سلف چیست؟ تعریف سلف و فرمول Inductor

سلف ها مانند هادی ها و مقاومت ها اجزای ساده ای هستند که در وسیله های الکتریکی برای انجام کارهای خاص استفاده می شوند. معمولاً، سلف ها ساختار هایی شبیه سیم پیچ هستند که در مدار های الکتریکی وجود دارند. سیم پیچ ساخته شده از یک سیم عایق است که به دور هسته مرکزی پیچیده می شود.

از سلف ها بیشتر برای کاهش یا کنترل ولتاژ های گذاری الکتریکی استفاده می شود که انرژی را به طور موقت در یک میدان الکترومغناطیسی ذخیره می کنند و سپس آن را دوباره به مدار باز می گردانند. پیشنهاد میکنم آموزش ساخت سلف را نیز مشاهده کنید.

سلف چیست؟

سلف یک جزء پسیو است که در بیشتر مدارهای الکتریکی قدرت برای ذخیره انرژی به شکل انرژی مغناطیسی هنگامی که الکتریسیته به آن اعمال می شود، استفاده می شود. یکی از خصوصیات اصلی یک سلف این است که مانع هرگونه تغییری در مقدار جریان عبوری از آن می شود. هر زمان که جریان در عرض سلف تغییر کند یا شارژ می شود یا شارژ را از دست می دهد تا جریان عبوری از آن برابر شود. سلف را چوک، راکتور یا فقط سیم پیچ نیز می نامند.

یک سلف به واسطه ماهیت متمایز آن، که به عنوان نسبت ولتاژ به سرعت تغییر جریان تعریف می شود، توصیف می شود. القا نتیجه میدان مغناطیسی القایی روی سیم پیچ است. همچنین توسط عوامل مختلفی تعیین می شود مانند:

• شکل سیم پیچ
• تعداد دور ها و لایه های سیم
• فضایی که بین دور ها داده می شود
• نفوذ پذیری ماده اصلی
• اندازه هسته

واحد سلف S.I هنری است (H) و وقتی مدار های مغناطیسی را اندازه می گیریم معادل وبر / آمپر است. با نماد L نشان داده می شود. از آن جایی ک هنری واحد نسبتا بزرگی برای اندوکتانس است، از زیر واحدهای آن مثل  میلی هنری، میکرو هنری، یا  نانو هنری برای بیان اندوکتانس استفاده می شود.

سلف یکی از المان های اصلی پسیو در الکترونیک است. المان های پسیو اصلی  مقاومت، خازن‌ها و سلف هستند. سلف و خازن عناصر مرتبطی هستند چون هر دو از میدان الکتریکی برای ذخیره انرژی استفاده می‌کنند و جزء المان های پسیو دو پایه هستند. اما در ویژگی‌های ساختاری، محدودیت‌ها و کاربردها تفاوت دارند.

یک سلف کاملاً متفاوت از یک خازن است. خازن، انرژی را به صورت انرژی الکتریکی ذخیره می کند اما همانطور که در بالا گفته شد، یک سلف انرژی را به صورت انرژی مغناطیسی ذخیره می کند. یکی از ویژگی های اصلی سلف این است که در هنگام تخلیه قطب آن را نیز تغییر می کند. به این ترتیب می توان قطبیت هنگام تخلیه را برخلاف قطب حین شارژ ساخت. قطبیت ولتاژ القایی توسط قانون لنز به خوبی توضیح داده شده است.

نماد های یک سلف در زیر آورده شده است، نماد مداری یک پیچه از سیم است. بنابراین، می توان یک پیچه از سیم را یک القاگر یا سلف دانست.

تفاوت زیادی بین سلف های ایده ال و واقعی،  که در مدارهای الکتریکی استفاده می شوند، وجود دارد. سلف واقعی ترکیبی از مقداری خود القایی، خاصیت خازنی و مقاومت اهمی است.

بین هردو حلقه ی مجاور هم اثری مانند یک خازن ایجاد می شود به این خازن ها، خازن های پارازیتی گفته می شود. این خازن مثل مقاومت سیم پیچی باعث تغییر در سلف فرکانس بالا می شود.

