Bobine d'induction et son application pratique en électronique

Malgré l'utilisation généralisée des circuits numériques, tels que les processeurs, les circuits logiques programmables et les SoC qui sont leur combinaison, le constructeur électronique doit souvent utiliser des éléments "analogiques", tels que des résistances, des condensateurs ou des inductances. Fait intéressant, s'il est relativement facile de fabriquer une résistance ou un condensateur (d'une capacité de l'ordre du picofarad) dans un châssis de circuit intégré, il est très difficile de fabriquer une bobine. Pour cette raison, de nombreux composants incluent encore une inductance qui est connectée en tant que composant externe dans les notes d'application. L'article fournit des informations de base sur les bobines et décrit leurs éléments de construction qui affectent les paramètres.

CONSTRUCTION D'UNE BOBINE D'INDUCTION

bobine d'induction ce n'est pas un élément compliqué. Il se compose d'un noyau et de bobines conductrices isolées enroulées autour de celui-ci. Le noyau de la bobine peut être suspendu dans l'air ou constitué de matériaux magnétiques. Il est important que les bobines enroulées autour du noyau soient isolées, donc soit un fil isolé est utilisé pour fabriquer les bobines, soit elles sont enroulées avec un fil non isolé (par exemple, un fil dit d'argent), mais avec un entrefer approprié qui assurent la séparation requise de la bobine de la bobine. Si la bobine est enroulée avec un fil non isolé, la bobine de la bobine est court-circuitée, et oui, elle aura une certaine inductance, mais certainement différente de celle attendue.

Souvent dans la pratique, à la suite d'un dépassement de la température ou de la tension admissible, le bobine d'induction est endommagé, ce qui consiste en un court-circuit entre les enroulements dû à la rupture de l'isolation du fil de l'enroulement. Une telle bobine d'induction endommagée doit être rembobinée ou remplacée par une nouvelle. Les transformateurs de réseau sont souvent endommagés de cette manière. L'utilisation ultérieure d'un tel transformateur endommagé peut entraîner sa surchauffe, un court-circuit dans le réseau électrique, voire l'inflammation du transformateur lui-même ou de l'appareil fourni avec celui-ci.

QU'EST-CE QU'UNE BOBINE D'INDUCTION ?

bobine d'induction C'est un élément qui stocke l'énergie dans le noyau sous la forme d'un champ magnétique, et convertit ainsi l'énergie du courant électrique en énergie du champ magnétique ou vice versa. Le changement de courant circulant dans les enroulements génère une force électromotrice dans la direction qui contrecarre ce changement. De même, un champ magnétique alternatif pénétrant dans le noyau induit une tension. Avec l'aide de la formule, il peut être exprimé comme suit:

Dans cette formule :

• e – est la force électromotrice (tension en volts) produite par la bobine
• dϕ/dt\ – est la variation du flux magnétique dans le temps,
• di/dt \ – est la variation du courant dans le temps,
• L\ – est le paramètre de bobine appelé inductance ; son unité est Henr.

Il est facile de remarquer la caractéristique mentionnée ci-dessus - la force électromotrice e a le sens opposé à la tension qui fait circuler le courant. Cela contrecarre les changements soudains du courant traversant la bobine et conduit à l'une de ses applications de base : l'utilisation d'un inducteur tel que le soi-disant boîte à garniture.

BOBINE D'INDUCTION – PARAMÈTRES DE BASE

Les paramètres de base d'une bobine sont son inductance et sa fréquence de résonance. L'inductance est la capacité d'une bobine à stocker de l'énergie sous la forme d'un champ magnétique provoqué par le flux de courant. L'inductance est mesurée en Henrach et est exprimée comme le rapport de la tension instantanée au changement de courant dans le temps.

Courbes de chute de courant et de tension aux bornes d'une inductance. La chute est maximale à la mise sous tension et diminue avec le temps. Cette baisse compense l'augmentation du courant et donc l'ampérage est au plus bas lorsque la puissance est appliquée et augmente avec le temps. On dit souvent que la tension dans la bobine est en avance sur le courant.

La figure ci-dessus montre ce qu'il advient de la tension de la bobine et du courant qui la traverse lorsqu'une source de tension est connectée à ses bornes. La ligne rouge continue indique le débit actuel. Comme on peut le voir, le courant augmente à partir du moment où la source est connectée jusqu'à ce que la valeur maximale définie par la loi d'Ohm soit atteinte, c'est-à-dire le rapport entre la tension aux bornes et la résistance de la source. bobine. La ligne bleue en pointillés montre la chute de tension à travers la bobine. Comme on peut le voir, cette chute est plus importante à la mise sous tension et moindre après que le courant a atteint sa valeur maximale. Ceci est dû au fait que la tension d'induction est de sens opposé à celle appliquée aux bornes.

