Катушка индуктивности. Описание, характеристики, формула расчета
Содержание материала
Определение и принцип действия
Катушка индуктивности — это катушка смотанного в спираль или другую форму изолированного проводника. Основные особенности и свойства: высокая индуктивность при низкой ёмкости и активном сопротивлении.
Она накапливает энергию в магнитном поле. На рисунке ниже вы видите её условное графическое обозначение на схеме (УГО) в разных видах и функциональных назначениях.
Она может быть с сердечником и без него. При этом с сердечником индуктивность будет в разы больше, чем если его нет. От материала, из которого изготовлен сердечник, также зависит величина индуктивности. Сердечник может быть сплошным или разомкнутым (с зазором).
Напомним один из законов коммутации:
Ток в индуктивности не может измениться мгновенно.
Это значит, что катушка индуктивности — это своего рода инерционный элемент в электрической цепи (реактивное сопротивление).
Давайте поговорим, как работает это устройство? Чем больше индуктивность, тем больше изменение тока будет отставать от изменения напряжения, а в цепях переменного тока — фаза тока отставать от фазы напряжения.
В этом и заключается принцип работы катушек индуктивности – накопление энергии и задерживание фронта нарастания тока в цепи.
Из этого же вытекает и следующий факт: при разрыве в цепи с высокой индуктивностью напряжение на ключе повышается и образуется дуга, если ключ полупроводниковый — происходит его пробой. Для борьбы с этим используются снабберные цепи, чаще всего из резистора и конденсатора, установленного параллельно ключу.
Постоянная времени индуктора
Теперь мы знаем, что ток не может изменяться мгновенно в индуктивности, потому что для этого ток должен измениться на конечную величину за нулевое время, что приведет к тому, что скорость изменения тока будет бесконечной di / dt = ∞ , делая индуцированную ЭДС бесконечной, а бесконечного напряжения не существует. Однако, если ток, протекающий через индуктор, изменяется очень быстро, например, при работе переключателя, на катушке индуктивности могут возникать высокие напряжения.
Рассмотрим схему индуктора выше. Когда переключатель ( S1 ) разомкнут, ток через катушку индуктивности не течет. Поскольку через индуктор ток не течет, скорость изменения тока ( di / dt ) в катушке будет равна нулю. Если скорость изменения тока равна нулю, то в катушке индуктивности нет ЭДС самоиндукции ( V L= 0 ).
Если мы теперь закроем переключатель (t = 0), ток будет проходить через цепь и медленно подниматься до своего максимального значения со скоростью, определяемой индуктивностью индуктора. Эта скорость тока, протекающего через катушку индуктивности, умноженная на индуктивность по Генри, приводит к тому, что на катушке образуется некоторая самоиндуцированная ЭДС с фиксированным значением, определенная уравнением Фарадея V L = Ldi / dt.
Эта самоиндуцированная ЭДС на катушке индуктивности ( V L ) борется с приложенным напряжением до тех пор, пока ток не достигнет своего максимального значения и не будет достигнуто устойчивое состояние. Ток, который сейчас течет через катушку, определяется только постоянным или «чистым» сопротивлением обмоток катушек, поскольку значение реактивного сопротивления катушки уменьшилось до нуля, поскольку скорость изменения тока (di / dt) равна нулю в устойчивом состоянии. Другими словами, теперь существует только сопротивление катушек постоянного тока, чтобы противостоять потоку тока.
Аналогичным образом, если переключатель ( S1 ) разомкнут, ток, протекающий через катушку, начнет падать, но индуктор снова будет бороться с этим изменением и попытается удержать ток в своем прежнем значении, индуцируя напряжение в другом направлении. Наклон падения будет отрицательным и связан с индуктивностью катушки, как показано ниже.
Зачем используют
Как мы уже отмечали в нашей статье, катушки имеют очень широкое применение в электрических приборах. Ниже более подробно расскажем, где и в каких устройствах их используют. Катушка как дроссель. Чаще всего ограничивают ток. Применяют в следующих цепях:
- В устройстве для разжигания и обеспечения питанием газоразрядной лампы.
- Как фильтры от различных помех. Может фильтровать как электромагнитные помехи, так и акустические помехи. Всё зависит от того, где именно и на каком устройстве задействована катушка. На рисунке ниже катушка задействована для входа блока питания компьютера.
- Как фильтр для частоты. В звуковых системах динамиков и другой акустической аппаратуре.
Как ограничитель токов при коротких замыканиях на линиях электропередач тоже используют катушки в виде ограничивающих ток реакторов. При этом дроссели должны обладать пониженным сопротивлением, чтобы уменьшать нагрев.
Встречаются катушки контурного типа. При этом их применяют в электрических цепях вместе с конденсаторами. Частоты резонансов подбираются по частотам приёма и передач.
Катушка индуктивности как вариометр. Такие устройства можно настраивать. Могут очень точно настроить частоту. Встречаются в контурах колебаний.
