ワイヤーのコイルについて知りたかったけど聞くのが怖かったことのほとんど

電子工作の初心者であれば、一般的な電子コンポーネントに慣れるでしょう。 抵抗、コンデンサ、トランジスタ、ダイオード、LED、集積回路。 これらは無数の学習プロジェクトの材料であり、多くの Raspberry Pi または Arduino 所有者のブレッドボードを明るくするでしょう。

そのリストには、インダクタという明らかな省略があります。 確かに、これは単純なアナログ回路や論理回路にあまり応用できるコンポーネントではなく、他の受動コンポーネントよりも少し高価です。 しかし、この省略により、インダクタに関する知識のギャップが生じ、インダクタの使用が黒魔術のようなものと考えられる傾向が生じ、キットやプロジェクトでの使用に対する不安が生じます。

これは残念なことだと思うので、ここではインダクタの初心者向けのインダクタの紹介を続けます。これは、インダクタの謎を解き明かし、これまでインダクタを避けてきた人に改めてインダクタを見てもらうことを目的としています。

電流が流れる導体を考えると、エルステッドの法則により、電流が導体の周囲に磁場を生成することがわかります。 導体を流れる電流が変化すると、レンツの法則により、磁場が変化し、導体に流れる電流に対抗する電流が導体に誘導されることがわかります。 この特性はインダクタンスと呼ばれます。

インダクタンスはヘンリーで測定され、百科事典から直接カットアンドペーストするのが最もよく説明されており、暗記する必要はありません。「電気回路のインダクタンスは、1 秒あたり 1 アンペアで変化する電流が結果として生じるとき、1 ヘンリーです。」インダクタにかかる起電力は 1 ボルトです。」 実際には、ヘンリーはかなり大きな単位であるため、ミリヘンリー、マイクロヘンリー、さらにはナノヘンリーに遭遇する可能性が高くなります。

もちろん、単一の導体またはワイヤには磁界を生成する能力があまりないため、インダクタンスはそれほど大きくありません。 導体の長さを長くすることでインダクタンスを増やすことができますが、非常に長いワイヤを配置するスペースがすぐになくなるため、最も小さなインダクタを除くすべてのインダクタでは、そのような長いワイヤをコイルに巻くのが通常です。空気よりも透磁率の高い素材で作られたコアの周りにあります。 したがって、インダクタの回路図シンボルは、ワイヤのコイルを表したものになります。

インダクタとは何かについて説明しました。 それは何をするのでしょうか？ どこでどのように使用しますか?

あなたが電子実験者または建設者であれば、DC フィルタ、昇降圧インバータ、変圧器として、またはラジオが趣味の場合は同調回路や RF フィルタでインダクタに遭遇する可能性が最も高くなります。 これらはこの選択に限定されるものではありませんが、これらのケースを考慮することは、インダクタを分かりやすくし、もう一度調べてみることに役立つはずです。

PC からスイッチング電源、おそらく ATX モデルを開いたことがありますか? もちろん、あなたは Hackaday の読者です。 コンポーネントを調べてみると、コンピューターに電力を供給する DC ケーブルが出てくる場所の横に、エナメルで覆われた太い銅線のコイルを備えたインダクターが多数あることに気づくでしょう。 これらは平滑コンデンサと並んでフィルタとして機能し、高周波を除去し、PSU 出力に DC のみを残します。

急速に変化する電流が変化する磁界を引き起こし、それが逆方向の電流を誘導するという前述の段落を覚えていれば、これらのフィルターがどのように機能するかについての理論を理解し始めるかもしれません。誘導された逆方向の高周波電流は入力を打ち消します。一方、安定した DC 成分は磁場に変化を引き起こさないため、逆電流は発生せず、抵抗されずに通過します。

これに対し、降圧インバータと昇圧インバータは、磁界としてエネルギーを蓄積するインダクタの能力を利用して、DC 電力をある電圧から別の電圧に効率的に変換します。 インダクタに電流を流すと、その周囲に作った磁界にエネルギーが蓄えられます。電流を止めると磁界が崩壊し、インダクタに逆電流が誘導されてエネルギーが放出されます。 このプロセスは非常に急速に起こるため、非常に高い電圧スパイクとして非常に短時間に大量のエネルギーが放出される可能性があります。 場合によっては、このスパイクが厄介な場合があります。たとえば、リレードライバには、トランジスタから安全に導通させるためにダイオードが組み込まれていますが、ブーストコンバータでは、インダクタにエネルギーが繰り返しパルスされ、その結果生じたスパイクがダイオードを介してリザーバコンデンサに転送され、そこからコンデンサが蓄えられます。より高い出力電圧を引き出すことができます。

これに対し、降圧コンバータは、インダクタに蓄積されたエネルギーを使用して、昇圧コンバータの高電圧低電流スパイクではなく、低電圧で高電流のパルスを放出します。 基本回路は左側に示されており、電流パルスがインダクタ内に変化する磁界を生成し、逆電圧を誘導して負荷の電圧を降下させます。