La fréquence de résonance de la bobine a été écrite lors de la discussion des paramètres de bobine non idéaux, car elle est liée à la capacité parasite.

Matériau du noyau et perméabilité magnétique relative

Le noyau est un élément très important de la bobine d'induction. Le noyau est caractérisé par le type de matériau utilisé et la perméabilité magnétique relative qui lui est associée. Relatif, puisqu'il est déterminé par rapport à la perméabilité au vide. C'est un nombre sans dimension défini comme le rapport entre la perméabilité magnétique (absolue μ ) d'un milieu donné et la perméabilité magnétique du vide μ₀.

Par définition, la perméabilité magnétique est une quantité qui détermine la capacité d'un matériau ou d'un milieu donné à modifier l'induction magnétique lorsque l'intensité du champ magnétique change. Sinon, on peut aussi dire que la perméabilité est une propriété d'un matériau ou d'un milieu qui détermine sa capacité à concentrer les lignes de champ magnétique.La perméabilité magnétique du vide selon les données publiées en 2002 par le Comité des données pour la science et la technologie (CODATA) est un scalaire marqué du symbole μ₀ et dont la valeur SI est μ₀ = 4·Π·10^-7= okolo 12,566370614 10^-7 [H/m = V s/A m].

L'inductance de la bobine s'exprime par la formule :

En termes de propriétés magnétiques, les matériaux sont divisés en paramagnétiques (qui deviennent des aimants lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique), ferromagnétiques (qui s'aimantent en présence d'un champ magnétique) et diamagnets (qui affaiblissent le champ magnétique). Le type de matériau du noyau influence grandement les paramètres de la bobine. Il n'y a pas de particules dans un vide parfait qui peuvent affecter la dépendance de l'induction à l'intensité du champ magnétique. Ainsi, dans chaque milieu matériel la formule d'inductance sera modifiée du fait de la présence de la perméabilité magnétique de ce milieu. Pour un vide, la perméabilité relative est exactement de 1. Pour les para-aimants, la perméabilité relative n'est pas très supérieure à 1, pour les dia-aimants, elle est légèrement inférieure à un ; pour les deux types de supports, la différence est si faible que, dans les applications techniques, on néglige souvent de prendre la valeur égale à 1 .

Résumons ce paragraphe en listant les paramètres de la bobine qui ont le plus d'impact sur son inductance :

• L'inductance de la bobine augmente avec :
  • nombre de tours,
  • la perméabilité relative du matériau de l'âme,
  • surface de la bobine,
  • diminution de la longueur de la bobine.

• L'inductance de la bobine diminue lorsque :
  • le nombre de tours est réduit,
  • la perméabilité relative du matériau d'âme diminue,
  • la surface diminue,
  • augmente la longueur de la bobine.

A quoi servent les noyaux ? La première raison est que plus d'énergie peut être stockée avec moins de tours que l'équivalent à noyau d'air. La seconde est la structure mécanique de la bobine : le noyau fournit le squelette des bobines et leur montage sur le dispositif cible. La troisième raison importante est la concentration et la conduction du champ magnétique. Dans certaines applications, il sera également important de pouvoir régler l'inductance de la bobine en modifiant la position du noyau par rapport aux spires, par exemple en le faisant coulisser vers l'intérieur ou l'extérieur.

BOBINE IMPARFAITE

Jusqu'à présent, nous avons considéré les paramètres d'une bobine idéale. Pendant ce temps, dans des conditions réelles, le fil de bobinage aura une certaine résistance et une certaine capacité, ce qui affectera les paramètres réels de la bobine, que nous n'avons pas encore pris en compte.La figure montre le diagramme CC équivalent d'une bobine réelle. Une résistance représentant la résistance du bobinage du fil est connectée en série avec les spires. Lorsque le courant circule dans la bobine, cela provoque non seulement une chute de tension, mais également une perte de puissance sous forme de chaleur, ce qui peut entraîner un échauffement de la bobine et modifier les paramètres du noyau. En conséquence, l'efficacité énergétique de l'ensemble de l'appareil diminue également.

