A Tekercsek Világa: Az Üres Tekercsmag Jelentősége és Felhasználása

A tekercs, más néven induktivitás, egy alapvető passzív alkatrész az elektromos és elektronikus áramkörökben. Képessége, hogy energiát tároljon az átfolyó áram által létrehozott mágneses térben, teszi nélkülözhetetlenné számos alkalmazásban. Bár felépítése egyszerűnek tűnhet - jellemzően egy huzalból készült menetsor, amelyet mágneses vagy levegőmagos vasmagra tekernek -, működési elvei és sokféle megvalósítása révén rendkívül sokoldalú eszköz. Az elektromos áram hirtelen változásainak ellensúlyozása, az áram ingadozásainak csillapítása, valamint az elektromágneses zavarok és harmonikus összetevők elnyomása mind a tekercs „simaító” hatásának köszönhető.

A Tekercsek Alapjai és Működési Elvei

A tekercs működésének megértéséhez először is a mágneses tér alapjait kell tisztázni. Oersted fedezte fel először, hogy az egyenes vezeték alatt elhelyezett iránytű elfordult, ha a vezetékben áram folyik. Ez bizonyítja, hogy az elektromos áramnak mágneses hatása van, és iránytű vagy vasreszelék segítségével feltérképezhetjük az áramjárta vezető körüli mágneses mezőt. Egy áramjárta, nagyon hosszú egyenes vezető körül a mágneses erővonalak körök, amelyek a vezető körül hengerszimmetrikusan helyezkednek el, és a vezetéktől távolodva a mágneses mező erőssége csökken. Az ilyen mágneses mező azonban meglehetősen gyenge. Sokkal erősebb mágneses mezőt hozhatunk létre úgy, ha a vezetékből nagy menetszámú tekercset készítünk.

Az áramjárta tekercs mágneses tere ugyanolyan, mint egy henger alakú mágnesrúdé. Az erővonalak önmagukban záródnak, ami azt jelenti, hogy az összes erővonal a tekercs belsején is áthalad, s ott párhuzamosan fut. A mágneses mező erőssége a tekercs belsejében a legnagyobb. Még erősebb mágneses mezőt kapunk, ha a tekercsbe vasmagot helyezünk. A tekercs mágneses tere hatására ugyanis a vasmag is mágnesessé válik, és az így kialakult rúdmágnes nagymértékben megnöveli a tekercs saját mágneses hatását. Az így létrehozott eszközt elektromágnesnek nevezzük.

Ha a tekercs két kivezetése közé időben állandó (DC) áramforrást kapcsolunk, akkor a meginduló elektromos áram mágneses mezőt hoz létre. A keletkezett mágneses mező a tekercs belsejében a legerősebb, mert itt haladnak legsűrűbben az erővonalak. A mágneses mező a bekapcsolás után fokozatosan erősödik, majd egy szintet elérve már nem nő tovább, időben állandósul. Amikor kikapcsoljuk az áramot, ugyancsak fokozatosan kezd el csökkenni, és csak egy bizonyos késleltetés után szűnik meg.

Induktivitás és Paraméterek

A tekercs működését az induktivitás, saját ellenállás, magtípus és a menetek geometriája határozza meg. Ezek a paraméterek befolyásolják a zavarszűrés hatékonyságát, az energiagazdálkodást és az eszköz megbízhatóságát változó üzemi körülmények mellett. Az induktivitás, más szóval a tekercs azon képessége, hogy az áram áramlása miatt mágneses tér formájában tárolja az energiát, kulcsfontosságú. A tekercs induktivitása növelhető a tekercs belsejébe helyezett ferromágneses anyaggal (vasmag, ferrit mag). Ebben az esetben a tekercsben lévő anyagra jellemző szorzószám, a relatív permeabilitás (µr) - ami levegő esetén 1, mágneses anyag esetében viszont jóval nagyobb is lehet - jön figyelembe. A mágneses anyag jellemzőit permeabilitásnak nevezzük, és µ = µ0 µr képlettel írható le.

