nebo karaky, což je diamagnet vyrobený z papíru nebo plastu. Existují také verze cívek bez jádra – u těchto modelů je spirálový drát vyplněn vzduchem. Důležitá je zde však jedna zásada – drát tvořící cívku musí být dostatečně tuhý, aby se spirála sama neodvíjela. Bez ohledu na zvolenou variantu je však třeba vědět, že vlastnosti cívek s jádrem a vzduchových cívek jsou stejné, protože materiály uvnitř cívky jsou magneticky inertní.
Co je to indukce v cívce?
Cívka je setrvačný prvek, tj. uchovává energii v magnetickém poli. V tomto zařízení závisí okamžitý proud nejen na proudovém napětí, ale také na minulém napětí. Je-li cívka připojena ke kondenzátoru, vznikne rezonanční obvod. Tento obvod se chová jako rezonátor a může být ekvivalentem mechanického oscilačního systému. Tento obvod se používá především v radiotechnice a je stále klíčovou součástí stovek typů elektrických a elektronických zařízení.
Použití indukční tlumivky
Indukční tlumivky mají široké využití, zejména v elektronickém průmyslu a elektrotechnice. Nejčastěji se používají v pohonných systémech, kde spolupracují s měniči, tj. zařízeními, která mění stejnosměrný proud na střídavý s nastavitelným napětím a frekvencí. Kromě toho se indukční tlumivky používají také v zařízeních výkonové elektroniky, kde je jejich účelem snížit množství elektromagnetického rušení, které vzniká při provozu. Kromě toho se tyto prvky používají v usměrňovačích napájených ze sítě. V tomto případě jsou určeny k potlačení zvlnění. Ve střídavých obvodech se indukční tlumivky používají k minimalizaci zkratových proudů.
Kromě toho jsou tlumivky vynikající ochranou proti rušení pro střídavé obvody běžně používaných zařízení. Je také dobré vědět, že indukční tlumivka najde uplatnění v případě pulzních stabilizátorů pracujících na vysokých frekvencích, tj. integrovaných obvodů napájejících danou zátěž. Tyto stabilizátory jsou zodpovědné za výrobu stabilního výstupního napětí na základě jevu samoindukce. Neméně častou aplikací indukční tlumivky je její použití k přerušení proudu řídícího tranzistory v měničích postavených na tyristorech. To znamená, že tlumivka je jedním z nejuniverzálnějších elektrických zařízení a její význam v obvodu by neměl být podceňován.
Rezistence tlumivek – co stojí za to vědět?
Na rozdíl od kondenzátorů jsou tlumivky spínány sériově s napájeným zařízením. To je nesmírně důležité, protože tlumivka má velmi malý odpor pro stejnosměrný proud a mnohem větší odpor pro střídavý proud. Chcete-li zkontrolovat odpor tlumivek, můžete provést určitý pokus, který není obtížný, ale je také velmi účinný. Stačí nastavit multimetr, kombinovaný přístroj určený k měření různých fyzikálních veličin, na měření odporu a zvolit nejmenší možný rozsah. Poté spojte jeho hroty dohromady a zaznamenejte získaný výsledek. Dalším krokem je změřit odpor samotné tlumivky a výsledek rovněž zaznamenat. V podstatě bude odpor tlumivky rozdílem mezi oběma, zapsanými výsledky.
Jaký je účel takového experimentu? No, když víme, že odpor součástky je malý, a zároveň chceme znát přesný výsledek, mohl by být tento výsledek nadhodnocen vlivem vodičů, takže výsledné údaje by byly pokrytecké. Právě z tohoto důvodu je malý odpor viditelný pouze na nejmenším měřicím rozsahu měřidla, a proto může být takový experiment v mnoha případech nezbytný.
Klíčové parametry cívky
Induktor je charakterizován několika parametry, které jsou velmi důležité a mají přímý vliv na jeho provoz. Nejdůležitějším z nich je jednoznačně indukčnost, která se vyjadřuje v hertzích. V závislosti na aplikaci se samozřejmě volí různé hodnoty, přičemž rozsah se počítá od nano-Henry až po mili-Henry, z čehož vyplývá, že rozsah je velmi široký. Kromě toho je každá cívka charakterizována také svým vlastním odporem neboli rezistencí. Odpor je veličina, která vyplývá z odezvy mezi napětím a proudem ve stejnosměrných obvodech. Dalším parametrem je maximální proud, který stojí za to rozebrat v jednom z následujících odstavců této příručky.
