Preguntas sobre inductores

Así que todavía soy nuevo en electrónica, y he estado echando un vistazo a los convertidores Boost y demás (solo aprendí las fuentes de alimentación y los diferentes tipos) ... que me explicaron los inductores. No hace falta decir que fue un poco difícil de asimilar. Los inductores parecen bastante complejos para un componente tan simple.

1. Así como lo tengo claro, los inductores resisten el cambio en la corriente, por lo que si la corriente está bajando, "creará" un voltaje más alto para intentar compensar esto de acuerdo con la ley de Lenz. (¿Es esto correcto? ... ¿Alguien sabe cómo sucede esto?). Cuando está creando este voltaje, ¿se está bajando la corriente o simplemente drenándose más rápido?

2. En un esquema como este:

   

   Supongamos que el diodo no estaba allí. ¿Qué pasaría? ¿Seguiría el inductor acumulando energía sin ningún lugar a donde ir? ¿Se disiparía en el aire? En el artículo de Wiki decía que pasaría al siguiente cable. ¿Existe un límite en cuanto a la distancia que puede formarse un arco?

3. ¿Qué determina cuánta energía puede almacenar un inductor? ¿El número de vueltas? ¿O el tamaño del inductor realmente importa en cuanto a la "tasa" de almacenamiento.

4. No relacionado, pero ¿hay algún experimento "genial" que pueda hacer con ellos para ver cómo funcionan? Vi este en YouTube esencialmente, solo tiene un interruptor que enciende y apaga y se puede ver que el voltaje sube muy alto. Supongo que así es como funciona un convertidor de impulso.

Perdón por las múltiples preguntas, solo trato de comprender la magia de los inductores. Parecen tan simples (una bobina de alambre) pero hacen muchas locuras.

Sí, un inductor resiste los cambios de corriente, al igual que un condensador resiste los cambios de voltaje. De hecho, los inductores y condensadores son espejos de corriente / voltaje entre sí. La forma en que me gusta pensar en los inductores en los circuitos es que dan inercia a la corriente. Por supuesto que no, pero parece una técnica de conceptualización útil.

En el esquema sin el diodo, si todo comienza en 0 y el interruptor está cerrado, la corriente será una disminución exponencial hacia Vs / R. Inicialmente, todo el voltaje está a través del inductor, y en el estado estable hay 0 voltaje a través de él.

Lo interesante sucede cuando se abre el interruptor. En cualquier caso, el inductor mantendrá su corriente constante. Esto incluye la instancia en la que se abre el interruptor. Sin el diodo, no hay un camino obvio para la corriente. El voltaje del inductor aumentará a lo que sea que mantenga la corriente a través de él.

Un interruptor mecánico funciona al tocar juntos dos conductores. Cuando se abre el interruptor, los conductores se alejan unos de otros. Esto no puede suceder instantáneamente, por lo que cuando el interruptor intenta detener la corriente por primera vez, los contactos estarán muy juntos. No se necesitará mucho voltaje para provocar el arco. Una vez que se inicia el arco, el gas entre los contactos se convierte en plasma, que tiene una alta conductividad. Por lo tanto, el arco puede continuar durante un tiempo a medida que los contactos se separan más. Durante este tiempo, el voltaje a través del interruptor no es cero, por lo que la corriente del inductor disminuye. A medida que los contactos se separan más, el voltaje del arco aumenta, disminuyendo la corriente del inductor más rápidamente.

Finalmente, la corriente es lo suficientemente baja como para no poder sostener el arco y el interruptor finalmente se abre de verdad. En ese punto, queda poca energía en el inductor. El único lugar donde puede ir esa corriente es la inevitable capacitancia parásita a través del inductor y otras partes del circuito. Cada dos conductores en el universo tienen alguna capacitancia distinta de cero entre ellos. Esta capacitancia es pequeña y, por lo tanto, el voltaje aumentará rápidamente. Esto también disminuye la corriente en el inductor rápidamente. Finalmente, se alcanza un pico donde el voltaje en la capacitancia realmente comienza a empujar la corriente del inductor hacia el otro lado. En un sistema perfecto, toda la energía de la capacitancia se transferiría al inductor como corriente, pero esta vez en la dirección opuesta. Luego cargaría la capacitancia nuevamente en la dirección opuesta, y todo el ciclo se repetiría indefinidamente. En el mundo real hay algo de pérdida, por lo que cada oscilación hacia adelante y hacia atrás será un poco menor en amplitud a medida que se pierde energía a medida que se desplaza hacia adelante y hacia atrás entre el inductor y la capacitancia. El voltaje trazado en función del tiempo (como lo hace un osciloscopio) mostrará una onda sinusoidal con una amplitud que decae exponencialmente hacia Vs.

