Jediným pasívnym komponentom, ktorého význam mnohým zostáva nejasný, je cievka, alebo tlmivka. Jedná sa o komponent, ktorý sa štruktúrne podobá cievke a nájdete ich vo väčšine výkonových elektronických obvodov a vďaka ich vlastnostiam fungujú napríklad vaše transformátory. Dôvod, prečo veľa ľudí nerozumie týmto komponentom, je ten, že menia nielen elektrické pole, ale aj magnetické pole okolo seba. V tomto článku si preto vysvetlíme základy okolo tohto komponentu a demystifikujeme ho, aby sme vedeli, ako a kedy ju v našich aplikáciách použiť.

Čo je cievka / tlmivka?

Cievka, alebo tlmivka je možno najjednoduchší zo všetkých elektronických komponentov. Je skonštruovaná podobne ako odpor - určitá dĺžka drôtu, ktorý je navinutý buď samonosne, alebo na nejakom jadre. Tu však odpor nie je vlastnosťou, ktorú hľadáme. Je to niečo, čo sa stane kvôli tvaru - cievke, ktorý vytvára magnetické pole, keď ním prechádza prúd. Toto indukované magnetické pole dáva tomuto kúsku drôtu niekoľko zaujímavých elektrických vlastností, najmä indukčnosť - čo dáva týmto komponentom názov. Cievka (solenoid) je vo svojej podstate dvojpólová reaktančná súčiastka, realizujúca veličinu resp. vlastnosť – vlastnú indukčnosť.

Rozdiel medzi cievkou a kondenzátorom

O kondenzátore sme si hovorili v predchádzajúcich článkoch. Teraz je čas, kedy by sme si mali niečo povedač čo to o základoch indukčnosti, môžeme si položiť dosť dôležitú otázku otázku: "Aký je rozdiel medzi cievkou a kondenzátorom?"

Najprv je potrebné akumulovať energiu, keď sa na ňu aplikuje napäťový potenciál, ale kondenzátor akumuluje energiu vo forme elektrického poľa a indukčnosť akumuluje energiu vo forme magnetického poľa. Dobre, ale ako to ovplyvňuje jeho výkon?

Na toto sa pozrieme bližšie, aby sme tomu porozumeli, ale zatiaľ si môžete pamätať, že kondenzátor sa pokúša vyrovnať napätie v obvode, to znamená, že sa mu nepáči zmena potenciálu naprieč každou zložkou, a preto sa bude nabíjať alebo vybíjať na zvýšenie napätia. Cievka / Tlmivka na druhej strane nemá rnemá rada zmenu prúdu v obvode, takže ak sa zmení prúd, bude sa nabíjať alebo vybíjať, aby sa vyrovnal prúd v obvode.

Pamätajte tiež, že cievka počas vybíjania mení svoju polaritu, takže potenciál počas nabíjania bude opačný k potenciálu počas vybíjania.

Symboly pre cievky / indukčnosti

Rovnako ako mnoho iných elektronických komponetov je symbol cievky / tlmivky zjednodušeným piktogramom toho, ako to v skutočnosti vyzerá:

Čiary v blízkosti symbolu predstavujú materiál jadra - o čom si ešte povieme.

Princíp funkcie cievky / tlmivky

Cievka / Tlmivka, ako už bolo spomenuté, je iba medený drôt zvinutý do určitého tvaru. Predtým, ako sa pustíme do niečoho iného, ​​položme si otázku, prečo práve cievka? Ako už vieme, akýkoľvek vodič prenášajúci prúd generuje magnetické pole nasledujúcim spôsobom:

Ak však do vzorcov zapojíte hodnotu prúdu, uvedomíte si, že vytvorené magnetické pole je malé - takmer zanedbateľné, pokiaľ nie sú prúdy neuveriteľne vysoké, rádovo v ampéroch.

Takže aby sme zväčšili magnetické pole vytvárané konkrétnou dĺžkou drôtu, navinienieme ho do tvaru cievky. Toto zvyšuje magnetické pole, napríklad takto:

Tento tvar sa tiež nazýva solenoid.

Keď je na svorky cievky privedené napätie, prúd, ktorý preteká, vytvára magnetické pole. Toto magnetické pole opäť vytvára indukovaný prúd v cievke s opačnou polaritou, podľa Lenzovho zákona. Prúdy sa navzájom nerušia - skôr sa indukovaný prúd aktívne snaží postaviť proti prichádzajúcemu prúdu v dôsledku napätia na induktore. Celkovým výsledkom tejto bitky je, že prúd cez induktor sa nemôže rýchlo meniť - vždy ide o lineárny sklon.

