Rådgiver
Teksten forneden er maskineoversat fra den tyske originaltekst.
Værd at vide om induktiviteter, spoler og drosselspoler
At lede elektricitet gennem en tråd i dag er en selvfølge, som virker næsten banalt. Ikke så mærkeligt, for denne teknologi har domineret menneskeheden i næsten 200 år. Men når tråden rulles op til en spole, får strømmen pludselig helt andre virkninger. Vi forklarer, was der bag spoler, drosselventiler og induktiviteter.
Was induktiviteter, spoler eller drosselspoler?
Hvordan fungerer spoler og drosselventiler?
Was induktans ved spoler?
Was the induktiv reaktivmodstand for spoler
Hvor anvendes spoler?
Forskellige spoletyper
Was induktiviteter, spoler eller drosselspoler?
En spole består af en isoleret tråd, der er viklet rundt eller i anden form. Som isolering anvendes ofte kun et tyndt laklag, der adskiller kobbertråde, som ligger ved siden af hinanden, elektrisk.
På grund af denne fysiske konstruktion opnår man visse elektriske egenskaber, som kan anvendes til mange forskellige opgaver. På den måde kan der for eksempel opbygges spoler mekanisk sådan, at de kun repræsenterer en meget lille modstand til en vekselspænding med en lav frekvens på 50 Hz. Ved en høj frekvens på flere tusinde Hz derimod, har disse spoler en meget stor modstand.
Sådanne spoler anvendes fortrinsvis ved elapparaters netindgang. Mens strømmen med netfrekvens på 50 Hz kan passere spolen uden problemer, holdes højfrekvente støjimpulser fra strømnettet effektivt væk fra apparatet. På den anden side sørger disse spoler også for, at støjimpulser, der opstår ved for eksempel børstegnistering på en kollektormotors slibering, ikke overføres til det offentlige net.
Kobbertråd viklet på en Kern til en spole.
På grund af disse støjreducerende egenskaber betegnes disse spoler også som drosselspoler, netdrosselspoler eller støjdæmper. Spoler og drosselspoler bliver også slået sammen under det overordnede begreb induktiviteter. Da transformere og motorer på grund af deres viklinger også har induktive egenskaber, taler fagmanden her snarere om en induktiv belastning.
Hvordan fungerer spoler og drosselventiler?
En strømgennemstrøet spole (1) genererer et magnetfelt (2), der kan forstærkes med en ferromagnetisk Kern (3). I tilfælde af jævnstrøm giver det en elektromagnet.
Hvis der tilsluttes en elektrisk spænding til en spole, skal strømmen altid løbe gennem hver enkel vikling af spolen.
Derved opbygger den strømbærende leder af spolen et magnetfelt. På grund af konstruktionen med ledersløjfer placeret ved siden af hinanden sammenlægges magnetfelter for alle spolevindinger til et enkelt stort magnetfelt. Jo større antallet af vindinger og jo højere strøm er, desto stærkere bliver magnetfeltet.
Den længere kobbertråd øger imidlertid også modstanden mod ohms og øger produktionsomkostningerne. Derfor indsættes der ofte Kern af presset jernpulver (ferrit) i midten af spolen for at forstærke permetabilitet og dermed magnetfelt. Begrebet permeabilitet siger, hvor godt eller dårligt en spolekers leder magnetlinjerne.
Hvis spolen forsynes med jævnstrøm, får man en el-magnet, der blandt andet også anvendes i sorteringsanlæg eller jævnstrømsrelæer. Ved at tænde og slukke for strøm kan man så efter behag tænde og slukke den magnetiske virkning.
Hvis en vekselspænding lægges på spolen, reagerer en spole helt anderledes end ved jævnspænding. For at forstå sammenhængene, skal man se spoleforholdet iht. en sinusbølge:
På grund af den stigende spænding opbygger spolen et stadigt stærkere magnetfelt.
Det voksende magnetfelt genererer ved selvinduktion en spænding i spolen, som modvirker den tilførte vekselspænding. Det vil sige, at strømflowet på spolen derved bremses eller forsinkes.
På den bageste flanke af sinusbølgen reduceres spændingen igen, og magnetfeltet bliver svagere. Det sammenbrækkende magnetfelt genererer igen en spænding, som magnetfeltet fortsat vil opretholde. Ved den negative halvbølge af sinuskurven gentages processen, men med omvendt strømretning gennem spolen.
