인덕터

인덕터

인덕터는 코일을 통과하는 전류의 결과로 자성과 전기 사이의 관계를 활용하도록 설계된 와이어 코일로 구성된 수동 전기 부품입니다.

이 튜토리얼에서 우리는 인덕터가 전류 흐름(크기와 방향 모두)의 변화에 ​​반대하는 회로에 인덕턴스를 도입하는 데 사용되는 전기 부품이며 직선형 전도성 와이어라도 어느 정도의 인덕턴스를 가질 수 있음을 알게 될 것입니다. .

전자기학 튜토리얼에서 우리는 전선 도체를 통해 전류가 흐를 때 해당 도체 주위에 자속이 발생한다는 것을 확인했습니다. 이 영향은 도체 주위를 순환하는 자속의 방향과 동일한 도체를 통해 흐르는 전류의 방향 사이의 관계를 생성합니다. 이로 인해 "플레밍의 오른손 법칙"이라고 불리는 전류와 자속 방향 사이의 관계가 발생합니다.

그러나 또한 존재하는 권선 코일과 관련된 또 다른 중요한 특성이 있습니다. 즉, 흐르는 전류의 변화에 ​​반대하거나 저항할 때 자속의 움직임에 의해 동일한 코일에 2차 전압이 유도된다는 것입니다.

 

일반적인 인덕터

가장 기본적인 형태의 인덕터는 중앙 코어 주위에 감겨진 와이어 코일에 지나지 않습니다. 대부분의 코일에서 코일을 통해 흐르는 전류(  i )  는 이 전류 흐름에 비례하는  자속(  NΦ )을 주변에 생성합니다.

초크라고도 하는 인덕터는 와이어 코일을 통해 흐르는 전류의 결과로 자체 또는 코어 내에 자기장을 유도하여 이러한 관계를 활용하도록 설계된 와이어 코일로 구성된 또 다른 수동형 전기 부품입니다. 와이어 코일을 인덕터로 형성하면 단순한 와이어 코일로 생성되는 자기장보다 훨씬 더 강한 자기장이 생성됩니다.

인덕터는 직선형 원통형 막대 또는 연속 루프 또는 링일 수 있는 견고한 중앙 코어를 단단히 감싼 와이어로 구성되어 자속을 집중시킵니다.

인덕터의 회로도 기호는 와이어 코일의 기호이므로 와이어 코일을 인덕터라고 부를 수도 있습니다 . 인덕터는 일반적으로 감긴 내부 코어 유형에 따라 분류됩니다(예: 중공 코어(자유 공기), 솔리드 철 코어 또는 연질 페라이트 코어). 옆에 연속 또는 점선 평행선을 추가하여 다양한 코어 유형을 구별합니다. 아래와 같이 와이어 코일.

인덕터 기호

 

인덕터를 통해 흐르는 전류 i 는 이에 비례하는 자속을 생성합니다. 그러나 플레이트 전체의 전압 변화에 반대하는 커패시터와 달리 인덕터는 자기장 내에서 자체 유도 에너지가 축적되어 이를 통해 흐르는 전류의 변화율에 반대합니다.

즉, 인덕터는 전류 변화에 저항하거나 반대하지만 안정된 상태의 DC 전류를 쉽게 통과시킵니다. 전류의 변화에 ​​저항하는 인덕터의 이러한 능력은 비례 상수로서 전류 i 와 쇄교자속, NΦ를 관련시킵니다. 이를 인덕턴스 라고 하며 기호 L 은 헨리 ( Henry ) 단위로 조셉 헨리(Henry)의 이름을 따서 지정됩니다.

헨리는 그 자체로 상대적으로 큰 인덕턴스 단위이기 때문에 더 작은 인덕터의 경우 헨리의 하위 단위가 그 값을 표시하는 데 사용됩니다. 예를 들어:

인덕턴스 접두사

접두사	상징	승수	10의 힘
밀리	중	1/1,000	10 -3
마이크로	µ	1/1,000,000	10 -6
나노	N	1/1,000,000,000	10 -9

따라서 Henry의 하위 단위를 표시하기 위해 다음을 예로 사용합니다.