Катушки индуктивности как соленоиды. Это элементы, которые длиннее своих диаметров. Благодаря этому в них образуются равномерные магнитные поля. Используют в механизмах с поступательным движением. Иногда такую катушку называют «электромагнитом». Более подробно расскажем, где использует такой вид устройства.
Соленоиды имеют широкое распространение. Они активируют замок в автомобиле, где штоки втягиваются, когда на элемент подаётся напряжение.
Они бывают звонками, или устройствами клапанов, магнитами на грузоподъёмных машинах на промышленных предприятиях.
В качестве электромагнитов такие катушки задействованы:
- В реле.
- В контакторах.
- В пускателях.
Обычно в таких ситуациях их называют не соленоидами, а обычными катушками. Используются в качестве рамочной и кольцевой антенны. При этом они передают радиосигнал.
Применяют в машинах, в искателях металла и других устройствах, где передаются сигналы на дистанции.
В качестве нагревателя с индукцией. Данные устройства чаще называют просто «индуктором». В качестве сердечников используется нагревательный элемент, как правило, выполненный из металлических материалов.
Индуктивность в электрических цепях
В то время как конденсатор оказывает сопротивление изменению переменного напряжения, индуктивность же сопротивляется переменному тока. Идеальная индуктивность не будет оказывать сопротивление постоянному току, однако, в реальности все индуктивные катушки сами по себе обладают определенным сопротивлением.
В целом, отношение между изменяющимися во времени напряжением V(t) проходящим через катушку с индуктивностью L и изменяющимся во времени током I(t), проходящим через нее можно представить в виде дифференциального уравнения следующего вида:
Когда переменный синусоидальной ток (АС) протекает через катушку индуктивности, возникает синусоидальное переменное напряжение (ЭДС). Амплитуда ЭДС зависит от амплитуды тока и частоте синусоиды, которую можно выразить следующим уравнением:
где ω является угловой частотой резонансной частоты F:
Причем, фаза тока отстает от напряжения на 90 градусов. В конденсаторе же все наоборот, там ток опережает напряжение на 90 градусов. Когда индуктивная катушка соединена с конденсатором (последовательно либо параллельно), то образуется LC цепь, работающая на определенной резонансной частоте.
Индуктивное сопротивление ХL определяется по формуле:
где ХL — индуктивное сопротивление, ω — угловая частота, F — частота в герцах, и L индуктивность в генри.
Индуктивное сопротивление — это положительная составляющая импеданса. Оно измеряется в омах. Импеданс катушки индуктивности (индуктивное сопротивление) вычисляется по формуле:
Самоиндукция
Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение.
Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома:
где
I — сила тока в катушке , А
U — напряжение в катушке, В
R — сопротивление катушки, Ом
Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное.
[quads id=1]
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.
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 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 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.
Виды и типы
Различают низкочастотные, высокочастотные модели. В отдельную категорию выделяют винтовые, спиральные катушки. Также существуют модификации, которые используются в радиотехнике. Они подходят для защиты конденсатора либо резонансных контуров.
Устройства в радиотехнике
Для трансформаторов годятся катушки с усилителем каскадом. В последнюю категорию выделены вариометры, основное отличие — высокая частота колебательных контуров. Дроссели могут быть одинарными либо сдвоенными. От этого зависит показатель индуктивности и питания системы.
Низкочастотные
Для включения в электрическую цепь, применяется низкочастотная катушка индуктивности. Она предназначена для подавления переменного тока. В формуле учитывается циклическая частота и показатели индуктивности. За основу в устройствах берётся сердечник, который изготавливается из стали. Он может быть с фильтрами либо без них.
Чтобы влиять на частоту, происходит игра с сопротивлением. В цепи постоянного тока напряжение должно быть неизменным. С целью понижения частоты применяются фильтры. Основная проблема — это малая ёмкость. Чтобы детально ознакомиться с дросселем, стоит подробнее узнать о резонансной частоте, которая выделяется на контуре рабочего сигнала.
Когда в цепях повышается напряжение, на каркас оказывается нагрузка. В цепи постоянного тока задействуются непрозрачные проволочные резисторы. Также для этих целей подходят однослойные катушки типа «универсал». Их особенность — использование ферритовых стержней.
Низкочастотная катушка
Высокочастотные
Устройства изготавливаются с различными типами обмотки. Речь идет о наборе преимуществ, которые спасают в той или иной ситуации. Сфера применения элементов широка, учитывается значительная частота модуляции. Таким образом удается бороться с повышенным сопротивлением металлов. У катушек имеется сердечник.
Основная задача — это модуляция частоты генератора. Она происходит за счёт усиления сигнала, и за процессом можно проследить при подключении осциллографа. Многие высокочастотные катушки не отличаются стабильной работой, поскольку применяется керамический каркас. У него малый срок годности, плюс они восприимчивы к повышенной влажности.
Интересно! Современные товары изготавливаются из алюминия и являются компактными.
Электрикам известны контурные, безконтурные модификации высокой частоты. В зависимости от намотки учитывается стабильность электрических параметров. У моделей высокой частоты могут применяться магниты и провода. Речь идет о порошковых материалах, сделанных из диэлектриков.
