Закрыть

Что такое катушка индуктивности: Катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока

Содержание

Катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока

Как ведет себя катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока?

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока

Итак, для этого опыта нам понадобится блок питания, который выдает постоянное напряжение, лампочка накаливания и собственно сама катушка индуктивности.

Чтобы сделать катушку индуктивности с хорошей индуктивностью, нам надо взять ферритовый сердечник:

Намотать на него лакированного медного провода и зачистить выводы:

Замеряем индуктивность нашей катушки с помощью LC метра:

132 микрогенри.

Теперь собираем все это вот по такой схеме:

где

L – катушка индуктивности

La – лампочка накаливания на напряжение 12 Вольт

Bat – блок питания, с выставленным напряжением 12 Вольт

Лампочка засветилась!

Как вы помните из прошлой статьи, конденсатор у нас не пропускал  постоянный электрический ток:

Делаем вывод: постоянный электрический ток почти беспрепятственно течет через катушку индуктивности.

Сопротивлением обладает только сам  провод, из которого намотана катушка.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Для того, чтобы узнать, как ведет себя катушка индуктивности в цепи переменного тока, нам понадобится осциллограф, генератор частоты, собственно сама катушка индуктивности и резистор на 100 Ом.  Чем больше сопротивление, тем меньше будет проседать напряжение с моего генератора частоты, поэтому я взял резистор на 100 Ом.Он у меня будет в качестве шунта. Падение напряжения на этом резисторе будет зависеть от тока, протекающего через него

Собираем все это дело по такой схеме:

Получилось как то так:

Сразу договоримся, что у нас первый канал будет красным цветом, а второй канал – желтым. Следовательно, красная синусоида – это частота, которую нам выдает генератор частоты, а желтая синусоида – это сигнал, который снимается с резистора.

Мы с вами узнали, что при нулевой частоте (постоянный ток), катушка почти беспрепятственно пропускает через себя электрический ток.

В нашем опыте мы будем подавать с генератора частоты синусоидальный сигнал с разной частотой и смотреть, меняется ли напряжение на резисторе.

Опыт N1

Для начала подаем сигнал  с частотой  в 1 Килогерц.

Давайте разберемся, что есть что. В зеленой рамочке я вывел автоматические замеры, которые делает осциллограф

Красный кружок с цифрой “1” – это замеры “красного”канала. Как мы видим, F (частота) =1 Килогерц, а Ма (амплитуда) = 1,96 Вольт. Ну грубо скажем 2 Вольта. Смотрим на кружочек с цифрой “2”. F=1 Килогерц, а Ма=1,96 Вольт. То есть можно сказать, что сигнал на выходе точно такой же, как и на входе.

Увеличиваем частоту до 10 Килогерц

Амплитуда не уменьшилась. Сигнал какой есть, такой и остался.

Увеличиваем до 100 Килогерц

Заметили разницу? Амплитуда желтого сигнала стала меньше, да еще и график желтого сигнала сдвигается вправо, то есть запаздывает, или научным языком, появляется сдвиг фаз.

Красный сигнал никуда не сдвигается, запаздывает именно желтый. Это имейте ввиду.

Сдвиг фаз – это разность между начальными фазами двух измеряемых величин. В данном случае напряжения. Для того, чтобы произвести замер сдвига фаз, должно быть условие, что у этих сигналов одна и та же частота. Амплитуда может быть любой. Ниже на рисунке приведен этот самый сдвиг фаз или, как еще его называют, разность фаз:

Увеличиваем частоту до 200 Килогерц

На частоте 200 Килогерц амплитуда упала вдвое, да и разность фаз стала больше.

Увеличиваем частоту до 300 Килогерц.

Амплитуда  желтого сигнала упала уже до 720 милливольт. Разность фаз стала еще больше.

Увеличиваем частоту до 500 Килогерц

Амплитуда уменьшилась до 480 милливольт.

Добавляем еще частоту до 1 Мегагерц

Амплитуда желтого канала  стала 280 милливольт.

Ну и добавляем частоту до предела, который позволяет выдать генератор частоты: 2 Мегагерца

Амплитуда “желтого” сигнала стала настолько маленькой, что мне пришлось ее даже увеличить в 5 раз.

И можно сказать, что сдвиг фаз стал почти 90 градусов или π/2.

Но станет ли сдвиг фаз больше, чем 90 градусов, если подать очень-очень большую частоту? Эксперименты говорят, что нет. Если сказать просто, то при бесконечной частоте сдвиг фаз будет равняться 90 градусов. Если совместить наши графики на бесконечной частоте, то можно увидеть примерно вот такой рисунок:

Так какой вывод можно сделать?

С увеличением частоты сопротивление катушки растет,  а также увеличивается сдвиг фаз. И чем больше частота, тем больше будет сдвиг фазы, но не более, чем 90 градусов.

Опыт N2

Давайте же уменьшим индуктивность катушки. Прогоним еще раз по тем же самым частотам. Я убрал половину витков и сделал витки на край феррита, тем самым уменьшил индуктивность до 33 микрогенри.

Итак, прогоняем все по тем же значениям частоты

При  частоте в 1 Килогерц у  нас значение почти не изменилось.

10 Килогерц

Здесь тоже  ничего не изменилось.

100 Килогерц

Тоже почти ничего не изменилось, кроме того, что желтый сигнал стал тихонько сдвигаться.

200 Килогерц

Здесь уже видим, что амплитуда на желтом сигнале начинает проседать и сдвиг фаз наращивает обороты.

300 Килогерц

Сдвиг фаз стал больше и амплитуда просела еще больше

500 Килогерц

Сдвиг стал еще больше и амплитуда желтого сигнала тоже просела.

1 Мегагерц

Амплитуда желтого сигнала падает, сдвиг фаз прибавляется. 😉

2 Мегагерца, предел моего генератор частоты

Сдвиг фаз стал почти равен 90 градусов, а амплитуда стала даже меньше, чем пол Вольта.

Обратите внимание на амплитуду в Вольтах  на тех же самых частотах. В первом случае у нас индуктивность была больше, чем во втором случае, но амплитуда желтого сигнала во втором случае больше, чем в первом.

Отсюда вывод напрашивается сам собой:

При уменьшении индуктивности, сопротивление катушки индуктивности также уменьшается.

Реактивное сопротивление катушки индуктивности

С помощью нехитрых умозаключений, физиками была выведена формула:

где

ХL –  реактивное сопротивление катушки, Ом

П – постоянная и равна  приблизительно 3,14

F – частота, Гц

L – индуктивность, Гн

В данном опыте мы с вами получили фильтр низких частот (ФНЧ). Как вы видели сами, на низких частотах катушка индуктивности почти не оказывает сопротивление напряжению, следовательно амплитуда  и мощность  на выходе такого фильтра будет почти такой же, как и на входе. Но с увеличением частоты у нас амплитуда гасится. Применив такой фильтр на динамик, можно с уверенностью сказать, что будет усиливаться только бас, то есть низкая частота звука.

Заключение

Постоянный ток протекает через катушку индуктивности без каких-либо проблем. Сопротивлением обладает только сам провод, из которого намотана катушка.

Сопротивление катушки зависит от частоты протекающего через нее тока и выражается формулой:

Катушка индуктивности: история, конструкция, параметры

Катушка индуктивности – элемент электрических цепей, способствующий накоплению энергии магнитного поля. С использованием изделий изготавливаются колебательные резонансные контуры. Катушка называется потому, что вокруг бобины-сердечника обматывается нить проволоки. Часто в радиотехнике элементы именуют индуктивностями. Подходит случаю, конструкции иной раз мало напоминают катушку.

История создания катушки индуктивности

Катушки индуктивности наматываются фиксированным числом проводов. Этот факт  скрывают на уроках физики, избегая забивать ученикам мозги. Потом догадываются бедняги, пытаясь уловить смысл термина бифилярная обмотка двигателя. Нитей бывает больше, выделяют катушки индуктивности:

  • трифилярные;
  • тетрафилярные;
  • пентафилярные.

Обычные катушки индуктивности называют унифилярными – нить проволоки одна. Сразу возникает справедливый вопрос – зачем конструкции? Изобретатель катушку индуктивности неизвестен. Ответы дают, виноват Тесла… Далеко от истины.

Дроссель

Один знаток Майл.ру – не исключено, админ ресурса – ответил: отцом катушек индуктивности является Майкл Фарадей, якобы, открыл магнитную индукцию (согласно англоязычной страничке Википедии). Напрашивается вывод, историковед не владеет вопросом. Главная причина критики “Ответов” Майл – некомпетентность. Фарадей открыл индукцию, применив тороидальный трансформатор с двумя изолированными обмотками. Намного сложнее конструкция, нежели катушка, явление заключалось сопровождалось выходом скачка тока при изменении магнитного поля сердечника.

Произошло описанное в 1831 году, первый электромагнит сконструирован малоизвестным в России Уильямом Стердженом. Знаете, как выглядел прибор? Правильно – катушка индуктивности из 18 витков оголенной медной проволоки с хорошим лакированным ферромагнитным сердечником формы лошадиной подковы. При пропускании по обмотке тока железо в округе притягивалось устройством. Годом выхода первого электромагнита в свет историки считают 1824. Раньше, нежели Фарадей начал эксперименты.

Наставник Хампфри Дэви счел работу плагиатом. Ученик не решался продолжить, конфликтовать открыто. Получилось, в 1829 году безвременно Хампфри Дэви ушел из жизни, благодаря чему Майкл Фарадей возобновил работу.

