سلف چیست؟

سلف قطعه ای الکترونیکی، غیرفعّال (پسیو) و دو پایه است که به آن سیم پیچ یا القاگر نیز می‌گویند. عملکرد اصلی سلف، مقاومت در برابر تغییرات جریان الکتریکی می‌باشد. این قطعه معمولاً از رسانایی مانند یک سیم که بصورت سیم پیچ درآمده است و به دُور هسته‌ای از جنس آهن یا کربن خاص به نام «فِریت» پیچیده‌ شده تشکیل می‌شود.

هنگامی که جریانی از القاگر بگذرد، یک میدان مغناطیسی درون آن ایجاد می شود و انرژی به طور موقت در این میدان مغناطیسی ذخیره می گردد. وقتی شدّت جریان الکتریکی تغییر کند، میدان مغناطیسی متغیّر با زمان، ولتاژی را در رسانا القا می‌کند و براساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادِی، این ولتاژْ مانع از تغییر جریانی می‌شود که در سیم پیچ قرار داشت. مشخّصه اصلی القاگر، «ضریب خودالقایی» می‌باشد که یکای آن هانْرِی است و با (H) نشان می دهند.

هرگاه از یک سیم جریان عبور کند در اطراف سیم یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود. اگر مقدار جریان ثابت باشد، شدت میدان مغناطیسی در هر نقطه از اطراف سیم ثابت خواهد بود. همچنین در این حالت جهت میدان مغناطیسی نیز همواره ثابت خواهد بود. اما در صورتی که مقدار جریان متغیر باشد، در اطراف سیم یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد خواهد شد. یعنی در این حالت شدت و جهت میدان مغناطیسی پیوسته تغییر می کند. اما در هر حال شدت میدان مغناطیسی ایجاد شده، در هر لحظه در نزدیکی سیم بیشتر است و هر چه از سیم دورتر شویم میدان مغناطیسی ضعیف تر می شود. حال اگر یک سیم راست را پیچیده و به شکل فنر درآوریم، با عبور جریان از آن، میدان مغناطیسی اطراف حلقه های این سیم پیچ با هم جمع شده و یک میدان مغناطیسی قوی تر را تشکیل می دهند که این میدان مغناطیسی شبیه به میدان مغناطیسی اطراف یک آهن ربای دائم می باشد. به این سیم پیچ، بوبین یا سلف نیز می گویند. در شکل (1) تصاویری از چند سیم پیچ نمایش داده شده است. در شکل (2) علامت اختصاری سیم پیچ را مشاهده می کنید.

شکل (1)

شکل (2)

جهت میدان مغناطیسی ایجاد شده در اطراف یک سیم راست حامل جریان را می توان از قانون دست راست بدست آورد. بر اساس این قانون اگر مطابق شکل (3) سیم راست حامل جریان را به گونه ای در دست راست بگیریم که انگشت شست در جهت جریان باشد، جهت خم شدن چهار انگشت دیگر جهت میدان مغناطیسی در اطراف سیم را نشان می دهد. برای تعیین جهت میدان مغناطیسی در داخل یک سیم پیچ نیز می توان از قانون دست راست استفاده کرد. بر اساس این قانون اگر مطابق شکل(3) سیم پیچ را طوری در دست راست بگیریم که جهت چهار انگشت در جهت جریان باشد، انگشت شست جهت میدان مغناطیسی در داخل سیم پیچ را نشان می دهد. فلش های موجود در شکل (4) جهت جریان در سیم پیچ را نشان می دهد.

شکل (3)

شکل (4)

