سلف (القاگر) چیست؟ فن سرا سرای دانش وهنر

سلف، که با نام های القاگر، سیم پیچ یا راکتور (inductor) نیز شناخته می شود، یک وسیله الکتریکی پسیو (معمولا یک سیم پیچ رسانا) است که اندوکتانس را به مدار الکتریکی وارد می کند. اساساً یک سلف دارای سیم پیچی زیاد است که اغلب به دور هسته ای ساخته شده از مواد مغناطیسی مانند آهن پیچیده می شود و برای بهره بردن از مزیت ارتباط بین آهنربا و الکتریسیته که نتیجه عبور جریان الکتریکی از سیم پیچ است، طراحی شده است.

در صورتی که جریان الکتریکی از این سیم پیچ عبور کند، میدان مغناطیسی در اطراف آن ایجاد می کند. قدرت میدان مغناطیسی ناشی از جریان الکتریکی در اطراف هسته مرکزی به نوع ماده هسته، تعداد سیم پیچ ها و سطح مقطع و طول سیم پیچ بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر هسته مرکزی نیز مغناطیسی باشد، میدان مغناطیسی اطراف کویل بسیار قوی تر خواهد بود. کویل ها جزء بسیار مهمی در مدارهای الکترونیکی هستند؛ زیرا می توانند در برابر تغییرات جریان در مدار مقاومت یا مخالفت کنند.

هنگامی که یک جریان الکتریکی از طریق یک سیم رسانا جریان می یابد، یک شار مغناطیسی در اطراف آن رسانا ایجاد می شود. این تأثیر، باعث ایجاد رابطه ای بین جهت شار مغناطیسی که در اطراف رسانا جریان می یابد و همچنین جهت جریان که در همان رسانا جریان می یابد، می‌شود.

یک سلف که به آن چوک نیز گفته می شود، یکی دیگر از اجزای الکتریکی نوع منفعل است که از یک سیم پیچ سیم تشکیل شده که برای بهره بردن از مزیت این رابطه توسط القاء میدان مغناطیسی در خود یا درون هسته اش به عنوان نتیجه شارش جریان درسیم پیچ سیم، طراحی شده است. تشکیل سیم پیچ سیم در داخل یک سلف منجر به میدان مغناطیسی بسیار قوی تری نسبت به نمونه ای که توسط یک سیم پیچ سیم ساده تولید خواهد شد، می شود.

سلف ها از پیچانده شدن یک سیم محکم در اطراف یک هسته مرکزی خشک تشکیل شده اند که می‌تواند یک میله استوانه ای مستقیم یا یک حلقه مداوم یا حلقه برای تمرکز شار مغناطیسی آنها باشد.

نماد و واحد اندازه گیری سلف

نماد شماتیک برای یک سلف، سیم پیچیده شده است. بنابراین، یک سیم پیچیده شده را می توان القا کننده نیز نامید. طبقه بندی سلف ها معمولاً با توجه به نوع هسته داخلی که روی آن پیچیده می شوند، صورت می گیرد. به عنوان مثال هسته توخالی (هوای آزاد)، هسته آهنی جامد یا هسته فریت نرم که انواع مختلف هسته با اضافه کردن خطوط موازی پیوسته یا نقطه ای در کنار سیم پیچیده شده مشخص می شوند، که در شکل زیر نشان داده شده است.

کمیت به کار گرفته برای معرفی سلف، اندوکتانس است که واحد SI اندوکتانس هانری (H) است که به افتخار ، دانشمند آمریکایی جوزف هنری، نام گذاری شده است. اندوکتانس اندازه گیری شده در هانری، متناسب با تعداد دور سیم، قطر حلقه سیم و ماده یا هسته ای است که سیم به دور آن پیچیده شده است. نماد سلف به صورت زیر نشان داده می شود:

فن سرا سرای دانش وهنر

جریان i، که در سلف شارش می‌یابد ، یک شار مغناطیسی متناسب با آن را تولید می‌کند. اما بر خلاف خازن که در مخالفت با تغییر ولتاژ در دو سر صفحاتش است، القاگر به دلیل تولید انرژی خود القایی در داخل میدان مغناطیسی اش مخالف با تغییرات جریان شارشی است.

