Induktivitäten - wofür werden sie verwendet? [geschlossen]

Wann werden Induktivitäten wirklich eingesetzt? Ich habe gelesen, dass die Elemente aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften in der Regel nur schwer in Schaltungen zu implementieren sind. Ich habe auch gelesen, dass es eine Implementierungsmethode gibt, bei der Induktoren in Schaltkreisen platziert werden und sich in einer Ebene um sich selbst wickeln, aber dies ist anscheinend nicht sehr verbreitet.

Ich habe Induktivitäten gesehen, die ein bisschen in einigen drahtlosen Anwendungen verwendet wurden, aber sonst nicht viel. Ich weiß, dass Induktivitäten in Filtern verwendet werden können, aber auch Kondensatoren, die viel genauer und leichter verfügbar sind.

Kurz gesagt, was wirklich Induktivitäten verwendet für ?

Gute Frage .. eine häufige Verwendung ist in einem Filter. Ein Kondensator lässt ein Hochfrequenzsignal leicht durch, widersteht jedoch Niederfrequenzsignalen. Während ein Induktor das Gegenteil tut: Er lässt Niederfrequenzen leicht durch und verhindert Hochfrequenzen. Tatsächlich befindet sich in den meisten Lautsprechergehäusen eine Induktivität, mit der der Tieftöner die Niederfrequenzenergie an den Tieftöner abgibt, während der Hochtöner mit einem Kondensator die Hochfrequenzenergie an den Hochtöner abgibt.

Der Grund für die Verwendung eines Induktors besteht darin, dass er die Hochfrequenzenergie nicht "verbraucht" oder "verschwendet", sondern nur am Durchgang hindert, sodass Energie stattdessen durch den Kondensator zum Hochtöner gelangen kann.

Im Allgemeinen ist das Verhalten eines Induktors doppelt so hoch wie das eines Kondensators, sodass die meisten Funktionen, die eine erfordern, unter Verwendung der anderen implementiert werden können, jedoch in einer anderen Anordnung. Das stimmt aber nicht immer. Wenn Sie beispielsweise nur niederfrequente Energie empfangen möchten, können Sie einen Widerstand und anschließend einen Kondensator gegen Masse schalten. Die Hochfrequenzenergie wird durch den Kondensator "kurzgeschlossen" und lässt den größten Teil der Spannung über dem Widerstand (der das Hochfrequenzsignal in Wärme umwandelt) ab, wobei über dem Kondensator nur eine sehr geringe Amplitude verbleibt. Das funktioniert gut, wenn Sie nur die Informationen benötigen. Es ist also in Ordnung, die Hochfrequenzenergie zu verschwenden. Bei Lautsprechern war es jedoch sehr mühsam, diese hohe Energie in die Lautsprecherbox zu befördern. Sie müssen also filtern ohne die Energie zu verlieren!

Dies führt zu einem grundlegenden Unterschied zwischen Widerständen und Kondensatoren und Induktivitäten. Widerstände wandeln die Spannung über ihnen mal den Strom durch sie in Wärme um. Kondensatoren und Induktivitäten jedoch nicht! Ideale Versionen wandeln keine der elektrischen Energie in Wärme um. Obwohl echte einen gewissen Prozentsatz der Spannung über ihnen in Wärme umwandeln, ändert sich dieser Prozentsatz mit der Frequenz der Spannung / des Stroms.

Eine andere übliche Verwendung von Induktivitäten sind Oszillatoren. Stellen Sie sich eine Induktivität und einen Kondensator vor, die an beiden Enden miteinander verbunden sind - es gibt eine Frequenz, bei der beide genau den gleichen Widerstand leisten! Das nennt man die Resonanzfrequenz der Kombination. Es stellt sich heraus, dass die Spannung des Kondensators nach dem Start den Strom in der Induktivität zum Fließen bringt, bis die Spannung Null erreicht. Jetzt möchte die Induktivität, dass dieser Strom weiter fließt, und lädt den Kondensator auf , aber auf die entgegengesetzte spannung hatte es vorher. Wenn der Strom Null erreicht, beginnt der Kondensator erneut, Strom zu treiben, und er baut sich auf. Aber in der entgegengesetzten Richtung wie zuvor. Und das Gleiche wiederholt sich.

