Bobina

Inroducere

1.2 Bobina

Bobinajele se executa din materiale care se caracterizeaza prin conductivitate electrica ridicata,printr-o rezistenta mecanica suficienta,precum si prin rezistenta la eroziune chimica.Materialul cel mai des folosit in calitate de conductor este cuprul,care are conductivitate electrica foarte buna si nu prezinta dificultati la prelucrarea tehnologica.Conductoarele din aluminiu se folosesc numai pentru bobinele instalatiilor de putere.Suportul,pe care se infasoara conductorul bobinei,trebuie sa permita bobinarea usoara,efectuarea cu usurinta a conexiunilor,fixarea simpla si montarea comoda a miezului magnetic,prezentand in acelasi timp o rezistenta mecanica satisfacatoare.

Calculul inductivitatii:

Calculul inductivitatii se face anterior realizarii bobinei,in general cu formule semiempirice.

-pentru bobine fara miez,cu un singur strat,spira langa spira:

L₀= [μH]

unde d este diametrul mediu al bobinei in mm,l este lungimea in mm,iar n numarul de spire

-pentru bobine cu mai multe straturi

L₀= [μH]

unde d este diametrul mediu al bobinei in mm,l -lungimea in mm,h-inaltimea bobinei in mm

Miezuri magnetice

Pentru obtinerea inductivitatilor de valori mari,infasurarea bobinei se dispune pe miezuri magnetice.Miezul magnetic impreuna cu eventualele intrefieruri formeaza un circuit magnetic care are calitatea de a concentra aproape integral liniile campului magnetic.

Ciclul histerezis

Materialele magnetice utilizate pentru miezurile bobinelor sunt neliniare din punctul de vedere al comportarii in camp magnetic exterior.Neliniaritatea se exprima prin dependenta inductieie magnetice B de intensitatea campului magnetic H,printr-o functie neliniara.Crescand intensitateaH a campului magnetic,inductia magnetica Bcreste,tinzand catre valoarea de saturatie B.

Atomii materialelor magnetice avand moment magnetic propiu,iar momentele atomice vecine fiind orientate identic,se formeaza domenii cumagnetizare spontana.Pe ansamblu,domeniile sunt astfel orientate,incat materialul prezinta magnetizare remanenta.La aplicarea unui camp magnetic exterior apare o deplasare a domeniilor magnetice,ceea ce macroscopic se manifesta printr-o dependenta de tip histerezis a inductiei magnetice B,de intensitate H a campului magnetic.Din punct de vedere al orientarii momenteleor magnetice atomice,materialele pot fi feromagnetice sau ferimagnetice.Feromagneticele au momentele magnetice elementare orientate toate in acelasi sens.Materialele ferimagnetice au in structura lor daua sau mai multe subretele magnetice,avand fiecare magnetizare spontana,momentele magnetice fiind orientate in sens contrar ,dar unul dintre momente este mai mare in valoare absoluta.Magnetizarea spontana exista numai pana la o anumita temperatura T,numita temperatura Curie,a carei valoare depinde de material.Dupa depasirea temperaturii T energia termica a retelei depaseste energia interactiunii de schimb,domenile de magnetizare dispar,materialul fiind paramagnetic.Din punct ce vedere al ciclului de histerezis,materialele magnetice pot fi moi(cu campul coercitiv H<80A/m,pemeabilitate mare,pierderi mici)

sau dure(H>80A/m,pierderi mari,dar cu energie mare in intrefier).

Permeabilitatea magnetica

Interactiunea substantei cu campul magnetic este caracterizata de permeabilitatea complexa relativa:

= μ'-j μ''

unde B -inductia magnetica;

H-intensitaea campului magnetic;

μ =4π*10^-7 -pemeabilitatea vidului;

O bobina ideala,avand in vid inductivitatea L₀,in care se introduce un miez magnetic de permeabilitate relativa complexa μ,pentru flux de scapari nul prezinta la borne impedanta:

Z=jωL= jωL₀ μ = jω μ'L₀ + μ'' ωL₀=r_m+ jωL

Bobinele utilizate in echpamente electronice au miezurile realizate din materiale feromagnetice moi.

Inductivitatea bobinei

In cazul bobinelor cu miez inductivitatea este

L= μ _efL₀

Unde L₀ este inductivitatea bobinei fara miez,iar μ este permeabilitatea efectiva a miezului,dependenta de pemeabilitatea relativa,a materialului miezului,de geometrie si pozitia relativa a miezului fata de bobinaj.Permeabilitatea efectiva se poate calcula numai pentru anumite geometrii,de regula se detremina experimental.

Comportarea bobinei in circuit

Parametrii Bobinei

Parametrul caracteristic al unei bobine este inductivitatea L,definita ca raportul dintre fluxul magnetic propriu sigma si curentul I ce strabate bobina:

L=Ф/I

Acesta este o marime specifica a bobinei,depinzand numai de forma,dimensiunile si numarul de spire al bobinei,precum si de permeabilitatea relativa a mediului.Pentru bobine dispuse in medii liniare si izotrope,L este constant.In cazul bobinelor cu miez magnetic inductivitatea variaza in functie de semnalul aplicat,datorita permeabilitatii relative cu intensitatea curentului ce strabate bobina.In functinarea cu semnal mic,permeabilitatea relativa este constanta.In functionarea cu semnal mare,inductivitatea variaza in limite largi si trebuie definita fie o inductivitate medie,fie o inductivitate pentru o anumita valoare a curentului.

Valoarea inductivitatii este usor dependenta si de temperatura de lucru atat prin dependenta inductivitatii relative de temperatura cat si prin modificarea dimensiunilor fizice ale bobinei la variatii mari de temperatura.