به عبارت دیگر ، سلف ها در برابر تغییر جریان مقاومت یا مخالف می‌کنند، اما به راحتی جریان DC حالت پایدار را عبور می دهند. این توانایی سلف در مقاومت در برابر تغییرات جریان و هر چه که به جریان مربوط است  iبا پیوند شار مغناطیسی اش [latex] NPhi [/latex]  به عنوان یک متغیرثابت از تناسب ، که ظرفیت القا مغناطیسی (Inductance) نامیده می شود با نماد L  با واحد هنری  (H) بعد از کشف جوزف هنری شناخته می‌شود.

از آنجا که هنری به خودی خود یک واحد نسبتاً بزرگ از Inductance است، برای سلف های کوچکتر، از زیر واحدهای هنری برای بیان مقدار آن استفاده می‌شود. به عنوان مثال:

پیشوندهای Inductance

برای نمایش زیر واحد های هنری مثالی را نشان خواهیم داد:

1mH معادل 1 میلی هنری: که معادل با 1 هزارم (1000/1) هنری است.

100µH معادل 100 میکرو هانری: که معادل با صد میلیونوم (1000000/1) هنری است.

سلف ها یا کویل ها در مدارهای الکتریکی بسیار متداول هستند و عوامل زیادی برا تعیین Inductance سیم پیچ وجود دارد مانند شکل سیم پیچ، تعداد دورهای سیم عایق، تعداد لایه های سیم، فاصله بین دورها، نفوذپذیری مواد هسته، اندازه یا سطح مقطع هسته و غیره.

فرمول سلف

اندوکتانس (L) یک سلف را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد؛ که در آن:

• نفوذپذیری مغناطیسی سلف است.
• k ضریب ناگائوکا است.
• N تعداد دورهای سیم پیچ است.
• S سطح مقطع سیم پیچ است.
• l طول سیم پیچ در جهت محوری است.

• فن سرا سرای دانش وهنر

نحوه عملکرد سلف به چه صورت است؟ فن سرا سرای دانش وهنر

یک سلف با القای یک میدان مغناطیسی به عنوان جریان الکتریکی از سیم پیچ سیم آن کار می کند. این میدان مغناطیسی به طور موقت انرژی الکتریکی را به عنوان انرژی مغناطیسی ذخیره می کند و یک ولتاژ در سراسر کویل ایجاد می کند. قدرت میدان مغناطیسی یا اندوکتانس کویل به ویژگی‌های مختلفی مانند تعداد سیم‌پیچ‌ها در سیم، سطح مقطع سیم پیچ و نوع ماده ساخته شده از هسته کویل بستگی دارد.

انواع مختلف سلف

کویل ها بر اساس مواد اصلی و ساختار مکانیکی به انواع مختلفی تقسیم می شوند. در زیر انواع اصلی ذکر شده است:

سلف فاقد هسته (هسته هوا) – Air Cored Inductor

سلف های هسته سرامیکی به عنوان “سلف فاقد هسته” شناخته می شوند. سرامیک رایج ترین ماده مورد استفاده برای هسته های کویل است. سرامیک دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار پایینی است، بنابراین حتی برای طیف وسیعی از دماهای کاری، پایداری اندوکتانس القاگر بالا است. از آنجایی که سرامیک خاصیت مغناطیسی ندارد، به دلیل مواد هسته، افزایشی در مقدار نفوذپذیری وجود ندارد.

هدف اصلی آن ارائه فرمی برای سیم پیچ است. مزیت اصلی این سلف ها تلفات بسیار کم هسته و ضریب کیفیت بالا است. این القاگرها عمدتاً در کاربردهای فرکانس بالا که در آن مقادیر اندوکتانس پایین مورد نیاز است، استفاده می شوند.

سلف فرومغناطیسی (سلف با هسته آهنی)

در مواردی که نیاز به القاگر های فضای کم است، این کویل های هسته آهنی بهترین گزینه هستند. این سیم پیچ ها در تجهیزات صوتی قابل استفاده هستند. در مقایسه با سایر القاگرها، کاربردهای بسیار محدودی دارند.

