انواع مختلف سلف الکترونیکی و کاربردهای آنها

در هر طراحی مدار الکترونیکی تنها سه جزء اساسی وجود دارد: مقاومت، خازن و سلف. این آموزش قصد دارد با انواع سلف‌ها و نحوه انتخاب سلف برای کاربردهای مختلف را بیان نماید.

سلف چیست؟

سلف یک قطعه الکترونیکی غیرفعال است که قادر می‌باشد انرژی الکتریکی را به شکل انرژی مغناطیسی ذخیره کند. اساساً از رسانایی استفاده می‌کند که به یک سیم پیچ پیچیده می‌شود و وقتی الکتریسیته از چپ به راست به سیم پیچ جریان می‌یابد، میدان مغناطیسی در جهت عقربه‌های ساعت ایجاد می‌کند.

میزان سیم پیچی دور هسته ، سطح مقطع هسته ی سلف و تغییر جنس هسته باعث ایجاد افزایش شار مغناطیسی و ایجاد میدان مغناطیسی قوی تر می‌گردد.

مشخصه ی اصلی یک سلف که بیانگر ظرفیت آن است را با اندوکتانس نشان می‌دهند. این مشخصه نشانگر توانایی سلف در میزان انرژی ذخیره شده بوده و قابلیت سلف در مقابله با تغییرات ناگهانی جریان عبوری از آنرا نمایش می‌دهد.

برای اندازه گیری میزان اندوکتانس سلف از واحد هانری استفاده می‌گردد که معمولا به دلیل بزرگ بودن این واحد، از میلی هانری و میکرو هانری استفاده ی بیشتری می‌شود.

اکنون فرض کنید که یک جریان AC از سلف عبور می‌کند.جریان AC یا جریان متناوب به جریانی اطلاق می‌شود که سطح و جهت آن در طول زمان به صورت دوره ای تغییر می‌کند. هنگامی که جریان به سلف وارد می‌شود، میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط آن از سیم‌پیچ‌های دیگر عبور کرده و باعث ایجاد ولتاژ القایی می‌شود. بنابراین از هرگونه تغییر در جریان جلوگیری می‌کند. اگر جریان به طور ناگهانی افزایش یابد، نیروی محرکه الکتریکی در جهت مخالف جریان، ایجاد می شود( یعنی در جهتی که جریان کاهش می‌یابد ). بنابراین از افزایش جریان جلوگیری می‌شود. برعکس، اگر جریان در شرف کاهش باشد، نیروی الکتروموتور در جهتی که جریان افزایش می‌یابد ایجاد می‌شود.

این اثر ولتاژ القایی حتی زمانی که جهت جریان معکوس باشد نیز ایجاد می‌شود.

هنگامی که جریان DC یا جریان مستقیم به سلف می‌رسد، سطح جریان بدون تغییر باقی می‌ماند. بنابراین هیچ ولتاژ القایی تولید نمی‌شود. به عبارت دیگر، سلف قطعه ای است که اجازه می‌دهد جریان DC از آن عبور کند.

سلف‌ها اغلب به عنوان “مقاومت AC” شناخته می‌شوند. ویژگی اصلی یک سلف توانایی آن در مقاومت در برابر تغییرات جریان و ذخیره انرژی به شکل میدان مغناطیسی است.

عوامل موثر در ظرفیت سلف چیست؟

ظرفیت یک سلف توسط چهار عامل کنترل می‌شود:

• تعداد سیم پیچ‌ها – کویل بیشتر به معنای اندوکتانس بیشتر است.
• هسته ای که کویل‌ها به دور آن پیچیده شده است
• سطح مقطع سیم پیچ – مساحت بیشتر به معنای اندوکتانس بیشتر است.
• طول سیم پیچ – سیم پیچ کوتاه به معنای سیم پیچ‌های باریک تر (یا روی هم قرار گرفته اند) است که به معنای اندوکتانس بیشتر است.

انواع سلف

بسته به کاربرد، انواع مختلفی از سلف‌ها وجود دارد. آنها دارای فاکتورهای مختلفی هستند، سلف‌های فرکانس بالا، سلف‌های فرکانس پایین خطوط برق و برخی از سلف‌های طراحی شده ی ویژه برای کاربردهای جداسازی و فیلتر. در زیر به انواع مختلف این سلف‌ها و جزئیات آنها پرداخته می‌شود.

سلف هسته چند لایه

جزئیات:

عناصر یک سلف هسته چند لایه شامل یک بوبین، یک هسته چند لایه و یک سیم پیچ است که به دور بوبین پیچیده شده است.