ساختار یک سیم پیچ

در حالت کلی، سلف استاندارد از یک سیم پیچی مسی محکم به دور یک هسته مرکزی جامد ساخته می شود. شکل زیر، یک سلف دوپایه پسیو است که از پیچاندن سیم مسی حول هسته مرکزی تشکیل شده است.

وقتی جریان الکتریکی از یک سیم رسانا عبور کند، یک میدان مغناطیسی اطراف آن تشکیل می شود و نیروی محرکه الکتریکی (EMF) تولید شده متناسب با تغییرات شار پیوندی مغناطیسی Nɸ است.

معادله اندوکتانس پیچه را می توان به صورت زیر بازنویسی کرد:

µN2A / L

• N تعداد دور ها
• مساحت سطح مقطع هستهA
• L طول پیچه
• µ نفوذ پذیری ماده هسته

ولتاژ ضد محرکه الکتریکی (back EMF) القایی:

Vemf(L) = -L (di / dt)

که در آن L اندوکتانس خودی، و di/dt نرخ تغییر جریان است.

ولتاژ القایی در خلاف جهت منبع جریان خواهد بود.

امروزه، برای اندازه گیری اندوکتانس سیم پیچ از اندوکتانس مترهای موجود در فروشگاه ها استفاده می شود.

طرز کار سلف

قبل از بررسی بیشتر، درک تفاوت بین میدان مغناطیسی و شار مغناطیسی اهمیت دارد.

وقتی جریان الکتریکی از یک رسانا عبور کند، میدان مغناطیسی تولید می‌شود. این دو تناسب خطی دارند یعنی، اگر جریان افزایش یابد، میدان مغناطیسی نیز افزایش می‌یابد. میدان مغناطیسی در سیستم یکایی si با تسلا (T) اندازه‌گیری می‌شود. حال، شار مغناطیسی چیست؟ سطحی مشخص در محل میدان مغناطیسی که خطوط میدان گذرنده از آن به عنوان شار مغناطیسی تعریف می شود. واحد شار مغناطیسی در سیستم استاندارد si، وبر است.

تا اینجا، یک میدان مغناطیسی در سلف وجود دارد که توسط جریان گذرنده از آن تولید می‌شود.

در ادامه، درک مفهموم قانون القای فارادی لازم است. براساس قانون القای فارادی، هر تغییری در شار مغناطیسی یک ولتاژ خود القایی (EMF) تولید می کند.

VL = N (dΦ / dt)

• تعداد دور ها N
• مقدار شار Φ

انواع مختلف سلف

با استفاده از سیم‌های مسی عایق، به عنوان یک سیم‌پیچ تشکیل می‌شود. سلف ها در شکل‌ و اندازه‌های متفاوت و همچنین براساس نوع هسته داخلی که به دور آن سیم پیچانده شده است، دسته بندی می شوند.

بسته به نوع ماده مورد استفاده سلف ها را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

1. سلف هسته آهن
2. سلف هسته هوا
3. سلف پودر آهن
4. سلف هسته فریت که تقسیم می شود به فریت نرم و فریت سخت

سلف هسته آهن

همانطور که از نام آن پیداست هسته این نوع سلف ها از آهن ساخته شده است. این سلف ها سلف های فضای کم هستند که دارای قدرت بالا و مقدار القا زیاد هستند. با این حال، آن ها در ظرفیت فرکانس بالا محدود هستند. از این سلف ها در تجهیزات صوتی استفاده می شود.

سلف هسته هوا

این سلف ها زمانی استفاده می شوند که مقدار اندوکتانس مورد نیاز کم باشد. چون هسته ای وجود ندارد تلفاتی هم وجود ندارد. اما تعداد دور هایی که این نوع سلف باید داشته باشد در مقایسه با سلف های دارای هسته بیشتر است. این منجر به یک عامل با کیفیت بالا می شود. معمولاً از سلف های سرامیکی به عنوان سلف های هسته هوا شناخته می شوند.

سلف پودر آهن

در هسته این نوع سلف، اکسید آهن وجود دارد. آنها توسط ذرات بسیار ریز و عایق پودر آهن خالص تشکیل می شوند. شار مغناطیسی بالا به دلیل وجود شکاف هوا می تواند در آن ذخیره شود. نفوذ پذیری هسته این نوع سلف ها بسیار کمتر است. آن ها معمولاً زیر 100 هستند. آن ها اکثرا در تعویض منبع تغذیه استفاده می شوند.

