Rådgivare
Texten nedan är maskinöversatt från tysk originaltext.
Värt att veta om induktans, spolar och drosslar
Att leda ström genom en tråd är idag en självklarhet, som nästan verkar banalt. Inte så konstigt, för denna teknik har dominerat mänskligheten i nästan 200 år. Men om tråden lindas upp till en spole, får strömflödet plötsligt helt andra effekter. Vi förklarar was bakom tekniken med spolar, drosslar och induktans.
Was är induktans, spolar eller drosslar?
Hur fungerar spolar och drosslar?
Was är induktans för spolar?
Was är induktivt blindmotstånd på spolar?
Var används spolar?
Olika spoltyper
Was är induktans, spolar eller drosslar?
En spole består av en isolerad tråd som är cirkelformad eller i en annan form lindad. Som isolering används ofta bara ett tunt lackskikt, som elektriskt skiljer de koppartrådar som ligger bredvid varandra.
Tack vare denna fysiska konstruktion uppnår man vissa elektriska egenskaper som kan användas för olika uppgifter. På så sätt kan t.ex. spolar monteras mekaniskt så att de för en växelspänning med en låg frekvens på 50 Hz visar ett mycket litet motstånd. Vid en hög frekvens på flera tusen Hertz har dessa spolar däremot ett mycket stort motstånd.
Sådana spolar används företrädesvis vid nätingången för elektriska apparater. Under strömmen kan spolen hända utan problem med en nätfrekvens på 50 Hz, hålls högfrekventa störningsimpulser från elnätet effektivt borta från enheten. På andra sidan ser dessa spolar till att störande impulser som t.ex. uppstår genom borstelden på slifring från en kollektormotor inte släpps ut i det offentliga nätet.
Koppartråd lindad runt en Kern till en spole.
På grund av dessa störande egenskaper kallas dessa spolar även för drosslar, nätdrosslar eller avstörningsdrossel. Dessutom kombineras spolar och drosslar under det övre ordet induktans. Eftersom transformatorer och motorer på grund av lindningarna också har induktiva egenskaper talar fackman här snarare om en induktiv last.
Hur fungerar spolar och drosslar?
En strömgenomflödande spole (1) genererar ett magnetfält (2), som kan förstärkas med en ferromagnetiska Kern (3). I fallet med likström ger det en elektromagnet.
Om en elektrisk spänning kan tillämpas på en spole, måste strömmen alltid flyta genom varje lindning av spolen.
På så sätt bygger spolens strömgenomflöda ledare upp ett magnetfält. På grund av konstruktionen med de bredvid varandra placerade ledarslingorna adderar sig magnetfälten i alla spolvarv till ett enda stort magnetfält. Ju större antalet varv och ju högre strömmen är, desto starkare blir magnetfältet.
Den längre koppartråden ökar dock även osmammotståndet och ökar produktionskostnaderna. Därför används ofta en Kern av pressat järnpulver (ferrit) i mitten av spolen för att förstärka permeabiliteten och därmed stärka magnetfältet. Termen permeabilitet säger hur bra eller dåligt en spolkärna leder de magnetiska fältlinjerna.
När spolen försörjs med en likspänning, får man en elektromagneter som bl.a. även används i sorteringsanläggningar eller likströmsreläer. Genom att slå på och stänga av strömmen kan man sedan helt efter behov slå på eller av den magnetiska effekten.
Om en växelspänning anläggs på spolen reagerar en spole helt annorlunda än vid likspänning. För att förstå sammanhanget måste man se på spolförhållandet baserat på en sinusvåg:
Tack vare den stigande spänningen bygger spolen upp ett magnetfält som blir allt starkare.
Det växande magnetfältet genererar genom självinduktion en spänning i spolen, som motverkar tillfogade växelspänning. Det vill säga, strömflödet genom spolen blir därmed, dimmas eller fördröjt.
På sinusvågens bakre flank minskar spänningen igen och magnetfältet blir svagare. Det hopbrytbara magnetfältet ger i sin tur också en spänning som ytterligare vill upprätthålla magnetfältet. Vid den negativa sinuskurvan upprepas proceduren, men med omvänd strömriktning genom spolen.
På så sätt har sinusvåg ström och spänning inte längre samma egenskaper. Strömmen är ”långsammare” än spänningen. Experten talar här om en fasförskjutning på 90° .