برای ساخت سلف هسته چند لایه، سیمی را دور بوبین سلف می‌پیچند، سپس صفحات E و I را یکی یکی در داخل ماسوره قرار می‌دهند تا هسته تشکیل شود، این ورق‌های E و I از فولاد با سیلیکون بالا ساخته شده‌اند. این جزئیات وعملیات حرارتی آن باعث ایجاد نفوذپذیری بالا و کاهش تلفات هیسترزیس و جریان گردابی می‌شود.

برنامه‌های کاربردی

• شارژر داخلی برای وسایل نقلیه الکتریکی
• فیلتر خط و نویز
• چوک‌های فیلتر CH و CL سیگنال

ویژگی‌ها:

• اندوکتانس – 0.12 mHY تا 100 mH
• جریان DC – 1.0 ADC تا 200 ADC
• سیستم عایق – عایق کلاس B، 130 درجه سانتیگراد

سلف هسته هوا

جزئیات

با در نظر گرفتن یک ماده استوانه‌ای با قطر خاص (مانند مته) به عنوان الگو، می‌توان سیم پیچ را دور آن پیچاند و یک سلف هسته هوا ساخت. سپس می‌توان با فرو بردن سلف در لاک یا محکم کردن آن، اندوکتانس را تثبیت کرد.

ماده اصلی هوا است،در این حالت، سلف نفوذپذیری پایینی داشته، بنابراین اندوکتانس کمتری دارد و از آن می‌توان برای کاربردهای فرکانس بالا استفاده کرد.

برنامه‌های کاربردی

• ساخت کویل‌های تنظیم RF
• مدارهای فیلتر
• مدار Snubber.
• اطمینان از اندوکتانس اوج کمتر
• برنامه‌های فرکانس بالا از جمله گیرنده‌های تلویزیون و رادیو

ویژگی‌ها:

• تحمل: ± 2%
• اندوکتانس: 0.85 mH
• گیج سیم: 18 AWG
• مقاومت DC: 0.44 اهم
• توان هندلینگ: 30 وات RMS

سلف هسته فریت

جزئیات:

با پیچاندن طول سیم به دور یک هسته فریت، یک سلف هسته فریت ایجاد می‌شود.

هسته فریت چیست و چه زمانی باید از آن استفاده کرد؟

مخلوط کردن اکسید آهن (Fe2O3) در ترکیب با سایر اکسیدهای فلزی مانند (Mn)، روی (Zn) یا منیزیم (Mg) در دمای 1000 درجه سانتیگراد تا 1300 درجه سانتیگراد ماده ای با خواص مغناطیسی بسیار جالبی به نام فریت ایجاد می‌کند.

فریت‌ها عمدتاً دو نوع هستند، فریت های نرم و فریت‌های سخت. این‌ها بر اساس اجبار مغناطیسی طبقه بندی می‌شوند. اجبار، شدت میدان مغناطیسی مورد نیاز برای مغناطیس زدایی مواد فرومغناطیسی از حالت اشباع کامل به صفر است.

فریت نرم

این مواد این توانایی را خواهند داشت که قطبیت مغناطیسی خود را بدون مقدار خاصی از انرژی مورد نیاز برای معکوس کردن قطبیت مغناطیسی معکوس کنند.

فریت سخت

به این آهنرباهای دائمی نیز می‌گویند. این‌ها قطبیت مغناطیسی را حتی پس از حذف میدان مغناطیسی حفظ می‌کنند.

سلف‌های هسته فریت دارای نفوذپذیری بالا، مقاومت الکتریکی بالا و تلفات جریان گردابی کم هستند که این ویژگی‌ها آنها را برای بسیاری از کاربردهای فرکانس بالا مناسب می‌کند.

برنامه‌های کاربردی

• استفاده در فرکانس‌های بالا و متوسط
• استفاده در مدار سوئیچینگ
• فیلترهای Pi

ویژگی‌ها:

• مواد فریت اختصاصی 5H و 10H و معادل آن
• مناسب برای محدوده ≥ 150 کیلوهرتز
• محدوده دمای عملیاتی از -25 درجه سانتیگراد تا +120 درجه سانتیگراد
• UL 94 V-0 بازدارنده شعله به پایه و بوبین

سلف بوبین

جزئیات:

پیچیدن طول سیم در یک ماسوره استوانه‌ای مخصوص ساخته شده و محکم کردن آن با یک لوله جمع‌کننده، یک سلف بوبین را تشکیل می‌دهد.

مواد هسته فریت است، بنابراین خواص آن نیز مشابه یک سلف هسته فریت است. اندازه ی کوچک آنها برای کاربردهایی مانند آداپتور برق مناسب می‌باشد.