Un alt parametru al bobinei este rezistenta sa de pierderi r.Fiecare spira a bobinei comporta ca o rezistenta de pierderi in conductor r'_e, si o rezistenta de pierderi in materialul magnetic r. Care inglobeaza atat pierderile datorite curentilor turbionari in miezul magnetic,al caror efect este proportional cu patratul frecventei de lucru,cat si pierderile prin histerezis al caror efect este proportional cu f.Pierderile r'_c si r'_m pot fi echivalate cu o rezitenta in serie cu inductivitatea L' a spirei.In paralel cu grupul serie apare rezistenta de izolare r'_p.

Consideran toate cele n spire identice,se poate considera bobina,intr-o prima aproximatie,ca o inductivitate L=nL' in serie cu r_c=nr'_c si r_m=nr'm,tot grupul fiind in paralel cu r_p=nr'_p.Transpunand efectul rezistentei de izolatie in serie,efectul total de pierderi in bobina este exprimat prin rezistenta serie a bobinei r.Inductivitatea L caracterizeaza comportarea utila a bobinei, ca element pur raectiv,in timp ce r caracterizeaza pierderile de putere activa.

La fiecare frecventa de lucru se defineste pntru bobina,factorul sau de calitate, ca fiind proportional cu raportul dintre energie maxima inmagazinata in campul magnetic al bobinei si energia disipata sub forma de caldura,intr-o perioada.Ca urmare,factorul de calitate se determina din relatia:

== =Q_L

W_max-energia maxima acumulata in campul magnetic al bobinei

W_j0,r-energia disipata prin efectJoule in perioada 0,T

ωL-reactanta bobinei Lla frecventa corespunzatoare pulsatiei ω=2πf   

r -rezistenta echivalenta pierderilor in bobina;

I -valoarea eficace a curentului prin bobina;

Q_L=    -factorul de calitate al bobinei

Un alt parametru al bobinei este capacitatea sa parazita.aceasta se datoreste capacitatii parazite C₁₂ dintre doua spire alaturate,care apare in paralel cu L' si r pe fiecare spira,si capacitatilor C₁₀ s C₂₀ ale fiecarei spire fata de masa.efectul total al acestor capacitati se inglobeaza intr-o capacitate echivalenta parazita C_p,in paralel pe bobina.

Solicitarea Bobinei reale in tensiune si curent in functie de tensiune si curent

Curentul ce strabate o bobina si repectiv tensiunea la bornele sale depind de reactanta bobinei X_L= ωL,deci vor depinde de frecventa.Pentru a evita deteriorarea bobinei ca urmare unor solicitari electrice,curentul si tensiunea la borne nu trebuie sa depaseasca,in functie de frecventa de lucru,anumite limite.

-in domeniul frecventelor joase solicitarea bobinei se datoreste in principal curentului care da nastere unor forte mecanice de respingere intre spire .In acest domeniu tensiunea la borne creste liniar cu frecventa.Deci pentru a se evita distrugerea bobinei,curentul nu trebuie sa depaseasca valoarea maxima admisibila I_max.

-de la o anumita frecventa f₁,apare pericolul de distrugere termica a bobinei,deci trebuie limitata puterea maxima pe care o poate disipa bobina :

P_{d max}=UI tg∂

Deci la frecventa f₁ va exista relatia: P_{d max} =ω₁I_max²Ltg∂

-Pentru o anumita frecventa f₂ in domeniul frecventelor inalte depasirea unei tensiuni limitaU_max este interzisa,pentru strapungerile intre spire,deci curentul va avea alta lege de variatie I= U_max/ ωL.

P_max =

In functie de frecventa apar deci trei domenii in care se impun succesiv restrictii asupra curentului in domeniul frecventelor joase,pana la frecventa critica f₁ ,asupra puterii disipate in domeniul f₁- f₂si asupra tensiunii la frecvente mai mari de frecventa critica f_2. Frecventele critice satisfac relatia:

f₁ f₂=

Zgomotul Bobinelor

Zgomotul unei impedante se datoreste agitatiei termice a electronilor liberi,de conductie in interiorul impedantei respective.Acest zgomot este un zgomot de flkuctuatie,energia sa depinzand de energia cinetica a electronilor liberi,la randul sau determinata de temperatura absoluta a impedantei,independent de regimul electric in care este utilizata aceasta.Bobinele cu pierderi mici se comporta bine din punct de vedere al zgomotului.o sursa de zgomot prpiu zisa o constituie vibratiile mecanice ale miezului din tole nestranse suficient..In general contributia zgomotului nu este importanta.

Fiabilitatea bobinelor

Bobinele sunt elemente cu siguranta in functionare relativ scazuta,defectiunile lor putand conduce si la defectarea altor piese cu care sunt conectate sau alaturi de care sunt montate.La randul lor insa,defectiunile bobinelor pot fi provocate de defectarea altor componente ale sistemului.fiabilitatea bobinelor este destul de variata in functie de tipul bobinei,domeniul de utilizare,conditiile de constructie,modul de intretinere si exploatare,dar,orientativ rata de defectare poate fi considerata λ=0,01/1000 h.Cele mai frecvente defectiuni sunt intreruperea conductorului sau scurtcircuitul intre spire,temperaturi inalte ce conduc la strapungerea termica aizolatiei.,temperaturi prea joasecare favorizeaza strapungerea deoarece materialele de etansare pot crapa si astfel este posibila patrunderea umiditatii..Pentru cresterea sigurantei bobinelor se pot lua masuri inca din fabriactie din etapa de proiectare,alegand tipulde bobinaj si de izolatie corespunzator frecventelor si tensiunilor de lucru,tipul de conductor corespunzator puterilor dezvoltate in circuit.