سلف



عنوان:
سلف (القاگر)

(مقطع تحصیلی)
(رشته تحصیلی)

استاد مربوطه:
(نام استاد)

نگارش:
(نام دانشجو)

94-1393

"فهرست مطالب"

1- مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………… 2
2- اندوکتانس سیمپیچ ……………………………………………………………………………………………… 4
3- جنس هسته سلف ………………………………………………………………………………………………… 5
4- مقاومت القایی ……………………………………………………………………………………………………….. 6
5- القاگر آرمانی و القاگر واقعی ……………………………………………………………………………….. 7
6- کاربرد سلفها ……………………………………………………………………………………………………….. 7
7- جهت میدان مغناطیسی ……………………………………………………………………………………… 8
8- اتصال سیمپیچها به صورت سری ……………………………………………………………………… 9
9- اتصال سیمپیچها به صورت موازی …………………………………………………………………… 10
10- انواع سلف …………………………………………………………………………………………………………… 12
11- قانون لنز ……………………………………………………………………………………………………………… 12
12- جدول کد رنگی سلف مقاومتی ………………………………………………………….. 13
13- تست سلف …………………………………………………………………………………………….. 13
14- منابع ………………………………………………………………………………………………………… 14

* مقدمه
سلف (inductor) که به نامهایی مانند پیچه (کویل(Coil ، راکتور(reactor) ، سیمپیچ و بوبین نیز شناخته میشود افزاره ای الکترونیکی، کنش پذیر (پسیو) و دوپایه است که به آن القاگر نیز می گویند. عملکرد اصلی القاگر، مقاومت در برابر تغییرات جریان الکتریکی می باشد. این افزاره معمولاً از رسانایی مانند یک سیم که بصورت سیمپیچ درآمده است و به دور هسته ای از جنس آهن یا کربن خاص به نام "فِریت" پیچیده شده، تشکیل می شود. به طور کلی اصطلاح (فریت) به مواد سرامیکیای گفته میشود که دارای خواص فرومغناطیس باشند. فریتی که در سلفها بیشتر استفاده میشود در شمار فریتهای نرم هستند. القاگر، جریان مستقیم (DC) را می گذراند اما مانع از گذر جریان متناوب ACمی شود.

هنگامیکه جریانی از القاگر بگذرد، یک میدان مغناطیسی درون آن ایجاد می شود و انرژی به طور موقت در این میدان مغناطیسی ذخیره می گردد. یعنی عمل القای الکتریکی نتیجه پدید آمدن میدان مغناطیسی، پیرامون سیمی می باشد که جریان الکتریکی از آن می گذرد وقتی شدت جریان الکتریکی تغییر کند، میدان مغناطیسی متغیر با زمان، ولتاژی را در رسانا القا می کند و براساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادِی، این ولتاژ، مانع از تغییر جریانی می شود که در سیمپیچ قرار داشت. این ولتاژ که با یکای "ولت" سنجیده می شود بصورت حاصل ضرب القاوَری القاگر، در مشتق جریان نسبت به زمان محاسبه می شود:

V = Ldi/dt

در این رابطه جریان (i) برحسب آمپر و (L) "ضریب خودالقایی" یا اندوکتانس می باشد که برحسب "هانری H" محاسبه می شود.
القاوَری یک ویژگی هندسی مدار است که مشخص می کند با گذر شدت جریانی معیّن از سیمپیچ، چه مقدار شار مغناطیسی ایجاد می شود. هر سیم یا ماده رسانایی، هنگامی که جریان الکتریکی از درونش می گذرد، تولید میدان مغناطیسی می کند اما در ساخت القاگرها از شکل ها و هسته های گوناگون استفاده می شود تا میدان مغناطیسی ساخته شده را تقویت کنند. پیچیدن سیم باعث افزایش عده خط های شار مغناطیسی می شود که به مدار متصل اند و باعث افزایش القاوَری می شود. هرچه عده دورهای سیمپیچ بیشتر باشد، خاصیت مغناطیسی نیز بالا می رود.
راه دیگر، افزایش القاوَری در القاگر، گزینش هسته مناسب می باشد. برای مثال، استفاده از ماده های فرومغناطیس مانند آهن و پیچیدن سیم به دور آنها باعث افزایش چشمگیر خط های شار مغناطیسی می شود. گزینش هسته ای با تراوایی مغناطیسی، بالا باعث چندهزار برابر شدن خاصیت القاگری القاگر می شود.

