Inductor

เนื้อหาสาระ

ตัวเหนี่ยวนำ หรือขดลวดเหนี่ยวนำ เป็นอุปกรณ์ที่สำคัญในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ บางครั้งเรียกตัวเหนี่ยวนำว่า คอยล์ (COIL) ซึ่งมีลักษณะเป็นเส้นลวดทองแดง มาพันเป็นขดมีจำนวนรอบน้อยรอบหรือมากรอบลงบนแกน ซึ่งอาจจะเป็นแกนเหล็ก แกนผงเหล็กอัด หรือไม่มีแกนก็ได้

ชนิดของตัวเหนี่ยวนำ ตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์มีดังนี้

  • ตัวเหนี่ยวนำแกนอากาศ คือขดลวดที่พันอยู่บนวัตถุที่ไม่เป็นแม่เหล็ก เช่น กระดาษ หรือพลาสติก
  • ตัวเหนี่ยวนำแกนผงเหล็กอัดหรือแกนเฟอร์ไรด์ โดยใช้ผงเหล็กอัดเป็นแท่งแล้วใช้ขดลวดพันอยู่บนแกนแท่งเหล็กอัด
  • ตัวเหนี่ยวนำแกนอากาศ คือ ขดลวดที่พันอยู่บนแกนเหล็ก ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก เพื่อต้องการให้ได้ค่าความเหนี่ยวนำสูง ตัวเหนี่ยวนำแบบนี้บางครั้งเรียกว่าโช้ก (CHOKE)

ภาพที่ 6.2 แสดงสัญลักษณ์ของตัวเหนี่ยวนำ

การทำงานของตัวเหนี่ยวนำ

ตัวต้านทานจะต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำจะต่อต้าน

การไหลของกระแสไฟฟ้า การไหลของกระแสเฉพาะ

ช่วงที่มีการเปลี่ยนแปลงเท่านั้น

การทำงานและการใช้งานของตัวเหนี่ยวนำ จะเกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็ก คือ เมื่อจ่าย แรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้าให้กับตัวเหนี่ยวนำแล้วจะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นที่ตัวเหนี่ยวนำ ผลของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นดังกล่าวสามารถนำไปใช้ประโยชน์ทางไฟฟ้ามากมาย เช่น โซลีนอยส์ กระดิ่งไฟฟ้า เซอร์กิตเบรคเกอร์ และยังใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์ เช่น วงจรกำเนิดความถี่ (OSCILLATOR) วงจรกรองความถี่ (FILTER) อาร์เอฟโช้ก (RF CHOKE) ฯลฯ

การเกิดแรงดันไฟชักนำในตัวเอง

เมื่อต่อแรงดันไฟฟ้าเข้ากับขดลวดจะมีกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดและเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบ ๆ ขดลวดตามรูป สนามแม่เหล็กจะสร้างเส้นของตัวประสานรอบ ๆ ขดลวด เมื่อกระแสไฟในขดลวดเกิดการเปลี่ยนแปลงทันทีทันใด ความเข้มของสนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนแปลงไปด้วย จากผลอันนี้ จะเกิดการเปลี่ยนแปลงจำนวนของตัวประสานผ่านจำนวนรอบของขดลวด จะมีแรงดันไฟเกิดขึ้นในขดลวด และแรงดันไฟที่เกิดขึ้นจะมีทิศทางตรงกันข้ามกับการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟที่เกิดขึ้นในขดลวดตามกฎของเลนซ์

ภาพที่ 6.3 แสดงการเกิดแรงดันไฟชักนำในตัวเอง

ค่าความเหนี่ยวนำของขดลวด ค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดขึ้นอยู่กับ

  • จำนวนรอบของขดลวด ขดลวดที่มีจำนวนรอบ 200 รอบ จะมีค่าความเหนี่ยวนำมากกว่าขดลวดที่มีจำนวนรอบ 100 รอบ โดยมีแกนเหมือนกัน
  • รูปร่าง ขนาด และระยะห่างระหว่างรอบของขดลวด ถ้าขดลวดมีระยะห่างของจำนวนรอบมาก จะมีค่าความเหนี่ยวนำน้อยกว่าขดลวดที่มีระยะห่างของขดลวดน้อย โดยขดลวดมีจำนวนรอบเท่ากัน เหตุผลคือเส้นแรงแม่เหล็กจะตัดผ่านขดลวดเพียงไม่กี่รอบของขดลวดที่ยาว และเส้นแรงแม่เหล็กบางเส้นจะไม่ตัดกับขดลวดบางรอบ
  • ขนาดของขดลวด ขดลวดที่มีขนาดใหญ่จะมีค่าความเหนี่ยวนำมากกว่าขดลวดที่มีขนาดเล็ก ในขณะที่จำนวนรอบเท่ากัน
  • วัตถุที่ทำแกนของขดลวด แกนที่มีความซึมซาบแม่เหล็กมากจะมีเส้นแรงแม่เหล็กมาก ทำให้ค่าความเหนี่ยวนำมากด้วย