معمولاً سیم ها را بر روی هسته می پیچند. هسته می تواند از جنس مواد مغناطیسی و یا غیر مغناطیسی باشد. در مواردی که میدان ایجاد شده توسط سیم پیچ به اندازه کافی قوی باشد از هسته های غیر مغناطیسی یا همان مواد عایق استفاده می کنند و در سایر موارد از هسته های مغناطیسی استفاده می شود. استفاده از هسته های مغناطیسی باعث می شود که کلیه خطوط میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم پیچ از داخل سیم پیچ گذشته و تلفات خطوط میدان به حداقل برسد و در نتیجه سبب قوی تر شدن میدان مغناطیسی می شوند. در مواردی که نیازی به هسته های مغناطیسی نباشد و سیم پیچ به اندازه کافی ضخیم باشد به طوری که بتواند حالت خود را حفظ کند، می توان از هسته استفاده نکرد و یا به عبارتی هسته در این حالت هوا خواهد بود. به سیم پیچ هایی که دارای هسته فلزی هستند و تعداد دور استانداردی سیم دارند در اصطلاح چوک ( Choke ) می گویند. مانند چوک مهتابی که معمولاً به اشتباه آن را ترانس مهتابی می گویند. در ادامه به بررسی خاصیت خودالقایی سلف می پردازیم.
زمانی که از یک هادی جریان متناوبی عبور می کند در یک نیم سیکل جریان متناوب، یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم پیچ ایجاد می شود و سپس به تدریج از بین می رود. در نیم سیکل بعدی نیز میدان مغناطیسی در جهت مخالف ایجاد می شود و سپس به تدریج از بین می رود و این روند ادامه می یابد. زمانی که میدان مغناطیسی در حال ایجاد شدن است، خطوط میدان مغناطیسی از مرکز هادی به طرف خارج گسترش می یابد و میدان مغناطیسی در حال گسترش به وسیله هادی قطع می شود و در نتیجه در دو سر هادی ولتاژی القا می شود. با کم شدن میدان مغناطیسی و قطع شدن خطوط میدان توسط هادی، مجدداً ولتاژی در هادی القا می شود. بنابراین افزایش و یا کاهش جریان در هادی، سبب گسترش و یا فروکش کردن میدان مغناطیسی در اطراف هادی می شود و متناسب با تغییرات میدان، ولتاژی در دو سر هادی القا می گردد. این خاصیت را خودالقایی می گویند. توجه داشته باشید که اگر جریان عبوری از هادی ثابت باشد، میدان مغناطیسی ایجاد شده نیز ثابت خواهد بود و لذا ولتاژی در دو سر هادی القا نمی شود. ولتاژ القا شده در هادی دارای مقدار و جهت است. مقدار این ولتاژ به میزان تغییرات شدت میدان مغناطیسی و اندوکتانس هادی بستگی دارد. تغییرات میدان مغناطیسی نیز خود وابسته به سرعت تغییرات جریان و یا به عبارتی وابسته به فرکانس جریان و همچنین وابسته به مقدار جریان است. افزایش فرکانس جریان سبب افزایش ولتاژ القا شده و کاهش فرکانس جریان سبب کاهش ولتاژ القا شده می گردد. مقدار جریان نیز با ولتاژ القا شده در دو سر هادی رابطه مستقیم دارد. یعنی هر چه شدت جریان عبوری از هادی بیشتر باشد، میدان مغناطیسی ایجاد شده در دو سر هادی قوی تر و هرچه شدت جریان کمتر باشد، میدان مغناطیسی ایجاد شده نیز ضعیف تر خواهد بود. اما برای تعیین جهت ولتاژ القا شده در دو سر هادی از قانون لنز استفاده می شود. طبق قانون لنز جهت ولتاژ القایی همواره به گونه ای است که با عامل به وجود آورنده اش مخالفت می کند. یعنی هنگامی که جریان افزایش می یابد، جهت ولتاژ القایی به گونه ای است که با افزایش جریان مخالفت می کند و هنگامی که جریان کاهش می یابد، جهت ولتاژ القایی به گونه ای است که با کاهش جریان مخالفت می کند. بنابراین همواره ولتاژ داده شده به دو سر سیم پیچ با ولتاژ القا شده در سیم پیچ 180 درجه اختلاف فاز دارد. یعنی با زیاد و کم شدن ولتاژ داده شده به دو سر یک سیم پیچ در یک جهت، ولتاژ القا شده در سیم پیچ در جهت مخالف آن زیاد و کم می شود. در ادامه در رابطه با اندوکتانس سیم پیچ صحبت می کنیم.

اندوکتانس سیم پیچ: در مورد اندوکتانس سیم پیچ باید گفت که اندوکتانس مهمترین مشخصه یک سیم پیچ و در حقیقت یکی از خصوصیات فیزیکی یک سیم پیچ است که مقدار آن وابسته به جنس هسته سیم پیچ، تعداد دور سیم پیچ، طول سیم پیچ و سطح مقطع سیم پیچ است و طبق تعریف، اندوکتانس هر سیم پیچ نشان می دهد که به ازای یک آمپر در ثانیه تغییر در جریان، چند ولت در سیم پیچ القا می شود. مقدار اندوکتانس هر سیم پیچ از رابطه زیر محاسبه می شود.