Dette betyder, at strøm og spænding ikke længere er sammenfaldende i løbet af en sinusbølge. Elektricitet er »langsommere« end spænding. Fagmanden taler her om en faseforskydning på 90° .
Ved en spole finder strømflowet (i)° med en faseforskydning på 90 til spænding (U) sted.
Vores praktisk tip:
For at el-teknikere og elektronikteknikere bedre kan huske faseforskydningen, findes der en enkel, men i årtier veletableret tankestøtte: "Ved induktans kommer strømmen 90° for sent!"
Bemærk!
Den selvinduktion finder naturligvis også sted, når en spole med jævnspænding/jævnstrøm drives. Effekten forekommer dog kun i tændings- og slukningsmoment. Mens tilkobling er mindre problematisk, kan spoler lave meget høje spændingsspidser, når der slukkes. Derfor forbindes en diode parallelt med spolen ved et jævntromrelæ.
Hvis skiftetransistor (T) styres, flyder strømmen via relæet (R) og transistoren (T). Relæet er tændt og kontakten er lukket. Via dioden (D) flyder der i dette øjeblik ingen strøm (se venstre skitse). Når transistoren (T) låses, lukker dioden (D) den resulterende induktionsstrøm kort (se højre skitse). Koblingstransitoren (T) er dermed effektivt beskyttet mod skadelige spændingsspidser.
Ud over den selvinduktion er der også den fremmede produktion. Ved fremmede induktion er der opbygget et magnetfelt, der inducerer en spænding i en anden spole. Fremmede komponenter anvendes i transformere eller tændspoler.
Dioden (D) beskytter i frakoblingsmomentet strømtransistoren (T) mod induktionsspændings-topspænding.
Was induktans ved spoler?
Som forklaret ovenfor medfører en ændring af strømstrømmen i spolen også en ændring af spolemagnetfeltet. Og ændringen af magnetfeltet genererer igen og igen en selvinduktionsspænding. Denne spænding modvirker altid den udefra tilførte spændingsændring.
Hvor høj den selvinduktionsspænding er, afhænger af strømændringens størrelse, af det tidsrum, hvor strømændringen finder sted, og af spolens induktans. Induktivitet bestemmes igen ved spolens mekaniske opbygning og af materialeegenskaberne. Det omfatter blandt andet antallet af vindinger og mål på spolen. Spolernes udrulninger vikles ofte om Kern af magnetiserbart (ferromagnetisk) materiale, hvilket øger induktans. Spulekerne kan være stavformet eller ringkerne. Men der er også mulighed for andre udformninger.
I sidste ende er induktans en sammenfatning af alle elektriske egenskaber ved en spole. Induktivitet gør det også muligt at sammenligne forskellige spoler med hinanden.
Formeldningssymbolet for induktivitet er L, og betegnelsen er H (Henry), ifølge den amerikanske fysiker Joseph Henry, der er den 19. Marts. Jhd. Den selvinduktion var blevet opdaget.
Induktans mindre end eller mindre end 10 % af følgende:
Hvis strømmen ændrer sig med 1 ampere (A) inden for et tidsrum på 1 sekund, og induktionsspændingen er 1 V, har spolen en en induktans på 1 Henry (H).
Inden for elektronik-spoler anvendes der dog betydeligt lavere induktiviteter. På samme måde som ved kondensatorer er der også ved spoler 1/1000 opdeling.
| Henry | 1 timer | 1 timer | 100 timer |
| Millihenry | 1 mH | 0,001 TIMER | 10 -3 TIMER |
| Mikrohenry | 1 timer | 0,000001 TIMER | 10 -6 TIMER |
| Niohrenry | 1 NH | 0,000000001 TIMER | 10 -9 TIMER |
Was the induktiv reaktivmodstand for spoler
Ved en kullagsmodstand , en metallagsmodstand eller en trådmodstand er det i princippet fuldstændig ligegyldigt, om den drives med jævnspænding eller vekselspænding. Modstandsværdi ændrer ikke ved begge spændingstyper. I forbindelse med spoler ser sagen noget anderledes ud.
Hvis en spole forsynes med jævnstrøm, virker kobberbeviklingens indre modstand kun. Denne driftsart anvendes ved spoler i jævnstrømsrelæ. Derfor har disse relæer også spoler med tynd tråd og mange viklinger.
Hvis en spole drives på vekselspænding, afhænger modstanden i spolen af induktans (L) og vekselspændingens frekvens (f). Denne modstand betegnes som en induktiv blindmodstand (X L ).