ค่าความเหนี่ยวนำ นอกจากเกิดจากขดลวดแล้ว ตัวต้านทานแบบทำด้วยขดลวดก็มีค่าความเหนี่ยวนำเช่นกัน เนื่องจากมีลักษณะเป็นขดลวด เมื่อมีกระแสไฟไหลผ่านจะเกิดสนามแม่เหล็กรอบเส้นลวด และตัดกับสนามแม่เหล็ก แต่เป็นค่าความเหนี่ยวนำที่เป็นเส้นลวดสั้นและตรงจึงต่ำมาก อาจเป็นเศษส่วนของไมโครเฮนรี ถ้าใช้กับวงจรที่มีความถี่สูงก็มีผลต่อวงจรเพราะจะแสดงคุณสมบัติเป็นขดลวดที่มีค่าความหน่วงเหนี่ยวได้

ขดลวดทองแดงที่นำมาทำเป็นตัวเหนี่ยวนำ มีคุณสมบัติคือ จะต่อต้านการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวมัน คุณสมบัตินี้เรียกว่า ค่าความเหนี่ยวนำ (INDUCTANGE) มีหน่วยวัดเป็นเฮนรี่ (HENRY) ใช้อักษรตัวย่อ H

1 เฮนรี (H) = 1000 มิลลิเฮนรี (mH)

1 มิลลิเฮนรี = 1000 ไมโครเฮนรี (mH)

ค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับ (INDUCTIVE REACTANCE) อธิบายได้ดังนี้ ถ้าต่อตัวเหนี่ยวนำเข้ากับแบตเตอรี่ ตามรูป

ภาพที่ 6.4 แสดงการต่อแบตเตอรี่เข้ากับตัวเหนี่ยวนำ

แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากการลดลงหรือการยุบตัวของสนามแม่เหล็กเรียกว่า แรงดันต่อต้าน (COUNTER ELECTROMOTIVE FORCE) แรงดันไฟฟ้านี้จะมีผลต่อแรงดันที่ป้อนเข้าไปในขดลวด ส่วนที่สวนทางกันเรียกว่า รีแอคแตนซ์ (REACTANCE) ซึ่งเกิดจากขดลวด จึงเรียกว่าค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับ

ใช้อักษรตัวแอล (L) เป็นตัวแทนค่าความเหนี่ยวนำ

ใช้อักษรตัวเอฟ (F) เป็นตัวแทนค่าความถี่

ใช้อักษรตัวเอกซ์ (X) เป็นตัวแทนรีแอคแตนซ์

เมื่อต้องการหาค่ารีแอคแตนซ์ ที่เป็นความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับ ให้ใช้ ตัวอักษร L กับตัวอักษร X คือ XL ตามสูตรของการหาค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับ คือ

XL = 2pFL

จากสูตรนี้จะเห็นว่า ค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับจะเปลี่ยนแปลงโดยตรงกับความถี่ หรือจะพูดอย่างหนึ่งคือ ถ้าเพิ่มความถี่ของกระแสสลับเป็น 2 เท่าป้อนเข้าขดลวดค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับก็จะเป็น2 เท่าด้วยในทำนองเดียวกันค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับจะเป็นสัดส่วนโดยตรงตามค่าอินดัคแตนซ์ของขดลวด

: อักษรกรีกเรียกว่า พาย (p) เป็นเครื่องหมายหาค่าพื้นที่ของวงกลม ค่าพายจะมีค่าเท่ากับ 3.14 ดังนั้น 2 p จะมีค่าเท่ากับ 6.28 สูตรการหาค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับจึงเป็นดังนี้

XL = 6.28FL

เมื่อเราทราบว่า ค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับเป็นตัวจำกัดกระแสที่ไหลผ่านขดลวด ขดลวดมีค่า 1 เฮนรี อาจะมีค่าความต้านทานทางกระแสตรง 25 หรือ 30 โอห์ม ถ้าต่อขดลวดกับแรงดันไฟตรง 120 โวลต์ กระแส 4 แอมแปร์จะไหลผ่านขดลวด ถ้าใช้สูตรของการหาค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับ ในขดลวดเดียวกันนี้ต่อความถี่ 50 Hz ค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับจะได้ดังนี้

