Induktiivpool

Induktiivpooli sümbol elektriskeemides

Erinevaid induktiivpoole

Erinevaid induktiivpoole

Induktiivpool ehk pool on elektroonikakomponent, mida kasutatakse võnkeringide ja filtrite induktiivelemendina. Pooli põhiline tunnussuurus on induktiivsus.

Induktiivpooli, millega vähendatakse koormusahelas voolu vahelduvkomponenti või tõkestatakse teatud sagedusest kõrgemate sageduskomponentide edasipääsu, nimetatakse paispooliks ehk drosseliks.

Ehitus

Pool koosneb alusest ja sellele mähitud mähisest. Alusele mähitud poolidel võib olla üks või mitu mähist. Samuti võivad ühe mähise osad olla alusele mähitud sektsioneeritult või kindla keerusammuga.

Väikese induktiivsusega poolide puhul võib poolialus ka puududa. Kõrgsageduspoolid, mis on mähitud jämedamast vask- või hõbetraadist, võivad olla ka ilma aluseta (mähitud vastava jämedusega alusele ja seejärel alus eemaldatud).

Pooli mõõtmete vähendamiseks ja induktiivsuse suurendamiseks ning induktiivsuse sujuvaks reguleerimiseks teatud piirides kasutatakse suurt magnetilist läbitavust omavat südamiku (ferriit-, karbonüülsüdamik jt). Ülikõrgsageduspoolides kasutatakse induktiivsuse vähendamiseks mittemagnetmaterjalist alumiinium-, vask- ja valgevasksüdamikke.

Parasiitsidestuste tekkimise vältimiseks varjestatakse induktiivpoolid vask- või alumiiniumplekist varjega.

Mähiste liigid

Pooli mähise kuju ja mähkimisviisi alusel eristatakse järgmisi mähiseid:

• ühe- ja mitmekihiline tihemähis – mähitakse keerd keeru kõrvale ja vajadusel mähisekihid üksteise peale;
• samm-mähis – mähitakse traadi läbimõõdust suurema keerusammuga;
• sektsioonmähis – koosneb ühisele pikiteljele või alusele mitmest jadamisi mähitud ja omavahel ühendatud mähiseosast;
• ristmähis – mähise naaberkihtides olevad mähisekeerud on omavahel mähitud mingi nurga all;
• vabamähis – mähitakse vabalt (korrapäratult) aluse otsketaste ehk põskede vahele;
• sümmeetriline mähis – saadakse kahe juhtmega korraga mähkimisel, kui ühe juhtme lõpp ühendada teise juhtme algusega, ühendamiskoht on mähise keskharund ehk keskväljaviik.

Induktiivpooli tunnussuurused

• Induktiivsus $L\!$ on võrdeline mähise keerdude arvu ruuduga ning sõltub ka mähise kujust ning südamiku materjalist;
• Hüvetegur $Q\!$ on pooli induktiivtakistuse $\omega\!$$L\!$ ja poolis tekkiva kõrgsagedustakistuse $R\!$ suhe: $Q=\frac{\omega L}{R}$;
• Omamahtuvus $C_0\!$ sõltub mähise keerdudevahelisest hajumahtuvusest $C_L\!$;
• Induktiivsuse temperatuuritegur $\alpha _L\!$ näitab induktiivsuse suhtelist muutumist temperatuuri muutumisel 1 K võrra.

Südamikuta induktiivpoolid

Järgmiste valemite abil saab võrdlemisi täpselt arvutada südamikuta pooli induktiivsust ja keerdude arvu. Kõigis valemites on induktiivsus mikrohenrides (μH) ja poolide mõõtmed millimeetrites.

Ühekihiline tihemähisega induktiivpool

Ühekihilise tihemähisega induktiivpoole kasutatakse enamasti sagedusel üle 500 kHz. Mähis võib olla mähitud poolialusele tihedalt keerd keeru kõrvale või suurendatud sammuga, s.t mähis mähitakse traadi diameetrist suurema sammuga; mähise keerdude vahele jäävad siis vahed. Suurendatud sammuga poolid on väikese omamahtuvuse ja suure hüveteguriga ($Q\!$=150...400) ning stabiilsed.

Induktiivpoolide mõõtmed

Ühekihilise pooli induktiivsus

$L= \frac{0,001w^2D}{\frac{l_m}{D}+0,45},$

kus

• $w$ ‒ pooli keerdude arv;
• $D$ ‒ keeru läbimõõt, s.o poolialuse läbimõõdu $D_p$ ja traadi läbimõõdu $d$ summa;
• $l_m$ ‒ mähise pikkus.