Meranie cievky / indukčnosti

Správanie sa cievky / tlmivky v elektrickom obvode si kladie zaujímavú otázku - ako spoľahlivo odmerať správanie sa cievky z hľadiska ľahko merateľných parametrov?

Mohli by sme vyskúšať zmerať cievku podľa veľkosti magnetického poľa, ktoré vytvárajú. Lenže tu narazíme na problémy. Magnetické pole vytvorené cievkou závisí od prúdu, ktorý ňou prechádza, takže aj malá cievka dokáže vytvoriť pomerne veľké magnetické pole.

Namiesto toho by sme mohli použiť rovnaký postup, aký sme použili pre kondenzátory, a môžeme definovať indukčnosť obvodu ako zmenu napätia vyvolanú, keď sa prúd mení určitou rýchlosťou.

Matematicky

U = L (dI / dt)

Kde U je napätie, L je indukčnosť, I je prúd at je časové obdobie. Indukčnosť "L" sa meria v Henry, pomenovanom po Josephovi Henrym, americkom vedcovi, ktorý objavil elektromagnetickú indukciu.

Vzorec na výpočet indukčnosti cievky drôtu je daný týmto vzorcom:

L = (µn2a) / l

Kde L je indukčnosť v Henry, µ je konštanta permeability, tj. koeficient, ako ľahko je možné vytvoriť magnetické pole v danom médiu, n je počet závitov, a je plocha cievky a l je dĺžka cievky.

Henry je opäť veľmi veľká jednotka, takže prakticky tlmivky sa merajú v mikroHenry, µH, čo je milióntina Henryho, alebo milliHenry, mH, čo je tisícina Henryho. Príležitostne môžete dokonca nájsť veľmi malé indukčnosti namerané v nanoHenry, ktoré sú tisícinou µH.

Typy cievok / indukčností

Teraz má konštanta μ vo vyššie uvedenej rovnici niekoľko zaujímavých dôsledkov. Naznačuje to, že je možné manipulovať s magnetickým poľom vo vnútri induktora. Ako už bolo spomenuté vyššie, niekedy magnetické pole vytvárané solenoidom niekedy nesplní presné požiadavky. Preto takmer vo všetkých prípadoch nájdete tlmivky, ktoré sú navinuté okolo určitého materiálu jadra.

Jadrá sú materiály, ktoré podporujú vytváranie magnetického poľa. Spravidla sú vyrobené zo železa a jeho zlúčenín, napríklad z feritu (čo je oxid železa). Pomocou jadra môžete získať väčšie magnetické pole ako bez jadra.

 1. Samonosné indukčnosti

Ako naznačuje názov, tento druh indukčnosti nemá jadro - materiálom jadra je vzduch. Pretože vzduch má relatívne nízku priepustnosť, je indukčnosť  vzduchového jadra pomerne nízka - zriedka nad 5µH. Pretože majú nízku indukčnosť, je rýchlosť nárastu prúdu pre aplikované napätie dosť rýchla a je tak schopná zvládnuť pomerne vysoké frekvencie. Väčšinou sa používajú v RF obvodoch.

 2. Indukčnosti zo železným jadrom

Železo je možno najznámejší magnetický materiál, čo z neho robí ideálnu voľbu pre tlmivky. Majú podobu indukčností so železným jadrom. Zvyčajne sa používajú na nízkofrekvenčné filtrovanie napájacích vedení, pretože majú veľké indukčnosti. Používajú sa tiež v audio zariadeniach.

 3. Indukčnosti s feritovým jadrom

Ferit je vo svojej podstate prášok oxidov železa. Tento prášok je zmiešaný s epoxidovou živicou a lisovaný do formy jadier, okolo ktorých je možné navíjať cievky. Feritové cievky sú ľahko rozpoznateľné kvôli matnej šedo-čiernej farbe. Tiež sú veľmi krehké a ľahko sa lámu. Sú to najbežnejšie používané induktory, pretože permeabilitu je možné jemne regulovať riadením pomeru feritu k epoxidu v zmesi.V ponuke nájdeme mnoho variant feritu, ktorý výrobcovia odlišujú farebným označením samotného feritového jadra.

Sériové a paralelné zapojenie cievok / indukčností

Cievky / tlmivky zapojené do série, alebo paralelne sa správajú presne opačne ako kondenzátory. Napríklad na výpočet indukčnosti skupiny tlmiviek v sérii môžete jednoducho sčítať hodnoty jednotlivých indukčností.

L = L1 + L2 + ... + Ln

Kde L je celková indukčnosť a L1, L2… Ln sú jednotlivé indukčnosti.

Predpokladajme, že máte dva tlmivky, jedna s indukčnosťou 10uH a druhá 15uH, potom ich zapojením do série získate celkovú indukčnosť 25uH.