سلف هسته فریت

فریت به عنوان ماده فرومغناطیسی نیز شناخته می شود که خواص مغناطیسی را نشان می دهند. آنها از اکسید فلزی مخلوط آهن و سایر عناصر تشکیل شده اند تا ساختارهای کریستالی را تشکیل دهند. ترکیب کلی فریت ها XFe2O4 است. جایی که X نشان دهنده مواد انتقالی است. از ترکیبات موادی که به راحتی مغناطیسی می شوند مانند منگنز و روی (MnZn)، نیکل و روی (niZn) استفاده می شود. سلف هسته فریت یک قطعه الکتریکی پسیو دو ترمیناله است که در برابر تغییر جریان الکتریکی عبوری از خود مقاومت می کند. از فریت به عنوان یک ماده اصلی استفاده می کند که دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالا و مقاومت الکتریکی بالا است. معمولاً با منبع تغذیه و کاربردهای مدیریت توان استفاده می شود.

فریت ها عمدتاً دو نوع هستند، فریت های نرم و فریت های سخت. فریت ها بر اساس وادارندگی مغناطیسی طبقه بندی می شوند. وادارندگی، شدت میدان مغناطیسی مورد نیاز برای مغناطیس زدایی مواد فرومغناطیسی از حالت اشباع کامل به صفر است.

سلف پودر آهنی – Iron Powder Inductor

این سلف ها از ذرات بسیار ریز با ذرات عایق شده از پودر آهن بسیار خالص تشکیل شده اند. این نوع کویل حاوی تقریباً 100٪ آهن است. هنگامی که این توان آهنی تحت فشار بسیار بالا فشرده شده و با یک ماده چسبنده مانند اپوکسی یا فنولیک مخلوط می شود، به ما یک هسته جامد می دهد. با این عمل پودر آهن مانند یک ساختار جامد مغناطیسی تشکیل می شود که از شکاف هوای توزیع شده تشکیل شده است. این کویل ها عمدتاً در منابع تغذیه سوئیچینگ قابل استفاده هستند.

سلف های مبتنی بر بوبین

این القاگرها روی بوبین استوانه‌ای پیچانده می‌شوند، بنابراین به عنوان سلف‌های مبتنی بر بوبین نامیده می‌شوند و عمدتاً برای نصب بر روی بردهای مدار چاپی استفاده می شوند. این سلف ها از دو نوع لید تشکیل شده اند که عبارتند از لید محوری (axial lead) و لید شعاعی (radial lead). لید محوری برای نصب افقی بر روی برد و لید شعاعی برای نصب عمودی بر روی برد مورد استفاده قرار می گیرد.

سلف حلقوی

این نوع القاگر در واقع سیم پیچانده شده ای است بر روی هسته ای که دارای سطح حلقه ای است. این سلف ها معمولاً از مواد مختلفی مانند فریت، آهن پودری و غیره تشکیل می شوند. این سیم پیچ ها عمدتاً در تجهیزات پزشکی، تنظیم کننده سوئیچینگ، تهویه هوا، یخچال، مخابرات و آلات موسیقی و غیره استفاده می شوند.

سلف های سرامیکی چند لایه

همانطور که از نام آن مشخص است، این سیم پیچ از چند لایه تشکیل شده است. به سادگی با افزودن لایه های اضافی سیم پیچ خورده ای که در اطراف هسته مرکزی پیچیده شده است، یک سلف چند لایه ایجاد می کند. در این سلف های چند لایه نه تنها اندوکتانس کویل افزایش می یابد بلکه ظرفیت بین سیم ها نیز افزایش می یابد. بیشترین مزیت این کویل ها این است که با دادن فرکانس های کاری پایین تر می توانیم نتایج اندوکتانس بالاتری بدست آوریم.

این سیم پیچ ها دارای کاربردهایی در فرکانس‌های بالا برای توقف نویز و همچنین در ماژول‌های پردازش سیگنال مانند شبکه‌های محلی بی‌سیم و بلوتوث هستند. همچنین در سیستم‌های ارتباطی سیار استفاده می‌شوند.

