در دستگاه‌های الکترونیکی مختلف یکی از مواردی که از اهمیت زیادی برخوردار است استفاده از تجهیزاتی برای ذخیره انرژی است. این تجهیزات در انواع مختلفی وجود دارند و می‌توانند انرژی مورد نیاز را در دستگاه‌ها و تجهیزات الکترونیکی مختلف ذخیره کند. یکی از این تجهیزات سلف یا القاگر (Inductor) نام دارد که با نام‌های چوک (Choke) و کویل (Coil) نیز شناخته می‌شود. این ابزار از جهات زیادی به خازن شباهت دارد و در انواع مختلفی در دسترس است که هر کدام دارای یک سری خصوصیات و ویژگی‌های منحصر به فرد هستند.
سلف چیست؟
سلف یا القاگر یک قطعه الکترونیکی است که دارای دو پایه بوده و می‌تواند جریان انرژی الکتریکی عبوری را به صورت میدان مغناطیسی در خود ذخیره کند. این ابزار در ساده‌ترین شکل خود یک سیم است که در اطراف یک هسته مرکزی پیچیده شده است. این قطعه را می‌توان یک المان پسیو (Passive) دانست که مهم‌ترین خصوصیت و مشخصه آن توانایی مخالفت و مقاومت در برابر تغییرات جریان است.
به این ویژگی سلف که می‌تواند در برابر تغییرات مقاومت داشته باشد، اندوکتانس (Inductance) گفته می‌شود که با نماد حرف L نمایش داده می‌شود. واحد اندوکتانس هانری نام دارد که با نماد حرف H نمایش داده می‌شود. این واحد مانند فاراد یک واحد بزرگ است که به همین دلیل سلف‌های داخل مدارهای الکترونیکی در محدوده‌های میلی‌هانری، میکروهانری و نانوهانری قرار دارند.
عملکرد سلف چگونه است؟
سلف قطعه‌ای است که می‌تواند انرژی را در یک میدان مغناطیسی به صورت موقت ذخیره کرده و سپس با آزاد کردن این انرژی در مدار، نوسانات و جهش‌های جریان را کاهش دهد. بر اساس قانون القای فارادی در صورتی که جریان عبوری از سلف یا القاگر متغیر باشد، در این شرایط در دو سر سیم‌پیچ ولتاژ القایی ایجاد می‌شود که این ولتاژ با حاصل‌ضرب اندوکتانس سلف در نرخ تغییرات جریان برابر است. باید به این نکته توجه کرد که اگر جریان عبوری از سلف از نوع DC باشد و تغییرات جریان وجود نداشته باشد، هیچ ولتاژی در سلف القا نخواهد شد؛ به همین دلیل در مدارات DC سلف مانند یک اتصال کوتاه یا به عبارت ساده‌تر مانند یک سیم عمل می‌کند.
انواع سلف
سلف یا القاگر بر اساس مواد اصلی که در ساختار هسته آن‌ها به کار رفته است در دسته‌های مختلف تقسیم‌بندی می‌شوند؛ از مهم‌ترین انواع سلف بر اساس نوع هسته می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
1- سلف با هسته هوا (Air Cored Inductor)
سلف‌های هسته هوا دارای هسته سرامیکی هستند که به عنوان سلف فاقد هسته شناخته می‌شوند. رایج‌ترین ماده‌ای که در هسته‌های سلف مورد استفاده قرار می‌گیرد، سرامیک است. با توجه به اینکه ضریب انبساط حرارتی سرامیک پایین است باعث می‌شود که برای طیف وسیعی از دماهای کاری پیداری اندوکتانس القاگر بالا باشد. سرامیک از جمله موادی است که خاصیت مغناطیسی دارد و همین موضوع باعث می‌شود که افزایشی در مقدار نفوذپذیری آن وجود نداشته باشد. از اصلی‌ترین مزیت این نوع سلف‌ها می‌توان به تلفات بسیار کم هسته و ضریب کیفیت بالای آن اشاره کرد. این نوع القاگرها عمدتاً برای فرکانس‌های بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آن مقادیر اندوکتانس پایین مورد نیاز است.