Den induktive blindmodstand kan beregnes som følger:
X L = 2 xπ f x L
Jævnstrømsrelæer har spoler med lange og tynde kobbertråde.
Til illustration har vi beregnet blindmodstanden for en spole med 50 mH ved forskellige frekvenser:
| Frekvens (f) | Blindmodstand (XL) |
|---|---|
| 0 Hz (jævnstrøm) | < 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 |
*ved en jævnspænding er kun sporets ohmsk modstand afgørende. Denne er igen afhængig af trådtværsnit og trådlængde. Da disse værdier kan variere meget for spoler med samme induktans, er det ikke muligt at angive en generel og konkret værdi.
Bemærk:
Med stigende frekvens øges blindmodstanden i en spole. Tabellen er dog en rent matematisk beregning af blindmodstandsværdierne. Afhængigt af spolens konstruktion kan de faktiske værdier afvige, da spolerne ved høje frekvenser og ved kraftig strøm muligvis ikke længere reagerer lineært. Spolekerne kommer derefter til den magnetiske mætning, was der opstår et fald i induktans. Spoler uden Kern har en betydeligt større linearitet og kaldes luftspoler.
Vores praktisk tip:
Jernpulvermaterialer (Fe) kan anvendes som ren induktans på op til ca. 400 kHz, i højere frekvensområder bliver tabsandelen for stor på grund af tabsmodstanden. Fra 20 MHz er jernpulverkerner ineffektive.
Mangan-zink-kerner (MnZn) er induktivt i frekvensområdet fra 20 MHz til 30 MHz. Nikkel/zink-kerner (NiZn) er op til frekvenser ca. 60 MHz induktivt. Ved højere frekvenser er materialet tabsgivende. Nanokrystalline materialer (FeCuNbSiB) kan anvendes ved meget høje frekvenser
Hvor anvendes spoler?
Spoler kan bruges på forskellige måder og til mange forskellige opgaver. Her er nogle eksempler, der kun viser en brøkdel af spolernes mange anvendelsesmuligheder:
Elektromagneter
Den klassiske anvendelse af en spole med jævnspænding er den elektriske magnet. For at skabe høj løfte- og holdekræfter er spolerne delvist indlejret i specielle metalkværne og støbt for at beskytte mod fugt.
Elektromagneter anvendes også til elektromekaniske relæer eller kontaktorer.
Netfilter
Spoler kan som allerede nævnt bruges til at filtrere forstyrrende impulser fra netspændingen. Spolerne suppleres til dels med kondensatorer og dermed skabes komplette netfilterenheder. På nogle netværksfiltre integreres det nødvendige netværksstik med det samme i kabinettet.
Delefiltre
Ved et delefilter anvender man spoles reaktive modstand ved forskellige frekvenser. Dermed sikres det, at bashøjttaleren kun tilføres de dybe frekvenser. I modsætning hertil får diskanten kun de højfrekvente frekvensdele. På samme måde som ved netfiltrene arbejdes der med kondensatorer også med højttalerfiltre for at optimere frekvensadskillelse.
Switch-mode-strømforsyninger
Hvis en spole opbygger et magnetfelt, lagres der energi i dette magnetfelt, som spolen kan afgive igen ved slukning. Spoler, der fortrinsvis er konstrueret til dette formål, kaldes også lagerruller eller hukommelsesdrosler.
Effekten af energilagring bruges ved switch-mode-strømforsyninger eller koblingsregulatorer, der er taktet. Ved tilsvarende startfrekvens kan spoler og transformatorer tilsvarende små svigte. Derved er switch-mode-strømforsyninger små, lette og økonomisk.
Svingkredse
En svingkreds er en kombination af spole og kondensator (LC-led), hvor energien i resonanstilfælde konstant svinger frem og tilbage mellem det magnetiske felt på spolen og kondensatorens elektriske felt.
Ved hjælp af vibrationskredse kan man i modtageteknik frasortere bestemte frekvenser fra en frekvensblanding eller undertrykke uønskede frekvenser. Til dels har disse svingkredse drejelige spolekerner i et afskærmet metalkabinet eller afstemningsbare, så filteret kan indstilles præcist til den ønskede frekvens.
Strømbegrænsning
På grund af deres induktive egenskaber kan spoler også gerne bruges i strømkredse til strømbegrænsning.
Til forstærkning af magnetiske egenskaber er spolerne viklet på let magnetiserende (blødmagnetiske) materialer som ferrit eller metaller. Disse spoler betegnes også som drosselspoler og ringformede ventiler.
