Induktor, co to je?
Všichni jsme mnohokrát slyšeli pojem induktor, ale co to je? No, je to pasivní prvek určený k ukládání energie ve svém magnetickém poli. Induktory nacházejí četné uplatnění v elektronických a energetických systémech. Používají se v napájecích zdrojích, transformátorech, rádiích, televizorech, radarech a elektromotorech.
Pro zvýšení indukčního účinku je však praktický induktor obvykle zformován do válcové cívky s mnoha závity vodivého drátu, jak je znázorněno na obrázku 1.
Induktor je tvořen cívkou z vodivého drátu.
Pustíme-li induktorem proud, zjistíme, že napětí na induktoru je přímo úměrné časové rychlosti změny proudu. Při použití konvence pasivních znamének v následující rovnici (1):
kde L je konstanta úměrnosti zvaná indukčnost induktoru. Jednotkou indukčnosti je henry (H), pojmenovaný na počest amerického vynálezce Josepha Henryho (1797-1878). Z výše uvedené rovnice je zřejmé, že 1 henry se rovná 1 voltsekundě na ampér.
Vzhledem k výše uvedené rovnici, aby induktor měl na svých svorkách napětí, musí se jeho proud měnit s časem. Proto pro konstantní proud procházející induktorem platí v=0.
Indukčnost induktoru závisí na jeho fyzikálních rozměrech a konstrukci. Vzorce pro výpočet indukčnosti induktorů různých tvarů jsou odvozeny z elektromagnetické teorie a lze je nalézt ve standardních elektrotechnických příručkách.
Například pro induktor, (solenoid) zobrazený na obrázku 1,
kde:
- N je počet závitů,
- l je délka,
- A je plocha průřezu a
- m je permeabilita jádra.
Z výše uvedené rovnice vidíme, že indukčnost lze zvýšit zvýšením počtu závitů cívky, použitím materiálu s vyšší permeabilitou jako jádra, zvětšením plochy průřezu nebo zmenšením délky cívky.
Stejně jako kondenzátory se i komerčně dostupné induktory vyrábějí v různých hodnotách a typech. Typické praktické induktory mají hodnoty indukčnosti od několika mikrohenrů (mH), jako v komunikačních systémech, až po desítky henrů (H), jako ve výkonových systémech. Induktory mohou být pevné nebo proměnné. Jádro může být vyrobeno ze železa, oceli, plastu nebo vzduchu.
Obvyklé induktory jsou znázorněny na obrázku 2 výše. Obvodové značky pro induktory jsou znázorněny na obrázku 3 podle konvence pasivních značek.
Rovnice (1) je vztah napětí a proudu pro induktor. Na obrázku 4 je tento vztah znázorněn graficky pro induktor, jehož indukčnost je nezávislá na proudu. Takový induktor se nazývá lineární induktor.
V tomto technickém článku budeme předpokládat lineární induktory.
Závislost proudu a napětí získáme z rovnice (1) jako:
Integrace dává:
nebo
kde i(t0) je celkový proud pro -∞ < t < do a i(-∞) = 0. Myšlenka, aby i(-∞) bylo praktické a rozumné, protože v minulosti musel existovat čas, kdy v induktoru nebyl žádný proud.
Induktor je určen k ukládání energie do svého magnetického pole. Uloženou energii lze získat z rovnice (1). Výkon dodaný induktoru je:
Uložená energie je:
Protože i(-∞) = 0,
Poznámky //
Měli bychom si uvědomit následující důležité vlastnosti induktoru:
Poznámka 1 //
Všimněte si z rovnice 1, že napětí na induktoru je nulové, je-li proud konstantní.
Poznámka 2 //
Důležitou vlastností induktoru je jeho odpor vůči změně proudu, který jím protéká. Proud procházející induktorem se nemůže měnit okamžitě.
Příklad proud procházející induktorem může mít tvar znázorněný na obrázku 5(a), zatímco v reálných situacích nemůže mít proud induktorem tvar znázorněný na obrázku 5(b) kvůli nespojitosti. Napětí na induktoru se však může náhle změnit.
Poznámka 3 //
Stejně jako ideální kondenzátor, ani ideální induktor nerozptyluje energii. Energii v něm uloženou lze později získat zpět. Induktor odebírá energii z obvodu při ukládání energie a dodává energii do obvodu při vracení dříve uložené energie.
POZNÁMKA 4 //
Praktický, neideální induktor má významnou odporovou složku, jak je znázorněno na obrázku 6. Induktor se vyznačuje tím, že se v něm ukládá energie. Je to způsobeno tím, že induktor je vyroben z vodivého materiálu, například z mědi, která má určitý odpor.
Tento odpor se nazývá odpor vinutí Rw a vystupuje v sérii s indukčností induktoru. Přítomnost Rw z něj činí jak zařízení pro ukládání energie, tak zařízení pro její rozptyl. Protože Rw je obvykle velmi malý, ve většině případů se ignoruje. Neideální induktor má také kapacitu vinutí Cw v důsledku kapacitní vazby mezi vodivými cívkami.
Cw je velmi malá a lze ji ve většině případů ignorovat, s výjimkou vysokých frekvencí. V tomto článku předpokládáme pouze ideální induktory.
Kdo byl Joseph Henry?
Joseph Henry (1797-1878), americký fyzik, objevil indukčnost a sestrojil elektromotor. Henry se narodil v Albany ve státě New York, vystudoval Albany Academy a v letech 1832-1846 vyučoval filozofii na Princetonské univerzitě.
Byl prvním tajemníkem Smithsonova institutu. Provedl několik pokusů s elektromagnetismem a vyvinul výkonné elektromagnety, které dokázaly zvedat předměty o hmotnosti tisíců liber. Zajímavé je, že Joseph Henry objevil elektromagnetickou indukci dříve než Faraday, ale své poznatky nepublikoval.
Jednotka indukčnosti, henry, byla pojmenována po něm.
.