Introduction aux inducteurs

Un composant passif qui reste toujours obscur est les inducteurs. Ce sont des structures semblables à des bobines que l'on trouve dans la plupart des circuits électroniques de puissance et c'est en raison de ses propriétés que vos transformateurs fonctionnent. La raison pour laquelle beaucoup de gens ne comprennent pas les inducteurs est qu’ils modifient non seulement le champ électrique mais également le champ magnétique qui l’entoure. Dans ce didacticiel, laissez-nous comprendre les bases d’un inducteur et démystifiez-le afin que nous sachions comment et quand l’utiliser dans nos applications.

Qu'est-ce qu'un inducteur?

L’inducteur est peut-être le plus simple de tous les composants électroniques. Il est construit comme une résistance - une simple longueur de fil qui s’enroule. Cependant, ici, la résistance n’est pas la propriété que nous recherchons. C'est quelque chose qui se produit à cause de la forme du fil - une bobine - qui crée un champ magnétique quand un courant le traverse. Ce champ magnétique induit confère à ce morceau de fil des propriétés électriques intéressantes, notamment l'inductance, qui donne son nom à ces pièces.

Différence entre un inducteur et un condensateur

Nous avons déjà appris sur le condensateur dans l'article précédent. Et maintenant que vous connaissez les bases de l'inducteur, vous pouvez vous poser la question suivante: "Quelle est la différence entre un inducteur et un condensateur?"

Tout d'abord, les deux stockent de l'énergie lorsqu'un potentiel de tension est appliqué sur celle-ci, mais un condensateur stocke de l'énergie sous la forme d'un champ électrique et un inducteur stocke de l'énergie sous la forme d'un félin magnétique. D'accord, mais comment cela affecte-t-il ses performances?

Nous avons besoin de creuser beaucoup pour comprendre cela, mais pour l’instant, rappelez-vous qu’un condensateur tente de niveler la tension d’un circuit, c’est-à-dire qu’il n’aime pas le changement de potentiel de chaque composant et qu’il charge donc décharger pour niveler la tension. D'autre part, un inducteur n'aime pas le changement de courant dans un circuit. Par conséquent, si le courant change, il se chargera ou se déchargera pour égaliser le courant dans le circuit.

Rappelez-vous également qu’un inducteur modifie sa polarité lors de la décharge afin que le potentiel lors de la charge soit opposé au potentiel lors de la décharge.

Symboles pour les inducteurs

Comme beaucoup d'autres composants électroniques, le symbole d'un inducteur est un pictogramme simplifié de son apparence réelle:

Les lignes près du symbole représentent le matériau de base - nous en discuterons plus tard.

Fonctionnement d'un inducteur

Comme déjà mentionné, un inducteur est juste une bobine de fil.

Avant de passer à autre chose, posons la question: pourquoi une bobine?

Comme nous le savons déjà, tout conducteur porteur de courant génère un champ magnétique de la manière suivante:

Cependant, si vous insérez la valeur du courant dans les formules, vous réaliserez alors que le champ magnétique produit est minuscule - presque négligeable, à moins que les courants ne soient incroyablement élevés, dans l'ordre des méga-amplificateurs.

Donc, pour augmenter le champ magnétique créé par une longueur de fil spécifique, nous l'enveloppons sous la forme d'une bobine. Cela augmente le champ magnétique, comme suit:

Cette forme s'appelle également un solénoïde.

Lorsqu'une tension est appliquée aux bornes d'un inducteur, le courant circulant crée un champ magnétique. Ce champ magnétique crée à nouveau un courant induit dans l'inducteur de polarité opposée, selon la loi de Lenz. Les courants ne s'annulent pas - le courant induit tente activement de s'opposer au courant entrant en raison de la tension aux bornes de l'inducteur. Le résultat global de cette bataille est que le courant traversant un inducteur ne peut pas changer rapidement - il s'agit toujours d'une pente linéaire.

Mesurer un inducteur

Le comportement de travail d'un inducteur pose une question intéressante: comment mesurer quantitativement le comportement d'un inducteur en des termes facilement mesurables?

