Induktori – mitä se on ja miten se toimii sähköpiireissä

Induktori selitetty yksinkertaisesti: mitä se on, miten kelat ja ytimet vaikuttavat induktanssiin ja käyttö sähköpiireissä — opi suunnittelu, toiminta ja sovellukset.

Induktori on sähköinen laite, jota käytetään sähköpiireissä magneettisen varauksen aikaansaamiseksi ja hyödyntämiseksi. Induktori vastustaa erityisesti virtamuutoksia: kun virtassa tapahtuu muutos, induktori indusoi itsessään jännitteen, joka pyrkii vastustamaan tätä muutosta.

Induktori valmistetaan yleensä johtavasta materiaalista, kuten kuparilangasta, valmistetusta kelasta, joka kiedotaan joko ilmasta tai magneettisesta metallista valmistetun ytimen ympärille. Jos käytät ytimenä magneettisempaa materiaalia, saat induktorin ympärillä olevan magneettikentän työntymään induktoria kohti, jolloin induktanssi paranee. Pienet induktorit voidaan myös sijoittaa integroituihin piireihin käyttämällä samoja tapoja, joita käytetään transistorien valmistuksessa. Tällöin johtavana materiaalina käytetään yleensä alumiinia.

Miten induktori toimii

Induktori varastoi energiaa magneettikenttään. Sen perusyhtälö on

• V = L · (di/dt) — indusoituva jännite V on verrannollinen induktanssiin L ja virran muutoksen nopeuteen di/dt.
• E = 1/2 · L · I² — induktoriin varastoitunut energia E riippuu induktanssista L ja läpi kulkevasta virrasta I.

Induktanssi ja yksiköt

Induktanssin yksikkö on henry (H). Tyypilliset komponentit ovat arvoltaan mikrohenryistä (µH) millihenryihin (mH) ja joskus useisiin henryihin tehoinduktoreissa. Induktanssi riippuu kelan kierrosten määrästä, ytimen permeabiliteetista (μ), kelan poikkipinta-alasta A ja magneettisen polun pituudesta l — yksinkertaistettu kaava:

L ≈ N² · μ · A / l, missä N on kierrosten määrä.

Yleiset tyypit

• Ilmakelat (air-core) — eivät saturoidu helposti, hyvät korkeilla taajuuksilla.
• Ferritti- tai rautaytimelliset industorit — korkeampi induktanssi pienemmällä tilalla, mutta ydin voi saturoitua suurilla virroilla.
• Toroidit — pitävät magneettikentän sisällään, vähentävät häiriösäteilyä.
• Ferritihelmet (ferrite bead) — käytetään EMI-suodatukseen ja kohinan vaimentamiseen.
• Tehoinduktorit (power inductors) ja SMD-induktorit — erikokoisia teho- ja taajuussovelluksiin.
• Muuntajat — erikoistapaus, jossa kaksi tai useampi kela on kytketty magnetisesti (kytketyt induktorit).

Käyttökohteet

• Suodattimet (LC-, pi- ja T-suodattimet) ja äänisuodattimet.
• Teholähteet ja katkaisusäädetyt virtalähteet (SMPS): energiaa varastoiva komponentti boost- ja buck-muunnoksissa.
• EMI/EMC — häiriöiden suodatus ja tasoittaminen.
• Virran rajoittaminen ja kytkentäpiirien transienttien vaimentaminen.
• Resonatoivat piirit radio- ja äänitaajuuksilla.

Käytännön huomioita

• DC-resistanssi (DCR) — kelan vastus aiheuttaa häviöitä ja lämmöntuottoa.
• Q‑tekijä — indikaattori kelan laatuun; korkea Q = pienemmät häviöt suhteessa reaktanssiin (erityisen tärkeä RF-sovelluksissa).
• Itseresonanssi — kelan kierrosten välinen kapasitanssi aiheuttaa itsereonanssin taajuuden; käytännön taajuudet on valittava tämän mukaan.
• Saturaatio — rautaytimet voivat menettää permeabiliteettinsa liian suurella virralla; komponentin saturaatioarvo kannattaa huomioida tehosovelluksissa.
• Häviöt — ydinhäviöt (hysteresis ja pyörrevirrat) ja kuparihäviöt (I²R).
• Mittaaminen — LCR‑mittari tai verkkoanalyysi sopivat induktanssin ja Q:n mittaukseen.
• Asennus ja pakkaus — SMD- ja läpivientiperiaatteet; tehoinduktorit tarvitsevat riittävän jäähdytyksen.

Lisäksi

Induktorit eivät ole napajakoisia kuten kondensaattorit, mutta kytkettäessä useampaa kelaa yhteismagneettisen linkin vuoksi käytetään usein piste- eli dot-merkintää osoittamaan vaihe- tai napapolariteettia kytkettäessä (erityisesti muuntajissa ja kytketyissä industoreissa). Suunnittelussa kannattaa myös huomioida komponentin itseresonanssi ja paras toimintataajuusalue sekä kelan lämpö- ja virrankesto.

Yhteenvetona: induktori on keskeinen komponentti, joka varastoi energiaa magneettikenttään, suodattaa ja rajoittaa virranmuutoksia ja jolla on laaja käyttöalue teho- ja signaalipiireissä. Oikean industorin valinta edellyttää huomioita induktanssista, DCR:stä, saturaatioarvosta, Q:sta ja itseresonanssista.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on induktori?

K: Mistä induktori yleensä valmistetaan?

K: Mistä induktorin ydin on tehty?

K: Miten magneettisempi materiaali ytimenä voi vaikuttaa induktorin ympärillä olevaan magneettikenttään?

K: Voidaanko pieniä induktoreita laittaa integroituihin piireihin?

K: Mitä käytetään yleensä integroiduissa piireissä olevien pienten induktorien johtavana materiaalina?

K: Mikä on induktorin tärkein tehtävä sähköpiirissä?

Hae kirjaimella