• 1mH = 1밀리헨리   – 이는 헨리의 1/1000(1/1000)과 같습니다.
• 100μH = 100 마이크로헨리   – 이는 헨리의 1억분의 1(1,000,000)에 해당합니다.

인덕터 또는 코일은 전기 회로에서 매우 일반적이며 코일의 모양, 절연 전선의 권수, 전선의 층 수, 권선 사이의 간격 등 코일의 인덕턴스를 결정하는 많은 요소가 있습니다. , 코어 재료의 투자율, 코어의 크기 또는 단면적 등을 예로 들 수 있습니다.

인덕터 코일은 단위   길이당 일정한 와이어 감김 수(  l )를 갖는 중앙 코어 영역( A )을 갖습니다  . 따라서 N 감은 코일이 자속 Φ 의 양으로 연결되면 코일은 NΦ 의 자속 결합을 가지며 코일을 통해 흐르는 모든 전류 (  i  )는 반대 방향으로 유도 자속을 생성합니다. 전류의 흐름. 그러면 패러데이의 법칙에 따라 이 자속 결합의 모든 변화는 다음과 같은 단일 코일에 자체 유도 전압을 생성합니다.

 

• 어디:
•     N 은 회전 수입니다.
•     A 는 단면적(m 2) 입니다.
•     Φ 는 Webers의 플럭스 양입니다.
•     μ 는 코어 재료의 투자율입니다.
•     l은 미터 단위의 코일 길이입니다.
•     di/dt 는 암페어/초 단위의 전류 변화율입니다.

시변 자기장은 전류의 변화율에 비례하는 전압을 유도하여 EMF의 증가를 나타내는 양의 값과 EMF의 감소를 나타내는 음의 값을 생성합니다. 이 자기 유도 전압, 전류 및 인덕턴스와 관련된 방정식은 μN 2 A / l 을 코일의 인덕턴스라고하는 비례 상수를 나타내는 L 로 대체 하여 찾을 수 있습니다.

인덕터의 자속과 인덕터를 통해 흐르는 전류 사이의 관계는 다음과 같습니다. NΦ = Li . 인덕터는 도선 코일로 구성되므로 위의 방정식을 줄여 코일에서 유도된 역기전력이라고도 하는 자기 유도 EMF 를 제공합니다.

인덕터에 의해 생성된 역기전력

여기서 L 은 자체 인덕턴스이고 di/dt는 전류 변화율입니다.

인덕터 코일

따라서 이 방정식에서 우리는 "자기 유도 EMF는 인덕턴스에 전류 변화율을 곱한 값과 같습니다"라고 말할 수 있으며 회로의 인덕턴스는 1Henry이며 회로를 통해 흐르는 전류가 회로에 유도될 때 회로에 1V의 EMF가 유도됩니다. 초당 1암페어의 속도로 변화합니다.

위 방정식에 대해 주목해야 할 중요한 점 중 하나입니다. 인덕터 전류의 흐름이 일정하고 정상 상태 DC 전류에서와 같이 변하지 않는 경우 전류 변화의 순간 속도가 0, di/dt = 0 .

인덕터를 통해 흐르는 정상 상태의 DC 전류로 인해 유도 전압이 0인 경우 인덕터는 와이어 조각과 동일한 단락 회로 역할을 하거나 최소한 매우 낮은 값의 저항으로 작동합니다. 즉, 인덕터가 제공하는 전류 흐름에 대한 반대는 AC 회로와 DC 회로 간에 매우 다릅니다.

