Luftkernespoler bruges ofte i højfrekvente kredsløb, da de magnetiske tab skal holdes så lave som muligt. Luftkernespoler bruger ikke en magnetisk kerne, som det er tilfældet med jernkerne- eller ferritkerneinduktorer. Spolen er simpelthen snoet omkring luften eller et ikke-magnetisk stof, der ikke har et magnetfelt.
Luftkernespoler bruges ofte i RF-kredsløb, antenner, trådløse systemer og måleinstrumenter, da de har lave tab, er meget lineære og har fremragende højfrekvensydelse.
Denne bog diskuterer den grundlæggende idé bag luftkernespolen, dens konstruktion, de forskellige typer luftkernespoler, hvordan man bruger den korrekte type, og hvordan man bruger dem til praktiske anvendelser, sammen med nogle fejlfindingshjælpemidler og hurtige referencedata.
1 Hvad er en Luftkernespole ?
En luftkernespole er en type elektrisk induktor, der bruger en ledertråd til at lave en spole uden et magnetisk kernemateriale. Spolen kan være understøttet af luft, plastik, keramik og andre materialer, der ikke tiltrækker magneter.
Induktansen tilvejebringes af et magnetfelt, der produceres af en strøm, der løber i en spole.
Vigtige ting
Ingen kernematerialer nødvendige
Lave magnetiske tab
Meget stabil, især ved høje frekvenser
Meget ligefrem
Lav induktans sammenlignet med induktorer med jernkerne.
Luftkernespoler bruges bedst i kredsløb, hvor signaler behandles og kommunikeres, og hvor RF anvendes.
2 Hvordan en luftkernespole fungerer
Elektromagnetisk induktion er det, der får en luftkernespole til at fungere.
Når elektricitet flyder i en spole, dannes der et magnetfelt omkring ledningerne. Induktansen tilvejebringes af et magnetfelt.
Der er et par faktorer, der påvirker induktansen:
Hvor mange gange
Hvor bred spolen er
Hvor lang er spolen
Hvor langt fra hinanden er ledningerne
Mediets eller luftens permeabilitet
Induktansen af en simpel luftkerne-solenoidspole kan estimeres ved hjælp af:
L=lμ0N2A
Hvor:
L = induktans (H)
μ₀ = permeabilitet af frit rum
N = antal omdrejninger
A = tværsnitsareal
l = spolelængde
Fordi luft har en lav magnetisk permeabilitet, har luftkerneinduktorer typisk lavere induktansværdier sammenlignet med ferritkerneinduktorer.
3 forskellige slags luftkernespole
Der findes forskellige typer luftkernespoler afhængigt af deres anvendelse eller konstruktion.
1 luftkernespiral med ét lag
En spole konstrueret ved at vikle tråde én gang.
Anvendelser: RF-tuningkredsløb
Oscillatorer
antenner
2 luftkernespiral med flere lag
Ledningerne vikles flere gange for at øge induktansen.
Anvendelse:
RF filtre
Sendere der fungerer uden ledninger
3 spoler med variabel luftkerne
Du kan øge eller mindske induktansen ved at øge eller mindske ledningen.
Anvendelser: RF-tuning
Radiomodtagere
4 flad spiralspiral
Trådene er viklet som en flad spiral.
Anvendelse: Opladning uden ledninger
Sensorer, der bruger induktion
Systemer til RFID
4 Struktur og hovedtyper
Følgende er delene af en luftkernespole:
Hoveddele
Del Funktion
Ledning af kobber, der fører strøm
Viklingsspoler skaber et magnetfelt
StøtterammeGiver mekanisk stabilitet
IsoleringslagForhindrer kortslutning
Sortering efter form
Følgende er de forskellige typer luftkernespoler:
Folk har klassificeret luftkernespoler i følgende kategorier:
Spoler af solenoider
Spoler, der spiraler
Spoler i en helix
Spoler i et plan
Hver af ovenstående har forskellige induktansværdier og arbejder ved forskellige frekvenser.
5. Luftkernespole Hoved Funktioner: Fordele og ulemper
Fordelene ved luftkernespoler:
✔ Ingen tab i den magnetiske kerne
✔ Fremragende ydeevne ved høje frekvenser
✔ Høj linearitet (ingen magnetisk mætning)
✔ Induktansen er stabil gennem hele temperaturen
✔ Lav forvrængning i RF-kredsløb
Ulemperne ved luftkernespiraler:
✘ med lavere induktansværdier
✘ Behov for større fysisk størrelse
✘ Lavere magnetisk koblingseffektivitet
✘ Følsom over for ekstern elektromagnetisk interferens
6. Sammenligningstabel: Luftkerne vs. jernkerne vs. ferritspoler
| Feature | Luftkernespole | Jernkerne-induktor | Ferritkerne-induktor |
| Kernemateriale | Air | Jern | Ferrit |
| Magnetisk permeabilitet | Meget lav | Høj | Medium |
| Induktansværdi | Lav | Høj | Medium |
| Frekvensområde | Meget høj | Lav | Medium-høj |
| Kernetab | Meget lav | Høj | Medium |
| Mætning | Ingen | Ja | Ja |
| Applikationer | RF kredsløb | Strømforsyninger | Filtre og transformere |
7. Anvendelser på tværs af brancher
Luftkernespoler anvendes i forskellige moderne elektroniske enheder.
- Radiofrekvenssystemer (RF).
Disse anvendes i sendere, modtagere og oscillatorer.