Wenn die Induktivität und der Kondensator perfekt wären, würde dies für immer so bleiben. Aber beide verlieren ein bisschen Energie, verwandeln sich in Wärme. Daher sind die Spannungen und Ströme bei jeder Wiederholung geringer Oszillator ist dann ein Weg, um die verlorene Energie nach jedem Zyklus wieder aufzufüllen.

Die dritte häufige Verwendung ist als Energiespeicher, insbesondere beim Schalten von Stromversorgungen. In diesem Fall besteht die Funktion einer Gleichstromversorgung darin, kontinuierlichen Strom zu liefern. Es hat auch die Funktion, zwischen einer Eingangsspannungsquelle und der Ausgangsspannung zu wechseln, die versorgt wird. Die Tatsache, dass es Hochfrequenzen blockiert, kann wie folgt angesehen werden: Wenn sich die Spannung plötzlich ändert, ändert sich der Strom nicht. Vielmehr beginnt der Strom nur, sich zu ändern. Wenn Sie also die Spannung sehr schnell auf sehr hoch, dann auf null, dann auf sehr hoch und dann auf null ändern, steigt der Strom an und fällt wieder ab, aber solange Sie nur eine der beiden Spannungen für einen sehr kurzen Zeitraum belassen Kurzfristig ändert sich der Strom in keiner Richtung sehr. Wenn Sie es im gleichen Zeitraum hoch lassen, wie Sie es niedrig lassen, dann wird der Strom gemittelt und stabil bleiben. Wenn dieser Strom mit dem Strom übereinstimmt, der aus dem Netzteil entnommen wird, bleibt die Ausgangsspannung des Netzteils konstant. Stellen Sie sich nun vor, Sie lassen die Hochspannung etwas länger als Masse anliegen - der Strom steigt im Laufe vieler Wiederholungen langsam an .. und umgekehrt. Wenn die Last weiterhin denselben Strom aufnimmt, steigt die Ausgangsspannung der Versorgung langsam an, da der zusätzliche Strom den Kondensator zwischen Ausgang und Masse auflädt. So verwendet ein Schaltnetzteil eine Induktivität, um eine große Eingangsspannung in eine kleinere Ausgangsspannung umzuwandeln. Es gibt eine Schaltung, die die Ausgangsspannung erfasst und mit der gewünschten Spannung vergleicht und die Zeit einstellt, in der der Induktivität die hohe Eingangsspannung gegenüber Masse zugeführt wird.

Dies sind die einzigen drei gebräuchlichen Verwendungen. Einige exotische Schaltkreise verwenden jedoch die Übertragungsfunktion eines Induktors auf ungewöhnliche Weise (z. B. bei älteren Radargeräten als Teil eines "Lenkkreises", um zu verhindern, dass ausgehende Energie den empfindlichen Empfänger ausbläst ). Siehe auch "Gyrator", der einen Kondensator wie eine Induktivität aussehen lässt (und umgekehrt)!

In einem Kondensator gespeicherte Energie tritt in der entgegengesetzten Richtung, aus der sie eingegangen ist, wieder aus.

In einem Induktor gespeicherte Energie tritt in der gleichen Richtung aus, in der sie eingespeist wurde .

Auf diese Weise können Sie resonante LC-Schaltkreise aufbauen, in denen zwischen einem Kondensator und einer Induktivität bei einer bestimmten Frequenz Energie zirkuliert: Dies ist die traditionelle Grundlage eines Funkempfängerschaltkreises.

LC-Filter können durch das durchgelassene Signal weniger Energie verlieren als RC-Filter.

Sie können auch nahezu verlustfreie Spannungswandler für "Boost" und "Buck" bauen, indem Sie Stromimpulse in eine Induktivität senden und diese effektiv in einen bestimmten Ziel-DC-Wert filtern.

