Acoblament inductor

En un tutorial anterior, vam començar amb Understanding a Inductor and It's Working, ara toca explorar les diferents combinacions d’inductors. En electrònica, els inductors són els components més utilitzats després dels condensadors i resistències, que s’utilitzen en diferents combinacions per a diferents aplicacions. També hem utilitzat inductors per construir detectors de metalls i hem mesurat el valor de l’inductor mitjançant diferents tècniques, tots els enllaços es donen a continuació:

• Mesurador LC mitjançant Arduino: mesurant la inductància i la freqüència
• Com es mesura el valor de l’inductor o del condensador mitjançant l’oscil·loscopi
• Circuit senzill de detector de metalls
• Detector de metalls Arduino

Què són els circuits acoblats?

Les combinacions de components s’uneixen per crear circuits acoblats. El significat del circuit acoblat és que la transferència d’energia es produeix d’un a l’altre quan s’alimenta qualsevol dels circuits. Els components principals del circuit electrònic s’acoblen conductivament o electromagnèticament.

No obstant això, en aquest tutorial, es parlarà de l'acoblament electromagnètic i la combinació d'inductors, com ara inductors en sèrie o combinacions paral·leles.

Inductància mútua

A l’article anterior, vam discutir l’autoinductància d’un inductor i el seu paràmetre. Durant l'operació relacionada amb l'autoinductància, no es va produir cap inductància mútua.

Quan es produeix la velocitat de canvi de corrent, s’indueix una tensió a l’interior d’una bobina. Què es pot demostrar més utilitzant la fórmula següent on,

V (t) és la tensió induïda a l'interior de la bobina, i És el corrent que circula per la bobina i la inductància de la bobina és L.

V (t) = L {di (t) / dt}

La condició anterior només és certa per a l'element de circuit relacionat amb l'autoinductància on hi ha dos terminals. En aquest cas, no es pren cap inductància mútua en l'ordre.

Ara, en el mateix escenari, si hi ha dues bobines situades a una distància propera, es produirà l'acoblament inductiu.

A la imatge anterior es mostren dues bobines. Aquestes dues bobines estan molt a prop l’una de l’altra. A causa del corrent i1 que flueix a través de la bobina L1, s'indueix un flux magnètic que es transferirà a l'altra bobina L2.

A la imatge anterior, el mateix circuit està ara ben embolicat en un material central perquè les bobines no puguin moure’s. Com que el material és un nucli magnètic, té permeabilitat. Les dues bobines separades estan ara acoblades magnèticament. Ara bé, curiosament, si una de les bobines s’enfronta a la velocitat de canvi de corrent, l’altra bobina induirà una tensió directament proporcional a la velocitat de canvi de corrent de l’altra bobina.

Per tant, quan s’aplica una font de tensió V1 a la bobina L1, el corrent i1 començarà a fluir per la L1. La velocitat de canvi de corrent produeix un flux que flueix a través del nucli magnètic i produeix una tensió a la bobina L2. La taxa de canvi de corrent a L1 també canvia el flux que pot manipular encara més la tensió induïda a L2.

La tensió induïda a la L2 es pot calcular amb la fórmula següent:

V ₂ = M {di ₁ (t) / dt}

A l'equació anterior, hi ha una entitat desconeguda. És a dir M. Això es deu al fet que les inductàncies mútues són responsables de la tensió mútua induïda en dos circuits independents. Aquesta M, inductància mútua, és el coeficient de proporcionalitat.

El mateix per a la primera bobina L1, la tensió induïda mútuament a causa de la inductància mútua per a la primera bobina pot ser:

V ₂ = M {di ₂ (t) / dt}

Igual que la inductància, la inductància mútua també es mesura a Henry. El valor màxim de la inductància mútua pot ser √L ₁ L ₂. Com que la inductància indueix tensió amb la taxa de canvi de corrent, la inductància mútua també indueix una tensió, que es denomina tensió mútua M (di / dt). Aquest voltatge mutu pot ser positiu o negatiu, cosa que és altament fiable en la construcció física de la bobina i en la direcció del corrent.

Convenció DOT

La Convenció de Dot és una eina essencial per determinar la polaritat del voltatge induït mútuament. Com el seu nom indica, la marca de punts que té una forma circular és un símbol especial que s’utilitza al final de dues bobines en circuits acoblats mútuament. Aquest punt també proporciona la informació de la construcció de bobinatge al voltant del seu nucli magnètic.

En el circuit anterior, es mostren dos inductors acoblats mútuament. Aquests dos inductors tenen autoinductàncies de L1 i L2.

Les tensions V1 i V2 que es desenvolupen a través dels inductors són el resultat de l’entrada de corrent als inductors dels terminals de punts. Suposant que la inductància mútua d’aquests dos inductors és M, la tensió induïda es pot calcular mitjançant la fórmula següent,

Per al primer inductor L1, la tensió induïda serà -

V ₁ = L ₁ (di ₁ / dt) ± M (di ₂ / dt)

La mateixa fórmula es pot utilitzar per calcular la tensió induïda del segon inductor, V ₂ = L ₂ (di ₂ / dt) ± M (di ₁ / dt)

Per tant, el circuit conté dos tipus de tensió induïda, la tensió induïda per autoinductància i la tensió mútua induïda per la inductància mútua. La tensió induïda en funció de l’autoinductància es calcula mitjançant la fórmula V = L (di / dt) que és positiva, però la tensió induïda mútuament pot ser negativa o positiva en funció de la construcció del bobinat i del flux de corrent. L’ús del punt és un paràmetre important per determinar la polaritat d’aquest voltatge induït mútuament.