XL = 6.28 X 50 X 1 โอห์ม

ค่าความเหนี่ยวนำร่วม เมื่อขดลวดสองขดวางไว้ใกล้กัน สนามแม่เหล็กของขดหนึ่งจะตัดกับขดลวดอีกขดหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กของขดหนึ่ง จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในอีกขดหนึ่ง เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า ความเหนี่ยวนำร่วม แทนด้วยอักษรตัว (M) ความเหนี่ยวนำร่วมจะช่วยเสริมหรือหักล้างก็ได้ ขึ้นอยู่กับสภาวะของขดลวดทั้งสอง และจะเสริมหรือหักล้างกับตัวอื่นได้ด้วย

ถ้าขดลวดทั้งสองวางห่างกันสนามแม่เหล็กจะไม่ทำปฏิกิริยาต่อกันค่าความเหนี่ยวนำรวมจะเท่ากับผลรวมของความเหนี่ยวนำทั้งสองคือ

LT = L1 + L2

ถ้าขดลวดทั้งสองวางไว้ให้สนามแม่เหล็กทำปฏิกิริยาต่อกันและต่อแบบอนุกรม ค่าความเหนี่ยวนำร่วมระหว่างขดลวดจะเป็นค่ารวมทั้งหมดเท่ากับ

LT = L1 + L2 + 2M

ภาพที่ 6.5 การต่อตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรม

และถ้าต่อแล้ว สนามแม่เหล็กเกิดตรงข้ามกัน ค่าความเหนี่ยวนำร่วมจะเท่ากับ

LT = L1 + L2 - 2M

เมื่อขดลวดต่อแบบขนานจะมีผลเช่นเดียวกับการต่อตัวต้านทานแบบขนาน เพื่อความเข้าใจให้ดูรูป

ภาพที่ 6.6 การต่อตัวนำแบบขนาน

ขดลวด L1 และขดลวด L2 ต่อกันแบบขนาน และต่อเข้ากับไฟ 220 โวลต์ สมมติว่า ขดลวดแต่ละขดมีค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับ 220 โวลต์ หมายความว่ามีกระแส 1 แอมแปร์ ไหลผ่าน L1 และขดลวด L2 หรืออีกทางหนึ่งกระแสรวม 2 แอมแปร์ เมื่อกระแสเป็นสองเท่า ค่าความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับเป็นครึ่งหนึ่ง หมายความว่า ค่าความเหนี่ยวนำร่วมในวงจรจะเป็นครึ่งหนึ่งของขดลวดแต่ละขด

การอ่านค่าตัวเหนี่ยวนำ ค่าความเหนี่ยวนำจะพิมพ์บอกไว้ 2 ลักษณะ คือ

  • บอกเป็นตัวอักษร แบบนี้สามารถอ่านได้โดยตรง
  • บอกเป็นรหัสสี ดังภาพที่ 6.7

ภาพที่ 6.7 แสดงรหัสสีบนตัวเหนี่ยวนำ

A = เลขตัวแรก ดูช่องแถบสีที่ 1

B = เลขตัวที่สอง ดูช่องแถบสีที่ 2

C = ตัวคูณ ดูช่องแถบสีที่ 3

ตาราง 6.1 แสดงการอ่านค่าสีของตัวเหนี่ยวนำ

การทดสอบตัวเหนี่ยวนำ ขดลวดเหนี่ยวนำ โดยทั่วไปจะมีอาการเสีย อยู่ 3 ลักษณะ คือ

      • ขาด คือใช้โอห์มมิเตอร์ตั้งย่านวัด วัดแล้วเข็มไม่ขึ้น (ค่าความต้านทานเป็น a W)
      • ช็อต คือ ใช้โอห์มมิเตอร์ตั้งย่านวัด R X 1 วัดแล้วได้ 0 W
      • เสื่อม คือใช้ไปนาน ๆ แล้วโครงสร้างของขดลวดเหนี่ยวนำอาจเคลื่อนทำให้ค่า ความเหนี่ยวนำเปลี่ยนไป ต้องใช้เครื่องมือวัดค่าความเหนี่ยวนำมาวัดดู เครื่องมือได้แก่ R L C DIGITAL BRIDGE METER

ภาพที่ 6.8 แสดงการทดสอบขดลวดเหนี่ยวนำ

ภาพที่ 6.9 แสดงการทดสอบการช็อตระหว่างขดลวดกับโครง

การใช้งานของตัวเหนี่ยวนำ

ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์จะมีตัวเหนี่ยวนำและ ค่าความเหนี่ยวนำอยู่แทบทุกวงจร เพื่อคอยชี้ทางให้สัญญาณผ่านไปตามการออกแบบของวงจรตัวเหนี่ยวนำบางตัวทำงานร่วมกับตัวเก็บประจุ ทำหน้าที่รับความถี่วิทยุเข้ามาในวงจรและกันความถี่อื่นไม่ให้เข้ามาในวงจร เช่น วงจรจูน (TUNE) บางวงจรใช้ตัวเหนี่ยวนำแบบแกนเหล็ก ทำหน้าที่เป็นตัวกรองกระแสจ่ายกำลัง ซึ่งวงจรนี้จะต่อสู้อยู่ระหว่างทางออกของวงจรเรียงกระแสกับโหลดซึ่งมี 2 แบบ คือ