ここで示した降圧コンバータと昇圧コンバータの回路例は両方とも、説明を目的として簡略化されています。 実際には、スイッチは、負荷に接続されたフィードバック回路によってパルス幅が変化する発振器によって駆動されるトランジスタに置き換えられます。 これは驚くほど単純なディスクリートコンポーネント回路である可能性がありますが、どちらの場合も、この用途向けに設計された既製の集積回路が多数あり、そのデータシートには適切なインダクタ値に関する貴重な情報が記載されています。

変化する磁場の中に導体を置くと、その中に電流が誘導されます。 またまたレンツの法則。 これがダイナモと発電機の仕組みであり、これまでの数段落で説明してきたインダクターに逆電流を与える効果です。 したがって、あるインダクタを別のインダクタによって生成される変化する磁場の中に置くと、その磁場によって最初のインダクタに電流が誘導されます。 変圧器を作成しました。最初のインダクタを一次側、2 番目のインダクタを二次側と呼ぶ場合、一次側と二次側の AC 電圧の比は、一次側と二次側のワイヤの巻数の比と同じになります。 一次側と二次側の間の完全な物理的分離を維持しながら、AC 電圧をあるレベルから別のレベルに一気に変更することができます。

実際のトランスは、2 つのインダクタの磁界が可能な限り密接に結合するように構築されています。 2 つのワイヤ コイルは同じフォーマーを占め、同じコア材料の周りに巻かれます。これは、それらが生成するすべての磁束が周囲で無駄にされるのではなく、そのコア内に閉じ込められることを目的としています。 変圧器の設計者は、コア内の誘導電流による損失とワイヤの抵抗による損失に対処する必要があり、両方とも熱が発生し、コアが磁場で飽和してデバイスが動作しなくなる可能性があります。 - 動作周波数で線形。

主電源で使用されるような低周波数では、コアは通常、誘導電流を減らすために隣接するものから絶縁された鉄の積層の形をとります。 動作周波数が上昇すると、磁気飽和を避けるために必要なコアのサイズが小さくなり、それに応じてトランスのサイズも小さくなります。 この影響は、より高い周波数で動作するためのより高性能なコア材料の要件によって相殺されます。このため、スイッチモード電源や RF アプリケーションに使用される高周波トランスでは、フェライトとして知られる強磁性セラミックで作られたコアが使用されています。

別の種類の変圧器として単巻変圧器があります。 通常、これらは、ヨーロッパの 230v 機器を米国の 110v で使用する場合、またはその逆の場合に、店頭で購入できる安価な主電源の昇圧または降圧変圧器で使用されます。 単巻変圧器には個別の巻線がありません。代わりに、中間のどこかに 3 番目の接続を備えた 1 つの巻線があります。 巻線の底部とこの 3 番目の接続の間に AC 電圧を印加すると、3 番目の接続までの巻き数と全体の巻き数との比に比例した電圧が巻線の上部に誘導されます。 その動作は従来の変圧器と非常に似ていますが、一次側と二次側の間に物理的な絶縁を提供しないため、主電源からの絶縁は提供されません。

おそらく、インダクタに関して最も神秘的な領域は、RF 回路でのインダクタの使用に関するものです。 ラジオ プロジェクトを構築しようとする人は、インダクタを自分で巻くという考えに二の足を踏んでいます。その設計の主題が、先に述べた黒人芸術のほとんどを引き起こしている可能性があります。

RF 回路において、設計者はインダクタンスとキャパシタンスを含む回路の共振周波数に最も関心を持ちます。 非常に簡単に言うと、コンデンサとインダクタを並列に接続し、回路に電流パルスを印加すると、エネルギーは接続ワイヤの電流を通じてインダクタ内の磁場の間で「跳ね返り」、コンデンサに蓄えられた電荷を戻します。抵抗損失によりエネルギーが散逸するまで繰り返し、関係するインダクタンスとキャパシタンスに応じた周波数で散逸します。 共振を計算するための簡単な公式はあり、アマチュア無線家なら誰でもオウム返しのように暗唱します。「F は 2 の Pi ルート LC の 1 に等しい」ですが、少し手間を省きたい場合は、嬉しいことにオンライン共振計算ツールが多数あります。

おそらく、RF インダクタの設計、特に独自のインダクタを巻くという考えに対して、かつてほど不安を抱く必要はなくなりました。 プリセット値の実用的な RF インダクタは、インダクタ本体内で移動できるネジ付きフェライト コアを備えた調整可能なインダクタとともに、複数のメーカーから既製で入手可能です。 これらのコンポーネントは、抵抗器やコンデンサに比べて安価ではありませんが、RF 構築者の作業を大幅に楽にしてくれます。

あなたがインダクタの初心者であれば、この記事がこの主題についての基本的な基礎を与え、これらのコンポーネントの謎を解き明かすことができれば幸いです。 ただし、いつものように、実際の経験に代わるものはありません。そのため、このテーマに好奇心がそそられた場合は、いくつかのインダクタ回路を構築してこのテーマを理解することをお勧めします。 既製の IC をベースにした単純な降圧または昇圧コンバータから始めて、オシロスコープに関連する電圧と波形を調べてみましょう。 そこには、磁気の良さの世界がたくさんあります。