مرداد
در این مقاله قصد داریم بپردازیم به وظیفه و کاربرد سلف ، پیشوندهای القایی و از طریق فرمولها آن، توان ، انرژی و جریان در سلف را بدست آوریم .
فهرست
1- مقدمه
2- سلف چیست
3- عملکرد سلف
4- سلف معمولی
5- توان سلف
6- انرژی سلف
مقدمه
سلف‌ها مانند هادی ها و مقاومت ها اجزای ساده ای هستند که در دستگاه های الکترونیکی برای انجام عملکردهای خاص استفاده می‌شوند. به طور معمول، سلف‌ها ساختارهای سیم‌پیچ مانندی هستند که در مدارهای الکترونیکی یافت می‌شوند. سیم‌پیچ یک سیم عایق‌ست که در اطراف هسته مرکزی حلقه شده‌است.
سلف‌ها بیشتر برای کاهش یا کنترل میخ های الکتریکی با ذخیره انرژی به طور موقت در یک میدان الکترومغناطیسی و سپس آزاد کردن آن به مدار استفاده می‌شوند.
سلف چیست ؟
سلف یک قطعه الکترونیکی غیرفعال‌است که قادر‌است انرژی الکتریکی را به شکل انرژی مغناطیسی ذخیره کند. اساساً از رسانایی استفاده‌می‌کند که به یک سیم‌پیچ پیچیده‌می‌شود و وقتی الکتریسیته از چپ به راست به سیم‌پیچ جریان می‌یابد، یک میدان مغناطیسی در جهت عقربه‌های ساعت ایجاد‌می‌کند. یکی از ویژگی های کلیدی سلف این‌است که مانع یا مخالفت آن با هر گونه تغییر در مقدار جریان عبوری از آن‌است. هر گاه جریان در سراسر سلف تغییر کند، یا بار می‌گیرد یا بار را از دست می‌دهد تا جریان عبوری از آن یکسان شود. سلف را چوک، راکتور یا فقط سیم‌پیچ نیز می‌نامند.
در زیر معادله ای ارائه شده‌است که اندوکتانس)ضریب القایی) یک سلف را نشان می‌دهد. هر چه رسانا به دور هسته بیشتر پیچانده شود، میدان مغناطیسی قوی‌تر ایجاد‌می‌شود.
یک میدان مغناطیسی قوی نیز با افزایش سطح مقطع سلف یا با تغییر هسته سلف ایجاد‌می‌شود.
سلف
اکنون فرض می کنیم که یک جریان AC از سلف عبور میکند. “AC” (جریان متناوب) به جریانی اطلاق‌می‌شود که سطح و جهت آن در طول زمان به صورت دوره‌ای تغییر‌می‌کند. هنگامی که جریان در شرف ورود به سلف‌است، میدان مغناطیسی ایجاد‌شده توسط آن جریان از سیم‌پیچ های دیگر عبور‌می‌کند و باعث ایجاد ولتاژ القایی میشود و بنابراین از هرگونه تغییر در سطح جریان جلوگیری‌می‌کند. اگر جریان به طور ناگهانی افزایش یابد، نیروی محرکه الکتریکی در جهت مخالف جریان ایجاد‌می‌شود – یعنی در جهتی که جریان کاهش می‌یابد – بنابراین از افزایش جریان جلوگیری‌می‌شود. برعکس، اگر جریان در شرف کاهش باشد، نیروی حرکتی الکتریکی در جهتی که جریان افزایش می‌یابد ایجاد‌می‌شود.
سلف
این اثرات ولتاژ القایی حتی زمانی که جهتی که جریان در آن جریان دارد معکوس باشد ایجاد‌می‌شود. قبل از غلبه بر ولتاژ القایی که تلاش میکند جریان را مسدود کند، جهت جریان برعکس‌می‌شود تا جریانی وجود نداشته‌باشد.
هنگامی که DC (جریان مستقیم) به سلف می‌رسد، سطح جریان بدون تغییر باقی می‌ماند، بنابراین هیچ ولتاژ القایی تولید نمیشود، و می‌توان در نظر گرفت که حالت کوتاهی ایجاد میشود.
سلف انرژی الکتریکی را به صورت انرژی مغناطیسی ذخیره‌می‌کند.