که در این رابطه µ پرمابلیته هسته و یا قابلیت نفوذپذیری هسته بر حسب هانری است و نشان دهنده توانایی هسته در متمرکز کردن خطوط میدان مغناطیسی در درون هسته است. پرمابلیته همه اجسام را نسبت به پرمابلیته هوا می سنجند. به این ترتیب که پرمابلیته هوا را یک فرض کرده و پرمابلیته دیگر اجسام را نسبت به آن می سنجند. یعنی به هر جسمی یک عدد به نام ضریب پرمابلیته نسبت می دهند که این عدد نشان دهنده این است که پرمابلیته این جسم چند برابر پرمابلیته هواست و از ضرب این عدد در پرمابلیته هوا، پرمابلیته آن جسم بدست می آید. در رابطه فوق همچنین A سطح مقطع هسته بر حسب متر مربع، N تعداد دور سیم پیچ و l طول سیم پیچ بر حسب متر می باشد. با توجه به مطالب فوق، ولتاژ القا شده در سیم پیچ از رابطه زیر بدست می آید.

یعنی میزان ولتاژ القایی برابر است با حاصلضرب اندوکتانس سیم پیچ در تغییرات لحظه ای جریان نسبت به زمان.
اما زمانی که یک سیم پیچ در یک مدار DC قرار می گیرد به دلیل ثابت بودن میدان مغناطیسی اطراف سیم پیچ، ولتاژی در دو سر سیم پیچ القا نمی شود و تنها تأثیر آن در مدار، در لحظات باز و بسته شدن مدار می باشد که در این زمانها، ولتاژی در دو سر سیم پیچ القا می شود بطوری که با افزایش و کاهش جریان در سیم پیچ مخالفت می کند. البته خود سیم پیچ یک مقاومت اهمی نیز دارد که به دلیل ناچیز بودن مقدار آن، معمولاً از آن صرفنظر می شود. اما زمانی که یک سیم پیچ در یک مدار AC قرار می گیرد به دلیل متغیر بودن میدان مغناطیسی اطراف سیم پیچ، همواره یک ولتاژ القایی متغیر که نسبت به ولتاژ داده شده به سیم پیچ 180 درجه اختلاف فاز دارد در دو سر سیم پیچ ایجاد می شود که این ولتاژ القایی همواره سبب کاهش جریان می گردد درست مانند اینکه یک مقاومت اهمی در مدار وجود دارد و جریان را تضعیف می کند. این مقاومت سیم پیچ در برابر جریان را مقاومت القایی سیم پیچ می گویند و آن را با X_L نمایش می دهند. مقدار مقاومت القایی به اندوکتانس سیم پیچ و فرکانس جریان عبوری از سیم پیچ بستگی دارد. مقدار مقاومت القایی از رابطه زیر بدست می آید.

که در این رابطه X_L مقاومت القایی سیم پیچ بر حسب اهم، 2π عدد ثابت، F فرکانس جریان عبوری از سیم پیچ بر حسب هرتز و L اندوکتانس سیم پیچ بر حسب هانری است.

اتصال سیم پیچ ها به صورت سری و موازی :اگر تعدادی سیم پیچ را همانند شکل (5) به صورت سری به یکدیگر وصل کنیم، اندوکتانس کل برابر مجموع اندوکتانس های موجود در مدار خواهد بود. یعنی داریم :

شکل (5)

در این رابطه t ار کلمه total به معنای کل، گرفته شده است.

به عنوان مثال اگر در شکل (5)، L1=2mH و L2=3mH و L3=5mH باشند مقدار اندوکتانس کل چقدر است؟

بنابراین مقدار اندوکتانس کل برابر با 10 میلی هانری می باشد.

همچنین در این حالت مقاومت القایی کل نیز برابر مجموع مقاومت های القایی تمامی سیم پیچ ها خواهد بود. یعنی داریم:

حال اگر سیم پیچ ها مطابق شکل (6) به صورت موازی به هم وصل شوند، اندوکتانس کل از رابطه زیر محاسبه می شود.

شکل (6)

همانطور که از رابطه بالا مشاهده می شود در این حالت اندوکتانس کل، از تک تک اندوکتانس های سیم پیچ های مدار کمتر است.
به عنوان مثال اگر در شکل (6)، L1=1mH و L2=4mH و L3=5mH، مقدار اندوکتانس کل چقدر است ؟

بنابراین مقدار اندوکتانس معادل برابر 690 میکروهانری است که این مقدار از اندوکتانس تک تک سیم پیچ ها کمتر است. همچنین در این حالت مقاومت القایی معادل از رابطه زیر بدست ی آید.

