Histereza w elektrotechnice i elektronice: co to jest

W elektrotechnice istnieją różne urządzenia, których zasada opiera się na zjawiskach elektromagnetycznych. Tam, gdzie znajduje się rdzeń, na którym nawinięta jest cewka z materiału przewodzącego, takiego jak miedź, obserwuje się oddziaływania wywołane polami magnetycznymi. Są to przekaźniki, rozruszniki, styczniki, silniki i magnesy. Wśród cech charakterystycznych rdzeni jest taka cecha jak histereza. W tym artykule przyjrzymy się, co to jest, a także jakie są korzyści i szkody tego zjawiska.

Definicja pojęcia

Słowo „Histereza” ma greckie korzenie, tłumaczy się jako opóźnienie lub opóźnienie. Termin ten jest używany w różnych dziedzinach nauki i techniki. W sensie ogólnym pojęcie histerezy rozróżnia różne zachowanie systemu pod przeciwstawnymi wpływami.

Można to również powiedzieć w prostszy sposób. Powiedzmy, że istnieje jakiś system, na który można wpływać w kilku kierunkach. Jeżeli, działając na niego w kierunku do przodu, po zakończeniu, system nie powróci do swojego pierwotnego stanu, ale znajduje się w stanie pośrednim – wówczas, aby powrócić do stanu pierwotnego, konieczne jest działanie w innym kierunku z jakąś siłą. W takim przypadku układ ma histerezę.

Czasami zjawisko to jest wykorzystywane do celów użytecznych, na przykład do tworzenia elementów wyzwalanych przy określonych wartościach progowych działających sił i do regulatorów. W innych przypadkach histereza działa szkodliwie, rozważmy to w praktyce.

Histereza w elektrotechnice

W elektrotechnice histereza jest ważną cechą materiałów, z których wykonane są rdzenie maszyn i aparatury elektrycznej. Zanim zaczniemy wyjaśniać, spójrzmy na krzywą namagnesowania rdzenia.

Obraz na wykresie tego rodzaju nazywany jest również pętlą histerezy.

Ważny! W tym przypadku mówimy o histerezie feromagnetyków, tutaj jest to nieliniowa zależność indukcja magnetyczna materiału od wartości zewnętrznej indukcji magnetycznej, która zależy od stanu poprzedniego element.

Kiedy prąd przepływa przez przewodnik wokół tego ostatniego, magnetyczny i pole elektryczne. Jeśli zwiniesz przewód w cewkę i przepłyniesz przez nią prąd, otrzymasz elektromagnes. Jeśli umieścisz rdzeń wewnątrz cewki, jego indukcyjność wzrośnie, podobnie jak siły powstające wokół niego.

Od czego zależy histereza? W związku z tym rdzeń jest wykonany z metalu, a jego charakterystyka i krzywa namagnesowania zależą od jego rodzaju.

Jeśli użyjesz np. stali hartowanej, to histereza będzie szersza. Przy wyborze tak zwanych miękkich materiałów magnetycznych harmonogram będzie się zawężał. Co to oznacza i do czego służy?

Faktem jest, że gdy taka cewka działa w obwodzie prądu przemiennego, prąd płynie w jednym lub drugim kierunku. W wyniku i siły magnetycznej biegun jest stale odwrócony. W cewce bez rdzenia dzieje się to w zasadzie w tym samym czasie, ale z rdzeniem jest inaczej. Stopniowo magnetyzuje się, jego indukcja magnetyczna wzrasta i stopniowo dochodzi do niemal poziomej części wykresu, która nazywa się sekcją nasycenia.

Następnie, jeśli zaczniesz zmieniać kierunek prądu i pola magnetycznego, rdzeń powinien zostać ponownie namagnesowany. Ale jeśli po prostu wyłączysz prąd, a tym samym usuniesz źródło pola magnetycznego, rdzeń nadal pozostanie namagnesowany, chociaż nie tak bardzo. Na kolejnym wykresie jest to punkt „A”. Aby rozmagnesować go do pierwotnego stanu, musisz wytworzyć ujemną siłę pola magnetycznego. To jest punkt „B”. W związku z tym prąd w cewce musi płynąć w przeciwnym kierunku.

