سلف چیست

مقدمه:

سلف یک جزء الکتریکی است که برای واردکردن اندوکتانس به مدار استفاده می‌شود که با تغییر جریان اعم از بزرگی و جهت مخالف است و حتی یک قطعه سیم رسانا مستقیم می‌تواند مقداری اندوکتانس در آن داشته باشد. در این سری از مقالات اسکای تک به بررسی سلف می پردازیم .

ما در مورد الکترومغناطیس میدانیم که وقتی جریان الکتریکی از یک هادی سیم می‌گذرد، یک شار مغناطیسی در اطراف آن هادی ایجاد می‌شود.این تأثیر رابطه‌ای بین جهت شار مغناطیسی که در اطراف هادی در گردش است و جهت جریانی که از همان هادی عبور می‌کند ایجاد می‌کند. این منجر به یک رابطه بین جهت جریان و شار مغناطیسی می‌شود که “قانون دست راست فلمینگ” نامیده می‌شود.

اما ویژگی مهم دیگری نیز در رابطه با سیم‌پیچ زخمی وجود دارد، و آن این است که یک ولتاژ ثانویه با حرکت شار مغناطیسی به همان سیم‌پیچ القا می‌شود، زیرا با هرگونه تغییر در جریان الکتریکی که در آن جریان دارد مخالف است یا مقاومت می‌کند.

در ابتدایی‌ترین شکل خود، یک سلف چیزی بیش از سیم‌پیچی از سیم است که به دور یک هسته مرکزی پیچیده شده است. برای اکثر سیم‌پیچ‌ها، جریان (i) که از سیم‌پیچ عبور می‌کند، یک شار مغناطیسی (NΦ) در اطراف آن ایجاد می‌کند که متناسب با این جریان الکتریکی است. یک سلف که چوک نیز نامیده می‌شود، یکی دیگر از اجزای الکتریکی غیرفعال است که از سیم‌پیچی سیمی تشکیل‌شده است که برای استفاده از این رابطه با القای یک میدان مغناطیسی در خود یا درون هسته‌اش درنتیجه جریانی که از سیم‌پیچ سیم می‌گذرد، طراحی‌شده است.

تشکیل یک سیم‌پیچ سیم به یک سلف منجر به یک میدان مغناطیسی بسیار قوی‌تر از میدان مغناطیسی می‌شود که توسط یک سیم‌پیچ ساده سیم تولید می‌شود. آن ها با سیم محکمی پیچیده شده در اطراف یک هسته مرکزی جامد که می‌تواند یک میله استوانه‌ای مستقیم یا یک حلقه یا حلقه پیوسته باشد تا شار مغناطیسی خود را متمرکز کند. نماد شماتیک آن ، سیم‌پیچ سیم است، بنابراین سیم‌پیچ سیم را می‌توان سلف نیز نامید.

آن ها معمولاً بر اساس نوع هسته داخلی که به اطراف پیچیده می‌شوند طبقه‌بندی می‌شوند، به‌عنوان مثال، هسته توخالی (هوای آزاد)، هسته آهنی جامد یا هسته فریت نرم با انواع مختلف هسته که با افزودن خطوط موازی پیوسته یا نقطه‌چین در کنار آن متمایز می‌شوند.

نماد سلف:

جریان، i که از یک سلف عبور می‌کند، شار مغناطیسی متناسب با آن تولید می‌کند؛ اما برخلاف خازن که با تغییر ولتاژ در صفحات خود مخالف است، یک سلف با سرعت تغییر جریانی که از آن عبور می‌کند به دلیل ایجاد انرژی خودالقا شده در میدان مغناطیسی خود مخالف است. به‌عبارت‌دیگر،آن ها در برابر تغییرات جریان مقاومت می‌کنند یا مخالفت می‌کنند، اما به‌راحتی جریان DC حالت پایدار را عبور می‌دهند.