Не потому считаем неверными скудные сведения рунета по рассматриваемому вопросу. Вторая причина кроется в гальванометрах: первый сконструирован 16 сентября 1820 года Иоганном Швейггером. Годом позже великий Ампер усовершенствовал прибор, угадайте, что входило в состав новинки? Правильно – катушка индуктивности, составленная несколькими витками проволоки.

В 1826 году Феликс Савари разряжал лейденскую банку через несколько витков проволоки, обмотанной вокруг стальной иглы. Наблюдая остаточную намагниченность металла. Фактически Савари создал первый колебательный контур, правильно сделав выводы о происходящих процессах.

Майкл Фарадей бессилен стать изобретателем индуктивности. Скорее ученый работал в этом направлении, вел некоторые исследования, получил новый закон касательно электромагнетизма. В результате вопрос об изобретателе катушки индуктивности оставляем открытым. Рискнем предположить, у субъекта темы два отца:

Лаплас и Швейггер

  1. Лаплас на основе доклада Эрстеда высказал предположение: действие тока на магнитную стрелку можно усилить, изогнув провод.
  2. Швейггер реализовал услышанное на практике, создав первый в мире гальванометр, использовав доклады Ампера о зависимости угла отклонения стрелки от силы тока.

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

  1. 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.
  2. 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.

Зачем нужны бифилярные катушки индуктивности

Иногда катушка наматывается в две и более проволочных нитей. Тесла конструкцию применял для увеличения емкостных качеств. В результате становилось возможным экономить материалы – говорили выше. Что касается состояния на современном этапе развития технологий, причиной создания бифилярных катушек может быть следующее:

Бифилярные катушки индуктивности

  1. Одна обмотка заземляется. Устраняет паразитную противо-ЭДС, вызывающую искрение, некоторые другие негативные эффекты. Когда резко пропадает напряжение, магнитное поле по большей части наводит тока в заземленной обмотке, поскольку активное сопротивление цепи наименьшее. Эффект противо-ЭДС гасится. В импульсных реле вспомогательная обмотка закорачивается. Энергия поля невелика, рассеивается активным сопротивлении меди в виде тепла.
  2. Идеи Тесла не забыты. Часто в виде бифилярных катушек изготавливаются резисторы малого номинала. Сопротивления часто имеют схожее строение. Например, известные МЛТ, лента навивается на керамическое основание. Суть затеи повысить емкостное сопротивление, компенсируя индуктивность. Импеданс резистора обращается в чисто активный. Смысл мероприятия велик при работе на переменном токе. В цепях постоянного мнимая часть импеданса (реактивное сопротивление) роли не играет.
  3. В импульсных блоках питания напряжение одной полярности, меняется по амплитуде. Позволит бифилярный трансформатор защитить от явления паразитной противо-ЭДС, спасает ключевой транзистор от пробоя. Дополнительная обмотка заземляется через диод, в обычном режиме не влияет на работу устройства. Противо-ЭДС имеет обратное направление. В результате p-n-переход открывается, разница потенциалов ограничивается прямым падением напряжения. Для кремниевых полупроводниковых диодов значение составляет 0,5 В. Понятно, напряжение не может пробить ключевой транзистор практически любого типа.
  4. Идеи Тесла используются при создании вечных двигателей (в литературе: СЕ – сверхъединичных устройств, с КПД выше 1). Используется возможность устранения реактивного сопротивления для идеализации процесса работы.

Параметры катушек индуктивности

Главной характеристикой катушек называют индуктивность. Физическая величина, в СИ измеряемая Гн (генри), характеризующая величину мнимой составляющей сопротивления конструкции. Параметр показывает, как много магнитного поля запасет катушка. Для простоты энергию за период считают пропорциональной произведению LI2, где L – индуктивность, I – протекающий в системе ток.

Ключевые параметры при выборе индуктивности

При выборе индуктивности необходимо учитывать следующие ключевые параметры: способ монтажа (поверхностный монтаж или монтаж в отверстия), величину индуктивности, номинальный ток, активное сопротивление (DCR), частоту собственного резонанса (SRF), добротность (Q) и диапазон рабочих температур. Обычно требуется, чтобы габариты катушки индуктивности были как можно меньше, однако в каждом конкретном приложении размеры катушки определяются величиной индуктивности и номинальным током.

От чего зависит величина индуктивности дросселя?

Если предполагается использовать катушку индуктивности в качестве простого однозвенного высокочастотного фильтра 1-го порядка, то выбор конкретного компонента производится исходя из частотного спектра шума, который необходимо подавить. На собственной резонансной частоте (SRF) последовательный импеданс катушки индуктивности максимален. Таким образом, для ВЧ-фильтрации следует выбирать дроссель, у которого собственная резонансная частота близка к частоте шума.

Для фильтров более высокого порядка индуктивности отдельных элементов должны быть рассчитаны, исходя из требуемых частот срезов фильтров (для фильтров нижних и верхних частот) или ширины полосы пропускания (для полосовых фильтров). Для выполнения таких расчетов чаще всего используются программы моделирования, такие, например, как SPICE, AWR Microwave Office и Agilent Genesys или ADS.

Для калиброванных цепей или цепей с согласованным импедансом, желательно выбирать компоненты с минимальным разбросом номинала. Как показано в Таблице 1, проволочные индуктивности, как правило, отличаются меньшим отклонением от номинального значения по сравнению с многослойными печатными и толстопленочными индуктивностями.

Таблица 1. Сравнение параметров различных индуктивностей

Тип индуктивности

Индуктивность, нГн

Точность

Q при 1,8 ГГц

Рейтинг тока, мА

Выводная (Coilcraft 0402HP-2N7XGL)

2,7

2%

85
(при 1,8 ГГц)

1500

Многослойная (TDK MLK1005S2N7ST)

2,7

11%

31
(при 1,8 ГГц)

500

Выводная (Coilcraft 0402HP-68NXGL)

68

2%

50
(при 900 МГц)

310

Многослойная (TDK MLK1005S68NJT)

68

5%

20
(при 900 МГц)

150

Как влияет величина тока на выбор индуктивности?

Для сохранения приемлемого уровня потерь и ограничения перегрева катушки индуктивности при протекании большого тока необходимо либо увеличивать сечение провода, либо использовать больше жил того же размера. Применение провода увеличенного сечения позволяет уменьшить активное сопротивление (DCR) и повысить добротность Q, однако расплатой за это становится увеличение габаритов катушки, кроме того, собственная резонансная частота может оказаться ниже. Из таблицы 1 видно, что дроссели с проволочной обмоткой превосходят многослойные печатные индуктивности (того же размера и индуктивности) по уровню допустимой токовой нагрузки.

Увеличение допустимого тока и снижение активного сопротивления обмотки, а также сокращение числа витков могут быть достигнуты за счет использования дросселя с ферритовым сердечником. Однако индуктивности с ферритовым сердечником имеют свои недостатки, такие как значительная температурная зависимость индуктивности, значительная погрешность номинала, пониженная добротность и низкий ток насыщения. Ферритовые дроссели открытого типа, такие как серия LS от Coilcraft, не будут насыщаться даже при протекании номинального тока.

Таким образом, величина тока определяет сопротивление обмотки?

Номинальный ток и активное сопротивление обмотки тесно связаны. Чем меньше сопротивление обмотки, тем меньше будет перегрев при протекании тока, а значит, тем выше может быть сам ток. Кроме того, в большинстве случаев, если все остальные параметры остаются без изменения, для уменьшения сопротивления необходимо использовать дроссель большего типоразмера.

Какой должна быть частота собственного резонанса?

Частота собственного резонанса определяется следующим образом:

На частоте собственного резонанса дроссель обеспечивает максимальное ослабление шума. На более низких частотах импеданс уменьшается. В точке собственного резонанса полное сопротивление достигает максимального значения. На более высоких частотах сопротивление также уменьшается.

В фильтрах более высокого порядка и в приложениях с согласованным импедансом желательно иметь более плоскую частотную зависимость индуктивности вблизи требуемой частоты. Это предполагает выбор дросселя с частотой, значительно превышающей рабочую частоту. Эмпирическое правило заключается в выборе индуктивности, у которой собственная частота резонанса в 10 раз выше рабочей частоты. Обычно, величина индуктивности определяет частоту резонанса и наоборот. Чем выше индуктивность, тем ниже частота резонанса, что является следствием увеличения емкости обмотки.

Частотная зависимость индуктивности и импеданса

Индуктивность и импеданс резко возрастают вблизи собственной резонансной частоты (SRF), как показано на рисунке 1. Если предполагается использовать катушку индуктивности в роли простого ВЧ-фильтра, в таких случаях следует выбирать дроссель, у которого частота резонанса максимально близка к частоте подавляемого шума. Для других приложений следует выбирать дроссель, у которого частота резонанса максимально, как минимум в 10 раз, выше рабочей частоты.

Рис. 1. Частотная зависимость индуктивности и импеданса проволочного дросселя 100 нГн

В каких случаях важна добротность?

Высокое значение добротности (Q) обеспечивает узкую полосу пропускания, что важно, если катушка индуктивности используется в составе LC-генератора или в другом узкополосном приложении (рисунок 2). Высокое значение Q также приводит к низким потерям и способствует уменьшению энергопотребления.