  • โช้กอินพุตฟิลเตอร์ (CHOKE INPUT FILTER)

  • คาปาซิเตอร์อินพุตฟิลเตอร์ (CAPACITOR INPUT FILTER)

นอกจากนี้ยังมีวงจรที่ใช้ตัวเหนี่ยวนำต่ออนุกรมเพื่อกันความถี่สูงเรียกว่า โลพาสฟิลเตอร์ (LOW PASS FILTER) และวงจรใช้ตัวเหนี่ยวนำต่อขนานกับโหลด เพื่อกันความถี่ต่ำและให้ความถี่สูงผ่านวงจรไปสู่วงจรอื่น เรียกว่า ไฮพาสฟิลเตอร์ (HIGH PASS FILTER)

บทสรุป

ขดลวดเหนี่ยวนำเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่ง บางครั้งเรียกขดลวดเหนี่ยวนำว่า คอยล์ ขดลวดเหนี่ยวนำมี 3 แบบ คือ

  • ขดลวดเหนี่ยวนำแกนเหล็ก
  • ขดลวดเหนี่ยวนำแกนผงเหล็กอัดหรือแกนเฟอร์ไรด์
  • ขดลวดเหนี่ยวนำแกนอากาศ

หลักการทำงานของขดลวดตัวนำก็คือ เมื่อต่อแรงดันไฟให้กับขดลวด จะเกิดกระแสไหลในขดลวดและเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบ ๆ ขดลวดนั้น ขณะกระแสไฟไหลผ่านขดลวดตัวนำจะ มีค่าความต้านทานของขดลวดตัวนำ เป็นตัวต้านทานการไหลของกระแสไฟเมื่อมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นรอบ ๆ เส้นลวดจะมีค่าความต้านทานอีกชนิดหนึ่งเรียกว่าค่าความต้านทานแม่เหล็ก

การใช้ขดลวดตัวนำสร้างแรงดันไฟฟ้าจะต้องศึกษาและเข้าใจในเรื่องต่อไปนี้

  • การเกิดเส้นแรงแม่เหล็ก
  • ตัวประสาน
  • การเชื่อมโยงหรือการชักนำแรงดัน
  • การเปลี่ยนแปลงการเชื่อมโยงในขดลวดตัวนำ

หน้าที่และคุณสมบัติของขดลวดเหนี่ยวนำ หน้าที่ของขดลวดเหนี่ยวนำมีหลายอย่างตามคุณสมบัติและการนำไปใช้งานดังต่อไปนี้

  • เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้ไหลในขดลวดเหนี่ยวนำจะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบ ๆ ขดลวด
  • เมื่อขดลวดเหนี่ยวนำเคลื่อนที่ตัดกับสนามแม่เหล็กจะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลในขดลวดเหนี่ยวนำ
  • สัญญาณไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดเหนี่ยวนำจะทำให้มุม ( Phase ) ของแรงดันนำหน้ากระแส 90 องศา
  • จะต่อต้านการเปลี่ยนแปลงกระแสที่ไหลผ่านขดลวดเหนี่ยวนำโดยทันทีทันใด
  • ยอมให้ไฟฟ้ากระแสตรงไหลผ่านได้สะดวกและต่อต้านไฟฟ้ากระแสสลับ
  • ยอมให้สัญญาณความถี่ต่ำผ่านได้สะดวกและต่อต้านสัญญาณความถี่สูง

ค่าความเหนี่ยวนำมีหน่วยเรียกเป็นเฮนรี่ (HENRY) มีหน่วยเรียกย่อยดังนี้

1000 ไมโครเฮนรี = 1 มิลลิเฮนรี

1000 มิลลิเฮนรี = 1 เฮนรี

การทดสอบขดลวดตัวนำ เมื่อเกิดความสงสัยว่าขดลวดตัวนำจะขาด สามารถทดสอบได้ด้วยโอห์มมิเตอร์ โดยทดสอบที่ปลายสายของขดลวดทีละขด ถ้าเข็มของมิเตอร์กระดิกชี้บอกค่าความต้านทานของขดลวด แสดงว่าขดลวดดี ถ้าเข็มมิเตอร์ไม่กระดิกแสดงว่าขดลวดขาด

http://www2.tatc.ac.th/e-learning/story6.html