این توانایی یک سلف برای مقاومت در برابر تغییرات جریان و همچنین به جریان، i با پیوند شار مغناطیسی آن، NΦ به‌عنوان یک ثابت تناسب، اندوکتانس نامیده می‌شود که نماد L با واحدهای هنری، (H) بعد از جوزف هنری داده می‌شود. ازآنجایی‌که هانری به‌تنهایی یک واحد نسبتاً بزرگ از اندوکتانس است، برای سلف‌های کوچک‌تر از واحدهای فرعی هانری برای نشان دادن مقدار آن استفاده می‌شود.

ویژگی ها:

سلف یک عنصر الکترونیکی است که بر اساس اصل الکترومغناطیسی عمل می‌کند.آن ها از یک هسته مغناطیسی و یک مارپیچ (یا همچنین می‌توانند بدون هسته باشند) تشکیل شده‌اند. ویژگی‌هایش عبارتند از:

1. انباشتگی انرژی:آن ها قادر به انباشتن انرژی در میدان مغناطیسی خود هستند. هنگامی که جریانی از طریق سلف می‌گذرد، میدان مغناطیسی در داخل آن ایجاد می‌شود و انرژی در این میدان ذخیره می‌شود. این ویژگی می‌تواند در کاربردهایی که نیاز به انتقال انرژی در زمانی مشخص دارند (مانند منابع تغذیه سوئیچینگ)، بسیار مفید باشد.

2. اصل اندازه‌گیری جریان: یکی دیگر از ویژگی‌های آن ، امکان اندازه‌گیری جریان است. با توجه به رابطه V=L(di/dt)، که در آن V و L به ترتیب ولتاژ و اندازه سلف و di/dt تغییرات جریان در زمان است، با اندازه‌گیری ولتاژ روی آن و دانستن مقدار آن، می‌توان جریان را نیز تخمین زد.

3. مقاومت داخلی : آن ها دارای مقاومت داخلی هستند که معمولاً به عنوان مقاومت (DCR) شناخته می‌شود. این مقاومت به علت مقاومت مارپیچ و هسته مورد استفاده در سلف و همچنین مقاومت مواد مورد استفاده برای ساخت آن تولید می‌شود. این مقاومت می‌تواند توانایی انتقال جریان و کاهش خطاهای مرتبط با اثرات مقاومتی را تحت تأثیر قرار دهد.

4. اصل خازنی: علاوه بر خاصیت انباشتگی انرژی، سلف‌ها نیز می‌توانند خاصیت خازنی نیز داشته باشند. این خاصیت به علت وجود خطوط قرمز (تغییر جریان در پاسخ به تغییر ولتاژ) در آن ایجاد می‌شود و می‌تواند در برخی کاربردها، مانند فیلترها و ادوات ذخیره‌سازی انرژی، استفاده شود.

5. تأخیر زمانی: سلف‌ها تأخیر زمانی در پاسبه علت انباشتگی انرژی در میدان مغناطیسی خود دارند. این تأخیر زمانی می‌تواند در کاربردهایی مانند فیلترها، تنظیم ولتاژ، کنترل سرعت موتورها و سیستم‌های تثبیت ولتاژ مورد استفاده قرار بگیرد.

در کل، سلف‌ها از ویژگی‌های مهم در طراحی مدارها و سیستم‌های الکترونیکی برخوردارند و در بسیاری از کاربردها، از جمله منابع تغذیه، فیلترها، تبدیل کننده‌ها، مدارهای قابل تنظیم و سیستم‌های ارتباطی استفاده می‌شوند.

معایب:

1. اندازه و حجم: آن ها به اندازه و حجم قابل توجهی نیاز دارند برای داشتن قدرت انباشتگی انرژی و میدان مغناطیسی قوی. این موضوع می‌تواند در طراحی سیستم‌ها با محدودیت‌های فضایی مشکل‌ساز شود.

2. تابعیت از فرکانس: آن ها تابعیت قوی از فرکانس دارند، به این معنی که مقاومت آنها با تغییر فرکانس تغییر می‌کند. این موضوع می‌تواند در برخی کاربردها که نیاز به پاسخ خطی در طیف وسیعی از فرکانس‌ها دارند، مشکل‌ساز شود.