På en spole sker strömflödet (i) med en fasförskjutning på 90° till spänning (U).
Vårt praktiska tips:
För att lärlingar och elektroniker bättre ska kunna känna av fasförskjutningen finns det en enkel, men sedan årtionden tillbaka en väl beprövad tankegrund: ”inom induktans kommer strömmen 90° för sent!”
OBS:
Den självininduktans sker naturligtvis även när en spole drivs med likspänning/likström. Effekten kan dock endast aktiveras och släckas. auf. Medan påslagning är mindre problematiskt, kan spolar vid avstängning skapa mycket höga spänningstoppar. Därför används en diod parallellt till spolen vid ett liktromelrelä.
När kopplingstransistorer (T) aktiveras, flyter strömmen via relä (R) och transistor (T). Reläet har satt igång och brytkontakten är stängd. Med diod (D) flyter för tillfället ingen ström (se vänster skiss). I avstängningsmomentet, om transistorn (T) spärras, stänger dioden (D) kort den induktionsström som uppstår (se högerskiss). Switchtransistor (T) skyddas därmed effektivt mot de skadliga spänningstoppar.
Förutom självininduktionen finns det också en främmande produktion. Vid den främmande konduktivitetprodukten skapas ett magnetfält genom en spole, som inducerar en spänning i en andra spole. Den främmande produkten används vid transformatorer eller tändspolar.
Dioden (D) skyddar i kopplingsmomentet kopplingstransienten (T) mot induktionsspänning.
Was är induktans för spolar?
Som redan förklarats leder en ändring av strömflödet i spolen alltid till en förändring av spolens magnetfält. Och ändringen av magnetfältet skapar i sin tur alltid en induktionsspänning. Denna spänning motverkar alltid den utifrån tillfogade spänningsändringen.
Hur hög självininduktionsspänningen är, beror på storleken på strömförändringen , på den tidsperiod under vilken strömförändringen äger rum och beroende av spolens induktans. Induktans bestäms av spolens mekaniska konstruktion och av materialegenskaperna. Därtill hör bl.a. antalet varv och spolens mått. Ofta lindas spindeltråd runt en Kern av magnetiserbart (ferromagnetiskt) material, vilket ökar induktansen. Spulkärnorna kan vara stavformade eller ringformade. Men även andra former är möjliga.
I slutändan är induktans en sammanfattning av alla elektriska egenskaper hos en spole. Induktivitet gör det dessutom möjligt att jämföra olika spolar med varandra.
Formtecknet för induktans är L och beteckningen är H (Henry), enligt den amerikanska fysikern Joseph Henry, som finns i 19. Den dolda självinduktionen är den.
Induktans definieras enligt följande:
Om strömmen ändras med 1 A under 1 sekund och självinduktionsspänningen är 1 V, har spolen en induktans på 1 Henry (H).
Inom området för elektronik används dock spolar med betydligt lägre induktans. På samma sätt som för kondensatorer finns det även för spolar en 1/1000 indelning.
| Henry | 1 h | 1 h | 100 h |
| Millihenry | 1 mH | 0,001 H | 10 -3 H |
| Mikrohenry | 1 h | 0,000001 H | 10 -6 H |
| Nanohenry | 1 NH | 0,000000001 H | 10 -9 H |
Was är induktivt blindmotstånd på spolar?
Vid ett kolskiktsmotstånd, ett metallskikt eller ett ledningsmotstånd är det i princip helt detsamma om den drivs med likspänning eller växelspänning. Dess motståndsvärde kommer inte att ändras för båda typerna av spänning. När det gäller spolar ser saken annorlunda ut.
Om en spole matas med likspänning, verkar då bara kopparlindningen osmiskt motstånd. Detta läge används för spolar i likströmsrelä. Därför har dessa reläer även spolar med tunn tråd och många lindningar.
Om en spole drivs med växelspänning beror spolens motstånd på spolens induktans (L) och växelspänningens frekvens (f). Detta motstånd kallas ”induktiv reaktiv resistans (X L)”.
Det induktiva blindmotståndet kan beräknas på följande sätt:
X L = 2 xπ f x L
Likströmsreläer har spolar med lång och tunn koppartråd.