인덕터의 시상수

이제 우리는 인덕터에서 전류가 순간적으로 변할 수 없다는 것을 알고 있습니다. 왜냐하면 이것이 발생하려면 전류가 0 시간에 유한한 양만큼 변해야 하며, 이로 인해 전류 변화율은 무한대(di/dt = )가 되기 때문 입니다  . 유도 EMF도 무한하게 만들고 무한한 전압은 존재하지 않습니다. 그러나 스위치 작동과 같이 인덕터를 통해 흐르는 전류가 매우 빠르게 변하는 경우 인덕터 코일에 높은 전압이 유도될 수 있습니다.

오른쪽의 순수 인덕터 회로를 생각해 보십시오. 스위치(  S1  )가 열려 있으면 인덕터 코일을 통해 전류가 흐르지 않습니다. 인덕터를 통해 전류가 흐르지 않으므로 코일의 전류 변화율( di/dt )은 0이 됩니다. 전류 변화율이 0이면   인덕터 코일 내에 자체 유도 역기전력( V L = 0 )이 없습니다.

이제 스위치를 닫으면(t = 0) 전류가 회로를 통해 흐르고 인덕터의 인덕턴스에 의해 결정되는 속도로 천천히 최대값까지 상승합니다. 인덕터를 통해 흐르는 전류 속도에 Henry의 인덕터 인덕턴스를 곱하면 위의 패러데이 방정식 V L  = -Ldi/dt 에 의해 결정된 것처럼 코일 전체에 고정된 값의 자체 유도 EMF가 생성됩니다 .

인덕터 코일 전체에 걸쳐 자체 유도된 EMF(  V L  )는 전류가 최대값에 도달하고 정상 상태 조건에 도달할 때까지 인가된 전압에 맞서 싸웁니다. 현재 코일을 통해 흐르는 전류는 코일 권선의 DC 또는 "순수" 저항에 의해서만 결정됩니다. 왜냐하면 전류 변화율( di/dt )이 0이기 때문에 코일의 리액턴스 값이 0으로 감소했기 때문입니다. 안정된 상태. 즉, 실제 코일에서는 코일 자체를 통한 전류 흐름을 방해하기 위해 코일 DC 저항만 존재합니다.

마찬가지로 스위치(S1)가 열리면 코일을 통해 흐르는 전류가 떨어지기 시작하지만 인덕터는 다시 이러한 변화에 맞서 싸우고 다른 방향으로 다른 전압을 유도하여 전류 흐름을 이전 값으로 유지하려고 합니다. 하강의 기울기는 음수이며 아래와 같이 코일의 인덕턴스와 관련됩니다.

인덕터의 전류 및 전압

 

인덕터에 의해 생성되는 유도 전압의 양은 전류 변화율에 따라 달라집니다. 전자기 유도에 대한 튜토리얼에서 렌츠의 법칙은 다음과 같이 명시했습니다. "유도된 EMF의 방향은 이를 유발하는 변화에 항상 반대되는 방향입니다 . " 즉, 유도된 EMF는 처음에 유도된 EMF를 시작한 동작이나 변화에 항상 반대합니다.

따라서 전류가 감소하면 전압 극성이 소스로 작용하고 전류가 증가하면 전압 극성이 부하로 작용합니다. 따라서 코일을 통한 동일한 전류 변화율에 대해 유도 EMF의 크기를 늘리거나 줄이는 것은 동일합니다.

튜토리얼 예제 No1

4암페어의 정상 상태 직류가 0.5H의 솔레노이드 코일을 통과합니다. 위 회로의 스위치가 10mS 동안 열려 있고 코일을 통해 흐르는 전류가 0 암페어로 떨어졌을 때 코일에 유도된 평균 역기전력 전압은 얼마입니까?

