Sprzężenie cewki indukcyjnej

W poprzednim samouczku rozpoczęliśmy od Zrozumienia cewki indukcyjnej i jej działania, teraz nadszedł czas, aby zbadać różne kombinacje cewek indukcyjnych. W elektronice cewki indukcyjne są najczęściej używanymi komponentami po kondensatorach i rezystorach, które są używane w różnych kombinacjach do różnych zastosowań. Wykorzystaliśmy również cewkę indukcyjną do budowy wykrywaczy metali i zmierzyliśmy wartość induktora za pomocą różnych technik, wszystkie linki są podane poniżej:

• Miernik LC wykorzystujący Arduino: pomiar indukcyjności i częstotliwości
• Jak zmierzyć wartość cewki indukcyjnej lub kondensatora za pomocą oscyloskopu
• Prosty obwód wykrywacza metali
• Wykrywacz metali Arduino

Co to są obwody sprzężone?

Kombinacje komponentów są razem, aby tworzyć połączone obwody. Znaczenie obwodu sprzężonego polega na tym, że transfer energii odbywa się z jednego do drugiego, gdy jeden z obwodów jest zasilany. Główne elementy obwodu elektronicznego są połączone przewodowo lub elektromagnetycznie.

Jednak w tym samouczku zostanie omówione sprzężenie elektromagnetyczne i kombinacja cewek, takich jak cewki indukcyjne w kombinacjach szeregowych lub równoległych.

Wzajemna indukcyjność

W poprzednim artykule omówiliśmy indukcyjność własną cewki indukcyjnej i jej parametr. Podczas operacji związanej z indukcyjnością własną nie wystąpiła indukcyjność wzajemna.

Gdy zachodzi szybkość zmian prądu, wewnątrz cewki indukowane jest napięcie. Co można dalej wykazać za pomocą poniższego wzoru, gdzie:

V (t) jest napięciem indukowanym wewnątrz cewki, i Jest prądem płynącym przez cewkę, a indukcyjność cewki wynosi L.

V (t) = L {di (t) / dt}

Powyższy warunek jest prawdziwy tylko dla elementu obwodu związanego z indukcyjnością własną, w którym obecne są dwa zaciski. W takim przypadku do zamówienia nie jest brana żadna wzajemna indukcyjność.

Teraz, w tym samym scenariuszu, jeśli dwie cewki są umieszczone w bliskiej odległości, nastąpi sprzężenie indukcyjne.

Na powyższym obrazku pokazano dwie cewki. Te dwie cewki są bardzo blisko siebie. W wyniku przepływu prądu i1 przez cewkę L1 indukowany jest strumień magnetyczny, który następnie zostanie przekazany do drugiej cewki L2.

Na powyższym obrazku ten sam obwód jest teraz ciasno owinięty materiałem rdzenia, tak że cewki nie mogą się poruszać. Ponieważ materiał jest rdzeniem magnetycznym, ma przepuszczalność. Dwie oddzielne cewki są teraz sprzężone magnetycznie. Co ciekawe, jeśli jedna z cewek jest zwrócona w stronę szybkości zmian prądu, druga cewka będzie indukowała napięcie, które jest wprost proporcjonalne do szybkości zmian prądu w drugiej cewce.

Dlatego też, gdy źródło napięcia V1 jest przyłożone do cewki L1, prąd i1 zacznie płynąć przez L1. Szybkość zmian prądu wytwarza strumień, który przepływa przez rdzeń magnetyczny i wytwarza napięcie w cewce L2. Szybkość zmian prądu w L1 zmienia również strumień, który może dalej manipulować indukowanym napięciem w L2.

Indukowane napięcie na L2 można obliczyć w niżej formułowaniu

V ₂ = M {di ₁ (t) / dt}

W powyższym równaniu jest nieznana istota. Czyli M. Dzieje się tak, ponieważ wzajemne indukcyjności są odpowiedzialne za wzajemnie indukowane napięcie w dwóch niezależnych obwodach. To M, wzajemna indukcyjność jest współczynnikiem proporcjonalności.

