Υπάρχουν τρεις τύποι παθητικών στοιχείων στα ηλεκτρονικά κυκλώματα: αντιστάσεις, πυκνωτές και επαγωγείς, μεταξύ των οποίων τα επαγωγικά μπορεί να είναι τα πιο περίεργα κατ' αρχήν. Το φαινόμενο της επαγωγής ανακαλύφθηκε από τους Michael Faraday και Joseph Henry τη δεκαετία του 1830: Ο Faraday ανακάλυψε ότι ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο μπορεί να προκαλέσει ρεύμα. Ο Henry μελέτησε ανεξάρτητα το φαινόμενο της «αυτοεπαγωγής», το οποίο αναφέρεται στην επαγωγή ρεύματος σε έναν αγωγό μέσα του.
Προτού οι άνθρωποι κατανοήσουν πλήρως την ηλεκτρομαγνητική, ήταν μυστήριο ότι απλώς τυλίγοντας ένα καλώδιο σε ένα πηνίο θα μπορούσε να αλλάξει τις ηλεκτρικές του ιδιότητες. Στις πρώτες μέρες του ραδιοφώνου, οι λάτρεις των DIY χρησιμοποιούσαν μια μαγνητική ράβδο ή έναν χάρτινο σωλήνα μήκους μόνο λίγων ιντσών, τυλιγμένο με δεκάδες στροφές σύρματος για να φτιάξουν επαγωγείς πηνίου συντονισμού, για να συναρμολογήσουν ραδιόφωνα τρανζίστορ.
Το σχηματικό σύμβολο ενός επαγωγέα βασίζεται στο σχεδιασμό της φυσικής του εμφάνισης (Εικόνα 1). Οι τύποι επαγωγέων περιλαμβάνουν κοίλο, σιδερένιο πυρήνα και μεταβλητό.
Εικόνα 1: Οι επαγωγείς (δεξιά σχήμα) σχηματίστηκαν αρχικά από σύρματα τυλιγμένα γύρω από έναν κοίλο σωλήνα ή σιδερένιο πυρήνα. Τα αντίστοιχα σύμβολα αρχής φαίνονται στο σχήμα (αριστερή εικόνα). (Πηγή εικόνας: Hackatronic. com)
Η επαγωγή είναι ένα χαρακτηριστικό ενός αγωγού και λόγω της επίδρασης του μαγνητικού του πεδίου, το ρεύμα που διέρχεται από τον αγωγό συχνά αλλάζει. Ως εκ τούτου, οι επαγωγείς αναφέρονται μερικές φορές ως τσοκ επειδή μπορούν να «πνίξουν» τις αλλαγές στο ρεύμα. Η σχέση μεταξύ της επαγωγής (L) και του ρυθμού μεταβολής της τάσης (V) και του ρεύματος (I) μπορεί να εκφραστεί με μια απλή εξίσωση: V=L (dI/dt).
Αν και τα επαγωγικά πηνία περιέλιξης εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ευρέως, δεν είναι πλέον κατάλληλα για πολλά κυκλώματα σήμερα. Μπορεί να είναι πολύ μεγάλα, να μην μπορούν να παρέχουν τις απαιτούμενες τιμές, να παρουσιάζουν ανεπιθύμητα παρασιτικά αποτελέσματα, να έχουν υψηλή αντίσταση DC (DCR) και να παρουσιάζουν υποβάθμιση της απόδοσης σε υψηλότερες συχνότητες. Σε σύγκριση με τους πρώιμους λάτρεις του ραδιοφώνου DIY, έτοιμοι επαγωγείς περιτυλίγματος για εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων (RF) με διαστάσεις μικρότερες από 1 τετραγωνικό χιλιοστό (mm2) είναι τώρα διαθέσιμοι για αγορά.
Σύγχρονα πηνία για μετατροπείς ισχύος
Αν και τα επαγωγικά έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο, ακόμη και τα βελτιωμένα πηνία έχουν ελλείψεις στην απόδοση και το μέγεθος για τα σύγχρονα κυκλώματα. Οι σύγχρονοι επαγωγείς ισχύος είναι εξαρτήματα ακριβείας που έχουν μοντελοποιηθεί προσεκτικά, με τις βασικές και δευτερεύουσες παραμέτρους τους πλήρως καθορισμένες και τις ιδιότητές τους βελτιστοποιημένες σύμφωνα με διαφορετικές προτεραιότητες εφαρμογής.
Επιπλέον, οι προμηθευτές έχουν αναπτύξει νέα υλικά για την κάλυψη των αναγκών διαφορετικών τοπολογιών τροφοδοσίας μεταγωγής, όπως μετατροπείς πρωτεύοντος πηνίου με ένα άκρο (SEPIC), μετατροπείς Ć uk (ονομάζονται από τον εφευρέτη τους Slobodan Ć uk) και διάφορες διαμορφώσεις buck boost.
Οι περισσότεροι από αυτούς τους επαγωγείς χρησιμοποιούν προηγμένα υλικά φερρίτη και σκόνης και τα χαρακτηριστικά τους έχουν ρυθμιστεί προσεκτικά. Αυτοί οι επαγωγείς έχουν εξαιρετικά χαμηλό DCR (βελτιώνοντας σημαντικά την τιμή της αυτεπαγωγής Q - την τυπική τιμή για τη μέτρηση της απόδοσης της επαγωγής) και ομαλή κύλιση αυτεπαγωγής. Το τελευταίο αναφέρεται στον βαθμό στον οποίο η πραγματική τιμή αυτεπαγωγής μειώνεται ή "εκτυλίσσεται" λόγω κορεσμού του μαγνητικού πυρήνα καθώς αυξάνεται το ρεύμα συνεχούς ρεύματος, παρόμοια με την απόκριση συχνότητας roll off ενός φίλτρου.