Paralelné indukčnosti sa správajú rovnako ako paralelné odpory a ich indukčnosť je daná vzťahom:

1 / L = 1 / L1 + 1 / L2 +… + 1 / Ln

Kde L je celková indukčnosť a L1, L2… Ln sú jednotlivé indukčnosti.

Týmto spôsobom, ak zapojíte dva indukčnosti 10uH paralelne, tak ich výsledná indukčnosť bude 5uH.

 Užitočné vzorce

1. Energia uložená vodičmi

Indukčnosti môžu ukladať energiu podobne ako kondenzátory, ale energia je preč v okamihu, keď odpojíte napájanie, a vytvorené magnetické pole sa tak zrúti. Inými slovami, indukčnosť bez napájania nemôže udržať svoje magnetické pole.

E = ½ * L * I2

Kde E je energia v Jouloch, L je indukčnosť v Henry a I2 je prúd v ampéroch.

Ak máte indukčnosť 20uH, ktorou preteká prúd 5A, potom bude uložená energia 0,00025J. Aj v tomto ohľade majú indukčnosti, podobne ako kondenzátory, veľmi malú energiu.

2. Miera prúdového nárastu

O tomto vzorci už sme hovorili, ale stojí za to sa naň bližšie pozrieť.

U / L = dI / dt

Kde U je napätie privedené na indukčnosť, L je indukčnosť, I je prúd a t je čas.

Tento vzťah uvádza, že keď sa na indukčnosť aplikuje konštantné napätie, prúd stúpa v lineárnom smere. To môže byť užitočné pri vytváraní prúdových ramp, rovnako ako kondenzátor vytvára napäťové rampy pri konštantnom prúde.

3. Impendancia

Indukčnosti majú impedanciu, ktorá súvisí s frekvenciou podľa vzorca:

XL = 2π * f * L

Kde XL je indukčná impedancia, f je frekvencia v Hertzoch a L je indukčnosť v Henry.

Správanie sa cievky / indukčnosti v obvode

Prekvapením je, že indukčnosti sú v jednosmerných obvodoch takmer zbytočné, pretože v nich prúdi konštantný prúd a indukčnosť tak funguje iba ako kúsok drôtu. Svoje pravé využitie tak nachádzajú v obvodoch striedavého napätia. Ako už bolo spomenuté vyššie, majú svoju impedanciu, vďaka ktorej sú užitočné pri obmedzení prúdu v obvode striedavého prúdu, ako sú napríklad predradníky úsporných žiariviek. Rovnako môžu byť použité aj na filtrovanie signálov.

V prvom prípade indukčnosť umožňuje, aby ňou prúdil všetok jednosmerný prúd smerom na zem, čím zabráni všetkým nízkym frekvenciám prieniku na výstup. Pri vyšších frekvenciách sa impedancia indukčnosti stabilne zvyšuje, takže signál môže prechádzať na výstup, preto sa toto zapojenie nazýva hornopriepustný filter.

V druhom prípade indukčnosť umožňuje priechod jednosmerným a nízkym frekvenciám, ale blokuje všetky vysoké frekvencie z výstupu, a preto sa toto zapojenie nazýva dolnopriepustný filter.

Cievka / indukčnosť v reálnom zapojení

Bežné cievky ako také, sú vyrobené z medeného drôtu a feritu, sú pomerne drahé a ich použitie je väčšinou v rádiách, napájacích zdrojoch a telekomunikačných zariadeniach. V napájacích zdrojoch sa používa vlastnosť tlmivky, aby sa zabránilo náhlym zmenám prúdu. Spolu s kondenzátorom slúži na zabránenie náhlym zmenám výstupného napätia a prúdu napájacieho zdroja.

RF obvody využívajú zaujímavý LC obvod nazývaný rezonančný obvod. Kondenzátor sa nabíja a vybíja do indukčnosti, ktorá vytvára svoje magnetické pole. Keď sa magnetické pole zrúti, vytvorí sa napätie a nabije kondenzátor. Takto sa vytvárajú periodické oscilácie, ktoré sa dajú použiť na generovanie vysokých frekvencií.

Frekvencia sa dá vypočítať podľa vzorca:

Kde f je frekvencia v Hertzoch, L je indukčnosť v Henry a C je kapacita vo Faradoch.

Záver

Toto je potrebný základ, ktorý je potrebné pochopiť pri aplikovaní indukčností, samozrejme, že teórie pre tento komponent je ešte viac, ale to je plánované ako voľné pokračovanie tohoto článku. Sú to skutočne jednoduché komponenty ale nie sú to prevládajúce komponenty ako ich príbuzní kondenzátory a odpory, ale stále sú veľmi užitočné vo väčšine zapojení.