که این رابطه نیز نشان می دهد که در این حالت مقاومت القایی کل، از مقاومت القایی تک تک سیم پیچ ها کمتر است.
البته روابط بالا در صورتی برقرار هستند که بین سیم پیچ ها، القای متقابل وجود نداشته باشد. القای متقابل زمانی به وجود می آید که دو سیم پیچ طوری در نزدیکی یکدیگر قرار گیرند که میدان مغناطیسی متغیر تولید شده توسط هر یک از سیم پیچ ها، سیم پیچ دیگر را قطع کند و سبب تغییر میدان مغناطیسی آن سیم پیچ و در نتیجه تغییر اندوکتانس و ولتاژ القا شده در آن گردد. در این صورت روابط مربوط به اندوکتانس و مقاومت القایی که در بالا بیان شد، صادق نبوده و نیاز به تغییراتی پیدا می کنند. برای مشخص کردن میزان القای متقابل بین دو سیم پیچ، پارامتری به نام اندوکتانس متقابل به این صورت تعریف می شود که هرگاه جریانی با نرخ تغییر یک آمپر بر ثانیه، ولتاژی برابر با یک ولت در سیم پیچ القا کند، اندوکتانس متقابل دو سیم پیچ برابر با یک هانری می باشد. مقدار اندوکتانس متقایل دو سیم پیچ بستگی به اندوکتانس هر یک از سیم پیچ ها و همچنین ضریب کوپلاژ بین دو سیم پیچ دارد و از رابطه زیر بدست می آید.

که در این رابطه L1 و L2 اندوکتانس های هر یک از دو سیم پیچ و K ضریب کوپلاژ است. ضریب کوپلاز پارامتری بدون واحد است که می تواند مقداری بین صفر و یک داشته باشد. هرگاه کلیه خطوط میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط یک سیم پیچ، از سیم پیچ دیگر عبور کند مقدار K برابر یک و چنانچه دو سیم پیچ کاملاً از هم دور باشند و یا طوری قرار گرفته باشند که خطوط میدان مغناطیسی هیچ یک از آنها از دیگری عبور نکند، مقدار K صفر خواهد بود.

انواع سلف

اکثر القاگرها از هسته‌ای آهنربایی، ساخته‌شده از آهن یا فِرّیت دارند که سیم پیچ به دُور آنها بسته می‌شود و باعث افزایش میدان مغناطیسی و ضریب خودالقایی می‌شوند.

سلف با هسته هوا

سلف با هسته سرامیک به عنوان سلف با هسته هوا نامیده می شود سرامیک یکی از بیشترین موادی است که در هسته سلف استفاده می شود. مزیت استفاده از سرامیک به عنوان هسته سلف تغییرات ناچیز آن در برابر تغییر دما است. به دلیل  این که سرامیک هیچ خاصیت مغناطیسی ندارد و بیشتر برای شکل دهی به سیم پیچ استفاده می شود.

سلف با هسته آهنی

در مواقعی که محدویت جا درایم و در قضای کوچک به سلف با قدرت و اندوکتانس بالا نیاز داریم سلف با هسته ی آهنی بهترین انتخاب است. مشکل سلف های خازنی محدویت فرکانسی این سلف ها است این سلف ها فقط در فرکانس پایین کاربرد دارند و معمولا در تجهیزات صوتی به کار می روند.

سلف با هسته فریت

با رشد تکنولوﮊي و استفاده از دستگاهها با عملکرد بسيار حساس به تغذيه خود مخترعان را بر اين داشت که منابع تغذيه اي باخروجي بسيار صاف وايزوله شده و نويز خروجي بسيارکم براي استفاده در مدارات طراحي کنند .
اين کار مستلزم استفاده از آلياﮊ و قطعاتي با خاصيت القايي بالا بود که بر اساس محاسبات و تحقيقات گسترده و تجربيات مخترعان و آلياﮊهاي کشف شده و با توجه به قيمت و قابل دسترس بودن آن ها و انعطاف ان ها در مقابل اشکال در خواستي صنعتي به آلياﮊي به نام فريت رسيدند که اين آلياﮊ مي توانست خيلي از نيازها و درخواست هاي مخترعان از يک آلياﮊ ايده آل براي اين کار را فراهم کند .
از فاصله هوايي بين هسته هاي فريت استفاده هاي گوناگوني در منابع تغذيه سوئيچينگ مي شود.
خصوصيت منحصر به فرد فريت‌ها نسبت به آهن و ديگر مواد فرومغناطيس، عايق بودن آنها است. مقاومت ويژه نوعي فريت‌ها 1 تا 104 اهم است در حالي که مقاومت ویژه آهن7 تا 10 اهم است. به خاطر اين مقاومت ويژه بالا، فريت‌ها در معرض جريانهاي گردابي قرار ندارند و مي‌توان از آنها در فرکانسهاي بالا بعنوان هسته پيچک استفاده کرد. مثلا در پيچکهاي RF، ترانسفورماتور تلويزيون و حافظه‌هاي مغناطيس کامپيوترها.

