Induktorenwissen | Parameter, Spulen, Funktionen, Modelle, Spezifikationen, Benennung, Anwendungen, Beziehung und Unterschiede zu Ferritperlen, Berechnungsformeln, Messung, Vorsichtsmaßnahmen

1. Definition von Induktivitäten

1.1 Definition der Induktivität:

Die Induktivität ist eine Eigenschaft eines Leiters, bei der ein sich ändernder Strom im Leiter einen sich ändernden magnetischen Fluss innerhalb und um den Leiter herum erzeugt. Der Wert der Induktivität ist das Verhältnis des erzeugten magnetischen Flusses zum Strom, der diesen Fluss erzeugt.

Fließt Gleichstrom durch eine Spule, erzeugt er ein stationäres Magnetfeld. Fließt hingegen Wechselstrom durch die Spule, ändert sich das Magnetfeld um sie herum mit der Zeit. Gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz induziert ein sich änderndes Magnetfeld eine elektromotorische Kraft (EMK) in der Spule, die der Stromänderung entgegenwirkt. Dieses Phänomen ist vergleichbar mit der Trägheit in der Mechanik und wird in der Elektrotechnik als „Selbstinduktion“ bezeichnet.

1.2 Induktor vs. Transformator:

• Induktor : Eine Drahtspule, die beim Durchfließen von Strom ein Magnetfeld erzeugt. Der magnetische Fluss ändert sich mit dem Wechselstrom, was zum Phänomen der Selbstinduktion führt.

• Transformator : Besteht aus zwei induktiven Spulen, die magnetisch gekoppelt, aber nicht elektrisch verbunden sind. Transformatoren nutzen die gegenseitige Induktivität, um in benachbarten Spulen eine Spannung zu induzieren.

1.3 Induktivitätssymbol und -einheit:

• Symbol: L

• Einheiten : Henry (H), Millihenry (mH), Mikrohenry (μH)

1.4 Klassifizierung der Induktivität:

• Nach Bauform : Festinduktivitäten, variable Induktivitäten.

• Nach magnetischem Kernmaterial : Luftkern-, Ferritkern-, Eisenkern- und Kupferkerninduktivitäten.

• Nach Betriebseigenschaften : Antennenspulen, Schwingspulen, Drosseln, Resonanzspulen, Ablenkspulen.

• Nach Wicklungsstruktur : Einlagige, mehrlagige, wabenförmige Spulen.

• Nach Frequenz : Hochfrequenz-, Niederfrequenzinduktivitäten.

• Nach strukturellen Merkmalen : Magnetkerninduktoren, variable Induktoren, farbcodierte Induktoren und nichtmagnetische Induktoren.

2. Hauptmerkmale und Parameter von Induktivitäten

2.1 Induktivität (L):

Die Induktivität ist eine dem Induktor inhärente Eigenschaft, die unabhängig vom durchfließenden Strom ist. Sie ist üblicherweise nicht auf dem Induktor selbst angegeben, sondern wird durch spezielle Bezeichnungen repräsentiert.

2.2 Reaktanz (XL):

Die Reaktanz ist der Widerstand, den eine Spule dem Wechselstrom entgegensetzt. Sie wird in Ohm gemessen und wie folgt berechnet:
$XL = 2\pi f L$ XL=2πfL
Wo $f$ f ist die Frequenz des Wechselstroms und $L$ L ist die Induktivität.

2.3 Qualitätsfaktor (Q):

Der Gütefaktor (Q) repräsentiert den Wirkungsgrad einer Induktivität und ist definiert als das Verhältnis der induktiven Reaktanz zum äquivalenten Widerstand der Spule:
$Q = \frac{X_L}{R}$Q=RXL​​
Ein höherer Q-Wert deutet auf geringere Verluste hin. Q-Werte liegen typischerweise im Bereich von Zehnern bis Hunderten.

2.4 Verteilte Kapazität:

Die Kapazität zwischen den Windungen der Spule, zwischen der Spule und ihrer Abschirmung oder zwischen der Spule und dem Substrat verringert den Gütefaktor und die Stabilität der Induktivität. Eine möglichst geringe verteilte Kapazität ist wünschenswert.

