Čo je indukčnosť?

Elektrická indukčnosť je prirodzenou vlastnosťou všetkých vodičov. Zmena prúdu tečúceho cez vodič vytvára (indukuje) napätie v tomto vodiči, ako aj všetky blízke vodiče. Indukčnosť je dôsledkom dvoch fyzikálnych zákonov.

1. Po prvé, konštantný prúd pretekajúci vodičom vytvára konštantné magnetické pole.
2. Po druhé, premenlivé magnetické pole indukuje napätie vo všetkých blízkych vodičoch, vrátane vodiča, ktorý bol použitý na vytvorenie magnetického poľa.

Ak sa tieto dva zákony skombinujú, výsledkom je indukčnosť. Rovnako ako rezistory sa používajú na zavedenie požadovaného odporu v obvode a podobne ako kondenzátory sa používajú na zavedenie požadovanej kapacitancie, indukčné komponenty sú prvky používané na zavedenie požadovaného množstva indukčnosti do obvodu. Indukčný vzorec pre ideálny solenoid (cievka drôtu) navinutý okolo valcovitého telesa materiálu je preto uvedený ako:

kde L je indukčnosť, µ je magnetická permeabilita materiálu použitého v indukčnom komponente, A je plocha prierezu cievky a l je dĺžka solenoidu (nie celková dĺžka drôtu, ale pozdĺžny rozmer cievky).

Ideálny kondenzátor nemá odpor a indukčnosť, ale má definovanú a konštantnú hodnotu kapacity. Jednotkou, ktorá reprezentuje indukčnosť, je henry, ktorá je pomenovaná po Josephovi Henrym, americkom vedcovi, ktorý objavil indukčnosť.

Parazitická indukčnosť

Parazitická indukčnosť je nežiaducim javom, ktorý sa nevyhnutne vyskytuje vo všetkých elektronických zariadeniach. Na rozdiel od úmyselnej indukčnosti, ktorá sa zavádza do obvodu pomocou indukčných komponentov, je parazitická indukčnosť takmer vždy nežiaducim javom. Existuje len málo aplikácií, v ktorých je parazitická indukčnosť skutočne žiaducim účinkom, ako napríklad špirálové rezonátory, ktoré sa môžu použiť ako filtre. Rovnako ako všetky ostatné prvky používané v elektronike, ako napríklad rezistory alebo dokonca spojovacie vodiče, aj kondenzátory vykazujú tento jav.
Aby sme pochopili vplyv parazitickej indukčnosti na kondenzátor, musíme najprv pochopiť pojem reaktancie.

Reaktancia

V jednosmernom obvode môže každý prvok obsahovať svoju vlastnú rezistenciu. Odpory majú určité pevné množstvo rezistencie, R. Kondenzátory v jednosmerných obvodoch sa môžu považovať za prvky s nekonečným odporom (bez prúdu tečúceho cez kondenzátor), zatiaľ čo indukčné prvky sa môžu považovať za krátke pripojenia (bez poklesu napätia cez induktor) v obvod DC.
AC obvody sú však odlišné. Každý prvok v obvode striedavého prúdu sa dá opísať jeho impedanciou. Impedancia je miera toho, ako sa prvok "bráni" voči prúdu, keď je na jeho svorky privedené premenlivé napätie s pevnou amplitúdou.

Impedancia sa dá ďalej rozdeliť na dve časti, ktoré sa nazývajú rezistencia a reaktancia. Použitie striedavého napätia na čisto odporovú zložku (rezistor) v obvode striedavého prúdu bude mať za následok to, že celkovým prúdom bude pretekať aj určité množstvo striedavého prúdu a tento prúd bude vo fáze s napätím. Aplikácia premenlivého napätia na čisto reaktívnu zložku v AC obvode bude mať za následok prietok striedavého prúdu cez prvok, ale tento prúd bude ± 90 stupňov mimo fázy v porovnaní s napätím, v závislosti od toho, ktorý prvok sa používa - kondenzátor alebo cievka. Menovite napätie cez kondenzátor zaostáva za prúdom o 90 stupňov, zatiaľ čo prúd cez indukčný prvok zaostáva za napätím cez indukčný prvok otočené o 90 stupňov. Vzorec pre výpočet impedancie je:

kde Z je impedancia, R je odpor a X je reaktancia. Je potrebné poznamenať, že impedancia je komplexné číslo, ktorého skutočnou súčasťou je odpor a imaginárnou časťou je reaktancia.

Ideálne kondenzátory a indukčné prvky sú čisto reaktívne zložky a ovplyvňujú iba reaktívnu imaginárnu časť impedancie. Reaktancia kondenzátora je potom daná ako:

kde ω je uhlová frekvencia (ω = 2pf, kde f je frekvencia signálu) a C je kapacita. Na druhej strane je reaktivita induktčného prvku daná ako:

kde L je indukčnosť prvku. Malo by sa poznamenať, že reaktancia kondenzátora je záporná hodnota a reaktancia induktora je kladná hodnota.

kde Z je impedancia kondenzátora vykazujúceho parazitickú indukčnosť (ale nevykazujúcu parazitický odpor). Poďme sa pozrieť na tento vzorec, aby sme pochopili účinok parazitickej indukčnosti na kondenzátor.

Predpokladajme uhlovú frekvenciu 1 MHz (približne 6,2 - 10⁶ rad / s), kapacitanciu 0,1 µF a typickú parazitickú indukčnosť pre keramické kondenzátory, približne 1nH. Pri absencii akýchkoľvek parazitických účinkov by impedancia takéhoto kondenzátora bola približne -j 1,591 Ω. Ak sa vezmú do úvahy parazitické účinky, impedancia je teraz -j · 1,585 Ω. Nie je to veľa, pretože účinná impedancia je iba o 0,37% nižšia, ak je prítomná parazitická indukčnosť.

Avšak pri vyšších frekvenciách sa parazitická indukčnosť stáva väčším problémom. Teraz zvýšime frekvenciu na 10 MHz a zopakujeme výpočet. Uhlová frekvencia je teraz približne 6,2 · 10⁷ rad / s. Pri absencii parazitických účinkov by impedancia kondenzátora 0,1 uF bola približne -j 0,1591 Ω. Ak zavedieme parazitickú impedanciu, tak impedancia je teraz -j · 0,0963 Ω. Efektívna impedancia je teraz znížená až o 40%! Pri vyšších frekvenciách sa to stáva narastajúcim problémom a v určitom okamihu sa impedancia stáva pozitívnou a kondenzátor v skutočnosti začína správať ako indukčný prvok!

Z tohto dôvodu existujú nízko indukčné kondenzátory špeciálne vyrobené pre vysokofrekvenčné aplikácie a pre aplikácie, kde sú parazitické účinky vysoko nežiaduce. Vyrábajú sa zo špeciálnych materiálov a vodičov s olovom, ktoré sú čo najkratšie. Aby sa ďalej znížila indukčnosť, vnútorné usporiadanie kondenzátora je navrhnuté tak, aby zrušilo všetky magnetické polia generované prúdom kondenzátora.