Inductor Quirks

In een ideaal geval fungeert een inductor als een puur reactief apparaat. Dat wil zeggen, zijn verzet tegen wisselstroom is strikt gebaseerd op inductieve reactie op veranderingen in stroom, en niet op elektronenwrijving zoals het geval is bij resistieve componenten.

Inductoren zijn echter niet zo zuiver in hun reactieve gedrag. Om te beginnen zijn ze gemaakt van draad en we weten dat alle draad een meetbare hoeveelheid weerstand heeft (tenzij het supergeleidende draad is).

Deze ingebouwde weerstand werkt alsof hij in serie is geschakeld met de perfecte inductantie van de spoel, als volgt:

Inductor Equivalent circuit van een echte inductor.

Bijgevolg zal de impedantie van een echte inductor altijd een complexe combinatie zijn van weerstand en inductieve reactantie.

De verergering van dit probleem is iets dat het skin-effect wordt genoemd , wat de neiging van AC is om door de buitenste delen van de doorsnede van een geleider te stromen in plaats van door het midden. Wanneer elektronen in een enkele richting (DC) stromen, gebruiken ze het volledige dwarsdoorsnede-oppervlak van de geleider om te bewegen.

Elektronen die van stroomrichting wisselen, hebben daarentegen de neiging om reizen door het midden van een geleider te vermijden, waardoor het effectieve beschikbare dwarsdoorsnedegebied wordt beperkt. Het skin-effect wordt meer uitgesproken naarmate de frequentie toeneemt.

Ook kan het wisselende magnetische veld van een inductor die is bekrachtigd met wisselstroom de ruimte instralen als onderdeel van een elektromagnetische golf, vooral als de wisselstroom een ​​hoge frequentie heeft. Deze uitgestraalde energie keert niet terug naar de inductor en manifesteert zich dus als weerstand (vermogensdissipatie) in het circuit.

Wervelstromen in smoorspoelen

Naast de weerstandsverliezen van draad en straling, zijn er andere effecten aan het werk in inductoren met ijzeren kern die zich manifesteren als extra weerstand tussen de draden. Wanneer een inductor wordt bekrachtigd met wisselstroom, hebben de geproduceerde wisselende magnetische velden de neiging om circulatiestromen in de ijzeren kern te induceren die bekend staan ​​​​als wervelstromen .

Deze elektrische stromen in de ijzeren kern moeten de elektrische weerstand overwinnen die wordt geboden door het ijzer, dat niet zo'n goede geleider is als koper. Wervelstroomverliezen worden voornamelijk tegengegaan door de ijzeren kern op te delen in vele dunne platen (laminaten), elk van elkaar gescheiden door een dunne laag elektrisch isolerende vernis.

Met de doorsnede van de kern opgedeeld in vele elektrisch geïsoleerde secties, kan er geen stroom circuleren binnen dat dwarsdoorsnede-oppervlak en zullen er geen (of zeer weinig) weerstandsverliezen zijn als gevolg van dat effect.

Zoals je misschien had verwacht, manifesteren wervelstroomverliezen in metalen inductorkernen zich in de vorm van warmte.

Het effect is meer uitgesproken bij hogere frequenties en kan zo extreem zijn dat het soms wordt gebruikt in fabricageprocessen om metalen voorwerpen te verwarmen!

In feite wordt dit proces van "inductieve verwarming" vaak gebruikt in hoogzuivere metaalgieterijen, waar metalen elementen en legeringen in een vacuümomgeving moeten worden verwarmd om verontreiniging door lucht te voorkomen, en dus waar standaard verbrandingstechnologie nutteloos zou zijn.

Het is een "contactloze" technologie, waarbij de verwarmde substantie de spoel(en) die het magnetische veld produceren niet hoeft aan te raken.

Bij hoogfrequent gebruik kunnen zich zelfs wervelstromen ontwikkelen binnen de doorsnede van de draad zelf, wat bijdraagt ​​aan extra resistieve effecten. Om deze neiging tegen te gaan, is speciale draad gemaakt van zeer fijne, individueel geïsoleerde strengen, Litz-draad . genoemd (afkorting van Litzendraht ) kan worden gebruikt.

De isolatie die de draden van elkaar scheidt, voorkomt dat wervelstromen door het dwarsdoorsnede-oppervlak van de hele draad circuleren.

Bovendien vormt elke magnetische hysterese die moet worden overwonnen bij elke omkering van het magnetische veld van de inductor een energieverbruik dat zich manifesteert als weerstand in het circuit.

Sommige kernmaterialen (zoals ferriet) zijn vooral berucht om hun hysterische effect. Het tegengaan van dit effect kan het beste worden gedaan door middel van een juiste selectie van kernmateriaal en limieten op de maximale magnetische veldintensiteit die bij elke cyclus wordt gegenereerd.

Al met al worden de verdwaalde resistieve eigenschappen van een echte inductor (draadweerstand, stralingsverliezen, wervelstromen en hystereseverliezen) uitgedrukt onder de enkele term "effectieve weerstand":

Equivalent circuit van een echte inductor met huideffect, straling, wervelstroom en hysteresisverliezen.

Het is vermeldenswaard dat het skin-effect en stralingsverliezen net zo goed van toepassing zijn op rechte stukken draad in een AC-circuit als op een opgerolde draad. Meestal is hun gecombineerde effect te klein om op te merken, maar bij radiofrequenties kunnen ze behoorlijk groot zijn.

Een radiozenderantenne is bijvoorbeeld ontworpen met het uitdrukkelijke doel om de grootste hoeveelheid energie in de vorm van elektromagnetische straling af te voeren.

Kwaliteitsfactor (Q-factor)

Effectieve weerstand in een inductor kan een serieuze overweging zijn voor de ontwerper van AC-circuits. Om de relatieve hoeveelheid effectieve weerstand in een inductor te helpen kwantificeren, bestaat er een andere waarde die de Q-factor wordt genoemd. , of "kwaliteitsfactor" die als volgt wordt berekend:

Het symbool "Q" heeft niets te maken met een elektrische lading (coulombs), wat verwarrend kan zijn. Om de een of andere reden hebben de Powers That Be besloten om dezelfde letter van het alfabet te gebruiken om een ​​totaal andere hoeveelheid aan te duiden.

Hoe hoger de waarde voor "Q", hoe "zuiverder" de spoel is. Omdat het zo gemakkelijk is om indien nodig extra weerstand toe te voegen, is een inductor met hoge Q beter dan een inductor met lage Q voor ontwerpdoeleinden. Een ideale spoel zou een Q van oneindig hebben, zonder effectieve weerstand.

Omdat inductieve reactantie (X) varieert met de frequentie, zal Q dat ook doen. Omdat de resistieve effecten van inductoren (draadhuideffect, stralingsverliezen, wervelstroom en hysterese) echter ook variëren met de frequentie, varieert Q niet evenredig met de reactantie. Om een ​​Q-waarde een precieze betekenis te geven, moet deze worden gespecificeerd bij een bepaalde testfrequentie.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Inductoren werkblad