Cívka (Inductor)
Schématická značka:
Indukční cívka je pasivní elektrotechnická součástka, která má schopnost při průchodu elektrickým proudem vytvářet magnetické pole a akumulovat jeho energii. Základním parametrem je indukčnost vyjádřená jednotkou Henry [H]. Definice jednoho Henry je, že pokud změna proudu je rovna 1A za 1 sekundu a vyvolá se tím indukované napětí 1V pak má obvod(cívka) indukčnost 1H.
Pro pochopení chování indukční cívky v elektrickém obvodu je třeba si vzpomenout na pár fyzikálních jevů. Podrobně jsou popsány v každé učebnici fyziky, takže jen stručné shrnutí.
Každý poybující se náboj vytváří okolo sebe magnetické pole. Pokud toto pole zasahuje do jiného magnteického pole, pak dojde k zvájemné interakci a projevu magnetické síly Fm:
Magntetické pole je znázorňováno indukčními čarami. Vektor vyjadřující silové účinky mag. pole se nazývá magnetická indukce. Siločáry okolo přímého vodiče tvoří soustředěné kružnice:
Cívka je záměrně tvořena závity okolo jádra, aby se silové účinky magnetického pole sčítaly uvnitř jádra cívky. Samotné jádro je pak tvořeno z feromagnetického materiálu, který magnetické pole ještě zesílí. Veličina vyjadřující schopnost materiálu jádra ovlivnit výsledné magnetické pole se nazývá permeabilita μ.
Magnetický tok Φ vyjadřuje kolik indukčních čar (jak velká magnetická indukce) prochází danou plochou resp. u cívky závisí na indukčnosti cívky a proudu který jí prochází. Indukované napětí pak závisí na velikosti změny magnetického toku s časem.
Magnetizace je jev kdy látka, působením vnějšího magnetického pole, mění své vlastnosti. Nás zajímají hlavně látky feromagnetické, které se působením "zmagnetizují" dočasně po dobu trvání působení vněšího magnetického pole, či trvale i po záníku vnějšího pole.
Závislost magnetické indukce v látce na intenzitě vnějšího mag. pole vyjadřuje hysterézní křivka:
Každý materiál lze zmagnetizovat pouze do určité míry, kdy jsou již všechny magnetické dipóly orientovány ve směru vnějšího pole - nasycený stav. Když se blížíme tomuto stavu pak se snižuje permeabilita materiálu.
Souhrnem lze říct, že na cívce se objeví indukované napětí v důsledku:
- změny velikosti el. proudu procházejícího vinutím cívky (vlastní indukce)
- pohybem zmagnetovaného jádra cívky resp. pohybem cívky vůči jádru
- změnou velikosti vnejšího magnetického pole (elektromagnetická indukce)
Vzájemná indukčnost dvou cívek vedle sebe - jednou cívkou prochází proud a vytváří tak vlastní magnetické pole a druhá cívka indukuje napětí v důsledku působení mag. pole prvni cívky.
Indukční cívka v elektrickém obvodu, který sepne stejnosměrné napětí způsobí na cívce přechodový děj - cívka se vždy snaží zabránit změně, která ji způsobuje. V důsledku náhlého nárustu proudu cívkou dojde ke vzniku indukovaného napětí, které má ze začátku opačnou velikost než napětí zdroje a tedy cívkou neprochází žádný proud. Poté se již žádná změna neprojevuje takže dojde postupně k zmagnetování jádra dle velikosti proudu procházejícího cívkou a v konečném stavu již cívka neindukuje vlastní napětí a neklade tak proudu obvodem žádný "odpor" (krom parazitního na vinutí).
Stav kdy se v obvodu odpojí zdroj napětí je zajímavější a je na něj třeba brát velký ohled v důsledku jeho až destruktivního účinku. Opět totiž dochází k přechodovému jevu, tentokrát opačnému kdy se proud sníží skokově na nulovou hodnotu. Narozdíl od prvního stavu, kdy cívce stačilo indukovat napětí stejné velikosti jako měl zdroj ale opačného směru, aby zpočátku zabránila změně proudu cívkou (tedy zachovala stav kdy proud cívkou neprochází), tak v tomto případě musí indukovat napětí až mnohonásobně větší, aby zachovala původní velikost procházejícího proudu. Představme si klasický mechanický spínač, ktery začne se sepnutého stavu oddalovat své kontakty (prudce narůstá odpor) a tím přeruší tok proudu, cívka se tomu opět snaží zabránit, takže musí vyindukovat tak velké napětí, aby mezi oddalujícími se kontakty přeskočila jiskra a proud, v podobě přeskoku náboje pomocí elektrického výboje, tak stále pokračoval. Naakumulovanou energie v magnetickém poli cívky to však velice brzy vyčerpá a přechodový děj skončí a proud obvodem klesne na nulu. Čím je indukčnost cívky větší o to víc bude energie v magnetickém poli a o to delší bude el. výboj na kontaktech resp. o to delší bude přechodový děj.
