سلف چیست و چه کاربردی دارد؟ (تعریف، فرمول و انواع آن)

در دنیای پیچیده بردهای الکترونیکی برای طراحی انواع برد ها باید بدانید که سلف چیست و چه نقشی در مدار ایفا می کند؟

همه ما می دانیم که کاربرد این قطعات برای یک مهندس الکترونیک حرفه ای قابل چشم پوشی نیست.

با تماشای این ویدئوی 10 دقیقه ای و مطالعه این متن هر آن چه را لازم است از سلف می آموزید.

1# سلف چیست؟

سلف که به آن سیم پیچ (coil) یا القاگر (inductor) هم گفته می شود یک وسیله الکتریکی دو پایه و پسیو است که
در صورت عبور جریان از آن، انرژی الکتریکی را در میدان مغناطیسی ذخیره می کند و
به صورت کلی در مقابل تغییر ناگهانی جریان مقاومت می کند.

زمانی که جریان عبوری از این قطعه تغییر کند میدان مغناطیسی متغیر با زمان در سیم پیچ باعث القای ولتاژ در کویل می شود که
این اتفاق براساس قانون القای فارادی توجیه می شود.

براساس قانونی فیزیکی که لنز نامیده می شود ولتاژ القا شده در یک کویل با تغییرات جریان به وجود آورنده آن مخالفت می کند.

به همین دلیل است که سلف در برابر هرگونه تغییر ناگهانی جریان مقاومت می کند.

کمیتی که برای معرفی سلف ها به کار برده می شود اندوکتانس یا ظرفیت سلف نامیده می شود که
نسبت ولتاژ به نرخ تغییرات جریان درون سیم پیچ است و
به افتخار مکتشف این رابطه با یکای هانری سنجیده می شود.

رابطه محاسبه این کمیت که با حرف L نمایش داده می شود به صورت زیر است:

L = Φ_B/I

یعنی اندوکتانس سلف مساوی شار مغناطیسی تقسیم بر جریان عبوری از سیم پیچ و یکای SI آن معادل (وبر/آمپر) است.

2# ساختار سلف یا القاگر

همانطور که در بالاتر اشاره شد سلف ها از پیچیده شدن تعداد دور مشخصی سیم به دور یک محور ایجاد می شوند.

بسیاری از سلف ها یک هسته مغناطیسی دارند که از آهن یا هیدرو اکسید آهن ساخته شده اند که
داخل کویل قرار دارد و برای افزایش میدان مغناطیسی و القا کاربرد دارد؛
اما حضور این هسته در ساختار سلف اجباری نیست.

هر چه تعداد دور های سیم پیچ بیشتر باشد، خاصیت مغناطیسی افزایش پیدا می کند.

جنس هسته (core) ای که درون سیم پیچ قرار می گیرد، به شدت بر خاصیت القای سلف تاثیر دارد به همین جهت معمولا آن را از آهن یا هیدرواکسید آهن می سازند.

3# فرمول سلف چیست؟

در بخش ابتدایی این مقاله اشاره شد که برای مشخص کردن یک سلف از مقدار اندوکتانس (Inductance) آن استفاده می شود که
نسبت ولتاژ به نرخ تغییرات جریان است و با یکای هانری (H) شناخته می شود.

هر تغییر جریان در سیم پیچ شار متغیری در آن القا کرده و باعث به وجود آمدن ولتاژ یا نیروی محرکه خود القایی می شود.

این ولتاژ طبق قانون فارادی از رابطه زیر قابل محاسبه است:

V_L = -dΦ_B/dt

با جایگذاری کردن مقدار ΦB از رابطه هانری به فرمول زیر دست خواهیم یافت:

V_L = -L di/dt

اندوکتانس هر سیم پیچ مشابه مقدار مقاومت هر رسانا مستقل از مداری که در آن استفاده می شود و
جریان و ولتاژ نسبت داده شده به آن است و
با توجه به پارامترهای ساختاری کویل محاسبه می شود.