2,5 Toleranz:

Die Toleranz ist die prozentuale Abweichung zwischen dem tatsächlichen Induktivitätswert und dem Nennwert.

2,6 Nennstrom:

Der maximale Strom, den die Spule führen kann, wird üblicherweise mit Buchstaben (A, B, C usw.) bezeichnet, mit typischen Werten wie 50 mA, 150 mA, 300 mA usw.

3. Gängige Induktortypen

3.1 Einlagige Spule:

Eine Spule, die durch Aufwickeln von isoliertem Draht auf einen Papier- oder Kunststoffkern hergestellt wird. Sie wird häufig in AM-Radioantennenschaltungen verwendet.

3.2 Wabenspule:

Eine Spule, bei der sich die Wicklungsebene in einem Winkel schneidet, wodurch die verteilte Kapazität verringert und die Induktivität erhöht wird. Diese Spulen sind kompakt und werden häufig für Hochfrequenzanwendungen eingesetzt.

3.3 Ferritkernspule:

Induktivitäten mit Ferritkernen erhöhen die Induktivität und verbessern den Gütefaktor. Sie werden typischerweise in Hochfrequenzschaltungen eingesetzt.

3.4 Kupferkernspule:

Kupferkernspulen werden im Ultrakurzwellenbereich eingesetzt. Die Position des Kupferkerns kann zur Änderung der Induktivität angepasst werden.

3.5 Farbcodierte Induktivität:

Eine Hochfrequenzspule mit festem Induktivitätswert, die ähnlich wie Widerstände farblich gekennzeichnet ist. Sie arbeitet im Frequenzbereich von 10 kHz bis 200 MHz.

3.6 Drossel (Induktiver Filter):

Eine Induktivität, die Wechselstromsignale blockiert, Gleichstrom jedoch durchlässt. Sie wird zur Rauschunterdrückung in Netzteilen und Signalleitungen eingesetzt.

3.7 Ablenkspule:

Wird in der Ausgangsstufe von Fernsehscannern verwendet. Es erfordert hohe Empfindlichkeit, ein gleichmäßiges Magnetfeld, einen hohen Gütefaktor, geringe Größe und niedrige Kosten.

4. Die Rolle von Induktivitäten in Schaltkreisen

• Grundfunktionen : Filterung, Oszillation, Verzögerung und Kerbfilterung.

• Einfach ausgedrückt : „Gleichstrom durchlassen, Wechselstrom blockieren.“

• Detaillierte Erklärung : Induktivitäten wirken Änderungen im Wechselstrom entgegen und können in Kombination mit Kondensatoren zu Hochpass- oder Tiefpassfiltern, Phasenschieberschaltungen und Resonanzkreisen verwendet werden. Transformatoren ermöglichen Wechselstromkopplung, Spannungswandlung, Stromwandlung und Impedanzanpassung.

Die in einer Spule gespeicherte Energie ist proportional zu ihrer Induktivität und dem Quadrat des Stroms:
$W_L = \frac{1}{2} L i^2$ WL​=21​Li2

5. Induktormodelle, Spezifikationen und Benennung

5.1 Chip-Induktivitäten:

• Induktivitätsbereich: 10 nH – 1 mH

• Materialien: Ferrit und Keramik.

• Genauigkeit: J = ±5 %, K = ±10 %, M = ±20 %

• Größen: 0402, 0603 usw.

5.2 Leistungsinduktivitäten:

• Induktivitätsbereich: 1 nH – 20 mH

• Größen: SMD43, SMD54, SMD73, SMD75 usw.

5.3 Ferrit-Chip-Perlen:

• Impedanzbereich: 5 Ω – 3 kΩ

• Größen: 0402, 0603 usw.

5.4 Ferritperlen mit Durchgangsloch:

• Spezifikationen: RH3.5

5.5 Farbcodierte Induktivitäten:

• Induktivitätsbereich: 0,1 μH – 22 mH

• Größen: 0204, 0307, ​​0410, 0512

• Genauigkeit: J = ±5 %, K = ±10 %, M = ±20 %

5.6 Vertikale Induktivitäten:

• Induktivitätsbereich: 0,1 μH – 3 mH

• Spezifikationen: PK0455, PK0608, PK0810 usw.