Schéma de principe équivalent d'une bobine pour l'analyse DC

Lors de l'analyse du courant alternatif, il faut également tenir compte de la capacité parasite créée par les couches isolées du conducteur, et donc dans le schéma de substitution, en plus de la résistance, il y a aussi un condensateur connecté en parallèle aux bornes de la bobine. . Cela crée un circuit RLC résonnant, la bobine elle-même étant inductive avant que la fréquence de résonance ne soit atteinte et capacitive lorsqu'elle est atteinte. Par conséquent, l'impédance de la bobine augmente à la fréquence de résonance pour atteindre la valeur maximale à la résonance et diminue lorsqu'elle la dépasse.

Le changement de la nature de la bobine réelle après avoir atteint la fréquence de résonance. Marquages ​​sur le schéma équivalent : L – inductance, EPC – capacité parasite, EPR – résistance parallèle symbolisant les pertes de puissance, ESR – résistance série symbolisant la résistance du fil bobiné)

Trois types de pertes de puissance dans les inducteurs.

Il existe trois principaux types de perte de puissance dans les applications de bobines. Le premier est la perte de résistance série mentionnée ci-dessus, c'est-à-dire la résistance du fil d'enroulement. Cette perte de puissance doit être prise en compte notamment lorsque le courant traversant la bobine est important. La plupart du temps, nous en traitons dans les alimentations et les circuits de puissance. Ce type de perte provoque un échauffement de la bobine et, par conséquent, de l'ensemble de l'appareil. C'est également la cause la plus fréquente de panne, car les températures élevées peuvent endommager l'isolation et court-circuiter les bobines.

Le deuxième type de perte d'énergie est la perte de noyau. Ils apparaissent à la suite d'un fonctionnement irrégulier du noyau, de courants de Foucault et de changements de position des domaines magnétiques. Ces pertes sont dominantes lorsque le courant traversant la bobine est faible. Ils peuvent être trouvés dans les circuits haute fréquence, les séparateurs de signaux numériques et autres. Il ne cause pas autant de dommages aux bobines que de problèmes de perte de niveau de signal dans les circuits sensibles.

Le troisième type de perte de puissance est la perte de flux magnétique qui peut être dissipée par des fixations mécaniques, des entrefers dans le noyau ou la bobine elle-même.

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POUR TERMINER

Un inducteur est un composant simple et donc peut-être un peu bâclé. Pendant ce temps, lors de la construction d'un circuit électronique équipé d'inducteurs ou de transformateurs, une attention particulière doit être accordée aux composants inductifs sélectionnés, y compris leurs fréquences de résonance et les paramètres du matériau de base. Différents cœurs sont utilisés à une fréquence actuelle de dizaines ou de centaines de hertz, et d'autres sont utilisés à des centaines de mégahertz et plus. Parfois, avec des signaux à haute fréquence, une section de câble avec une perle de ferrite filetée est suffisante.

Les inducteurs peuvent être fabriqués de différentes manières. Généralement, plusieurs à plusieurs centaines de tours de fil sont enroulés sur le noyau. Dans certaines applications, les spires sont réalisées sous forme de traces sur le circuit imprimé, les enfermant parfois dans une coupelle en ferrite. Aujourd'hui, la plupart des bobines, en particulier les bobines utilisées dans les circuits de puissance, sont conçues pour un montage SMD. Dans le même temps, la course technologique se poursuit et de nouveaux matériaux magnétiques sont constamment développés, qui conservent leurs propriétés malgré l'augmentation de la température, ont des pertes moindres, etc.

Une bobine conçue pour un fonctionnement à basse fréquence a généralement un noyau de fer et un grand nombre de spires, et est donc relativement lourde. Par conséquent, dans de nombreuses applications, en particulier celles exposées aux chocs et impacts, la méthode de montage est d'une grande importance. Souder la bobine ne suffit généralement pas - son noyau doit être fixé plus solidement avec une pince, des poignées ou des vis. Lors du choix d'une bobine ou d'un transformateur pour l'appareil, il convient d'en tenir compte.

L'UTILISATION DES BOBINES EN ÉLECTRONIQUE

Les bobines sont utilisées pour :

• bloquer la circulation du courant alternatif dans le circuit,
• courant de court-circuit (tension),
• mesure du temps qui passe en fonction de la disparition du flux de courant,
• construction de circuits oscillants,
• construction de filtres pour des fréquences spécifiques,
• couplage d'étages amplificateurs,
• diminuer ou augmenter la tension.

Certaines applications de bobines sont similaires aux applications de condensateurs. Comme nous le savons déjà, la bobine se comporte comme un condensateur lorsqu'elle dépasse la fréquence de résonance. Cependant, cela ne signifie pas que ces éléments peuvent être utilisés de manière interchangeable dans le système. Nous vous encourageons à regarder la vidéo consacrée au sujet des inducteurs et à leur application en électronique :