ตัวเหนี่ยวนำมีหลายประเภทตามขนาดและพิกัด ขนาดทางกายภาพของตัวเหนี่ยวนำนั้นแตกต่างกันไปตั้งแต่ขนาดเล็กจิ๋วไปจนถึงหม้อแปลงขนาดใหญ่ ขึ้นอยู่กับกำลังไฟฟ้าที่ใช้งานและความถี่ของกระแสสลับที่ใช้ ในฐานะที่เป็นส่วนประกอบพื้นฐานอย่างหนึ่งที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตัวเหนี่ยวนำจึงถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในหลายๆ ด้าน เช่น การควบคุมสัญญาณ การกำจัดสัญญาณรบกวน การรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง การทำงานของรถยนต์ เป็นต้น ปัจจุบันนี้ การพัฒนาเทคนิคการออกแบบตัวเหนี่ยวนำทำให้ประสิทธิภาพของวงจรส่วนอื่นๆ ดีขึ้นอย่างมาก

ประเภทของตัวเหนี่ยวนำ

ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่หลากหลายซึ่งใช้ในงานหลายประเภทต้องการตัวเหนี่ยวนำหลายประเภท ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้มีรูปร่างและขนาดแตกต่างกัน รวมถึงตัวเหนี่ยวนำแบบขดลวดและตัวเหนี่ยวนำแบบหลายชั้น ตัวเหนี่ยวนำประเภทต่างๆ ได้แก่ ตัวเหนี่ยวนำความถี่สูง ตัวเหนี่ยวนำสำหรับสายส่งไฟฟ้าหรือตัวเหนี่ยวนำกำลัง และตัวเหนี่ยวนำสำหรับวงจรทั่วไป การจำแนกประเภทของตัวเหนี่ยวนำนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของขดลวดและแกนที่ใช้

• ตัวเหนี่ยวนำแกนอากาศ

ในตัวเหนี่ยวนำประเภทนี้ แกนกลางจะไม่มีอยู่เลย ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้มีความต้านทานแม่เหล็กสูง จึงทำให้ค่าความเหนี่ยวนำต่ำ ตัวเหนี่ยวนำแบบแกนอากาศจะมีขดลวดขนาดใหญ่กว่าเพื่อสร้างความหนาแน่นของฟลักซ์ที่สูงขึ้น จึงนิยมใช้ในงานความถี่สูง เช่น เครื่องรับโทรทัศน์และวิทยุ

• ตัวเหนี่ยวนำเฟอร์โรแมกเนติกหรือแกนเหล็ก

เนื่องจากมีค่าการซึมผ่านของแม่เหล็กสูง จึงทำให้มีคุณสมบัติในการเหนี่ยวนำสูง ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้มีกำลังสูง แต่มีข้อจำกัดในด้านความสามารถในการทำงานที่ความถี่สูง เนื่องจากความสูญเสียจากฮิสเทรีซิสและกระแสไหลวน

การออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าเป็นตัวอย่างหนึ่งของการออกแบบประเภทนี้

• ตัวเหนี่ยวนำแกนเฟอร์ไรต์

นี่คือตัวเหนี่ยวนำประเภทต่างๆ ที่มีข้อดีคือต้นทุนต่ำและการสูญเสียแกนน้อยที่ความถี่สูง เฟอร์ไรต์เป็นเซรามิกออกไซด์โลหะที่ทำจากส่วนผสมของเฟอร์ริกออกไซด์ Fe2O3 เฟอร์ไรต์ชนิดอ่อนถูกนำมาใช้ในการสร้างแกนเพื่อลดการสูญเสียฮิสเทอรีซิส

• ตัวเหนี่ยวนำแกนวงแหวน

ในตัวเหนี่ยวนำประเภทนี้ ขดลวดจะถูกพันรอบแกนทรงกลมแบบทอรอยด์ การรั่วไหลของฟลักซ์ต่ำมากในตัวเหนี่ยวนำประเภทนี้ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องใช้เครื่องพันขดลวดแบบพิเศษในการออกแบบตัวเหนี่ยวนำประเภทนี้ บางครั้งก็มีการใช้แกนเฟอร์ไรต์เพื่อลดการสูญเสียในแบบการออกแบบนี้ด้วย

• ตัวเหนี่ยวนำแบบใช้แกนม้วน

ในตัวเหนี่ยวนำแบบนี้ ขดลวดจะถูกพันบนแกนม้วน การออกแบบตัวเหนี่ยวนำแบบพันบนแกนม้วนนั้นมีความหลากหลายมากในแง่ของกำลังไฟฟ้า ระดับแรงดันและกระแส ความถี่ในการทำงาน ฯลฯ ส่วนใหญ่จะใช้ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดและแอปพลิเคชันการแปลงพลังงาน