2- سلف فرومغناطیسی (سلف با هسته آهنی)
کویل‌های هسته آهنی در مواردی که نیاز به القاگرهای فضای کم وجود دارد بهترین گزینه محسوب می‌شوند. این نوع سیم‌پیچ‌ها در تجهیزات صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرند و نسبت به سایر انواع القاگر کاربردهای محدودتری دارند.
3- سلف هسته فریت
فریت یک ماده فرومغناطیسی است که می توان خواص مغناطیسی را از خود نشان دهد. اکسید فلزی مخلوط آهن و سایر عناصر با یکدیگر ترکیب شده و ساختارهای کریستالی را تشکیل می‌دهند. XFe2O4 ترکیب کلی فریت‌ها را نشان می‌دهد که X در این فرمول نشان دهنده مواد انتقالی است. مواد انتقالی مانند منگنز و روی (MnZn) و نیکل روی (NiZn) از موادی هستند که به راحتی مغناطیسی می‌شوند.
سلف‌های هسته فریت یک قطعه الکترونیکی پسیو و دو ترمیناله محسوب می‌شوند که می‌توانند در برابر تغییر جریان الکتریکی عبوری از مدار مقاومت کنند. در این نوع سلف‌ها از فریت به عنوان یک ماده اصلی استفاده می‌شود که نفوذپذیری مغناطیسی بالا و مقاومت الکتریکی بالایی دارد. به همین دلیل از این نوع سلف معمولا همراه با منبع تغذیه و کاربردهای مدیریت توان استفاده می‌شود.
فریت‌ها بر اساس وادارندگی مغناطیسی در دو دسته فریت‌های نرم و فریت‌های سخت تقسیم‌بندی می‌شوند. وادارندگی مغناطیسی به شدت میدان مغناطیسی مورد نیاز برای مغناطیس زدایی گفته می‌شود که میدان مغناطیسی مواد فرومغناطیس را از حالت اشباع کامل به صفر می‌رساند.
سلف پودر آهنی (Iron Powder Inductor)
سلف‌های پودرآهنی از یک سری ذرات بسیار ریز همراه با ذرات عایق شده از پودر آهن بسیار خالص تشکیل شده‌اند. زمانی که این پودرهای آهنی تحت فشار بسیار بالا فشرده شده و با یک ماده چسبنده مانند اپوکسی یا فنولیک مخلوط می‌شوند در نهایت منجر به تشکیل یک هسته جامد می‌شود. در طی این فرایند پودر آهن مانند یک ساختار جامد مغناطیسی تشکیل شده که دارای شکاف‌های هوای توزیع شده است. همین ساختار باعث شده که از این نوع سلف معمولا در منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده شود.
انواع کاربرد سلف
سلف یا القاگر یکی از تجهیزات و قطعات الکترونیکی مهم به حساب می‌آید که کاربردهای متنوعی دارد. از مهم‌ترین کاربردهای انواع سلف می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- فیلتر: می‌توان همراه با مقاومت‌ها و خازن‌ها از سلف به منظور ایجاد فیلتر برای مدارهای آنالوگ و همچنین برای پردازش سیگنال استفاده کرد.
- سنسور: از سلف می‌توان در میدان‌های مغناطیسی از راه دور نیز استفاده کرد. این نوع سنسورهای القایی به صورت گسترده‌ای در تقاطع‌ها و در چراغ‌های راهنمایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- ترانسفورماتور: از ترکیب انواع سلف می‌توان برای ساخت ترانسفورماتورهای کوچک و سبک استفاده کرد.
- موتور: از سلف می‌توان به عنوان موتور استفاده کرده و از نیروی مغناطیسی برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی استفاده کرد. این نوع موتورها را می‌توان از قابل اعتمادترین نوع موتورها دانست.