5.7 Axial bedrahtete Filterinduktivitäten:

• Induktivitätsbereich: 0,1 μH – 10 mH

• Nennstrom: 65 mA bis 10 A

• Hoher Q-Wert und relativ niedrige Kosten.

5.8 Magnetische Ringinduktoren:

• Spezifikationen: TC3026, TC3726, TC4426 usw.

• Größen: 3,25 mm bis 15,88 mm

5.9 Luftspulen:

• Wird verwendet, um hohe Induktivitätswerte bei geringerem Gewicht zu erzielen.

6. Anwendungen von Induktivitäten in Schaltungen

Induktivitäten werden häufig in LC-Filterschaltungen eingesetzt, wo sie zusammen mit Kondensatoren unerwünschte Wechselstromsignale aus Gleichstromsignalen herausfiltern.

• Netzfilterung : LC-Schwingkreise entfernen hochfrequente Störungen in Gleichstromnetzteilen.

• Signalfilterung : Induktivitäten blockieren hochfrequentes Rauschen und lassen reine Gleichstromsignale oder niederfrequente Signale passieren.

7. Gängige Magnetkerne und -ringe

• Eisenpulverkerne : Weit verbreitet in Computern, Netzteilen, USV-Anlagen und Steuerschaltungen von Haushaltsgeräten. Erhältlich in verschiedenen Größen und Materialien.

• Ferritkerne : Werden zur Hochfrequenzdämpfung und Filterung in Schaltungen verwendet.

8. Zusammenhang und Unterschiede zwischen Induktoren und Ferritperlen

1. Energiespeicherung vs. Energieumwandlung :

   • Induktoren speichern Energie, während Ferritperlen Energie abgeben.

2. Anwendungsbereiche :

   • Induktivitäten werden zur Filterung von Stromversorgungen eingesetzt, während Ferritperlen in Signalkreisen zur EMV-Unterdrückung (elektromagnetische Verträglichkeit) verwendet werden.

3. Frequenzbereich :

   • Induktivitäten werden in Schaltungen mit niedrigen bis mittleren Frequenzen eingesetzt, während Ferritperlen vorwiegend zur Dämpfung von Hochfrequenzsignalen verwendet werden.

9. Formeln zur Berechnung der Induktivität

9.1 Ringkerninduktivität:

Die Induktivität eines Ringkerns kann wie folgt berechnet werden:
$L = N^2 \times AL$ L=N2×AL
Wo $N$ N ist die Anzahl der Umdrehungen und $AL$AL ist der Induktivitätsfaktor.

9.2 Allgemeine Formel zur Berechnung der Induktivität:

$L = \frac{k \times \mu_0 \times \mu_s \times N^2 \times S}{l}$ L=lk×μ0×μs×N2×S
Wo:

• $\mu_0$ μ0​ ist die Permeabilität des Vakuums (4π × 10⁻⁷ H/m),

• $\mu_s$ μs ist die relative Permeabilität des Kernmaterials.

• $N$ N ist die Anzahl der Umdrehungen.

• $S$ S ist die Querschnittsfläche des Kerns.

• $l$ l ist die Länge der Spule.

10. Messung der Induktivität

Die Induktivität kann mit einem RLC-Meter oder einem speziellen Induktivitätsmessgerät gemessen werden.
Schritte zur Messung der Induktivität:

1. Wählen Sie am Messgerät den Induktivitätsmodus (L).

2. Verbinden Sie die Messspitzen mit den Anschlüssen der Induktivität.

3. Notieren Sie den Messwert.

4. Nehmen Sie mehrere Messungen vor und bilden Sie den Durchschnitt der Ergebnisse.

11. Vorsichtsmaßnahmen für die Verwendung von Induktivitäten

1. Betriebsumgebung : Berücksichtigen Sie Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und physikalische Belastungen.

2. Frequenzcharakteristik : Induktivitäten verhalten sich bei hohen und niedrigen Frequenzen unterschiedlich. Beispielsweise nimmt die Induktivität mit steigender Frequenz tendenziell zu.

3. Maximalstrom und Wärmeentwicklung : Um eine Überhitzung zu vermeiden, ist darauf zu achten, dass der Induktor seinen Nennstrom nicht überschreitet.