Οι επαγωγείς που χρησιμοποιούνται σε τροφοδοτικά συνήθως πρέπει επίσης να έχουν σχετικά υψηλές ονομαστικές δυνατότητες χειρισμού ρεύματος, συνήθως σε δεκάδες αμπέρ. Αυτή η παράμετρος δεν ορίζεται από μία μόνο τιμή, αλλά από πολλαπλές τιμές όπως το μέσο τετραγωνικό ρεύμα ρίζας (Irms), το ρεύμα αιχμής (Ipeak) και το ρεύμα κορεσμού (Isat). Οι επαγωγείς που παρέχονται από τον κατασκευαστή θα έχουν διαφορετικούς συνδυασμούς ονομαστικού ρεύματος και άλλες αναφορές παραμέτρων ανώτατου επιπέδου για να πληρούν τις απαιτήσεις προτεραιότητας διαφόρων δομών τοπολογίας.
Ο κατασκευαστής έχει επίσης αναπτύξει προηγμένα υλικά και τεχνολογία επιφανειακής τοποθέτησης (SMT) (Εικόνα 2) που μπορούν να αντέξουν τη σχετική θερμότητα χωρίς να διακυβεύεται η απόδοση ή η αξιοπιστία. Ο τύπος θωράκισης βοηθά στην ελαχιστοποίηση των προβλημάτων παρεμβολών ραδιοσυχνοτήτων (RFI) σε ευαίσθητες εφαρμογές.
Εικόνα 2: Τα πηνία SMT υψηλής ισχύος μπορούν τώρα να παρέχουν διάφορα εκπληκτικά μικρά μεγέθη χωρίς να επηρεάζουν την απόδοση. (Πηγή εικόνας: Eaton)
Η σειρά μορφοποιημένων επαγωγών HCM/HPAL από το τμήμα Eaton Electronics αντικατοπτρίζει την εξέλιξη και τη διαφοροποίηση αυτών των επαγωγέων βελτιστοποιημένων με μετατροπείς. Και οι δύο σειρές χρησιμοποιούν προηγμένα υλικά πηνίου, τα οποία χαρακτηρίζονται από ανθεκτικότητα, υψηλό ρεύμα και χαμηλό EMI. Η διαμορφωμένη δομή τους μπορεί να παρέχει απαλή επαγωγή σε διάφορα εύρη ονομαστικού ρεύματος.
Οι συσκευές της σειράς HCM και HPAL διατίθενται σε διάφορα μεγέθη, αλλά οι όγκοι τους είναι σχετικά μικροί.
Για να διασφαλιστεί η αξιοπιστία και η στιβαρότητα, η ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας των συσκευών HCM/HPAL είναι -55 έως 125 ° C (θερμοκρασία περιβάλλοντος συν αύξηση θερμοκρασίας από μόνη της) και περιέχουν αναστολείς σκουριάς που βοηθούν στην πρόληψη της σκουριάς της επιφάνειας λόγω υγρού περιβάλλοντος (επίπεδο MSL 1).
Η σειρά HCM χρησιμοποιεί προηγμένη πεπιεσμένη σκόνη σιδήρου με εξαιρετική απόδοση Isat, η οποία φαίνεται σε δύο αντιπροσωπευτικές συσκευές, τις HCM0503V2-R68-R και HCM0503V2-4R7-R. Το HCM0503V2-R68-R είναι ένας μη θωρακισμένος επαγωγέας DCR 680 nanohenries (nH), 8 milliohms (m Ω) με συχνότητα λειτουργίας έως και 1 megahertz (MHz). Το μέγεθός του είναι μόνο 5,7 × 5,4 × 3,0 mm, με ονομαστικό ρεύμα 10 αμπέρ (Α) (Irms)/12 αμπέρ (Isat). Το HCM0503V2-4R7-R χρησιμοποιεί το ίδιο μέγεθος συσκευασίας, αλλά είναι κατάλληλο για καταστάσεις που απαιτούν μεγαλύτερη αυτεπαγωγή. Είναι μια μη θωρακισμένη συσκευή 4,7 µ H, 47 m Ω με ονομαστικό ρεύμα 4,1 A (Irms)/6 A (Isat).
Αντίθετα, οι επαγωγείς HPAL χρησιμοποιούν σκόνη κράματος για να επιτύχουν χαμηλότερο DCR και υψηλότερο Irms διατηρώντας παράλληλα χαμηλότερες απώλειες πυρήνα. Το εύρος ισχύος αυτής της σειράς επαγωγέων είναι από 0,15 μ H έως 10 μ H και το ρεύμα είναι από 4,5 A έως 40 A. Έχει λειτουργία ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης (EMI), η οποία είναι ζωτικής σημασίας σε ορισμένες εφαρμογές. Παραδείγματα συσκευών περιλαμβάνουν HPAL1V0630-R47-R (ένας επαγωγέας 470 nH, 4,1 m Ω με ονομαστική τιμή 18 A (Irms) και 20 A (Isat)) και HPAL1V0630-8R2-R (ένας επαγωγέας 8,2 µ H, 55 m Ω A.5) και συχνότητα επαγωγής 55 m Ω 5. (Isat)).
Το γράφημα στο Σχήμα 3 δείχνει τη σχέση roll off μεταξύ της ονομαστικής αυτεπαγωγής, του ρεύματος συνεχούς ρεύματος και της θερμοκρασίας του επαγωγέα HPAL1V0630-8R2-R.