To samo dotyczy pierwszej cewki L1, wzajemnie indukowane napięcie spowodowane wzajemną indukcyjnością dla pierwszej cewki może wynosić -

V ₂ = M {di ₂ (t) / dt}

Podobnie jak indukcyjność, wzajemna indukcyjność jest również mierzona w Henryku. Maksymalna wartość wzajemnej indukcyjności może wynosić √L ₁ L ₂. Ponieważ indukcyjność indukuje napięcie z szybkością zmian prądu, indukcyjność wzajemna indukuje również napięcie, które określa się jako napięcie wzajemne M (di / dt). To wzajemne napięcie może być dodatnie lub ujemne, co jest wysoce zależne od fizycznej budowy cewki i kierunku prądu.

Konwencja DOT

Konwencja Dot jest niezbędnym narzędziem do określenia polaryzacji wzajemnie indukowanego napięcia. Jak sama nazwa wskazuje, kropka, która ma okrągły kształt, jest specjalnym symbolem, który jest używany na końcu dwóch cewek we wzajemnie połączonych obwodach. Ta kropka dostarcza również informacji o konstrukcji uzwojenia wokół jego rdzenia magnetycznego.

W powyższym obwodzie pokazano dwie wzajemnie sprzężone cewki indukcyjne. Te dwie cewki mają indukcyjności własne L1 i L2.

Napięcia V1 i V2 powstają na cewkach indukcyjnych i są wynikiem prądu wpływającego do cewek na przerywanych zaciskach. Zakładając, że wzajemna indukcyjność tych dwóch cewek wynosi M, Wyindukowane napięcie można obliczyć za pomocą poniższego wzoru,

Dla pierwszego induktora L1 indukowane napięcie będzie wynosić -

V ₁ = L ₁ (di ₁ / dt) ± M (di ₂ / dt)

Ten sam wzór można wykorzystać do obliczenia indukowanego napięcia drugiej cewki indukcyjnej, V ₂ = L ₂ (di ₂ / dt) ± M (di ₁ / dt)

Dlatego obwód zawiera dwa rodzaje indukowanego napięcia, napięcie indukowane wynikające z samoindukcji i wzajemnie indukowane napięcie wynikające z wzajemnej indukcyjności. Napięcie indukowane w zależności od indukcyjności własnej oblicza się za pomocą wzoru V = L (di / dt), który jest dodatni, ale wzajemnie indukowane napięcie może być ujemne lub dodatnie w zależności od konstrukcji uzwojenia oraz przepływu prądu. Użycie kropki jest ważnym parametrem określającym polaryzację tego wzajemnie indukowanego napięcia.

W obwodzie sprzężonym, w którym dwa zaciski należą do dwóch różnych cewek i są identycznie oznaczone kropkami, wówczas dla tego samego kierunku prądu, który jest względem podobnych zacisków, strumień magnetyczny własnej i wzajemnej indukcji w każdej cewce sumują się.

Współczynnik sprzężenia

Współczynnik sprzężenia cewki indukcyjnej jest ważnym parametrem dla obwodów sprzężonych do określania wielkości sprzężenia między cewkami sprzężonymi indukcyjnie. Współczynnik sprzężenia wyrażono literą K.

Wzór na współczynnik sprzężenia to K = M / √L ₁ + L _2, gdzie L1 to indukcyjność własna pierwszej cewki, a L2 to indukcyjność własna drugiej cewki.

Dwa obwody sprzężone indukcyjnie są połączone za pomocą strumienia magnetycznego. Jeśli cały strumień jednego induktora jest sprzężony lub połączony, drugi induktor nazywa się doskonałym sprzężeniem. W tej sytuacji K można wyrazić jako 1, co jest skróconą formą 100% sprzężenia. Współczynnik sprzężenia będzie zawsze mniejszy niż jedność, a maksymalna wartość współczynnika sprzężenia może wynosić 1 lub 100%.

