Что вы себе представляете под словом “катушка” ? Ну… это, наверное, какая-нибудь “фиговинка”, на которой намотаны нитки, леска, веревка, да что угодно! Катушка индуктивности представляет из себя точь-в-точь то же самое, но вместо нитки, лески или чего-нибудь еще там намотана обыкновенная медная проволока в изоляции.
Изоляция может быть из бесцветного лака, из ПВХ-изоляции и даже из матерчатой. Тут фишка такая, что хоть и провода в катушке индуктивности очень плотно прилегают к друг другу, они все равно изолированы друг от друга. Если будете мотать катушки индуктивности своими руками, ни в коем случае не вздумайте брать обычный медный голый провод!
Индуктивность
Любая катушка индуктивности обладает индуктивностью. Индуктивность катушки измеряется в Генри (Гн), обозначается буковкой L и замеряется с помощью LC – метра.
- Что такое индуктивность? Если через провод пропустить электрический ток, то он вокруг себя создаст магнитное поле:
- где
- В – магнитное поле, Вб
- I – сила тока, А
- А давайте возьмем и намотаем в спиральку этот провод и подадим на его концы напряжение
- И у нас получится вот такая картина с магнитными силовыми линиями:
- Грубо говоря, чем больше линий магнитного поля пересекут площадь этого соленоида, в нашем случае площадь цилиндра, тем больше будет магнитный поток (Ф). Так как через катушку течет электрический ток, значит, через нее проходит ток с Силой тока (I), а коэффициент между магнитным потоком и силой тока называется индуктивностью и вычисляется по формуле:
С научной же точки зрения, индуктивность – это способность извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля. Если ток в катушке увеличивается, магнитное поле вокруг катушки расширяется, а если ток уменьшается , то магнитное поле сжимается.
Самоиндукция
Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение.
Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от значения индуктивности катушки.
Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома:
- где
- I – сила тока в катушке , А
- U – напряжение в катушке, В
- R – сопротивление катушки, Ом
Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное.
И второй феномен в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности – источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы уже подали на катушку.
То есть как только мы разрываем цепь, на катушке напряжение в этот момент может быть в разы больше, чем было до размыкания цепи, а сила тока в цепи катушки будет тихонько падать, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать убывающее напряжение.
Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока будет плавно убывать до нуля. Короче говоря, сила тока в катушке мгновенно измениться не может.
Типы катушек индуктивности
Катушки индуктивности делятся в основном на два класса: с магнитным и немагнитным сердечником. Снизу на фото катушка с немагнитным сердечником.
Но где у нее сердечник? Воздух – это немагнитный сердечник :-). Такие катушки также могут быть намотаны на какой-нибудь цилиндрической бумажной трубочке. Индуктивность катушек с немагнитным сердечником используется, когда индуктивность не превышает 5 миллигенри.
А вот катушки индуктивности с сердечником:
В основном используют сердечники из феррита и железных пластин. Сердечники повышают индуктивность катушек в разы. Сердечники в виде кольца (тороидальные) позволяют получить большую индуктивность, нежели просто сердечники из цилиндра.
- Для катушек средней индуктивности используются ферритовые сердечники:
- Катушки с большой индуктивностью делают как трансформатор с железным сердечником, но с одной обмоткой, в отличие от трансформатора.
Дроссель
Также есть особый вид катушек индуктивностей. Это так называемые дроссели. Дроссель – это катушка индуктивности, задача которой состоит в том, чтобы создать в цепи большое сопротивление для переменного тока, чтобы подавить токи высоких частот.
Постоянный ток через дроссель проходит без проблем. Почему это происходит, можете прочитать в этой статье. Обычно дроссели включаются в цепях питания усилительных устройств.
Дроссели предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов).
На низких частотах (НЧ) они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники. Ниже на фото силовые дроссели:
Также существует еще один особый вид дросселей – это сдвоенный дроссель. Он представляет из себя две встречно намотанных катушки индуктивности. За счет встречной намотки и взаимной индукции он более эффективен. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания, а также в звуковой технике.
Что влияет на индуктивность?
От каких факторов зависит индуктивность катушки? Давайте проведем несколько опытов. Я намотал катушку с немагнитным сердечником. Ее индуктивность настолько мала, что LC – метр мне показывает ноль.
- Имеется ферритовый сердечник
- Начинаю вводить катушку в сердечник на самый край
- LC-метр показывает 21 микрогенри.
- Ввожу катушку на середину феррита
35 микрогенри. Уже лучше.
Продолжаю вводить катушку на правый край феррита
20 микрогенри. Делаем вывод, самая большая индуктивность на цилиндрическом феррите возникает в его середине. Поэтому, если будете мотать на цилиндрике, старайтесь мотать в середине феррита. Это свойство используется для плавного изменения индуктивности в переменных катушках индуктивности:
- где
- 1 – это каркас катушки
- 2 – это витки катушки
3 – сердечник, у которого сверху пазик под маленькую отвертку. Вкручивая или выкручивая сердечник, мы тем самым изменяем индуктивность катушки.
Экспериментируем дальше. Давайте попробуем сжимать и разжимать витки катушки. Для начала ставим ее в середину и начинаем сжимать витки
- Индуктивность стала почти 50 микрогенри!
- А давайте-ка попробуем расправим витки по всему ферриту
13 микрогенри. Делаем вывод: для максимальной индуктивности мотать катушку надо “виток к витку”.
Убавим витки катушки в два раза. Было 24 витка, стало 12.
Совсем маленькая индуктивность. Убавил количество витков в 2 раза, индуктивность уменьшилась в 10 раз. Вывод: чем меньше количество витков – тем меньше индуктивность и наоборот. Индуктивность меняется не прямолинейно виткам.
- Давайте поэкспериментируем с ферритовым кольцом.
- Замеряем индуктивность
- 15 микрогенри
- Отдалим витки катушки друг от друга
- Замеряем снова
Хм, также 15 микрогенри. Делаем вывод: расстояние от витка до витка не играет никакой роли в катушке индуктивности тороидального исполнения.