A tekercs alapvető paraméterei közé tartozik még a rezonancia frekvencia. Egy valódi tekercs egyenértékű sémájában a tekercshuzal ellenállását ábrázoló ellenállást sorosan csatlakoztattuk a tekercsfordulatokhoz. A tekercsen keresztül áramló áram mellett ez nemcsak feszültségesést, hanem energiaveszteséget is okoz hő formájában, ami a tekercs túlmelegedését és a magparaméterek megváltoztatását okozhatja. Váltakozó áramú elemzés esetén figyelembe kell venni a vezető szigeteletlen rétegei által létrehozott parazita kapacitást is, ezért az egyenértékű diagram az ellenállástól eltekintve tartalmaz egy, a tekercs kivezetéseivel párhuzamosan kapcsolt kondenzátort is. Így RLC áramkör jön létre, és maga a tekercs induktív, mielőtt elérné a rezonancia frekvenciát, majd annak elérése után kapacitívvé válik.

Szórt Kapacitások és Induktivitások

A tekercs szórt kapacitása két részből tevődik össze: a belső kapacitásból, ami a szomszédos menetek és a menetek alkotta szomszédos sorok között lép fel, valamint a külső kapacitásból, amely a tekercsek és a vasmag, illetve az egyes tekercsek között lép fel. A szórt kapacitásoknak jelentősége elsősorban nagyfrekvenciás működés esetén van.

Csatolásban lévő tekercsek esetén a fluxusnak csak egy része halad át mindkét tekercsen. Egy kisebb része csak egyik vagy másik tekercs meneteivel kapcsolódik. Ezeket az indukcióvonalakat a szórt induktivitás meghatározásakor figyelembe kell venni.

Veszteségek

A tekercsek alkalmazásában az energiaveszteség három domináns típusát vesszük figyelembe. Az elsőt már korábban említettük, nevezetesen a soros ellenállásban bekövetkező veszteséget, vagyis a tekercselő vezetéket. Ezt az energiaveszteséget különösen akkor kell figyelembe venni, ha a tekercsen keresztül áramló áram nagy áramerősséggel bír. Ez a tápegységek és áramkörök leggyakoribb energiavesztesége, és a tekercs, valamint ennek következtében egy egész eszköz túlmelegedését okozhatja.

A második típusú energiaveszteség a magban fordul elő. Ezek a kivitelezés szabálytalanságainak, az örvényáramok előfordulásának és a mágneses tartományok helyzetének változásainak következményei. Az ilyen veszteségek akkor dominánsak, ha a tekercsen keresztül áramló áram alacsony amperértékű. Nagy frekvenciájú áramkörökben, digitális jelelválasztókban, stb. fordulnak elő. A vasveszteség több összetevőből áll:

• Örvényáramú veszteség: Ezt a vasban fellépő örvényáramok okozzák.
• Hiszterézis veszteség: A ferromágneses anyagok váltakozó áramú átmágnesezésekor minden periódus alatt veszteség keletkezik. Ezt a belső súrlódás okozza, ami hőfejlődéssel jár.
• Maradékveszteség: Ez egy gyűjtőfogalom, amely azokat a veszteségeket tartalmazza, amelyek a mágneses térerősség és az indukció közötti fáziseltérés következménye.

Üres Tekercsmagok (Légmagos Tekercsek)

A légmagos tekercsek ferromágneses mag nélküli induktorok. A mágneses mező a tekercs körül a levegő felett záródik. Ez kiküszöböli a nemlinearitás gyakran problémás hatását. A légmagos tekercsek azokban az iparágakban és alkalmazásokban kerülnek felhasználásra, ahol a magas frekvencia, az alacsony veszteség, vagy a magtelítődés elkerülése kritikus tényező.

Kialakítás és Gyártás

A kialakítást tekintve a zománcozott rézhuzallal gyártott légmagos tekercsek tekercselése sokféle csévetestre tekerhető. Egy légmagos tekercs tekercselése önkötő huzallal (self bonding wire) is történhet. Az önkötő huzal egy polírozott tekercselőszerszámra van tekerve, és gyakran a tekercselési folyamat során sütik össze. Az önkötő lakk (bonding enamel) típusától függően az összesütés történhet oldószerrel, például alkohollal (IPA) vagy forró levegővel. Ha az alapzománc felett elhelyezkedő önkötő réteg hőérzékeny, lehetőség van arra is, hogy az összesütéshez szükséges hőt árammal idézzük elő a tekercselés után, még a tekercselőszerszámban. Az összesütéshez az áram teljesítményveszteséget okoz az ohmos tekercsellenállásban, felmelegíti és összesüti a huzalt. Mindkét esetben el kell távolítani a légmagos tekercset az összesütő szerszámról (gyakran megegyezik a tekercselőszerszámmal). Sokféle geometriai forma valósítható meg így, a tekercselő szerszám geometriájától és összetettségétől függően.