(1) Sí, los inductores resisten el cambio en el flujo de electrones. La ley de Lenz, las leyes de Maxwell y las ecuaciones en cualquier electrónica libro de texto o la física textbook un b c d e un gran trabajo para el cálculo de la relación entre la corriente, el voltaje, la inductancia, la intensidad del campo magnético, etc., al igual que la ley de Ohm funciona muy bien para el cálculo de la relación entre corriente, voltaje y resistencia.

Como cualquiera de esos libros de texto le dirá, por un corto período de tiempo dt, el cambio en la corriente a través de un inductor será muy pequeño (di), y puede calcularse exactamente como

di = v dt / L

donde v es el voltaje promedio a través del inductor durante ese corto período de tiempo y L es la inductancia.

Cuanto mayor es el voltaje inverso a través del inductor, más rápido cae la corriente a cero.

(Esto sigue siendo cierto si estamos obligando a que el voltaje a través del inductor sea un voltaje particular al colocar una batería sobre él, o si tenemos algo de resistencia de carga a través del inductor y el voltaje está siendo causado de alguna manera por el inductor mismo).

Cuando aplicamos un voltaje a través de un inductor, la corriente aumenta lentamente y la energía entra en el inductor, almacenada en un campo magnético ascendente dentro y fuera del inductor.

Cuando desconectamos el inductor de la fuente de alimentación, dejando cierta resistencia conectada entre los extremos del inductor, la corriente cae lentamente. Mientras tanto, y la energía sale del misterioso e invisible campo magnético (g) y entra en cualquier cosa que esté conectada al inductor.

(2) Olin da una excelente respuesta.

(3) Como cualquiera de esos libros de texto le dirá, la energía e almacenada en un inductor en cualquier instante es

e = (1/2) L i ^ 2,

Donde yo es la corriente en ese instante. Esta energía (energía de campo magnético) es la misma que la cantidad de energía eléctrica que saldría de una batería (no importa qué voltaje) conectada a ese inductor durante el tiempo que tarda en subir la corriente de 0 a ese mismo yo.

Con cualquier inductor físico dado (por lo que se nos da algo de L fijo), la cantidad de energía que puedo almacenar en ese inductor generalmente está limitada por la clasificación de corriente máxima de ese inductor. Los inductores de alta potencia generalmente usan cables más gruesos y mejores formas de sacar calor de los cables, pero exceder la clasificación actual hace que esos cables se derritan y fallen. Esta es una clasificación de energía máxima , no una clasificación de potencia máxima : muchos diseñadores llenan inductores (y también transformadores, por las mismas razones) con energía y luego la vuelven a descargar miles o millones de veces por segundo, para obtener más energía a través de el sistema que si solo lo hicieran 60 veces por segundo.

Encuentro que los o'scopes son excelentes para "ver" lo que sucede en los circuitos con inductores. Tal vez le guste construir algún tipo de regulador de voltaje en modo de interruptor , como el convertidor de refuerzo Roman Black + 5v a + 13v .

Esta es una pregunta muy interesante. Solo para aclarar, lo reformularé. Para inductancia ideal con corriente distinta de cero, capacitancia cero y componentes óhmicos, ¿qué sucede cuando la ruta de CC se destruye con un interruptor sin pérdidas? Sin disipación térmica, no se permite el timbre, tampoco CC, ya que no hay interruptor. La ley de conservación de energía debe cumplirse por completo.

Ciertamente entiendo que, incluso con todo lo ideal, existe una brecha física medible materialmente que permitirá que la corriente continúe fluyendo incluso a través del vacío. Pero, ¿y si el vacío es un aislante perfecto?

No hay una respuesta correcta real, ya que incluso los infinitos aritméticos y los tiempos de propagación cero, la velocidad infinita de la luz, etc., no ayudarán.

Pero digamos, si toda la abstracción todavía permite que participen partículas de carga material, el conductor violará la electroneutralidad y perderá la nube de electrones, que continuará viajando con cierta inercia lejos del conductor. El campo magnético pasará momentáneamente de ser toroidal en cilindro, luego la fuerza de culon devolverá las partículas al conductor. Repitiendo para siempre, sonará, pero con capacitancia volumétrica (o como desee electrostática) del cuerpo de la bobina (no la capacitancia parásita).

Hmm Todavía problema con tener no idealidad. Si el cable es infinitamente, entonces no hay capacitancia, la frecuencia será infinita, más alta que gamma. Es como una gran explosión de nuevo, pero con una energía total limitada.

La respuesta : con todo lo ideal que produce el pulso magnético será la función Delta de Dirac , pulso infinitamente alto e infinitamente estrecho con integral de 1. (o cualquier integral total particular dependiendo de la energía total inicial).

El dispositivo práctico más cercano se estudia en Los Alamos http://en.wikipedia.org/wiki/Explosively_pumped_flux_compression_generator