Процесс изготовления связан с методом холодного прессования. Индуктивные датчики отличаются по защищенности. На предприятиях элементы могут погружать в раствор либо продевать в трубку. Это делается с целью избежания коротких замыканий. Мировые производители решают проблему путем использование вторичного витка.
Высокочастотная катушка
У моделей значительное сопротивление и есть проблема с концентрацией электролита. Таким образом изменяются свойства катушки индуктивности. Проводимость раствора падает и повышается частота электромагнитного поля.
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.
Конструкция катушки индуктивности
Вокруг прямолинейного проводника с постоянным током создается круговое магнитное поле. Линии напряженности напоминают спираль. Некто догадался свернуть провод кольцом, чтобы вклад элементарных сегментов сложился в центре. В результате внутри конструкции магнитное поле намного выше, нежели снаружи. Линии визуально наблюдаем на железных опилках. На Ютуб множество роликов, где через индуктивность пропускают ток, демонстрируя упорядоченную ориентацию металлической пыли в момент замыкания контактов. Конструкция способна запасать впрок магнитное поле подобно конденсатору, накапливающему заряд. Катушками называют только индуктивности, содержащие намотку лакированного провода. В микрополосковой технологии напыляемые для запасания магнитного поля элементы логично именовать индуктивностями.
Если в катушке, совсем как в той, что используют швеи, несколько витков провода расположить один за другим бок о бок так, чтобы ось была общей, линии напряженности магнитного поля суммируются. Простейшая индуктивность, способная накапливать энергию магнитного поля. При резком пропадании напряжения образуется явление обратной-ЭДС широко известное технике. Выступает причиной искрения коллекторных двигателей. Используется лакированный (с лаковой изоляцией) медный провод нужного сечения. Количество витков, форма сердечника определяются предварительно расчетами или по имеющемуся образцу.
Противо-ЭДС является паразитной, для гашения последовательно с катушкой включают емкость размером побольше, пытаясь занизить суммарное реактивное сопротивление. В импеданс индуктивности входят с положительным знаком, емкости – с отрицательным. Тесла изобрел катушку, взял патент. Но конструкция представляла собой плоскую спираль (лабиринт) с двойной намоткой. Ученый показал, индуктивность одновременно характеризуется значительным емкостным сопротивлением, при исчезновении напряжения явления обратной ЭДС никак не проявляет себя.
Бифилярные катушки сегодня широко используются. Что касается обратной ЭДС, служит причиной розжига разрядных ламп (дневного света). Вернемся к конструкции. В первом электромагните проволока оголенная, современные катушки индуктивности наматываются лакированным. Тонкая изоляция при необходимости может быть легко снята (например, токсичной муравьиной кислотой), в исходном состоянии надежно защищает конструкцию против короткого замыкания.
Внутри катушки находится сердечник из ферромагнитного материала. Форма не важна, сечение лучше брать круглым. На высоких частотах магнитный поток (см. Преобразователь напряжения) выходит на поверхность сердечника, смысл применения ферромагнитных сплавов пропадает, иногда используется латунь (даже композитные материалы, диэлектрики). Снижает индуктивность, на высоких частотах запасаемая за период мощность невелика. Трюк проходит. У многих возникает вопрос – зачем нужен сердечник?
Сердечник катушки индуктивности выступает опорой, долговечным каркасом, усиливая магнитное поле. Индукция связана с напряженностью поля через постоянную магнитной проницаемости среды. У ферромагнитных материалов параметр поистине велик. В тысячи раз больше, нежели воздуха, большинства металлов. С ростом частоты необходимость в сердечнике снижается, возникают некоторые негативные эффекты, два из которых особенно важны:
Линии магнитного поля, сформированные опилками
- Переменное магнитное поле наводит вихревые токи, посредством которых функционируют индукционные плитки. Результат представите сами: какой нагрев сердечника вызовет. Сердечники силовых трансформаторов собираются из специальной электротехнической стали с высоким сопротивлением, разбиваются тонкими листами, изолированными взаимно слоем лака. Шихтование позволит сильно снизить влияние вихревых токов.
- Второй эффект называется перемагничиванием. Отнимает энергию поля, вызывает нагрев материала. Явление характерно для ферромагнитных материалов, устраняется использованием латуни.
В микрополосковой технологии предусмотрено исполнение индуктивностей в виде плоских спиралей: проводящий материал через трафарет напыляется на подложку (возможный метод). Напоминает конструкцию Николы Тесла. Номинал катушка индуктивности имеет весьма малый, иного не надо на частотах СВЧ. Расчет ведется по специальным справочникам, хотя пользуются преимущественно инженеры-конструкторы.
Для намотки индуктивности изготавливают специальные приспособления, напоминающие катушку спиннинга. На ось одевается сердечник с ограничителем по бокам, вращая ручку, мастер внимательно считает количество оборотов, отмеряет нужную длину. Медленно, по способу челнока рука двигается влево-вправо, витки ровно ложатся последовательно.
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».