ตัวเหนี่ยวนำ เป็นส่วนประกอบพื้นฐานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากสามารถกักเก็บพลังงานในสนามแม่เหล็กได้ การออกแบบและการเลือกตัวเหนี่ยวนำสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของวงจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแหล่งจ่ายไฟและการใช้งานความถี่วิทยุ แง่มุมที่สำคัญประการหนึ่งของการออกแบบตัวเหนี่ยวนำคือการใช้แกนที่มีช่องว่าง ซึ่งจะทำให้มีช่องว่างอากาศใน เส้นทางแม่เหล็ก ของแกนของตัวเหนี่ยวนำ บทความในบล็อกนี้จะเจาะลึกถึงความแตกต่างระหว่างตัวเหนี่ยวนำแบบแกนอากาศเทียบกับแกนแม่เหล็ก แนวคิดของแกนที่มีช่องว่าง และผลกระทบของการนำช่องว่างอากาศมาใช้ในตัวเหนี่ยวนำ

ตัวเหนี่ยวนำแบบแกนอากาศเทียบกับแกนแม่เหล็ก

ความแตกต่างหลักระหว่างตัวเหนี่ยวนำแบบแกนอากาศและ แกนแม่เหล็ก อยู่ที่การมีวัสดุแม่เหล็กอยู่ในแกน ตัวเหนี่ยวนำแบบแกนอากาศไม่มีแกนเฟอร์โรแมกเนติก แต่จะใช้ตัวอากาศเองเพื่อสร้างวงจรแม่เหล็ก การออกแบบนี้มีประโยชน์ในความถี่สูงซึ่งการสูญเสียแกนในวัสดุแม่เหล็กอาจมีนัยสำคัญ ในทางกลับกัน ตัวเหนี่ยวนำแบบแกนแม่เหล็กใช้วัสดุ เช่น เหล็กหรือเฟอร์ไรต์ เพื่อรวมสนามแม่เหล็ก ส่งผลให้ ค่า เหนี่ยวนำ สูงขึ้น สำหรับขนาดและจำนวนรอบที่กำหนด

ตัวเหนี่ยวนำแกนช่องว่าง: ภาพรวม

ตัวเหนี่ยวนำแกนแม่เหล็กแบบมีช่องว่างจะประกอบด้วยช่องว่างอากาศที่ตั้งใจไว้ในแกนแม่เหล็ก ช่องว่างนี้ถูกสร้างขึ้นเพื่อจัดการความอิ่มตัวของแกนแม่เหล็กและปรับปรุงความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้า การเพิ่มช่องว่างอากาศจะทำให้ความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำลดลง แต่ความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นโดยไม่ทำให้ความอิ่มตัวเพิ่มขึ้น ช่องว่างอากาศยังช่วยให้ความเหนี่ยวนำมีเสถียรภาพมากขึ้นเมื่อวัสดุแกนแม่เหล็กมีการซึมผ่านที่เปลี่ยนแปลงไป ทำให้ประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำคาดเดาได้ง่ายขึ้น

การวิเคราะห์แกนที่มีช่องว่าง

การเพิ่มช่องว่างอากาศจะส่งผลต่อพารามิเตอร์หลายประการของตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งจะลดความสามารถในการซึมผ่านที่มีประสิทธิภาพของแกนกลาง ซึ่งเป็นการวัดความสามารถของแกนกลางในการรองรับการก่อตัวของสนามแม่เหล็ก หากความสามารถในการซึมผ่านที่มีประสิทธิภาพต่ำลง หมายความว่าตัวเหนี่ยวนำจะมีค่าเหนี่ยวนำที่ต่ำลงสำหรับจำนวนรอบและพื้นที่แกนกลางเท่ากัน อย่างไรก็ตาม นั่นยังหมายความว่าตัวเหนี่ยวนำสามารถทนต่อกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้ก่อนที่วัสดุแกนกลางจะอิ่มตัว

ความสามารถในการซึมผ่านที่มีประสิทธิภาพของแกนที่มีช่องว่าง

ค่าการซึมผ่านที่มีประสิทธิภาพ  เป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบตัวเหนี่ยวนำแกนที่มีช่องว่าง โดยแสดงถึงค่าการซึมผ่านโดยเฉลี่ยของวัสดุแกนและช่องว่างอากาศ การมีช่องว่างอากาศจะลดค่าการซึมผ่านที่มีประสิทธิภาพอย่างมาก เนื่องจากอากาศมีค่าการซึมผ่านที่ต่ำกว่าวัสดุแม่เหล็กมาก การลดลงของค่าการซึมผ่านที่มีประสิทธิภาพนี้เป็นประโยชน์ในการใช้งานที่ค่าเหนี่ยวนำที่เสถียรเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากจะทำให้ตัวเหนี่ยวนำมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุแกนน้อยลง

จากภาพเด่น จะเห็นได้ว่าช่องว่างอากาศส่งผลต่อพารามิเตอร์ตัวเหนี่ยวนำต่างๆ อย่างไร สมมติว่า:

• แกนมีค่าการซึมผ่านสัมพัทธ์ μ_c และ ความยาวเฉลี่ย l_c
• ช่องว่างดังกล่าวมีค่าการซึมผ่านสัมพัทธ์เท่ากับ 1 และมีความยาว 1.5แสน_กรัม
• พื้นที่หน้าตัด ( A ) ของแกนและช่องว่างอากาศเท่ากัน

หากค่าการซึมผ่านของแกนกลางมีค่ามากกว่า 1 มาก ( μ_c ≫ 1) แกนที่มีช่องว่างจะมีค่าการซึมผ่านสัมพัทธ์ที่มีประสิทธิภาพเท่ากับ:

μ_eff ≈ l_c/l_g

ที่ไหน:

l_c คือความยาวเฉลี่ยของแกน

l_g คือความยาวช่องว่าง

เมื่อ l_c = 100 l_gตัวอย่างเช่น แกนที่มีช่องว่างจะมีค่าการซึมผ่านสัมพัทธ์ที่มีประสิทธิภาพเท่ากับ 100 สิ่งสำคัญที่ต้องเรียนรู้จากที่นี่คือช่องว่างจะครอบงำพฤติกรรมของแกนตราบใดที่ μ_c ≫ 1

ผลกระทบของช่องว่างอากาศต่อความเหนี่ยวนำและการซึมผ่านของวัสดุ

ผลกระทบของช่องว่างอากาศต่อความเหนี่ยวนำมี 2 ประการ คือ ลดค่าความเหนี่ยวนำและลดความไวของความเหนี่ยวนำต่อความสามารถในการซึมผ่านของวัสดุแกน การลดความไวนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มีความผันผวนของอุณหภูมิหรือในการใช้งานที่ตัวเหนี่ยวนำต้องรับกระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง ซึ่งอาจเปลี่ยนแปลงความสามารถในการซึมผ่านของแกนได้ และส่งผลให้ความเหนี่ยวนำเปลี่ยนแปลงไปด้วย

เนื่องจากช่องว่างทำให้ค่าการซึมผ่านสัมพัทธ์ที่มีประสิทธิภาพของแกนกลางลดลง จึงไม่น่าแปลกใจที่การเพิ่มช่องว่างจะช่วยลดค่าเหนี่ยวนำของโครงสร้างด้วย อีกวิธีหนึ่งในการบรรลุผลลัพธ์เดียวกันคือการใช้คำจำกัดความของค่าเหนี่ยวนำ เราทราบว่าค่าเหนี่ยวนำถูกกำหนดดังนี้:

L = nΦ/i

เราพบว่าความเหนี่ยวนำของแกนที่มีช่องว่างคือ:

L = n² /(Rmc + Rmg)

ช่องว่างอากาศจะเพิ่มแรงต้านทานรวมและลดความเหนี่ยวนำ แม้ว่าจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด แต่แกนที่มีช่องว่างก็มีข้อดีที่สำคัญสามประการ:

• พวกมันลดความไวต่อการซึมผ่านของวัสดุ
• พวกเขาเพิ่มกระแสอิ่มตัว
• พวกมันจะเพิ่มพลังงานที่สะสมไว้

หากไม่มีช่องว่างอากาศ ความเหนี่ยวนำจะแปรผันตรงกับ ความสามารถในการซึมผ่านของวัสดุแกนซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ และเป็นฟังก์ชันที่ไม่เป็นเชิงเส้นของความเข้มของสนามแม่เหล็กที่ใช้ ทำให้ยากต่อการควบคุมความเหนี่ยวนำอย่างแม่นยำ

ตอนนี้ให้พิจารณาแกนที่มีช่องว่าง เนื่องจากช่องว่างอากาศมีค่ามากกว่าช่องว่างของวัสดุแกนมาก:

L ≈ n²/R_mg = n²/(l_g/μ₀A) = n²μ₀A/l_g

จากข้างต้น เราจะเห็นได้ว่าค่าเหนี่ยวนำของแกนที่มีช่องว่างนั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของช่องว่างเป็นหลัก ( A และ l g ) เนื่องจากค่าการซึมผ่านของอากาศ ( μ 0 ) คงที่ จึงสามารถปรับความยาวของช่องว่างเพื่อสร้างค่าเหนี่ยวนำที่ควบคุมได้ดีซึ่งไวต่อการเปลี่ยนแปลงของค่าการซึมผ่านน้อยลง

เพิ่มกระแสอิ่มตัวและพลังงานที่เก็บไว้

การเพิ่มช่องว่างอากาศจะทำให้กระแสอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้น เนื่องจากช่องว่างอากาศต้องใช้แรงแม่เหล็กที่สูงกว่า (กระแสคูณจำนวนรอบ) เพื่อให้ได้ความหนาแน่นของฟลักซ์ในแกนกลางเท่ากับที่จำเป็นหากไม่มีช่องว่างดังกล่าว เป็นผลให้ตัวเหนี่ยวนำสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้โดยที่วัสดุแกนกลางไม่ถึงจุดอิ่มตัว นอกจากนี้ ช่องว่างอากาศยังช่วยให้ตัวเหนี่ยวนำสามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้น ซึ่งถือเป็นข้อได้เปรียบในการใช้งานด้านพลังงานที่จำเป็นต้องเก็บพลังงาน