• ตัวเหนี่ยวนำหลายชั้น

ตัวเหนี่ยวนำแบบหลายชั้นประกอบด้วยขดลวดนำไฟฟ้าสองชุดที่จัดเรียงเป็นสองชั้นในส่วนบนของตัวเรือนแบบหลายชั้น ขดลวดเหล่านี้เชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าแบบอนุกรมกับขดลวดนำไฟฟ้าอีกสองชุดที่อยู่ส่วนล่างของตัวเรือนแบบหลายชั้น โดยส่วนใหญ่ใช้ในระบบสื่อสารเคลื่อนที่และแอปพลิเคชันลดสัญญาณรบกวน

• ตัวเหนี่ยวนำฟิล์มบาง

ตัวเหนี่ยวนำแบบนี้แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากตัวเหนี่ยวนำแบบชิปทั่วไปที่พันด้วยลวดทองแดง ในตัวเหนี่ยวนำแบบนี้ จะใช้กระบวนการผลิตฟิล์มบางเพื่อสร้างตัวเหนี่ยวนำแบบชิปสำหรับ ใช้งาน ความถี่สูงซึ่งมีค่าความเหนี่ยวนำตั้งแต่ระดับนาโนเฮนรีขึ้นไป

ตัวเหนี่ยวนำทำงานอย่างไร?

ตัวเหนี่ยวนำมักถูกเรียกว่าตัวต้านทานกระแสสลับ มันต้านทานการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าและเก็บพลังงานในรูปของสนามแม่เหล็ก ตัวเหนี่ยวนำมีโครงสร้างที่เรียบง่าย ประกอบด้วยขดลวดทองแดงพันรอบแกน ซึ่งแกนนี้อาจเป็นแม่เหล็กหรืออากาศ ตัวเหนี่ยวนำชนิดต่างๆ สามารถนำไปใช้ในงานขั้นสูง เช่นการส่งพลังงานแบบไร้สาย

แกนแม่เหล็กอาจเป็นแบบวงแหวนหรือแบบตัว E วัสดุที่ใช้ทำแกนแม่เหล็ก ได้แก่ เซรามิก เฟอร์ไรต์ และเหล็กผง ขดลวดที่นำกระแสไฟฟ้าจะสร้างสนามแม่เหล็กล้อมรอบตัวนำ จะเกิดเส้นแรงแม่เหล็กมากขึ้นหากวางแกนไว้ภายในขดลวด โดยต้องใช้แกนที่มีค่าการซึมผ่านสูง

สนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ในขดลวด ส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหล ตามกฎของเลนซ์ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะต้านสาเหตุ ซึ่งก็คือแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้าไป ดังนั้น ตัวเหนี่ยวนำจึงต้านการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าขาเข้าที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก การลดลงของกระแสไฟฟ้าเนื่องจากการเหนี่ยวนำนี้เรียกว่า รีแอกแทนซ์เหนี่ยวนำ รีแอกแทนซ์เหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นหากจำนวนรอบของขดลวดเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ยังเก็บพลังงานในรูปของสนามแม่เหล็กผ่านกระบวนการประจุและคายประจุ และปล่อยพลังงานออกมาเมื่อสวิตช์วงจรการใช้งานของตัวเหนี่ยวนำ ได้แก่ วงจรอนาล็อก การประมวลผลสัญญาณ เป็นต้น

ปัจจัยที่มีผลต่อค่าความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำ

ความสามารถในการสร้างเส้นสนามแม่เหล็กเรียกว่าค่าความเหนี่ยวนำ หน่วยมาตรฐานของค่าความเหนี่ยวนำคือเฮนรี ปริมาณฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดขึ้นหรือค่าความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำชนิดต่างๆ ขึ้นอยู่กับปัจจัยพื้นฐานสี่ประการที่กล่าวถึงด้านล่าง

• จำนวนรอบในขดลวด

ถ้าจำนวนรอบขดลวดมากขึ้น จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กมากขึ้น ส่งผลให้ค่าความเหนี่ยวนำมากขึ้น ในทางกลับกัน ถ้าจำนวนรอบขดลวดน้อยลง ค่าความเหนี่ยวนำก็จะน้อยลง