سلف اجازه نمی‌دهد AC از آن عبور کند، اما اجازه می‌دهد DC از آن عبور کند.
از خواص سلف‌ها در کاربردهای مختلفی استفاده‌می‌شود. انواع مختلف و متنوعی از سلف‌ها وجود دارد
برای درک اینکه چگونه یک سلف می‌تواند در یک مدار کار کند، این شکل مفید‌است:
آنچه در اینجا می بینید یک باتری، یک لامپ، یک سیم‌پیچ دور یک قطعه آهن (زرد) و یک کلید‌است. سیم‌پیچ سیم یک سلف‌است. اگر نحوه کار الکترومغناطیس‌ها را خوانده‌باشید، ممکن‌است تشخیص دهید که سلف یک آهنربای الکتریکی‌است.
اگر قرار بود سلف را از این مدار خارج کنید، چیزی که خواهید‌داشت یک چراغ قوه معمولی‌است. سوئیچ را می بندید و لامپ روشن میشود. با وجود سلف در مدار همانطور که نشان داده‌شده‌است، رفتار کاملاً متفاوت‌است.
همه چیز در مورد نمایشگر سون سگمنت
سلف معمولی
در ابتدایی ترین شکل خود، یک سلف چیزی بیش از سیم‌پیچی از سیم نیست که به دور یک هسته مرکزی پیچیده شده‌است. برای اکثر سیم‌پیچ ها، جریان (i) که از سیم‌پیچ عبور‌می‌کند، یک شار مغناطیسی (NΦ) در اطراف آن ایجاد میکند که متناسب با این جریان الکتریکی‌است.
یک سلف که چوک نیز نامیده میشود، یکی دیگر از اجزای الکتریکی غیرفعال‌است که از سیم‌پیچی سیمی تشکیل شده‌است که برای استفاده از این رابطه با القای یک میدان مغناطیسی در خود یا درون هسته‌اش در نتیجه جریانی که از سیم‌پیچ سیم می‌گذرد، طراحی شده‌است. تشکیل یک سیم‌پیچ سیم به یک سلف باعث ایجاد میدان مغناطیسی بسیار قوی تر از میدان مغناطیسی‌می‌شود که ، توسط یک سیم‌پیچ ساده سیم تولید‌می‌شود.
سلف‌ها با سیم محکمی پیچیده شده در اطراف یک هسته مرکزی جامد که می‌تواند یک میله استوانه ای مستقیم یا یک حلقه پیوسته باشد تا شار مغناطیسی خود را متمرکز کند.
نماد شماتیک یک سلف، سیم‌پیچ سیم‌است، بنابراین، سیم‌پیچ سیم را می‌توان سلف نیز نامید. سلف‌ها معمولاً بر اساس نوع هسته داخلی که به اطراف پیچیده‌می‌شوند طبقه‌بندی می‌شوند، به عنوان مثال، هسته توخالی (هوای آزاد)، هسته آهنی جامد یا هسته فریت نرم با انواع مختلف هسته که با افزودن خطوط موازی پیوسته یا نقطه چین در کنار آن متمایز می‌شوند.
جریان ، i که از یک سلف عبور میکند، شار مغناطیسی متناسب با آن تولید‌می‌کند. اما بر خلاف خازن که با تغییر ولتاژ در صفحات خود مخالف‌است، یک سلف با سرعت تغییر جریانی که از آن عبور میکند به دلیل ایجاد انرژی خودالقا شده در میدان مغناطیسی خود مخالف‌است.
سلف
به عبارت دیگر، سلف‌ها در برابر تغییرات جریان مقاومت می‌کنند یا مخالفت می‌کنند، اما به راحتی جریان DC حالت پایدار را عبور می‌دهند. این توانایی یک سلف برای مقاومت در برابر تغییرات جریان و همچنین به جریان، i با پیوند شار مغناطیسی آن، NΦ به عنوان یک ثابت تناسب، القایی نامیده‌می‌شود که نماد L با واحدهای هنری، (H) بعد از جوزف هنری دادهمیشود.
از آنجایی که هنری به تنهایی یک واحد نسبتاً بزرگ از اندوکتانس (ضریب القایی)است، برای سلف‌های کوچکتر از واحدهای فرعی هنری برای نشان دادن مقدار آن استفاده‌می‌شود.