เมื่อช่องว่างถูกใส่เข้าไปในแกนกลาง แรงต้านที่มีประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้น ดังนั้น ต้องใช้กระแสไฟฟ้าที่มากขึ้นเพื่อทำให้แกนกลางอิ่มตัว มาคำนวณกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ตัวเหนี่ยวนำสามารถรับมือได้โดยไม่ต้องถึงระดับอิ่มตัวกัน

ค่า B ของตัวเหนี่ยวนำที่มีช่องว่างจะกำหนดโดย:

B = ni/(R_mc + R_mg )Ac

โดยที่ A c คือพื้นที่หน้าตัดของแกน ดังนั้น กระแสไฟฟ้าที่จุดเริ่มต้นของการอิ่มตัวคือ:

I_sat = B_satA_c*(Rmc+Rmg)/n

โดยที่ B sat คือความ หนาแน่น ฟลักซ์แม่เหล็ก อิ่มตัว ช่องว่างอากาศจะเพิ่มแรงต้านทานที่มีประสิทธิภาพ และกระแสอิ่มตัวของแกนกลางด้วย

การเลือกความยาวช่องว่างและจำนวนรอบ

การเลือกความยาวช่องว่างและจำนวนรอบที่เหมาะสมนั้นต้องอาศัยความสมดุล ช่องว่างที่มากขึ้นสามารถเพิ่มความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำได้ แต่ต้องแลกมาด้วยค่าเหนี่ยวนำที่ลดลง ในทางกลับกัน การเพิ่มจำนวนรอบสามารถชดเชยค่าเหนี่ยวนำที่ลดลงอันเนื่องมาจากช่องว่างอากาศได้ แต่ก็อาจส่งผลให้ตัวเหนี่ยวนำมีขนาดใหญ่ขึ้นได้ วิศวกรจะต้องพิจารณาถึงข้อดีข้อเสียเหล่านี้ในบริบทของข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะของตน

เราพบว่าช่องว่างอากาศทำให้กระแสอิ่มตัวเพิ่มขึ้นแต่เหนี่ยวนำลดลง เพื่อชดเชยการสูญเสียเหนี่ยวนำอันเนื่องมาจากช่องว่างอากาศ เราสามารถเพิ่มจำนวนรอบของขดลวด ( n ) ได้ ซึ่งจะเพิ่มสนามแม่เหล็กที่สร้างโดยขดลวด ทำให้เหนี่ยวนำกลับคืนสู่ค่าที่ต้องการ

โดยสมมุติว่าความลังเลของช่องว่างนั้นมากกว่าของแกนกลางมาก:

L ≈ n² /R_mg

และ:

B ≈ ni/R_mgA_c

การเพิ่มค่า n จะทำให้ค่าเหนี่ยวนำ ( L ) และความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก ( B ) เพิ่มขึ้นด้วย อย่างไรก็ตาม L เป็นสัดส่วนกับ n² และ B เป็นสัดส่วนกับ n ดังนั้นค่าเหนี่ยวนำจึงเพิ่มขึ้นเร็วกว่าความหนาแน่นของฟลักซ์เมื่อ n เพิ่มขึ้น

บทสรุป: ข้อดีของตัวเหนี่ยวนำแบบมีช่องว่างอากาศ

ตัวเหนี่ยวนำที่มีช่องว่างอากาศมีข้อดีหลายประการ เช่น กระแสอิ่มตัวที่เพิ่มขึ้น ความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของวัสดุแกนที่ลดลง และความสามารถในการจัดเก็บพลังงานที่เพิ่มขึ้น ข้อดีเหล่านี้ทำให้ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่แหล่งจ่ายไฟไปจนถึงวงจร RF การทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ระหว่างช่องว่างอากาศ ความเหนี่ยวนำ และกระแสอิ่มตัวนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบตัวเหนี่ยวนำสำหรับการใช้งานเฉพาะ

โดยสรุป ตัวเหนี่ยวนำแกนที่มีช่องว่างเป็นโซลูชันที่มีความยืดหยุ่นและแข็งแกร่งสำหรับการจัดการประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำในแอปพลิเคชันอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ความสามารถในการรักษาเสถียรภาพภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกันทำให้ตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนประกอบที่มีคุณค่าอย่างยิ่งในการออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพ

ข้อดีทั้งหมดนี้ได้มาโดยแลกมาด้วยค่าเหนี่ยวนำที่น้อยลง อย่างไรก็ตาม หากเลือกความยาวช่องว่างและจำนวนรอบอย่างเหมาะสม เราก็สามารถคืนค่าเหนี่ยวนำที่ต้องการได้ในขณะที่หลีกเลี่ยงความอิ่มตัวของแกนกลาง เทคนิคนี้มักใช้ในการออกแบบตัวเหนี่ยวนำสำหรับการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์กำลัง

‍