• วัสดุของแกนกลาง

ถ้าวัสดุที่ใช้ทำแกนมีค่าการซึมผ่านสูง ค่าความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำก็จะยิ่งสูงขึ้น เนื่องจากวัสดุที่มีค่าการซึมผ่านสูงจะนำพาสนามแม่เหล็กได้ง่ายกว่าและมีความต้านทานต่ำกว่า

• พื้นที่หน้าตัดของขดลวด

พื้นที่หน้าตัดที่มากขึ้นจะส่งผลให้ค่าความเหนี่ยวนำมากขึ้น เนื่องจากพื้นที่หน้าตัดที่มากขึ้นจะต้านทานสนามแม่เหล็กน้อยกว่า

• ความยาวของขดลวด

ยิ่งขดลวดมีความยาวมากเท่าไร ค่าความเหนี่ยวนำก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น เนื่องจากสำหรับปริมาณสนามแม่เหล็กที่เท่ากัน แรงต้านต่อฟลักซ์แม่เหล็กจะมีมากขึ้น

ตัวเหนี่ยวนำแบบคงที่นั้น ผู้ใช้ไม่สามารถปรับเปลี่ยนค่าความเหนี่ยวนำได้เมื่อออกแบบเสร็จแล้ว แต่สามารถปรับค่าความเหนี่ยวนำได้โดยใช้ตัวเหนี่ยวนำแบบปรับค่าได้ โดยการเปลี่ยนจำนวนรอบของขดลวด หรือโดยการเปลี่ยนวัสดุของแกนขดลวด

การสูญเสียพลังงานในตัวเหนี่ยวนำ

กำลังไฟฟ้าที่สูญเสียไปในตัวเหนี่ยวนำนั้นเกิดจากสองแหล่งหลัก ได้แก่ แกนตัวเหนี่ยวนำและขดลวด

แกนเหนี่ยวนำ:การสูญเสียพลังงานในแกนเหนี่ยวนำเกิดจากการสูญเสียฮิสเทอรีซิสและการสูญเสียกระแสไหลวน สนามแม่เหล็กที่ใช้กับวัสดุแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้นจนถึงระดับอิ่มตัวแล้วจึงลดลง แต่ในขณะที่ลดลงนั้นจะไม่กลับไปสู่เส้นทางเดิม ทำให้เกิดการสูญเสียฮิสเทอรีซิส ค่าสัมประสิทธิ์ฮิสเทอรีซิสของวัสดุแกนยิ่งต่ำ การสูญเสียฮิสเทอรีซิสก็จะยิ่งน้อยลง

การสูญเสียแกนอีกประเภทหนึ่งคือการสูญเสียจากกระแสไหลวน กระแสไหลวนเหล่านี้เกิดขึ้นในวัสดุแกนเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอัตราของสนามแม่เหล็กตามกฎของเลนซ์ การสูญเสียจากกระแสไหลวนนั้นน้อยกว่าการสูญเสียจากฮิสเทอรีซิสมาก การสูญเสียเหล่านี้จะลดลงเหลือน้อยที่สุดโดยการใช้วัสดุที่มีค่าสัมประสิทธิ์ฮิสเทอรีซิสต่ำและแกนแบบลามิเนต

ขดลวดเหนี่ยวนำ:ในตัวเหนี่ยวนำ การสูญเสียไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะในแกนเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในขดลวดด้วย ขดลวดมีความต้านทานของตัวเอง เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดเหล่านี้ การสูญเสียความร้อน (I²*R) จะเกิดขึ้นในขดลวด แต่เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ความต้านทานของขดลวดจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ ปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ทำให้กระแสไฟฟ้ากระจุกตัวอยู่ที่ผิวของตัวนำมากกว่าตรงกลาง ดังนั้นพื้นที่รับกระแสไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพจึงลดลง

นอกจากนี้ กระแสไหลวนที่เกิดขึ้นในขดลวดทำให้เกิดกระแสเหนี่ยวนำในตัวนำที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์ความใกล้เคียง (proximity effect)

เนื่องจากตัวนำในขดลวดซ้อนทับกัน ผลกระทบจากความใกล้เคียงจึงทำให้ความต้านทานของตัวนำเพิ่มสูงขึ้นกว่ากรณีของผลกระทบจากผิวตัวนำ การสูญเสียในขดลวดลดลงได้ด้วยเทคโนโลยีการพันขดลวดขั้นสูง เช่น การพันขดลวดด้วยแผ่นฟอยล์รูปทรงต่างๆ และการพันขดลวดด้วยลวดลิตซ์