Előnyök és Hátrányok

A légmagos tekercsek egyik legnagyobb előnye a ferromágneses magok hiánya miatt fellépő nemlinearitás kiküszöbölése. Ez stabilabb induktivitási értékeket eredményez széles frekvencia- és áramtartományban. Az alacsony veszteségek, különösen magas frekvenciákon, szintén kiemelkedőek. Hátrányuk lehet, hogy adott induktivitás eléréséhez nagyobb menetszámra és ezáltal nagyobb fizikai méretre lehet szükség, mint egy ferromágneses maggal rendelkező tekercs esetében.

A légmagos tekercsek kiszámításához hozzávetőleges induktivitási képletek használhatók. Az InduComp komoly tapasztalattal rendelkezik a légmagos tekercsek tervezésében és gyártásában, amelyek minden esetben igazodnak az elvárt technikai paraméterekhez, a kisebb darabszámtól a nagyobb mennyiségig vállalják a termékek gyártását.

Tekercsek Felhasználási Területei

A tekercsek széles körben alkalmazott alkatrészek az elektronikai iparban, a „simaító” hatásuknak köszönhetően előszeretettel alkalmazzák kapcsolóüzemű tápegységekben, tápáramkörökben, szűrőáramkörökben és zavarszűrő rendszerekben. A világítástechnikában a tekercseket kisülőlámpás rendszerekben is használják, ahol áramkorlátozó és gyújtóelemként szolgálnak.

Fojtótekercsek

Fojtótekercsnek nevezik az egy tekercses induktivitást. Ebből a mag anyaga és alakja szerint változatos a kínálat. Lehet kicsi, lehet nagy, lehet NYÁK-ba forrasztható furatszerelt vagy SMD vagy lecsavarozható, lehet légmagos, vagy ferrites, solenoid vagy toroid, esetleg hangolható értékű, stb. A fojtótekercsek kulcsszerepet játszanak az áramkörök stabilitásában és a zajszűrésben.

Transzformátorok

A transzformátor két, egymás mágneses hatáskörébe (pl. közös vasmag) helyezett tekercs, melyek esetében megfigyelhető, hogy az egyikre (primer) kapcsolt váltakozó feszültség a másik (secunder) tekercsben a menetszámok arányának megfelelő feszültséget indukál. Ez azon az elven alapszik, hogy az átfolyó primer áram hatására mágneses mező épül fel, ami a secunder tekercsben újra feszültséget indukál. Ez a teljesítmény izolált formában történő átadásának és a feszültség átalakításának máig is széles körűen, igen jó hatásfokkal alkalmazott technikája. A veszteségek a vasban keletkező örvényáramok, valamint a tekercselésből „kibújó” mágneses erővonalakból származnak.

A transzformátorok magjai többféle típusúak lehetnek:

• EI lemezelt vasmag: Ennél a típusnál a vasmagot vékonyra hengerelt, E és I betű alakúra vágott lágyvas lemezekből szerelik össze, hogy a két tekercselést közrefogják. Korai típus, és tekintettel a könnyű megvalósításra még mai is sok helyen alkalmazzák. Hátránya, hogy a vasmag lemezek a mágneses kölcsönhatásból eredő erőhatás hatására elmozdulhatnak, így alakul ki a transzformátor jellegzetes búgó, esetenként zizegő hangja. Ezt a káros hatást a kész transzformátor impregnáló gyantával történő kiöntésével lehet csökkenteni.
• Hiperszil (tekercselt vagy szalag vasmag): E technika szerint a tekercset nem lemez darabokból rakják össze, hanem egy lágyvas szalagból (ragasztó hozzáadásával) feszesen „lóversenypálya” alakúra feltekercselik, majd kettévágják (hogy a tekercselést rá lehessen húzni). A vágott felületet finomra köszörülik és bilincsekkel egymáshoz szorítják.
• Toroid mag: Nevét a geometriából ismert tóruszról (népszerűbb nevén: úszógumi) kapta. Ennél a megoldásnál a magot teljesen körbeöleli a tekercselés, így minimalizálva az erővonal szóródásból eredő veszteséget.
• Porvasmag: Ez tulajdonképpen a vasmag anyagára utaló kategória. Porkohászati úton ferrit porból és kötőanyagból sajtolással és kiégetéssel készül. Alakja igen változatos lehet. Legfőbb előnye a nagyobb frekvenciákon is alacsony vasveszteség, ezért a híradástechnika a legnagyobb felvevő piaca.