Betrachten wir auch die Geräte, bei denen ein Induktor (eine Drahtspule) zum Funktionieren verwendet wird. Ich bin mir sicher, dass Sie diese Dinge schon einmal gesehen haben.

Relais, Magnetspulen, Lautsprecher (einschließlich Kopfhörer), Mikrofone mit beweglichen Spulen, Transformatoren, Elektromagnete, Motoren usw.

Nur ein paar Beispiele.

Betrachten Sie diesen vereinfachten Schaltregler:

Die an den MOSFET Q1 angelegte Rechteckwelle zerlegt Vin in eine Rechteckwelle und legt sie an das L1-C1-Filter an. (D1 klemmt die Induktorspannung während der Ausschaltzeit von Q1 und verhindert, dass der Schaltknoten in Bezug auf den Ausgang übermäßig negativ wird.) Der Durchschnitt dieser Rechteckwelle ist die Energie, die der Last bereitgestellt wird, die meisten Lasten jedoch nicht wie pulsierender Gleichstrom mit scharfen Kanten. Der Induktor verlangsamt die Anstiegsrate des Stroms auf einen viel niedrigeren Wert und speichert Energie, so dass er, wenn der Schalter ausgeschaltet ist, Energie an den Kondensator und die Last abgibt. Der Kondensator sieht zu jeder Zeit einen gesteuerten Ladestrom, unabhängig vom Zustand von Q1, wodurch der Ausgang in enger Näherung an Gleichstrom (ein sehr kleines dreieckiges Wechselstromsignal, das auf einem Gleichstromsignal beruht) liegt.

Diese Kombination aus Stromfilterung (vom Induktor bereitgestellt) und Spannungsfilterung (vom Kondensator bereitgestellt) verwandelt die Rechteckwelle in einen angemessenen Gleichstromausgang. Ohne die Induktivität, die die Lade- und Entladerate von C1 steuert, wäre der Ausgang dem Rechteckwelleneingang des Reglers nicht unähnlich, wobei ein starker Strom entnommen wird, wenn der Kondensator abrupt auf Vin aufgeladen wird, wenn Q1 eingeschaltet ist, und eine schnelle Entladung, wenn Q1 ist ausgeschaltet, da keine Stromquelle vorhanden ist, die dazu beiträgt, die Spannung an C1 aufrechtzuerhalten.

Jedes Mal, wenn Sie zwei Knoten mit unterschiedlichen Spannungen verbinden möchten, müssen Sie den Strom irgendwie begrenzen, da sonst große Spannungsspitzen auftreten. Induktivitäten begrenzen den Stromfluss, ohne ihn wie einen Widerstand (zum größten Teil) als Wärme zu verbrennen. Anstatt einen kurzen, großen Stromimpuls zu erhalten, wird im Wesentlichen derselbe durchschnittliche Strom über einen längeren Zeitraum verteilt. Dies senkt den Effektivwert der gesamten Leistungsübertragung und verringert die Wärmeverluste und das EMI / RFI-Rauschen.

Übliche Anwendungen hierfür sind Netzteile , einschließlich DC / DC-Wandler , AC / DC-Wandler , AC / AC-Wandler und DC / AC-Wandler . Grundsätzlich besteht jedes Mal, wenn Sie von einer Spannung in eine andere umwandeln möchten, die Gefahr, dass beim Herstellen der Verbindung große Stromspitzen auftreten. Induktivitäten begrenzen den Stromfluss und eliminieren diese Spitzen.

Drosseln eignen sich auch zum Filtern von unvorhersehbaren Signalen, um zu verhindern, dass unerwartete Stromspitzen die Geräte beeinflussen. Dieser Induktortyp ist je nach Bedarf in vielen Größen erhältlich.

Induktivitäten werden in einfachen Worten verwendet für

1. Induzierte EMF (für Generatoren, Rückspeisungen, Transformatoren).
2. Magnetismus

Der ganze Zweck ist die Induktivität, dh der Magnetismus, und daher variiert der Kern. Sie müssen dies aus physikalischer Sicht betrachten, und die Antwort starrt Sie direkt an. Elektronik ist lediglich die Anwendungsseite.