* اندوکتانس سیمپیچ
در مورد اندوکتانس سیمپیچ باید گفت که اندوکتانس مهمترین مشخصه یک سیمپیچ و در حقیقت یکی از خصوصیات فیزیکی یک سیمپیچ است که مقدار آن وابسته به جنس هسته سیمپیچ، تعداد دور سیمپیچ، طول سیمپیچ و سطح مقطع سیمپیچ است و طبق تعریف، اندوکتانس هر سیمپیچ نشان میدهد که به ازای یک آمپر در ثانیه تغییر در جریان، چند ولت در سیمپیچ القا میشود . مقدار اندوکتانس هر سیم پیچ از رابطه زیر محاسبه میشود:

که در این رابطه µ پرمابلیته هسته و یا قابلیت نفوذپذیری هسته بر حسب هانری است و نشاندهنده توانایی هسته در متمرکز کردن خطوط میدان مغناطیسی در درون هسته است. پرمابلیته همه اجسام را نسبت به پرمابلیته هوا میسنجند. به این ترتیب که پرمابلیته هوا را یک فرض کرده و پرمابلیته دیگر اجسام را نسبت به آن میسنجند.
یعنی به هر جسمی یک عدد به نام ضریب پرمابلیته نسبت میدهند که این عدد نشاندهنده این است که پرمابلیته این جسم چند برابر پرمابلیته هواست و از ضرب این عدد در پرمابلیته هوا، پرمابلیته آن جسم بدست میآید. در رابطه فوق همچنین A سطح مقطع هسته بر حسب متر مربع، N تعداد دور سیمپیچ و l طول سیمپیچ بر حسب متر میباشد.

* جنس هسته سلف
هسته میتواند از جنس مواد مغناطیسی و یا غیر مغناطیسی باشد. در مواردی که میدان ایجاد شده توسط سیمپیچ به اندازه کافی قوی باشد از هستههای غیر مغناطیسی یا همان مواد عایق استفاده میکنند و در سایر موارد از هستههای مغناطیسی استفاده میشود. استفاده از هستههای مغناطیسی باعث میشود که کلیه خطوط میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیمپیچ از داخل سیمپیچ گذشته و تلفات خطوط میدان به حداقل برسد و در نتیجه سبب قویتر شدن میدان مغناطیسی میشوند.
در مواردی که نیازی به هستههای مغناطیسی نباشد و سیمپیچ به اندازه کافی ضخیم باشد به طوریکه بتواند حالت خود را حفظ کند، میتوان از هسته استفاده نکرد و یا به عبارتی هسته در این حالت هوا خواهد بود(Air Core). به سیمپیچهایی که دارای هسته فلزی هستند و تعداد دور استانداردی سیم دارند، در اصطلاح چوک (Choke) میگویند. مانند چوک مهتابی که معمولاً به اشتباه آن را ترانس مهتابی میگویند.
اکثر القاگرها هسته ای آهنربایی، ساخته شده از آهن یا فِریت دارند که سیمپیچ به دور آنها بسته می شود و باعث افزایش میدان مغناطیسی و ضریب خودالقایی می شوند. یکی از عوامل موثر در اندوکتانس سلفها، جنس هسته سلف میباشد. هرچه هسته سلف نفوذپذیری مغناطیسی بیشتری داشته باشد، اندوکتانس سلف بیشتر میشود.

* مقاومت القایی
زمانی که یک سیمپیچ در یک مدار DC قرار میگیرد به دلیل ثابت بودن میدان مغناطیسی اطراف سیمپیچ، ولتاژی در دو سر سیمپیچ القا نمیشود و تنها تاثیر آن در مدار، در لحظات باز و بسته شدن مدار میباشد که در این زمانها، ولتاژی در دو سر سیمپیچ القا میشود بطوری که با افزایش و کاهش جریان در سیمپیچ مخالفت میکند. البته خود سیمپیچ یک مقاومت اهمی نیز دارد که به دلیل ناچیز بودن مقدار آن، معمولاً از آن صرفنظر میشود.
اما زمانی که یک سیمپیچ در یک مدار AC قرار میگیرد به دلیل متغیر بودن میدان مغناطیسی اطراف سیمپیچ، همواره یک ولتاژ القایی متغیر که نسبت به ولتاژ داده شده به سیمپیچ 180 درجه اختلاف فاز دارد، در دو سر سیمپیچ ایجاد میشود که این ولتاژ القایی همواره سبب کاهش جریان میگردد، درست مانند اینکه یک مقاومت اهمی در مدار وجود دارد و جریان را تضعیف میکند. این مقاومت سیمپیچ در برابر جریان را مقاومت القایی سیمپیچ میگویند و آن را با X_L نمایش میدهند. مقدار مقاومت القایی به اندوکتانس سیمپیچ و فرکانس جریان عبوری از سیمپیچ بستگی دارد. مقدار مقاومت القایی از رابطه زیر بدست میآید:

