3. Факторы, влияющие на индуктивность катушки | 14. Катушки индуктивности | Часть1

3. Факторы, влияющие на индуктивность катушки

Факторы, влияющие на индуктивность катушки

На индуктивность катушки оказывают влияние следующие основные факторы:

Число витков провода в катушке: При прочих равных условиях, увеличение числа витков приводит к увеличению индуктивности; уменьшение числа витков приводит к уменьшению индуктивности.

Пояснение: чем больше количество витков, тем больше будет магнитодвижущая сила для заданной величины тока.

 

 

Площадь поперечного сечения катушки: При прочих равных условиях, катушка с большей площадью поперечного сечения будет иметь большую индуктивность; а катушка с меньшей площадью поперечного сечения — меньшую индуктивность.

Пояснение: Катушка с большей площадью поперечного сечения оказывает меньшее сопротивление формированию магнитного потока для заданной величины магнитодвижущей силы.

 

 

Длина катушки: При прочих равных условиях, чем больше длина катушки, тем меньше ее индуктивность; чем меньше длина катушки, тем больше ее индуктивность.

Пояснение: Чем больше длина катушки, тем большее сопротивление она оказывает формированию магнитного потока для заданной величины магнитодвижущей силы.

 

 

Материал сердечника: При прочих равных условиях, чем больше магнитная проницаемость сердечника, вокруг которого намотана катушка, тем больше индуктивность; чем меньше магнитная проницаемость сердечника — тем меньше индуктивность.

Пояснение: Материал сердечника с большей магнитной проницаемостью способствует формированию большего магнитного потока для заданной величины магнитодвижущей силы.

 

 

Приблизительное значение индуктивности любой катушки можно найти по следующей формуле:

 

 

Следует понимать, что данная формула дает только приблизительные цифры. Одной из причин такого положения дел является изменение величины магнитной проницаемости при изменении напряженности магнитного поля (вспомните нелинейность кривой В/Н для разных материалов). Очевидно, если проницаемость (µ) в уравнении будет непостоянна, то и индуктивность (L) также будет в некоторой степени непостоянна. Если гистерезис материала сердечника будет существенным, то это непременно отразится на индуктивности катушки. Разработчики катушек индуктивности пытаются минимизировать эти эффекты, проектируя сердечник таким образом, чтобы его намагниченность никогда не приближалась к уровням насыщения, и катушка работала в более линейной части кривой B/H.

Если катушку сделать таким образом, что любой из вышеперечисленных факторов у нее можно механически изменить, то получится катушка с регулируемой величиной индуктивности или вариометр. Наиболее часто встречаются вариометры, индуктивность которых регулируется количеством витков или  положением сердечника (который перемещается внутри катушки).

Пример вариометра с изменяемым количеством витков можно увидеть на следующей фотографии:

 

 

Это устройство использует подвижные медные контакты, которые подключаются к катушке в различных точках ее длины. Подобные катушки, имеющие воздушный сердечник, применялись в разработке самых первых радиоприемных устройств.

Катушка с фиксированными значениями индуктивности, показанная на следующей фотографии, представляет собой еще одно раритетное устройство, использовавшееся в первых радиостанциях. Здесь вы можете увидеть несколько витков относительно толстого провода, а так же соединительные выводы:

 

 

А это еще одна катушка индуктивности, так же предназначенная для радиостанций. Для большей жесткости ее провод намотан на керамический каркас:

 

 

Многие катушки индуктивности обладают небольшими размерами, что позволяет монтировать их непосредственно на печатные платы.

Посмотрев внимательно на следующую фотографию, можно увидеть две расположенные рядом катушки:

 

 

Две катушки индуктивности расположены справа в центре этой платы и имеют обозначения L₁ и L₂. В непосредственной близости от них находятся резистор R₃ и конденсатор С₁₆. Показанные на плате катушки называются «торроидальными», так как их провод намотан вокруг сердечника, имеющего форму тора.

Как резисторы и конденсаторы, катушки индуктивности могут выполняться в корпусе для поверхностного монтажа (SMD). На следующей фотографии представлено несколько таких катушек:

 

 

Две индуктивности здесь расположены справа в центре платы. Они представляют собой маленькие черные чипы с номером «100», а над одной из них можно увидеть обозначение L

5.

Практическое руководство по катушкам индуктивности

Большинство проводящих материалов (металлов) является парамагнитными или ферромагнитными, в то время как большинство непроводящих материалов (неметаллов) является диамагнитными. Любой проводник обладает некоторой индуктивностью в ответ на изменение величины или направления протекания тока. Даже обычный прямой провод имеет индуктивность, хотя она достаточно мала, чтобы пренебрегать ею. Если провод свернуть в петлю — его индуктивность увеличится. Чем больше сделать таких одинаковых витков, тем большая индуктивность будет присуща проводу. Индуктивность одиночной петли или катушки из провода может быть многократно увеличена с помощью подходящего ферромагнитного сердечника.

Простейшими катушками индуктивности являются катушки с воздушным сердечником (рисунок 1). Они сделаны путем намотки провода вокруг пластмассового, деревянного или любого не ферромагнитного сердечника. Индуктивность катушки зависит от числа витков, радиуса и общей формы, также она пропорциональна числу витков и диаметру катушки. Индуктивность обратно пропорциональна длине провода для заданного диаметра катушки и числу витков. Итак, чем ближе будут витки, тем больше будет индуктивность. Электропроводность катушек индуктивности зависит от материала и толщины провода.

Потери (в виде тепла) в значительной степени зависят от материала, используемого в качестве сердечника.

 

Рис. 1. Пример катушки индуктивности с воздушным сердечником 

Катушки с воздушным сердечником имеют небольшую индуктивность, которая может составлять максимум 1 мГн. Катушки с воздушным сердечником могут быть рассчитаны так, что будут пропускать через себя ток практически неограниченной величины при условии использования проводника большой длины, смотанного в катушку большого радиуса. Такие катушки индуктивности практически не вносят потерь, так как воздух не рассеивает много энергии в виде тепла. Чем выше частота переменного тока, тем меньше индуктивность, необходимая для получения значительных эффектов. Таким образом, катушки индуктивности с воздушным сердечником вполне подходят для применения в высокочастотных цепях переменного тока благодаря отсутствию потерь, способности пропускать через себя большие токи и достаточным значениям индуктивности.

При использовании железных или ферритовых сердечников индуктивность может быть значительно увеличена. Однако порошкообразный, железный или ферритовый сердечник вносит значительные потери электрической энергии в виде тепла. Использование ферромагнитных сердечников также ограничивает максимальную величину рабочего тока катушек индуктивности. В ферромагнитных сердечниках насыщение происходит при протекании максимального рабочего тока. При увеличении тока сверх этого критического значения индуктивность может начать уменьшаться. При больших токах ферромагнитные сердечники могут достаточно сильно нагреваться, что может привести к их разрушению и необратимому существенному изменению номинальной индуктивности катушки.

Соленоид против катушек индуктивности

 

Соленоиды часто путают с катушками индуктивности. Соленоиды — это катушки проводов, которые предназначены для использования в качестве электромагнитов. Многие индукторы также являются катушками проводов, но они предназначены для обеспечения индуктивности в электрической цепи.

Катушки индуктивности цилиндрической формы также называют соленоидными катушками, но только из-за их конструкции, схожей с конструкцией соленоида. Тем не менее, они не предназначены для использования в качестве электромагнита. Соленоиды специально используются в качестве электромагнитов и обычно имеют подвижный или статический сердечник. Обычно соленоиды используются в качестве электромагнитов в электрических звонках, электродвигателях, работающих на постоянном токе, и в реле.

Соленоидные катушки как индуктивности

 

Простейшими и наиболее распространенными индуктивностями являются соленоидные катушки. Эти индуктивности представляют собой цилиндрические катушки, намотанные вокруг диамагнитного или ферромагнитного сердечника. Они являются самыми простыми с точки зрения проектирования и изготовления.

Соленоидная, или цилиндрическая катушка может быть легко использована для подстройки величины индуктивности, если в конструкцию интегрировать механизм перемещения ферромагнитного сердечника катушки внутрь и наружу. Путем перемещения сердечника внутрь катушки и обратно можно изменять ее эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности. Это называется настройкой магнитной проницаемости и используется для подстройки частот в радиочастотных схемах.

Сердечник можно сделать подвижным, прикрепив его к винтовому валу и закрепив гайкой на другом конце катушки. Когда вал винта вращается по часовой стрелке — сердечник перемещается внутрь катушки, увеличивая эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности. Когда вал винта вращается против часовой стрелки — сердечник выдвигается, уменьшая эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности.

Тороиды как катушки индуктивности

Сегодня еще одной наиболее распространенной формой катушек индуктивности является тороид. Тороиды имеют кольцевой ферромагнитный сердечник, на который намотан провод. Тороиды нуждаются в меньшем числе витков и физически меньше при той же величине индуктивности и рабочей величине тока, по сравнению с соленоидными катушками (рисунок 2). Другим важным преимуществом тороидов является то, что магнитный поток находится внутри сердечника, что позволяет избежать нежелательной взаимной индуктивности.

Рис. 2. Сильноточные тороидальные катушки индуктивности 

Однако намотать провод на тороид сложно. Регулировать магнитную проницаемость тороида еще сложнее. Проектирование катушек с тороидальным сердечником и переменной величиной индуктивности требует реализации громоздкой и сложной конструкции. В цепях, где требуется взаимная индуктивность, катушки должны быть намотаны на один и тот же сердечник в случае, если тороид используется в качестве катушки индуктивности.

Индуктивности на основе чашеобразных Р-сердечников*

 

В типичных катушках индуктивности — соленоидных и тороидных — провод намотан вокруг ферромагнитного сердечника. Катушки индуктивности на основе чашеобразных сердечников – это другой тип индуктивностей, в котором обмотка катушки находится внутри ферромагнитного сердечника. Чашеобразный ферромагнитный сердечник имеет форму двух половин в виде чаш со специальным цилиндрическим выступом (керном) на дне одной из половин, на котором размещается обмотка. Обе половины имеют отверстия, из которых извлекается провод катушки. Вся сборка скрепляется болтом и гайкой.

Катушки данного типа, как и тороиды, обладают большой индуктивностью и электропроводностью при небольших габаритах и меньшем числе витков. Магнитный поток, как и в случае с тороидами, остается внутри. Таким образом, нет нежелательной взаимной индуктивности с сердечниками. Опять же, как и в случае с тороидами, очень трудно варьировать величину индуктивности катушек данного типа. Изменять величину индуктивности в катушках индуктивности на основе Р-сердечников возможно только путем изменения числа витков и при использовании отводов в разных точках катушки.

*- В литературе также встречается термин “Р-сердечник закрытого типа”. В ГОСТ 19197-73 данному типу сердечников присвоено название – “броневой”.

Линия передачи как индуктивность

В цепях постоянного тока катушки индуктивности ведут себя почти так же, как и обычный провод, обладая незначительным сопротивлением, но не более того. Таким образом, они находят применение преимущественно в электрических цепях переменного тока. В аудиосхемах в качестве индуктивностей обычно используются тороиды, катушки на основе круглых чашеобразных сердечников или аудиотрансформаторы. Номинал индуктивности, применяемый в таких электрических цепях, варьируется от нескольких мГн до 1 Гн. Катушки индуктивности вместе с конденсаторами используются в аудиосхемах для подстройки. В настоящее время микросхемы практически полностью вытеснили катушки индуктивности и конденсаторы в аудиосистемах и других подобных областях применения.

При увеличении частоты должны использоваться индуктивности с сердечниками меньшей проницаемости. На нижнем конце радиочастотного спектра используются те же катушки индуктивности, что и в аудиоприложениях. На частотах до нескольких МГц весьма распространены катушки индуктивности с тороидальным сердечником. Для частот 30…100 МГц предпочтительны катушки с воздушным сердечником. Для частот более 100 МГц в линии передачи используются высокочастотные индуктивности и специальные трансформаторы. Линии передачи малой длины (четверть длины волны сигнала или меньше) сами могут быть использованы в качестве индуктивности для подстройки частоты радиосигналов. Линия передачи, используемая в качестве подобной индуктивности, обычно представляет собой коаксиальный кабель.

Индуктивности в цепях постоянного тока

Катушки индуктивности практически бесполезны в цепях постоянного тока. Однако можно предположить, что катушка индуктивности, подключенная к цепи постоянного тока, может быть полезна для понимания принципов ее работы и особенностей поведения пульсирующих напряжений постоянного тока. Предположим, что обычная катушка индуктивности подключена к источнику напряжения через ключ. При замыкании ключа на индуктивность подается напряжение, вызывающее быстрое изменение протекающего через нее тока. Когда приложенное напряжение увеличивается от нуля до пикового значения (за короткое время), индуктивность противодействует изменяющемуся через нее току, индуцируя напряжение, противоположное по полярности приложенному напряжению. Индуцированное напряжение при подаче питания на катушку индуктивности называется обратной ЭДС и определяется по формуле 1:

V_L = – L*(di/dt),   (1)

где:

• V_L – напряжение (обратная ЭДС), индуцированная на катушке;
• L – индуктивность катушки;
• di/dt – скорость изменения тока во времени.