Deprez-műszerek

A tekercsben folyó áram hatására kialakuló mágneses tér egy permanens (állandó) mágnessel kölcsönhatásba is tud lépni. A keletkező mágneses erőhatás műszerekben is felhasználható egy mutató kitérítésére. A mutató kitérése arányban áll a tekercsben folyó áram nagyságával. Az ilyen elven működő műszert feltalálójáról Deprez-műszernek hívják. Előtét vagy sönt ellenállással a méréshatára kiterjeszthető. Átalakító áramkör közbeiktatásával más, nem villamos mennyiségek (pl. hőmérséklet, nyomás, fényerő) is mérhetők.

Motorok és Generátorok

A fent leírt mágneses kölcsönhatást egy henger palástja mentén elhelyezett és szakaszosan gerjesztett tekercsekkel kiaknázva motort kapunk, ami a betáplált elektromos energiából mechanikai (forgó) mozgást állít elő. Ez az eszköz visszafelé működtetve generátorként a forgó mozgásból állít elő villamos áramot. A motorok legegyszerűbb változata kommutátoros (kefés) egyenáramú (DC) motor, melynek működtetéséhez csupán tápfeszültség szükséges. Persze léteznek ennél bonyolultabb, (egy- vagy többfázisú) váltóáramú motorok, sőt a működésükhöz komoly vezérlő elektronikát igénylő speciális motorok is, mint pl. a szervo- és léptetőmotorok. A motor mechanikai nyomatékának növelése érdekében készítenek áttétellel.

Anyagok és Magtípusok

Az indukciós tekercs nagyon fontos eleme a magja. A magot a felhasznált anyag típusa és a hozzá kapcsolódó relatív mágneses permeabilitás jellemzi. „Relatívnak” hívják, mert a vákuum áteresztőképességéhez viszonyítva határozzák meg. A meghatározás szerint a mágneses permeabilitás egy adott anyag vagy közeg azon képessége, hogy a mágneses indukciót a mágneses térerősség változásával együtt megváltoztassa. A mágneses permeabilitás - a Tudományos és Technológiai Adatok Bizottsága (CODATA) által közzétett adatokkal összhangban - skalár, amelyet μ0 szimbólum jelöl és amelynek értéke a Nemzetközi Mértékegységrendszerben (SI) μ0 = 4·Π·10-7= ca.

A mágneses jellemzőket tekintve az anyagokat paramágneses anyagokra (anyagok, amelyek mágnessé válnak, miután a mágneses mezőbe helyezik), ferromágneses anyagokra (amelyek mágnesessé válnak mágneses tér jelenlétében) és diamagnetikus anyagokra (a mágneses anyagot gyengítő) osztják fel. A maganyag típusa erősen befolyásolja a tekercs paramétereit. Tökéletes vákuumban nincsenek olyan részecskék, amelyek befolyásolhatják az induktivitás és a mágneses tér erőssége közötti összefüggést. Ennek ellenére minden anyagi közegben az induktivitási képlet módosul, az adott közeg permeabilitásától függően. Vákuum esetén az áteresztőképesség értéke 1.

Miért használnak magokat?

Először is, a magnak köszönhetően több energiát lehet tárolni kevesebb fordulattal, mint egy egyenértékű légmag esetén. Másodszor, a tekercs mechanikai felépítése miatt - a mag támogatja a huzalfordulásokat, és lehetővé teszi a megfelelő felszerelést a céleszközbe. A harmadik fontos ok a mágneses tér koncentrációja és vezetése. Fontos, hogy a mag körül tekercselt huzalok legyenek szigetelve, éppen ezért tekercsek készítéséhez szigetelt huzalokat használnak, vagy nem szigetelt huzallal (például az úgynevezett ezüst acéllal) tekercselik, de légréssel biztosítják a huzal egyes fordulatai közötti szükséges elválasztás.

Mágneses Szimulációk a Tekercstervezésben

Mágneses szimulációkról beszélve legtöbbször egy, vagy több árammal átjárt vezető, vagy egy, vagy több állandó mágnes által létrehozott mágneses tér analízisét végezzük. A szimuláció célja többféle lehet, pl. a szenzortechnika területén, induktív elven működő érzékelők tervezésekor a mozgó alkatrész által létrehozott induktivitás-változás detektálása, elektromágneses aktuátorok által kifejtett erő, vagy nyomaték analízise, stb.