Sellesama valemiga saab arvutada ka samm-mähisega ühekihilise pooli (solenoidi) induktiivsuse. Mähise samm

$s=\frac{l_m}{w-1}.$

Kui on tarvis leida nõutava induktiivsuse $L$ saamiseks vajalik keerdude arv $w$, võetakse lähteandmeteks pooli läbimõõt (keeru keskmine läbimõõt) $D$ ja pikkus $l_m$; siis keerdude arv

$w =\frac{ \sqrt{500L(2l_m+0,9D)}}{D}.$

Mitmekihiline induktiivpool

Mitmekihilise pooli induktiivsus

$L=\frac{0,001w^2 D}{\frac{1,12l_m}{D}+\frac{1,25h_m}{D}+ 0,375},$

kus

• $w$ ‒ mähise keerdude arv;
• $D$ ‒ mähise keskmine läbimõõt;
• $l_m$ ‒ mähise pikkus;
• $l_h$ ‒ mähise kõrgus.

Traadi kindla pikkuse korral saadakse suurima induktiivsusega pool sel juhul, kui $\frac {D}{h_m} = 3$ ja $h_m = l_m$. Niisuguse, optimaalse kujuga pooli aktiivtakistus on väiksem kui mistahes muu kujuga poolil. Optimaalse kujuga pooli keerdude arv tarviliku induktiivsuse saamiseks on leitav lihtsa valemiga

$w= 35\sqrt{\frac{L}{D}}.$

Et mähise mõõtmed olenevad keerdude arvust, ei saa neid mõõtmeid täpselt ette anda. Seepärast tuleb keerdude arv leida järkjärgulise lähendamise teel: arvutada orienteeriv keerdude arv mähise eeldatavate mõõtmete alusel, siis täpsustada mõõtmeid $l_m, h_m$ ja $D$ ning arvutada uuesti keerdude arv.

Lamemähisega induktiivpoolid

Lamemähisega induktiivpoolid on omadustelt võrreldavad ühekihiliste samm-mähisega poolidega. Neil trükimenetlusel valmistatavatel poolidel on väike omamahtuvus, suur hüvetegur ja stabiilsed parameetrid. Lamemähisega poolid on harilikult ring- või ruutspiraalse kujuga. Järgmistes arvutusvalemites on induktiivsus mikrohenrides ja mõõtmed millimeetrites.

Ringspiraalse lamepooli induktiivsus

$L_l= 0,25 k_1 w ^2 (D_{max}-D_{min}) \cdot 10^{-4}.$

Ringspiraalse lamepooli ja ruutspiraalse lamepooli kujutegur

Nõutava induktiivsuse saamiseks vajalik ringspiraalse pooli keerdude arv

$w_l= \sqrt \frac {4L \cdot 10^{4}} {k_1(D_{max}-D_{min})}.$

Nendes valemites

• $k_1$ – kujutegur, mis saadakse suhte $\frac {D_{max}} {D_{min}}\!$ alusel diagrammilt;
• $D_{max} \!$ – pooli suurim välisläbimõõt (mm);
• $D_{min}\!$ – pooli väikseim siseläbimõõt (mm).

Spiraali moodustavate poolringide tsentrite vahe $s_0$ määrab juhtmeriba laiuse $s_r$ ja nende vahe $s_v$.

Ruutspiraalse lamepooli induktiivsus

$L_r= k_2 w ^2 A_{max} \cdot 10^{-4}.$

Nõutava induktiivsuse saamiseks vajalik ruutspiraalse pooli keerdude arv

$w_r = \sqrt \frac {L \cdot 10^{4}} {k_2 A_{max}}.$

Nendes valemites

• $k_2\!$ – kujutegur, mis saadakse suhte $\frac {A_{min}} {A_{max}}\!$ alusel diagrammilt;
• $A_{max} \!$ – pooli suurim küljepikkus väljast (mm);
• $A_{min}\!$ – pooli väikseim küljepikus seest (mm).

Südamikuga induktiivpoolid

Magnetsüdamikud

Kõrgsageduspoolide ja trafode valmistamisel kasutatakse pehmemagnetferriiti, vajadusel ka magnetodielektrikut, näiteks karbonüülrauda. Pehmemagnetferriitide kõrval on kasutusel ka kõvamagnetferriite.

Ferriidi elektromagnetiline algläbitavus on suurem kui karbonüülraual, seetõttu kujunevad niisuguste südamikega induktiivpoolid ja trafod mõõtmeilt väiksemaks. Aeg- ja temperatuurpüsivus on aga ferriitidel väiksem.

Pehmemagnetferriidid, välja arvatud mangaantsinkferriit, on kasutatavad üldiselt nõrgas magnetväljas.