Согласно приведенной формуле 1, внезапное изменение тока через катушку индуктивности дает бесконечное напряжение, что физически невозможно. Таким образом, ток через катушку индуктивности не может измениться мгновенно. Ток сталкивается с влиянием индуктивности при каждом небольшом изменении его величины и медленно возрастает до своего пикового постоянного значения. Итак, в начальный момент времени катушка индуктивности представляет собой разрыв цепи, когда переключатель замкнут. Обратная ЭДС наводится на катушку индуктивности до тех пор, пока изменяется значение протекающего через нее тока. Индуцированная обратная ЭДС всегда остается равной и противоположной возрастающему приложенному напряжению. Когда напряжение и ток от источника приближаются к постоянному значению, обратная ЭДС падает до нуля, а катушка индуктивности начинает вести себя как обычный провод. При подаче напряжения на катушку индуктивности мощность, запасенная ею, определяется по формуле 2:

P = V * I = L*i*di/dt,   (2)

где:

• P – электрическая мощность, запасенная в катушке;
• V – величина пикового напряжения на катушке индуктивности;
• I – величина пикового тока, протекающего через катушку индуктивности.

Энергия, запасенная индуктивностью при подаче напряжения, определяется по формуле 3:

W = ∫P.dt = ∫L*i*(di/dt)dt = (1/2)LI²,   (3)

где:

• W – электрическая энергия, запасенная в катушке индуктивности в виде магнитного поля;
• I – максимальное значение тока, протекающего через катушку.

Когда происходит отключение источника напряжения (путем размыкания ключа), напряжение на индуктивности падает с постоянного пикового значения до нуля. В отличие от конденсаторов, при отключении источника напряжения напряжение на индуктивности не поддерживается. Фактически оно уже упало до нуля, тогда как ток, проходящий через него стал постоянным. Теперь, когда приложенное напряжение падает от пикового постоянного значения до нуля, ток, протекающий через катушку индуктивности, также падает с постоянного пикового значения до нуля. Катушка противодействует падению тока, вызывая прямую ЭДС в направлении приложенного напряжения. Из-за индуцированной прямой ЭДС ток, проходящий через катушку индуктивности, падает до нуля с более медленной скоростью. Как только ток уменьшается до нуля, прямая ЭДС также падает до нуля.

Таким образом, при подаче напряжения питания электрическая энергия преобразовывалась в магнитное поле в катушке индуктивности, что было очевидно по обратной ЭДС, индуцированной на ней. При отключении напряжения питания та же самая электрическая энергия возвращается индуктором в цепь в форме прямой ЭДС. Всякий раз, когда напряжение на катушке индуктивности увеличивается, возникает обратная ЭДС, а всякий раз, когда напряжение на катушке уменьшается, возникает прямая ЭДС.

На практике обратная или прямая ЭДС, которая наводится на катушке индуктивности, во много раз больше приложенного напряжения. Если источник индуктивности подключен к источнику напряжения или катушка индуктивности подключена к цепи постоянного тока без какой-либо защиты, электрическая энергия, возвращаемая при размыкании переключателя, выделяется в виде скачка напряжения или искры на контактах переключателя. Если индуктивность или ток в цепи достигают достаточно больших значений, то энергия выделяется в форме дуги или искры на контакте переключателя и может даже сжечь или расплавить его. Этого можно избежать, используя резистор и конденсатор, соединенные в RC-цепь и включенные последовательно с контактом переключателя. Такая RC-цепь называется снабберной и позволяет электрической энергии, выделяемой катушкой индуктивности, заряжать и разряжать конденсатор, поэтому она не повреждает другие компоненты. Во многих электрических цепях для сохранения компонентов схемы от обратной или прямой ЭДС катушек индуктивности или соленоидов используются защитные диоды.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Катушка индуктивности противодействует любому изменению тока, который протекает через нее, а переменный ток, в свою очередь, отстает на 90° от напряжения. В начальный момент времени, когда напряжение источника подается на катушку, ток через нее протекает максимальный, но в противоположном направлении. При подаче напряжения ток протекает через катушку индуктивности из-за индуцированной обратной ЭДС, которая противоположна приложенному напряжению. Индуцированное на катушке напряжение всегда равно и противоположно по знаку приложенному напряжению в любой момент времени. Когда приложенное напряжение возрастает от нуля до пикового значения, ток через катушку падает от максимума до нуля.

Когда прикладываемое напряжение падает от максимального значения до нуля, то на катушке индуцируется прямая ЭДС, заставляя ток противоположного направления расти от нуля до пикового значения. Когда приложенное напряжение меняет полярность и возрастает до пикового значения, ЭДС снова индуцируется на катушке, вызывая падение обратного тока от пикового значения до нуля. Когда приложенное напряжение снова падает до нуля в обратном направлении, в катушке индуцируется прямая ЭДС, заставляющая ток снова расти от нуля до максимального значения в противоположном направлении. Это продолжается для каждого цикла протекания переменного тока.

Индуктивное сопротивление

Противодействие протекающему току из-за наличия индуктивности называется индуктивным сопротивлением. Амплитуда тока через катушку индуктивности обратно пропорциональна частоте приложенного напряжения. Поскольку напряжение на катушке (обратная или прямая ЭДС) пропорционально индуктивности, то амплитуда тока также обратно пропорциональна величине индуктивности. Итак, противодействие току из-за наличия индуктивности в виде индуктивного сопротивления определяется по формуле 4:

X_L = 2πfL= ωL   (4)

Соответственно, пиковая амплитуда тока, проходящего через катушку индуктивности, определяется по формуле 5:

I_peak = V_peak/X_L= V_peak/ ωL,   (5)

где:

• I_peak – пиковое значение переменного тока, протекающего через катушку индуктивности;
• V_peak – пиковое значение переменного напряжения, приложенного к катушке;
• X_L – индуктивное сопротивление.

Как резистивное и емкостное сопротивление, так и единица индуктивного сопротивления измеряется в омах. Следует отметить, что в электрических цепях нет потерь энергии из-за наличия емкостного или индуктивного сопротивления, что нельзя сказать об обычном резистивном сопротивлении. Тем не менее, реактивное сопротивление может ограничивать уровни тока через конденсатор или катушку индуктивности.

Применение катушек индуктивности

Катушки индуктивности используются в электрических цепях переменного тока. Они обычно применяются в аналоговых схемах, схемах обработки сигналов и в системах телекоммуникаций, а также используются вместе с конденсаторами для создания фильтров различных топологий. В телекоммуникационных системах индуктивности применяются в составе специальных фильтров, которые нужны для подавления возможных бросков напряжения и предотвращения утечки информации через линии системы электропитания.

Трансформаторы, которые используются для повышения или понижения напряжения переменного тока, состоят из двух катушек индуктивности, объединенных в единую конструкцию определенным образом. Индуктивности также используются для временного хранения электрической энергии в цепях выборки-хранения и источниках бесперебойного питания. В цепях электропитания катушки индуктивности (где они называются фильтрующими дросселями) используются для сглаживания пульсирующих токов.

Поведение индуктивности при прохождении через нее сигнала можно определить следующим образом:

• Всякий раз, когда приложенное к катушке индуктивности напряжение увеличивается, катушка генерирует обратную ЭДС, в результате чего ток через нее падает с максимального значения до нуля или даже ниже этого уровня. Всякий раз, когда прикладываемое напряжение уменьшается, катушка создает прямую ЭДС, в результате чего ток через нее повышается с нуля или текущего уровня до максимального значения или даже до более высокого.
• Обратная или прямая ЭДС сохраняется на катушке индуктивности до тех пор, пока приложенное напряжение, а следовательно и ток через нее изменяются. Когда приложенное напряжение достигает определенного постоянного значения, обратная или прямая ЭДС падает до нуля, и постоянный ток протекает через катушку индуктивности без какого-либо противодействия, как в обычном соединительном проводе.
• Из-за наличия индуктивности скорость изменения тока в цепи замедляется. Если сигнал переменный, то ток всегда будет отставать от напряжения на 90° из-за наличия индуктивности.
• Благодаря индуктивному или емкостному сопротивлению потери энергии отсутствуют. Энергия, запасенная катушкой индуктивности в форме магнитного поля или конденсатором в форме электростатического поля, возвращается обратно в цепь, как только приложенное напряжение падает до нуля или меняет полярность. Однако из-за реактивного сопротивления пиковый уровень тока (амплитуда сигнала) ограничен.

Источник: https://www.engineersgarage.com

Катушки индуктивности | Основы электроакустики

Катушки индуктивности

 

Катушки индуктивности применяют в качестве элементов коле­бательных контуров, дросселей и для связи одних цепей с другими.

Катушка индуктивности, которая служит для разделения посто­янного и переменного токов или токов разных частот, называется дросселем. Индуктивное сопротивление (Ом) катушки зависит от частоты и определяется по формуле Xi. — 2nfLt  где f — частота, Гц; L — индуктивность, Гн. Одна и та же катушка представляет собой разное сопротивление для токов разных частот. Для постоянного тока сопротивление любой катушки очень мало. Каждая катушка характеризуется индук­тивностью, добротностью, стабильностью и собственной емкостью.

Катушки с малой индуктивностью изготовляют без сердечника с небольшим числом витков. Для увеличения индуктивности катушку выполняют многослойной и вводят сердечник из ферромагнитного материала. Потери энергии в катушке должны быть как можно меньше. Поэтому ее стремятся выполнить так, чтобы получить наибольшую индуктивность при малом активном сопротивлении. Отношение индуктивного сопротивления катушки к активному сопротивлению на — дан­ной частоте называется добротностью катуш­ки и определяется по формуле Qil=Xtlfsa Индуктивность и другие параметры ка­тушки не должны меняться под влиянием внешних причин, т. е. катушка должна обла­дать стабильностью. Собственная (междувитковая) емкость катушки понижает ее доброт­ность и уменьшает стабильность

У однослойной катушки при сплошной намотке (виток к витку) индуктивность (мкГн) можно определить по формулегде w — число витков; l — длина намотки, см; D — диаметр катуш­ки, см. Для уменьшения собственной, емкости витки катушки наматыва­ют не вплотную, а на некотором расстоянии один от другого (на­мотка с принудительным шагом). Многослойные катушки выполняют простой намоткой «внавал» или специальной («универсалы»). Индуктивность (мкГн) многослойной хатушки можно определить по формулегде dcf — средний диаметр намотки, см; w — число витков; I — длина намотки, см; t — толщина намотки, см.

Для уменьшения собственной емкости многослойную катушку выполняют из отдельных секций. Секционированные катушки при­меняют в качестве контурных катушек и дросселей высокой частоты. Малую собственную емкость имеют многослойные катушки с намот­кой «универсалы», при которой провод зигзагом переходит с одного края катушки на другой Для устранения влияния электромагнитного поля катушки на соседние детали и, наоборот, внешних полей на катушку ее закры­вают металлическим экраном. Для высокочастотных катушек экран изготовляют из меди или алюминия толщиной 0,4 — 0,5 мм. Экран уменьшает индуктивность и добротность катушки и увеличивает ее собственную емкость. Чем ближе расположен экран к виткам катупь ки, тем сильнее изменяются ее параметры. Чтобы влияние экрана было небольшим, его диаметр и длину берут в два раза больше диаметра и длины намотки. Для низкочастотных катушек применят ют экраны из ферромагнитных материалов, например из листовой стали толщиной 0,5 — 1,5 мм. Для увеличения добротности и уменьшения габаритов катушки применяют сердечники из ферромагнитных материалов. Высокочас­тотные катушки имеют сердечники из карбонильного железа. Доб­ротность катушек с таким сердечником равна 400 — 500, а без сер­дечника — не более 200.

Для контурных катушек длинных и средних волн используют броневые сердечники. Низкочастотные дроссели имеют сердечники из листовой электротехнической стали. Толщину стальных листов берут 0,2 — 0,5 мм для дросселей, используемых в цепях звуковых частот, и около 0,5 мм — в Цепях переменного тока с частотой 50 Гц.

Индуктивность катушки возрастает с увеличением числа и диа­метра витков при их сближении, что учитывают при изготовлении катушки. Введение внутрь катушки сердечника из магнитодиэлектрика также увеличивает ее индуктивность. Если сердечник выполнен из диамагнитного материала, например латуни, то при его введении индуктивность катушки уменьшится. То же произойдет, если внутрь катушки ввести короткозамкнутый виток. На практике чаще всего индуктивность изменяют, перемещая сердечник внутри катушки. Катушка, индуктивность которой можно изменять в больших пределах, называется вариометром. Чаще всего вариометр состоит из двух катушек, взаимная индуктивность которых может меняться. Вариометры применяют главным образом в передатчиках для на­стройки колебательных контуров и подбора связи между контурами.

 

Применение катушек индуктивности — ООО «УК Энерготехсервис»

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:

1. где
2. I – сила тока в катушке , А 
3. U – напряжение в катушке, В 
4.  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.

1. Имеется ферритовый сердечник
2. Начинаю вводить катушку в сердечник на самый край
3. LC-метр  показывает 21 микрогенри.
4. 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

1. Индуктивность стала почти 50 микрогенри!
2. 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.

1. 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. 

1. Чем выше добротность катушки, тем она ближе к идеальной, то есть она обладает только главным своим свойством – индуктивностью.
2. 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.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:

1. Компактная катушка индуктивности цепи постоянного тока (DC) с малыми пульсациями переменного тока (конструкция с ограниченным размером окна)

2. Крупногабаритная катушка индуктивности цепи постоянного тока (конструкция с ограничением насыщения)

3. 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».