پیشوندهای القایی
بنابراین برای نمایش واحدهای فرعی هنری به عنوان مثال استفاده می کنیم:
1mH = 1 mili-Henry – که برابر با یک هزارم (1/1000) هنری است.
100μH = 100 میکرو هانری – که برابر است با 100 میلیونیم (1/1,000,000) هانری.
سلف‌ها یا سیم‌پیچ ها در مدارهای الکتریکی بسیار رایج هستند و عوامل زیادی وجود دارند که اندوکتانس(ضریب القایی) سیم‌پیچ را تعیین می‌کنند مانند شکل سیم‌پیچ، تعداد دور سیم عایق، تعداد لایه های سیم، فاصله بین پیچ ها. ، نفوذپذیری مواد هسته، اندازه یا سطح مقطع هسته و غیره.
سلف
یک سیم‌پیچ سلف دارای یک ناحیه هسته مرکزی، (A) با تعداد دور سیم ثابت در واحد طول، (l) است. بنابراین اگر یک سیم‌پیچ N دور با مقداری شار مغناطیسی به هم متصل شود، آنگاه سیم‌پیچ یک اتصال شار NΦ دارد و هر جریانی که از سیم‌پیچ عبور کند، یک شار مغناطیسی القایی در جهت مخالف ایجاد میکند. جریان سپس طبق قانون فارادی، هر تغییری در این پیوند شار مغناطیسی، یک ولتاژ خود القایی را در سیم‌پیچ منفرد ایجاد میکند:
نمادها :
N تعداد چرخش است
A سطح مقطع بر حسب m2 است
Φ مقدار شار در وبر است
μ نفوذپذیری ماده هسته است
l طول سیم‌پیچ بر حسب متر است
di/dt نرخ تغییر جریان بر حسب آمپر بر ثانیه است
یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان، ولتاژی را القا میکند که متناسب با نرخ تغییر جریان تولید کننده آن است، با یک مقدار مثبت که نشان دهنده افزایش emf و یک مقدار منفی نشان دهنده کاهش emf است. معادله مربوط به این ولتاژ، جریان و اندوکتانس خود القا شده را می‌توان با جایگزینی μN2A / l با L که نشان دهنده ثابت تناسب به نام اندوکتانس سیم‌پیچ است، پیدا کرد.
رابطه بین شار در سلف و جریان عبوری از سلف به صورت زیر داده میشود:
NΦ = Li
از آنجایی که یک سلف از سیم‌پیچی از سیم رسانا تشکیل شده‌است، سپس معادله فوق را کاهش می‌دهد تا emf خود القا شده، که گاهی اوقات به آن emf عقب القا شده در سیم‌پیچ نیز می‌گویند:
Back emf توسط یک سلف تولید شده‌است:
emf پشتی یک سلف
جایی که: L خود القایی و di/dt نرخ تغییر جریان‌است.
سیم‌پیچ سلف
بنابراین از این معادله می‌توانیم بگوییم که “EMF خود القایی برابر‌است با اندوکتانس ضربدر نرخ تغییر جریان” و مداری که اندوکتانس آن یک هانری است، زمانی که جریان از مدار عبور میکند، یک ولتاژ یک ولت در مدار القا میشود. با سرعت یک آمپر در ثانیه تغییر می‌کنند .
یک نکته مهم در رابطه با معادله بالا قابل ذکر‌است. فقط EMF تولید شده در سرتاسر سلف را به تغییرات جریان مرتبط میکند زیرا اگر جریان سلف ثابت باشد و تغییری نداشته باشد مانند جریان DC در حالت ثابت، ولتاژ emf القایی صفر خواهد‌بود زیرا نرخ لحظه ای تغییر جریان‌است. صفر، di/dt = 0.
سلف
با جریان ثابت DC که از سلف عبور‌می‌کند و در نتیجه ولتاژ القایی در سراسر آن صفر‌است، سلف به عنوان یک اتصال کوتاه برابر با یک قطعه سیم یا حداقل یک مقاومت بسیار کم عمل‌می‌کند. به عبارت دیگر، مخالفت با جریان جریان ارائه‌‌شده توسط یک سلف بین مدارهای AC و DC بسیار متفاوت‌است.