- ذخیره انرژی: سلف می‌تواند مانند خازن عمل کرده و می‌تواند برای ذخیره انرژی با محدودیت استفاده شود.
- مدارهای تنظیم: از سلف می‌توان در مدارهای تنظیم به منظور تنظیم فرکانس موردنظر استفاده کرد.
- رله: به عنوان کلید برق نیز می‌توان از سلف استفاده کرد.
نماد و واحد اندازه‌گیری سلف
سیم پیچیده شده را می‌توان نماد شماتیک برای یک سلف دانست. با توجه به اینکه طبقه‌بندی سلف‌ها معمولا با توجه به جنس هسته صورت می‌گیرد با اضافه کردن خطوط موازی پیوسته یا نقطه‌ای در کنار نماد سیم پیچیده شده می‌توان نوع سلف را بر اساس جنس هسته مشخص کرد.
اندوکتانس کمیت بکار رفته برای اندازه‌گیری سلف محسوب می‌شود که با واحد هانری (H) اندازه‌گیری می‌شود. این واحد به افتخار جوزف هانری دانشمند آمریکایی انتخاب شده است. اندوکتانسی که در هانری اندازه‌گیری می‌شود متناسب با تعداد دور سیم، قطر حلقه سیم و ماده یا هسته‌ای است که سیم به دور آن پیچیده شده است.
فرمول سلف
اندوکتانس در یک سلف که با نماد L نمایش داده می‌شود بر اساس فرمول زیر محاسبه می‌شود:
در این فرمول µ نفوذپذیری مغناطیسی سلف، K ضریب ناگائوکا، N تعداد دورهای سیم‌پیچ، S سطح مقطع سیم‌پیچ و I طول سیم‌پیچ در جهت محوری است.
نحوه اتصال سلف به برد مدار
سلف‌های سطحی (SM) یا Surface Mount برای اتصال در مدار در بالای یک برد مدار چاپی (PCB) Printed Circuit Board بر روی پدهای دارای خمیر لحیم‌کاری قرار گرفته و با استفاده از لحیم‌کاری نصب می‌شوند. سلف‌های سوراخ‌دار (TH) یا Through Hole در بالای برد مدار چاپی همراه با سرب و از طریق سوراخ‌کاری روی برد نصب شده و سپس در قسمت پشتی به صورت موجی لحیم‌کاری می‌شوند.
تفاوت سلف و خازن
سلف مانند خازن یکی از قطعات ذخیره انرژی در مدارهای الکتریکی به حساب می‌آید اما در عین حال دارای تفاوت‌هایی با یکدیگر هستند. خازن می‌تواند ولتاژ به را به عنوان انرژی الکتریکی ذخیره کند اما سلف جریان را به صورت انرژی مغناطیسی ذخیره می‌کند. خازن قطعه‌ای است که در مقابل تغییر ولتاژ مقاومت می‌کند در حالی که سلف در برابر تغییر جریان مقاومت می‌کند. خازن‌ها این توانایی را دارند که راه جریان مستقیم را بسته و اجازه دهند جریان متناوب عبور کند در حالی که سلف بر عکس خازن عمل می‌کند.
جمع‌بندی
سلف یا القاگر را می‌توان یک قطعه مهم الکتریکی در مدارهای مختلف دانست که در برابر تغییر جریان در مدار مقاومت کرده و می‌تواند انرژی را به صورت الکترومغناطیسی ذخیره کند. در واقع سلف‌ها یکی از مهم‌ترین قطعات برای ذخیره انرژی در مدار هستند. از این قطعه که شباهت زیادی به خازن در مدارهای الکتریکی دارد می‌توان در موارد متعددی استفاده کرد. همین امر باعث شده که سلف یکی از قطعات مهم و اساسی در مدارهای الکتریکی به حساب آید.
نظرات کاربران