1. Диод,
   находящийся в магнитном поле исследуемой
   катушки индуктивности, представляет
   собой объект, проводимость которого
   изменяется в широком диапазоне в
   зависимости от величины приложенного
   напряжения.
2. 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.
3. 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.

Индуктивность. Виды катушек и контур. Работа и особенности

Индуктивность характеризует магнитные свойства цепи тока. Она прямо пропорциональна магнитному потоку и обратно пропорциональна силе тока в контуре.

Индуктивность

Электрический ток во время протекания по контуру образует магнитное поле. Индуктивностью называют способность получать энергию от источника тока и создавать из нее магнитное поле.

При повышении тока на обмотке магнитное поле повышается, а при снижении уменьшается. Катушкой называется винтовая катушка в виде спирали из изолированного провода, с индуктивностью, при малой емкости и сопротивлении которая  имеет единицу измерения Гн (Генри) и определяется по формуле:

L = Φ / I, где L – индуктивность катушки, I – сила тока, Φ – магнитный поток.

Катушка обладает некоторой особенностью. При подаче на нее постоянного напряжения, в ней образуется напряжение, противоположное по знаку, и длящееся очень короткий промежуток времени. Это явление назвали ЭДС самоиндукции. ЭДС – это электродвижущая сила.

При размыкании цепи напряжение и ЭДС суммируются поэтому, сначала ток будет иметь двойную величину, а затем упадет до нуля. Время падения тока зависит от величины индуктивности катушки.

Виды катушек

Катушки можно разделить на типы:

• С магнитным сердечником. Его материалом может быть сталь, ферритовый сердечник. Они предназначены для увеличения величины индуктивности.
• Без сердечника. Катушки наматываются в виде спирали, на бумажной трубке. Применяются для создания незначительной индуктивности (до 5 мГн).

Чаще всего применяют сердечники из пластин, выполненных из электротехнической стали, для снижения вихревых токов, а также сердечники в виде ферритовых колец различных размеров (тороидальные), обеспечивающие создание значительной индуктивности, в отличие от обычных цилиндрических сердечников.

Катушки со значительной величиной индуктивности выполняют в виде трансформатора с металлическим сердечником. От обычного трансформатора они отличаются числом обмоток. В такой катушке есть одна первичная обмотка, а вторичной нет.

Особенности

• При соединении нескольких катушек по параллельной схеме, необходимо следить, чтобы они были расположены на плате друг от друга как можно дальше, во избежание взаимного влияния катушек друг на друга магнитными полями.
• Расстояние между витками на тороидальном сердечнике не влияет на свойства индуктивной катушки.
• Для создания наибольшей индуктивности витки на катушке необходимо наматывать вплотную между собой.
• При использовании в качестве сердечника ферритового цилиндра с наибольшей индуктивностью будет центр.
• Чем меньше число витков на катушках, тем ниже у них индуктивности.
• При последовательной схеме соединения катушек, общая индуктивность цепи складывается из индуктивностей каждой катушки.

Емкость катушки

Витки обмотки катушки отделены друг от друга диэлектрическим слоем, поэтому они образуют своеобразный конденсатор, который характеризуется своей емкостью. В катушках, имеющих несколько слоев обмотки, емкость образуется между слоями. В результате, катушка имеет свойство не только индуктивности, но и емкости.

Чаще всего емкость катушки оказывает отрицательное воздействие на элементы электрической схемы. Поэтому от емкости катушки избавляются разными способами. Например, каркас катушки изготавливают особой формы, витки наматывают по специальной технологии. При намотке катушки виток к витку, ее емкость также повышается.

Колебательный контур

Если подключить конденсатор и катушку по схеме, изображенной на рисунке, то получается контур колебаний, который широко применяется в радиотехнических устройствах.

Если навести ЭДС в катушке или зарядить конденсатор, то в контуре будут происходить некоторые колебательные процессы. Конденсатор при разряде возбуждает магнитное поле в катушке индуктивности. При истощении заряда конденсатора, катушка возвращает энергию снова в конденсатор, но с противоположным знаком, с помощью ЭДС самоиндукции. Такой процесс повторяется в виде электромагнитных синусоидальных колебаний.

Частота таких колебаний является резонансной частотой, зависящей от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Колебательный контур, соединенный по параллельной схеме имеет значительное сопротивление на частоте резонанса. Это дает возможность применять его для избирательности частоты в цепях входа в радиоаппаратуре, а также в усилителях частоты и схемах генераторов частоты.

При параллельной схеме соединения контура колебаний имеются два реактивных элемента, которые обладают разной силой реактивности. Применение такого типа контура позволяет сделать вывод, что при параллельном соединении элементов необходимо суммировать только их проводимости, а не сопротивления. На частоте резонанса сумма проводимостей элементов контура нулевая, что позволяет говорить о сопротивлении переменному току стремящемуся к бесконечности.

За 1 период колебаний действия контура происходит обмен энергией между катушкой и емкостью. В таком случае образуется контурный ток, значительно превосходящий величину тока во внешней цепи.

Индуктивность и конденсатор

Токоведущие части различных устройств могут образовывать индуктивности. Такими частями являются предохранители, токоотводящие шины, соединительные выводы и другие аналогичные части. Если дополнительно присоединить к конденсатору шины, то образуется индуктивность, которая оказывает влияние на работу электрической цепи. Также, на работоспособность цепи влияет емкость и сопротивление.

Индуктивности, образующияся на частоте резонанса вычисляется по формуле:

C_e = C / (1 – 4Π2f2LC), где C_e – это емкость конденсатора (эффективная), f – частота тока, L – индуктивность катушки, С – действительная емкость, П – число «пи».

Величина индуктивности должна всегда учитываться в схемах с силовыми конденсаторами большой емкости. В схемах с импульсными конденсаторами важным фактором является значение собственной индуктивности. Разряд таких конденсаторов происходит на индуктивные контуры, делящиеся на виды:

• Колебательные.
• Апериодические.

В конденсаторе индуктивность зависит от вида соединения элементов в схеме. При параллельной схеме это значение складывается из индуктивностей элементов схемы. Для снижения индуктивности электрического устройства, необходимо токопроводящие части конденсатора расположить таким образом, чтобы магнитные потоки компенсировались, то есть, проводники с одним направлением тока располагают как можно дальше друг от друга, а с противоположным направлением – рядом друг с другом.

При сближении токоведущих частей и уменьшении диэлектрического слоя можно добиться снижения индуктивности секции конденсатора. Это достигается с помощью разделения одной секции на несколько небольших емкостей.

Похожие темы:

Катушки индуктивности — проверка исправности и ремонт — Индуктивности — РАДИОДЕТАЛИ — Каталог статей

Катушки индуктивности – представляют собой радиоэлемент, имеющий спиральную обмотку и способный концентрировать в своём объёме или на плоскости магнитное поле.

Применяются в качестве элементов колебательных контуров, дросселей, а так же для связи цепей между собой. Дроссель – катушка индуктивности, служащая для разделения постоянного и переменного токов или токов разных частот. Выполняет роль реактивного сопротивления, величина которого зависит от величины частоты.

Индуктивное сопротивление X_L (Ом) катушки определяется по формуле

X_L = 2nfL,

где f – частота, Гц; L – индуктивность, Гц.

Для постоянного тока (f = 0) сопротивление любой катушки очень мало.

Условное графическое обозначение (УГО) катушек индуктивности на схемах:

L1 — L3 – катушки без сердечника

L4 — L7 – катушки с сердечником, дроссель с магнитопроводом

 

Основные параметры катушек индуктивности

1. Номинальная индуктивность катушки

Единицей измерения является Генри (Гн). Индуктивность катушек указывается в милигенри (1мГн = 10^-3 Гн), микрогенри (1мкГн = 10^-6 Гн). 1мГн = 1000 нкГн

Номинальная индуктивность катушки зависит в основном от её конструктивных особенностей (размеров, формы, числа витков, расстояния между ними (шаг намотки) и др.) чем больше размеры катушки и чем больше она содержит витков, тем больше её индуктивность. На индуктивность катушки в достаточной степени влияет введение в неё сердечника.

Введение сердечника магнитного материала увеличивает индуктивность катушки, из не магнитного – уменьшает.

2. Допустимое отклонение

Зависти от конструкции катушки. У серийно выпускаемых катушек допустимое отклонение обычно 1-2%

3. Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)

Характеризует относительное изменение значения индуктивности при изменении температуры. Это вызывает изменения геометрических значений катушки. Вследствие чего изменяется её индуктивность. С ростом температуры индуктивность увеличивается при снижении её – уменьшается.

     Для уменьшения ТКИ катушек каркасы их выполняют из керамики. В кабельных контурах для улучшения стабильности ТКИ к катушке подключают термокомпенсирующий конденсатор с отрицательным ТКЕ.

4.  Добротность катушки – характеризует бесполезное рассеивание энергии из – за потерь в обмотке, каркасе, сердечнике и экране.

     Добротность катушки повышается при введении в неё сердечника из магнитного материала. В РТА используется РЧ катушки добротностью от 40 до 200.

5.  Собственная ёмкость катушки складывается из емкости между ветками и слоями обмотки, а так же емкости отдельных витков по отношению к шасси или экрану.

      Поскольку эта емкость является паразитной, стремятся катушки и дроссели с минимальной собственной емкостью.

Неисправности катушек индуктивности

Катушки индуктивности могут иметь следующие неисправности:

• Обрыв провода в местах пайки к контактным лепесткам;
• Внутренний обрыв обмоточного провода;
• Короткое замыкание витков;
• Изменение номинального значения индуктивности.

 

   Исправность катушек проверяют омметром, подключенным параллельно выводным. Сопротивление катушки должно быть мало (близко к нулю).

   Проверить наличие короткого замыкания витков затруднительно, так как даже при нескольких короткозамкнутых витках в катушке ее сопротивление, как правило, практически не изменяются.

   При значительных механических повреждениях катушку чаще всего перематывают или устанавливают новую. При перемотке катушек нельзя допускать отклонения от числа витков или диаметра провода. Новую катушку изготавливают по образцу с соблюдением всех параметров: диаметра провода, количества витков, шага намотки (расстояния между соседними витками)

    Изменение номинального значения индуктивности может быть вызвано смещением подстроенного сердечника. Прилипший сердечник удается извлечь из каркаса после заливки в него несколько капель спирта или ацетона. Прилипшие диамагнитные сердечники свободно вывинчиваются, после незначительного нагрева их электропаяльником. 

Хотите знать больше? Пожалуйста

Катушка индуктивности — это… Что такое Катушка индуктивности?

Обозначение на электрических принципиальных схемах

Катушка индуктивности (жарг. индуктивность) — пассивный двухполюсный компонент электрических и электронных устройств и систем. Основной параметр катушки индуктивности — величина её индуктивности, зависящая только от геометрических размеров и материалов и не зависящая от режима работы (тока и напряжения).

Применяются для подавления помех, сглаживания пульсаций, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных (колебательный контур) и частотноизбирательных цепях, в качестве элементов индуктивности искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков перемещений и так далее.

Терминология

При использовании для подавления помех, сглаживания пульсаций электрического тока, изоляции (развязки) по высокой частоте разных частей схемы и накопления энергии в магнитном поле сердечника часто называют дросселем.

В силовой электротехнике (для ограничения тока при, например, коротком замыкании ЛЭП) называют реактором.

Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой на много превышает диаметр, называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно. Кроме того, зачастую соленоидом называют устройство, выполняющую механическую работу за счёт магнитного поля при втягивании ферромагнитного сердечника, или электромагнитом. В электромагнитных реле называют обмоткой реле, реже — электромагнитом.

Нагревательный индуктор — специальная катушка индуктивности, рабочий орган установок индукционного нагрева.

При использовании для накопления энергии называют индукционным накопителем.

Конструкция

Конструктивно выполняется в виде винтовых, или винтоспиральных (диаметр намотки изменяется по длине катушки) катушек однослойных или многослойных намоток изолированного одножильного или многожильного (литцендрат) проводника на диэлектрическом каркасе круглого, прямоугольного или квадратного сечения, часто на тороидальном каркасе или, при использовании толстого провода и малом числе витков — без каркаса. Иногда, для снижения распределённой паразитной ёмкости при использовании в качестве высокочастотного дросселя, однослойные катушки индуктивности наматываются с «прогрессивным» шагом, — шаг намотки плавно изменяется по длине катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, типа «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость. Часто, опять же, для снижения паразитной ёмкости, намотку выполняют секционированной, группы витков отделяются пространственно (обычно по длине) друг от друга.

Для увеличения индуктивности часто имеют замкнутый или разомкнутый ферромагнитный сердечник, помехоподавляющие дроссели высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа. Дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций промышленной и звуковой частот имеют сердечники из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев). Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах изменением положения сердечника относительно обмотки, как правило, ферромагнитного сердечника. На СВЧ, когда ферродиэлектрики теряют высокую магнитную проницаемость и резко увеличиваются потери, для этой цели применяются металлические (латунные) сердечники.

На печатных платах электронных устройств применяют плоские «катушки» индуктивности — геометрия печатного проводника выполнена в виде круглой или прямоугольной спирали, волнистой, или в виде меандра, линии. Такие «катушки индуктивности» часто используются в сверхбыстродействующих цифровых устройствах для выравнивания времени распространения группы сигналов по разным печатным проводникам от источника до приемника, например, в шинах данных и адреса^[1].

