La plupart de ce que vous auriez aimé savoir sur les bobines de fil, mais que vous aviez peur de demander

Si vous êtes un constructeur électronique novice, vous vous familiariserez avec les composants électroniques courants. Résistances, condensateurs, transistors, diodes, LED, circuits intégrés. Ce sont le fourrage pour d'innombrables projets d'apprentissage et éclaireront les planches à pain de nombreux propriétaires de Raspberry Pi ou d'Arduino.

Il y a une omission flagrante dans cette liste, l'inducteur. Certes, ce n'est pas un composant avec beaucoup d'applications dans de simples circuits analogiques ou logiques, et c'est aussi un peu plus cher que d'autres composants passifs. Mais cette omission crée un manque de connaissances en ce qui concerne les inducteurs, une tendance à considérer leur utilisation comme une sorte d'art noir et une appréhension entourant leur utilisation dans des kits et des projets.

Nous pensons que c'est dommage, alors voici une introduction aux inducteurs pour le novice, une tentative de les démystifier et de vous encourager à les regarder à nouveau si vous les avez toujours évités.

Si vous considérez un conducteur électrique traversé par un courant, la loi d'Oersted nous dit que le courant créera un champ magnétique autour du conducteur. Si le courant circulant dans le conducteur change, la loi de Lenz nous dit qu'en provoquant la modification du champ magnétique, cela induit à son tour un courant dans le conducteur qui s'oppose au courant qui y circule. Cette propriété est appelée inductance.

L'inductance est mesurée en Henries, mieux décrite dans un simple copier-coller de l'encyclopédie que vous n'avez pas besoin de mémoriser : "L'inductance d'un circuit électrique est d'un henry lorsqu'un courant électrique qui change d'un ampère par seconde en résulte dans une force électromotrice d'un volt aux bornes de l'inductance". En pratique, un henry est une unité assez grande, il est donc plus probable que vous rencontriez des millihenries, des microhenries ou même des nanohenries.

Bien sûr, un seul conducteur, ou morceau de fil, n'a pas beaucoup de capacité à créer un champ magnétique, donc n'a pas beaucoup d'inductance. Vous pouvez augmenter l'inductance en augmentant la longueur du conducteur, mais comme vous manquerez bientôt d'espace pour de très longs morceaux de fil, il est normal que tous les inducteurs sauf les plus petits aient cette longue longueur de fil enroulé dans une bobine, et autour d'un noyau constitué d'un matériau ayant une perméabilité magnétique supérieure à l'air. Ainsi, le symbole schématique d'un inducteur est une représentation d'une bobine de fil.

Nous avons donc traité de ce qu'est un inducteur. Que diriez-vous de ce qu'il fait? Où allez-vous en utiliser un et comment sera-t-il utilisé ?

Si vous êtes un expérimentateur ou un constructeur électronique, vous êtes plus susceptible de rencontrer une inductance dans un filtre CC, un onduleur abaisseur/élévateur, en tant que transformateur, ou si la radio est votre truc, dans un circuit accordé ou un filtre RF. Ils ne se limitent pas à cette sélection, mais l'examen de ces cas devrait servir à démystifier les inducteurs et vous inciter à leur donner un autre regard.

Avez-vous déjà ouvert une alimentation à découpage, peut-être un modèle ATX à partir d'un PC ? Bien sûr que oui, vous êtes un lecteur Hackaday ! Si vous avez examiné les composants, vous aurez remarqué un tas d'inducteurs avec des bobines de fil de cuivre épais recouvert d'émail à côté de l'endroit où les câbles CC émergent pour alimenter votre ordinateur. Ceux-ci servent de filtre aux côtés des condensateurs de lissage, pour supprimer les hautes fréquences et ne laisser que le courant continu dans la sortie PSU.