Мотнем побольше витков. Было 3 витка, стало 9.
- Замеряем
Офигеть! Увеличил количество витков в 3 раза, а индуктивность увеличилась в 12 раз! Вывод: индуктивность меняется не прямолинейно виткам.
Если верить формулам для расчета индуктивностей, индуктивность зависит от “витков в квадрате”. Эти формулы я здесь выкладывать не буду, потому как не вижу надобности. Скажу только, что индуктивность зависит еще от таких параметров, как сердечник (из какого материала он сделан), площадь поперечного сечения сердечника, длина катушки.
Обозначение на схемах
Последовательное и параллельное соединение катушек индуктивности
- При последовательном соединении индуктивностей, их общая индуктивность будет равняться сумме индуктивностей.
- А при параллельном соединении получаем вот так:
При соединении индуктивностей должно выполняться правило, чтобы они были пространственно разнесены на плате.
Это связано с тем, что при близком расположении друг друга их магнитные поля будут влиять с друг другом, и поэтому показания индуктивностей будут неверны. Не ставьте на одну железную ось две и более тороидальных катушек. Это может привести к неправильным показаниям общей индуктивности.
Резюме
Катушка индуктивности играет в электронике очень большую роль, особенно в приемопередающей аппаратуре. На катушках индуктивности строятся также различные фильтры для электронной радиоаппаратуры, а в электротехнике ее используют также в качестве ограничителя скачка силы тока.
Ребята из Паяльника забабахали очень неплохой видос про катушку индуктивности. Советую посмотреть в обязательном порядке:
Катушка индуктивности. Параметры. Виды. Обозначение на схемах
Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Катушка индуктивности относится к числу элементов, без которых не получится построить приемник, телевизор, радиоуправляемую модель, передатчик, генератор сигналов, модемный преобразователь, сетевой фильтр и т.п.
Катушку индуктивности или просто катушку можно представить в виде нескольких витков провода намотанного в спираль. Ток проходя по каждому витку спирали создает в них магнитное поле, которое пересекаясь с соседними витками наводит в них э.д.с самоиндукции. И чем провод длиннее и большее число витков он образует, тем самоиндукция больше.
Индуктивность
По своей сути индуктивность является электрической инерцией и ее основное свойство состоит в том, чтобы оказывать сопротивление всякому изменению протекающего тока. Если через катушку пропускать определенный ток, то ее индуктивность будет противодействовать как уменьшению, так и увеличению протекающего тока.
В отличие от конденсатора, который пропускает переменный и не пропускает постоянный ток, катушка индуктивности свободно пропускает постоянный ток и оказывает сопротивление переменному току, потому что он изменяется быстрее, чем может изменяться магнитное поле.
И чем больше индуктивность катушки и чем выше частота тока, тем оказываемое сопротивление сильнее. Это свойство катушки применяют, например, в приемной аппаратуре, когда требуется в электрической цепи преградить путь переменному току.
Индуктивность измеряется в генри (Гн), миллигенри (1мГн = 10ˉ3 Гн), микрогенри (1мкГн = 10ˉ6 Гн), наногенри (1нГн = 10ˉ9 Гн) и обозначается латинской буквой L.
Общие свойства катушек индуктивности
В зависимости от требуемой индуктивности и частоты, на которой катушка будет работать, она может иметь самые различные исполнения.
Для высоких частот это может быть простая катушка состоящая из нескольких витков провода или же катушка с сердечником из ферромагнитного материала и иметь индуктивность от нескольких наногенри до нескольких десятков миллигенри. Такие катушки применяются в радиоприемной, передающей, измерительной аппаратуре и т.п.
Катушки, работающие на высоких частотах, можно разделить на катушки контуров, катушки связи и дроссели высокой частоты. В свою очередь катушки контуров могут быть с постоянной индуктивностью и переменной индуктивностью (вариометры).
По конструктивному признаку высокочастотные катушки разделяются на однослойные и многослойные, экранированные и неэкранированные, катушки без сердечников и катушки с магнитными и немагнитными сердечниками, бескаркасные, цилиндрические плоские и печатные.
Для работы в цепи переменного тока низкой частоты, на звуковых частотах, во входных фильтрах блоков питания, в цепях питания осветительного электрооборудования применяются катушки с достаточно большой индуктивностью. Их индуктивность достигает десятки и даже сотни генри, а в обмотках могут создаваться большие напряжения и протекать значительные токи.
Для увеличения индуктивности при изготовлении таких катушек применяют магнитопроводы (сердечники), собранные из отдельных тонких изолированных пластин сделанных из специальных магнитных материалов – электротехнических сталей, пермаллоев и др.
Применение наборных магнитопроводов обусловлено тем, что под действием переменного магнитного поля в сплошном магнитопроводе, который можно рассматривать как множество короткозамкнутых витков, образуются вихревые токи, которые нагревают магнитопровод, бесполезно потребляя часть энергии магнитного поля. Изоляция же между слоями стали оказывается на пути вихревых токов и значительно снижает потери.
Катушки с магнитопроводами из изолированных пластин можно разделить на дроссели и трансформаторы.
Основные параметры катушек индуктивности
Свойства катушек могут быть охарактеризованы четырьмя основными параметрами: индуктивностью, добротностью, собственной емкостью и стабильностью.
1. Индуктивность
Индуктивность (коэффициент самоиндукции) является основным электрическим параметром и характеризует величину энергии, запасаемой катушкой при протекании по ней электрического тока. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергии она запасает в своем магнитном поле.
Индуктивность зависит от размеров каркаса, формы, числа витков катушки, диаметра и марки провода, а также от формы и материала магнитопровода (сердечника).
В радиолюбительских схемах, как правило, величину индуктивности не указывают, так как радиолюбителя интересует не эта величина, а количество витков провода в катушке, диаметр и марка провода, способ намотки (внавал, виток к витку, крест на крест, секционная намотка) и размеры каркаса катушки.