مزاياي هسته فريت :
– خاصيت القايي خوب
– مقاوم در برابر رطوبت
– توليد نويز کم
– سبک بودن

معايب:

– شکننده بودن
– قابل انعطاف نبودن

سلف های تورویدی و سلف های بشکه ای دو مدل بسیار پرکاربرد از سلف های دارای هسته هستند.

هسته سلف های بشکه ای از فریت می باشد و به دلیل وجود گپ(فاصله هوایی) در دو طرف به سختی به اشباع می روند. با توجه به باز بودن میدان مغناطیسی در این مدل سلف اکثرا در ظرفیت های کم ساخته ی شوند.

در مواقعی که مدارات الکترونیکی شامل چندین سلف هستند و نویز منتشر شده توسط هر کدام از قطعات مهم است باید از سلف های تورویدی استفاده کرد. چراکه سلف های ترویدی از نظر شار مغناطیسی دارای مدار بسته هستند و انتشار نویز آن ها به اطراف در حداقل مقدار قرار دارد. در هسته سلف های تورویدی جهت عدم اشباع سلف از پودرآهن و یا سایر موادی که در فرکانس های بالا سریعا اشباع نشوند استفاده می شود.

کاربرد سلف

همراه مقاومت‌ها و خازن‌ها، القاگرها یکی از سه عنصر خطّی و غیر فعّال مدارهای الکترونیکی می‌باشند. از القاگرها بطور گسترده در تجهیزاتی که با برق متناوب (AC) کار می‌کنند، استفاده می‌شود. نمونه دیگری از کاربردهای القاگر در تجهیزات رادیویی می‌باشد. از القاگرها برای جلوگیری از جریان مستقیم نیز استفاده می‌شود؛ زیرا القاگر، جریان مستقیم (DC) را می‌گذراند امّا مانع از گذر جریان متناوب می‌شود. از دیگرکاربردهای القاگر می‌توان به استفاده از آنها در فیلتر های الکترونیکی به جهت جداسازی فرکانس های گوناگون و در مدارهای تنظیم گیرنده‌های رادیو و تلویزیون نام برد.

از خاصیت سلف که شامل یک سیم پیچ و یک هسته می باشد در دستگاه های گوناگون استفاده می شود. به عنوان مثال می توانیم به دستگاه ضبط و پخش صوت اشاره کنیم. در این گونه دستگاه ها مجموعه ای متشکل از یک سیم پیچ با هسته بسیار حساس به نام “هد” در دستگاه وجود دارد. به هنگام ضبط صدا بر روی نوار، مداری به عنوان “پری آمپلی فایر”،صدای ایجاد شده در محیط را به وسیله میکروفون دریافت کرده و به هد دستگاه منتقل می کند.

حد متناسب با صوت دریافتی، مقداری نیروی مغناطیسی ایجاد می نماید.این نیروی مغناطیسی بر روی نوار کاست (که از ترکیبات آهن ساخته شده است) و متناسب با فشار مغناطیسی وارد شده،اثر می گذارد.چنانچه گفتیم نیروی مغناطیسی توسط آهن تا مدتی حفظ می گردد.این عمل باعث می شود تا صدای پخش شده در محیط،بر روی یک نوار کاست ضبط گردد. در حالت پخش صوت هد ضبط به مدار دیگری متصل می شود. یعنی این بار تاثیرات میدان مغناطیسی نوار کاست بر روی هسته هد اثر نموده و باعث ایجاد جریان های ضعیفی در دو سر سیم پیچ هد می گردد. این جریان های ضعیف توسط تقویت کننده هایی قوی تر شده و به حدی می رسد که بتوان به وسیله آن بلندگو را به کار انداخت.

تست و اندازه گیری مقدار سلف

اکثر مولتی مترها، هانری متر ندارند و نمی توان ظرفیت سلف را با آن ها اندازه گیری کرد، فقط می توان از سلامت قطعه با خبر شد. سلف سالم روی رنج دیود – بازر وقتی پراب ها به دو سر آن متصل می شود، مولتی متر بوق یکسره می زند و در غیر این صورت سلف سوخته است. شایان ذکر است که سالم بودن سلف را می توان روی برد و در مدار تست کرد. البته یک نکته مهم این است که بعضی از سلف ها وقتی که تست می شوند ممکن است سالم تشخیص داده شوند، اما ظرفیت آن ها دچار تغییر شده باشد.