عملكرد سلف
اگراز داخل يك سيم جرياني عبوركند،سيم در حوالي خود ميدان مغناطيسي توليد مي كند و اگر سيم را به صورت يك حلقه به دور جسمي بپيچيم اين ميدان در بين حلقه ها متمركز مي گردد و هر جسمي مي تواند ميدان مغناطيسي را داخل خود حفظنمايد كه مدت نگهداري اين ميدان بستگي به جنس آن جسم خواهد داشت.به تجربه مشاهده شده كه مدت زمان حفظ ميدان در آهن بسيار بيشتر از مواد و عناصر ديگرمي باشد.
عملکرد سلف
اگر از داخل یک سیم جریانی عبورکند،سیم در حوالی خود میدان مغناطیسی تولید می کند و اگر سیم را به صورت یک حلقه به دور جسمی بپیچیم این میدان در بین حلقه ها متمرکز می گردد و هر جسمی می تواند میدان مغناطیسی را داخل خود حفظ نماید که مدت نگهداری این میدان بستگی به جنس آن جسم خواهد داشت.به تجربه مشاهده شده که مدت زمان حفظ میدان در آهن بسیار بیشتر از مواد و عناصر دیگر می باشد.
عبور جریان از سلف
می خواهیم نحوه عملکرد سلف را در مدار شکل زیر مورد بررسی قرار دهیم.در لحظه اولی که ولتاژ به دو سر سلف می رسد،فشار الکتریکی و عبور جریان،میدان مغناطیسی تولید می کند که تمایل دارد اتم های هسته را منظم نماید.در مقابل، نامنظم بودن اتم های هسته می خواهد نظم اتم های سیم را از بین ببرد و این خود باعث کاهش جریان می گردد.با عبور جریان،کم کم هسته سلف منظم شده و جریان به حداکثر ممکن می رسد.
اگر منحنی ولتاژ و جریان سلف را ترسیم کنیم،به منحنی زیر می رسیم.چنانچه مشاهده می کنید در لحظه اول (نقطه A) که ولتاژ به دو سر سلف رسیده است (در این لحظه چون اتم های هسته اجازه منظم کردن را به سلف نمی دهند،مقاومت سلف بسیار زیاد بوده و در نتیجه تمام ولتاژ دو سر سلف افت می کند) به علت نامنظم بودن هسته سلف،جریان عبوری از آن بسیار کم است (نقطه C).
با گذشت زمان هسته منظم می شود و در نتیجه مقاومت سلف کمتر شده و جریان سلف بیشتر می گردد و بالطبع سلف به فشار کمتری برای منظم کردن هسته احتیاج پیدا می کند.به تدریج تمام اتم های هسته منظم شده و جریان در سلف به حداکثر می رسد (نقطه D) و با منظم شدن هسته،سلف ولتاژ کمتری نیاز دارد.
در سلف،ولتاژ زودتر از جریان جاری می شود.در واقع اختلاف فاز 90 درجه در سلف،عکس اختلاف فاز در خازن ها می باشد.در مدار AC به علت منظم کردن اتم های هسته در جهت های عکس،سلف در برابر عبور جریان های AC از خود مقاومت نشان می دهد.
در مورد سلف هایی که در مدارهای AC قرار دارند به علت وجود هسته در داخل سلف و حفظ نیروی مغناطیسی در اتم های هسته،هر قدر فرکانس بیشتر شود،هسته جهت حفظ نیروی مغناطیسی در خود،در برابر منظم شدن اتم های خود مقاومت کرده و در نتیجه این عمل،با بیشتر شدن فرکانس،مقاومت سلف نیز بیشتر می گردد.
عکس العمل سلف در ولتاژهای DCوAC :
در شکل زیر اجزاء تشکیل دهنده یک سیم پیچ (هسته E وI و سلف پیچیده شده روی یک قرقره) را ملاحظه می کنید.برای آزمایش به سیم پیچی با 50 تا 60 متر سیم نیاز می باشد.
عملکرد سلف در مدارهای مرکب از ولتاژهای DC و AC
اگر ولتاژ مخلوط شده ای از AC وDC به یک خازن وارد شود،خازن در برابر بخش DC ولتاژ مقاومت کرده و بخش AC را از خود عبور می دهد.نحوه عمل سلف در این ولتاژها،عکس خازن است.یک سلف در برابر ولتاژ AC از خود مقاومت نشان داده ولی در برابر ولتاژ DC هیچ مقاومتی از خود بروز نمی دهد (اگر از مقاومت اندک طول سیم صرف نظر کنیم).در نمودار شکل زیر یک ولتاژ DC مخلوط با AC که کاملا تصفیه نشده به ورودی مدار داده شده است.در این مدار بخش عمده ای از ولتاژ AC توسط سلف در خروجی حذف می گردد.این گونه مدارهای منبع تغذیه و در مواردی که نیاز به حذف نویز باشد،مورد استفاده قرار می گیرند.