3. نویز خود: سلف‌ها می‌توانند نویز خود را تولید کنند که می‌تواند در سیستم‌های حساس به نویز (مانند مدارهای آنالوگ) مشکل‌ساز شود. این نویز ممکن است تأثیری بر کیفتحت تأثیر قرار بگیرد.

4. مقاومت داخلی: آن ها دارای مقاومت داخلی هستند که معمولاً به عنوان مقاومت سلف (DCR) شناخته می‌شود. این مقاومت می‌تواند توانایی انتقال جریان و کاهش خطاهای مرتبط با اثرات مقاومتی را تحت تأثیر قرار دهد.

5. صدا: در برخی موارد، جریانی که از طریق سلف می‌گذرد می‌تواند صدا ایجاد کند. این مسئله در برخی کاربردها که نیاز به سیستم‌های بی‌صدا دارند (مانند تجهیزات صوتی) مشکل‌ساز شود.

ثابت زمانی یک سلف:

اکنون می‌دانیم که جریان نمی‌تواند فوراً در یک سلف تغییر کند، زیرا برای وقوع این امر، جریان باید در زمان صفر مقدار محدودی تغییر کند که منجر به بی‌نهایت بودن نرخ تغییر جریان می‌شود، di/dt = ∞، ایجاد emf القایی بی‌نهایت و ولتاژ نامتناهی وجود ندارد. بااین‌حال، اگر جریان عبوری از یک سلف به‌سرعت تغییر کند، مانند عملکرد یک کلید، ولتاژهای بالا را می‌توان در سراسر سیم‌پیچ سلف القا کرد.

مدار یک سلف خالص را در سمت راست در نظر بگیرید. با باز بودن کلید (S1) هیچ جریانی از سیم‌پیچ آن عبور نمی‌کند. ازآنجایی‌که هیچ جریانی از آنعبور نمی‌کند، نرخ تغییر جریان (di/dt) در سیم‌پیچ صفر خواهد بود. اگر نرخ تغییر جریان صفر باشد، در سیم‌پیچ سلف، back-emf خودالقا شده (VL = 0) وجود ندارد.

اگر اکنون کلید را ببندیم (t = 0)، جریانی از مدار می‌گذرد و به‌آرامی به حداکثر مقدار خود با نرخی که توسط اندوکتانس سلف تعیین می‌شود افزایش می‌یابد. این نرخ جریانی که از آن می‌گذرد در اندوکتانس سلف‌ها در Henry’s ضرب می‌شود، منجر به تولید مقدار ثابتی emf خودالقایی در سراسر سیم‌پیچ می‌شود که توسط معادله فارادی در بالا، VL = -Ldi/dt تعیین می‌شود. این emf خودالقا شده در سراسر سیم‌پیچ سلف، (VL) با ولتاژ اعمال‌شده مبارزه می‌کند تا زمانی که جریان به حداکثر مقدار خود برسد و به یک وضعیت پایدار برسد.

جریانی که اکنون از طریق سیم‌پیچ می‌گذرد تنها با مقاومت DC یا “خالص” سیم‌پیچ تعیین می‌شود زیرا مقدار راکتانس سیم‌پیچ به صفر کاهش‌یافته است زیرا نرخ تغییر جریان (di/dt) در یک سیم‌پیچ صفر است. وضعیت پایدار به‌عبارت‌دیگر، در یک سیم‌پیچ واقعی فقط سیم‌پیچ‌ها مقاومت DC وجود دارد تا با جریان از طریق خود مخالفت کند.

به همین ترتیب، اگر کلید (S1) باز شود، جریان عبوری از سیم‌پیچ شروع به کاهش می‌کند، اما سلف دوباره با این تغییر مبارزه می‌کند و سعی می‌کند با القای یک ولتاژ دیگر در جهت دیگر، جریان را در مقدار قبلی خود حفظ کند.