2. Добротность
Добротность (Q) характеризуется качеством работы катушки индуктивности в цепях переменного тока и определяется как отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь.
Активное сопротивление включает в себя сопротивление провода обмотки катушки; сопротивление, вносимое диэлектрическими потерями в каркасе; сопротивление, вносимое собственной емкостью и сопротивления, вносимые потери в экраны и сердечники.
Чем меньше активное сопротивление, тем выше добротность катушки и ее качество. В большинстве случаев добротность катушки определяют резонансные свойства и к.п.д. контура. Современные катушки средних размеров имеют добротность около 50 – 300.
3. Собственная емкость
Катушки индуктивности обладают собственной емкостью, которая увеличивается по мере увеличения числа витков и размеров катушки. Между соседними витками существует межвитковая емкость, из-за которой некоторая часть тока проходит не по проводу, а через емкость между витками, отчего сопротивление между выводами катушки уменьшается.
Все дело в том, что общее напряжение, приложенное к катушке, разделяется на межвитковые напряжения из-за чего между витками образуется электрическое поле, вызывающее скопление зарядов.
Витки, разделенные слоями изоляции, образуют обкладки множества маленьких конденсаторов, через которые протекает часть тока, из общей емкости которых и складывается собственная емкость катушки.
Таким образом катушка обладает не только индуктивными но и емкостными свойствами.
Собственная емкость является вредным параметром и ее стремятся уменьшить применением специальных форм каркаса и способом намотки провода.
4. Стабильность
Стабильность катушки характеризуется изменением ее параметров под воздействием температуры, влажности и во времени.
Изменение индуктивности под влиянием температуры характеризуют температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), равным относительному изменению индуктивности при изменении температуры на 1°С. ТКИ катушки определяется способом намотки и качеством диэлектрика каркаса.
Влажность вызывает увеличение собственной емкости и диэлектрических потерь, а также понижает стабильность катушки. Для защиты от действия влажности применяется герметизация или пропитка и обволакивание обмотки негигроскопичными составами.
Такие катушки обладают более низкой добротностью и большой собственной емкостью, но при этом они более устойчивы к воздействию влаги.
Катушки индуктивности с магнитопроводами
Для получения малогабаритных катушек различного назначения применяют магнитопроводы (сердечники), которые изготавливают из магнитодиэлектриков и ферритов. Катушки с магнитопроводами имеют меньшее число витков при заданной индуктивности, малую длину провода и небольшие размеры.
Ценным свойством катушек с магнитопроводами является возможность их подстройки, т.е. изменения индуктивности в небольших пределах путем перемещения внутри катушки специального цилиндрического подстроечника, состоящего из феррита с напрессованной на него резьбовой втулкой.
Магнитодиэлектрики представляют собой измельченное вещество, содержащее в своем составе железо (ферромагнетик), частицы которого равномерно распределены в массе диэлектрика (бакелита или аминопласта). Наиболее широко применяют магнитопроводы из альсифера (сплав алюминия, кремния и железа) и карбонильного железа.
Ферриты представляют собой твердые растворы окислов металлов или их солей, прошедшие специальную термическую обработку (обжиг). Получающееся при этом вещество – полупроводниковая керамика – обладает очень хорошими магнитными свойствами и малыми потерями даже на очень высоких частотах.
Основным достоинством ферритов является высокая магнитная проницаемость, которая позволяет существенно уменьшить размеры катушек.
В старых принципиальных схемах магнитопроводы из магнитодиэлектриков и ферритов обозначались одинаково – утолщенной штриховой линией (рис. а).
Впоследствии стандарт ЕСКД оставил этот символ для магнитопроводов из магнитодиэлектрика, а для ферритовых ввел обозначение, ранее применявшееся только для магнитопроводов низкочастотных дросселей и трансформаторов – сплошную жирую линию (рис. б).
Однако согласно последней редакции ГОСТ 2.723.68 (март 1983г.) магнитопроводы катушек изображают линиями нормальной толщины (рис. в).
Катушки, индуктивность которых можно изменять с помощью магнитопровода, на электрических схемах указываются при помощи знака подстроечного регулирования, который вводится в ее условное обозначение.
Изменение индуктивности обозначают двумя способами: либо знаком подстроечного регулирования пересекающим обозначения катушки и магнитопровода (рис. а), либо только пересечением магнитопровода с изображением его над катушкой (рис. б).
Экранированные катушки индуктивности
Для устранения паразитных связей, обусловленных внешним электромагнитным полем катушки и влияния на катушку окружающего пространства, ее экранируют, т.е. помещают в замкнутом металлическом экране.
Однако под влиянием экрана изменяются основные электрические параметры катушки: уменьшаются индуктивность и добротность, увеличивается сопротивление и собственная емкость.
Изменение параметров катушки тем больше, чем ближе к ее виткам расположен экран, т.е. изменение параметров зависит от соотношения между размерами катушки и размерами самого экрана.
Для высокочастотных катушек экраны выполняются в виде круглых или прямоугольных стаканов из алюминия, меди или латуни с толщиной стенок 0,3 – 0,5 мм.
Чтобы на схемах обозначить экранированную катушку, ее условное обозначение помещают в знак экранирования, который соединяют с корпусом.
Также необходимо отметить, что экранировать необходимо лишь катушки большого размера, диаметр которых составляет более 15 – 20 мм.
Катушки диаметром не более 4 – 5 мм создают магнитное поле в относительно небольшом пространстве и при удалении таких катушек от других деталей на расстояние в 4 – 5 раз больше их диаметра опасных связей, как правило, не возникает, поэтому они не нуждаются в специальном экранировании.
Обозначение катушек с отводами и начала обмотки
В радио и электротехнической аппаратуре, например, в приемниках или импульсных преобразователях напряжения, иногда используют не всю индуктивность катушки, а только некоторую ее часть. Для таких случаев катушки изготавливают с отводом или отводами.