Při analýze parametrů cívky je důležité vědět, že čím vyšší je její indukční hodnota, tím lépe plní svůj úkol filtrační funkce. Stručně řečeno, vše, co cívkou protéká, je později vyhlazeno kondenzátory. Samotná cívka je však pasivní prvek, což znamená, že sama o sobě nevyrábí elektrickou energii.
Maximální teplota cívky
Teplotu cívky ovlivňuje několik faktorů. Patří mezi ně mimo jiné konstrukce konkrétního obvodu, v němž je cívka použita, a také uspořádání jednotlivých součástí. Kromě toho je stejně důležitá velikost a tloušťka stop na desce plošných spojů (PCB), proudění vzduchu a další faktory, které mají přímý vliv na kvalitu a výkon chlazení. Maximální teplota cívky vám tedy mnoho neřekne, protože umožňuje pouze určit tuto hodnotu v konečném výrobku. Je však třeba mít na paměti, že teplota cívky by nikdy neměla překročit limit stanovený pro její nejnepříznivější provozní podmínky.
Nestíněná a stíněná cívka
Cívky se mimo jiné liší svým stíněním nebo jeho absencí, což zcela mění jejich použití. Cívky bez stínění mají otevřený magnetický obvod, takže proud protékající vinutím indukuje v jádře magnetický tok, který opouští jádro a dostává se na jeho druhou stranu, což znamená uzavření cesty magnetického toku. Magnetický tok do jisté míry interaguje s obvody v těsné blízkosti, takže v důsledku toho může měnit jejich vlastnosti.
Stíněná cívka se od toho značně liší. Magnetický tok vytvořený proudem protékajícím vinutím nemůže opustit jádro, takže tok nijak neovlivňuje obvody v okolí tohoto prvku. Zajímavé je, že stíněná cívka má mnohem nižší saturační proud než stíněný model, ale je také podstatně dražší než on. To znamená, že obě formy budou nejlépe fungovat pouze ve specifických případech. Z výhod stíněné cívky stojí za zmínku možnost výrazného omezení nežádoucího elektromagnetického rušení, takže je lze použít vždy, když se chceme rušení vyhnout. Tato výhoda je velmi důležitá při použití snímačů s vysokou spínací frekvencí.
Cívka jako prostředek filtrace energie na bázi Arduina UNO
Arduino UNO je oblíbený a často používaný obvod, který se vyznačuje relativní jednoduchostí. Prvky L2 a C10 v něm obsažené společně tvoří LC filtr, který tlumí a filtruje rušení vznikající při napájení jejich analogové části. Kondenzátor C6 má za úkol filtrovat napájení digitální části obvodu. Ačkoli nutnost zohlednit maximální proud odebíraný tlumivkou znamená, že sama o sobě obvykle není vhodným způsobem napájení obvodu, pro Arduino UNO bude díky své nízké spotřebě fungovat naprosto bez problémů.
Tlumivka je díky své konstrukci hlavní překážkou střídavého proudu a rušení nepravidelnostmi. Proud procházející tlumivkou je do jisté míry “vyhlazen” od jakéhokoli rušení kondenzátory, což vede k čistému a nezkreslenému proudu dodávanému do převodníku.
Maximální proud tlumivky
Maximální proud je jedním z nejdůležitějších parametrů popisujících cívky. Vinutí součástek mají díky svému odporu za následek, že se na nich při průchodu proudu ukládá napětí v souladu s Ohmovým zákonem. Co to v praxi znamená pro kupujícího? Součin napětí a proudu je výkon rozptýlený cívkou. Je třeba si uvědomit, že proud, který má protékat danou cívkou, by měl být výrazně menší než maximální přípustný. Příliš velký výkon totiž způsobuje přehřátí a v důsledku toho spálení vinutí, a tím zcela znehodnotí provoz této malé elektrické součástky.