ثابت زمانی یک سلف
اکنون می دانیم که جریان نمی‌تواند فوراً در یک سلف تغییر کند، زیرا برای وقوع این امر، جریان باید در زمان صفر مقدار محدودی تغییر کند که منجر به بی نهایت بودن نرخ تغییر جریان‌می‌شود، di/dt = ∞، ایجاد emf القایی بی نهایت و ولتاژ نامتناهی وجود ندارد. با این حال، اگر جریان عبوری از یک سلف به سرعت تغییر کند، مانند عملکرد یک کلید، ولتاژهای بالا را می‌توان در سراسر سیم‌پیچ سلف القا کرد.
اگر اکنون کلید را ببندیم (t = 0)، جریانی از مدار می گذرد و به آرامی به حداکثر مقدار خود با نرخی که توسط اندوکتانس سلف تعیین میشود افزایش می یابد. این نرخ جریانی که از سلف می گذرد در اندوکتانس سلف در هانری ضرب‌می‌شود، منجر به تولید مقدار ثابتی emf خود القا شده در سراسر سیم‌پیچ میشود که با معادله فارادی بالا، VL = -Ldi/dt تعیین‌می‌شود.
این emf خود القا‌شده در سراسر سیم‌پیچ سلف، (VL) با ولتاژ اعمال شده مبارزه میکند تا زمانی که جریان به حداکثر مقدار خود برسد و به یک وضعیت پایدار برسد.
سلف
جریانی که اکنون از طریق سیم‌پیچ می گذرد تنها با مقاومت DC یا “خالص” سیم‌پیچ سیم‌پیچ تعیین میشود زیرا مقدار راکتانس سیم‌پیچ به صفر کاهش یافته است زیرا نرخ تغییر‌جریان (di/dt) در یک سیم‌پیچ صفر‌است. وضعیت پایدار به عبارت دیگر، در یک سیم‌پیچ واقعی فقط سیم‌پیچ ها مقاومت DC وجود دارد تا با جریان جریان از طریق خود مخالفت کند.
به همین ترتیب، اگر کلید (S1) باز شود، جریانی که از سیم‌پیچ می گذرد شروع به کاهش میکند، اما سلف دوباره با این تغییر مبارزه میکند و سعی میکند با القای یک ولتاژ دیگر در جهت دیگر، جریان را در مقدار قبلی خود حفظ کند. شیب ریزش منفی و مرتبط با اندوکتانس(ضریب القایی) سیم‌پیچ مطابق شکل زیر خواهد بود.
جریان در یک سلف
اینکه چه مقدار ولتاژ القایی توسط سلف تولید میشود به نرخ تغییر‌جریان بستگی دارد. در آموزش ما در مورد القای الکترومغناطیسی، قانون لنز بیان کرد:
“جهت یک emf القایی به گونه ای است که همیشه با تغییری که باعث آن میشود مخالف است”. به عبارت دیگر، یک emf القایی همیشه با حرکت یا تغییری که در وهله اول emf القایی را شروع کرده است مخالفت میکند.
بنابراین با کاهش جریان، قطبیت ولتاژ به عنوان منبع و با افزایش جریان، قطبیت ولتاژ به عنوان بار عمل میکند. بنابراین برای نرخ یکسان تغییر‌جریان از طریق سیم‌پیچ، افزایش یا کاهش مقدار emf القایی یکسان خواهد‌بود.
سلف مثال شماره(1)
یک جریان مستقیم 4 آمپر در حالت ثابت از یک سیم‌پیچ برقی 0.5H عبور میکند. اگر سوئیچ مدار فوق به مدت 10 میلی‌ثانیه باز شود و جریان عبوری از سیم‌پیچ به صفر آمپر کاهش یابد، متوسط ولتاژ EMF برگشتی القا شده در سیم‌پیچ چقدر خواهد بود.