При разработке некоторых конструкций иногда необходимо строго соблюсти начало и конец обмотки катушки или трансформатора. Чтобы указать, какой из концов обмотки является началом, а какой – концом, у вывода начала обмотки ставят жирную точку.
Для подстройки катушек на частотах свыше 15…20 МГц часто применяют магнитопроводы из немагнитных материалов (меди, алюминия и т.п.). Возникающие в таком магнитопроводе под действием магнитного поля катушки вихревые токи создают свое поле, противодействующее основному, в результате чего индуктивность катушки уменьшается.
Немагнитный магнитопровод-подстроечник обозначают так же, как и ферритовый, но рядом указывают химический символ металла, из которого он изготовлен. На рисунке изображен подстроечник, изготовленный из меди.
Вот и все, что хотел рассказать о катушках индуктивности.
Удачи!
Литература:
1. В. А. Волгов «Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры».
2. В. В. Фролов «Язык радиосхем».
3. М. А. Сгут «Условные обозначения и радиосхемы».
Катушка индуктивности
Радиоэлектроника для начинающих
Одним из самых известных и необходимых элементов аналоговых радиотехнических схем является катушка индуктивности. В цифровых электронных схемах индуктивные элементы практически потеряли свою актуальность и применяются только в устройствах питания как сглаживающие фильтры.
Катушки индуктивности на принципиальных схемах обозначаются латинской буквой “L” и имеют следующее изображение.
Разновидностей катушек индуктивности существуют десятки. Они бывают высокочастотные, низкочастотные, с подстроечными сердечниками и без них. Бывают катушки с отводами, катушки, рассчитанные на большие напряжения. Вот так, например, выглядят бескаркасные катушки.
Катушки для СВЧ аппаратуры называются микрополосковыми линиями. Они даже внешне не похожи на катушки. С катушками индуктивности связан такой эффект как резонанс и гениальный Никола Тесла получал на резонансных трансформаторах миллионы вольт.
Основной параметр катушки это её индуктивность. Величина индуктивности измеряется в Генри (Гн, англ. – «H»).
Это достаточно большая величина и поэтому на практике применяют меньшие значения (мГн, mH – миллигенри и мкГн, μH– микрогенри) соответственно 10-3 и 10-6 Генри.
Величина индуктивности катушки указывается рядом с её условным изображением (например, 100 μH). Чтобы не запутаться в микрогенри и миллигенри, советую узнать, что такое сокращённая запись численных величин.
Многие факторы влияют на индуктивность катушки. Это и диаметр провода, и число витков, а на высоких частотах, когда применяют бескаркасные катушки с небольшим числом витков, то индуктивность изменяют, сближая или раздвигая соседние витки.
Часто для увеличения индуктивности внутрь каркаса вводят сердечник из ферромагнетика, а для уменьшения индуктивности сердечник должен быть латунным.
То есть можно получить нужную индуктивность не увеличением числа витков, что ведёт к увеличению сопротивления, а использовать катушку с меньшим числом витков, но использовать ферритовый сердечник.
Катушка индуктивности с сердечником изображается на схемах следующим образом.
В реальности катушка с сердечником может выглядеть так.
Также можно встретить катушки индуктивности с подстроечным сердечником. Изображаются они вот так.
Катушка с подстроечным сердечником вживую выглядит так.
Такая катушка, как правило, имеет сердечник, положение которого можно регулировать в небольших пределах. При этом величина индуктивности также меняется. Подстроечные катушки индуктивности применяются в устройствах, где требуется одноразовая подстройка. В дальнейшем индуктивность не регулируют.
Наряду с подстроечными катушками можно встретить и катушки с регулируемой индуктивностью. На схемах такие катушки обозначаются вот так.
В отличие от подстроечных катушек, регулируемые катушки индуктивности допускают многократную регулировку положения сердечника, а, следовательно, и индуктивности.
Ещё один параметр, который встречается достаточно часто это добротность контура. Под добротностью понимается отношение между реактивным и активным сопротивлением катушки индуктивности. Добротность обычно бывает в пределах 15 – 350.
На основе катушки индуктивности и конденсатора выполнен самый необходимый узел радиотехнических устройств, колебательный контур. На схеме изображён входной контур простого радиоприёмника рассчитанного на работу в диапазонах средних и длинных волн.
В настоящее время в этих диапазонах станций практически нет. Катушка индуктивности L1 имеет достаточно большое число витков, чтобы перекрыть диапазон по максимуму. Для улучшения приёма к первой обмотке L1 подключается внешняя антенна. Это может быть простой кусок проволоки длиной в пределах двух метров.
Благодаря большому числу витков в индуктивности L1 присутствует целый спектр частот и как минимум пять — шесть работающих радиостанций.
Две индуктивности L1 и L2 намотанные на одном каркасе представляют собой высокочастотный трансформатор.
Для того чтобы выделить на катушке индуктивности L2 станцию, работающую, допустим на частоте 650 КГц необходимо с помощью переменного конденсатора C1 настроить колебательный контур на данную частоту.
После этого выделенный сигнал можно подавать на базу транзистора усилителя высокой частоты. Это одно из применений катушки индуктивности. Точно на таком же принципе построены выходные каскады радио- и телевизионных передатчиков только наоборот. Антенна не принимает слабый сигнал, а отдаёт в пространство ЭДС.
Примеров использования катушки индуктивности великое множество. На рисунке изображён весьма несложный, но хорошо зарекомендовавший себя в работе сетевой фильтр.
Фильтр состоит из двух дросселей (катушек индуктивности) L1 и L2 и двух конденсаторов С1 и С2. на старых схемах дроссели могут обозначаться как Др1 и Др2. Сейчас это редкость. Катушки индуктивности намотаны проводом ПЭЛ-0,5 – 1,5 мм.
на каркасе диаметром 5 миллиметров и содержат по 30 витков каждая. Очень хорошо параллельно сети 220V подключить варистор. Тогда защита от бросков сетевого напряжения будет практически полной.
В качестве конденсаторов лучше не использовать керамические, а поискать старые, но надёжные МБМ на напряжение не менее 400V.
