آشنایی با سلف (اندوکتانس): عملکرد، ویژگی‌ها و انواع
- 5 دقیقه زمان مطالعه
- بدون نظر
سلف که با نام‌های “اندوکتانس” یا “القاگر” نیز شناخته می‌شود، یکی از اجزای مهم و تأثیرگذار در مدارهای الکتریکی است. وظیفه اصلی سلف، ذخیره انرژی به شکل میدان مغناطیسی () است.
سلف یک المان الکتریکی غیرفعال است که با عبور جریان الکتریکی از آن، در اطراف خود میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. این المان، انرژی الکتریکی را به صورت انرژی مغناطیسی در خود ذخیره می‌کند. سلف‌ها معمولاً از پیچیدن سیم به دور یک هسته تشکیل می‌شوند. جنس این هسته می‌تواند از هوا، آهن یا مواد مغناطیسی دیگر (که کاربرد کمتری دارند) باشد.
اندوکتانس: ویژگی کلیدی سلف
سلف بر اساس ویژگی مهم خود، یعنی “اندوکتانس” شناخته می‌شود که واحد اندازه‌گیری آن هانری () است. اندوکتانس نشان‌دهنده میزان مقاومت یک سلف در برابر تغییرات جریان الکتریکی است. هر چه اندوکتانس بیشتر باشد، سلف توانایی بیشتری در مقابله با این تغییرات دارد.
رفتار سلف در مدارهای DC و AC
سلف‌ها در برابر جریان مستقیم (DC) مقاومتی از خود نشان نمی‌دهند و مانند یک سیم ساده عمل می‌کنند. با این حال، در مدارهای جریان متناوب (AC)، سلف به دلیل تغییر مداوم جریان، از خود مقاومت نشان می‌دهد. بنابراین، نوع جریان عبوری تأثیر مستقیمی بر عملکرد مدار دارد.
عملکرد سلف بر اساس قانون فاراده
عملکرد سلف بر پایه قانون القای الکترومغناطیسی فاراده استوار است. طبق این قانون، تغییر در جریان عبوری از یک سلف، نیروی محرکه الکتریکی (ولتاژ) مخالف جهتی را تولید می‌کند که سعی در جلوگیری از تغییر جریان دارد. به عبارت دیگر، سلف‌ها با تغییر جریان مقابله کرده و تلاش می‌کنند تا جریان را در حالت اولیه خود حفظ کنند.
- در مدارهای DC: هنگامی که جریان ثابتی از سلف عبور می‌کند، میدان مغناطیسی ثابتی در اطراف آن شکل می‌گیرد و سلف مانند یک سیم ساده عمل می‌کند. اما در صورت تغییر ناگهانی جریان (مانند روشن یا خاموش کردن مدار)، سلف با تولید ولتاژ مخالف، در برابر این تغییر مقاومت می‌کند.
- در مدارهای AC: به دلیل تغییر مداوم جریان، سلف همواره در حال مقابله با این تغییرات است و به عنوان یک فیلتر عمل می‌کند، به طوری که فرکانس‌های خاصی از جریان را محدود یا تقویت می‌کند.
کاربردهای سلف
سلف‌ها کاربردهای متنوعی در انواع مدارهای الکتریکی دارند. برخی از کاربردهای عمده آن‌ها عبارتند از:
- فیلتر و تنظیم فرکانس: از سلف‌ها برای فیلتر کردن یا تغییر فرکانس سیگنال‌ها استفاده می‌شود. در برخی موارد، آن‌ها می‌توانند فرکانس خاصی را تقویت کنند.
- ذخیره و انتقال انرژی: سلف‌ها می‌توانند انرژی را به صورت میدان مغناطیسی ذخیره کرده و در زمان مورد نیاز به مدار بازگردانند. این ویژگی در مدارهای سوییچینگ و منابع تغذیه بسیار کاربردی است.
- محافظت در برابر تغییرات جریان: سلف‌ها با جلوگیری از تغییرات ناگهانی جریان، نقش محافظتی در مدارها ایفا می‌کنند. به همین دلیل، در مدارهای محافظ و منابع تغذیه که به پایداری جریان نیاز دارند، استفاده می‌شوند تا از آسیب دیدن دستگاه‌ها جلوگیری کنند.
عوامل مؤثر بر اندوکتانس و ولتاژ سلف
مقدار اندوکتانس سلف به ساختار آن بستگی دارد که شامل تعداد دور سیم‌پیچ، سطح مقطع و طول هسته می‌شود. همچنین، ولتاژ ایجاد شده در سلف به ضریب القاگر (اندوکتانس) و نرخ تغییر جریان بستگی دارد.