En un circuit acoblat on dos terminals pertanyen a dues bobines diferents i estan marcats de manera idèntica amb punts, llavors, per a la mateixa direcció del corrent que és similar als terminals similars, el flux magnètic d’auto i la inducció mútua en cada bobina se sumaran.

Coeficient d'acoblament

El coeficient d'acoblament inductor és un paràmetre important per als circuits acoblats per determinar la quantitat d'acoblament entre les bobines acoblades inductivament. El coeficient d'acoblament s'expressa amb la lletra K.

La fórmula del coeficient d’acoblament és K = M / √L ₁ + L ₂ on L1 és l’autoinductància de la primera bobina i la L2 és l’autoinductància de la segona bobina.

Dos circuits acoblats inductivament estan units mitjançant el flux magnètic. Si tot el flux d’un inductor està acoblat o enllaçat, l’altre inductor s’anomena acoblament perfecte. Durant aquesta situació, la K es pot expressar com 1, que és la forma curta d'un acoblament al 100%. El coeficient d'acoblament serà sempre inferior a la unitat i el valor màxim del coeficient d'acoblament pot ser d'1 o 100%.

La inductància mútua és molt fiable en funció del coeficient d'acoblament entre els dos circuits de bobina acoblats inductivament. Si el coeficient d’acoblament és més elevat, la inductància mútua serà més elevada, a l’altra banda, si el coeficient d’acoblament és inferior, la qual cosa disminuirà molt la inductància mútua del circuit d’acoblament. El coeficient d'acoblament no pot ser un nombre negatiu i no té dependències en la direcció del corrent a l'interior de les bobines. El coeficient d'acoblament depèn dels materials bàsics. En els materials amb nucli de ferro o ferrita, el coeficient d’acoblament pot ser molt elevat, com ara 0,99, i per al nucli d’aire pot arribar a ser de 0,4 a 0,8 en funció de l’espai entre les dues bobines.

Inductor en combinació de sèries

Els inductors es poden afegir en sèrie. Hi ha dues maneres de connectar els inductors en sèrie, mitjançant el mètode d’ ajuda o mitjançant el mètode d’ oposició.

A la imatge anterior es mostren dos tipus de connexions en sèrie. Per al primer del costat esquerre, els inductors es connecten en sèrie mitjançant el mètode d’ajuda. En aquest mètode, el corrent que circula pels dos inductors es troba en la mateixa direcció. A mesura que el corrent flueix en la mateixa direcció, els fluxos magnètics d’autoinducció i d’inducció mútua acabaran enllaçant entre ells i sumant-se.

Per tant, la inductància total es pot calcular mitjançant la fórmula següent:

L _eq = L ₁ + L ₂ + 2M

On, L _eq és la inductància equivalent total i M és la inductància mútua.

Per a la imatge correcta, es mostra la connexió d’oposició. En aquest cas, el flux de corrent a través dels inductors es troba en la direcció oposada. Per tant, la inductància total es pot calcular mitjançant la fórmula següent, L _eq = L ₁ + L ₂ - 2M

On, L _eq és la inductància equivalent total i M és la inductància mútua.

Inductors en combinació paral·lela

Igual que la combinació d’inductors en sèrie, la combinació paral·lela de dos inductors pot ser de dos tipus, mitjançant el mètode d’ajuda i mitjançant el mètode d’oposició.

Per al mètode d’ajuda, tal com es veu a la imatge esquerra, la convenció de punts mostra clarament que el flux de corrent a través dels inductors es troba en la mateixa direcció. Per calcular la inductància total, la fórmula següent pot ser molt útil. En aquest cas, el camp electromagnètic auto-induït en dues bobines permet l’emf induït mútuament.

L _eq = (L ₁ L ₂ - M ²) / (L ₁ + L ₂ + 2M)

Per al mètode d’oposició, els inductors estan connectats en paral·lel amb la direcció oposada. En aquest cas, la inductància mútua crea un voltatge que s’oposa a la CEM autoinduïda. La inductància equivalent del circuit paral·lel es pot calcular mitjançant la fórmula següent:

L _eq = (L ₁ L ₂ - M ²) / (L ₁ + L ₂ + 2M)

Aplicacions de l’inductor

Un dels millors usos d’inductors acoblats és la creació de transformadors. Un transformador utilitza inductors acoblats envoltats de nucli de ferro o ferrita. Un transformador ideal té pèrdues zero i coeficients d’acoblament al cent per cent. A part del transformador, els inductors acoblats també s'utilitzen en sèptics o convertidors flyback. Aquesta és una opció excel·lent per aïllar l’entrada primària amb la sortida secundària de la font d’alimentació mitjançant l’ús de l’ inductor o transformadors acoblats.

A part d'això, els inductors acoblats també s'utilitzen per crear un circuit sintonitzat simple o doble en un circuit de transmissió o recepció de ràdio