Miksi induktori tuottaa korkean jännitteen eikä suurta virtaa?

Kun kytkin sulkeutuu (esimerkiksi, kun kytkin kytkentässä yhtäkkiä avautuu), se tuottaa korkean jännitteen eikä korkeaa sähkövirtaa. Tämä voidaan selittää induktiivisen komponentin perusominaisuuksilla ja sen energian varastointimekanismilla. Tässä on yksityiskohtainen selitys:

Induktiivisen komponentin perusominaisuudet

Induktiivisen komponentin perusominaisuuden voi ilmaista seuraavalla kaavalla:

missä:

V on jännite induktiivisen komponentin päissä.

L on induktiivisen komponentin induktanssi. dI/dt on sähkövirran muutosnopeus ajan suhteen.

Tämä kaava osoittaa, että induktiivisen komponentin päissä oleva jännite on verrannollinen sähkövirran muutosnopeuteen. Toisin sanoen, induktiivinen komponentti vastustaa nopeita sähkövirran muutoksia.

Energian varastoiminen

Induktiivinen komponentti varastoilee energiaa, kun sähkövirta kulkee läpi, ja tämä energia tallennetaan magneettikentässä. Energia E, joka varastoidaan induktiiviseen komponenttiin, voidaan ilmaista seuraavalla kaavalla:

missä:

• E on varastettu energia.

• L on induktanssi.

• I on sähkövirta, joka kulkee induktiivisen komponentin läpi.

Kun kytkin avautuu

Kun kytkin induktiivisessa kytkentässä yhtäkkiä avautuu, sähkövirta ei voi välittömästi putoaa nollaan, koska induktiivisen komponentin magneettikentän tulee aikanaan vapauttaa varastoinensa energia. Koska sähkövirta ei voi muuttua välittömästi, induktiivinen komponentti yrittää ylläpitää olemassa olevaa sähkövirran virtausta.

Kuitenkin, koska kytkin on avattu, sähkövirran polku on katkaistu. Induktiivinen komponentti ei voi enää ylläpitää sähkövirran virtausta, joten se tuottaa erittäin korkean jännitteen sen päissä. Tämä korkea jännite yrittää pakottaa sähkövirran jatkamaan virtaamista, mutta koska kytkentä on katkaistu, sähkövirta ei voi kulkea, ja induktiivinen komponentti vapauttaa varastoinensa energian korkean jännitteen kautta.

Matemaattinen selitys

Induktiivisen komponentin jännite-sähkövirta-suhteesta V=L(dI/dt) seuraa, että kun kytkin yhtäkkiä avautuu, sähkövirta I täytyy pudota nollaan hyvin nopeasti. Tämä tarkoittaa, että sähkövirran muutosnopeus dI/dt tulee olemaan hyvin suuri, mikä johtaa erittäin korkeaan jännitteeseen V.

Praktinen ilmiö

Käytännön kytkennyksissä tämä korkea jännite voi aiheuttaa tulihiilisyntyi tai vahingoittaa maita komponentteja kytkentyssä. Tätä vältellään usein kytkemällä induktiivisen komponentin rinnalle diode (tunnetaan myös nimellä flyback-diode tai freewheeling-diode). Tämä sallii sähkövirran jatkaa virtaamista dioden kautta, kun kytkin avautuu, välttäen siten liian korkean jännitteen syntymisen.

Yhteenveto

Kun kytkin induktiivisessa kytkentässä yhtäkkiä avautuu, syntyy korkea jännite eikä korkea sähkövirta, koska induktiivinen komponentti yrittää ylläpitää olemassa olevaa sähkövirran virtausta. Kuitenkin, koska kytkentä on katkaistu, sähkövirta ei voi jatkaa virtaamista, ja induktiivinen komponentti vapauttaa varastoinensa energian tuottamalla korkean jännitteen. Tämä korkea jännite johtuu hyvin suuresta sähkövirran muutosnopeudesta dI/dt.