Indukcyjność wzajemna jest wysoce zależna od współczynnika sprzężenia między dwoma indukcyjnie sprzężonymi obwodami cewek. Jeśli współczynnik sprzężenia jest wyższy, to z drugiej strony wzajemna indukcyjność będzie wyższa, jeśli współczynnik sprzężenia będzie na niższym poziomie, co znacznie zmniejszy wzajemną indukcyjność w obwodzie sprzężenia. Współczynnik sprzężenia nie może być liczbą ujemną i nie ma zależności od kierunku prądu wewnątrz cewek. Współczynnik sprzężenia zależy od materiału rdzenia. W materiałach rdzenia żelaznego lub ferrytowego współczynnik sprzężenia może być bardzo wysoki, jak 0,99, a dla rdzenia powietrznego, może wynosić od 0,4 do 0,8 w zależności od przestrzeni między dwiema cewkami.

Cewka w połączeniu szeregowym

Cewki indukcyjne można łączyć szeregowo. Istnieją dwa sposoby łączenia cewek szeregowo, przy użyciu metody wspomagania lub metody przeciwstawiania się .

Na powyższym obrazku pokazano dwa typy połączeń szeregowych. W pierwszym z lewej strony cewki indukcyjne są połączone szeregowo metodą wspomagania. W tej metodzie prąd przepływający przez dwie cewki indukcyjne jest w tym samym kierunku. Gdy prąd płynie w tym samym kierunku, strumienie magnetyczne własnej i wzajemnej indukcji będą się łączyć ze sobą i sumować.

Dlatego całkowitą indukcyjność można obliczyć za pomocą poniższego wzoru:

L _eq = L ₁ + L ₂ + 2M

Gdzie L _eq to całkowita równoważna indukcyjność, a M to wzajemna indukcyjność.

Na prawym obrazie pokazano połączenie przeciwnika. W takim przypadku przepływ prądu przez cewki indukcyjne jest w przeciwnym kierunku. Dlatego całkowitą indukcyjność można obliczyć za pomocą poniższego wzoru, L _eq = L ₁ + L ₂ - 2M

Gdzie L _eq to całkowita równoważna indukcyjność, a M to wzajemna indukcyjność.

Cewki indukcyjne w połączeniu równoległym

Podobnie jak szeregowa kombinacja cewek indukcyjnych, równoległa kombinacja dwóch cewek może być dwojakiego rodzaju, przy użyciu metody wspomagającej i metody przeciwstawnej.

W przypadku metody wspomagania, jak widać na lewym obrazie, konwencja kropkowa wyraźnie pokazuje, że przepływ prądu przez cewki indukcyjne jest w tym samym kierunku. Aby obliczyć całkowitą indukcyjność, poniższy wzór może być bardzo pomocny. W takim przypadku samo indukowane pole elektromagnetyczne w dwóch cewkach pozwala na wzajemnie indukowane emf.

L _eq = (L ₁ L ₂ - M ²) / (L ₁ + L ₂ + 2M)

W przypadku metody przeciwstawiania cewki indukcyjne są połączone równolegle w przeciwnym kierunku. W takim przypadku wzajemna indukcyjność wytwarza napięcie, które przeciwstawia się indukowanej przez siebie EMF. Równoważną indukcyjność obwodu równoległego można obliczyć za pomocą poniższego wzoru:

L _eq = (L ₁ L ₂ - M ²) / (L ₁ + L ₂ + 2M)

Zastosowania cewki indukcyjnej

Jednym z najlepszych zastosowań sprzężonych cewek jest tworzenie transformatorów. Transformator wykorzystuje sprzężone cewki indukcyjne owinięte wokół żelaznego lub ferrytowego rdzenia. Idealny transformator ma zerowe straty i stuprocentowe współczynniki sprzężenia. Oprócz transformatora, sprzężone cewki indukcyjne są również używane w przetwornikach sepicznych lub typu flyback. Jest to doskonały wybór do oddzielenia wejścia pierwotnego od wtórnego wyjścia zasilacza przy użyciu sprzężonej cewki indukcyjnej lub transformatorów.

Oprócz tego induktory sprzężone służą również do wykonania pojedynczego lub podwójnie strojonego obwodu w radiowym obwodzie nadawczym lub odbiorczym