För illustration har vi beräknat blindmotståndet för en spole med 50 mH vid olika frekvenser:
| Frekvens (f) | Blindmotstånd (XL) |
|---|---|
| 0 Hz (likspänning) | < 1 ohm* |
| 50 Hz | 15,71 ohm |
| 100 Hz; | 31,42 ohm |
| 500 Hz | 157,08 ohm |
| 1 kHz | 314,16 ohm |
| 10 kHz | 3.141,59 ohm |
| 100 kHz | 31.415,93 ohm |
*vid en likspänning är endast den ohmska resistansen hos spoltrådarna avgörande. Denna är i sin tur beroende på ledningstvärsnittet och längden av tråden. Eftersom dessa värden för spolar med samma induktans kan variera mycket, är det inte möjligt att ange ett allmänt och konkret värde.
Obs!
Med ökande frekvens ökar blindmotståndet för en spole. I enlighet med artikel 15a i förordning (EG) nr 151515slitstarka egenskaper är det nödvändigt att fastställa de värden som ska användas vid beräkningen av de värden som ska användas vid beräkningen Beroende på spolens konstruktion kan de faktiska värdena variera, eftersom spolarna vid höga frekvenser och vid stark ström eventuellt inte längre reagerar linjärt. Spolarna kommer sedan in i magnetisk mättnad, was alternerar induktans. Spolar utan Kern har en betydligt högre linjäritet och kallas luftspolar.
Vårt praktiska tips:
Järnpulvermaterial (Fe) kan användas som ren induktivitet upp till ca 400 kHz, i högre frekvensområden blir förlustdelen för stor på grund av förlustmotstånd. Från och med 20 MHz fungerar kärnor som järnpulver.
Mangan-zink-kärnor (MnZn) är induktivt härdade inom frekvensområdet 20–30 MHz. Nickel-zink-kärnor (NiZn) är induktiva upp till frekvenser på 60 MHz. Vid högre frekvenser är materialet förlustbringande. Nanokristallina material (FeCuNbSiB) kan användas vid mycket höga frekvenser
Var används spolar?
Spolar kan användas på olika sätt och för olika uppgifter. Här några exempel, som bara visar en bråkdel av de många möjligheterna av spolar:
elektromagneter
Den klassiska användningen av en spole med likspänning är den elektriska magneten. För att skapa höga lyft- och hållkrafter är spolarna delvis inbäddade i speciella metallföremål och gjutna som skydd mot fukt.
Elektromagneter används även till elektromekaniska reläer eller kontaktorer.
Nätfilter
Som redan nämnts kan spolar användas för att filtrera ut störande impulser på nätspänningen. Till viss del kompletteras spolarna med kondensatorer, vilket gör att kompletta nätfilterenheter skapas. På vissa nätfilter integreras det nödvändiga nätuttaget i höljet.
Frekvensfilter
Vid ett fördelningsfilter använder man blindmotståndet för spolar vid olika frekvenser. På så sätt säkerställs att bashögtalaren endast matas med de låga frekvenserna. Tvärtom får diskanthögtalaren bara de högfrekventa frekvensandelarna. Precis som på nätfiltret även vid högtalarväxlar arbetar du dessutom med kondensatorer för att optimera frekvensseparering.
Switchade nätenheter
Om en spole bygger upp ett magnetfält, sparas i detta magnetfält energi, som vid avstängning kan avge spolen. Spolar, som helst är utformade för detta ändamål kallas även minnesspolar eller drosslar.
Effekten av energilagring används med switchade nätenheter eller kopplingsreglage. Vid motsvarande kopplingsfrekvens kan spolarna och transformatorerna kopplas bort tillräckligt litet. På så sätt är switchade nätenheter små, lätta och billiga.
Svänkretsar
En svängkrets är en kombination av spole och kondensator (LCD-länk), vid vilken i resonanstermer energin ständigt svänger och svänger mellan det magnetiska fältet på spolen och det elektriska fältet i kondensatorn.
Med hjälp av vibrationskretsar kan man i mottagningsteknik filtrera ut vissa frekvenser från en frekvensblandning eller undertrycka oönskade frekvenser. Delvis har dessa svängkretsar vridbara spolkärna i ett skärmat metallhölje eller stämbara konbasatorer, för att ställa in filtret exakt till önskad frekvens.
Strömbegränsning
Tack vare sina induktiva egenskaper används spolar gärna i växelströmskretsar för strömbegränsning.