Mágneses szimulációk esetén különösen fontos szerepe van a megfelelő anyagmodellek definiálásának. Lényegi kérdés az állandó mágnesek, mágnesezhető anyagok (pl. vasmag anyaga egy tekercsben), vezetők (pl. réz kábel), valamint a rendszer elemeit körbevevő levegő modellezésének helyessége. Mágneses szimulációk során általában a kontaktok modellezése elhanyagolható tényező. Mivel mágneses szimulációk során az alkatrészek közötti és körüli levegő (vagy egyéb közeg) is modellezésre kerül, különösen fontos a szimmetria-feltételek használata. Ellenkező esetben a nagy elemszám meglehetősen megnöveli a számítási időt.

Egy tipikus szimulációs folyamat a következő lépéseket tartalmazhatja:

1. Geometriai modell előkészítése: Egy 3D-s negyed-modellként elkészített feladatban megfigyelhetjük a létrejövő mágneses tér jellemzőit, illetve a tekercs feletti tárcsára ható erő nagyságát. A vasmag, tekercs és a fedőlap geometriáját forgatással hozhatjuk létre, így egyből negyed modellt kapunk.
2. Anyagmodellek hozzárendelése: A szimuláció során különböző beépített anyagokat használunk, vagy új anyagok definiálása esetén csak az elektromágneses tulajdonságaikat kell definiálni. Ezeket az anyagmodelleket hozzá kell rendelni az egyes testmodellekhez.
3. Hálózás: A hálózásnál fontos, hogy a tekercs és közvetlen környezete megfelelően kicsi elemméretet tartalmazzon a pontos eredmény érdekében. Több hálósűrítési beállítás alkalmazásával a véges elemes háló mérete egyenletesen csökken a tekercstől a környezet széle felé.
4. Peremfeltételek megadása: A szimuláció során szükséges peremfeltételeket, például az áram átvezetését, precízen kell definiálni.
5. Eredmények elemzése: Az eredményeket tekintve láthatjuk, hogy a mágneses erővonalak a várakozásainknak megfelelő irányba haladnak. A mágneses térerősség vektorosan is megjeleníthető, és a tekercs erőhatása a szerkezeti elemekre is megfigyelhető.

Tekercsek a Modern Elektronikában

A digitális áramkörök, például a processzorok, a programozható logikai eszközök és a SoC áramkörök széles körű használata ellenére, az elektronikai tervezőnek néha „analóg” elemeket is fel kell használniuk, például: ellenállások, kondenzátorok vagy indukciós tekercsek. Ami érdekes, hogy egy ellenállást vagy egy kondenzátort (picofaradokban számolt kapacitással) viszonylag könnyen be lehet építeni az integrált áramkör struktúrájába, egy indukciós tekerccsel ugyanezt megtenni kifejezetten nehéz. Éppen ezért sok elem felhasználási megjegyzése az indukciós tekercset még mindig a készlethez hozzáadott külső komponensként említi.

Manapság a tekercsek többségét, különösen az áramkörökben használt fojtókat SMT-szerelés céljából készítik. Az alacsony frekvencián történő működésre tervezett tekercseknek általában vasmagja van és nagy a tekercselt fordulatok száma, így viszonylag nehézzé válnak. Éppen ezért sok alkalmazásban, különösen azokban, amelyek érzékenyek az ütésekre és a túlfeszültségekre, a szerelés módszere jelentős szerepet játszik. A tekercs forrasztása általában nem elegendő - a magot megfelelően kell rögzíteni egy kapcson, tartó vagy csavar segítségével.

Gyakori Meghibásodások

A gyakorlatban gyakran előfordul az indukciós tekercs károsodása, vagyis rövidzárlat keletkezik a huzal fordulatai között a szigetelés meghibásodása következtében, a megengedett legnagyobb hőmérséklet vagy feszültség túllépése miatt. Az így megsérült tekercset újra kell tekercselni, vagy le kell cserélni. A hálózati transzformátorok is így károsodnak.

A Tekercsek Beszerzése

A Transfer Multisort Elektronik (TME) a világ egyik legnagyobb elektronikai alkatrész-, elektrotechnikai eszköz-, műhelyfelszerelés- és ipari automatizálás-disztribútora. A katalógus több mint 1 300 000 terméket tartalmaz 1 300 vezető gyártótól. Az InduComp légmagos tekercseivel kiváló minőségű, a cég igényeire szabott terméket kap kézhez. Rugalmasan állnak ügyfeleikhez, a kisebb darabszámtól a nagyobb mennyiségig vállalják a termékek gyártását.

tags: #tekercs #ures #tekercsmag