Рис. 2. Высокая добротность (Q) обеспечивает узкую полосу пропускания и низкие потери

Добротность индуктивности рассчитывается следующим образом:

Все зависящие от частоты параметры, активные и реактивные потери учитываются в Q, в том числе индуктивность, емкость, скин-эффект проводника и потери в материале магнитного сердечника. Как указано в таблице 1, индуктивности с проволочной обмоткой имеют гораздо более высокие значения Q, чем многослойные печатные индуктивности того же размера и номинала.

Как выбрать рейтинг температуры?

При увеличении тока и сопротивления потери мощности в индуктивности увеличиваются. В свою очередь потери приводят к разогреву и повышению температуры компонента. Номинальный ток индуктивности обычно приводится для заданной температуры окружающей среды, но из-за собственных потерь температура компонента оказывается выше температуры среды. Например, если компонент с верхней границей диапазона рабочих температур +125° C в процессе протекания номинального значения полного тока (Irms или Idc) дополнительно нагревается на 15 °C, то его собственная максимальная температура составит приблизительно 140 °C. При выборе катушки индуктивности нужно убедиться, что температура окружающей среды и потребление тока в приложении не превышают номинальных значений.

Как быстро найти индуктивности, которые обладают всеми необходимыми характеристиками?

Сравнение спецификаций дросселей от различных производителей может занять много времени. Инструмент поиска индуктивностей Coilcraft позволяет выбирать катушки по шести различным параметрам. Фильтр автоматически оставляет только те модели, которые удовлетворяют заданным требованиям.

Индуктивности катушка - это... Что такое Индуктивности катушка?

Катушка индуктивности на материнской плате компьютера.

Обозначение на электрических принципиальных схемах.

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Такая система способна запасать магнитную энергию при протекании электрического тока.

Устройство

Устройство обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, "универсал"). Намотка "универсал" имеет меньшую паразитную ёмкость.

Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах..

Свойства катушки индуктивности

Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

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

При протекании тока катушка запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока . Величина этой энергии равна

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

Характеристики катушки индуктивности

Индуктивность

Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, которая определяет, какой поток магнитного поля создаст катушка при протекании через неё тока силой 1 ампер. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.

Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, квадрату числа витков намотки и магнитной проницаемости сердечника.

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 сопротивление 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:

  • Во-первых, провода обмотки обладают омическим сопротивлением.
  • Во-вторых, сопротивление провода обмотки переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом, суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения.
  • В третьих, в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому протекает ток, принимает серповидный характер, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.
Потери в диэлектрике

Потери в диэлектрике обусловлены тем, что между соседними витками катушки существует паразитная ёмкость, что приводит к утечкам переменного тока между витками.

Потери в сердечнике

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на гистерезис и начальных потерь.

Потери в экране

Потери в экране обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране.

Добротность

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

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".

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.

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности 
Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность.
Катушки связи 
Такие катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т. д. К таким катушкам 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.
Вариометры 
Это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). 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.
Дроссели 
Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Обычно включаются в цепях питания усилительных устройств. Предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов. На низких частотах они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники.
Сдвоенные дроссели 
две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны при тех же габаритных размерах.

Применение катушек индуктивности

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.
  • Катушки применяются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанной плазмы.
  • Для радиосвязи - излучение и приём электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна).
  • Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
  • Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника.

Смотри также

Wikimedia Foundation. 2010.

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.

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:

Ce = C / (1 – 4Π2f2LC), где Ce – 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:

Физическая природа индуктивности


Источник - Свободный взгляд

Физическая природа индуктивности.

Катушки индуктивности обладают свойством оказывать реактивное сопротивление переменному току при незначительном сопротивлении постоянному току. Совместно с конденсаторами они используются для создания фильтров, осуществляющих частотную селекцию электрических сигналов, а так же для создания элементов задержки сигналов и запоминающих элементов, осуществления связи между цепями через магнитный поток и т.д. В отличие от резисторов и конденсаторов они не являются стандартизованными изделиями, а изготавливаются для конкретных целей и имеют такие параметры, которые необходимы для осуществления тех или иных преобразований электрических сигналов, токов и напряжений.

Функционирование катушек индуктивности основано на взаимодействии тока и магнитного потока. Известно, что при изменении магнитного потока Ф в проводнике, находящемся в магнитном поле, возникает ЭДС, определяемая скоростью изменения магнитного потока

(2.25)

Поэтому при подключении к проводнику источника постоянного напряжения ток в нем устанавливается не сразу, так как в момент включения изменяется магнитный поток и в проводе индуцируется ЭДС, препятствующая нарастанию тока, а спустя некоторое время, когда магнитный поток перестает изменяться. Если же к проводнику подключен источник переменного напряжения, то ток и магнитный поток будут изменяться непрерывно и наводимая в проводнике ЭДС будет препятствовать протеканию переменного тока, что эквивалентно увеличению сопротивления проводника. Чем выше частота изменения напряжения, приложенного к проводнику,, тем больше величина ЭДС, наводимая в нем, следовательно, тем больше сопротивление, оказываемое проводником протекающему току. Это сопротивление XL не связано с потерями энергии, поэтому является реактивным. При изменении тока по синусоидальному закону наводимая ЭДС будет равна

(2.26)

Она пропорциональна частоте w, а коэффициентом пропорциональности является индуктивность L. Следовательно, индуктивность характеризует способность проводника оказывать сопротивление переменному току. Величина этого сопротивления ХL=wL

Индуктивность короткого проводника (мкГн) определяется его размерами:

(2. 26)

где l -длина провода в см, d - диаметр провода в см.

Если провод намотан на каркас, то образуется катушка индуктивности. В этом случае магнитный поток концентрируется и величина индуктивности возрастает.

2.3.2.Конструкции катушек индуктивности.

Конструкционной основой катушки индуктивности является диэлектрический каркас, на который наматывается провод в виде спирали. Обмотка может быть как однослойной (рис.2.21,а), так и многослойной (рис.2.21,6). В некоторых случаях многослойная обмотка делается секционированной (рис.2.21,в). В интегральных схемах применяются плоские спиральные катушки индуктивности (рис.2.21,г).

Для увеличения индуктивности применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность. Перемещением сердечника внутри каркаса можно изменяп, индуктивность. На рис.2.22 представлены три  разнидности цилиндрических сердечников: С - стержневой, Т - трубчатый и ПР - подстроечный резьбовой и две разновидности броневых. Броневые сердечники состоят из двух чашек 2, изготовленных из карбонильного железа или ферритаов.

Они могут иметь либо замкнутый магнитопровод (тип СБ - а), либо разомкнутый (тип С Б - б). Для изменения индуктивности служит подстроечный цилиндрический сердечник 1. Помимо цилиндрических и броневых сердечников применяют торроидальные (кольцевые) сердечники. На высоких частотах (десятки-сотни МГц) применяют подстроечные цилиндрические сердечники из диамагнетиков (латунь, медь). При введении этих сердечников внутрь катушки индуктивность уменьшается.

В катушках индуктивности, работающих на низких в качестве сердечников используют пермаллои. При этом рается из тонких пластин толщиной 0,002-0,1мм.

Для уменьшения влияния электромагнитного поля катушки на другие элементы схемы, а также для уменьшения влияния внешних полей на катушку индуктивности, ее располагают внутри металлического экрана, как это показано на рис.2.23 (1 - заглушка, 2 - экран, 3 - корпус, 4 - обмотка, 5 - каркас, 6 -подстроечный стержень, 7 - чашка сердечника, 8 - основание, 9 - заливка).

2.3.3. Индуктивность и собственная емкость катушек индуктивности.

Индуктивность является основным параметром катушки индуктивности. Ее величина (мкТн) определяется соотношением

где W - число витков, D - диаметр катушки в см, L0 - коэффициент, зависящий от отношения длины катушки / к ее диаметру О.

Для однослойных катушек величина L0 определяется соотношением

(2.29)

Оптимальными в этом случае являются отношение   а диаметр катушки в пределах от 1 до 2 см. При расчете диаметр катушки D принимается равным диаметру каркаса D0

Для многослойных катушек величина L0зависит не только от величины   1/D , но и от отношения толщины намотки t к диаметру катушки D. Она определяется по графикам (рис.2.24). В этом случае внешний диаметр катушки D=D0 + 2t

При расчете катушки индуктивности предварительно задаются геометрическими размерами катушки и определяют коэффициент L0, а затем по заданной величине индуктивности L находят число витков:

(2.30)

где I, - в мкГн , D - в см.