سلف هسته فریت

در این نوع سلف ها، از مواد فریت به عنوان هسته استفاده می شود. ترکیب کلی فریت ها XFe2O4 است. جایی که X نشان دهنده مواد انتقالی است. فریت ها را می توان به دو نوع تقسیم کرد. فریت نرم و فریت سخت.

فریت نرم: موادی که قطبیت خود را بدون هیچ گونه انرژی خارجی معکوس می کنند.
فریت سخت: این ها آهن ربا دائمی هستند. این همان قطبی است که حتی با حذف میدان مغناطیسی تغییر نخواهد کرد.

چرا سلف AC را سریع تر از DC متوقف می‌کند؟

طبق قانون لنز، جهت جریان القایی در یک رسانا به گونه ای است که میدان مغناطیسی حاصل از آن (میدان مغناطیسی جریان القایی)، با میدان معناطیسی اولیه (میدان مغناطیسی تولید کننده جریان القایی) مخالفت کند. از این رو مفهموم قانون لنز جالب توجه است.

بنابراین، دو نوع عملکرد داریم: یکی برای اعمال جریان DC به سلف و دیگری برای AC .

وقتی جریان متناوب از سلف عبور می کند،  جریان متناوب باعث تغییر جریان میشود. این جریان با افزایش واکنش پذیری(reactance) در مقابل سل

ف قرار می گیرد. هرچه فرکانس ac بالاتر ، نرخ تغییر جریان بیشتر و اثر بلاکینگ بیشتر از سلف است. اما، هنگام عبور جریان dc از مدار سلف مثل یک اتصال کوتاه عمل می کند. در جریان dc حالت ماندگار، نرخ تغییرات جریان صفر است درنتیجه di/dt صفر می شود. بنابراین، ولتاژی القا نشده و سلف مانع عبور جریان نمی شود.

وقتی جریان dc از سلف عبور کند چه اتفاقی می افتد؟ با توجه به شکل زیر:

در مدار ولتاژ اعمال شده به سلف، از یک سوئیچ استفاده شده است. این سوئیچ می تواند ترانزیستور، ماسفت یا هر نوع سوئیچی که بتواند منبع ولتاژ سلف را تامین کند.

دو وضعیت مداری داریم.

اگر کلید باز شود، هیچ جریانی از سیم پیچ عبور نمی کند بنابراین، نرخ تغییرات جریان و ولتاژ القایی صفر خواهد بود.

وقتی کلید بسته شود، جریان در مدار برقرار می شود و به آرامی افزایش می یابد تا جایی که به ماکزیمم حالت ماندگار برسد. نرخ تغییر جریان گذرنده از سلف به مقدار اندوکتانس بستگی دارد. طبق قانون فارادی، تا زمانی که جریان dc به حالت ماندگار برسد، نیروی ضد محرکه در سلف تولید می شود.

در حالت ماندگار، تغییری در جریان عبوری از سیم پیچ نداریم و جریان به راحتی از سلف عبور می کند.

در این حالت، سلف ایده ال مثل اتصال کوتاه عمل کرده و مقاومتی ندارد. اما، در حالت عملیاتی جریان از سیم پیچی عبور می کند و سیم پیچ نیز دارای مقاومت و اثر خازنی می باشد.

از طرف دیگر وقتی سوییچ دوباره بسته ‌شود، جریان سیم‌پیچ به سرعت کاهش می یابد و تغییرات جریان منجر به تولید emf می‌شود.

تعریف کاربرد سلف

• از سلف در گستره وسیعی از کاربرد استفاده می‌شود
• در کاربردهای مربوط به rf
•  منابع تغذیه و SMPS
• ترانسفورماتور
• محافظ موجی می‌تواند جریان هجومی را محدود کند
• داخل رله‌های مکانیکی و …

سلف در اکثر محصولات الکترونیکی و برخی از نرم افزار ها مانند زیر وجود دارد.

• آشکار سازهای فلزی
• آشکار سازهای آردوینو
• فرستنده رادیویی اف ام
• اسیلاتور

از سلف ها می توان برای دو عملکرد اصلی استفاده کرد.