Вот так выглядит дроссель входного фильтра компьютероного блока питания ATX.
Как видно, он намотан на кольцеобразном сердечнике. На схеме он обозначается следующим образом. Точками отмечены места начала намотки провода. Это бывает важно, так как это влият на направление магнитного потока.
Выходные выпрямители современного импульсного блока питания всегда конструируют по двухполупериодным схемам.
Широко известный выпрямительный диодный мост, у которого большие потери практически не используют. В двухполупериодных выпрямителях используют сборки из двух диодов Шоттки.
Самая важная особенность выпрямителей в импульсных блоках питания это фильтры, которые начинаются с дросселя (индуктивности).
Напряжение, снимаемое с выхода выпрямителя обладающего индуктивным фильтром, зависит кроме амплитуды ещё и от скважности импульсов, поэтому очень легко регулировать выходное напряжение, регулируя скважность входного. Процесс регулирования скважности импульсов называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а в качестве управляющей микросхемы используют ШИМ контроллер.
Поскольку амплитуда напряжения на входах всех выпрямителей изменяется одинаково, то стабилизируя одно напряжение, ШИМ контроллер стабилизирует все. Для увеличения эффекта, дроссели всех фильтров намотаны на общем магнитопроводе.
Именно таким образом устроены выходные цепи компьютерного блока питания формата AT и ATX. На его печатной плате легко обнаружить дроссель с общим магнитопроводом. Вот так он выглядит на плате.
Как уже говорилось, этот дроссель не только фильтрует высокочастотные помехи, но и играет важную роль в стабилизации выходных напряжений +12, -12, +5, -5. Если выпаять этот дроссель из схемы, то блок питания будет работать, но вот выходные напряжения будут «гулять» причём в очень больших пределах – проверено на практике.
Так магнитопровод у такого дросселя общий, а катушки индуктивности электрически не связаны, то на схемах такой дроссель обозначают так.
Здесь цифра после точки (L1.1; L1.2 и т.д.) указывает на порядковый номер катушки на принципиальной схеме.
Ещё одно очень хорошо известное применение катушки индуктивности это использование её в системах зажигания транспортных средств. Здесь катушка индуктивности работает как импульсный трансформатор. Она преобразует напряжение 12V с аккумулятора в высокое напряжение порядка нескольких десятков тысяч вольт, которого достаточно для образования искры в свече зажигания.
Когда через первичную обмотку катушки зажигания протекает ток, катушка запасает энергию в своём магнитном поле. При прекращении прохождения тока в первичной обмотке пропадающее магнитное поле индуцирует во вторичной обмотке мощный короткий импульс напряжением 25 – 35 киловольт.
Импульсный трансформатор из тех же катушек индуктивности является основным узлом хорошо известного устройства для самообороны как электорошокер. Схем может быть несколько, но принцип один: преобразование низкого напряжения от небольшой батарейки или аккумулятора в импульс слабого тока, но очень высокого напряжения. У серьёзных моделей напряжение может достигать 75 – 80 киловольт.
Главная » Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
Катушка индуктивности
Катушка индуктивности – электронный компонент, представляющий собой винтовую либо спиральную конструкцию, выполненную с применением изолированного проводника. Основным свойством катушки индуктивности, как понятно из названия – индуктивность. Индуктивность – это свойство преобразовать энергию электрического тока в энергию магнитного поля. Величина индуктивности для цилиндрической или кольцевой катушки равна
Где ψ — потокосцепление, µ0 = 4π*10-7 – магнитная постоянная, N – количество витков, S – площадь поперечного сечения катушки.
Также катушке индуктивности присущи такие свойства как небольшая ёмкость и малое активное сопротивление, а идеальная катушка и вовсе их лишена. Применение данного электронного компонента отмечается практически повсеместно в электротехнических устройствах. Цели применения различны:
— сглаживание уровня пульсаций;- накопление энергетического потенциала;- ограничение токов переменной частоты;- построение резонансных колебательных контуров;- фильтрация частот в цепях прохождения электрического сигнала;- формирование области магнитного поля;
— построение линий задержек, датчиков и т.д.
Энергия магнитного поля катушки индуктивности
Электрический ток способствует накоплению энергии в магнитном поле катушки. Если отключить подачу электричества, накопленная энергия будет возвращена в электрическую цепь. Значение напряжения при этом в цепи катушки возрастает многократно.
Величина запасаемой энергии в магнитном поле равна примерно тому значению работы, которое необходимо получить, чтобы обеспечить появление необходимой силы тока в цепи.
Значение энергии, запасаемой катушкой индуктивности можно рассчитать с помощью формулы.
Реактивное сопротивление
- При протекании переменного тока, катушка обладает кроме активного, еще и реактивным сопротивлением, которое находится по формуле
- По формуле видно, что в отличие от конденсатора, у катушки с увеличением частоты, реактивное сопротивление растет, это свойство применяется в фильтрах частот.
- При построении векторных диаграмм важно помнить, что в катушке, напряжения опережает ток на 90 градусов.
Добротность катушки
Еще одним важным свойством катушки является добротность. Добротность показывает отношение реактивного сопротивления катушки к активному.
- Чем выше добротность катушки, тем она ближе к идеальной, то есть она обладает только главным своим свойством – индуктивностью.
- Конструкции катушек индуктивности
Индуктивность катушки можно изменять, добавляя в конструкцию катушки ферромагнитный сердечник. Внедрение сердечников отражается на подавлении помех.
Поэтому практически все дроссели, предназначенные для подавления высокочастотных помех, как правило, имеют ферродиэлектрические сердечники, изготовленные на основе феррита, флюкстрола, ферроксона, карбонильного железа.
Низкочастотные помехи хорошо сглаживаются катушками на пермалоевых сердечниках или на сердечниках из электротехнической стали.