V tomto případě dojde k opalování kontaktů spínače což může vést časem k jeho disfunkci. Využívá se paralelně připojená dioda k cívce v závěrném směru, aby se indukovaný proud uzavřel zpět do cívky.
V obvodu se střídavým proudem se je změna proudu periodická, proto se i indukované napětí mění periodicky a to s 90° předbíháním proudu.
Příklady použití:
Indukčnost vyjadřuje schopnost elektricky vodivého materiálu, kterým protéká el. proud, vytvářet okolo sebe magnetické pole. Dle chování v el. obovodu lze také napsat, že je to schopnost bránit vnějším změnám protékajícího proudu. Čím je indukčnost větší o to silnější bude mag. pole vyjádřené mag. tokem Φ a o to menší protékající el. proud k tomu bude zapotřebí. Pro přímý vodič ptokénaý konstantním proudem platí vztah:
Pro indukční cívku tvořenou N závity, plochou jádra S a délkou závitu l, pak platí:
Energie ukrytá v magtnetickém poli okolo el. vodivého materiálu:
Pokud dojde k časové změně mag. toku resp. el. proudu dochází také ke vzniku indukovaného napětí, které je orientováno opačně než změna, která jej vyvolala:
Indukční reaktance:
Činitel jakosti:
Výsledná indukčnost při sériovém a paralelním zapojení cívek:
Značení hodnot cívek:
Základní předponou jsou mikroHenry - μH.
- pokud se u číslic objeví symbol R, tak ten má význam desetinné tečky: 3R3 = 3,3 μH ; R68 = 0,68μH
- pokud je popis tvořen třemi ciframi, pak ta poslední značí násobitel: 330 = 33x100 = 33μH; 101 = 10x101 = 100μH
Barevné značení cívek:
Dělení dle typu:
(využito dokumentace firem VISHAY, YAGEO, MURATA, TOKEN, wikipedia)Indukční cíky se vyrábí v různých provedeních a za využití různých materiálů. Díky tomu máme na výběr z různých typů pouzder, různé materilály pro jádro cívky, určení pro různé frekvenční spektra, max. proud který jimi může protékat, činitel jakosti a další blíže popsané v katalogových parametrech.
Následuje základní rozdělení dle provedení(technologie).
Feritové perly (Ferrites Bead)
Vyrábějí se buď jako kroužek či váleček kterým se provlékne vodič nebo v SMD provedení.
Účel feritové perly je trochu odlišný od klasické indukční cívky, jelikož slouží jako tlumivka pro rušivé signály na vysokých frekvencích, ovšem bez využití reaktanční složky, prakticky dochází k přeměně vf signálu na teplo ve feritovém jádře díky vířivých proudů (zahřívání je však minimální, není nuté řešit odvod tepla). Činitel jakosti Q je proto velmi nízký. V datasheetu se ani neudává indukčnost, ale impedance na frekvenci kde je její hodnota maximální nebo pro nějakou referenční frekvenci např. 100MHz. Případně se udává graf této závisloti:
Je třeba myslet i na to, že stejnosměrná složka proudu nasycuje jádro a tím klesá impedance.
Vrstvené (Thin Film)
Vyrabí se v SMD provedení, kde motiv je tvořen pouze jednou vrstvou, tím pádem tyto tlumivky patří rozměrově mezi nejtenší. Hodnoty indukčnosti jsou však velmi malé v řádu nH. Mají malé parazitní vlastnosti, jsou tedy velice stabilní, mají velmi ůzkou toleranci, výbornou teplotní stabilitu, drží hodnotu indukčnosti i ve vysokých frekvencích, velmi vysoký vlastní rezonanční kmitočet v řádu GHz a výborný činitel jakosti(na nedrátové provedení).
Vícevrstvé (MultiLayer)
Klasická výrobní technologie, kde se vnitřní elektroda vytváří ve více vrstvách. Vyrábí se v širokém rozsahu indukčností, jasou nejrozšířenější, mívají feritové nebo keramické jádro a podle toho oplývají jistými zajimavými vlastnostmi.
Drátové (WireWound)
Vyrábí se v různých provedení SMD i s drátovými vývody. Mívají malý "stejnosměrný" odpor, výborný činitel jakosti Q, některá provedení snesou i velké proudy, mají dobrý odvod tepla.
Parametry reálné cívky:
Reálná cívka má kromě svého ideálního parametru indukčnosti ještě parazitní vlastnosti, které vyjadřuje následující ekvivaletní obvod:
>Kromě vlastní indukčnosti je třeba brát v úvahu sériový odpor vinutí, mezizávitovou kapacitu a kapacitu a svod vůči zemi(kostře).