رابطه بین ولتاژ () و جریان () در یک سلف با اندوکتانس () به صورت زیر بیان می‌شود:
این معادله نشان می‌دهد که هر چه تغییر جریان نسبت به زمان () سریع‌تر باشد، ولتاژ بیشتری در سلف القا می‌شود. به همین دلیل، سلف‌ها در برابر تغییرات ناگهانی جریان مقاومت می‌کنند.
سلف ایده‌آل
بهترین حالت برای یک سلف زمانی است که هیچ مقاومتی نداشته باشد، اما این یک سلف آرمانی (ایده‌آل) است و در واقعیت وجود ندارد.
انواع سلف‌ها
سلف‌ها بر اساس کاربرد و نیازهای مدار، انواع مختلفی دارند:
- سلف‌های هسته هوا: در این نوع سلف، از هوا به عنوان هسته استفاده می‌شود. این سلف‌ها معمولاً در مدارهای فرکانس‌های بالا کاربرد دارند.
- سلف‌های هسته فرومغناطیس: این سلف‌ها دارای هسته‌ای از جنس مواد فرومغناطیسی مانند آهن هستند و برای کاربردهای فرکانس پایین مناسب می‌باشند.
- سلف هسته آهن: این سلف‌ها دارای هسته آهنی هستند که باعث افزایش اندوکتانس و بهبود عملکرد سلف می‌شود. این نوع سلف‌ها در کاربردهای قدرتی و فرکانس پایین استفاده می‌شوند.
- سلف هسته فریت: این نوع سلف‌ها دارای هسته فریتی هستند که باعث کاهش تلفات هسته و افزایش اندوکتانس می‌شود. این سلف‌ها در کاربردهای فرکانس بالا و مدارهای تنظیم استفاده می‌شوند.
- سلف‌های SMD: این سلف‌ها به دلیل طراحی کوچک و قابلیت نصب سطحی (Surface Mount Device) برای استفاده در دستگاه‌های با فضای محدود و تکنولوژی‌های SMD مناسب هستند و در مدارات چاپی و دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل به کار می‌روند.
عمل القای جریان الکتریکی
عمل القای جریان الکتریکی، نتیجه پدید آمدن میدان مغناطیسی در اطراف سیمی است که جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند. جریان الکتریکی عبوری از سیم، شار مغناطیسی متناسب با جریان ایجاد می‌کند؛ بنابراین، هر تغییری در این جریان الکتریکی، ولتاژی می‌سازد که با تغییر جریان الکتریکی مخالفت کرده و مانع آن می‌شود. این ولتاژ که با واحد “ولت” سنجیده می‌شود، به صورت حاصل‌ضرب القاوری القاگر در مشتق جریان الکتریکی نسبت به زمان محاسبه می‌شود:
در این رابطه، جریان الکتریکی () بر حسب آمپر و القاوری () بر حسب هنری محاسبه می‌شود. القاوری یک ویژگی مدار الکتریکی است که مشخص می‌کند با گذر یک شدت جریان معین از القاگر، چه مقدار شار مغناطیسی ایجاد می‌شود.
هر سیم یا ماده رسانایی، هنگامی که جریان الکتریکی از درونش می‌گذرد، تولید میدان مغناطیسی می‌کند؛ اما در ساخت القاگرها از شکل‌ها و هسته‌های گوناگون استفاده می‌شود تا میدان مغناطیسی ساخته‌شده را تقویت کنند. پیچیدن سیم باعث افزایش تعداد خط‌های شار مغناطیسی می‌شود که به مدار متصل‌اند و باعث افزایش القاوری می‌شود. هرچه تعداد دورهای القاگر بیشتر باشد، خاصیت مغناطیسی آن نیز بالا می‌رود. راه دیگر افزایش القاوری در القاگر، انتخاب هسته مناسب است؛ برای مثال، استفاده از مواد فرومغناطیس مانند آهن و پیچیدن سیم به دور آن‌ها باعث افزایش چشمگیر خط‌های شار مغناطیسی می‌شود. انتخاب هسته‌ای با تراوایی مغناطیسی بالا باعث چندهزار برابر شدن خاصیت القاوری القاگر می‌شود.
سلف با هسته فریت
یکی از پرکاربردترین سلف‌ها در الکترونیک، سلف هسته فریت (Ferrite Core Inductor) است. ماده هسته فریت، ترکیبی از اکسید آهن و فلزات دو ظرفیتی مانند سرب، نیکل، کبالت و فلزات مشابه دیگر است. فریت‌ها در حالت کلی دو نوع هستند: فریت‌های نرم و فریت‌های سخت.
هسته فریت در فرکانس‌های بالا تلفات پایینی دارد و به همین علت در منابع تغذیه سوئیچینگ، هم برای هسته سلف و هم برای هسته ترانسفورماتورها از فریت استفاده می‌شود. از جمله سلف‌های هسته فریت می‌توان به سلف بشکه‌ای اشاره کرد.