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3.80 (10 Голоса)
Дроссель, катушка индуктивности — Принцип работы. Математическая модель. Типы, виды, категории, классификация
Катушка индуктивности, дроссель в электронных схемах. Принцип работы. Применение. Свойства. Классификация. (10+)
Дроссель, катушка индуктивности — Принцип работы. Математическая модель. Типы, виды, категории, классификация
Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь
Катушка индуктивности способна накапливать энергию в своем магнитном поле. Это проявляется в том, что при приложении к ней напряжения в ней постепенно нарастает ток, а при смене полярности — постепенно убывает.
Резко изменить силу тока в катушке индуктивности (дросселе) невозможно. Она будет сопротивляться этому путем формирования напряжения самоиндукции на своих выводах.
Это напряжение может быть очень большим и обеспечит прохождение тока путем пробоя изоляции.
Работа дросселя проявляется во времени. Без рассмотрения изменения силы тока во времени понимание работы катушки индуктивности невозможно.
Главной характеристикой дросселя является индуктивность. Индуктивность — коэффициент, определяющий зависимость скорости изменения электрического тока от напряжения на катушке.
| Вашему вниманию подборка материалов:Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам |
Математическая модель катушки индуктивности. Обозначение
Катушка индуктивности (дроссель) может иметь несколько выводов — отводов от частей обмотки и два вывода от начала и от конца обмотки.
Работу катушки описывает следующее соотношение, которое и определяет ее применение в электронных схемах.
[Сила тока через катушку в момент T] = [Сила тока через катушку в начальный момент T0] + интеграл от [T0] до [T] ([Напряжение на катушке] / [Индуктивность катушки]) по [Времени].
Более привычно эта формула выглядит так:
В случае, если к катушке приложено постоянное напряжение, то формула приобретает более простой вид: [Сила тока через катушку индуктивности в момент T] = [Сила тока через катушку индуктивности в начальный момент T0] + [Напряжение на катушке] * ([T1] — [T0]) / [Индуктивность катушки]
Индуктивность измеряется в генри. Через дроссель индуктивностью 1 Гн за 1 с при напряжении 1 вольт пойдет ток 1 ампер. Обычно в схемах используются индуктивности от 1 микрогенри до 100 миллигенри.
Физически катушка индуктивности состоит из одного или нескольких витков провода, которые могут быть просто размещены в воздухе, а могут быть намотаны на сердечник из какого-либо материала. Сердечник намагничивается и, тем самым, накапливает в себе энергию.
Расчет индуктивности катушки в общем случае представляет серьезную сложность. С уверенностью можно утверждать только, что индуктивность пропорциональна квадрату числа витков.
Это значит, что если Вы изготовили катушку индуктивности заданной геометрии с заданным сердечником с N витками провода и замерили ее индуктивность (пусть это будет L), то [Индуктивность катушки с N1 витками] = [L] * [N1]^2 / [N]^2
На идеальном дросселе тепловая энергия не выделяется, хотя через него может проходить ток. Дело в том, что сначала дроссель накапливает энергию, потом отдает ее в цепи питания, не рассеивая.
На схемах катушка индуктивности обозначается, как показано на рисунке.
Идеальный дроссель
Идеальный дроссель имеет строго фиксированную индуктивность, соответствующую расчетной или надписи на корпусе, не зависящую от тока, напряжения и внешних условий, например, температуры. Он не имеет паразитной емкости и внутреннего сопротивления, потерь на перемагничивание.
Идеальный дроссель выдерживает любой ток, имеет нулевые размеры, не занимает место на плате. Он не шумит. Ток через него строго зависит от напряжения и времени, без посторонних помех.
Реальные дроссели. Классификация, виды, типы
Если бы дроссели на самом деле были идеальными, то нужен был бы всего один тип дросселя — ПИД (просто идеальный дроссель). Его можно было бы применять во всех схемах. Но, как это часто бывает в жизни, идеала не существует. Для разных применений можно подобрать дроссели с определенными свойствами, пожертвовав другими, менее важными для данной схемы.
Главная проблема дросселя — омическое сопротивление провода, которым он намотан. Это сопротивление ухудшает параметры катушки индуктивности, приводит к нагреву, ограничивает максимальный ток. Снижение этого сопротивления требует снижения длины обмотки и увеличения толщины провода.
Снизить длину обмотки, сохранив требуемую индуктивность, можно, применив сердечник из ферромагнитного материала.
Такой сердечник намагничивается, накапливает в себе энергию, значительно (иногда, в десятки тысяч раз) увеличивая индуктивность одного витка, а значит, сокращая число витков, необходимых для получения требуемой индуктивности. Наилучшим в этом смысле сердечником является мягкое трансформаторное железо.
Однако, применение сердечника, снижая омическое сопротивление катушки, порождает сразу ряд новых проблем. Во-первых, у сердечника есть определенный уровень магнитной индукции насыщения, выше которого сердечник уже не может намагнититься и не будет накапливать энергию. Дроссель (за исключением ряда специальных схем) должен применяться в условиях, исключающих насыщение.
Во-вторых, под действием переменного электрического тока в сердечнике возникают потери, вызванные наведенными электрическими токами и нагревом от перемагничивания сердечника.
Для борьбы с наведенными токами используются специальные технологии изготовления сердечника, исключающие большие контура в нем, по которым могут течь такие токи (например, слоеный сердечник с изоляцией между слоями или порошковое железо), или применение специальных материалов (ферритов), которые вообще не проводят электрический ток.
Ферриты не проводят электрический ток, но с точки зрения своих магнитных свойств намного уступают железу. Поэтому их применяют в высокочастотных схемах (от 10 кГц), а для низкочастотных эффективнее применять трансформаторное железо.
Заказать партию дросселей с нужными параметрами не составляет труда, но в большинстве случаев подобрать дроссель промышленного производства для экспериментальной схемы не удается. Его приходится делать самостоятельно.
(читать дальше…) :: (в начало статьи)
Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.