برنامه‌های کاربردی:

• مدار SMPS
• فیلتر ورودی و خروجی
• فیلتر پی

ویژگی‌ها:

• استاندارد اندوکتانس اولیه +/- 10%
• موجود در انواع عمودی
• قدرت دی الکتریک بین سیم پیچ و هسته 0.5 کیلو ولت

سلف هسته حلقوی

جزئیات:

طول سیمی که دور یک هسته دونات شکل پیچیده شده است، معمولاً به عنوان سلف هسته حلقوی شناخته می‌شود. مواد هسته فریت است، بنابراین، خواص مواد شبیه یک سلف هسته فریت است.

این نوع هسته به دلیل ماهیت حلقه بسته خود می‌تواند دارای میدان مغناطیسی بسیار خوبی باشد. بنابراین اندازه و اندوکتانس را بهبود می‌بخشد.

به دلیل میدان مغناطیسی بالا و مقدار اندوکتانس بالا با سیم‌پیچ‌های کمتر، امپدانس بسیار کمتر است که به بهبود راندمان سلف کمک می‌کند.

برنامه‌های کاربردی

• تجهیزات پزشکی
• رگولاتورهای سوئیچینگ
• کنترل کننده‌های صنعتی
• فیلترهای خروجی (SMPS)

ویژگی‌ها:

• 560 μH ± 15% @ 10 کیلوهرتز / 5 میلی آمپر
• 77 mΩ ± 10٪ (حداکثر) @ Ta = 25 درجه سانتیگراد

سلف محوری / سلف حلقه رنگی

جزئیات:

برای ساخت این نوع سلف یک سیم مسی بسیار نازک دور یک هسته فریت دمبلی شکل پیچیده می‌شود و دو درب در بالا و پایین هسته دمبل به هم متصل می‌شوند. پس از آن فرآیند قالب‌گیری (مواد سبز رنگ اطراف سلف) را طی می‌کند که در آن مقادیر به‌صورت نوارهای رنگی چاپ می‌شوند. بنابراین می‌توانید مقدار سلف را فقط با خواندن نوارهای رنگی و مقایسه آن‌ها با نمودار کد رنگ تعیین کنید.

برنامه‌های کاربردی

• فیلتر خط
• طراحی فیلتر
• مبدل تقویت کننده
• عمومی

ویژگی‌ها:

• افزایش دما – 35 درجه سانتیگراد
• محدوده دمای عملیاتی – 55 درجه سانتیگراد تا +105 درجه سانتیگراد
• محدوده دمای نگهداری – 55 درجه سانتیگراد تا +105 درجه سانتیگراد
• سطح حساسیت به رطوبت – 1

سلف سطحی محافظ

جزئیات:

با پیچاندن طول سیم در یک ماسوره استوانه ای و محکم کردن آن در قالب‌های محفظه فریت مخصوص، سلف محافظ سطحی ساخته می‌شود.

این سلف‌ها به طور ویژه برای برنامه‌های نصب شده PCB طراحی شده اند و در آن محافظ برای کاهش EMI و نویز ناشی از سلف و همچنین امکان استفاده در طراحی با چگالی بالا وجود دارد.

برنامه‌های کاربردی

• برنامه‌های کاربردی PDA / نوت بوک / دسکتاپ / سرور
• مبدل‌های POL جریان بالا
• منبع تغذیه جریان بالا
• دستگاه‌هایی که با باتری کار می‌کنند
• مبدل‌های DC/DC در سیستم‌های قدرت توزیع شده
• مبدل DC/DC برای آرایه گیت قابل برنامه ریزی میدانی (FPGA)

ویژگی‌ها:

• ساخت و ساز محافظ
• محدوده فرکانس تا 5.0 مگاهرتز
• کمترین DCR/μH
• صدای وزوز بسیار کم، به دلیل ساخت کامپوزیت

کویل شارژ بی سیم

جزئیات:

سیم پیچ چند رشته ای و قرار دادن آن در فریت منجر به سیم پیچ شارژ بی سیم می‌شود.

طول سیم چند رشته ای برای کاهش اثرات تماس با پوست استفاده می شود، که یک میدان مغناطیسی با فرکانس بالا برای نفوذ در عمق مشخصی را پشتیبانی می کند، به این معنی که اگر از یک سیم جامد استفاده شود، بیشترین جریان از طریق بیرونی بخشی از هادی که در نتیجه مقاومت را افزایش می‌دهد جریان خواهد داشت.

با قرار دادن یک صفحه فریت در زیر یک سیم پیچ می‌توان اندوکتانس را بهبود بخشد و همچنین می‌تواند میدان مغناطیسی را متمرکز کرده، انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش دهد.