Trådløs ladeteknik
Til trådløs opladning er der indbygget en senderspole og en modtagerspole i telefonen. Så snart telefonen placeres på opladeren, omdanner modtagerspolen kanalspolens magnetfelt til en elektrisk strøm, med hvilken batteriet oplades. Nøglekort fungerer efter samme mønster. Dørstationen opbygger et magnetfelt, så spolen i kortet kan frembringe en driftsspænding til hukommelseschippen. Derefter kan de nødvendige data udveksles via magnetisk kobling.
Kompensation for blindeffekt
På grund af faseforskydningen optager induktive forbrugere som for eksempel transformatorer eller motorer samt kapacitive forbrugere som for eksempel switch-mode-strømforsyninger mere energi, end de afgiver. Denne ekstra reaktiv effekt pendler hele tiden frem og tilbage mellem forbruger og energileverandør her.
I modsætning til private forbrugere registreres og faktureres der også for erhvervskunder reaktiv effekt. Derfor anvender industrikunder kompensationspoler og kondensatorer efter strømmålere. Hvis der først og fremmest anvendes induktive forbrugere, kan kondensatorer kobles til strømnettet fra kompensation. Hvis den kapacitive belastning er større, forbindes spoler til strømnettet. Reaktiv effekt pendler så kun mellem forbruger og kompensation og driver ikke længere unødigt høje strømomkostninger.
Forskellige spoletyper
Induktans er ikke samme som induktans. En hukommelsesdrossel kan anvendes mange gange og kræver derfor også en specifik tilpasning i form og design. Ud over SMD- og THT-versioner har en spole afhængigt af anvendelsesområde andre viklinger eller byggestandarder.
SMD-design
SMD-komponenter ( S urface- m ounted d evice) fastgøres på printpladen og derefter loddes fast efter forskellige procedurer. Denne form for montering betegnes som overflademontage. I modsætning hertil stikkes komponenters tilslutningsledninger ved THT-monteringen ( T through H ole T technology) gennem kontakthuller i printpladen og loddes derefter på. Denne type montage kaldes også gennemstikningsmontage.
Viklede SMD-induktiviteter
SMD-induktiviteter er meget små og lette. Desuden er det ikke nødvendigt at anvende tilslutningsledninger, hvorved SMD-udformningerne frem for alt anvendes i industriel produktion.
Multilayer-induktiviteter
en metalpasta, ofte sølv, påføres i spolemønsteret på en tynd basis af ferrit eller andre materialer. Denne type induktiviteter er meget lille og kan endda indbygges i mobiltelefoner.
Drosselspoler
De fungerer efter følgende princip: Den spænding, som den selvinduktion frembringer, virker mod dens årsag. Således reduceres strømmen i spolen gennem spændingen. Den induktive modstand er målet for regulering. Drosselspoler anvendes til strømbegrænsning.
En eller flere af følgende:
Kern på spolen er en cirkelring. Gennem denne konstruktion breder den magnetiske flod sig kun i Kern. Derfor er strøfaldseldet uden for cirkelringspolen forholdsvis svagt.
Ringkernespoler anvendes i passive, elektriske filtre, så højfrekvente forstyrrelser undertrykkes. Men de kan også anvendes i fejlstrømsafbrydere.
Hukommelses-drosselspole
Hukommelsesdrosler gemmer den magnetiske energi. Kern er ofte afbrudt af luftspalten, der fyldes med papir, harpiks eller plastik for at stabilisere mekaniske forhold. I dette luftmellemrum lagres næsten al energi, således at det nukleare materiale ikke mætes, og der sikres en lineær induktivitetsforløb.
Hukommelsesdrosler i visse switch-mode-strømforsyninger, koblingsregulatorer, invers-konvertere og SEPIC-omformere finder anvendelse.
Wireless-Power-spoler
Denne spoletype har en lav højde og bliver derfor ofte indbygget i wearables. Wireless-Power-spoler er ideal for trådløs energioverførsel. Der findes en senderspole i opladeren og en modtagerspole i apparatet. Mellem disse to spoler sker en resonansforbindelse, induktiv kobling. Opladningen startes ved induktion.
Denne form for energioverførsel er allerede ved at blive gennemført, men der vil komme mange andre innovationer på markedet i fremtiden. Allerede i dag testes opladning af en elbil ved hjælp af et Charging Pads. Dette er monteret i en senderspole.