1. برای کنترل سیگنال ها
2. برای ذخیره انرژی

کنترل سیگنال ها:

از سیم پیچ های یک سلف می توان برای ذخیره انرژی استفاده کرد. عملکرد سلف به فرکانس جریان عبوری از آن بستگی دارد. یعنی برای سیگنال های با فرکانس بالاتر به راحتی کمتر منتقل می شود و بالعکس. این تابع می گوید که جریان AC را مسدود کرده و جریان DC را عبور می دهد. از این رو، می توان از آن برای جلوگیری از سیگنال های AC استفاده کرد.

می توان از سلف به همراه خازن برای تشکیل فیلترهای LC استفاده کرد.

ذخیره انرژی:

سلف، انرژی را به صورت انرژی مغناطیسی ذخیره می کند. سیم پیچ ها می توانند انرژی الکتریکی را به شکل انرژی مغناطیسی با استفاده از این خاصیت که جریان الکتریکی از یک سیم پیچ عبور می کند، یک میدان مغناطیسی تولید می کند، ذخیره کند و در نتیجه جریان الکتریکی تولید می شود. به عبارت دیگر، سیم پیچ ها ابزاری را برای ذخیره انرژی بر اساس هدایت دی الکتریک ارائه می دهند.

جریان و ولتاژ در سیم پیچ ها

نمودار بالا وضعیت سوییچ، جریان سلف و ولتاژ القاشده در زمان ثابت را نشان می‌دهد.

توان در سلف با استفاده از قانون اهم محاسبه می شود که در آن p = ولتاژ x جریان. بنابراین، ولتاژ  –L (di / dt) و جریان i است. بنابراین، توان در سلف با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

PL = L (di / dt) i

اما درحالت ماندگار، سلف واقعی مثل یک مقاومت عمل می‌کند. بنابراین توان را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:

P = V2R

همچنین امکان محاسبه انرژی ذخیره‌شده در سلف وجود دارد. انرژی در میدان مغناطیسی سلف ذخیره می‌ شود. انرژی ذخیره‌شده در سلف را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

W(t) = Li2(t) / 2

سلف ها از لحاظ ساختار و اندازه انواع مختلفی دارند از نظر ساختاری هسته خالی (هوا)،  هسته فریت، هسته آهن و … و شکل هسته می تواند استوانه ای، چوک، ترانسفورماتور و … باشد.

سلف های موازی

اگر دو ترمینال یک سلف به دو ترمینال یک سلف دیگر متصل شود، گفته می شود که سلف ها موازی هستند. می دانیم که وقتی مقاومت ها به طور موازی به هم متصل می شوند، مقاومت موثر آن ها کاهش می یابد. به همین ترتیب، وقتی سلف ها به صورت موازی به هم متصل می شوند، از مقدار موثر آن ها کاسته می شود. سلف های موازی تا حدودی شبیه خازن های سری هستند.

مثال زیر را در نظر بگیرید:

در اینجا، جریان عبوری از هر سلف متفاوت خواهد بود. این جریان به مقدار سلف بستگی دارد. با این حال، ولتاژ هر رسانا یکسان خواهد بود. با استفاده از قانون جریان کیرشهف، جریان کل برابر با مجموع جریان عبوری از هر شاخه است. به این معنا که:

I = I1 + I2 + I3

می دانیم که ولتاژ یک سلف توسط معادله زیر داده می شود:

V = L di / dt

ما میتوانیم بنویسیم،

VAB = L  x dit / dt

VAB = L  x d (I1 + I2 + I3) / dt

در ادامه می توانیم آن را به صورت زیر بنویسیم

VAB = L x dl1 / dt + L x dl2 / dt + Lx dl3 / dt

به این معنا که

(VAB = L (V / L1 + V / L2 + V / L3

از آنجا که ولتاژ برای همه یکسان است، می توانیم معادله را ساده کنیم:

1 / L = 1 / L1 + 1 / L2 + 1 / L3

سلف های سری

هنگامی که سلف ها در یک مسیر مستقیم به هم متصل می شوند، گفته می شود که سلف ها در اتصال سری هستند. ما می دانیم که وقتی مقاومت ها به صورت سری متصل می شوند، مقاومت موثر آن ها افزایش می یابد.