تعریف هانری
اگر نیروی متمرکز کردن میدان مغناطیسی در یک سلف به حد تعریف شده ای برسد می گویند آن سلف دارای یک "هانری" خاصیت سلفی می باشد.واحد اندازه گیری مقدار سلف،"هانری" است که دارای اجزای کوچک تری به نام "میلی هانری" و "میکروهانری" نیز می باشد :
مقادیر موثر در یک سلف بستگی به جنس سیم،تعداد دور (طول سیم)،جنس هسته و غیره داشته و از بعضی عوامل که تاثیر زیادی ندارد (مانند حرارت محیط) صرف نظر می گردد.همان طور که گفته شد،مقدار امپدانس سلف را با X(L) نمایش می دهند که با فرمول X(l)=(2Pi)FL محاسبه می گردد.منحنی جریان و ولتاژ در سلف به صورت شکل زیر می باشد و جریان نسبت به ولتاژ 90 درجه تاخیر دارد.
چند مثال از کاربرد سلف
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.
هد 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.
بلندگو
در مورد نحوه عمل سیم پیچ و میدان مغناطیسی می توان به ساختمان یک بلندگو اشاره نمود.در بلندگو یک سیم پیچ در داخل یک آهن ربای دائم قرار گرفته است.با عبور جریان از سیم پیچ و ایجاد میدان مغناطیسی در آن،میدان بر روی هسته مغناطیسی بلندگو تاثیر گذاشته و دو میدان به وجود آمده،بر یکدیگر تاثیر می گذارند.در شکل زیر فرض کنید که جریانی از سیم پیچ B و A عبور نموده و باعث ایجاد میدان مغناطیسی قطب S در سمت A شده باشد.این میدان توسط قطب N هسته بلندگو جذب شده و سیم پیچ به طرف داخل حرکت می کند.اکنون اگر جهت جریان عوض شود،نقطه A حالت قطب N را به خود گرفته و توسط قطب N هسته دفع می گردد،پس سیم پیچ به طرف بیرون حرکت می نماید.با اتصال صفحه ای به شکل شیپور به سیم پیچ و با عبور جریان از سیم پیچ،نیروهای مغناطیسی فوق،صفحه شیپوری را به حرکت درآورده و در نتیجه هوای اطراف صفحه را به حرکت در می آورد و عمل ارتعاش هوا موجب پیدایش صوت می شود.
در مورد سیم پیچ ها و هسته ها می توان به قطعه ای به نام "ترانسفورمر" نیز اشاره نمود.
ترانسفورمر (Transformer)
ترانسفورمر از دو سلف یا سیم پیچ مجزا تشکیل شده که به لحاظ الکتریکی از یکدیگر جدا بوده ولی از لحاظ مغناطیسی بر روی یک هسته بسته شده اند.با عبور جریان از یک سیم پیچ،نیروی مغناطیسی در هسته به وجود آمده و این نیرو به اتم های سیم پیچ دیگر منتقل می گردد.توان موجود در هر دو سیم پیچ یکسان در نظر گرفته می شود زیرا جریان عبوری از یک سیم پیج،میدان مغناطیسی متناسب با جریان عبوری،در هسته ایجاد نموده و هسته ترانس این میدان را به سیم پیچ دیگر وارد می نماید.با توجه به فرمول محاسبه توان و برابری توان های ورودی و خروجی خواهیم داست :
P(توان)=U(ولتاژ) * I(جریان)
p1(توان اولیه ترانسفورمر)=P2(توان ثانویه ترانسفورمر)
اینک یک ترانسفورمر را در نظر بگیرید که دارای دو سیم پیچ می باشد.اگر تعداد دور و قطر سیم دو سیم پیچ با یکدیگر یکسان باشد،قدرت ورودی سیم پیچ اول عینا به سیم پیچ دوم انتقال پیدا می کند.مثلا اگر ولتاژ اولیه ترانس،220 ولت و جریان آن 1 آمپر باشد،درسیم پیچ ثانویه ترانس،تقریبا همان 220 ولت و 1 آمپر را خواهیم داشت.کلمه "تقریبا" به این دلیل گفته می شود که مقداری از توان در هسته به صورت حرارت از بین می رود که قابل چشم پوشی است.ترانسی که سیم پیچ ورودی آن از سیم پیچ خروجی آن جدا باشد و ولتاژ و جریان ورودی با ولتاژ و جریان خروجی آن یکسان باشد را ترانس "ایزوله" می نامند.