سلف های فیلمی

این کویل ها از یک فیلم رسانا بر روی مواد پایه استفاده می کنند. بنابراین با توجه به نیاز این فیلم برای کاربرد هادی شکل می گیرد. سلف های فیلم در اندازه نازک برای مبدل های DC به DC مناسب هستند که به عنوان منبع تغذیه در تلفن های هوشمند و دستگاه های تلفن همراه عمل می کنند. سلف لایه نازک Rf در تصویر زیر نشان داده شده است:

سلف های متغیر : فن سرا سرای دانش وهنر

این نوع القاگر با حرکت دادن هسته مغناطیسی به داخل و خارج از سیم پیچ های سلف شکل می گیرد. با این هسته مغناطیسی می توانیم مقدار اندوکتانس را تنظیم کنیم. هنگامی که یک کویل هسته فریت را در نظر می گیریم، با حرکت دادن هسته آن به داخل و خارج که سیم پیچ روی آن پیچانده شده است، می توان کویل هسته فریت متغیری را تشکیل داد.

این نوع سلف ها در کاربردهای رادیویی و فرکانس بالا که نیاز به تنظیم است، استفاده می شود. این القاگرها معمولاً از 10 μH تا 100 μH و امروزه از 10nH تا 100 mH متغیر هستند.

سلف های کوپل شده : فن سرا سرای دانش وهنر

دو هادی که توسط القای الکترومغناطیسی به هم متصل می شوند، عموماً به عنوان سلف های کوپل شده شناخته می شوند. قبلاً دیدیم که هرگاه جریان AC در یک القاگر جریان داشته باشد، در سلف دوم ولتاژ تولید می کند، پدیده اندوکتانس متقابل را به ما می دهد.

سلف های کوپل شده فقط روی این پدیده کار می کنند. اینها می توانند با انتقال امپدانس از طریق مدار، دو مدار را به صورت الکتریکی ایزوله کنند. ترانسفورماتور یکی از انواع القاگر های کوپل شده است.

سلف های قالبی

این سلف ها توسط عایق های پلاستیکی یا سرامیکی قالب گیری می شوند و معمولاً در شکل‌های میله‌ای و استوانه‌ای با گزینه‌های وسیع سیم‌پیچ موجود هستند.

متغیر ثابت زمانی یک سلف

اکنون می دانیم که جریان نمی تواند بطور لحظه ای در یک القاگر تغییر کند زیرا که برای این اتفاق، باید جریان با مقدار محدود در زمان صفر تغییر کند و این باعث می شود تا نرخ تغییر جریان بی نهایت شود، ∞= di / dt  و همچنین باعث بی نهایت شدن emf القایی می‌شود در صورتی که ولتاژهای نامحدود وجود ندارند. اگرچه، اگر جریان عبوری از سلف بسیار سریع تغییر کند، مانند عملکرد کلید، ولتاژهای بالا می‌توانند در دو سر سیم پیچ سلف ایجاد شوند.

مدار سلف آورده شده در زیر را در نظر بگیرید. با باز بودن کلید (S1)، هیچ جریان از سیم پیچ سلف عبور نمی کند. و از آنجا که هیچ جریانی شارش نمی‌یابد، نسبت تغییر جریان [latex] (frac{di}{dt}) [/latex] در سیم پیچ صفر خواهد شد. اگر نسبت تغییر جریان صفر شود، هیچemf  خود القایی در سیم پیچ سلف وجود نخواهد داشت (V_L = 0).

اگر اکنون کلید را ببندیم (t = 0)، جریان درون مدار شارش می یابد و به آرامی به حداکثر مقدارخود در نسبت تعیین شده توسط Inductance سلف می‌رسد. این نسبت از جریان شارشی در مدار با القا مغناطیسی سلف در هنری ضرب شده،  و منجر به تولید مقادیر ثابت emf خود القایی در دو سر سیم پیچ همانطور که توسط معادله فارادای فوق، V = Ldi /dt تعیین شده، می‌شود.