Si vous vous souvenez du paragraphe précédent dans lequel nous avons mentionné qu'un courant changeant rapidement provoque un champ magnétique changeant qui à son tour induit un courant opposé, vous pouvez commencer à comprendre la théorie du fonctionnement de ces filtres : ces courants opposés à haute fréquence induits annulent l'entrée courants qui en sont responsables, tandis que la composante continue stable ne provoque aucun changement dans le champ magnétique et donc aucun courant inverse et passe à travers sans opposition.

Par comparaison, les onduleurs abaisseurs et élévateurs utilisent la capacité de l'inducteur à stocker l'énergie sous forme de champ magnétique pour convertir efficacement le courant continu d'une tension à une autre. Si vous faites passer un courant à travers un inducteur, vous stockez de l'énergie dans le champ magnétique que vous avez créé autour de lui, lorsque vous arrêtez le courant, ce champ s'effondre et libère son énergie en induisant un courant inverse dans l'inducteur. Ce processus se produit très rapidement, de sorte qu'une quantité importante d'énergie peut être libérée en très peu de temps sous la forme d'une pointe de tension très élevée. Parfois, cette pointe est une nuisance, par exemple les pilotes de relais incorporent une diode pour la conduire en toute sécurité loin de leurs transistors, mais dans un convertisseur élévateur, l'inductance est pulsée à plusieurs reprises avec de l'énergie et les pointes résultantes sont détournées à travers une diode vers un condensateur de réservoir à partir duquel un une tension de sortie plus élevée peut être dérivée.

Un convertisseur abaisseur, par comparaison, utilise l'énergie stockée dans une inductance pour libérer une impulsion de courant plus élevé à une tension plus basse plutôt que la pointe de courant basse haute tension du convertisseur élévateur. Le circuit de base est illustré à gauche, des impulsions de courant créent un champ magnétique changeant dans l'inductance qui induit une tension inverse qui à son tour fait chuter la tension sur la charge.

Les exemples de circuits pour les convertisseurs abaisseur et élévateur présentés ici sont simplifiés à des fins d'illustration. En pratique, l'interrupteur sera remplacé par un transistor piloté par un oscillateur dont la largeur d'impulsion est variée par un circuit de contre-réaction connecté à la charge. Cela peut être un circuit de composants discrets étonnamment simple, mais dans les deux cas, il existe un nombre important de circuits intégrés prêts à l'emploi conçus pour le travail dont les fiches techniques fourniront des informations précieuses sur les valeurs d'inductance appropriées.

Si vous mettez un conducteur dans un champ magnétique changeant, un courant y sera induit. Encore la loi de Lenz. C'est ainsi que fonctionnent les dynamos et les générateurs, et l'effet qui nous donne le courant inverse dans les inducteurs dont nous avons parlé dans les derniers paragraphes. Donc, si vous placez un inducteur dans le champ magnétique changeant créé par un autre inducteur, un courant sera induit dans le premier inducteur par ce champ magnétique. Vous aurez créé un transformateur, et si nous nous référons à la première inductance en tant que primaire et à la seconde en tant que secondaire, le rapport entre la tension alternative primaire et secondaire est le même que le rapport entre le nombre de tours de fil dans le primaire et le secondaire. D'un seul coup, nous pouvons changer les tensions alternatives d'un niveau à un autre, et ce, tout en maintenant une isolation physique complète entre le primaire et le secondaire.

Les transformateurs pratiques sont construits de manière à ce que les champs magnétiques des deux inducteurs soient aussi étroitement couplés que possible. Les deux bobines de fil occuperont le même gabarit et seront enroulées autour du même matériau de noyau, dans le but que tout le flux magnétique qu'elles créent soit contenu dans ce noyau plutôt que gaspillé dans l'environnement. Les concepteurs d'un transformateur devront faire face aux pertes dues aux courants induits dans le noyau ainsi qu'aux pertes dues à la résistance du fil, toutes deux produisant de la chaleur, et à la possibilité que le noyau se sature de champ magnétique et que l'appareil devienne non -linéaire à la fréquence de fonctionnement.