فرمول ظرفیت اندوکتانس سیم پیچی که دارای طول l برحسب متر، مساحت A برحسب متر مربع، تعداد دور N، مقدار شار عبوری Φ برحسب وبر و مقدار نفوذپذیری ماده هسته μ باشد از فرمول زیر قابل محاسبه است:

L = μN²A/l

برای اندازه گیری مقدار سلف در عمل باید از LCR متر استفاده کرد.

4# نماد مداری سلف چیست؟

برای نمایش سلف در مدارهای الکترونیکی از نماد زیر استفاده می شود.

5# محاسبه سلف های سری و موازی در مدار

گاهی اوقات برای دستیابی به مقدار مشخصی از اندوکتانس در مدار الکتریکی نیاز داریم از اتصال چند سلف استفاده کنیم.

اگر برای شما هم سوال شده است که مزیت این نوع استفاده از سلف چیست باید بگوییم که
این روش برای مواقعی که میزان اندوکتانس خاصی مدنظر ماست اما در عمل رسیدن به آن امکان پذیر نیست، به کار برده می شود.

1-5# اتصال سری سلف ها

اگر در یک مدار تعدادی سلف مشابه شکل زیر به صورت سری به هم متصل شوند به این صورت که
جریان عبوری از تمامی آن ها یکسان باشد و ولتاژ مدار بین آن ها تقسیم شود، اندوکتانس معادل آن ها مساوی مجموع تک تک اندوکتانس ها است.

L_T = ∑L_i = L₁ + L₂ +L₃ + … + L_n

2-5# اتصال موازی سلف ها

هرگاه در مداری تعدادی سلف مطابق شکل زیر موازی هم بسته شوند به صورتیکه
ولتاژ اعمال شده به مدار برای تمامی آن ها یکسان بوده و
جریان بین آن ها تقسیم شود از رابطه زیر برای معادل اندوکتانس آن ها استفاده می شود:

معکوس اندوکتانس معادل، مساوی با مجموع معکوس اندوکتانس ها است.

6# انواع سلف

بعد از اینکه شناختیم سلف چیست و محاسبات آن به چه صورت انجام می شود نوبت به آن رسیده که
با انواع القاگرها آشنا شویم.

در ویدیوی زیر مهم ترین و پرکاربردترین انواع سلف را می شناسیم.

سلف های مختلف شامل موارد کلی زیر می شوند:

• هسته هوا (Air – core inductor)
• هسته فرومغناطیس (Ferromagnetic – core inductor)
• هسته لایه لایه (Laminated – core inductor)
• هسته هیدرواکسید آهن (Ferrite- core inductor)
• هسته حلقه ای (toroidal – core inductor)
• سلف متغیر (Variable inductor)

سلف ها نیز مانند سایر قطعات الکترونیکی در دو دسته کلی SMD و DIP موجود اند.

ظرفیت رایج سلف های مورد استفاده در مدارهای الکترونیکی در بازه چند هانری و یا میلی هانری است و
در بعضی کاربردهای خاص از مقادیر دیگر استفاده می شود.

1-6# انواع سلف براساس شکل ظاهری

1) سلف DIP

1. بشکه ای که شبیه خازن های الکترولیتی هستند ولی بدنه ای نامتقارن دارند.2. انواع سلف های ساده ای وجود دارد که سیم پیچ آن ها دیده می شود.

3. فریت بید (FB)
   این نوع با همان نام فریت بید معروف اند و کاربرد های بسیاری در تولید مدارات دیجیتالی دارند.

2) سلف SMD

1. فریت بید های SMD
2. انواع سلف های SMD خیلی ریزتر با مقادیر بسیار کوچک، حتی با سایز های کوچک تر از 805.
   لحیم کردن این نوع قطعات با دست به راحتی امکان پذیر نیست.

2-6# انواع سلف براساس ساختار هسته

1) سلف بدون هسته یا سلف هسته هوا (Air – core inductor)

این نوع از القاگر ها ساده ترین ساختار را داشته و دارای یک سیم پیچیده شده به دور خود هستند.

از این سلف ها می توان در مدارهای فرکانس بالا مثل مدارهای رادیویی استفاده کرد.