Возможности применения катушек индуктивности
Возможными
вариантами применения катушки
индуктивности, в частности, являются:
-
Компактная катушка индуктивности цепи постоянного тока (DC) с малыми пульсациями переменного тока (конструкция с ограниченным размером окна)
-
Крупногабаритная катушка индуктивности цепи постоянного тока (конструкция с ограничением насыщения)
-
Катушка индуктивности с сильным переменным током (конструкция с ограничением потерь в сердечнике)
Каждый
из трех вариантов характеризуется
специфическими требованиями к конструкции.
В компактной катушке индуктивности
цепи постоянного тока ограничительный
фактор определяется в большей степени
доступным размером окна сердечника,
нежели площадью поперечного сечения
сердечника.
Окно сердечника должно быть
достаточно большим для того, чтобы
расположить в нем количество витков
провода, достаточное для получения
требуемой индуктивности. В крупногабаритной
катушке индуктивности цепи постоянного
тока ограничительным фактором часто
является точка насыщения сердечника.
Сердечник должен иметь достаточно
крупные габариты и достаточно малую
магнитную проницаемость, чтобы избежать
насыщения (или смещения величины
индуктивности ниже минимального
требуемого уровня).
Эти факторы требуют
увеличения числа витков и длины медных
проводов, что вызывает проблему в виде
потерь в проводах. Основным ограничительным
фактором для катушки индуктивности с
сильным переменным током являются
потери в сердечнике.
Поскольку потери
в сердечнике зависят от колебаний
потока, создаваемого переменным током,
а не уровнем индукции, создаваемой
постоянным током, потери в сердечнике
становятся доминирующим фактором,
определяющим выбор конструкции.
Перестраиваемая индуктивность
Катушка
индуктивности является одним из
распространенных пассивных элементов,
используемых при создании различных
электронных схем.
Специфика применения
катушки в современных электронных
приборах с высокой степенью интеграции
заключается в том, что она плохо поддается
как миниатюризации, так и реализации в
интегральном исполнении.
В отличие от
резисторов и конденсаторов, выполняемых
в виде участков полупроводникового
кристалла с заданной проводимостью и
обратносмещенных p-n-переходов,
катушки индуктивности реализуют либо
схемотехнически в виде их гираторных
аналогов, либо в форме плоских спиралей
или отрезков передающих линий методами
планарной и гибридно-интегральной
технологий . Гираторы, представляющие
собой по сути активные схемы электронных
усилителей с выраженными частотно-зависимыми
характеристиками, используются в
диапазоне сравнительно низких частот
и применяются, в основном, в
частотно-избирательных схемах различных
фильтров. Катушки, выполненные как в
форме плоской спирали или отрезков
передающих линий, так и в ином миниатюрном
исполнении , успешно применяются в ВЧ-
и СВЧ-диапазоне, но имеют общий недостаток,
заключающийся в том, что изменение
значения их индуктивности возможно
преимущественно механическим способом.
Гиратор
—
электрическая
цепь, которая осуществляет преобразование
импеданса.
Другими словами, эта схема заставляет
ёмкостные цепи проявлять индуктивные
свойства,
полосовой
фильтр
будет
вести себя как режекторный фильтр
и
т. п.
Рис.3.
Схема гиратора
Основное
применение гираторов заключается в
создании участков цепи, имитирующих
индуктивность.
Поскольку
катушки
индуктивности
далеко
не всегда могут применяться в электрических
цепях (например в
микросхемах),
использование гираторов позволит
обходиться без катушек. Для этого
используется цепь, состоящая из
конденсатора,
операционного
усилителя
или
транзисторов
и
резисторов.
Назначение
гиратора — поменять знак
комплексного
сопротивления цепи, а на приведённой
схеме — инвертировать действие
конденсатора. Желаемый импеданс цепи,
который мы хотим получить, можно описать
как
То
есть это последовательно соединённые
индуктивность
L
и
сопротивление
RL.
Из схемы видно, что импеданс имитированной
индуктивности соединён параллельно с
импедансом
C
и
R.
В
случае, когда
R
много
больше, чем
RL,
то это выражение принимает вид
Таким
образом, мы получаем последовательно
соединённые сопротивление
и
индуктивность
.
Основное отличие от истинной индуктивности
здесь проявляется в том, что присутствует
параллельное
,
и в том, что
png» width=»24″>
обычно
значительно больше, чем в реальных
катушках.
Для
достаточно длинного соленоида длиной
l
и площадью сечения виткаS
с общим числом витков
N индуктивность
равна
-
????
— относительная
магнитная проницаемость среды; -
n
— число витков на единицу длины,; -
V—
объем соленоида,V=Sl.
Отметим,
что значение индуктивности прямо
пропорционально квадрату числа витков,
занимаемому объему и магнитной
проницаемости среды. Формулы для
вычисления индуктивности катушек другой
формы более сложны и могут не иметь
аналитического вида, но основные
пропорции для указанных параметров
сохраняются.
Изменение этих параметров
традиционно используют для управления
величиной индуктивности путем механической
перестройки катушки (переключения
секций катушки, изменения взаимного
расположения витков, введения в катушку
сердечника, выполненного из магнетика).
Переключение секций катушки посредством
интегрального коммутатора позволяет
управлять значением индуктивности
электронным способом, но параметр
катушки при этом можно изменять лишь
дискретно. Известен способ электронного
управления индуктивностью, заключающийся
в подмагничивании ферромагнитного
сердечника катушки.
Однако при этом в
конструкцию катушки вводится дополнительная
подмагничивающая обмотка, что не
способствует миниатюризации изделия
в целом.
Предлагаемый
в настоящей работе способ электронного
управления индуктивностью пассивной
катушки заключается во введении в ее
конструкцию специфического сердечника,
свойства которого изменяются под
воздействием приложенного электрического
поля, оказывая при этом влияние на
индуктивность. В качестве такого
сердечника используется кремниевая
структура n-i-p-i-n-типа,
обладающая протяженными i-областями.
Если
объект помещается внутрь катушки, то
первичное переменное магнитное поле
вызывает в нем вихревые токи.
Электромагнитное поле катушки при этом
изменится под действием поля вихревых
токов.