که در این رابطه X_L مقاومت القایی سیمپیچ بر حسب اهم، 2π عدد ثابت، F فرکانس جریان عبوری از سیمپیچ بر حسب هرتز و L اندوکتانس سیمپیچ بر حسب هانری است.
* القاگر آرمانی و القاگر واقعی
در بحث نگره مدارهای الکترونیکی معمولاً برای همه افزاره ها یک مدل آرمانی لحاظ می شود. در مدل القاگر آرمانی، پیروی دقیق رفتار القاگر از معادله V = Ldi/dt مفروض است. القاگر آرمانی، هیچگونه مقاومت الکتریکی و اثرخازنی ندارد و کارمایه را تلف نمی کند.
از سوی دیگر، القاگر واقعی تاثیرهای جانبی می پذیرد که باعث تغییر رفتارش می شوند و از مدل القاگر آرمانی فاصله می گیرد. القاگر واقعی، دارای مقاومت داخلی درون سیمپیچ، اثر خازنی به دلیل تشکیل میدان میان سیمپیچ و اتلاف کارمایه بصورت گرما می باشد. در بسامدهای بالا این اثر خازنی تاثیر شدیدی بر رفتار القاگر می گذارد و در برخی بسامدها حتی می تواند عملکرد القاگر را به یک تشدیدگر تبدیل کند.

* کاربرد سلفها
از القاگرها بطور گسترده در مدارهای آنالوگ و پردازش سیگنال استفاده می شود. از ترکیب القاگرها با خازن ها و دیگر افزاره های الکترونیک می توان پالایه برای نشانک ها با بسامدهایی خاص ساخت. گستره کاربرد این افزاره از مدارهای منبع های تغذیه با القاگرهایی با اندازه بزرگ برای جلوگیری از نوسان های جریان ورودی، تا القاگرهایی با جثه بسیار کوچک (فِریت بید) که پیرامون بافه های انتقال بسامدهای رادیویی قرار می گیرند تا از ادغام آنها با یکدیگر جلوگیری کنند، متغیر است.
از القاگرهای کوچک تر نیز بطور فراوان در دستگاه های دریافت و ارسال انواع نشانک ها استفاده می شود.

با ترکیب دو یا چند سیمپیچ می توان وسیله ای به نام ترانسفورماتور ساخت که عضوی بنیادی در تمامی مدارهای تغذیه، انواع شارژکُن ها و مدارهای مبدل ولتاژ می باشد. با استفاده از ترکیب خط های شار مغناطیسی میان دو سیمپیچی که یکی ثابت و دیگری در حال چرخش است،گشتاور نیرو ایجاد می شود که اساس کار موتورهای القایی می باشد.
از القاگر در مدارهای تغذیه کلیدزنی بعنوان ذخیره گرهای کارمایه الکتریکی و واپایش ولتاژ استفاده می شود. همچنین القاگر در سامانه های انتقال الکتریسیته مانند، کاهنده ولتاژهای حاصل از صاعقه و محدودگر جریان کاربرد دارد. القاگرهایی با مقدار القاوَری بسیار زیاد نیز درشبیه سازی مدارهای ژیراتور مورد استفاده قرار می گیرند.

* جهت میدان مغناطیسی
جهت میدان مغناطیسی ایجاد شده در اطراف یک سیم راست حامل جریان را میتوان از قانون دست راست بدست آورد. بر اساس این قانون اگر سیم راست حامل جریان را به گونهای در دست راست بگیریم که انگشت شست در جهت جریان باشد، جهت خم شدن چهار انگشت دیگر، جهت میدان مغناطیسی در اطراف سیم را نشان میدهد. برای تعیین جهت میدان مغناطیسی در داخل یک سیمپیچ، بر اساس این قانون اگر سیمپیچ را طوری در دست راست بگیریم که جهت چهار انگشت در جهت جریان باشد، انگشت شست جهت میدان مغناطیسی در داخل سیمپیچ را نشان میدهد .

* اتصال سیمپیچها به صورت سری
اگر تعدادی سیمپیچ را به صورت سری به یکدیگر وصل کنیم، اندوکتانس کل برابر مجموع اندوکتانسهای موجود در مدار خواهد بود. یعنی داریم :

به عنوان مثال اگر در شکل ، L_1=2mH و L_2=3mH و L_3=5mH باشند مقدار اندوکتانس کل چقدر است ؟

بنابراین مقدار اندوکتانس کل برابر با 10mH میباشد.