ترانسفورمر افزاینده
اگر سیم پیچ ثانویه یک ترانسفورمر دارای طول سیم بیشتری باشد،با در نظر گرفتن این نکته که توان ورودی با توان خروجی یکسان است،در ثانویه ترانس (به دلیل طول و در نتیجه تعداد دور بیشتر سیم پیچ) ولتاژ بیشتر شده ولی جریان کمتر می گردد.
به عنوان مثال اگر در ورودی،ولتاژ 220 ولت و جریان 1 آمپر داشته باشیم ودر ثانویه (متناسب با طول سیم) مثلا 250 ولت دریافت نماییم،جریان عبوری از سیم پیچ ثانویه برابر مقدار محاسبه شده زیر خواهد بود یعنی ولتاژ زیاد شده اما جریان پایین آمده و در کل توان بین ورودی و خروجی ترانس یکسان مانده است.این گونه ترانس ها را که ولتاژ خروجی آن افزایش یافته است "ترانس افزاینده" می نامند.به عنوان نمونه می توان به ترانسی که در دستگاه های الکترونیکی برق اضطراری استفاده می شود اشاره نمود.در این گونه دستگاه ها،توسط مدار الکترونیکی،ولتاژDC 12 ولت باتری به ولتاژ 220 ولت AC تبدیل می شود.این عمل توسط ترانس افزاینده به 220 ولت افزایش می یابد.در این نوع ترانسفورمرها قطر سیم مصرف شده در ثانویه نازک تر از سیم اولیه ترانسفورمر می باشد.
ترانسفورمر کاهنده
هرگاه طول سیم پیچ ثانویه از سیم پیچ اولیه ترانس کمتر باشد،قدرت مغناطیسی ایجاد شده در هسته،طول کمتری را تحت فشار قرار داده و این کار باعث کم شدن ولتاژ در سیم پیچ ثانویه می شود.تساوی توان در ورودی و خروجی همانند حالت قبل بر قرار می باشد.طبق فرمول اگر ولتاژ ورودی 220 ولت و جریان آن 1 آمپر باشد و در خروجی،12 ولت داشته باشیم،جریان خروجی با مقدار محاسبه شده در زیر برابر خواهد بود.در این گونه موارد قطر سیم به کار رفته در ثانویه را زیادتر انتخاب می کنند تا بتوانند به جای ولت بیشتر شدت جریان بیشتری را از ترانسفورمر دریافت کنند.
ترانس هایی را که ولتاژ خروجی آن کمتر از ولتاژ ورودی است،"ترانس کاهنده" می نامند.البته برای محاسبه طول سیم پیچ ها و ولتاژ ورودی و خروجی و بقیه مشخصات ترانس از قبیل توان هسته و قطر سیم ها،فرمولهای محاسباتی وجود دارد.نمونه این ترانس،ترانس جوشکاری می باشد که در آن برق 220 ولت به یک ولتاژ پایین (جهت جلوگیری از آسیب به انسان) که جریان بسیار بالایی دارد تبدیل می شود.عبور این جریان قوی از الکترود جوشکاری باعث ذوب آن و انجام عمل جوشکاری می گردد.
علاوه بر قطر سیم های اولیه و ثانویه،هسته نیز نقش مهمی در میزان توان ترانسفورمر ایفا می کند و اگر قطر هسته از آنچه باید بوده کمتر باشد و میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم پیچ ورودی از حد توان تحمل هسته ترانس بیشتر شود،اتم های هسته مجبور به فعالیت بیشتر شده و تولید حرارت می نمایند که باعث سوختن لاک سیم پیچ ها شده و در نتیجه سیم پیچ ها به یکدیگر اتصال می کنند.در اثر این مساله مقاومت سیم پایین آمده (طول سیم به هم می ریزد) و جریان گرفته شده از برق شهر بیشتر می شود و به تبع آن حرارت ایجاد شده نیز افزایش می یابد.در این حالت لاک سیم ها بیشتر از بین رفته و حرارت زیاد باعث ذوب شدن سیم های مسی و قطع آنها می شود و ترانس کلا می سوزد.
منبع : سایت آموزش برق و الکترونیک مدار سبز (www.madaresabz.ir)
نویسنده : رامین فریور