Свойства катушки индуктивности

Свойства катушки индуктивности:

• Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки.
• Сопротивление (модуль импеданса) катушки растет с увеличением частоты текущего через неё тока.
• Катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своем магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.

Катушка индуктивности в электрической цепи для постоянного тока имеет только собственное омическое сопротивление, но имеет реактивное сопротивление переменному току, нарастающее при увеличении частоты, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением модуль которого: , где  — индуктивность катушки,  — циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.

Катушка с током запасает энергию в магнитном поле, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока . Величина этой энергии равна:

Катушка индуктивности в переменном напряжении — аналог тела с массой, подверженному механическим колебаниям.

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой:

Для идеальной катушки индуктивности (не имеющей паразитных параметров) ЭДС самоиндукции равна по модулю и противоположна по знаку напряжению на концах катушки:

При замыкании катушки с током на резистор ток в цепи экспоненциально уменьшается в соответствие с формулой:

,

где :  — ток в катушке,

 — начальный ток катушки,

 — текущее время,

 — постоянная времени.

Постоянная времени выражается формулой:

,

где :  — сопротивление резистора,

 — омическое сопротивление катушки.

При закорачивании катушки с током процесс характеризуется собственной постоянной времени : катушки:

.

При стремлении к нулю, постоянная времени стремится к бесконечности, именно поэтому в сверхпроводящих контурах ток течёт «вечно».

Явление самоиндукции аналогично проявлению инертности тел в механике, если аналогом индуктивности принять массу, тока — скорость, напряжения — силу, то многие формулы механики и поведения индуктивности в цепи принимают похожий вид:

↔ , где

↔ ↔  ; ↔  ; ↔

↔

Характеристики катушки индуктивности

Индуктивность

Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, численно равная отношению создаваемого током потока магнитного поля, пронизывающего катушку к величине протекающего тока. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.

Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки, намотанной на тороидальном сердечнике:

где  — магнитная постоянная

 — относительная магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты)

 — площадь сечения сердечника

 — длина средней линии сердечника

 — число витков

При последовательном соединении катушек общая индуктивность равна сумме индуктивностей всех соединённых катушек:

При параллельном соединении катушек общая индуктивность равна:

Сопротивление потерь

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых импеданс катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь . Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране:

Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

• Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.
• Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие, уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.
• В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

Потери в диэлектрике

Потери в диэлектрике (изоляции проводов и каркасе катушки) можно отнести к двум категориям:

• Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери характерные для диэлектриков конденсаторов).
• Потери обусловленные магнитными свойствами диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).

В общем случае можно заметить, что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.

Потери в сердечнике

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на перемагничивание ферромагнетика гистерезис.

Потери на вихревые токи

Переменное магнитное поле индуцирует вихревые ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи (токи Фуко) становятся источником потерь из-за омического сопротивления проводников.

Добротность

С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика — добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна

Иногда потери в катушке характеризуют тангенсом угла потерь (величина, обратная добротности) — сдвигом фаз тока и напряжения катушки в цепи синусоидального сигнала относительно π/2 — для идеальной катушки.

Практически величина добротности лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями, намоткой вида «универсаль», применением посеребрёного провода, применением многожильного провода вида «литцендрат» для снижения потерь, вызванных скин-эффектом.

Паразитная емкость и собственный резонанс

Межвитковая паразитная емкость проводника в составе катушки индуктивности превращает катушку в сложную распределенную цепь. В первом приближении можно принять, что реальная катушка представляет эквивалентно собой идеальную индуктивность с параллельно присоединенным ей конденсатором паразитной емкости. В результате этого катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. Эта резонансная частота легко может быть измерена и называется собственной частотой резонанса катушки индуктивности. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный, при частотах вблизи резонанса в основном активный (на частоте резонанса чисто активный) и большой по модулю, на частотах много выше частоты собственного резонанса — ёмкостной. Обычно собственная частота указывается изготовителем в технических данных промышленных катушек индуктивности, либо в явном виде, либо косвенно — в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.

На частотах ниже собственного резонанса этот эффект проявляется в падении добротности с ростом частоты.

Для увеличения частоты собственного резонанса используют сложные схемы намотки катушек, разбиение одной обмотки на разнесённые секции.

Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)

ТКИ — это параметр, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры.

Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков; кроме того при изменении температуры изменяются диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведёт к изменению собственной ёмкости катушки. Очень существенно влияние температуры на магнитную проницаемость ферромагнетика сердечника.

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике

Эти катушки используются совместно с конденсаторами для организации резонансных контуров. Они должны иметь высокую термо- и долговременную стабильность, и добротность, требования к паразитной ёмкости обычно несущественны.

Катушки связи, или трансформаторы связи

Взаимодействующие магнитными полями пара и более катушек, обычно включаются параллельно конденсаторам для организации колебательных контуров: Такие катушки применяются для обеспечения трансформаторной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току, например, цепи базы последующего усилительного каскада от коллектора предыдущего каскада и т. д. К нерезонансным разделительным трансформаторам не предъявляются жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи (коэффициент взаимоиндукции).

Вариометры

Это катушки, индуктивностью которых можно управлять (например, для перестройки частоты резонанса колебательных контуров) изменением взаимного расположения двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая обычно располагается внутри первой и вращается (ротор). Существуют и другие конструкции вариометров. При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника относительно обмотки, либо изменением длины воздушного зазора замкнутого магнитопровода.

Дроссели

Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины или кольца) нанизанные на отдельные провода или группы проводов (кабели) для подавления синфазных высокочастотных помех.

Сдвоенный дроссель

Сдвоенные дроссели

Это две намотанных встречно или согласованно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. При согласной намотке эффективны для подавления дифференциальных помех. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.^[2][3] Предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов, из питающей сети, так и во избежание проникновения в питающую сеть электромагнитных помех, генерируемых устройством. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный (из трансформаторной стали). Для фильтрации высокочастотных помех — ферритовый сердечник.

Применение катушек индуктивности

Балластный дроссель. Ранее применявшаяся в качестве реактивного сопротивления для люминесцентных ламп катушка индуктивности

• Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.
• Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.
• Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор.
• Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.
• Катушки используются также в качестве электромагнитов — исполнительных механизмов.
• Катушки применяются в качестве источника энергии для нагрева индуктивно-связанной плазмы, а также её диагностики.
• Для радиосвязи — приёма электромагнитных волн, редко — для излучения:
• Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
• Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах при перемещении ферромагнитного сердечника относительно обмотки.
• Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля в индукционных магнитометрах^[4]
• Для создания магнитных полей в ускорителях элементарных частиц, магнитного удержания плазмы, в научных экспериментах, в ядерно-магнитной томографии. Мощные стационарные магнитные поля, как правило, создаются сверхпроводящими катушками.
• Для накопления энергии.

См. также

Примечания

Ссылки

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 13 мая 2011.

Индуктивность

Чтобы увеличить свойство индуктивности, проводник может быть сформирован в виде петли или катушка. Катушку также называют индуктором. На рис. 2-3 показан проводник, сформированный в виде катушки. Ток через одну петлю создает магнитное поле, которое окружает петлю в направление, как показано на рисунке 2-3 (A). По мере увеличения тока магнитное поле расширяется и отрезает все петли, как показано на рисунке 2-3 (B). Ток в каждом контуре влияет на все остальные петли. Поле, пересекающее другую петлю, увеличивает сопротивление текущее изменение.

Рисунок 2-3. — Индуктивность.

Катушки индуктивности классифицируются по типу сердечника. Сердечник — центр индуктора так же, как сердцевина яблока — это центр яблока. Индуктор выполнен путем формирования моток проволоки вокруг сердечника. Материал сердечника обычно бывает двух основных типов: мягкое железо или воздух. Индуктор с железным сердечником и его схематическое обозначение (которое представлено с линиями в верхней части, указывающими на наличие железного сердечника) показаны на рисунок 2-4 (A).Катушка индуктивности с воздушным сердечником может быть не чем иным, как катушкой с проволокой, но она обычно катушка образована вокруг полой формы из какого-либо немагнитного материала, например, картона. Этот материал служит только для сохранения формы катушки. Воздушное ядро индуктор и его схематическое обозначение показаны на рисунке 2-4 (B).

Рисунок 2-4. — Типы индукторов и условные обозначения.

Факторы, влияющие на индуктивность катушки Есть несколько физических факторов, которые влияют на индуктивность катушки.Они включают количество витков в катушке, диаметр катушка, длина катушки, тип материала, используемого в сердечнике, и количество слоев обмотка в катушках.

Индуктивность полностью зависит от физической конструкции схемы и может только измеряться специальными лабораторными приборами. Из упомянутых факторов рассмотрим в первую очередь как количество витков влияет на индуктивность катушки. На рисунке 2-5 показаны две катушки. Катушка (A) имеет два витка, а катушка (B) — четыре витка.В катушке (A) магнитное поле, создаваемое одним петля перерезает еще одну петлю. В катушке (B) магнитное поле, создаваемое одним контуром, отсекает три других. петли. Удвоение числа витков в катушке приведет к увеличению поля вдвое, если используется тот же ток. Поле вдвое сильнее, сокращая вдвое больше оборотов, индуцируют в четыре раза большее напряжение. Следовательно, можно сказать, что индуктивность изменяется как квадрат числа витков .

Рисунок 2-5.- Коэффициент индуктивности (витки).

Второй фактор — диаметр катушки. На рисунке 2-6 видно, что катушка в поле зрения Диаметр B в два раза больше диаметра катушки A. Физически требуется больше проволоки, чтобы построить катушку. катушка большего диаметра, чем катушка малого диаметра, с равным числом витков. Следовательно, существует больше силовых линий, чтобы вызвать противоэдс в катушке с большей диаметр. Фактически, индуктивность катушки увеличивается прямо пропорционально поперечному сечению. площадь сердечника увеличивается на .Вспомните формулу площади круга: A = pr ² . Удвоение радиуса катушки увеличивает индуктивность в четыре раза.

Рисунок 2-6. — Коэффициент индуктивности (диаметр).

Третий фактор, влияющий на индуктивность катушки, — это длина катушки. На рис. 2-7 показаны два примера расстояния между змеевиками. Катушка (A) имеет три витка, довольно широко разнесены, образуя относительно длинную катушку. Катушка этого типа имеет мало потокосцеплений из-за большее расстояние между каждым поворотом.Следовательно, катушка (A) имеет относительно низкую индуктивность. Катушка (B) имеет близкорасположенные витки, что составляет относительно короткую катушку. Это близко расстояние увеличивает потокосцепление, увеличивая индуктивность катушки. Удвоение длина катушки при сохранении того же числа витков уменьшает значение индуктивности вдвое.

Рисунок 2 — 7. — Коэффициент индуктивности (длина катушки). ТЯЖЕЛО РАНО

Четвертый физический фактор — это тип материала сердечника, используемого в катушке.Рисунок 2-8 показаны две катушки: катушка (A) с воздушным сердечником и катушка (B) с сердечником из мягкого железа. В магнитный сердечник катушки (B) — лучший путь для магнитных силовых линий, чем немагнитный сердечник катушки (А). Высокая проницаемость магнитного сердечника из мягкого железа имеет меньшую сопротивление магнитному потоку, в результате чего появляется больше магнитных силовых линий. Это увеличение в магнитных силовых линиях увеличивается количество силовых линий, разрезающих каждую петлю катушки, тем самым увеличивая индуктивность катушки.Теперь должно быть очевидно, что индуктивность катушки увеличивается непосредственно по мере увеличения проницаемости материала сердечника .

Рисунок 2-8. — Коэффициент индуктивности (материал сердечника). МЯГКОЕ ЖЕЛЕЗНОЕ ЯДРО

Другой способ увеличения индуктивности — намотать катушку слоями. Рисунок 2-9 показаны три ядра с разным количеством слоев. Катушка на рисунке 2-9 (A) — плохая индуктор по сравнению с другими на рисунке, потому что его витки широко разнесены и наслоения нет.Движение потока, обозначенное пунктирными стрелками, не связывает эффективно, потому что есть только один слой витков. Более индуктивная катушка показана на рисунок 2-9 (B). Витки расположены близко друг к другу, провод намотан в два слоя. В два слоя связывают друг друга с большим количеством петель потока во время всех движений потока. Обратите внимание, что почти все витки, такие как X, находятся рядом с четырьмя другими витками (заштрихованы). Этот вызывает увеличение магнитной связи.

Рисунок 2-9.- Катушки различной индуктивности.

Катушку можно сделать еще более индуктивной, намотав ее в три слоя, как показано на рисунок 2-9 (С). Увеличенное количество слоев (площадь поперечного сечения) улучшает флюсовую связь даже больше. Обратите внимание, что некоторые повороты, такие как Y, лежат непосредственно рядом с шестью другими поворотами (заштрихованы). На практике наслоение может продолжаться через намного больше слоев. Важный факт следует помнить, однако, что индуктивность катушки увеличивается с каждым слоем добавил .

Как вы видели, на индуктивность катушки могут влиять несколько факторов, и все они факторы переменные. Многие катушки различной конструкции могут иметь одинаковую индуктивность. В Однако важно помнить, что индуктивность зависит от степень связи между проводником (проводниками) провода и электромагнитным полем . В прямая длина проводника, между одной частью проводника очень небольшая магнитная связь. дирижер и другой.Поэтому его индуктивность крайне мала. Было показано, что проводники становятся намного более индуктивными, когда они наматываются на катушки. Это правда, потому что между витками проводника, лежащими бок о бок в катушка.