Nous pourrions essayer de mesurer les inductances par le champ magnétique qu'elles créent. Dès que nous faisons cela, nous rencontrons des problèmes. Le champ magnétique créé par une inductance dépend du courant qui la traverse, de sorte que même une petite inductance peut créer un grand champ magnétique.

Au lieu de cela, nous pourrions utiliser la même approche que nous avons utilisée pour les condensateurs, et nous pouvons définir l'inductance d'un circuit comme le changement de tension induit lorsque le courant change à un certain taux.

Mathématiquement,

V = L (dI / dt)

Où V est la tension, L est l'inductance, I est le courant et t est la période de temps.

L'inductance, «L», est mesurée dans Henrys, du nom de Joseph Henry, le scientifique américain qui a découvert l'induction électromagnétique.

La formule pour calculer l'inductance d'une bobine de fil est donnée par cette formule:

L = (µn2a) / l

Où L est l'inductance dans Henrys, µ est la constante de perméabilité, c'est-à-dire un coefficient de la facilité avec laquelle le champ magnétique peut être créé dans un milieu donné, n est le nombre de tours, a est l'aire de la bobine et l est la longueur de la bobine.

Encore une fois, le Henry est une très grande unité, de sorte que pratiquement les inducteurs sont mesurés en microHenrys, UH, ce qui représente un millionième de Henry, ou milliHenrys, mH, qui est un millième de Henry. Parfois, vous pouvez même trouver de très petites inductances mesurées dans nanoHenrys, qui sont un millième de UH.

Différents types d'inducteurs

Maintenant, le µ dans l'équation ci-dessus a des implications intéressantes. Cela suggère que le champ magnétique à l'intérieur de l'inducteur peut être manipulé. Comme mentionné ci-dessus, parfois le champ magnétique créé même par un solénoïde est parfois insuffisant. C'est pourquoi, dans presque tous les cas, vous trouvez des inducteurs formés autour d'un matériau central.

Les noyaux sont des matériaux qui favorisent la création d'un champ magnétique. Ils sont généralement constitués de fer et de ses composés, tels que la ferrite (qui est un oxyde de fer). Vous pouvez obtenir un plus grand champ magnétique en utilisant un noyau que sans un.

1. INDUCTEURS À L'AIR:

Comme son nom l'indique, ce type d'inducteur n'a pas de noyau - le matériau de base est l'air! Puisque l'air a une perméabilité relativement faible, l'inductance des inducteurs à noyau d'air est assez faible - rarement supérieure à 5 uH. Comme ils ont une faible inductance, le taux d’augmentation du courant est assez rapide pour une tension appliquée, ce qui les rend capables de gérer les hautes fréquences. Ils sont principalement utilisés dans les circuits RF.

2. INDUCTEURS DE FER

Le fer est peut-être le matériau magnétique le plus reconnaissable, ce qui en fait un choix idéal pour les inducteurs. Celles-ci se présentent sous la forme d'inducteurs à noyau de fer. Ils sont généralement utilisés pour le filtrage de lignes à basse fréquence, car ils peuvent être plutôt costauds et avoir de grandes inductances. Ils sont également utilisés dans les équipements audio.

3. INDUCTEURS DE FERRITE

Le ferrite n'est qu'une poudre d'oxydes de fer. Cette poudre est mélangée à une résine époxy et moulée pour former des noyaux autour desquels des fils peuvent être enroulés. Les inducteurs à noyau de ferrite sont facilement les plus reconnaissables en raison de leur couleur gris-noir et terne. Ils sont également très fragiles et se cassent facilement. Ce sont les types d'inductances les plus largement utilisés, car la perméabilité peut être contrôlée avec précision en contrôlant le rapport ferrite / époxy dans le mélange.

Inducteurs en série et en parallèle

Les inductances connectées en série et en parallèle se comportent exactement de la même manière que les condensateurs.

Par exemple, pour calculer l'inductance d'un groupe d'inducteurs en série, vous pouvez simplement résumer les valeurs des inductances individuelles.

L = L1 + L2 +… + Ln

Où L est l'inductance totale et L1, L2… Ln sont les inductances individuelles.

Supposons que vous avez deux inducteurs, l’un mesurant 10uH et l’autre 15uH, puis en les mettant en série, vous obtenez une inductance totale de 25uH.