För att förstärka de magnetiska egenskaperna är spolarna lindade på lättmagnetiserande (mjukmagnetiska) material som ferrit eller metall. Dessa spolar kallas sedan för drosselspolar och ringkärndrosslar för ringkärnringar.
Trådlös laddningsteknik
För trådlös laddning är en sändarspole inbyggd i laddaren och en mottagarspole i telefonen. När telefonen placeras på laddaren, omvandlar mottagarspolen sändarspolens magnetfält till en elektrisk ström, med vilken batteriet laddas. Nyckelkort fungerar enligt samma schema. Porttelefonen bygger upp ett magnetfält, så att spolarna på kortet kan skapa en driftspänning för minneschippet. Därefter kan nödvändiga data utbytas via magnetisk koppling.
Kompensation för reaktiv effekt
På grund av fasförskjutningen tar induktiva förbrukare, t.ex. transformatorer och motorer och kapacitiva förbrukare som till exempel switchade nätenheter, mer energi än vad de avger. Den extra reaktiv her-effekten pendlar kontinuerligt mellan förbrukare och energileverantörer.
Till skillnad från privatkunder omfattas även reaktiv effekt av och faktureras för industrikunder. Av detta skäl använder industriella kunder kompensationer med spolar och kondensatorer till elräknarna. Är huvudsakligen induktiva förbrukare i drift, kopplas kondensatorer till elnätet med hjälp av kompensation. Är den kapacitiva lasten större ansluts spolar till elnätet. Reaktiv effekt pendlar då bara mellan konsumenter och kompensation och driver inte längre elkostnaderna i onödan upp.
Olika spoltyper
Induktivitet är inte samma induktans. En lagringsdrossel kan användas på många sätt och behöver därför även en särskild anpassning i form och design. Förutom SMD- och THT-versioner har en spole, beroende på användningsområde, andra lindningar eller konstruktioner.
SMD-modeller
SMD-komponenter ( s Interface - m ounted d evice) fixeras på kretskortet och lödas sedan enligt olika förfaranden. Denna typ av montering kallas ytmontering. Vid THT-montering ( T hrough H ole T technology) sticks komponentens anslutningstrådar in genom kontakthål i kretskortet och därefter lödas. Denna typ av montering kallas genomsticksmontering.
Lindade SMD-induktans
SMD-induktans är mycket liten och lätt. Dessutom elimineras anslutningstrådar, vilket gör SMD-konstruktioner särskilt använda inom industriell tillverkning.
Multilayer-induktans
en metallpasta, ofta silver, appliceras på spolmönstret på en tunn bas av ferrit eller andra material. Den här typen av induktans är mycket liten och kan till och med installeras i mobiltelefoner.
Drosselspolar
De fungerar enligt följande princip: Den spänning som alstrar självininduktionen motverkar sin orsak. På så sätt minskar strömflödet i spolen genom spänningen. Det induktiva motståndet är ett mått på strypningen. Drosselspolar används för strömbegränsning.
Med en kapacitet av högst 10 kg
Kern av spolen är en cirkelring. Genom den här konstruktionen breder den magnetiska flfloden bara Kern ut sig. Därför är spridningsfältet utanför kretsringspolen relativt svag.
Ringkärnspolar används i passiva, elektriska filter för att förhindra högfrekventa störningar. Men även jordfelsbrytaren monteras ofta.
Lagringsspole
Minnesdrossel sparar magnetisk energi . Kern är ofta avbruten av en luftspalt som fylls med papper, harts eller plast för mekanisk stabilisering. I detta luftspalt lagras nästan all energi, så att mättnad av kärnämnet undviks och en linjär induktionshistorik säkerställs.
Används minnesslar i vissa switchade nätenheter, kopplingsreglage, invers-omvandlare och SEPIC-omvandlare.
Trådlös Power spolar
Denna spoltyp är mycket låg och används därför ofta i wearables. Wireless-Power spolar är ideal för trådlös energiöverföring. Det finns en sändarspole i laddningsstationen och en mottagarspole i enheten. Mellan dessa två spolar sker en resonant, induktiv koppling. Laddningen startar genom induktion.
Denna form av energiöverföring används redan, men i framtiden kommer många andra innovationer att komma ut på marknaden. Redan idag testas laddning av en elbil med hjälp av en Charging Pads. Den är inbyggd i en sändarspole.