인덕터의 전력

우리는 회로의 인덕터가 전류의 흐름에 반대한다는 것을 알고 있습니다. (  i  ) 이 전류의 흐름은 이를 반대하는 EMF(렌츠의 법칙)를 유도하기 때문입니다. 그런 다음 이 유도된 EMF에 대해 전류 흐름을 유지하기 위해 외부 배터리 소스에 의해 작업이 수행되어야 합니다.  이 자체 유도 EMF(  VL )에 대해 전류(  i )를 강제하는 데 사용되는 순간 전력은 위에서  다음과 같이 제공됩니다.

 

회로의 전력은 다음과 같이 주어집니다. P = V*I 따라서:

이상적인 인덕터에는 인덕턴스만 있는 저항이 없으므로 R = 0Ω이므로 코일 내에서 전력이 소실되지 않으므로 이상적인 인덕터는 전력 손실이 0이라고 말할 수 있습니다.

저장된 에너지

인덕터에 전력이 흐르면 ​​에너지가 자기장에 저장됩니다. 인덕터를 통해 흐르는 전류가 증가하고 di/dt가 0보다 커지면 회로의 순간 전력도 0보다 커야 합니다(  P > 0  ). 즉 양수는 에너지가 인덕터에 저장된다는 의미입니다.

마찬가지로, 인덕터를 통과하는 전류가 감소하고 di/dt가 0보다 작은 경우 순간 전력도 0 보다 작아야 합니다.   즉, 음수는 인덕터가 에너지를 회로로 다시 반환한다는 의미입니다. 그런 다음 위의 전력 방정식을 통합하면 항상 양수이고 인덕터에 저장되는 총 자기 에너지는 다음과 같이 제공됩니다.

저장된 에너지

여기서:   W 는 줄 단위, L 은 헨리 단위, i 는 암페어 단위입니다.

에너지는 실제로 인덕터를 통해 흐르는 전류에 의해 인덕터를 둘러싸는 자기장 내에 저장됩니다. 저항이나 커패시턴스가 없는 이상적인 인덕터에서는 전류가 증가하면서 에너지가 인덕터로 흘러 들어가 손실 없이 자기장 내에 저장되므로 전류가 감소하고 자기장이 붕괴될 때까지 에너지가 방출되지 않습니다.

그런 다음 교류 AC 회로에서 인덕터는 각 사이클마다 지속적으로 에너지를 저장하고 전달합니다. 인덕터를 통해 흐르는 전류가 DC 회로에서와 같이 일정하면 P = Li(di/dt) = 0 이므로 저장된 에너지에 변화가 없습니다 .

따라서 인덕터는 에너지를 저장하고 회로에 전달할 수 있지만 에너지를 생성할 수는 없으므로 수동 부품으로 정의할 수 있습니다. 이상적인 인덕터는 손실이 적은 것으로 분류됩니다. 즉, 에너지 손실이 없어 에너지를 무기한 저장할 수 있다는 의미입니다.

그러나 실제 인덕터는 항상 코일 권선과 관련된 일부 저항을 가지며 전류가 저항을 통해 흐를 때마다   전류가 교류하는지 여부에 관계없이 옴 의 법칙( P = I 2  R )으로 인해 열의 형태로 에너지가 손실됩니다. 또는 상수.

인덕터의 주요 용도는 필터링 회로, 공진 회로 및 전류 제한에 사용됩니다. 인덕터는 교류 또는 정현파 주파수 범위를 차단하거나 재구성하기 위해 회로에 사용될 수 있으며, 이 역할에서 인덕터는 간단한 무선 수신기 또는 다양한 유형의 발진기를 "조정"하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 파괴적인 전압 스파이크와 높은 돌입 전류로부터 민감한 장비를 보호할 수도 있습니다.

인덕터에 대한 다음 튜토리얼에서는 코일의 유효 저항을 인덕턴스라고 하며, 현재 알고 있는 바와 같이 "전류 변화에 반대하는" 전기 도체의 특성인 인덕턴스는 내부적으로 유도된 것을 자체 인덕턴스라고 하고 외부에서 유도된 것을 상호 인덕턴스라고 합니다.