2) سلف فرومغناطیسی یا هسته آهنی (Ferromagnetic – core inductor)

در این سلف ها از هسته های آهنی استفاده می شود و
ظرفیت القایی بسیار بالا و در واقع اندوکتانس بالایی خواهند داشت.

از کاربردهای رایج این نوع القاگر می توان ترانسفورماتورها را نام برد.

3) سلف های لایه لایه (Laminated – core inductor)

در این نوع هسته به صورت ورقه ورقه روی هم چیده شده و معمولا از جنس استیل است.

کاربرد اساسی آن ها برای رفع نویز و پارازیت در مدار است.

4) سلف فریت هسته هیدرواکسید آهن (Ferrite- core inductor)

فریت سرامیک اکسید فلزی است که در هسته این نوع سلف به کار برده می شود و
کاربرد اساسی آن ها حذف ریپل و یکدست سازی جریان در مدارهای الکتریکی است.

5) سلف هسته حلقه ای (toroidal – core inductor)

این سلف ها به این صورتی ساخته می شوند که
سیم پیچ ها به دور یک هسته حلقوی به جای حلقه استوانه ای پیچیده شده و
باعث می شوند نشتی شار مغناطیسی بسیار کم باشد.

جنس هسته این نوع القاگر انواع مختلفی می تواند باشد.

6) سلف متغیر

نوع دیگری از سلف ها نیز وجود دارند که با امکان تغییر در سیم پیچ های آن ها می توان ظرفیتشان را متناسب با نیاز تغییر داد.

7# کاربرد سلف چیست؟

تا اینجا متوجه شدیم سلف چیست و چه انواعی دارد؛ اما سوال اصلی اینجاست که کاربرد سلف چیست و
چرا باید در مدار از این قطعه استفاده کرد؟

سلف ها به صورت گسترده در مدار های آنالوگ و پردازش سیگنال به کار می روند.

در مدارهای دیجیتالی، کاربرد اصلی سلف مشابه خازن، از بین بردن نویز است.

انواعی از نویز ها هستند که به دلیل ماهیت آن ها باید از نویزگیر سلفی استفاده کنیم.

سلف های بزرگ در منابع تغذیه متصل به خازن های حذف کننده نویز از فرکانس اصلی، به کار برده می شوند.

مدل های کوچک دانه ای یا هلالی هیدرواکسید آهن اطراف سیم نصب می شوند تا
از تداخل فرکانس های رادیویی جلوگیری کنند.

القاگرها به صورت گسترده در تجهیزات الکترونیکی ساده به خصوص تجهیزات رادیویی استفاده می شوند.

با ترکیب 2 یا چند سلف، می توان یک ترانسفورماتور ساخت که به عنوان یک عضو اصلی در مدار های تغذیه، شارژر ها و مدار های تبدیل ولتاژ استفاده می شود.

1-7# رفتار القاگر در مدار دیجیتالی

از مبحث انواع خازن به یاد داریم که خازن نویزگیر بین پایه های مثبت و منفی و در نزدیکی میکروکنترلر قرار می گرفت و
باعث دفع نویز های ولتاژی می شد.

سلف را در سر راه جریان اصلی قرار می­ دهیم.

از آن جایی که سلف با تغییرات جریان مخالفت می­ کند، باعث دفع اثر نویز های جریانی می ­شود.

2-7#  در مدار ac و dc عملکرد سلف چیست؟

سلف به صورت کلی جریان های AC را از خودش عبور نمی دهد و طبق قانون لنز از نوسان جریان جلوگیری می کند.

اما جریان های ثابت و DC را از خودش عبور می دهد.

سلف مورد استفاده در رفع نویز را decouple (دکوپل) می­ نامند.

این اسم به معنای جدا کننده است چون
سلف در مدار جریان های دو طرفش را جدا می کند و نویز های طرفین روی هم بی اثر خواهند بود.

3-7# مدار رفع نویز

یک خازن با ظرفیت کم برای رفع نویز فرکانس بالا در نزدیکی میکروکنترلر و سپس یک سلف برای رفع نویز جریان و خازن بزرگ دومی برای رفع نویز فرکانس پایین.