Q.7 Перечислите пять факторов, влияющих на индуктивность катушки.

Электрические параметры и характеристики датчика, Часть II

Итак, из уравнения на Рисунке 2 мы видим, что относительная магнитная проницаемость действует как множитель индуктивности.Катушка с магнитопроницаемым сердечником теоретически будет иметь более высокую индуктивность, чем катушка с относительной магнитной проницаемостью 1 на коэффициент μr. На рисунке 3 показано, как это выглядит с точки зрения гитарного звукоснимателя. Звукосниматель гитары — это в основном индуктор, который сконфигурирован как генератор. Движение к генератору обеспечивает намагниченная струна. Помните, что для функции звукоснимателя единственное магнитное поле, которое нас интересует, — это поле движущейся намагниченной струны. Статическое поле звукоснимателя на самом деле не имеет значения, только то, что струна намагничивается.При защипывании намагниченная струна излучает магнитное поле, связанное с ее вибрацией, и эта вибрация несет всю тональную информацию о проигрываемой ноте, атаке, с которой была нанесена ударная нота, и т. Д. Поскольку это магнитное поле взаимодействует с катушка звукоснимателя, в катушке индуцируется электрический сигнал, который также несет всю информацию от струны. Так генерируется сигнал в электрогитаре. Как показано на рисунке 3, с полюсным наконечником с низкой проницаемостью, таким как AlNiCo5, который имеет магнитную проницаемость чуть выше, чем у воздуха и который является наиболее часто используемым полюсным наконечником в однокатушечных датчиках типа Strat, поле струны практически не изменяется, оно цветет. выходят из струны по довольно симметричной схеме.С помощью полюсного наконечника с высокой проницаемостью, такого как низкоуглеродистая сталь, обычно используемая в качестве винтов и пробок в хамбакере, поле от намагниченной струны искажается и эффективно втягивается в полюсный наконечник, концентрируясь в сердечнике катушки.

Теперь вернитесь и внимательно посмотрите на рисунок 1. Обратите внимание, что когда магнитное поле создается током в катушке, силовые линии центрируются вокруг катушки и концентрируются в сердечнике катушки. Каждая силовая линия, создаваемая током в катушке, проходит через центр катушки.Таким образом, в противоположном случае, когда мы хотим индуцировать ток в катушке через внешнее магнитное поле, силовые линии, которые будут наиболее эффективными для генерации этого тока, будут те, которые проходят через сердечник катушки. Это физическая причина того, почему магнитная проницаемость так важна для увеличения индуктивности. Проницаемый материал в сердечнике катушки концентрирует магнитное поле именно там, где оно должно быть, чтобы сделать катушку более эффективной.

Но почему мы не можем получить все преимущества магнитной проницаемости гитарного звукоснимателя? Если магнитная проницаемость является множителем индуктивности, разве датчик с полюсным наконечником с проницаемостью в 2000 раз больше, чем воздух, не должен иметь индуктивность в 2000 раз большую, чем у воздушной катушки? Почему только примерно в 6 раз, как показано на рисунке 3? Во-первых, мы должны учитывать, что магнитная энергия движется петлями, как и электрическая энергия.Черные линии на рисунках 1 и 3 представляют пути, по которым проходят репрезентативные петли в магнитном поле. Проблема с «магнитной цепью», изображенной на рисунке 3, заключается в том, что, хотя сердечник катушки заполнен магнитопроницаемым материалом, большая часть магнитной цепи является воздухом. Для реализации полного умножающего потенциала проницаемого материала мы должны построить замкнутый магнитный контур, как показано слева на рисунке 4, где практически весь магнитный поток содержится в замкнутом контуре из проницаемого материала.Обратите внимание, что все силовые линии заключены в прямоугольную петлю из проницаемого материала. Даже довольно короткий воздушный зазор, как показано в середине рисунка 4, может привести к потере до 99% собственной проницаемости материала сердечника. Обратите внимание, как силовые линии начинают значительно выходить за пределы пространства с низкой проницаемостью вокруг проницаемого ядра, даже на противоположной стороне от воздушного зазора. Датчик в основном представляет собой полностью открытую магнитную цепь, как показано справа на рисунке 4, где поле может свободно переходить в пространство с низкой проницаемостью.Рассматривая то, что происходит с силовыми линиями в примерах, показанных на рисунке 4, мы можем начать видеть, как другие проницаемые материалы в датчике, опорных плитах, крышках и т. Д. Также могут влиять на поле, эффективную индуктивность и реакцию датчика. Конечно, как показано на рисунке 1, наиболее важным материалом является сердечник катушки.

Основы индуктивности: структура, параметры и измерения

Катушки индуктивности — это компоненты, которые могут преобразовывать электрическую энергию в магнитную и накапливать ее.Индуктор обычно состоит из каркаса, обмотки, магнитопровода, железного сердечника, экранирующего корпуса и корпуса. Обычно используемые индукторы представляют собой регулируемые индукторы и дросселирующие индукторы. В цепи индуктивность препятствует прохождению переменного тока и пропускает постоянный ток.

Каталог

I Структура индуктора

Индуктор обычно состоит из каркаса, обмотки, магнитопровода, железного сердечника, экранирующего корпуса и корпуса.

1. Каркас

Каркас обычно относится к кронштейну для намотки. Большинство эмалированных проводов больших фиксированных катушек индуктивности или регулируемых катушек индуктивности (таких как колебательные катушки, дроссельные катушки и т. Д.) Наматываются на каркас, а затем магнитопровод, медный сердечник или железный сердечник и т. Д. Устанавливаются во внутреннюю часть. полость каркаса для увеличения индукторов.

Как правило, каркас изготавливается из пластика, бакелита и керамики и может иметь различную форму в соответствии с потребностями.Небольшие индукторы (например, индукторы с цветовым кодом) не имеют каркаса, а эмалированные провода непосредственно наматываются на магнитный сердечник. Для индукторов с воздушным сердечником нет магнитопровода, каркаса и экранирующего кожуха. Проволока сначала наматывается на форму, а затем форма удаляется, и между витками остается определенное расстояние.

2. Обмотка

Обмотка относится к группе катушек с заданными функциями, которая является основным компонентом индуктора.Обмотка делится на однослойные и многослойные. Однослойные обмотки можно разделить на плотную обмотку и пространственную обмотку, а многослойную обмотку можно дополнительно разделить на плоскую обмотку, случайную обмотку и сотовую обмотку.

A n I nductor

3. Магнитный сердечник и магнитный стержень

Магнитный сердечник и магнитный стержень обычно изготавливаются из феррита Ni-Zn и феррита Mn-Zn. материалы, которые обычно имеют форму столба, колпака или банки.

4. Железный сердечник

Материал железного сердечника в основном включает лист кремнистой стали, пермаллой и т. Д., И его форма в основном относится к типу «E».

5. Защитный кожух

Чтобы магнитное поле, создаваемое некоторыми индукторами, не влияло на нормальную работу других цепей и компонентов, добавлена ​​металлическая крышка экрана (например, колеблющаяся катушка полупроводникового радиоприемника). Использование экранирующего кожуха увеличит потери в катушке и снизит значение добротности.

6. Упаковка

После того, как катушки индуктивности намотаны, катушки и магнитопроводы залиты пластиком или эпоксидной смолой.

II Общие типы индукторов

1. Регулируемый индуктор

Обычно используемые регулируемые катушки индуктивности включают колебательные катушки для полупроводниковых радиоприемников, горизонтальные колебательные катушки для телевизоров, горизонтальные линейные катушки, катушки ловушки промежуточной частоты, катушки компенсации частоты для акустика и дроссельные катушки.

(1) Осциллирующая катушка для полупроводниковых радиоприемников

В полупроводниковом радиоприемнике колебательная катушка соединена с переменным конденсатором для генерации локального колебательного сигнала выше 465 кГц для входного радиосигнала, принимаемого радиосигналом. схема настройки. Наружная часть представляет собой металлический экран, а внутренняя часть состоит из нейлоновой подкладки, Н-образного магнитопровода, магнитного колпачка и вывода для штифта. На Н-образном сердечнике размещены обмотки с высокопрочным эмалированным проводом.Магнитный колпачок установлен на нейлоновой раме внутри щита, который можно вращать вверх и вниз. Изменяя расстояние между крышкой и катушкой, мы также можем изменить индуктивность.

(2) Горизонтальные колебательные катушки для телевизора

Горизонтальные колебательные катушки использовались в ранних черно-белых телевизорах, которые могли формировать самовозбуждающиеся колебательные контуры (трехточечный генератор, прерывистый генератор или мультивибратор) с периферийным резистором -конденсаторные блоки и транзисторы строчной развертки для генерации прямоугольного импульсного сигнала напряжения 15625 Гц.

В центре магнитопровода имеется квадратное отверстие, в которое непосредственно вставляется ручка регулировки линейной синхронизации. Поворачивая ручку регулировки, мы можем изменить относительное расстояние между сердечником и катушкой, тем самым изменив индуктивность катушки и сохранив частоту колебаний линии на уровне 15625 Гц. Таким образом, эта частота колебаний с импульсом синхронизации линии, посылаемым схемой автоматического управления частотой (AFC), будет генерировать асинхронные колебания.

Блок-схема приемника с автоматическим контролем частоты

(3) Горизонтальная линейная катушка

Горизонтальная линейная катушка представляет собой катушку индуктивности нелинейного магнитного насыщения, индуктивность которой уменьшается с увеличением тока. Обычно он включается последовательно в цепь катушки отклонения линии, чтобы компенсировать линейное искажение изображения с его характеристиками магнитного насыщения.

Горизонтальная линейная катушка намотана эмалированными проводами на Н-образный высокочастотный ферритовый сердечник или ферритовый стержень, а рядом с катушкой установлен регулируемый постоянный магнит.Регулируя относительное положение постоянного магнита и катушки, мы можем изменить размер индуктивности катушки, чтобы добиться линейной компенсации.

2. Дроссельные катушки

Дроссельные индукторы относятся к индуктивным катушкам, используемым для блокировки пути переменного тока в цепи.

Они разделены на высокочастотную дроссельную катушку и низкочастотную дроссельную катушку.

(1) Высокочастотная дроссельная катушка

Высокочастотная дроссельная катушка используется для предотвращения возникновения высокочастотных переменных токов.Он работает в высокочастотных цепях и в основном имеет полые или ферритовые сердечники. Каркас изготовлен из керамических материалов или пластмассы, а катушки намотаны с сотовой сегментной обмоткой или с многослойной плоской сегментной обмоткой.

Дроссели индуктивности

(2) Низкочастотная дроссельная катушка

Низкочастотная дроссельная катушка используется в токовой цепи, звуковой цепи или выходной цепи. Его функция заключается в предотвращении прохождения низкочастотного переменного тока.

Обычно низкочастотная дроссельная катушка, используемая в аудиосхеме, называется звуковой дроссельной катушкой, низкочастотная дроссельная катушка, используемая в выходной цепи возбуждения, называется дроссельной катушкой возбуждения, а та, которая используется в схеме фильтра тока, является названа сглаживающая дроссельная катушка.

В низкочастотных дроссельных катушках обычно используется сердечник из кремнистой листовой стали E-образной формы, сердечник из пермаллоя или ферримагнитный сердечник. Чтобы предотвратить магнитное насыщение, вызванное большим постоянным током, во время установки в сердечнике следует оставить соответствующий зазор.

III Характеристики и функции

1. Характеристики

Свойства индуктора прямо противоположны свойствам конденсатора. Он может препятствовать прохождению переменного тока и обеспечивать беспрепятственное прохождение постоянного тока.

Когда сигнал постоянного тока проходит через катушку, сопротивление — это сопротивление самого провода, и падение напряжения очень мало. Когда сигнал переменного тока проходит через катушку, самоиндуцированная электродвижущая сила будет генерироваться на обоих концах катушки.Направление самоиндуцированной электродвижущей силы противоположно направлению приложенного напряжения, препятствуя прохождению переменного тока. Чем выше частота, тем больше сопротивление катушки.

Катушки индуктивности часто работают с конденсаторами в цепях для формирования LC-фильтров, LC-генераторов и т. Д. Кроме того, люди также используют характеристики катушек индуктивности для производства дроссельных катушек, трансформаторов, реле и т. Д.

2. Функция s

В схеме индуктивность в основном играет роль фильтрации, генерации, задержки и режекции.Кроме того, он также может фильтровать сигнал и шум, стабилизировать ток и подавлять помехи электромагнитных волн.

Самая распространенная функция катушки индуктивности в цепи — это формирование цепи LC-фильтра вместе с конденсаторами. Если через цепь LC-фильтра проходит постоянный ток с множеством сигналов помех, то сигнал помехи переменного тока будет преобразован индуктором в тепловую энергию. Проще всего препятствовать передаче сигнала с более высокой частотой, таким образом подавляется сигнал помехи с более высокой частотой.

IV Параметры индукторов

Основными параметрами индуктора являются индуктивность, допустимое отклонение, добротность, распределенная емкость и номинальный ток.

1. Индуктивность

Индуктивность также называется коэффициентом самоиндукции, который представляет собой физическую величину, отражающую способность индуктивности к самоиндукции.

Значение индуктивности в основном зависит от количества витков катушки, способа намотки, наличия магнитопровода и материала магнитопровода и т. Д.