Для намотки катушки обычно применяют провод оптимального диаметра, который рассчитывается с помощью эмпирических формул и графиков. Для этого по графику S=f(t/D;l/D) (рис.2.25) находят вспомогательный коэффициент S. Затем рассчитывают коэффициент

(2.31)

где f -в мкГц , D - в см. Затем рассчитывают коэффициент a1

где f - частота в Гц. После чего по графику b1=f(a1)  (рис. 2.26) находят  вспомогательный коэффициент b1S и расчитывают оптимальный диаметр провода (мм)

(2.32)

  Полученное значение  округляется до ближайшего стандартного значения (табл. 2.6) и выбирается марка провода с диаметром  dиз

Таблица 2.6

Основные параметры обмоточных проводов

d, мм

Sn, мм~

Максимальный диаметр в изоляции , мм

 

 

ПЭВТЛК

ПЭМ-1

ПЭВ-1

ПЭВ-2,ПЭТВ
ПЭМ-2

0,063

0,0028

0. 11

0,09

0,085

0,09

0,071

0,0038

0,12

0,09

0,095

0,1

0,08

0,005

0,13

0,1

0,105

0,11

0,09

0,0064

0,14

0,11

0,115

0,12

0,1

0,0079

0,15

0,12

0,125

0,13

0,112

0,0095

0,16

0,14

0,135

0,14

0,125

0,0113

0,17

0,15

0,15

0,155

0,14

0,0154

0,185

0,16

0,165

0,17

0,16

0,02

0,2

0,19

0,19

0,2

0,18

0,0254

0,23

0,21

0,21

0,22

0,2

0,0314

0,25

0,23

0,23

0,24

0,224

0,0415

0,27

0,25

0,26

0,27

0,25

0,0491

0,3

0,29

0,29

0,3

0,28

0,0615

0,34

0,32

0,32

0,33

0,315

0,0755

0,37

0,35

0,355

0,365

0,355

0,0962

0,405

0,39

0,395

0,415

0,4

0,126

0,47

0,44

0,44

0,46

0,45

0,158

-

0,49

0,49

0,51

0,5

0,193

-

0,55

0,55

0,57

0,56

0,246

-

0,61

0,61

0,63

0,63

0,311

-

0,68

0,68

0,7

0,71

0,39

-

0,76

0,76

0,79

0,75

0. 435

-

0,81

0,81

0,84

0,8

0,503

-

0,86

0,86

0,89

0,85

0,567

-

0,91

0,91

0,94

0,9

0,636

-

0,96

0,96

0,99

0,95

0,71

-

1,01

1,01

1,04

1

0,785

-

1,08

1,07

1, 11

После выбора оптимального диаметра провода проверяют возможность размещения обмотки в заданных размерах  l и t. Для однослойных катушек рассчитывают шаг намотки

(2.33)

Если  t>dиз;   то обмотка размещается. В противном случае задаются большей  величиной l и повторяют расчет.

Для многослойных катушек рассчитывают толщину обмотки

(2.34)

где а - коэффициент неплотности обмотки ( a = 1,05...1,3), и находят фактическое значение наружного диаметра катушки D=D0+2t. Если эта величина отличается от выбранной в начале расчета более чем на 10%, то задаю тся новыми значениями l и t и расчет повторяют. При помещении катушки в экран индуктивность катушки уменьшается

(2.35)

где h - коэффициент, зависящий от отношения l/D (рис.2.27),

D - диаметр катушки,

Dэк-диаметр экрана.

Индуктивность уменьшается тем больше, чем меньше диаметр экрана. В большинстве случаев Dэк/D >1,6ё1,8.При этом индуктивность уменьшается не более чем на 20%.

Многослойные катушки обычно выполняют с сердечниками броневого типа, при использовании которых большая часть силовых линий магнитного поля катушки замыкается через сердечник, а меньшая-через воздух, вследствие чего влияние экрана на индуктивность катушки значительно ослабляется.

Применение сердечников из магнитных материалов позволяет уменьшить число витков катушки индуктивности и соответственно ее габариты. Основным параметром сердечника является магнитная проницаемость  mс При его наличии индуктивность катушки становится равной

Поскольку в расчетные формулы входят эмпирические коэффициенты, то индуктивность изготовленной катушки отличается от расчетной. Применение подстроечных магнитных сердечников позволяет получить требуемое значение индуктивности.

Собственная емкость является паразитным параметром катушки индуктивности, ограничивающим возможности ее применения. Ее возникновение обусловлено конструкцией катушки индуктивности: емкость существует между отдельными витками катушки, между витками и сердечником, витками и экраном, витками и другими элементами конструкции. Все эти распределенные емкости можно объединить в одну, называемую собственной емкостью катушки CL

Наименьшей собственной емкостью обладают однослойные катушки индуктивности Приближенно она рассчитывается по формуле (пФ)

СL  >(0,5ё1.0)D,

(2.37)

где D - диаметр катушки в см. Обычно она не превышает 1-2пФ.

Собственная емкость многослойных катушек значительно больше. При многослойной рядовой намотке она достигает ЗОпФ; при намотке "внавал" она несколько меньше. Существенное уменьшение емкости многослойных катушек достигается при использовании универсальной обмотки, при выполнении которой провод укладывается под некоторым углом к образующей цилиндрического каркаса. Схема такой намотки показана на рис.2.28. Как только провод доходит до края катушки, направление укладки меняется. Цикл универсальной обмотки выбирается таким, что, совершив один оборот вокруг каркаса, провод возвращается к положение, отличающееся от исходного на угол b. Этот угол выбирается таким, чтобы каждый последующий виток находился рядом с предыдущим.

Очевидно, что

(2.38)

Угол   j  , под которым осуществляется укладка провода, находится из соотношения

(2. 39)

где l-осевая длина катушки,

D - диаметр витка.

Наименьшее значение угла j получается для витков, имеющих наименьший диаметр, равный диаметру каркаса D0.

Обычно при использовании универсальной обмотки длину катушки принимают в пределах от 2 до 10мм. Количество циклов намотки связано с рачетнным числом витков W соотношением

(2.40)

Величина собственной емкости катушек с универсальной обмоткой составляет от 3 до 8пФ. Дополнительное снижение емкости достигается серкцонированием обмотки, как показано на рис.2.21,в.

Совместное действие индуктивности и емкости можно учесть введением понятия об эквивалентной индуктивности катушки, определяемой из уравнения

откуда

(2.41)

где  -собственная резонансная частота катушки индуктивности.

Если рабочая частота много ниже собственной резонансной частоты wL, то приближенно можно считать Lэ=L.

    В процессе работы на катушку действуют различные внешние факторы:температура, влага и другие, влияющие на ее индуктивность. Наиболее существенным является влияние температуры, которое оценивают температурным коэффициентом .

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 ведет к изменению собственной емкости катушки.

Для повышения температурной стабильности применяют каркасы из материала с малым значением коэффициента линейного расширения. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяет керамика. Повышению температурной стабильности катушек способствует прочное сцепление обмотки с каркасом. С этой целью обмотку выполняют методом вжигания серебра в керамический каркас. В этом случае изменение размеров токопроводящего слоя определяется только линейным расширением каркаса. Такие катушки индуктивности имеют TKL >(5-100).10-6Стабильность многослойных катушек существенно хуже, так как в них невозможно избежать изменения линейных размеров провода обмотки. Многослойные катушки имеют TKL> (50-100).10-6

2.3.4. Потери в катушках индуктивности.

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным и равным ХL. Наличие паразитных эффектов ведет к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь RП , которое определяет добротность катушки индуктивности

(2. 42)

Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране.

Потери в проводах вызваны тремя причинами.

Во-первых, провода обмотки обладают омическим сопротивлением

(2.43)

где l -длина провода обмотки, d- диаметр провода, р- удельное сопротивление.

Это сопротивление (Ом) можно выразить через число витков W и средний диаметр катушки DСР

(2. 44)

где -диаметр провода в см.

Во-вторых, сопротивление провода обмотки переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено поверхностным эффектом, суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения (рис.2.29), ширина (мм) которой равна

(2.45)

где f- частота в МГц,

r- удельное сопротивление в мкOм· м.

Вследствие этого провод длиной l имеет сопротивление переменному току равное

(2. 46)

где SЭФ - площадь кольца, которая равна

(2.47)

где

После преобразования получаем

(2.48)

В третьих, в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости (рис.2.30), суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому протекает ток, принимает серповидный характер, что ведет к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

Сопротивление rБ, обусловленное эффектом близости, прямо пропорционально диаметру провода, а сопротивление rП, обусловленное эфектом, обратно пропорционально диаметру провода ( рис.2.31).

Существует оптимальный диаметр провода dопт , при котором сопротивление

провода току высокой частоты rf = rБ + rП оказывается минимальным. Для однослойных катушек dопт= 0,2-0,6мм, для многослойных dопт =0,08-0,2мм. Существенно уменьшить потери в проводах можно применяя провод "литцендрат", состоящий из большего числа жилок, скрученных в жгут. При небольшом диаметре тонких жилок ослабляется поверхностный эффект, а скручивание жилок в жгут ослабляет эффект близости.

Существует методика расчета сопротивления rf , по которой предварительно рассчитывается вспомогательный коэффициент

(2.49)

где f - частота в Гц,

d- диаметр провода в см.

Затем по таблице находятся коэффициенты F(z) и G(z).

Z

F(z)

G(z)

0,5

1

0,001

0,6

1

0,002

0,7

1

0,004

0,8

1

0,006

0,9

1

0,01

1

1,01

0,015

1,5

1,03

0,07

2

1,08

0,17

2,5

1,18

0,3

3

1,3

0,4

4

1,7

0,6

5

2

0,8

7-. 5

2,9

1,2

10

3,8

1,6

20

7,3

3,4

25

9,1

4,3

50

18

8,2

100

36

18

После этого по графику (рис. 2.32) определяется вспомогательный коэффициент Кз , зависящий от геометрии катушки.

По (2.50) рассчитывается сопротивление провода катушки току высокой частоты

(2.50)

где D- наружный диаметр катушки в см,

d -диаметр провода в см.

Если однослойная катушка намотана проводом оптимального диаметра и параметр z >5, то сопротивление rf можно определить по формуле

(2. 51)

где D - в см,  d - в см,   f'- в МГц.