Chování cívky v obvodu je ovlivněno dalšími vlivy jako jsou např. teplota, pracovní frekvence, velikost el. proudu vinutím, elmag. interference z okolí.
Katalogové paramtery:
(využito dokumentace firmy VISHAY, EPCOS, AVXJmenovitá indukčnost (Rated Inductance):
Nejdůležitější parametr cívky udávající míru schopnosti akumulovat energii magnetického pole. Jelikož tento parametr je závislý na okolních vlivech, udáva se tato hodnota pro konkrétní frekvenci, teplotu, proud atd. Bývají přiloženy patříčné grafy závislostí ze kterých si skutečnou indukčnost pro dané podmínky upřesníme. Indukce s frekvencí roste, těsně před rezonančním kmitočtem je indukce největší pak rezonanční frekvenci skokem klesá na nulu.
Stejnosměrný odpor (DC Resistance):
Stejnosměrný odpor vinutí cívky, měřený bez střídavé složky proudu. V katalogu se obvykle uvádí jeho maximální možná hodnota.
Jmenovitý proud(Rated Current):
Je to maximální možný stejnosměrný proud vinutím cívky, který nezpůsobí nedovolené zahřátí cívky (cívka je ještě schopná odvádět teplo způsobené výkonovýma ztrátama). Pro nižší frekvence lze tuto hodnotu použít i pro efektivní hodnotu střídavého proudu.
Jak se s rostoucím prudem zahřívá cívka a jak klesá indukce ukazuje následující graf:
Nasycený proud (Saturation Current):
Stejnosměrná složka proudu, která způsobí pokles indukce o 10%(železné jádra) resp. 20%(feritové jádra) vůči stavu kdy proud neobsahuje žádnou stejnosměrnou složku. Je to způsobeno tím, že stejnosměrná složka proudu způsobuje posun v magnetizační křivce směrem k nasycené oblasti, čímž dochází k snižování permeability.
Vlastní rezonanční kmitočet (SRF-Self Resonant Frequency)
Vzhledem k parazitní mezizávitové kapacitě cívky existuje rezonanční frekvence kdy se indkučni a kapacitní reaktance budou rovnat a dojde k rezonanci. Za touto frekvencí začíná převládat kapacitní charakter cívky. Jelikož parazitní kapacita je vyjádřena paralelně k indukčnosti pak při rozeonanční frekvenci je impedance cívky největší. S rostoucí indukcí cívky(roste i parazitní kapacita) klesá rezonanční frekvence. Také platí, že indukčnost směrem k rezonanční frekvenci strmě stoupá a když ji dosáhne je nulová.
Q - Činitel jakosti (Quality Factor):
Reálná cíka vykazuje krom své indukčnosti i odporové ztráty v důsledku:
- stejnosměrného odporu vinutí
- skin efektu (s rostoucí frekvencí se proud ve vinutí vytlačuje k jeho okrajům -> narůstá odpor)
- vyzářené energie
- ztráty v jádře (vířié proudy, hysterézní ztráty).
Tyto jevy jsou ovlivněny frekvencí, teplotou, velikostí el. proudu atd. Poměr energie uchované v mag. poli ku energii ztrát vyjadřuje činitel jakosti Q vyjádřený vvzorcem:
Reaktance i odporové ztráty jsou závislé na frekvenci a to tak, že v nižších frekvencích se výrazněji projevuje vliv reaktance a ve vyšších již převládají odporové ztráty. Existuje tedy jistá frekvence kdy poměr reaktance ku odporovým ztrátam je největší, což se hodí např. v rezonančních obvodech. Také platí, že čím roste indukce cívky(v důsledku vinutí s větším počtem závitů apod.) tím klesá činitel jakosti. Cívky s vysokým Q se hodí pro filtry konkrétní frekvence, naopak cívky (feritové perly) s nízkým Q jsou velmi vhodné pro filtrování širšího spektra frekvencí.
Čím jsou výkonové ztráty menší o to je užší šířka pásma činitele jakosti.
Permeabilita (Permeability):
Materiálová konstanta jádra cívky. Využívají se materiály feromagnetické (železo, nikl, ferit). Čím je větší o to je větší i indukce cívky, tudíž nepotřebujem tolik závitů cívky a o to je menší stejnosměrný odpor a díky tomu se zvedne i hodnota jmenovitého proudu. Také s větší permeabilitou klesá parazitní kapacita a tak se snižuje i rezonanční kmitočet. S rostoucí stejnosměrnou složkou proudu je jádro víc nasycené a klesá tak permeabilita.
Použité zdroje (Links):
- Inductors - Instructional Guide
- Murata - Inductor Room
- Cliftonlaboratories - SRF