Как правило, чем больше количество витков катушки, тем плотнее катушки и тем больше индуктивность. Катушка с магнитопроводом имеет большую индуктивность, чем катушка без магнитопровода. Катушка с большей магнитной проницаемостью будет иметь большую индуктивность.

Основной единицей индуктивности является Генри, которая обозначается буквой «H». Другими часто используемыми единицами измерения являются миллигенри (мГн) и микрогенри (мкГн), и соотношение между ними составляет:

2.Допустимое отклонение

Допустимое отклонение относится к допустимому отклонению между номинальной индуктивностью и фактической индуктивностью.

Как правило, индуктор, используемый в колебательных или фильтрующих цепях, требует высокой точности, поэтому допустимое отклонение составляет ± 0,2% — ± 0,5%, в то время как точность катушек, используемых для связи и высокочастотного дросселя, невысока, поэтому Допустимое отклонение обычно составляет ± 10% — 15%.

3. Фактор качества

Фактор качества, также известный как значение Q или оптимальное значение, является основным параметром для измерения качества индуктора.

Это отношение индуктивности к эквивалентному сопротивлению потерь, когда катушка индуктивности работает при переменном напряжении определенной частоты.

Чем выше значение добротности катушки индуктивности, тем меньше потери и выше эффективность.

Добротность индуктора зависит от сопротивления проводов катушки постоянному току, диэлектрических потерь в корпусе катушки и потерь, вызванных железным сердечником и экранирующим корпусом.

4. Распределенная емкость

Распределенная емкость — это емкость между витками катушки, между катушкой и магнитопроводом, между катушкой и землей, а также между катушкой и металлом.

Чем меньше распределенная емкость индуктора, тем лучше его стабильность. Распределенная емкость может увеличить эквивалентное сопротивление потерь и добротность.

А для уменьшения распределенной емкости обычно используются провода с шелковым покрытием или многожильные эмалированные провода, иногда также применяется метод сотовой намотки.

Эмалированные провода

5. Номинальный ток

Номинальный ток — это максимальное значение тока, которое индуктор может выдержать в допустимых рабочих условиях.

Если рабочий ток превышает номинальный, рабочие параметры индуктора изменятся из-за нагрева, и индуктор даже сгорит из-за перегрузки по току.

Формула для расчета В

1. Общая формула

L индуктивность;

мкм проницаемость магнитопровода;

Ae площадь поперечного сечения магнитопровода;

Н количество витков катушки;

I 一 длина магнитного пути магнитопровода.

2. Эмпирическая формула

L 一 индуктивность в Генри (Гн)

μ0 一 вакуумная проницаемость. μ0 = 4π * 10-7

мкс 一 относительная магнитная проницаемость магнитопровода. Для катушки с воздушным сердечником μs = 1.

Н количество витков катушки;

S 一 площадь поперечного сечения змеевика в квадратных метрах

I 一 длина змеевика в метрах

k 一 коэффициент зависит от отношения радиуса (R) к длине (l) катушка.

VI Измерение индуктивности

1. Процедуры измерения

Типы приборов для измерения индуктивности: измеритель RLC (сопротивления, индуктивности и емкости) и измеритель индуктивности.

Метод измерения: измерение с током холостого хода (теоретическое значение) и измерение в реальной цепи (фактическое значение).

Здесь мы обсуждаем измерение холостого хода с помощью измерителя RLC. Ниже приведены конкретные процедуры измерения:

(1) Ознакомьтесь с инструкциями и мерами предосторожности, применяемыми к прибору.

(2) Включите глюкометр и дайте ему подготовиться в течение 15-30 минут.

(3) Выберите передачу L и выберите измерение индуктивности.

(4) Сожмите два зажима вместе и установите их на ноль.

(5) Зажмите два зажима на обоих концах индуктора, считайте значение и запишите индуктивность.

(6) Повторите шаги 4 и 5 для записи 5-8 данных.

(7) Сравните эти измеренные значения: если разница невелика, возьмите среднее значение как теоретическое значение индуктора; если разница слишком велика, повторите шаги со 2 по 6, пока не получите теоретическое значение.

Примечание. Поскольку параметры индуктивности, измеряемые разными приборами, будут несколько отличаться, перед измерением необходимо ознакомиться с приборами. Поняв конкретные функции счетчика, мы можем работать в соответствии с инструкциями.

Измеритель RLC

2. Метод маркировки на принципиальной схеме

(1) Метод прямой маркировки

Основные параметры, такие как индуктивность, допустимый допуск и максимальный рабочий ток индуктора Катушка имеет прямую маркировку цифрами и словами на корпусе катушки индуктивности.

(2) Маркировка с цветом Код

В этом методе используется цветовое кольцо для обозначения индуктивности в мГн. Первое и второе кольцо представляют значащие цифры, третье кольцо представляет множитель, а четвертое кольцо представляет допуск.

M arking with Color Код

3. Оцените производительность

(1) Измерьте индуктивность с помощью мультиметра.Установите шестерню на место диода зуммера, наденьте испытательный провод на два контакта и прочитайте номер.

(2) Для индукторов микросхемы показание должно быть нулевым. Если показание слишком велико или бесконечно, это означает, что индуктор поврежден.

Для индуктора с большим количеством витков катушки и коротким диаметром провода показание будет достигать десятков и нескольких сотен Ом, но обычно сопротивление катушки постоянному току составляет всего несколько Ом.

4. Меры предосторожности

(1) Значение индуктивности стального сердечника и обмотки элемента индуктивности легко изменить при повышении температуры, необходимо поддерживать температуру индуктора в пределах диапазона спецификаций.

(2) После прохождения тока через обмотку индуктора легко сформировать электромагнитное поле. Когда мы размещаем компоненты, необходимо держать индукторы подальше друг от друга или держать группы обмоток под прямым углом друг к другу, чтобы уменьшить величину индукции между собой.

(3) Между слоями обмотки катушки индуктивности, особенно обмоткой с многооборотными и тонкими линиями, будет зазор, что приведет к обходу высокочастотного сигнала и уменьшит фактический эффект фильтрации катушки индуктивности.

(4) Когда мы измеряем значение индуктивности и Q с помощью измерителя, измерительный провод должен находиться как можно ближе к корпусу компонента, чтобы получить правильные данные.

VII Индуктор VS. Магнитный шарик

1. Индуктор является элементом накопления энергии, а магнитный шарик — устройством преобразования (потребления) энергии;

2. Катушка индуктивности в основном используется в цепи фильтра источника питания, а магнитный шарик в основном используется для ЭМС (электромагнитной совместимости) в сигнальной цепи;

3. Магнитные шарики в основном используются для подавления электромагнитных помех, а индукторы — для подавления проводящих помех. Оба могут использоваться для решения проблем EMC и EMI (электромагнитных помех).

Существует два пути электромагнитных помех: излучение и проводимость. Для разных путей применяются разные методы подавления. В первом случае используются магнитные шарики, а во втором — индуктивность.

4. Магнитные шарики используются для поглощения сигналов УВЧ (сверхвысоких частот).Магнитные шарики часто добавляются во входную часть некоторых радиочастотных цепей, PLL (Phase Locking Loop), колебательного контура, включая схему памяти UHF (DDR SDRAM, RAMBUS и т. Д.). Индукторы — это элементы накопления энергии, используемые в колебательных контурах LC и цепях фильтров низкой и средней частоты (редко превышающих 50 МГц);

5. Индуктор обычно используется для согласования цепей и контроля качества сигнала при заземлении и подключении источника питания. Магнитные бусины обычно используются вместо AGND (аналоговая земля) и DGND (цифровая земля).Они также используются для сигнальных линий.

Размер шарика (или характеристическая кривая шарика) зависит от частоты интерференционной волны, которую шарик должен поглотить.

Статья по теме:

Обзор синфазных дросселей

Индуктивность, импеданс и потери — Блог о пассивных компонентах

L.1.7 Индуктивность L

Не только магнитные материалы обладают магнитным полем, каждый проводник с током сам создает магнитное поле.

Рис. 1.23: Магнитные поля токоведущих проводов

Энергия может временно храниться в магнитном поле. Этот эффект технически используется в катушках, состоящих из одной или нескольких проволочных обмоток. Синонимичный термин «индуктор» утвердился.

Существуют различные типы индукторов или катушек:

• Воздушные змеевики (без феррита)
• Дроссельные катушки с сердечником из порошкового железа или ферритовым сердечником
• Катушка с тороидальным сердечником
• Катушка сердечника стержня
Типы
• SMD становятся все более важными из-за их небольшого размера.Помимо индукторов SMD с обмоткой, все большее распространение получают индукторы для многопользовательской игры.

Все катушки имеют особое поведение, более подробно описанное в следующих определениях.

1.7.1 Определение индуктивности L

Элемент схемы, который реагирует на изменение тока противодавлением, проявляет индуктивные свойства. Катушка индуктивности — это пассивный компонент, который, как сопротивление переменному току, создает противодействующее напряжение — напряжение самоиндукции.

Напряжение самоиндукции (U _ind ) на выводах индуктора зависит от скорости изменения тока (di / dt) и константы пропорциональности, индуктивности (L):

Индуктивность (L ) катушки зависит от материала сердечника, геометрии материала сердечника, витков обмотки и типа обмоток. Следующее уравнение обычно применяется для расчета индуктивности (L):

Единицей измерения индуктивности (L) является Генри (H) = Vs / A .

Индуктивность сердечников со вставленным воздушным зазором можно рассчитать по следующей формуле:

l _{среднее значение} = средняя длина магнитного пути в сердечнике (без воздушного зазора)
l _зазор = длина пути воздушный зазор (а)
μ _r = относительная проницаемость

Эта формула, вставленная в формулу для расчета общей индуктивности, дает:

Это также позволяет определить ширину воздушного зазора, если известны требуемая индуктивность L и другие параметры.Здесь следует иметь в виду, что приведенная выше формула применима только в том случае, если μ _r велико, а длина воздушного зазора намного меньше средней длины в сердечнике.

Чтобы учесть паразитные эффекты и их влияние на индуктивность, Маклайман предлагает следующую форму расчета паразитных эффектов F:

w _h = высота обмотки
l _зазор = длина пути воздушного зазора ( s)
A _зазор = площадь поперечного сечения воздушного зазора
F = коэффициент рассеяния

В результате индуктивность L _F изменяется на расчетное значение L _{зазора в} раз больше, чем коэффициент рассеяния F:

Положительное влияние воздушного зазора заключается в увеличении тока насыщения для сердечника того же размера.Недостатком является то, что для достижения заданного значения L теперь необходимо увеличить количество витков, и поэтому, если для обмотки нет свободного места, для более толстого или более одного провода в бифилярной или трехзаходной обмотке сопротивление постоянному току обмотки также увеличивается.

Ни при каких обстоятельствах не следует уменьшать количество витков для компенсации паразитного эффекта — это дополнительно увеличивает индукцию и может привести к преждевременному насыщению.

Требуемая ширина воздушного зазора для данной индуктивности L с учетом паразитного фактора F может быть рассчитана в первом приближении следующим образом:

1.7.2 Определение значения A _L

Чтобы избавить пользователя от расчета эффективной магнитной длины (l _eff ) и площади (A _eff ), для тороидальных сердечников и гильз указано соответствующее значение A _L . Он представляет собой эффективную индуктивность для одной обмотки и должен быть умножен на квадрат витков обмотки (N), чтобы получить фактическую индуктивность (L).

Величина (A _L ) — это индуктивность (L) при условии N = 1 витков обмотки.Таким образом, учитывая значение A _L , необходимое количество обмоток катушки может быть найдено без необходимости проделывать долгий путь с учетом геометрических данных сердечника:

Пример:
Требуемая индуктивность 100 мкГн; сердечник имеет значение A _L , равное 250 нГн / Н ²

Результат:
Сердечник должен иметь 20 обмоток для создания индуктивности 100 мкГн.

1.7.3 Импеданс Z

Если катушка индуктивности работает от переменного напряжения, очевидно, что она имеет другое сопротивление, чем при работе на постоянном токе.

Сопротивление переменного напряжения, приложенного к клеммам катушки, называется импедансом (Z) .

Рис. 1.24: Соотношение между импедансом, реактивным сопротивлением и сопротивлением

Импеданс (Z) зависит от частоты и складывается из геометрической суммы сопротивления потерь (R) и реактивного сопротивления (X _L ) идеальной катушки (L).

Реактивное сопротивление X _L определяется следующим образом:

Наблюдение:

Импеданс растет с увеличением частоты.

Эта линейная зависимость продолжается до бесконечно высоких частот для идеальной катушки.

Рис. 1.25: Кривая импеданса для реальных катушек индуктивности

Однако из-за частотной зависимости проницаемости и конструкции катушки и паразитной емкости применимость катушек на высоких частотах ограничена.

Импеданс быстро уменьшается от собственной резонансной частоты; индуктивный характер катушки исчезает.

1.7.4 Собственная резонансная частота (SFR)

Рис. 1.26: Эквивалентная схема реальной индуктивности

Каждая катушка индуктивности также имеет емкостную связь, возникающую из ее обмоток или многослойных элементов. Эти паразитные емкости обозначены конденсатором (C) в эквивалентной схеме. Этот конденсатор в катушке образует параллельный резонансный контур с индуктивностью.

На собственной резонансной частоте входная энергия колеблется между элементами индуктивности и емкости.Внешняя энергия больше не поглощается (идеальная катушка).