همچنین در این حالت مقاومت القایی کل نیز برابر مجموع مقاومتهای القایی تمامی سیمپیچها خواهد بود. یعنی داریم :

* اتصال سیمپیچها به صورت موازی
اگر سیمپیچها مطابق شکل زیر به صورت موازی به هم وصل شوند، اندوکتانس کل از رابطه زیر محاسبه میشود:

همانطور که از رابطه بالا مشاهده میشود در این حالت اندوکتانس کل، از تک تک اندوکتانسهای سیمپیچهای مدار کمتر است. به عنوان مثال اگر در شکل بالا، L_1=1mH و L_2=4mH و L_3=5mH ، مقدار اندوکتانس کل چقدر است ؟

بنابراین مقدار اندوکتانس معادل برابر Hµ690 است که این مقدار از اندوکتانس تک تک سیمپیچها کمتر است.
همچنین در این حالت مقاومت القایی معادل از رابطه زیر بدست میآید:

که این رابطه نیز نشان میدهد که در این حالت مقاومت القایی کل، از مقاومت القایی تک تک سیمپیچها کمتر است.
البته روابط بالا در صورتی برقرار هستند که بین سیمپیچها، القای متقابل وجود نداشته باشد. القای متقابل زمانی به وجود میآید که دو سیمپیچ طوری در نزدیکی یکدیگر قرار گیرند که میدان مغناطیسی متغیر تولید شده توسط هر یک از سیمپیچها، سیمپیچ دیگر را قطع کند و سبب تغییر میدان مغناطیسی آن سیمپیچ و در نتیجه تغییر اندوکتانس و ولتاژ القا شده در آن گردد.
در این صورت روابط مربوط به اندوکتانس و مقاومت القایی که در بالا بیان شد، صادق نبوده و نیاز به تغییراتی پیدا میکنند. برای مشخص کردن میزان القای متقابل بین دو سیمپیچ، پارامتری به نام اندوکتانس متقابل به این صورت تعریف میشود که هرگاه جریانی با نرخ تغییر یک آمپر بر ثانیه، ولتاژی برابر با یک ولت در سیمپیچ القا کند، اندوکتانس متقابل دو سیمپیچ برابر با یک هانری میباشد. مقدار اندوکتانس متقایل دو سیمپیچ بستگی به اندوکتانس هر یک از سیمپیچها و همچنین ضریب کوپلاژ بین دو سیمپیچ دارد و از رابطه زیر بدست میآید:

که در این رابطه L_1 و L_2 اندوکتانسهای هر یک از دو سیمپیچ و K ضریب کوپلاژ است. ضریب کوپلاژ پارامتری بدون واحد است که میتواند مقداری بین صفر و یک داشته باشد. هرگاه کلیه خطوط میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط یک سیمپیچ، از سیمپیچ دیگر عبور کند، مقدار K برابر یک و چنانچه دو سیمپیچ کاملاً از هم دور باشند و یا طوری قرار گرفته باشند که خطوط میدان مغناطیسی هیچ یک از آنها از دیگری عبور نکند، مقدار K صفر خواهد بود.

* انواع سلف

سلف بشکه ای – دمبلی سلف مقاومتی

سلف تورویدی سلف SMD

* قانون لنز
طبق قانون لنز جهت ولتاژ القایی همواره به گونهای است که به عامل به وجود آورندهاش مخالفت میکند. یعنی هنگامیکه جریان افزایش مییابد، جهت ولتاژ القایی به گونهای است که با افزایش جریان مخالفت میکند. بنابراین همواره ولتاژ داده شده به دو سر سیمپیچ با ولتاژ القا شده در سیمپیچ ۱۸۰ درجه اختلاف فاز دارد.

* جدول کد رنگی سلف مقاومتی
سلفهای مقاومتی که در اصل axial lead inductor نامیده میشوند، سلفهای جریان پایینی هستند که مقدار آنها بر اساس کدهای رنگی که روی آنها چاپ شده، مشخص میشود .در زیر، جدول مربوط به نحوه محاسبه مقدار اندوکتانس این سلفها بر حسب میکروهانری نشان داده شدهاست.

* تست سلف
اکثر مولتیمترها، هانریمتر ندارند و نمیتوان ظرفیت سلف را با آنها اندازهگیری کرد، فقط میتوان از سلامت قطعه باخبر شد. وقتی سلف سالم باشد، روی رنج دیود – بازر وقتی پرابها به دو سر آن متصل میشود، مولتیمتر بوق یکسره میزند و در غیر این صورت سلف سوختهاست. شایان ذکر است که سالم بودن سلف را میتوان روی برد و در مدار تست کرد.
* منابع
کتاب نظریه اساسی مدارها و شبکهها جلد اول- تالیف ارنست کوه و چارلز دسو- ترجمه دکتر پرویز جُبه دار
http://karakit.ir
http://diginic.net
http://robouav.ir
http://www.iseee.ir
http://robotafzar.ir

0