Это изменение поля вызывает такой
эффект, какой получился бы, если изменить
характеристики самой катушки.
Анализ
изменения свойств катушки под влиянием
объекта, особенно если он имеет
неоднородную структуру и параметры,
изменяющиеся под воздействием внешнего
смещения, чрезвычайно сложен.
В
общем случае на индуктивность оказывают
влияние физические характеристики
материала объекта — электрические и
магнитные свойства, определяемые его
составом и структурой: электропроводность,
магнитная проницаемость, геометрические
размеры, наличие неоднородностей.
Для
проверки возможности создания индуктивного
элемента с электронной перестройкой
изготовлена
двухсекционная катушка,
сердечниккоторой
представляет собой кремниевуюn-i-p-i-n—
структуру
с толщиной i-областей
200 мкм.
В качестве такой структуры
использовался выпускаемый промышленностью
бескорпусный диод типа 2А505, конструктивно
объединяющий в себе двеp-i-n—структуры
с общей p-областью,
имеющей гибкий соединительный вывод.
Контакты n-областей
диода имеют вид металлических площадок
из материала с хорошей проводимостью.
Диод, длина которого вместе с контактами
составляет примерно 0,8 мм, размещался
между двумя секциями катушки, намотанными
виток к витку в форме плоской спирали
на оправке диаметром 0,9 мм, причем
изолированный вывод p-области
пропускался наружу между плоскостями
секций, аp-i-n-структуры
заполняли области внутри секций. Сам
диод центрировался по оси катушки с
помощью тонкой изолирующей диэлектрической
прокладки.
Обе
секции содержали по три витка медного
провода в лаковой изоляции диаметром
0,5 мм. Электрический контакт с n-областями
диода осуществлялся с помощью прижимных
электродов, не оказывающих влияние на
индуктивность катушки.
Таким
образом, магнитное поле изготовленной
катушки сосредоточено во внутреннем
объеме секций, преобладающую часть
которого занимали протяженные i-области
(базы) диода, размер которых значительно
превышал размерыp—
и n-областей.
В отсутствие прямого смещения базовые
областиp-i-n-структур
представляют собой по сути диэлектрик
с магнитной проницаемостью ????=1.
Добротность
катушки при введении в нееn-i-p-i-n-структуры
без смещения снижалась, значение
индуктивности уменьшалось.
При
подаче наp-i-n-диод
напряжения прямого смещения происходит
процесс инжекции носителей заряда в
высокоомную i-область
диода, в результате чего концентрация
носителей заряда в базе возрастает на
несколько порядков и, соответственно,
увеличивается проводимость базы. В
таком случае говорят, что база диода
«заливается» носителями заряда или
«металлизируется».
-
Диод,
находящийся в магнитном поле исследуемой
катушки индуктивности, представляет
собой объект, проводимость которого
изменяется в широком диапазоне в
зависимости от величины приложенного
напряжения. -
Зависимость
параметров катушки от величины напряжения
прямого смещения, прикладываемого к
n-i-p-i-n-структуре,
выполняющей роль управляемого
электрическим полем сердечника,
позволяющего определить резонансным
методом как значение индуктивности,
так и величину потерь. -
Добротность
начинает заметно снижаться непосредственно
с появлением тока черезn-i-p-i-n—структуру.
Уменьшение
добротности с ростом приложенного кn-i-p-i-n-структуре
напряжения может быть объяснено
увеличением мощности потерь, связанным
с ростом числа инжектированных носителей
заряда. При диаметре намоточного провода
1 мм зависимость индуктивности от
напряжения смещения выражена весьма
слабо.
Большое значение имеет также
выбор конкретного экземпляра
n-i-p-i-n-структуры.
Как показала практика, диоды имеют
значительный разброс характеристик в
пределах партии, причем возможна заметная
неидентичность характеристикp-i-n-диодовотдельно
выбраннойn-i-p-i-n-структуры.
Не последнюю роль, оказывающую влияние
на величину как индуктивности, так и
добротности, играет качество изготовления
самой катушки.
В
связи с этим для изготовления управляемой
катушки индуктивности можно рекомендовать
материалы, обладающие хорошей
проводимостью, что повысит начальное
значение добротности и позволит выбрать
диаметр намоточного провода, сравнимый
с размерами i-областей
диода. Геометрия индуктивного элемента
определяется преимущественно размерами
используемого диода и должна обеспечивать
концентрацию магнитного поля катушки
в объеме p-i-n-структуры.
В
резонансном контуре применена катушка
индуктивности описанной выше конструкции.
Принципиальная электрическая схема
разработанного устройства приведена
на
рис.4.
Рис.4.
Принципиальная электрическая схема
разработанного устройства
Катушка
индуктивности L
и включенный параллельно ей конденсатор
С1 представляли собой колебательный
контур, резонансная характеристика
которого определяла частоту ВЧ-несущей.
К катушке подключался источник питания.
Напряжение на входе регулировалось
подстроечным резистором R1
СП-04.
Так же был подключен вольтметр для
контроля напряжения на входе. С помощью
генератора высоких частот и осциллографа
была найдена резонансная частота.
Изначальный резонанс наблюдался на
частоте .
Значение индуктивности L1
при
png»>
было равно L1=414
нГн. После увеличения напряжения до
0.5V
частота уменьшилась до .
Значение индуктивности L1
при
возросло до 422 нГн.
При увеличении
входного напряжения, регулируемого
подстроечным резистором R1,
резонансная частота сдвинулась на 60
кГц в сторону уменьшения.
Значение
индуктивности было рассчитано по
формуле:
Диапазон
изменения величины индуктивности можно
весьма просто увеличить, изготовив
многосекционную катушку, поскольку
геометрия n-i-p-i-n-
структуры позволяет это сделать без
значительных конструктивных трудностей.
Катушки индуктивности предложенной
конструкции удобны для изготовления в
планарной форме, когда витки формируются
напылением или травлением материала
поверхности вокруг n-i-p-i-n-структуры.