À des fréquences plus basses telles que celles utilisées par le réseau électrique, le noyau prend généralement la forme de tôles de fer isolées de leurs voisines pour réduire les courants induits. Au fur et à mesure que la fréquence de fonctionnement augmente, la taille du noyau nécessaire pour éviter la saturation magnétique diminue, de sorte qu'il y a une diminution correspondante de la taille du transformateur. Cet effet est compensé par l'exigence de matériaux de noyau plus performants pour fonctionner à des fréquences plus élevées, et pour cette raison, vous verrez des noyaux fabriqués à partir de céramiques ferromagnétiques appelées ferrites dans les transformateurs haute fréquence trouvés dans les alimentations à découpage ou les applications RF.

Il existe un autre type de transformateur que vous pouvez rencontrer, l'autotransformateur. Généralement, ceux-ci sont utilisés dans les transformateurs élévateurs ou abaisseurs de secteur peu coûteux que vous pouvez acheter au comptoir si vous souhaitez utiliser un appareil européen 230v sur le 110v américain, ou vice versa. Un autotransformateur n'a pas d'enroulements séparés, mais un enroulement avec une troisième connexion quelque part au milieu. Appliquez une tension alternative entre le bas de l'enroulement et cette troisième connexion, et cela induira une tension en haut des enroulements proportionnelle au rapport entre le nombre de spires jusqu'à la troisième connexion, et le nombre total de spires. Son fonctionnement est très similaire à un transformateur conventionnel, cependant il n'assure pas d'isolation physique entre le primaire et le secondaire et n'offre donc pas d'isolation par rapport à une alimentation secteur.

Le domaine le plus mystique des inducteurs concerne probablement leur utilisation dans les circuits RF. Les gens tentés d'essayer de construire un projet de radio rechignent à l'idée d'enrouler leurs propres inducteurs, et le sujet de leur conception peut être responsable de la majeure partie de cet art noir que nous avons mentionné plus tôt.

Dans un circuit RF, le concepteur s'intéresse surtout à la fréquence de résonance d'un circuit contenant une inductance et une capacité. En termes très simples, si vous connectez un condensateur et une inductance en parallèle et appliquez une impulsion de courant au circuit, l'énergie "rebondira" entre le champ magnétique dans l'inductance via le courant électrique dans les fils de connexion pour charger stockée dans le condensateur et retour à nouveau jusqu'à ce que les pertes de résistance provoquent la dissipation de l'énergie, et le feront à une fréquence dépendant de l'inductance et de la capacité impliquées. Il existe une formule simple pour calculer la résonance que chaque radioamateur récitera à la manière d'un perroquet : "F est égal à un sur deux racine Pi LC", mais heureusement, il existe de nombreux calculateurs de résonance en ligne si vous préférez économiser un peu d'effort.

Il y a peut-être moins besoin qu'auparavant de s'inquiéter de la conception des inductances RF, et en particulier de l'idée d'enrouler vos propres inductances. Des inducteurs RF pratiques dans des valeurs prédéfinies sont disponibles dans le commerce auprès de plusieurs fabricants, ainsi que des inducteurs réglables avec des noyaux de ferrite filetés qui peuvent être déplacés dans le corps de l'inducteur. Ces composants ne sont pas aussi bon marché que leurs homologues de résistance et de condensateur, mais ils facilitent considérablement la vie du constructeur RF.

Nous espérons que si vous êtes un novice en matière d'inductance, cet article vous aura donné une base de base sur le sujet et démystifié ces composants pour vous. Comme toujours, rien ne remplace l'expérience pratique, donc si votre curiosité a été éveillée sur le sujet, nous vous suggérons de vous familiariser avec le sujet en construisant quelques circuits inducteurs. Commencez avec un simple convertisseur abaisseur ou élévateur basé sur un circuit intégré standard, et examinez les tensions et les formes d'onde impliquées dans votre oscilloscope. Il y a tout un monde de bonté magnétique à découvrir !