Bases des inductances : Maîtriser l'alimentation AC et le filtrage de signaux

Les inductances sont rares dans l'électronique amateur. Cependant, elles sont essentielles à apprendre si vous faites quoi que ce soit impliquant du courant alternatif (AC). Elles sont aussi populaires que les résistances dans les applications AC. Elles imposent des changements dans le flux de courant. Par conséquent, elles sont excellentes pour filtrer les signaux et transformer entre différentes tensions AC. C'est pourquoi on les utilise souvent dans les alimentations variables. Ce ne sont là que quelques raisons d'apprendre sur les inductances. Ce guide explore les bases des inductances.

Qu'est-ce qu'une inductance ?

Une inductance est un composant électronique qui stocke temporairement de l'énergie. Elle utilise un champ magnétique pour y parvenir. Généralement, la plupart des inductances apparaissent comme une bobine de fil (souvent cuivre) autour d'un noyau magnétique ou non magnétique. Les noyaux peuvent utiliser les types principaux suivants :

• Noyau en fer
• Noyau en ferrite
• Noyau air (sans noyau)
• Noyau céramique

Les inductances à noyau ferrite et fer sont préférables car elles génèrent des champs magnétiques plus forts et stockent plus d'énergie.

Comment fonctionne une inductance ?

Comme vous l'avez remarqué, les inductances n'ont pas nécessairement besoin de noyaux pour fonctionner. La plupart des inductances à air sont des fils isolés serrés ensemble sans centre. Selon la loi de Faraday sur l'induction, quand un courant électrique traverse une bobine, elle crée un champ magnétique.

En bobinant un groupe de fils, on crée un champ magnétique encore plus grand. Quand le courant traverse ce groupe, il devient de l'énergie magnétique. Cependant, quand le courant cesse, le champ électromagnétique s'effondre et l'énergie magnétique se transforme en énergie électrique. À ce stade, elle imite un fil classique.

Cependant, l'inductance met du temps à transformer et libérer toute l'énergie magnétique et électrique, et c'est le concept de base de l'électromagnétisme sur lequel toutes les inductances fonctionnent.

Pour illustrer, imaginez les inductances comme de grandes roues à aubes. Avec une roue lourde immobile et de l'eau qui commence à couler, il faut du temps et de l'énergie pour la faire tourner. Mais une fois qu'elle tourne avec une forte inertie, il faut du temps pour l'arrêter quand on coupe l'eau. Les inductances fonctionnent sur le même principe mais avec une charge électrique.

Cette résistance au flux électrique est l'inductance. Elle décrit le rapport entre le flux magnétique et le courant électrique qui l'induit. Il existe une grande variété de types d'inductances sur le marché, chacune avec ses propriétés, constructions et usages uniques.

Différences entre inductances et condensateurs

Bien que les inductances et condensateurs servent des fonctions similaires, ils fonctionnent différemment. Tous deux sont des composants passifs qui stockent l'énergie d'un circuit puis la déchargent. Cependant, un condensateur stocke l'énergie dans un champ électrique. En revanche, les inductances stockent l'énergie dans un champ magnétique et la libèrent comme énergie électrique. Ce processus est l'induction électromagnétique.

C'est d'ailleurs là que les inductances tirent leur nom. Néanmoins, nous utilisons généralement les condensateurs dans les applications électrolytiques haute tension comme les alimentations.

Nous pouvons aussi les utiliser en basse tension et usages généraux où de grandes valeurs de capacitance sont requises. D'un autre côté, nous utilisons les inductances dans les applications AC comme la radio TV.

Symbole de l'inductance

On mesure l'inductance en utilisant l'unité SI : le Henry (H). Nommé d'après Joseph Henry, scientifique éminent qui découvrit l'inductance mutuelle. Les symboles électroniques pour les inductances ressemblent à ceci :

Comment mesurer l'inductance

Avant d'explorer la mesure, examinons les facteurs influençant l'inductance.

Facteurs influençant l'inductance

On détermine l'inductance électromagnétique par quatre facteurs principaux :

• Nombre de spires de la bobine (N)
• Matériau du noyau et perméabilité (μ)
• Section transversale de la bobine (A)
• Longueur de la bobine (l)

L'inductance est directement proportionnelle à la perméabilité. Augmenter la perméabilité augmente l'inductance. Considérez l'inductance à noyau air. L'air a une perméabilité relative de 1 (μ = 1) car l'air, comme la céramique, n'a pratiquement pas de propriétés magnétiques et n'améliore pas l'inductance de la bobine.