Les inductances en parallèle se comportent de la même manière que les résistances en parallèle, l'inductance est donnée par:

1 / L = 1 / L1 + 1 / L2 +… + 1 / Ln

Où L est l'inductance totale et L1, L2… Ln sont les inductances individuelles.

De cette manière, si vous connectez deux inducteurs 10uH en parallèle, vous obtiendrez une inductance de 5uH.

Formules utiles pour les inducteurs

1. ENERGIE STOCKÉE PAR LES INDUCTEURS:

Les inducteurs peuvent stocker l’énergie de la même manière que les condensateurs, mais cette énergie disparaît dès que vous débranchez l’alimentation et que le champ magnétique s’effondre. En d'autres termes, un inducteur non alimenté ne peut pas maintenir son champ magnétique.

E = ½ * L * I2

Où E est l'énergie en Joules, L est l'inductance en Henries et I le courant en ampères.

Si vous avez un inducteur de 20uH parcouru par un courant de 5A, l’énergie stockée sera alors de 0,00025J. Dans cet aspect aussi, les inducteurs, comme les condensateurs, contiennent très peu d’énergie.

2. TAUX DE HAUSSE ACTUELLE

Cette formule a déjà été discutée, mais elle mérite d'être examinée de plus près.

V / L = dI / dt

Où V est la tension appliquée à travers l'inductance, L est l'inductance, I est le courant et t est le temps.

Cela indique que lorsqu'une tension constante est appliquée aux bornes de l'inducteur, le courant monte dans une pente linéaire. Cela peut être utile pour créer des rampes de courant, tout comme les rampes de tension créées par le condensateur à courant constant.

3. IMPEDANCE

Les inductances ont une impédance qui est liée à la fréquence par la formule:

XL = 2π * f * L

Où XL est l'impédance inductive, f la fréquence en Hertz et L est l'inductance de Henrys.

Comportement des inducteurs dans les circuits

Étonnamment, les inductances sont quasiment inutiles dans les circuits à courant continu, car le courant circule constamment et que l'inducteur agit comme un fil.

Ils trouvent la plupart de leurs utilisations dans les circuits alternatifs. Comme mentionné ci-dessus, ils ont une impédance, ce qui les rend utiles pour limiter le courant dans un circuit alternatif, tels que des ballasts de lampes fluorescentes.

Ils peuvent également être utilisés pour filtrer les signaux.

Dans le premier cas, l'inductance permet à tout le courant continu de la traverser jusqu'à la terre, empêchant ainsi toutes les basses fréquences d'atteindre la sortie. Aux fréquences plus élevées, l'impédance de l'inducteur augmente régulièrement, de sorte que le signal peut passer à la sortie, il est donc appelé un filtre passe-haut.

Dans le second cas, l'inductance laisse passer les basses fréquences et les basses fréquences, mais bloque toutes les hautes fréquences de la sortie. C'est ce qu'on appelle un filtre passe-bas.

Inducteurs dans la vie réelle

Les inducteurs, étant composés de fil de cuivre et de ferrite, ont tendance à être coûteux et sont principalement utilisés dans les radios, les blocs d'alimentation et les équipements de télécommunication.

Dans les alimentations, on utilise la propriété d'un inducteur pour empêcher les changements soudains de courant. Avec un condensateur, il empêche les modifications soudaines de la tension et du courant de sortie de l'alimentation.

Les circuits RF utilisent un circuit LC intéressant appelé réservoir. Le condensateur est chargé et déchargé dans l'inducteur, ce qui crée son champ magnétique. Lorsque le champ magnétique s'effondre, une tension est créée et charge le condensateur. Cela crée des oscillations périodiques qui peuvent être utilisées pour générer des fréquences élevées.

La fréquence peut être calculée par la formule:

Où f est la fréquence en Hertz, L est l'inductance en Henrys et C la capacité en Farads.

Conclusion

Et ce sont toutes les connaissances pratiques dont vous aurez besoin pour travailler avec des inducteurs. Ce sont des dispositifs intrinsèquement simples qui ne sont pas aussi répandus que leurs parents relatifs au condensateur et à la résistance, mais qui restent très utiles.

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