جریان و ولتاژ در سلف:

اینکه چه مقدار ولتاژ القایی توسط سلف تولید می‌شود به نرخ تغییر جریان بستگی دارد. در آموزش ما در مورد القای الکترومغناطیسی، قانون لنز بیان کرد که: “جهت یک emf القایی به‌گونه‌ای است که همیشه با تغییری که باعث آن می‌شود مخالف است”. به‌عبارت‌دیگر، یک emf القایی همیشه با حرکت یا تغییری که در وهله اول emf القایی را شروع کرده است مخالفت می‌کند؛ بنابراین با کاهش جریان، قطبیت ولتاژ به‌عنوان منبع و با افزایش جریان، قطبیت ولتاژ به‌عنوان بار عمل می‌کند؛ بنابراین برای نرخ یکسان تغییر جریان از طریق سیم‌پیچ، افزایش یا کاهش مقدار emf القایی یکسان خواهد بود.

انرژی ذخیره‌شده:

هنگامی‌که نیرو به یک سلف جریان می‌یابد، انرژی در میدان مغناطیسی آن ذخیره می‌شود. هنگامی‌که جریان عبوری از آن در حال افزایش است و di/dt بزرگ‌تر از صفر می‌شود، توان لحظه‌ای در مدار نیز باید بزرگ‌تر از صفر باشد (P > 0) یعنی مثبت که به این معنی است که انرژی در سلف ذخیره می‌شود. به همین ترتیب، اگر جریان عبوری از آن در حال کاهش باشد و di/dt کمتر از صفر باشد، توان لحظه‌ای نیز باید کمتر از صفر باشد، (P <0) یعنی منفی که به این معنی است که سلف انرژی را به مدار برمی‌گرداند.

انرژی ذخیره‌شده:

جایی که: W برحسب ژول، L برحسب هنری و i در آمپر است. در یک سلف ایده‌آل که هیچ مقاومت یا ظرفیتی ندارد، با افزایش جریان، انرژی به درون سلف جریان می‌یابد و در میدان مغناطیسی آن بدون تلفات ذخیره می‌شود تا زمانی که جریان کاهش نیابد و میدان مغناطیسی فرو بریزد، آزاد نمی‌شود. سپس در یک جریان متناوب، مدار AC یک سلف دائماً انرژی را در هر سیکل ذخیره و تحویل می‌دهد.

اگر جریان عبوری از سلف مانند مدار DC ثابت باشد، آنگاه تغییری در انرژی ذخیره‌شده به‌صورت P = Li(di/dt) = 0 وجود ندارد؛ بنابراین آن ها را می‌توان به‌عنوان اجزای غیرفعال تعریف کرد زیرا می‌توانند هم ذخیره کنند و هم ذخیره کنند. انرژی را به مدار تحویل می‌دهند، اما نمی‌توانند انرژی تولید کنند. یک سلف ایده آل به‌عنوان تلفات کمتر طبقه‌بندی می‌شود، به این معنی که می‌تواند انرژی را به طور نامحدود ذخیره کند زیرا هیچ انرژی از دست نمی‌رود.

بااین‌حال، سلف‌های واقعی همیشه مقداری مقاومت مرتبط با سیم‌پیچ‌های سیم‌پیچ را خواهند داشت و هر زمان که جریان از طریق یک مقاومت جریان می‌یابد، انرژی به شکل گرما به دلیل قانون اهم از دست می‌رود، (P = I2 R) صرف‌نظر از اینکه جریان متناوب یا متناوب است یا نه. ثابت. سپس استفاده اولیه از سلف‌ها در فیلتر کردن مدارها، مدارهای تشدید و برای محدود کردن جریان است.

یک سلف را می‌توان در مدارها برای مسدود کردن یا تغییر شکل جریان متناوب یا طیف وسیعی از فرکانس‌های سینوسی استفاده کرد و در این نقش می‌توان از یک سلف برای “تنظیم” یک گیرنده رادیویی ساده یا انواع مختلفی از نوسانگرها استفاده کرد. همچنین می‌تواند از تجهیزات حساس در برابر افزایش ولتاژ مخرب و جریان‌های هجومی بالا محافظت کند.