Потери в диэлектрике обусловлены тем, что между соседними витками катушки существует емкость, имеющая две составляющих-емкость через воздух Сов и емкость через диэлектрик Сод (рис.2.33).

Потери в диэлектрике учитываются величиной tgd, зная которую можно рассчитать сопротивление потерь

rД   = 0,25Содtg dL2f 3 . 10-3

(2.52)

где  Сод - в пф, L - в мкГн,  f - в МГц.

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи  dв, потерь на гистерезис dг и начальных потерь dп и учитываются как тангенс угла потерь в сердечнике

tg dс = dв f + dгН + dп

(2.53)

В справочниках приводятся значения. tg dс  для различных типов сердечников. Сопротивление потерь определяется по формуле

Потери в экране обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране. Потери, вносимые экраном, определяются по формуле

(2. 55)

где Dэ - диаметр экрана в см,

lэ - длина экрана в см,

f - частота в МГц.

Величина  h = f(l/D)  определяется по графику (рис.2.27).

Таким образом суммарное сопротивление потерь в катушке индуктивности, определяющее ее добротность, равно

Rп = rf + rд +rc + rэ

(2.56)

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. С учетом потерь и паразитной емкости катушку индуктивности можно представить в виде эквивалент-

ной схемы (рис.2.34,а), где  Rп = rf + rд +rc + rэ.  эта схема может быть приведена к более удобному виду (рис.2.34,б), где Lэ -эквивалентная индуктивность, учитывающая собственную емкость. Величины. Lэ и Rп, а следовательно, добротность Q = wL/Rп  зависят от температуры. Зависимость Q от температуры определяется температурным коэффициентом добротности ТКД=DQ/QDТ

2.3.5.Разновидности катушек индуктивности.

Контурные катушки индуктивности. Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность. В диапазоне длинных и средних волн эти катушки многослойные, как правило, с намоткой типа "универсаль". Для повышения добротности применяют многожильные провода типа "литцендрат". Для изменения индуктивности применяют цилиндрические сердечники из альсифера или карбонильного железа.

В диапазоне коротких и ультракоротких волн используются однослойные катушки с индуктивностью порядка единиц микрогенри и добротностью порядка 50 - 100. Число витков таких катушек не превышает одного-двух десятков, диаметр каркаса 10 - 20 мм. В качестве каркасов используют керамику, полиэтилен и полистирол. Для уменьшения собственной емкости применяют ребристые каркасы. Обмотка выполняется одножильным медным проводом диаметром около 1 мм. На УКВ применяют бескаркасные катушки из неизолированного провода.

Катушки связи. Эти катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т.д.

К таким катушкам не предъявляются жесткие 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

где L1 и L2 - индуктивность связанных катушек,

М - взаимная индуктивность между ними. Величина коэффициента связи зависит от расстояния между катушками, чем оно меньше, тем больше k.

Вариометры. Это такие катушки, в которых предусмотрена возможность изменения индуктивности в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров.

Они состоят из двух катушек, соединенных последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра

Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 - 5 раз.

Дроссели. Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному . Обычно включаются в цепях питания усилительных устройств. Предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов. На низких частотах они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические сердечники.

Катушки индуктивности для ГИС. На частотах порядка 10 - 100 МГц находят применение тонкопленочные спиральные катушки. На площади в 1 кв.см, располагается не более 10 витков. Добротность таких катушек не превышает 20-30. Поэтому они находят ограниченное применение. В ГИС предпочтительны миниатюрные торроидальные катушки на ферритовых сердечниках, индуктивность которых достигает десятков тысяч микрогенри.

В последнее время наметилась тенденция замены катушек специальными схемами на транзисторах (гираторы) и электромеханическими, пьезоэлектрическими и акустоэлектронными фильтрами, основанными на принципе механических упругих колебаний и механического резонанса. Скорость распространения упругих колебаний в твердом теле примерно в 100 тысяч раз меньше скорости распространения электромагнитных волн, что позволяет создавать очень компактные механические резонаторы с распределенными параметрами, обладающие добротностью порядка 103. Развитие микроэлектроники привело к появлению фильтров на приборах с зарядовой связью и фильтров на поверхностных акустических волнах. Кроме того, в ИМС широкое применение находят активные RC - фильтры, в которых используются операционные усилители с глубокой частотно-зависимой обратной связью.

Источник - Свободный взгляд

Что такое индуктор - его работа, параметры, факторы и применение

Индуктор и его работа, параметры, факторы и применения

Катушка индуктивности - один из наиболее часто используемых электрических компонентов в цепи. Его называют дросселем, змеевиком или реактором.

Индуктор:

Индуктор представляет собой пассивный электрический компонент с двумя выводами, который накапливает энергию в магнитном поле . Это магнитное поле создается за счет протекания через него тока.

Он в основном состоит из катушки, окружающей сердечник. Каждая катушка по сути является индуктором. Изменение тока через катушку создает вокруг нее магнитное поле. Это магнитное поле, согласно закону Ленца , индуцирует ЭДС на катушке, противоположную направлению входного тока. Таким образом, индуктор препятствует любому изменению тока питания.

Индуктивность:

Индуктивность - это способность или свойство индуктора создавать электродвижущую силу (ЭДС или напряжение) из-за изменения электрического тока.

Это отношение напряжения к скорости изменения тока через индуктор.

L = V / (di / dt)

Единицей индуктивности СИ является Генри , названная в честь американского ученого Джозефа Генри. Его эквивалент - Вебер / Ампер.

1 Генри - это величина индуктивности, когда изменение тока на 1 ампер в секунду в катушке создает ЭДС в 1 вольт. Он обозначается как H.

Индуктивность катушки индуктивности зависит от многих факторов, кратко обсуждаемых ниже.Индукторы обычно имеют индуктивность от 1 мкГн до 20Гн.

Обозначение индуктора:

Существуют различные типы индукторов. На схеме они обозначены различными символами. Обозначения некоторых индукторов приведены ниже:

Работа индуктора:

Согласно правилу электромагнетизма, закон Эрстеда , когда постоянный ток проходит через прямой проводник, он создает вокруг него магнитное поле. Сила магнитного поля зависит от тока питания.Если ток через проводник изменить, результирующее магнитное поле также изменится. Создаваемое магнитное поле перпендикулярно проводнику.

Что такое индуктор?

Конфиденциальность и файлы cookie

Файлы cookie - это крошечные файлы данных, которые хранятся в вашем веб-браузере при посещении веб-сайта. На www.electromaker.io мы используем файлы cookie, чтобы персонализировать ваш опыт и помочь нам выявлять и устранять ошибки.

Использование файлов cookie и аналогичных технологий в течение некоторого времени было обычным явлением, и файлы cookie, в частности, важны при предоставлении многих онлайн-услуг.Таким образом, использование таких технологий не запрещено Правилами, но они требуют, чтобы люди рассказывали о файлах cookie и им был предоставлен выбор в отношении того, какие из их онлайн-действий отслеживаются таким образом. (Офис уполномоченных по информации)

Наша политика в отношении файлов cookie

Чтобы в полной мере использовать www.electromaker.io, пользоваться персонализированными функциями и гарантировать, что веб-сайты работают в полную силу, ваш компьютер, планшет или мобильный телефон должен будет принимать файлы cookie.

Наши файлы cookie не хранят конфиденциальную информацию, такую ​​как ваше имя, адрес или платежные реквизиты: они просто содержат информацию о том, как вы используете наш сайт, чтобы мы могли улучшить ваш опыт и исправить любые ошибки.

Если вы предпочитаете ограничивать, блокировать или удалять файлы cookie с www.electromaker.io или любого другого веб-сайта, вы можете использовать для этого свой браузер. Все браузеры индивидуальны, поэтому проверьте меню «Справка» в своем конкретном браузере (или в руководстве к мобильному телефону), чтобы узнать, как изменить настройки файлов cookie.

Вот список основных файлов cookie, которые мы используем, и для чего мы их используем:

  • Electromaker - сеанс входа в систему
  • Google Analytics - Аналитика
  • Twitter - лента Twitter

Управление файлами cookie

Каждый веб-браузер обрабатывает файлы cookie по-разному, следуйте инструкциям для выбранного браузера:

Различные типы индукторов и их применение

В любой конструкции электронной схемы есть только три основных компонента - резистор, конденсатор и индуктор. Мы уже рассмотрели введение в резистор и его различные типы, а также рассмотрели конденсаторы и его различные конфигурации. В этом руководстве мы узнаем о различных типах индукторов и о том, как выбрать индуктор для различных приложений.

Что такое индуктор?

Катушки индуктивности часто называют «сопротивление переменному току». Основная характеристика индуктора - его способность противостоять изменениям тока и накапливать энергию в виде магнитного поля.Стандартной единицей индуктивности является генри.

Типы индукторов

В зависимости от области применения существует множество типов индукторов, они бывают различных форм-факторов, есть высокочастотные индукторы, низкочастотные индукторы линий электропередачи и некоторые специально разработанные индукторы для развязки и фильтрации приложений, ниже мы обсудим различные типы индукторов в деталях.

Индуктор с ламинированным сердечником

Строительство

Элементы индуктора с многослойным сердечником состоят из бобины, многослойного сердечника и катушки, намотанной вокруг бобины.

Для изготовления индуктора с многослойным сердечником на катушку индуктора наматывают проволоку, затем пластины E и I помещают внутрь катушки одну за другой, чтобы сформировать сердечник, эти листы E и I изготовлены из стали с высокой содержание кремния и его термообработка для обеспечения высокой проницаемости и снижения гистерезиса и потерь на вихревые токи.