Platí pravidlo, že čím tenčí je vodič, tím větší je jeho indukčnost, a naopak tlustý vodič má mnohem menší indukčnost. Kostra má omezený prostor, takže vyšší indukčnost nutí použít více cívek. Stručně řečeno to znamená, že čím vyšší je indukčnost, tím nižší je maximální proud.
Použití cívek – obecné informace
Induktory, jinak řečeno tlumivky, se používají především v obvodech elektrických systémů, které jsou napájeny ze sítě. Kromě toho mohou také uchovávat energii v silových obvodech a různých typech měničů napětí. Navíc dobře fungují i jako předřadníky, takže se dobře hodí pro použití v obvodech, které napájejí zářivky a výbojky.
Cívka se po připojení k měniči také velmi často používá v systémech a obvodech elektrických pohonů, protože tlumivky minimalizují rušení a komutační přepětí v síti. Zajímavé je, že motorové tlumivky nacházejí uplatnění jak v systémech stejnosměrných, tak střídavých pohonů, protože se instalují do obvodů, které propojují kabely motoru s měničem. Jaká je jejich funkce v těchto případech? Inu, tlumivky zde plní nesmírně důležitou úlohu, a sice jsou zodpovědné za zaručení kontinuity motoru a vyhlazení jeho pulzací. Kromě toho tlumivky přispívají také k minimalizaci zkratového proudu v obvodu.
Použití cívek ve strojených filtrech
Rezonanční obvody, známé také jako laděné filtry, mají velmi důležitý význam prakticky v každém elektrickém zařízení. Slouží k selektivnímu tlumení frekvencí, proto se v jejich případě vyplatí používat modely cívek s vysokým parametrem Q (dobrota). Jak víme, goodness je veličina v rezonančním systému a slouží k určení, kolikrát je amplituda rezonančního kmitání větší než stejná amplituda, ale v nerezonanční oblasti. Cívky pro laděné filtry se obvykle dodávají v bezjádrovém provedení, méně často s feritovým nebo karbonylovým jádrem se vzduchovou mezerou. Někdy se pro některé konstrukce používají také cívky s nastavitelnou indukčností a stíněné a nestíněné cívky, jakož i toroidní cívky.
Tlumivky ve filtrech RFI – potlačení rušení
Potlačení nežádoucího rušení a signálů se vyplatí svěřit rušivým filtrům RFI, které mají vynikající výkon. Používají cívky s poměrně vysokou úrovní impedance a ve velkém frekvenčním rozsahu, což znamená, že by měly mít nízkou úroveň dobroty Q. Většina lidí se rozhoduje pro použití cívek s feritovým jádrem nebo toroidním jádrem, ale pouze pro konstrukce zahrnující velmi malý proud. Fungují dobře hlavně proto, že mají uzavřený magnetický obvod a velmi malé rozptylové pole. Někdy je potřeba mezera, zejména při vyšších nebo velmi vysokých proudech, a feritové jádro s otevřeným magnetickým obvodem.
Filtrace proudu a ukládání napětí
U některých spínaných napájecích zdrojů může docházet k vysokofrekvenčnímu rušení. K jejich filtraci se velmi často používají induktory, které minimalizují riziko jejich výskytu. Naproti tomu v měničích DC/DC, které se používají k napájení dvou nezávislých zdrojů, jako například v případě dvou baterií, ukládají energii cívky. V takových situacích se nejlépe uplatní feritová jádra.
Dobře, zkusím to s tou elektronikou, ale kde mám začít...?
Teoretické znalosti nejsou všechno – stojí za to obohatit je praxí. Ve skutečnosti by měly jít ruku v ruce. Jak na to krok za krokem, od úrovně úplného začátečníka?
Když je vše uspořádáno a vzájemně se doplňuje, učení se novým tématům se stává čistým potěšením. Polské kurzy a knihy Forbot již vyzkoušely tisíce lidí. Právě s nimi se rodí noví odborníci na elektroniku. Čeká na vás učení základů od základů a s praktickým přístupem vlastním tempem a s rozsáhlou online podporou. Podívejte se k nám – máme jich desítky a vzdělávací základna pro budoucí inženýry elektroniky se neustále rozrůstá!