توان سلف
می دانیم که یک سلف در مدار با جریان جریان (i) از طریق آن مخالف است زیرا جریان این جریان یک emf را القا میکند که با آن مخالف است، قانون لنز. سپس کار باید توسط منبع باتری خارجی انجام شود تا جریان در برابر این emf القایی جریان یابد. توان لحظه‌ای مورد‌استفاده در وادار‌کردن جریان (i) در برابر این emf خود القا‌شده (VL) از بالا به صورت زیر دادهمیشود:
توان‌در یک مدار به صورت P = V*I دادهمیشود بنابراین:
توان جذب‌شده توسط یک سلف
یک سلف ایده‌آل مقاومت ندارد و فقط اندوکتانس(ضریب القایی) دارد بنابراین R = 0 Ω و بنابراین هیچ توانی در داخل سیم‌پیچ تلف نمیشود، بنابراین می‌توان گفت که یک سلف ایده‌آل تلفات توانش صفر‌است.
انرژی در سلف
هنگامی که نیرو به یک سلف جریان می یابد، انرژی در میدان مغناطیسی آن ذخیره میشود. هنگامی که جریان عبوری از سلف در حال افزایش‌است و di/dt بزرگتر از صفر میشود، توان لحظه ای در مدار نیز باید بزرگتر از صفر باشد (P > 0) یعنی مثبت که به این معنی‌است که انرژی در سلف ذخیره میشود.
به همین ترتیب، اگر جریان عبوری از سلف در حال کاهش باشد و di/dt کمتر از صفر باشد، توان لحظه‌ای نیز باید کمتر از صفر باشد، (P <0) یعنی منفی که به این معنی‌است که سلف انرژی را به مدار برمی‌گرداند. سپس با ادغام معادله توان بالا، کل انرژی مغناطیسی که همیشه مثبت‌است و در سلف ذخیره‌می‌شود، به صورت زیر دادهمیشود:
انرژی ذخیره‌شده توسط یک سلف
جایی که: W بر حسب ژول، L در هنری و i بر حسب آمپراست
انرژی در واقع در میدان مغناطیسی که سلف را با جریانی که از طریق آن می گذرد، احاطه میکند، ذخیره میشود.
در یک سلف ایده‌آل که هیچ مقاومت یا ظرفیتی وجود ندارد، با افزایش جریان، انرژی به درون سلف جریان می‌یابد
و در میدان مغناطیسی آن بدون تلفات ذخیره میشود، تا زمانی که جریان کاهش نیابد و میدان مغناطیسی فرو بریزد، آزاد نمیشود.
سپس در یک جریان متناوب، مدار AC یک سلف دائماً انرژی را در هر سیکل ذخیره و تحویل می‌دهد.
اگر جریان عبوری از سلف مانند مدار DC ثابت باشد، در انرژی ذخیره‌شده تغییری به صورت P = Li(di/dt) = 0 وجود ندارد.
سلف
بنابراین سلف‌ها را می‌توان به عنوان اجزای غیرفعال تعریف کرد زیرا هم می‌توانند انرژی را ذخیره کرده و هم به مدار برسانند، اما نمی‌توانند انرژی تولید کنند.
یک سلف ایده‌آل به عنوان تلفات کمتر طبقه‌بندی‌می‌شود، به این معنی که می‌تواند انرژی را به طور نامحدود ذخیره کند زیرا هیچ انرژی از دست نمی‌رود.
با این حال، سلف‌های واقعی همیشه مقداری مقاومت مرتبط با سیم‌پیچ‌های سیم‌پیچ را خواهند داشت
و هر زمان که جریان از طریق یک مقاومت جریان می‌یابد، انرژی به شکل گرما به دلیل قانون اهم از دست می‌رود، (P = I2 R) صرف نظر از اینکه جریان متناوب‌است یا نه. مقدار ثابت.
سپس استفاده اولیه از سلف‌ها در فیلتر کردن مدارها، مدارهای تشدید و برای محدود کردن جریان‌است.
یک سلف را می‌توان در مدارها برای مسدود کردن یا تغییر‌شکل جریان متناوب یا طیفی از فرکانس‌های سینوسی استفاده‌کرد
و در این نقش می‌توان از یک سلف برای “تنظیم” یک گیرنده رادیویی ساده یا انواع مختلف نوسانگرها استفاده کرد.
همچنین می‌تواند از تجهیزات حساس در برابر افزایش ولتاژ مخرب و جریان های هجومی بالا محافظت کند.