برنامه‌های کاربردی

• شارژ بی سیم
• محصولات اطلاعاتی و ارتباطی
• محصولات صنعتی، پزشکی و غیره

ویژگی‌ها:

• Ls [uH]: 6.20 uH +/- 5% @100kHz
• Rs [اهم]: 0.095 Ω +/-10٪ @100kHz
• Rdc [اهم]: 0.08 Ω

سلف جفت شده

جزئیات:

سیم پیچی دو سیم در یک هسته مشترک، یک سلف جفت شده را تشکیل می‌دهد. سیم پیچ‌ها را می‌توان به صورت سری، موازی یا به صورت ترانسفورماتور وصل کرد. آن‌ها با انتقال انرژی از یک سیم پیچ به سیم پیچ دیگر توسط اندوکتانس به صورت متقابل کار می‌کنند. رایج ترین سلف‌های جفت شده دارای نسبت دور یک به یک هستند که در مبدل‌های DC استفاده می‌شود.

برنامه‌های کاربردی

• مبدل فلای بک
• تبدیل کننده ی SEPIC
• مبدل کوک

ویژگی‌ها:

• محدوده دمای عملیاتی -50 تا +155 درجه سانتیگراد
• افزایش دما، حداکثر 40 درجه سانتیگراد
• فرکانس کاری تا 3 مگاهرتز

سلف‌های تراشه چند لایه

جزئیات:

نام این سلف خود نشان می‌دهد که از چند لایه تشکیل شده که با استفاده از صفحات نازک فریت ساخته شده است. الگوی کویل روی آن با خمیر فلزی مخصوص چاپ می‌شود (دستور العمل برای سازنده محرمانه است). قرار دادن صحیح این ورق‌ها یکی پس از دیگری یک سیم پیچ و در نتیجه اندوکتانس ایجاد می‌کند.

برنامه‌های کاربردی

• شبکه‌های محلی بی سیم
• بلوتوث
• SBC‌ها
• مادربرد

ویژگی‌ها:

• دمای کارکرد: -55 درجه سانتیگراد تا +125 درجه سانتیگراد
• شوک حرارتی: -40 درجه سانتیگراد تا +85 درجه سانتیگراد
• رطوبت: 90% RH در 40 درجه سانتی گراد

سلف متغیر محافظ

جزئیات:

با پیچاندن طول سیم به دور یک ماسوره استوانه ای توخالی و با قرار دادن  هسته ساخته شده از مواد فرومغناطیسی یا برنج می‌توانید مقدارشار مغناطیسی سلف را تغییر دهید.

اگر ماده هسته فریت باشد، حرکت مواد هسته در مرکز سیم پیچ باعث افزایش اندوکتانس می‌شود.

اگر مواد هسته برنجی باشد، انتقال آن به مرکز سیم پیچ باعث کاهش اندوکتانس می‌شود.

برنامه‌های کاربردی

• قابلیت اطمینان بالا که با کاربردهای خودرو مطابقت دارد.
• سازگار با AEC-Q200.
• ویژگی‌ها:
• محدوده فرکانس: 20 تا 129 مگاهرتز
• محدوده اندوکتانس: 0.05 × 2.7 mH
• Q تقریباً: 20 تا 60
• در برابر فشارهای مکانیکی با دوام بالا

سلف‌های قالبی

این سلف‌ها یا توسط عایق‌های پلاستیکی یا سرامیکی قالب گیری می‌شوند. این‌ها معمولاً در شکل‌های میله‌ای و استوانه‌ای با گزینه‌های وسیع سیم‌پیچ موجود هستند.

سلف پودر آهن

این سلف از ذرات بسیار ریز با ذرات عایق شده از پودر آهن بسیار خالص تشکیل شده است. همچنین این نوع سلف حاوی تقریباً 100٪ آهن است. هنگامی که این ذرات آهن تحت فشار بسیار بالا فشرده شده و با یک ماده چسبنده مانند اپوکسی یا فنولیک مخلوط می‌شود، به ما یک هسته جامد می‌دهد. با این عمل پودر آهن مانند یک ساختار جامد مغناطیسی عمل می‌نماید.

با توجه به این شکاف هوا، در مقایسه با هسته فریت، می‌تواند شار مغناطیسی بالایی را ذخیره کند. این مشخصه اجازه می‌دهد تا قبل از اشباع شدن سلف، سطح جریان DC بالاتری از سلف عبور کند. این منجر به کاهش نفوذپذیری هسته می‌شود.

عمدتاً نفوذپذیری اولیه فقط زیر 100 است. بنابراین این سلف‌ها دارای ثبات ضریب دمایی بالا هستند. این‌ها عمدتاً در منابع تغذیه سوئیچینگ کاربرد دارند.

همه ی این موارد متداول ترین سلف‌های مورد استفاده در زمینه برق و الکترونیک می‌باشد. بسیاری از انواع دیگر سلف نیز وجود دارد که رایج نیستند و برای اهداف خاصی استفاده می‌شوند.