به همین ترتیب، وقتی سلف ها به صورت سری متصل می شوند، مقدار موثر آن ها افزایش می یابد. سلف های سری تا حدودی شبیه خازن های موازی هستند. بدست آوردن مقدار کل، بسیار آسان است. فقط باید مقدار سلف ها را باهم جمع کنیم. این برای زمانی است که سلف ها به صورت سری متصل می شوند، مقدار کل سلف، مجموع مقدار سلف ها است.

اتصال زیر را در نظر بگیرید:

در اینجا سه سلف، و به طور سری به هم متصل شده اند. در این حالت، جریان عبوری از هر سلف یکسان است در حالی که ولتاژ روی هر سلف متفاوت است. این ولتاژ به مقدار سلف بستگی دارد. با استفاده از قانون ولتاژ کیرشهف افت ولتاژ کل برابر با جمع افت ولتاژ در هر سلف است. به این معنا که:

VT = V1 + V2 + V3

می دانیم که ولتاژ یک سلف توسط معادله زیر داده می شود:

V = L di / dt

بنابراین در اینجا می توانیم بنویسیم؛

L dl / dt = L1 x dl1 / dt + L2 x dl2 / dt + L3 x dl3 / dt

ولی

I = I1 = I2 = I3

از این رو،

L dl / dt = L1 x dl / dt + L2 x dl / dt + L3 x dl / dt

L = L1 + L2 + L3

فرمول انرژی ذخیره شده در یک سلف

هنگامی که جریان از یک سلف عبور می کند، یک EMF در آن القا می شود. این EMF مخالف جریان جاری شده از طریق سلف است. بنابراین برای ایجاد جریان در سلف باید در برابر این EMF توسط منبع ولتاژ کار انجام شود.

یک فاصله زمانی dt را در نظر بگیرید.

در این دوره، کار انجام شده dW توسط رابطه زیر بدست می آید:

dW = Pdt = – Eidt = iL di / dt x dt = Lidi

برای پیدا کردن کل کار انجام شده، عبارت فوق باید یکپارچه شود.

W = 0∫I

Lidi = ½ LI^2

بنابراین انرژی ذخیره شده در یک سلف با معادله داده می شود؛

W = ½ LI^2

فرمول امپدانس سلف

مقاومت جریان متناوب (ac) در اکثر موارد مخالف جریان عبوری از یک سیم پیچ است. این مقاومت AC معمولاً به عنوان امپدانس شناخته می شود. در این بخش، از آنجا که ما در حال صحبت در مورد مخالفت های ارائه شده توسط سلف هستیم، می توان از این مورد به عنوان راکتانس القایی نام برد. راکتانس القایی که به آن نماد XL داده می شود، ویژگی موجود در یک مدار AC است که با تغییر جریان مخالف است.

معادله داده شده به صورت زیر است:

XL = VL / IL = Lω

از این معادله مشخص می شود که راکتانس القایی متناسب با فرکانس است.

نمودار فرکانس و راکتانس در زیر آورده شده است:

سلف چیست؟

سلف المانی دو پایه است که انرژی را در میدان‌های مغناطیسی خود ذخیره می‌کند و به آن سیم پیچ نیز گفته می شود. سلف در برابر هرگونه تغییر جریان الکتریکی گذرنده مقاومت می کند.

چه عواملی بر سلف تاثیر دارد؟

عوامل زیادی مانند تعداد دور، فاصله بین دورها، تعداد لایه‌های سیم، نوع هسته، نفوذپذیری مغناطیسی، اندازه و شکل در تعیین مقدار اندوکتانس سلف ها تاثیر دارند.

مقدار سلف چگونه مشخص میشود؟

سلف با مقدار اندوکتانس مشخص می‌شود که نسبت ولتاژ (emf) به تغییر جریان گذرنده از سیم‌پیچ است. یکای اندوکتانس هانری است. اگر جریان عبوری از سلف با سرعت یک آمپر بر ثانیه تغییر کند و ولتاژ القایی به اندازه یک ولت در داخل سیم‌پیچ تولید شود، آنگاه مقدار اندوکتانس 1هانری می باشد.