Если катушка работает выше своего резонанса, она становится все более емкостной. На практике катушки должны работать намного ниже их резонансной частоты.

1,7,5 R потери

Активная мощность (тепловые потери) не рассеивается на реактивном сопротивлении X _L из-за сдвига фаз на 90 ° между напряжением и током. Общие потери в катушке можно объединить в сопротивление потерь (R), которое последовательно соединено с идеальной индуктивностью (L).В результате получается эквивалентная схема реальной индуктивности (см. Рисунок 1.26).

Поскольку потери в R зависят от частоты, сопротивление постоянному току (DCR) также всегда определяется в технических характеристиках. Это зависит от материала используемого провода или типа конструкции индукторов SMD и определяется при комнатной температуре путем простого измерения сопротивления.

Размер сопротивления DCR напрямую влияет на повышение температуры катушки. Поэтому следует избегать длительного превышения текущего номинального значения.Общие потери в катушке состоят как из потерь в сопротивлении постоянному току DCR, так и из следующих частотно-зависимых компонентов:

• Потери в материале сердечника (потери на магнитный гистерезис, вихретоковые потери)
• Дополнительные потери в проводнике от скин-эффекта (смещение тока на высоких частотах)
• Потери магнитного поля соседних обмоток (эффект близости)
• Радиационные потери
• Потери от дополнительной магнитной защиты (WE-MI)

Все эти компоненты потерь можно объединить в сопротивление потерь (R).Это сопротивление потерь в первую очередь отвечает за определение качества катушки индуктивности. К сожалению, математическое определение сопротивления потерь R невозможно.

Поэтому индукторы обычно измеряются во всем частотном диапазоне с помощью анализатора импеданса. Это измерение обеспечивает отдельные компоненты X _L (f), R (f) и Z (f). Добротность определяется как характеристика качества индуктора.

1.7.6 Потери в меди

Потери в меди для индуктивных компонентов состоят из потерь на постоянный ток и потерь на вихревые токи.Потери постоянного тока рассчитываются по закону Ома:

P _В = потеря мощности
R = сопротивление постоянному току
I _RMS = эффективный ток

На более высоких частотах также есть потери из-за скин-эффекта и эффекта близости. Эти потери от вихревых токов можно напрямую объяснить законом Фарадея. Ток, протекающий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле.

Это магнитное поле быстро изменяется из-за высокой частоты, так что в проводнике и в соседних проводниках индуцируется напряжение.Это напряжение генерирует ток, противодействующий исходному току. Таким образом, в проводнике, а также в соседних проводниках возникают дополнительные токи.

Рассматривая одиночный проводник, говорят о скин-эффекте. Для проводников, по которым протекают токи высокой частоты, ток течет только по внешней обшивке проводника (рисунок 1.27). Глубина проникновения, при которой плотность тока упала до значения 1 / e, определяется по формуле:

δ = глубина проникновения
ρ = удельное сопротивление
ω = угловая частота 2 πf
μ = проницаемость проводника (для меди μ ₀ )

Глубина проникновения при 50 Гц равна 9.38 мм, при 10 кГц — 0,66 мм.

Рис. 1.27: Распределение тока в проводнике на высокой частоте. В качестве примера приведен диаметр проволоки, в 7 раз превышающий глубину проплавления.

Эффект близости играет гораздо большую роль для трансформаторов, когда соседние проводники генерируют поля, смещенные током. Возможность расчета потерь на вихревые токи для простых геометрий описана Доуэллом. Теория была развита Карстеном. Математическое описание выходит далеко за рамки этой книги.

Здесь гораздо важнее описать имеющиеся варианты ограничения потерь на вихревые токи. Потери на вихревые токи зависят от величины магнитного поля. Таким образом, способ ограничения потерь на вихревые токи заключается в ограничении напряженности магнитного поля.

Это может быть достигнуто, например, путем чередования обмоток, т.е. наматывается половина первичной обмотки, затем вторичная обмотка, а затем вторая половина первичной обмотки. Это снижает абсолютную величину магнитного поля и, следовательно, потери на вихревые токи.На рисунке 1.28 показан профиль поля H в обмотке из медной фольги со структурой обмотки первичная — вторичная и половина первичной вторичной обмоток — половина первичной.

Напряженность магнитного поля внутри обмотки возрастает изнутри наружу, потому что все больше витков (все большие токи) ограничиваются силовыми линиями. Магнитное поле вторичной обмотки противоположно исходному полю. Это снова служит для уменьшения магнитного поля. Уменьшение величины поля H очевидно.

Рис. 1.28: Профиль магнитного поля в трансформаторе с различными конфигурациями обмоток.

Тонкие плоские проводники, например медная фольга, также может использоваться для намотки. Толщина должна быть порядка глубины проникновения. Это следует использовать только для небольшого числа витков, поскольку при большем количестве обмоток большое количество слоев приводит к более высоким потерям на вихревые токи.

Еще одним вариантом уменьшения вихревых токов является намотка более тонкими изолированными проводами, а не толстыми.Здесь необходимо следить за тем, чтобы отдельные провода, подключенные параллельно, имели одинаковое распределение тока. ВЧ-литц-провода предлагают здесь вариант, при котором отдельные провода скручиваются друг с другом, так что в среднем каждый провод имеет одинаковое положение в магнитном поле. С этим вариантом также нужно следить, чтобы количество слоев не было слишком большим.

1.7.7 Определение добротности Q

Компонент входящей извне энергии, преобразованной в тепло в сопротивлении потерь R, не влияет на энергию, запасенную в магнитном поле.Чем больше эти потери, тем хуже индуктор действует как буфер.

Это определяет качество как фактор качества Q следующим образом:

Практические значения:

• Воздушный змеевик Q до 400
• Ферритовый дроссель Q до 150
• Многопользовательские индукторы SMD Q до 60

График качество-частота помогает выбрать лучшую конструкцию индуктора для конкретного применения.

Фиг.1.29: График добротности-частота

Наблюдения:

• Качество повышается до максимального значения, а затем снижается.
• Можно предположить постоянные малые потери в сопротивлении R индуктора вплоть до пикового значения качества.
• За пределами пикового значения становятся очевидными значительные потери, а также изменяется индуктивность из-за нелинейности ферритового материала.
• Рабочий диапазон с наименьшими потерями может быть определен до критической точки качества.Если катушка индуктивности используется на более высоких частотах, потери быстро увеличиваются.

1.7.8 Температурный режим

Рис. 1.30: Температурный дрейф многослойного индуктора

Катушки с ферромагнитным сердечником демонстрируют переменную индуктивность в зависимости от температуры окружающей среды. Если к стабильности цепей фильтров, построенных с индукторами
, предъявляются высокие требования (например, в измерительной технике), целесообразно выбрать катушку с почти линейной температурной кривой.В этом случае изменение индуктивности ΔL относительно номинальной индуктивности L катушки является наименьшим. На рисунке 1.30 показан этот график для многослойной катушки индуктивности.

1.7.9 Номинальный ток

Номинальный ток, который может выдерживать индуктор, более точно определен в главе о компонентах для различных продуктов.

Номинальный ток обычно связан с заявлением о самонагреве компонента. Если компонент работает при номинальном токе, он нагревается выше температуры окружающей среды на температуру, указанную в техническом паспорте.

Затем необходимо выяснить, подходит ли полученная температура компонента для данного применения. В противном случае необходимо выбрать компонент с более высокой допустимой нагрузочной способностью по номинальному току. Необходимо убедиться, что при работе при номинальном токе деталь не превышает рабочую температуру (в противном случае необходимо снижение номинальных характеристик).

Пример:
Экранированный многослойный индуктор (WE-MI) Максимальное значение номинального тока достигается, если повышение температуры компонента превышает 20 ° C для выбранного испытательного тока.

1.7.10 Ток насыщения

Ток насыщения катушки индуктивности — это ток, при котором значение индуктивности упало на процент, указанный в таблице данных.

Пример:
Накопительные дроссели серии WE-PD

Здесь ток насыщения определяет ток, при котором индуктивность упала на 10%.

Примечание!
Специально для приложений с коммутационным контроллером или приложений с высокими емкостными нагрузками или высокими пусковыми токами, пиковый ток, протекающий через катушку индуктивности, может быть значительно выше в момент включения, чем при нормальной работе.Это может привести к полному насыщению компонента и, как следствие, к возможным последующим неисправностям электроники. Желательно понимать и ограничивать ток или активировать функции плавного пуска.

Рис. 1.31: График индуктивности-тока

---

ABC CLR: Глава L Индукторы

Индуктивность, импеданс и потери

Контент, лицензированный EPCI: Würth Elektronik eiSos, Trilogy of Magnetics, распечатки справочника можно заказать здесь.

Содержание этой страницы находится под международной лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0.

Как понять параметры силовых индукторов для преобразователей постоянного / постоянного тока

В таблицах данных обычно упоминается индуктивность с допуском, номинальный ток, ток насыщения, диапазон температур окружающей среды, максимальная температура детали, DCR и SRF — но что означают эти параметры? Когда использовать экранированный, а когда неэкранированный индуктор?

Это архивная статья, опубликованная 16.06.2017. Некоторая информация может быть устаревшей и соответствовать текущему состоянию. Пожалуйста, свяжитесь с нами в случае заинтересованности.

Экранированный или неэкранированный?

Неэкранированные индукторы имеют разомкнутую магнитную цепь. Магнитный поток, индуцируемый в сердечнике током в обмотке, выходит из сердечника и распространяется по воздуху на другую сторону сердечника, где он завершает путь потока. Магнитный поток вне сердечника влияет на близлежащие цепи. Неэкранированный индуктор того же размера, что и экранированный, имеет больший ток насыщения и меньшую стоимость.

Экранированная катушка индуктивности сконструирована таким образом, что магнитный поток никогда не покидает сердечник, предотвращая влияние магнитного потока на чувствительные компоненты, которые могут находиться поблизости. Экранированный индуктор того же размера, что и неэкранированный, имеет меньший ток насыщения и более высокую стоимость.

Последние достижения в области технологий позволяют изготавливать композитных катушек индуктивности . Сердечник индуктора изготовлен из металлического порошка (железа, сплава железа или смеси железа и других металлов) с размером частиц от 4 до 10 мкм.Катушка, соединенная с контактными площадками, помещается в стальную матрицу, заполненную металлическим порошком, обеспечивая полное окружение катушки порошком. Затем порошок сжимается с помощью инструмента сверху и снизу под давлением около 600 МПа для образования плотного магнитного сердечника вокруг катушки. Частицы металла внутри сердечника окружены немагнитным и непроводящим материалом (оксид кремния, органическое связующее), что создает распределенный «воздушный зазор». Изготовленные таким образом индукторы экранированы и имеют отличные параметры, особенно высокий ток насыщения.

Экранированные катушки индуктивности более дороги и имеют меньший ток насыщения (при тех же физических размерах, материале сердечника и индуктивности), но они значительно снижают электромагнитные помехи (EMI). Почти всегда стоит использовать экранированные катушки индуктивности, чтобы избежать проблем с электромагнитными помехами. Это особенно верно, когда преобразователь использует более высокие частоты переключения.

Индуктивность и саморезонансная частота (SRF)

Индуктивность обычно измеряется небольшим напряжением (0.1 Vrms) на частоте 100 кГц без смещения постоянного тока. Типичный допуск производственной индуктивности составляет ± 20%. SRF — это частота, на которой индуктивность обмотки индуктора естественным образом резонирует с характеристикой распределенной емкости этой обмотки. Хорошее практическое правило — поддерживать частоту переключения в десять раз ниже, чем SRF.

Номинальный ток и ток насыщения

Номинальный ток — это эффективный постоянный (или низкочастотный переменный) ток, который вызывает повышение температуры катушки до определенного значения, обычно 40 ° C.

Производители используют разные тестовые печатные платы и не предоставляют подробной информации, что затрудняет сравнение катушек между различными производителями. Повышение температуры в значительной степени зависит от многих факторов, включая структуру контакта печатной платы, размер следов, близость к другим компонентам и т. Д. Следовательно, повышение температуры должно быть проверено в конечном продукте.
Ток насыщения определяется как постоянный ток смещения, который вызывает определенное уменьшение индуктивности, обычно на 10%, 20% или 30%.
Различные производители используют разное падение индуктивности для определения тока насыщения, что делает сравнение катушек более трудоемким.

Диапазон температуры окружающей среды и максимальная температура змеевика

В нескольких источниках указаны разные места для определения температуры окружающей среды. В технических данных нет четкого определения места измерения температуры окружающей среды. См. Статью Что такое температура окружающей среды и почему это важно? или задокументируйте тепловые показатели полупроводников и корпусов ИС для получения дополнительной информации.

Максимальная температура змеевика дает более полезную информацию, поскольку позволяет проверить температуру змеевика в конечном продукте. Температура змеевика не должна превышать определенного значения в самых тяжелых условиях эксплуатации. На температуру катушки влияет конструкция схемы, размещение компонентов, размер и толщина дорожек на печатной плате, воздушный поток и другие характеристики охлаждения.

Сопротивление постоянному току (DCR)

Это сопротивление катушки постоянному току, измеренное при комнатной температуре 25 ° C. DCR зависит от температуры.Обычно обмотка выполняется из медной проволоки. Температурный коэффициент сопротивления меди составляет примерно + 0,4% на ° C. Это не выглядит слишком большим, но для температуры катушки 125 ° C это означает (125-25) * 0,4% = 40% увеличение сопротивления.
Сопротивление также увеличивается с частотой из-за скин-эффекта. Сопротивление переменному току (ACR) не упоминается в таблице данных.