- Trådløse opladningssystemer
Flade spiralformede luftkernespiraler anvendes i forskellige anvendelser, herunder:
Trådløs opladning af smartphones
Opladere til elektriske tandbørster
- kommunikationsudstyr
Disse anvendes i forskellige applikationer, herunder:
Antenne tuning
RF filtre
Signalkobling
- Medicinsk elektronik
Disse anvendes i forskellige applikationer, herunder:
MR-spoler
Præcisionssensorer
Medicinsk signalbehandling
- Test- og måleudstyr
Højfrekvent testudstyr kræver induktorer med lavt tab, hvor der anvendes luftkernespoler.
8. Hvorfor Air-Core-spoler bliver mere populære
Der er et par teknologiske udviklinger, der gør luftkernespoler mere populære.
- Fremkomsten af trådløs teknologi
Trådløse kommunikationsenheder kræver højfrekvente induktorer.
For eksempel 5G-enheder
Enheder, der opretter forbindelse til internettet
RFID-enheder
- Mindre magnetisk tab
Luftkerneinduktorer eliminerer fuldstændigt hysteresetab samt tab fra hvirvelstrømme.
- Meget lineær
Luftkernespoler er perfekte til applikationer, der kræver en meget lineær respons, da de ikke mættes.
- Design af små RF-kredsløb
I moderne RF-kredsløb er det nødvendigt at indstille ved høje frekvenser.
9. Sådan vælger du en luftkernespole (en guide til ingeniører)
Når ingeniører vælger en luftkernespole, skal de se på et par faktorer.
- Værdien af induktans
Find ud af, hvor meget induktans der er behov for.
Normalt område: 1 nH til 100 µH
- Driftshyppighed
Det bedste miljø for luftkernespiraler at fungere er:
RF-frekvenser
Kredsløb med høje frekvenser
- Spolens størrelse
En større spole betyder:
Mere induktans
Mere plads nødvendig
- Størrelsen på ledningen
En større ledning betyder:
Mindre modstand
Mindre strømtab
- Kvalitetsfaktor (Q)
Jo højere Q-faktoren er, desto lavere er energitabet.
- Temperaturens stabilitet
Spolen skal fungere korrekt ved alle temperaturer.
10. Ofte stillede spørgsmål om tekniske problemer og løsninger
Problem 1: Induktansen er for lav
Mulige årsager:
For få spins
Spolens diameter er for lille
Opløsning:
Flere drejninger nødvendige
Gør spolen større
Problem 2: Opvarmning af spolen
Årsag:
For meget strøm flyder gennem spolen
Opløsning:
Gør ledningen større eller reducer strømmen
Problem 3: Spolen oplever interferens forårsaget af elektromagnetiske bølger
Årsag:
Magnetiske felter kommer udefra spolen og påvirker den
Opløsning:
Løs problemet ved at bruge et godt printkortdesign
Problem 4: Frekvensen er ustabil
Årsag:
Spolen ændrer form på grund af mekaniske kræfter
Løsning: Brug støttemateriale til at fastgøre spolen.
12 tips til at holde ting i god stand og almindelige fejl, folk begår, når de bruger dem
Ingeniører bør undgå almindelige fejl for at sikre, at deres arbejde er pålideligt.
Begå ikke disse fejl
Forkert beregning af induktans
For meget strøm løber gennem en tynd ledning
Ikke særlig mekanisk stabil
Forkert afstand mellem spolen
Tips til at holde dine spoler i god stand: ✔ Kontroller spolernes struktur regelmæssigt ✔ Undgå mekanisk deformation ✔ Hold isoleringen i god stand ✔ Beskyt spolerne mod fugt og korrosion
13. Tabel med hurtig referencedata
| Parameter | Typisk rækkevidde |
| induktans | 1 nH – 100 µH |
| Betjening Frekvens | kHz – GHz |
| Q-faktor | 50 - 300 |
| Trådmateriale | Kobber |
| Spolediameter | 2 mm - 100 mm |
| Temperaturområde | -40°C til 125°C |
14. Vedligeholdelsestips og almindelige fejl ved påføring
For at sikre, at luftkernespoler fungerer godt, bør der følges adskillige vedligeholdelsestips. Ingeniører bør også være opmærksomme på de almindelige fejl, der bør undgås for enhver pris. De almindelige fejl omfatter:
Undgå disse fejl
Forkert induktansberegning
For stor strøm løber gennem tynde ledninger
Dårlig mekanisk stabilitet
Forkert spoleafstand
Tip til vedligeholdelse
✔ Kontroller regelmæssigt spolens struktur
✔ Sørg for, at der ikke er nogen mekanisk deformation
✔ Sørg for korrekt isolering
✔ Sørg for, at den ikke udsættes for fugt og korrosion
15. Resumé
Luftkernespoler har spillet en afgørende rolle i højfrekvente elektroniske enheder og RF-kredsløb. De unikke fordele, som luftkernespoler tilbyder, gør dem til en essentiel komponent i moderne kommunikations- og trådløs teknologi. Fordelene omfatter minimale magnetiske tab, høj linearitet og højfrekvensstabilitet.
Luftkernespoler tilbyder en lavere induktansværdi sammenlignet med andre induktive komponenter såsom magnetiske kernespoler. Fraværet af kernemætning gør luftkernespoler velegnede til brug i elektroniske kredsløb. Arbejdsprincipperne, designaspekterne og udvælgelsesmetoderne hjælper med at vælge den rigtige luftkernespole for optimal kredsløbsydelse.