Приложения

  • Бортовое зарядное устройство для электромобилей
  • Линейный и шумовой фильтр
  • Дроссели фильтров CH и CL сигнала

Примеры функций

  • Индуктивность - 0.От 12 до 100 мГн
  • Постоянный ток - от 1,0 АЦП до 200 АЦП
  • Система изоляции - изоляция класса B, 130 ° C

Пример Номер детали

Индуктор с воздушным сердечником

Строительство

Взяв цилиндрический материал определенного диаметра (например, сверло) в качестве шаблона, мы можем намотать кусок проволоки, чтобы сделать индуктор с воздушным сердечником, кроме того, индуктивность можно стабилизировать, окунув индуктор в лак или закрепив его. воск.

Материал сердечника - воздух, поэтому он имеет низкую проницаемость, следовательно, меньшую индуктивность, поэтому его можно использовать для высокочастотных приложений.

Приложения

  • Он используется для создания катушек настройки RF.
  • Индуктор с воздушным сердечником используется в цепях фильтров.
  • Цепь демпфера.
  • Он используется для обеспечения более низкой пиковой индуктивности,
  • Используется в высокочастотных приложениях, включая теле- и радиоприемники.

Примеры функций

  • Допуск: ± 2%
  • Индуктивность: 0.85 мГн
  • Калибр провода: 18 AWG
  • Сопротивление постоянному току: 0,44 Ом
  • Допустимая мощность: 30 Вт RMS

Пример Номер детали

Индуктор с ферритовым сердечником

Строительство

Если намотать кусок проволоки вокруг ферритового сердечника, получится индуктор с ферритовым сердечником. Итак, , что такое ферритовый сердечник и когда его использовать?

Смешивание оксида железа (Fe2O3) в сочетании с оксидами других металлов, такими как (Mn), цинк (Zn) или магний (Mg), при температуре от 1000 ° C до 1300 ° C приведет к получению материала с очень интересными магнитными свойствами, называемого ферритом. .

Катушки индуктивности

с ферритовым сердечником обладают высокой магнитной проницаемостью, высоким электрическим сопротивлением и низкими потерями на вихревые токи. Эти характеристики делают их пригодными для многих высокочастотных приложений.

Приложения

  • Может использоваться на высоких и средних частотах
  • Используется в схеме переключения
  • Pi Фильтры

Примеры функций

  • Запатентованные ферритовые материалы 5H и 10H и аналогичные
  • Подходит для диапазона ≥ 150 кГц
  • Диапазон рабочих температур от −25 ° C до + 120 ° C
  • UL 94 V – 0 огнестойкость для основы и бобины

Пример Номер детали

Индуктор катушки

Строительство

Намотка отрезка проволоки в специально изготовленную цилиндрическую бобину и закрепление ее термоусадочной трубкой образует индуктор бобины.

Материал сердечника - феррит, поэтому по своим свойствам он аналогичен индуктору с ферритовым сердечником. Небольшой размер делает их пригодными для использования в таких приложениях, как адаптеры питания.

Заявки:

  • Схема SMPS
  • Входной и выходной фильтр
  • Pi фильтр

Примеры функций

  • Стандартная первичная индуктивность +/- 10%
  • Доступны в вертикальном исполнении
  • Диэлектрическая прочность между катушкой и сердечником 0.5 кВ

Пример Номер детали

Индуктор с тороидальным сердечником

Строительство

Длина провода, намотанного на сердечник в форме пончика, широко известна как индуктор с тороидным сердечником. Материал сердечника - феррит, поэтому свойства материала напоминают индуктор с ферритовым сердечником.

Этот тип сердечника может очень хорошо выдерживать магнитное поле из-за своей природы замкнутого контура, таким образом улучшая размер и индуктивность.

Из-за сильного магнитного поля и высокого значения индуктивности при меньшем количестве обмоток полное сопротивление намного меньше, что помогает повысить эффективность катушки индуктивности.

Приложения

  • Медицинское оборудование
  • Импульсные регуляторы
  • Промышленные контроллеры
  • Выходные фильтры (SMPS)

Примеры функций

  • 560 мкГн ± 15% при 10 кГц / 5 мА
  • 77 мОм ± 10% (макс.) @ Ta = 25 ° C

Пример Номер детали

Осевые индукторы / Цветные кольцевые индукторы

Строительство

Чтобы сделать этот тип индуктора, очень тонкий медный провод наматывается на ферритовый сердечник в форме гантели, а две крышки соединяются сверху и снизу сердечника гантели. После этого он проходит процесс формования (зеленый материал, окружающий индуктор), где значения печатаются в виде цветных полос, поэтому мы можем определить значение индуктора, просто считывая цветные полосы и сравнивая их с таблицей цветовых кодов, как и резистор.

Приложения

  • Сетевой фильтр
  • Дизайн фильтра
  • Повышающий преобразователь
  • Общие

Примеры функций

  • Повышение температуры - 35 ° C
  • Диапазон рабочих температур от -55 ° C до +105 ° C
  • Диапазон температур хранения от -55 ° C до +105 ° C
  • Уровень чувствительности к влаге - 1

Пример Номер детали

Экранированный индуктор для поверхностного монтажа

Строительство

Он построен путем наматывания отрезка провода в цилиндрическую бобину и закрепления его в специально изготовленном ферритовом корпусе в форме экранированного индуктора для поверхностного монтажа.

Эти индукторы специально разработаны для приложений, монтируемых на печатных платах, и экранирование предназначено для уменьшения электромагнитных помех и шума от индуктора, а также для возможности использования в конструкции с высокой плотностью.

Приложения

  • КПК / ноутбук / настольный компьютер / серверные приложения
  • Сильноточные преобразователи POL
  • Низкопрофильные сильноточные источники питания
  • Устройства с батарейным питанием
  • Преобразователи постоянного тока в постоянный в распределенных энергосистемах
  • DC / DC преобразователь для программируемой вентильной матрицы (FPGA)

Примеры функций

  • Экранированная конструкция
  • Диапазон частот до 5.0 МГц
  • Самый низкий DCR / мкГн, в этом размере упаковки
  • Обрабатывает сильные всплески переходного тока без насыщения
  • Сверхнизкий гудящий шум благодаря композитной конструкции

Пример Номер детали

Катушки для беспроводной зарядки

Строительство

Намотка многожильного провода и вставка его в ферритовый электрод приведет к созданию катушки беспроводной зарядки.

Длина многожильного провода используется для уменьшения скин-эффекта, который описывает высокочастотное магнитное поле, которое может проникать на определенную глубину; это означает, что если в этом случае используется сплошной провод, большая часть тока будет проходить через внешняя часть проводника, увеличивающая сопротивление.

Поместив ферритовую пластину под катушку, можно улучшить индуктивность, а также сфокусировать магнитное поле и снизить выбросы.

Приложения

  • Беспроводная зарядка
  • Информационно-коммуникационная продукция
  • Продукция промышленного, медицинского и другого назначения

Примеры функций

  • Ls [мкГн]: 6,20 мкГн +/- 5% при 100 кГц
  • Rs [Ом]: 0,095 Ом +/- 10% при 100 кГц
  • Rdc [Ом]: 0.08 Ом

Пример Номер детали

Спаренный индуктор

Строительство

Обмотка двух проводов в общий сердечник образует спаренный индуктор. Обмотки могут быть соединены последовательно, параллельно или как трансформатор, в соответствии с требованиями приложения, они работают, передавая энергию от одной обмотки к другой за счет взаимной индуктивности, наиболее распространенные связанные индукторы имеют соотношение витков один к одному, используемое в основном постоянном токе. -Преобразователи постоянного тока.

Приложения

  • Обратный преобразователь
  • Преобразователь SEPIC
  • Конвертер Cuk

Примеры функций

  • Диапазон рабочих температур от -50 ° C до + 155 ° C
  • Повышение температуры, максимум 40 ° C
  • Рабочая частота до 3 МГц

Пример Номер детали

Многослойные индукторы на микросхеме

Строительство

Само название указывает на то, что он состоит из многослойных.Он построен из тонких пластин из феррита. Рисунок катушки напечатан на нем специальной металлической пастой (рецепт является конфиденциальным для производителя), правильное размещение этих листов слой за другим формирует катушку, следовательно, индуктивность.

Приложения

  • Маленькое носимое приложение
  • Беспроводные локальные сети
  • Bluetooth
  • SBC
  • Материнская плата

Примеры функций

  • Рабочая температура: от -55 ° C до +125 ° C
  • Термический удар: от -40 ° C до +85 ° C
  • Влажность: 90% при 40 ° C

Пример Номер детали

Экранированный индуктор переменного тока

Строительство

Обернув кусок проволоки вокруг бобины полого цилиндра, и поместив и перемещая сердечник, сделанный из ферромагнитного материала или латуни, мы можем изменить значение индуктора.

Если материал сердечника - феррит, то перемещение материала сердечника в центре обмотки приведет к увеличению индуктивности.

Если материал сердечника - латунь, то перемещение его к центру обмотки приведет к уменьшению индуктивности.

Приложения

  • Высокая надежность соответствует автомобильным приложениям.
  • Соответствует AEC-Q200.