این emf خود القایی در دو سر سیم پیچ سلف (V_L)، در برابر ولتاژ اعمال شده تا زمانی که جریان به حداکثر مقدار خود برسد و یک وضعیت حالت پایدار حاصل شود، مبارزه می‌کند. جریانی که درون سیم پیچ شارش می‌یابد، وقتی که مقدار رآکتانس سیم پیچ تا صفرکاهش می‌یابد تنها با مقاومت DC یا “خالص” سیم پیچ سیم تعیین می‌شود، زیرا نسبت تغییرجریان (di /dt) در حالت پایدار صفر است. در بیان دیگر، در حال حاضر تنها مقاومت سیم پیچ DC برای مخالفت با شارش جریان وجود دارد.

اگر کلید (S1) باز شود، جریان شارش یافته درون سیم پیچ شروع به افت می‌کند اما سلف مجدداً با این تغییر مبارزه می‌کند و تلاش برای نگه داشتن جریان شارشی در مقدار قبلی اش با استفاده از القای ولتاژ در جهت دیگر، می‌کند. شیب افت منفی و مرتبط با القاء سیم پیچ خواهد بود، که در زیر نشان داده شده است.

کاربردهای سلف

سلف ها یا القاگرها کاربردهای بسیاری دارند؛ در ادامه به معرفی برخی از این مصارف می پردازیم.

• فیلتر

سلف ها اغلب با مقاومت ها و خازن ها برای ایجاد فیلتر برای مدارهای آنالوگ و در پردازش سیگنال استفاده می شوند.

• سنسور

سلف ها برای میدان های مغناطیسی از راه دور استفاده می شوند. سنسورهای القایی به طور گسترده در تقاطع های چراغ راهنمایی استفاده می شوند.

• ترانسفورماتور

از ترکیب کویل ها برای ساخت ترانسفورماتور کوچکتر و سبک تر استفاده می شود.

• موتور

موتورهای سلف از نیروی مغناطیسی برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی استفاده می کنند. این موتورها بسیار قابل اعتماد هستند.

• ذخیره انرژی

سلف ها هم مانند خازن ها می توانند برای ذخیره انرژی با محدودیت هایی استفاده شوند. مثال: SMPS (منبع تغذیه حالت سوئیچ).

• مدارهای تنظیم

مدارهای تنظیم با کمک کویل ها می توانند فرکانس مورد نظر را تنظیم کنند. دستگاه‌های الکترونیکی مختلف، مانند مدارهای تنظیم رادیویی، از خازن‌ها به همراه سیم پیچ ها برای تغییر فرکانس و انتخاب چندین کانال فرکانس مورد نظر استفاده می‌کنند.

• در چوک ها

هنگامی که جریان AC از سلف ها عبور می کند، جریان در جهت مخالف رخ می دهد. این باعث می شود که سلف جریان AC را مسدود کند و به جریان DC اجازه عبور دهد. این مکانیسم در منبع تغذیه یافت می شود که منبع AC به DC تبدیل می شود.

• به عنوان رله

رله به عنوان کلید برق نیز مورد استفاده قرار می گیرد. کاربرد سیم پیچ القاگر در سوئیچ می باشد؛ زمانی که سوئیچ با جریان AC تماس پیدا می کند، میدان مغناطیسی ایجاد می شود.

القاگرها یا inductors چگونه به برد مدار متصل می شوند؟

سلف SMD در بالای یک برد مدار چاپی (PCB) روی پدهای دارای خمیر لحیم کاری قرار می گیرند و سپس با جریان مجدد لحیم کاری می شوند. کویل های با نصب Through hole در بالای PCB با لیدها از طریق حفره های روی برد نصب می‌شوند و سپس در قسمت پشتی لحیم می‌شوند.

سلف سری و موازی

هنگامی که سلف ها به صورت سری متصل می شوند، اندوکتانس کل برابر با مجموع اندوکتانس های کویل های جداگانه است. برای درک این موضوع است، به این نکته توجه کنید که اندازه گیری قطعی اندوکتانس مقدار ولتاژی است که در یک سیم پیچ برای نرخ معینی از تغییر جریان از طریق آن افت می کند.