Типичная конструкция преобразователя постоянного тока в постоянный рассчитывает с размахом пульсаций тока через катушку индуктивности от 20 до 40% выходного постоянного тока.2 * Rdc = 0,06Pdc.
Для 1 МГц Rtot = Rdc + 2,5Rdc = 3,5Rdc и Pac = 0,1Pdc. Сопротивление

по переменному току увеличивает потери мощности в обмотке, поэтому рекомендуется запросить у поставщика информацию о потерях в зависимости от частоты.

Как собрать все вместе

Катушка для DC / DC преобразователя должна быть выбрана таким образом, чтобы:
• не перегревается даже в самых тяжелых условиях работы
• индуктивность не опускается ниже значения, необходимого для стабильности преобразователя.
• исключается резкое насыщение
• преобразователь имеет необходимый размер
• преобразователь имеет самый высокий КПД

Другие параметры преобразователя, такие как пульсации выходного напряжения и переходная характеристика, также влияют на значение индуктивности.

Чтобы быстро оценить, подходит ли катушка для конкретного применения, некоторые производители, такие как Vishay, Panasonic и Coilcraft, предоставляют веб-ПО.

Вы можете проверить:

• http://www.vishay.com/inductors/calculator/calculator/
• http://www.coilcraft.com/apps/power_tools/power/
• https://util01.industrial.panasonic.com/ww/utilities/ds/chr-vw/view03/
• https://util01.industrial.panasonic.com/ww/utilities/ds/pcc-sim/

Для получения дополнительной информации о нашем предложении катушек посетите наши веб-страницы или свяжитесь с нами по адресу sales @ soselectronic.com.

Не пропустите эти статьи

Вам нравятся наши статьи? Не пропустите ни одного из них! Вам не о чем беспокоиться, мы организуем вам доставку.

Меня интересует

Дата публикации 16.06.2017.
Когда вы публикуете статью на своем веб-сайте, укажите ее источник: https://www.soselectronic.com/articles/sos-supplier-of-solution/how-to-understand-power-inductors-parameters-for-dc- DC-преобразователи-2005

Индуктивность | Физика II

Индукция — это процесс, при котором ЭДС индуцируется изменением магнитного потока.До сих пор обсуждалось множество примеров, некоторые из которых более эффективны, чем другие. Трансформаторы, например, спроектированы так, чтобы быть особенно эффективными при наведении желаемого напряжения и тока с очень небольшими потерями энергии в другие формы. Есть ли полезная физическая величина, связанная с тем, насколько «эффективно» данное устройство? Ответ положительный, и эта физическая величина называется , индуктивность . Взаимная индуктивность — это влияние закона индукции Фарадея для одного устройства на другое, например, первичная катушка, при передаче энергии вторичной обмотке в трансформаторе.См. Рис. 1, где простые катушки индуцируют ЭДС друг в друге.

Рис. 1. Эти катушки могут вызывать ЭДС друг в друге, как неэффективный трансформатор. Их взаимная индуктивность M указывает на эффективность связи между ними. Здесь видно, что изменение тока в катушке 1 вызывает ЭДС в катушке 2. (Обратите внимание, что « E ₂ индуцированный» представляет наведенную ЭДС в катушке 2.)

Во многих случаях, когда геометрия устройств фиксирована, магнитный поток изменяется за счет изменения тока.Поэтому мы сконцентрируемся на скорости изменения тока Δ I / Δ t как причине индукции. Изменение тока I ₁ в одном устройстве, катушка 1 на рисунке, индуцирует ЭДС ₂ в другом. Мы выражаем это в форме уравнения как

[латекс] {\ text {emf}} _ {2} = — M \ frac {\ Delta {I} _ {1}} {\ Delta t} \\ [/ latex],

, где M определяется как взаимная индуктивность между двумя устройствами. Знак минус является выражением закона Ленца.Чем больше взаимная индуктивность M , тем эффективнее связь. Например, катушки на рисунке 1 имеют небольшой размер M по сравнению с катушками трансформатора на рисунке 3 от Transformers. Единицами измерения для M являются (В с) / A = Ом ⋅ с, который назван henry (H) в честь Джозефа Генри. То есть 1 H = 1 Ω⋅s. Природа здесь симметрична. Если мы изменим ток I ₂ в катушке 2, мы индуцируем ЭДС ₁ в катушке 1, что равно

[латекс] {\ text {emf}} _ {1} = — M \ frac {\ Delta {I} _ {2}} {\ Delta t} \\ [/ latex],

, где M то же самое, что и для обратного процесса.Трансформаторы работают в обратном направлении с такой же эффективностью или взаимной индуктивностью M . Большая взаимная индуктивность M может быть или нежелательна. Мы хотим, чтобы трансформатор имел большую взаимную индуктивность. Но такой прибор, как электрическая сушилка для одежды, может вызвать опасную ЭДС на корпусе, если взаимная индуктивность между его катушками и корпусом велика. Один из способов уменьшить взаимную индуктивность M состоит в том, чтобы намотать катушки против ветра, чтобы нейтрализовать создаваемое магнитное поле.(См. Рисунок 2.)

Рис. 2. Нагревательные катушки электрической сушилки для одежды могут быть намотаны в противоположную сторону, так что их магнитные поля нейтрализуют друг друга, что значительно снижает взаимную индуктивность по сравнению с корпусом сушилки.

Самоиндукция , действие закона индукции Фарадея устройства на самого себя, также существует. Когда, например, увеличивается ток через катушку, магнитное поле и магнитный поток также увеличиваются, вызывая противоэдс, как того требует закон Ленца.И наоборот, если ток уменьшается, индуцируется ЭДС, которая препятствует уменьшению. Большинство устройств имеют фиксированную геометрию, поэтому изменение магнитного потока полностью связано с изменением тока Δ I через устройство. Индуцированная ЭДС связана с физической геометрией устройства и скоростью изменения тока. Выдается

[латекс] \ text {emf} = — L \ frac {\ Delta I} {\ Delta t} [/ latex],

, где L — собственная индуктивность устройства. Устройство, которое демонстрирует значительную самоиндукцию, называется индуктором и обозначено символом на рисунке 3.

Рисунок 3.

Знак минус является выражением закона Ленца, означающего, что ЭДС препятствует изменению тока. Единицами самоиндукции являются генри (Гн), как и для взаимной индуктивности. Чем больше самоиндукция L устройства, тем сильнее оно сопротивляется любому изменению тока через него. Например, большая катушка с множеством витков и железным сердечником имеет большой L и не позволит току быстро меняться. Чтобы избежать этого эффекта, необходимо добиться небольшого размера L , например, за счет встречной намотки катушек, как показано на рисунке 2.Катушка индуктивности 1 H — это большая катушка индуктивности. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим устройство с L = 1,0 Гн, через которое протекает ток 10 А. Что произойдет, если мы попытаемся быстро отключить ток, возможно, всего за 1,0 мс? ЭДС, заданная как ЭДС = — L (Δ I / Δ t ), будет препятствовать изменению. Таким образом, ЭДС будет индуцирована ЭДС = — L (Δ I / Δ t ) = (1,0 H) [(10 A) / (1,0 мс)] = 10 000 В. Знак плюс означает, что это большое напряжение идет в том же направлении, что и ток, противодействуя его уменьшению.Такие большие ЭДС могут вызвать дуги, повредить коммутационное оборудование, и поэтому может потребоваться более медленное изменение тока. Есть применение для такого большого наведенного напряжения. Во вспышках камеры используются батарея, два индуктора, которые работают как трансформатор, и система переключения или генератор для создания больших напряжений. (Помните, что нам нужно изменяющееся магнитное поле, вызванное изменяющимся током, чтобы вызвать напряжение в другой катушке.) Система генератора будет делать это много раз, когда напряжение батареи повышается до более чем тысячи вольт.(Вы можете услышать пронзительный вой от трансформатора, когда конденсатор заряжается.) Конденсатор сохраняет высокое напряжение для последующего использования для питания вспышки. (См. Рисунок 4.)

Рис. 4. Благодаря быстрому переключению катушки индуктивности можно использовать батареи 1,5 В для индукции ЭДС в несколько тысяч вольт. Это напряжение можно использовать для хранения заряда в конденсаторе для последующего использования, например, в насадке для вспышки камеры.

Можно рассчитать L для индуктора, учитывая его геометрию (размер и форму) и зная создаваемое магнитное поле.В большинстве случаев это сложно из-за сложности создаваемого поля. Таким образом, в этом тексте индуктивность L обычно является заданной величиной. Единственным исключением является соленоид, потому что он имеет очень однородное поле внутри, почти нулевое поле снаружи и простую форму. Поучительно вывести уравнение для его индуктивности. Начнем с того, что наведенная ЭДС определяется законом индукции Фарадея как ЭДС = — Н (Δ Φ / Δ t ) и, по определению самоиндукции, как ЭДС = — L . (Δ I / Δ т ).Приравнивая эти доходности к

[латекс] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} = — L \ frac {\ Delta I} {\ Delta t} \\ [/ latex]

Решение для L дает

[латекс] L = N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta I} \\ [/ latex]

Это уравнение для самоиндукции L устройства всегда верно. Это означает, что самоиндукция L зависит от того, насколько эффективен ток для создания магнитного потока; чем эффективнее, тем больше Δ Φ / Δ I .Давайте воспользуемся этим последним уравнением, чтобы найти выражение для индуктивности соленоида. Поскольку площадь A соленоида является фиксированной, изменение магнитного потока составляет Δ Φ = Δ ( B A ) = A Δ B . Чтобы найти Δ B , заметим, что магнитное поле соленоида определяется выражением [латекс] B = {\ mu} _ {0} {nI} = {\ mu} _ {0} \ frac {NI} { \ ell} \\ [/ латекс]. {2} \ влево (1.{2} \ right)} {0.100 \ text {m}} \\ & = & 0.632 \ text {mH} \ end {array} \\ [/ latex].

Обсуждение

Этот соленоид среднего размера. Его индуктивность около миллигенри также считается умеренной.

Одно из распространенных применений индуктивности используется в светофорах, которые могут определить, когда автомобили ждут на перекрестке. Электрическая цепь с индуктором размещается на дороге под местом остановки ожидающей машины. Кузов автомобиля увеличивает индуктивность, и схема изменяется, посылая сигнал на светофор, чтобы изменить цвет.Точно так же металлоискатели, используемые для безопасности аэропортов, используют ту же технику. Катушка или индуктор в корпусе металлоискателя действует как передатчик и как приемник. Импульсный сигнал в катушке передатчика вызывает сигнал в приемнике. На самоиндукцию цепи влияет любой металлический предмет на пути. Такие детекторы могут быть настроены на чувствительность, а также могут указывать приблизительное местонахождение обнаруженного на человеке металла. (Но они не смогут обнаружить пластиковую взрывчатку, подобную той, которая была обнаружена на «бомбардировщике в нижнем белье.”) См. Рисунок 5.

Рис. 5. Знакомые ворота безопасности в аэропорту могут не только обнаруживать металлы, но и указывать их приблизительную высоту над полом. (Источник: Alexbuirds, Wikimedia Commons)

% PDF-1.3 % 71 0 объект > эндобдж xref 71 81 0000000016 00000 н. 0000001968 00000 н. 0000002866 00000 н. 0000003080 00000 н. 0000003385 00000 н. 0000003703 00000 н. 0000003854 00000 н. 0000004157 00000 н. 0000004308 00000 п. 0000004511 00000 н. 0000004662 00000 н. 0000004963 00000 н. 0000005159 00000 н. 0000005392 00000 п. 0000005952 00000 н. 0000006181 00000 п. 0000006677 00000 н. 0000006910 00000 п. 0000007225 00000 н. 0000007454 00000 н. 0000007637 00000 н. 0000007677 00000 н. 0000007699 00000 н. 0000010341 00000 п. 0000010775 00000 п. 0000010927 00000 п. 0000011282 00000 п. 0000011477 00000 п. 0000011706 00000 п. 0000011857 ​​00000 п. 0000011880 00000 п. 0000014166 00000 п. 0000014189 00000 п. 0000015567 00000 п. 0000015589 00000 п. 0000016587 00000 п. 0000016610 00000 п. 0000018092 00000 п. 0000018312 00000 п. 0000018466 00000 п. 0000018796 00000 п. 0000019214 00000 п. 0000019237 00000 п. 0000021092 00000 п. 0000021395 00000 п. 0000021548 00000 н. 0000021571 00000 п. 0000023866 00000 п. 0000023889 00000 п. 0000025855 00000 п. 0000026081 00000 п. 0000026285 00000 п. 0000028119 00000 п. 0000028198 00000 п. 0000030767 00000 п. 0000069663 00000 п. 0000071423 00000 п. 0000074101 00000 п. 0000083107 00000 п. 0000083334 00000 п. 0000083536 00000 п. 0000092601 00000 п. 0000115861 00000 н. 0000116066 00000 н. 0000116605 00000 н. 0000116815 00000 н. 0000126400 00000 н. 0000131259 00000 н. 0000140391 00000 н. 0000140723 00000 п. 0000140926 00000 н. 0000148015 00000 н. 0000148217 00000 н. 0000148465 00000 н.