Si vous avez besoin d'une inductance plus élevée, utilisez un noyau en matériau magnétique ou ferromagnétique. Les inductances à noyau magnétique ont une perméabilité dans les centaines (μ = 100+).

Elles fournissent une inductance significativement plus élevée pour la même taille. C'est pourquoi les fabricants évitent les inductances à noyau air. Bien qu'on puisse penser qu'un noyau avec la perméabilité la plus élevée est idéal, ce n'est pas le cas car le type de noyau affecte l'efficacité énergétique et thermique.

Les matériaux ferrite et composite métallique sont deux types de noyaux couramment utilisés. Chacun a forces et faiblesses. Par exemple, la ferrite a une perméabilité très élevée et une valeur d'inductance élevée pour une taille donnée.

Cependant, l'instabilité thermique peut dissuader ce choix. Un courant entrant au-dessus du niveau de saturation peut mener à surchauffe et défaillance du circuit.

Les noyaux composite métallique sont plus désirables grâce à leurs caractéristiques de saturation plus douces. Cela peut être plus proche de votre inductance idéale. Lors du choix, considérez ces facteurs qui contrôlent les propriétés électromagnétiques.

Comment calculer les microhenrys d'une bobine d'inductance

Pour trouver l'inductance d'une bobine, mesurez la longueur (L) et le diamètre (d) de la boucle, et comptez le nombre (N) de tours. Élevez au carré le nombre de tours (N²) et le diamètre (D²). Multipliez ces carrés. À part, multipliez le diamètre par 18 (18D) et ajoutez la longueur multipliée par 40 (40L).

Divisez la première équation par la seconde. L'équation finale :

µH = (N²)(D²) ÷ (18D + 40L)

Ce calcul révèle les microhenrys d'une bobine. Pour convertir en henrys, divisez par 1 000 000 car :

• 1 µH = 0,000001 H
• 1 H = 1 000 000 µH

Vous trouverez des calculateurs d'inductance de bobine en ligne ou achetez des inductances de valeur connue pour simplifier.

Inductances en série et en parallèle

Comme pour résistances et condensateurs, vous voudrez probablement mettre des inductances en série et parallèle. Règle générale : les inductances s'additionnent en série et en parallèle comme les résistances. L'équation pour résistances en série/parallèle est similaire pour inductances.

Inductances en série s'additionnent comme résistances. Deux inductances en série (L1 et L2) :

Total = L1 + L2

C'est logique car le même courant traverse toutes les inductances. Si le courant change, la différence dans toutes les inductances est la même.

En parallèle, l'inductance totale sera inférieure à chaque inductance. Chaque inductance subit moins que le courant total car le courant se divise. Le rapport flux magnétique/courant est différent. L'équation :

Total = 1/(1/L1 + 1/L2)

Énergie stockée par une inductance

Calculons l'énergie électrique dans une inductance.

Exemple : courant de 15 A traverse une inductance de 200 mH. L'énergie stockée = ½ × inductance × courant².

Modèle d'équation :

U = ½ L × I²

Étape 1 : convertir mH en H. Multipliez mH par 10⁻³.

200 mH × 10⁻³ = 0,2 H

Étape 2 : calculer l'énergie du champ magnétique.

U = ½(0,2) × 15² = 22,5 Joules

C'est l'équation standard pour l'énergie stockée dans le champ magnétique d'une inductance.

Applications des inductances

Nous avons effleuré quelques usages. Examinons de plus près :

• Convertisseurs boost : augmentent la tension de sortie DC tout en diminuant le courant
• Selfs : bloquent le courant alternatif et ne laissent passer que le courant continu (DC)
• Séparation de différentes fréquences
• Circuits RF, analogiques et accordés
• Moteurs, transformateurs, relais, et large gamme d'électronique et convertisseurs

Ce sont les applications les plus courantes. On utilise aussi des inductances haute fréquence en radio.

Résumé

Important : on ne peut pas mesurer l'inductance avec un multimètre standard. Certains modèles ont un RLC mètre intégré, mais pas très précis. Pour mesurer correctement, utilisez un RLC mètre dédié. Connectez l'inductance et il fera un test rapide. Alternativement, utilisez les infos ci-dessus pour calculer vous-même. Nous espérons que ce guide vous a été utile. Merci de votre lecture.