Ferromagnetilisi südamikke iseloomustab

• efektiivne magnetiline läbitavus $\mu_{ef}\!$ ‒ südamikuta pooli induktiivsuse ja samasuguse südamikuga pooli induktiivsuse suhe;
• südamiku hüvetegur – kaonurga tangensi $\tan \delta\!$ pöördväärtus; mida suurem on südamiku kaoenergia, seda väiksem on selle hüvetegur;
• südamiku parameetrite stabiilsus – seda väljendab magnetilise läbitavuse temperatuuritegur, mis võrdub südamiku efektiivse magnetilise läbitavuse suhtelise muutusega temperatuuri muutumisel ühe Kelvini kraadi võrra.

Induktiivpoolidele valmistatakse ferriidist varrassüdamikke, plaatsüdamikke, keermestatud häälestussüdamikke, keermestatud plastpeaga häälestussüdamikke, ferriidist rõngas- ehk toroidsüdamikke, karbonüülrauast ja ferriidist ummis- ehk mantelsüdamikke.

Ferriit- või karbonüülsüdamikuga poolid

Silindrilise ferriit- või karbonüülsüdamikuga poolidel on suur hüvetegur ja väiksemad mõõtmed kui südamikuta poolidel. Südamiku kasutamisel poolis nõrgeneb pooli puisteväli, samuti lihtsustub pooli häälestamine.

Südamikuga pooli induktiivsus

$L_s=\mu_{ef}L=(1,3...1,5)L.$

Ferriidist rõngassüdamikuga induktiivpoolid

Ferriidist rõngassüdamikku kasutatakse, kui on vaja minimaalsete mõõtmete juures maksimaalset induktiivsust. Rõngassüdamikuga poolide eeliseks on väike magnetvoo hajumine, puuduseks suhteliselt keeruline mähkimine ja induktiivsuse sujuva reguleerimise võimaluse puudumine.

Rõngassüdamikuga pooli induktiivsus (mikrohenrides):

$L_r=1,26 \mu_d w \frac {S_s} {l_k} \cdot 10^{-5}\!$

kus

• $\mu_d\!$ – südamiku materjali dünaamiline magnetiline läbitavus,
• $S_s\!$ – südamiku ristlõike pindala (ruutsentimeetrites),
• $l_k \!$ – magnetjõujoonte keskmine pikkus (sentimeetrites),

Pooli keerdude arv

$w_r=50 \sqrt \frac {L(D_1+D_2)} {\mu h(D_1-D_2)}.$

kus

• $L\!$ – pooli vajalik induktiivsus (µH),
• $D_1 \!$ – rõnga välisläbimõõt (mm),
• $D_2\!$ – rõnga siseläbimõõt (mm),
• $\mu \!$ – südamiku materjali suhteline magnetiline läbitavus,
• $h\!$ – südamiku kõrgus (mm).

Ummissüdamikuga induktiivpoolid

Ummis- ehk mantelsüdamikuga poolidele on omane suur hüvetegur ja varjestusaste ning väike omamahtuvus. Südamiku konstruktsioonist tulenev magnetvarjestustoime ei välista vajadusel elektrostaatilist varjestamist.

Ummissüdamikuga poolide induktiivsus arvutatakse samamoodi nagu silindrilise südamikuga pooli korral.

Diamagnetsüdamikuga induktiivpoolid

Diamagnetsüdamikuga induktiivpoolidel on induktiivsuse vähendamiseks mittemagnetilisest metallist (vask, alumiinium, valgevask) südamik. Diamagnetsüdamikuga on võimalik induktiivsust vähendada 10...15 %. Mittemagnetiline südamik vähendab oluliselt pooli hüvetegurit. Kõige väiksemad kaod on puhtast vasest südamiku korral. Teistest metallidest südamike kasutamisel suureneb kadu võrdeliselt vase elektritakistuse ja kasutatava metalli elektritakistuse suhtega.

Induktiivpoolide varjestus

Poolide varjestamist kasutatakse neil juhtudel, kui on vaja ära hoida poolidevahelist parasiitsidestust. Parasiitsidestust tekitab poolide ümber olev magnetväli.

Varje mõjul väheneb pooli induktiivsus ja hüvetegur ning suureneb omamahtuvus. Pooli andmete muutumine on seda suurem, mida lähemal on varje pooli mähise keerdudele.

Poolide varjestamiseks kasutatakse alumiinium-, vask- või valgevaskplekist silindrilisi või ristkülikukujulisi topsikuid. Sageli tehakse kõrgsageduspoolide varjetesse avad, et oleks võimalik keerata häälestamiseks poolisüdamikke.

Vaata ka

• Paispool

Kirjandus

• Lembit Abo. Raadioseadmete üksikosad. Tallinn, 1981, lk 264–275
• Lembit Abo. Elektroonikakomponendid. Tallinn, 1997, lk 177–185
• Raadioamatööri käsiraamat", Tallinn, 1969