Примеры функций

  • Диапазон частот : 20 ~ 129 МГц
  • Диапазон индуктивности : 0.05 ~ 2,7 мГн
  • Q Прибл. 20 ~ 60
  • Высокая устойчивость к механическим воздействиям

Пример Номер детали

Итак, это все о наиболее часто используемых индукторах в области электротехники и электроники, есть также много других типов индукторов, которые не распространены и используются для специальных целей.

Что такое индуктор: его конструкция и работа

Катушка индуктивности является одним из основных пассивных компонентов в электронике.Основные пассивные компоненты в электронике - это резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Индукторы тесно связаны с конденсаторами, поскольку оба они используют электрическое поле для хранения энергии, и оба являются двумя терминальными пассивными компонентами. Но конденсаторы и катушки индуктивности имеют разные конструктивные свойства, ограничения и использование.

Индуктор - это компонент с двумя выводами, который накапливает энергию в своих магнитных полях. Его также называют катушкой или дросселем. Он блокирует любые изменения тока, протекающего через него.

Катушка индуктивности характеризуется значением индуктивности, которое представляет собой отношение изменения напряжения (ЭДС) и тока внутри катушки. Единица индуктивности - это Генри . Если ток, протекающий через катушку индуктивности, изменяется со скоростью один ампер в секунду, и внутри катушки создается 1 В ЭДС, то значение индуктивности будет равно 1 Генри.

В электронике катушка индуктивности со значением Генри используется редко, так как это очень высокая величина с точки зрения применения.Обычно в большинстве приложений используются гораздо более низкие значения, такие как Милли Генри, Микро Генри или Нано Генри.

Символ Значение Отношения с Генри
мH Милли Генри 1/1000
грн Микро Генри 1/1000000
нГн Нано Генри 1/1000000000

Символ индуктора показан на изображении ниже -

Этот символ представляет собой скрученные провода, что означает, что провода сконструированы в виде катушки.

Конструкция индуктора

Катушки индуктивности сформированы из изолированных медных проводов, которые затем сформированы в виде катушки. Катушка может быть разной формы и размера, а также может быть обернута в другой материал.

Индуктивность индуктора сильно зависит от множества факторов, таких как количество витков провода, расстояние между витками, количество слоев витков, тип материалов сердечника, его магнитная проницаемость, размер, форма и т. Д.

Существует огромная разница между идеальным индуктором и реальными индукторами, используемыми в электронных схемах. Настоящая катушка индуктивности имеет не только индуктивность, но также емкость и сопротивление. Плотно намотанные катушки создают измеримую паразитную емкость между витками катушки. Эта дополнительная емкость, а также сопротивление провода изменяют высокочастотное поведение катушки индуктивности.

Катушки индуктивности используются почти в каждом электронном продукте, некоторые варианты применения индукторов своими руками:

Как работает индуктор?

Перед тем, как продолжить обсуждение, важно понять разницу между двумя терминами: Магнитное поле и Магнитный поток .

Во время протекания тока через проводник создается магнитное поле . Эти две вещи линейно пропорциональны. Следовательно, если ток увеличится, магнитное поле также увеличится. Это магнитное поле измеряется в системе СИ: тесла, (Тл). Итак, , что такое магнитный поток ? Ну, это измерение или величина магнитного поля, которое проходит через определенную область. Магнитный поток также имеет единицу измерения в стандарте СИ, это Weber .

Итак, на данный момент на индукторах есть магнитное поле, создаваемое протекающим через них током.

Для дальнейшего понимания необходимо понимание закона индуктивности Фарадея. Согласно закону индуктивности Фарадея , генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

  VL = N (dΦ / dt) 
 

Где N - количество витков, а Φ - величина магнитного потока.

Конструкция индуктора

Одна типовая стандартная конструкция индуктора и принцип работы могут быть продемонстрированы в виде медного провода, плотно намотанного на материал сердечника. На изображении ниже медный провод плотно намотан на материал сердечника, что делает его пассивным индуктором с двумя выводами.

Когда ток течет через провод, электромагнитное поле будет развиваться через проводник, и возникнет электродвижущая сила или ЭДС в зависимости от скорости изменения магнитного потока.Таким образом, потокосцепление будет Nɸ.

Индуктивность намотанной катушки индуктивности в материале сердечника считается равной

.
  мкН  2  А / л 
 

где N количество витков

А - площадь поперечного сечения материала сердечника

L - длина катушки

µ - постоянная проницаемость материала сердечника.

Формула сгенерированной обратной ЭДС :

  Vemf (L) = -L (di / dt) 
 

где di / dt - скорость изменения тока

L - это самоиндукция.

Направление наведенной ЭДС будет противоположным приложенному источнику тока.

На рынке есть легко доступные измерители индуктивности для измерения индуктивности катушки, но они также могут быть построены из нескольких компонентов. Вот два измерителя индуктивности DIY :

Почему индуктор блокирует переменный ток, а не постоянный ток ?

Довольно интересно. Чтобы понять это, нужно понять закон Ленца. Согласно закону Ленца, направление тока, индуцируемого в проводнике из-за изменения магнитного поля, таково, что он создает магнитное поле, которое противодействует изменению, которое его вызвало.

Итак, есть два типа приложений. Первый - подать постоянный ток через катушку индуктивности, второй - подать переменный ток через катушку индуктивности.

Когда через катушку индуктивности подается переменный ток, переменный ток изменяет ток, которому противодействует катушка индуктивности, путем увеличения реактивного сопротивления. Чем выше частота переменного тока, тем выше скорость изменения тока и выше блокирующий эффект катушки индуктивности.

Но в то время, когда через катушку индуктивности подается постоянный ток , она действует как близкое к короткому замыканию с очень низким сопротивлением.В установившемся режиме постоянного тока скорость изменения тока равна нулю, что в дальнейшем делает di / dt равным нулю. Таким образом, не было индуцированного напряжения, и индуктор не препятствовал прохождению постоянного тока.

Что произойдет, если мы применим переключение постоянного тока через катушку индуктивности ?

Рассмотрим схему ниже.

В цепи, если на катушку индуктивности подается источник напряжения с помощью переключателя. Этот переключатель может быть чем-то вроде транзисторов, полевых МОП-транзисторов или любого другого типичного переключателя, который будет обеспечивать источник напряжения на катушке индуктивности.

Имеется двух состояний схемы .

Когда переключатель разомкнут , в катушке индуктивности не будет протекания тока, а также скорость изменения тока равна нулю. Итак, ЭДС тоже равна нулю .

Когда переключатель замкнут. ток от источника напряжения до индуктора начинает расти, пока ток не достигнет максимального установившегося значения. В это время ток, протекающий через катушку индуктивности, увеличивается, и скорость изменения тока зависит от значения индуктивности.Согласно закону Фарадея, катушка индуктивности генерирует обратную ЭДС, которая сохраняется до тех пор, пока постоянный ток не перейдет в стабильное состояние. В установившемся режиме в катушке нет изменения тока, и ток просто проходит через катушку.

В это время идеальная катушка индуктивности будет действовать как короткое замыкание, поскольку у нее нет сопротивления, но в практической ситуации ток течет через катушку, и катушка имеет сопротивление, а также емкость.

В другом состоянии, когда переключатель снова замыкается, ток индуктора быстро падает, и снова происходит изменение тока, которое в дальнейшем приводит к генерации ЭДС.

Ток и напряжение в индукторе

На приведенном выше графике показаны состояние переключателя, ток индуктора и индуцированное напряжение с постоянной времени.

Мощность, проходящая через катушку индуктивности, может быть рассчитана с использованием закона мощности Ом. , где P = напряжение x ток. Следовательно, в таком случае напряжение равно –L (di / dt), а ток равен i. Итак, мощность в индукторе можно рассчитать по формуле

  P  L  = L (di / dt) i  

Но в установившемся режиме настоящий индуктор действует как резистор.Таким образом, мощность можно рассчитать как

.
  P = V  2  R  

Также можно вычислить запасенную энергию в индукторе . Индуктор накапливает энергию с помощью магнитного поля. Энергия, запасенная в индукторе, может быть рассчитана по этой формуле -

  Вт (т) = Li  2  (т) / 2  

Существуют различные типы индукторов в зависимости от их конструкции и размера. Конструктивно индукторы могут быть выполнены с воздушным сердечником, ферритовым сердечником, железным сердечником и т. Д. По форме доступны различные типы индукторов, такие как тип сердечника барабана, тип дросселя, тип трансформатора и т. Д.

Применение индукторов

Катушки индуктивности

находят широкое применение.

  1. В заявке РФ.
  2. SMPS и блоки питания.
  3. В трансформаторе.
  4. Устройство защиты от перенапряжения для ограничения пускового тока.
  5. Внутри механических реле и т. Д.

Основные сведения об индукторах [Урок 1] Обзор индукторов - «Как работают индукторы?»

Направляющая индуктора

Катушка индуктивности - это пассивный электронный компонент, способный накапливать электрическую энергию в виде магнитной энергии.По сути, в нем используется проводник, намотанный на катушку, и когда электричество течет в катушку слева направо, это создает магнитное поле по часовой стрелке.

Ниже представлено уравнение индуктивности катушки индуктивности. Чем больше витков намотано на сердечник, тем сильнее создается магнитное поле. Сильное магнитное поле также создается за счет увеличения площади поперечного сечения индуктора или изменения сердечника индуктора.