Wartość natężenia pola magnetycznego dla całkowitego rozmagnesowania rdzenia nazywamy siłą koercji i im jest ona mniejsza, tym lepiej w tym przypadku.

Odwrócenie namagnesowania w przeciwnym kierunku będzie przebiegało w ten sam sposób, ale wzdłuż dolnej gałęzi pętli. Oznacza to, że podczas pracy w obwodzie prądu przemiennego część energii zostanie wydana na odwrócenie namagnesowania rdzenia. Prowadzi to do spadku sprawności silnika elektrycznego i transformatora. W związku z tym prowadzi to do jego ogrzewania.

Ważny! Im niższa histereza i siła koercji, tym mniejsze straty odwrócenia namagnesowania rdzenia.

Poza powyższym, histereza jest również charakterystyczna dla działania przekaźników i innych elektromagnetycznych urządzeń przełączających. Na przykład prądy wyzwalające i zamykające. Gdy przekaźnik jest wyłączony, aby działał, należy przyłożyć określony prąd. W takim przypadku jego prąd trzymania w stanie włączonym może być znacznie niższy niż prąd włączenia. Wyłączy się tylko wtedy, gdy prąd spadnie poniżej prądu podtrzymania.

Histereza w elektronice

W urządzeniach elektronicznych przydaje się głównie histereza. Załóżmy, że jest to używane w elementach progowych, na przykład komparatorach i wyzwalaczach Schmidta. Poniżej możesz zobaczyć wykres jego stanów:

Jest to konieczne w tych przypadkach, aby urządzenie działało po osiągnięciu sygnału X, po czym sygnał może zacząć spadać, a urządzenie nie wyłącza się, dopóki sygnał nie spadnie do poziomu Y. To rozwiązanie służy do tłumienia odbijania się kontaktów, ingerencja i losowe impulsy, a także w różnych regulatorach.

Na przykład termostat lub regulator temperatury. Zazwyczaj jego zasadą działania jest wyłączenie urządzenia grzewczego (lub chłodzącego) w momencie, gdy temperatura w pomieszczeniu lub innym miejscu osiągnie z góry określony poziom.

Rozważmy dwie opcje krótkiej i prostej pracy:

1. Brak histerezy. Włączanie i wyłączanie w danej temperaturze. Są tu jednak niuanse. Jeśli ustawisz regulator temperatury na 22 stopnie i ogrzejesz pomieszczenie do tego poziomu, to jak tylko pomieszczenie będzie miało 22, wyłączy się, a gdy ponownie spadnie do 21, włączy się. Nie zawsze jest to słuszna decyzja, ponieważ sterowane urządzenie będzie się włączać i wyłączać zbyt często. Ponadto w większości zadań domowych i wielu przemysłowych nie ma potrzeby tak wyraźnej kontroli temperatury.
2. Z histerezą. Aby uzyskać pewną lukę w dopuszczalnym zakresie regulowanych parametrów, stosuje się histerezę. Oznacza to, że jeśli ustawisz temperaturę na 22 stopnie, to po jej osiągnięciu grzejnik wyłączy się. Załóżmy, że histereza w regulatorze jest ustawiona na szczelinę 3 stopnie, wtedy grzałka zacznie działać ponownie dopiero, gdy temperatura powietrza spadnie do 19 stopni.

Czasami ta luka jest dostosowywana według własnego uznania. W prostych konstrukcjach stosuje się płyty bimetaliczne.

Na koniec zalecamy obejrzenie przydatnego filmu, który wyjaśnia, czym jest histereza i jak z niej korzystać:

Zbadaliśmy zjawisko i zastosowanie histerezy w elektrotechnice. Konkluzja jest następująca: w napędzie elektrycznym i transformatorach działa szkodliwie, aw elektronice i różnych regulatorach również znajduje zastosowanie. Mamy nadzieję, że podane informacje były dla Ciebie przydatne i interesujące!

Powiązane materiały:

• Jak działa rozrusznik magnetyczny
• Czym są harmoniczne w sieci energetycznej
• Jak rezystancja przewodnika zależy od temperatury?