اگر سلف سری داشته باشیم (یعنی جریان یکسانی دارند و نرخ تغییر جریان یکسانی را مشاهده می کنند)، ولتاژ کل کاهش یافته در نتیجه تغییر در جریان، با هر کویل افزوده می شود و ولتاژ کل بیشتری ایجاد می کند. ولتاژ بیشتر برای همان نرخ تغییر در جریان به معنای اندوکتانس بیشتر است.

بنابراین، اندوکتانس کل برای سلف های سری بیش از اندوکتانس های هر یک از سلف های جداگانه است. فرمول محاسبه اندوکتانس کل سری مانند محاسبه مقاومت سری است:

هنگامی که سلف ها به صورت موازی متصل می شوند، اندوکتانس کل کمتر از هر یک از سلف های موازی است. مجدداً، به یاد داشته باشید که معیار قطعی اندوکتانس، مقدار ولتاژی است که در یک القاگر برای نرخ معینی از تغییر جریان از طریق آن افت می کند.

در این بخش شاهد افت ولتاژ کمتری در سیم پیچ های موازی برای نرخ معینی از تغییر جریان نسبت به هر یک از سلف‌هایی که جداگانه در نظر گرفته می‌شوند، هستیم زیرا جریان کل بین شاخه‌های موازی تقسیم می‌شود.

ولتاژ کمتر برای همان نرخ تغییر در جریان به معنای اندوکتانس کمتر است. بنابراین، اندوکتانس کل کمتر از هر یک از اندوکتانس های القاگر است. فرمول محاسبه اندوکتانس معادل سلف موازی به همان شکل محاسبه مقاومت های موازی است:

تفاوت سلف با خازن

خازن و سلف هر دو اجزای پسیو یک مدار الکتریکی هستند. خازن از دو صفحه یا هادی فلزی تشکیل شده است که توسط محیط دی الکتریک از هم جدا شده اند و یک میدان الکتریکی به دلیل اختلاف پتانسیل بین دو رسانا یا بین دو صفحه ایجاد شده است. القاگر نوعی سیم پیچ است که انرژی را به شکل شار مغناطیسی ذخیره می کند. هنگامی که جریان الکتریکی از یک سیم پیچ عبور می کند، به دلیل تغییر در میدان مغناطیسی، ولتاژ در سراسر سیم پیچ ایجاد می شود.

تفاوت عمده خازن و سلف در این است که خازن، انرژی را در میدان الکتریکی ذخیره می کند؛ در حالی که سلف انرژی را در میدان مغناطیسی ذخیره می کند. به بیانی دیگر خازن ها در برابر تغییرات ولتاژ، مقاومت می کنند و سلف ها در برابر تغییرات جریان، مقاومت می کنند.

بنابراین تا حدودی با سلف یا inductor ،انواع و کاربردهای آن آشنا شدید. سیم پیچ ها وسایل ساده ای هستند که شما می توانید در بسیاری از مصارف الکترونیکی خود از آنها استفاده کنید. هرگونه سوالی در رابطه با سلف یا سیم پیچ داشتید حتما در قسمت نظرات سوال خود را مطرح کنید تا کارشناسان ما در دیجی قطعه پاسخگوی شما باشند.

ولتاژ دو سر سلف

مقدار ولتاژ القایی توسط سلف بستگی به نرخ تغییر جریان دارد. در آموزش ما در مورد القای الکترومغناطیسی، قانون لنز بیان می‌کند که: “جهت emf القا شده به گونه ای است كه آن همواره با تغییراتی كه آن را ایجاد کرده، مخالف خواهد کرد”. در بیان دیگر، یک emf القا شده همواره در مخالفت با حرکت یا تغییر آغاز شده با  emf القا شده در مرحله اول است.

با کاهش جریان، قطبیت ولتاژ به عنوان یک منبع عمل خواهد کرد و با افزایش جریان، قطبیت ولتاژ به عنوان یک بار عمل خواهد کرد. بنابراین برای همان نرخ تغییر جریان عبوری از سیم پیچ، افزایش یا کاهش اندازه emf القایی یکسان خواهد بود.

فن سرا سرای دانش وهنر