Давайте теперь предположим, что через дроссель протекает переменный ток. «AC» (переменный ток) относится к току, уровень и направление которого меняются циклически с течением времени. Когда ток собирается течь в индуктор, магнитное поле, создаваемое этим током, пересекает другие обмотки, вызывая индуцированное напряжение и, таким образом, предотвращая любые изменения уровня тока. Если ток вот-вот возрастет внезапно, электродвижущая сила создается в направлении, противоположном току, то есть в том направлении, в котором ток уменьшается, что предотвращает любое увеличение тока.И наоборот, если ток вот-вот упадет, электродвижущая сила генерируется в том направлении, в котором ток увеличивается.

Эти эффекты индуцированного напряжения возникают даже тогда, когда направление тока меняется на противоположное. Перед преодолением индуцированного напряжения, которое пытается заблокировать ток, направление тока меняется на противоположное, так что ток не протекает.

Уровень тока остается неизменным, когда постоянный ток течет к катушке индуктивности, поэтому индуцированное напряжение не создается, и можно считать, что возникает короткое замыкание.Другими словами, индуктор - это компонент, который позволяет постоянному току, но не переменному току, проходить через него.

  • Катушка индуктивности накапливает электрическую энергию в виде магнитной энергии.
  • Катушка индуктивности не пропускает через нее переменный ток, но пропускает через нее постоянный ток.

Свойства индукторов используются во множестве различных приложений. Существует множество различных типов индукторов, и в следующем уроке будут описаны приложения, для которых индукторы лучше всего подходят.

Ответственное лицо: Murata Manufacturing Co., Ltd. T.K

Сопутствующие товары

Катушки индуктивности

Статьи по теме

Будьте в курсе!

Получайте электронные письма от Мураты с последними обновлениями на этом сайте.
Информационный бюллетень Murata (электронный информационный бюллетень)

mail_outline

Какие типы индукторов доступны в электрических?

Доступны различные типы индукторов в зависимости от размеров и номиналов.Их физические размеры варьируются от крошечных до огромных трансформаторов, в зависимости от потребляемой мощности и частоты переменного тока. В качестве одного из основных компонентов, используемых в электронике, индукторы широко используются в гораздо более широких областях применения, таких как управление сигналами, устранение шума, стабилизация напряжения, силовое электронное оборудование, автомобильные операции и т. Д. В настоящее время совершенствование методов проектирования индукторов значительно повышает производительность на остальная часть схемы.

Типы индукторов

Различные типы индукторов

Для разнообразного электронного компонента, используемого в широком диапазоне приложений, требуются различные типы индукторов.Они бывают разных форм, размеров, включая проволочные и многослойные индукторы. Различные типы индукторов включают высокочастотные индукторы, индукторы линии питания или силовые индукторы и индукторы для общих цепей. Дифференциация индукторов зависит от типа обмотки, а также от используемого сердечника.


  • Индукторы с воздушным сердечником

    Индукторы с воздушным сердечником

В этом типе индукторов сердечник полностью отсутствует. Эти катушки индуктивности обеспечивают путь магнитного потока с высоким сопротивлением, следовательно, меньшую индуктивность.Катушки индуктивности с воздушным сердечником имеют большие катушки для обеспечения более высокой плотности потока. Они используются в высокочастотных приложениях, включая теле- и радиоприемники.

  • Индукторы с ферромагнитным сердечником или с железным сердечником

Индуктор с железным сердечником

Благодаря своей более высокой магнитной проницаемости они обладают высокой индуктивностью. Это мощные индукторы, но их пропускная способность по более высокой частоте ограничена из-за гистерезиса и потерь на вихревые токи.

Конструкции трансформаторов являются примерами этого типа.

  • Катушки индуктивности с ферритовым сердечником

    Катушки индуктивности с ферритовым сердечником

Это различные типы катушек индуктивности, которые обеспечивают снижение стоимости и низкие потери в сердечнике на высоких частотах. Феррит - это металлооксидная керамика на основе смеси оксида железа Fe2O3. Мягкие ферриты используются в конструкции сердечника для уменьшения потерь на гистерезис.

Катушка индуктивности с тороидальным сердечником

В этих индукторах катушка намотана на тороидальный кольцевой формирователь.У этого типа индуктора очень мала утечка магнитного потока. Однако для создания индуктора этого типа требуются специальные намоточные машины. Иногда для уменьшения потерь в этой конструкции также используется ферритовый сердечник.

  • Катушки индуктивности

    Катушки индуктивности

В этом типе катушка намотана на катушку. Конструкции катушечных индукторов сильно различаются по номинальной мощности, уровням напряжения и тока, рабочей частоте и т. Д. Они в основном используются в импульсных источниках питания и преобразователях мощности.


Многослойные индукторы

Многослойные индукторы содержат две схемы проводящих катушек, которые расположены в два слоя в верхней части многослойного корпуса. Катушки последовательно соединены электрически последовательно с еще двумя рисунками проводящих катушек, расположенными в нижней части многослойного корпуса. Они в основном используются в системах мобильной связи и в приложениях для подавления шума.

  • Тонкопленочные индукторы

    Тонкопленочные индукторы

Они полностью отличаются от обычных индукторов чипового типа, намотанных медным проводом.В этом типе крошечные индукторы формируются с использованием тонкопленочной обработки для создания индуктора микросхемы для высокочастотных приложений, диапазон которых составляет примерно от нано Генри.

Как работает индуктор?

Катушку индуктивности часто называют резистором переменного тока. Он сопротивляется изменениям тока и накапливает энергию в виде магнитного поля. Они просты по конструкции и состоят из витков медной проволоки, намотанной на сердечник. Этот сердечник может быть магнитным или воздушным. Различные типы индукторов могут использоваться в сложных приложениях, таких как беспроводная передача энергии.

Работа индуктора

Магнитопроводы могут быть тороидальными или E-типа. Для этого сердечника используются такие материалы, как керамика, феррит, железо. Катушка, по которой проходит электрический ток, создает магнитное поле вокруг проводника. Если сердечник помещен внутри катушки, образуется больше магнитных линий, при условии использования сердечника с высокой проницаемостью.

Магнитное поле индуцирует ЭДС в катушке, что приводит к протеканию тока. Согласно закону Ленца, индуцированный ток противодействует причине, которой является приложенное напряжение.Следовательно, индуктор противодействует изменению входного тока, которое приводит к изменению магнитного поля. Это уменьшение протекания тока из-за индукции называется индуктивным реактивным сопротивлением. Индуктивное реактивное сопротивление увеличится при увеличении числа витков в катушке. Он также сохраняет энергию в виде магнитного поля в процессах зарядки и разрядки и высвобождает энергию при переключении цепи. Области применения индукторов включают аналоговые схемы, обработку сигналов и т. Д.

Факторы, влияющие на индуктивность индуктора

Возможность создания магнитных линий называется индуктивностью.Стандартная единица индуктивности - Генри. Величина развиваемого магнитного потока или индуктивность различных типов индукторов зависит от четырех основных факторов, обсуждаемых ниже.

  • Число витков в катушке

Если число витков больше, создается большее количество магнитного поля, что приводит к большей индуктивности. Чем меньше витков, тем меньше индуктивность.

Если материал, используемый для сердечника, имеет высокую магнитную проницаемость, индуктивность индуктора будет выше.Это связано с тем, что материалы с высокой проницаемостью обеспечивают путь для магнитного потока с низким сопротивлением.

  • Площадь поперечного сечения катушки

Большая площадь поперечного сечения приводит к большей индуктивности, поскольку это обеспечивает меньшее сопротивление магнитному потоку с точки зрения площади.

Чем длиннее катушка, тем меньше будет индуктивность. Это потому, что для данной величины поля сила противодействия магнитному потоку больше.

Фиксированная индуктивность не позволяет пользователю изменять индуктивность, если она спроектирована.Но можно изменять индуктивность с помощью регулируемых катушек индуктивности, изменяя количество витков в любой момент времени или изменяя материал сердечника внутри и снаружи катушки.

Потери мощности в индукторе

Мощность, рассеиваемая в индукторе, в основном обусловлена ​​двумя источниками: сердечником индуктора и обмотками.

Различные сердечники индуктора

Сердечник индуктора: Потери энергии в сердечнике индуктора возникают из-за гистерезиса и потерь на вихревые токи. Магнитное поле, приложенное к магнитному материалу, увеличивается, переходит до уровня насыщения, а затем уменьшается.Но при уменьшении не отслеживает исходный путь. Это вызывает гистерезисные потери. Меньшее значение коэффициента гистерезиса материалов сердечника приводит к низким гистерезисным потерям.

Другой тип потерь в сердечнике - это потери на вихревые токи. Эти вихревые токи индуцируются в материале сердечника из-за изменения скорости магнитного поля в соответствии с законом Ленца. Потери на вихревые токи намного меньше потерь на гистерезис. Эти потери минимизированы за счет использования материалов с низким коэффициентом гистерезиса и многослойного сердечника.2 * R) займет место в обмотках. Но с увеличением частоты увеличивается сопротивление обмотки из-за скин-эффекта. Скин-эффект заставляет ток концентрироваться на поверхности проводника, а не на его центрах. Таким образом, эффективная площадь токонесущей области уменьшается.

Также индуцированные в обмотках вихревые токи вызывают индукцию тока в соседних проводниках, что называется эффектом близости.

Из-за перекрывающихся проводников в катушках, эффект близости приводит к увеличению сопротивления проводника выше, чем в случае скин-эффекта.Потери в обмотках снижаются с помощью передовых технологий намотки, таких как обмотки из фасонной фольги и проволоки из тонкой проволоки.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *