На схемах катушки индуктивности обозначаются вот так:
При последовательном соединении индуктивностей, их общая индуктивность равна сумме индуктивностей.
А при параллельном соединении получаем вот так:
При соединении индуктивностей должно выполняться правило, чтобы они были пространственно разнесены на плате. Это связано с тем, что при близком расположении друг друга их магнитные поля будут влиять с друг другом, и поэтому показания индуктивностей будут неправильны. Не ставьте на одну железную оську два и более тороидальных катушек, это может привести к неправильным показаниям общей индуктивности.
Итак первое: Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки.
Что это значит? Очень просто. При подключении источника питания постоянного тока, ток через индуктивность возрастает постепенно. И скорость увеличения тока зависит от величины индуктивности.
Второе. Сопротивление (модуль ипмеданса) катушки растет с увеличением частоты текущего через неё тока.
Комментарии излишни.
Третье. Катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своём магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.
Заметьте, катушка индуктивности обладает собственным активным сопротивлением, подобно резистору. Зачастую при расчётах цепей схемы, содержащих индуктивность это сопротивление не учитывается. Так как при построении математических моделей берётся идеальная индуктивность, у которой активное сопротивление стремится к нулю.
Но реальные катушки индуктивности имеют хоть и не большое, но тем не менее вполне ощутимое сопротивление в пределах до нескольких Ом.
Кроме активного, индуктивность обладает и реактивным сопротивлением или характеристическим.
- Реактивное сопротивление – электрическое сопротивление переменному току, обусловленное передачей энергии магнитным полем в индуктивностях или электрическим полем в конденсаторах.
- Реактивное сопротивление создаёт расхождение во времени изменения тока и напряжения – сдвиг фаз.
- Элементы, обладающие реактивным сопротивлением, называют реактивными.
При протекании переменного тока I в катушке, магнитное поле создаёт в её витках ЭДС, которая препятствует изменению тока. При увеличении тока, ЭДС отрицательна и препятствует нарастанию тока, при уменьшении - положительна и препятствует его убыванию, оказывая таким образом сопротивление току на протяжении всего периода.
В результате созданного противодействия, на катушке индуктивности в противофазе формируется напряжение U, подавляющее ЭДС, равное ей по амплитуде и противоположное по знаку.
При прохождении тока через нулевое значение, когда скорость его изменения максимальна, амплитуда ЭДС достигает максимального значения, что образует расхождение во времени в 1/4 периода, следовательно и напряжение на выводах катушки индуктивности будет иметь сдвиг фаз 90 градусов относительно тока.
Созданное магнитным полем катушки реактивное сопротивление называют индуктивным.
Для синусоидального тока реактивное сопротивление индуктивности определяется из расчёта:
где
ω = 2πf - круговая частота,
π = 3,14
f - частота, действующая в цепи
L - индуктивность.
Следует отметить, в трансформаторах и связанных контурах ЭДС , уменьшая влияние и противодействие току в первичной цепи, создаёт ток во вторичных обмотках, фаза которого зависит от характера нагрузок на обмотки. Тогда реактивное сопротивление и фаза тока первичной цепи будет зависеть от величины тока и фазы во вторичных цепях, и расчёт индуктивного сопротивления будет гораздо сложнее.
Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике.
Свойства катушки индуктивности
Давайте теперь рассмотрим более подробно какими же свойствами обладает катушка индуктивности? Особо грузить Вас теорией я желания не имею. По желанию Вы и сами легко найдёте весь материал, о котором я умолчал. Хочу лишь обратить Ваше внимание на ключевые моменты. Без которых ну абсолютно невозможно понимание физики процессов в проектируемых цепях любой схемы. А без понимания Вы просто не сможете спроектировать свой шедевр. И это будет очень печально.Итак первое: Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки.
Что это значит? Очень просто. При подключении источника питания постоянного тока, ток через индуктивность возрастает постепенно. И скорость увеличения тока зависит от величины индуктивности.
Второе. Сопротивление (модуль ипмеданса) катушки растет с увеличением частоты текущего через неё тока.
Комментарии излишни.
Третье. Катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своём магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.
Заметьте, катушка индуктивности обладает собственным активным сопротивлением, подобно резистору. Зачастую при расчётах цепей схемы, содержащих индуктивность это сопротивление не учитывается. Так как при построении математических моделей берётся идеальная индуктивность, у которой активное сопротивление стремится к нулю.
Но реальные катушки индуктивности имеют хоть и не большое, но тем не менее вполне ощутимое сопротивление в пределах до нескольких Ом.
Кроме активного, индуктивность обладает и реактивным сопротивлением или характеристическим.
- Реактивное сопротивление – электрическое сопротивление переменному току, обусловленное передачей энергии магнитным полем в индуктивностях или электрическим полем в конденсаторах.
- Реактивное сопротивление создаёт расхождение во времени изменения тока и напряжения – сдвиг фаз.
- Элементы, обладающие реактивным сопротивлением, называют реактивными.
При протекании переменного тока I в катушке, магнитное поле создаёт в её витках ЭДС, которая препятствует изменению тока. При увеличении тока, ЭДС отрицательна и препятствует нарастанию тока, при уменьшении - положительна и препятствует его убыванию, оказывая таким образом сопротивление току на протяжении всего периода.
В результате созданного противодействия, на катушке индуктивности в противофазе формируется напряжение U, подавляющее ЭДС, равное ей по амплитуде и противоположное по знаку.
Созданное магнитным полем катушки реактивное сопротивление называют индуктивным.
Для синусоидального тока реактивное сопротивление индуктивности определяется из расчёта:
ω = 2πfL
где
ω = 2πf - круговая частота,
π = 3,14
f - частота, действующая в цепи
L - индуктивность.
Следует отметить, в трансформаторах и связанных контурах ЭДС , уменьшая влияние и противодействие току в первичной цепи, создаёт ток во вторичных обмотках, фаза которого зависит от характера нагрузок на обмотки. Тогда реактивное сопротивление и фаза тока первичной цепи будет зависеть от величины тока и фазы во вторичных цепях, и расчёт индуктивного сопротивления будет гораздо сложнее.
Характеристики катушки индуктивности
- Индуктивность - Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, численно равная отношению создаваемого током потока магнитного поля, пронизывающего катушку к силе протекающего тока. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.
Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. - Сопротивление потерь - В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых импеданс катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь Rпот.
Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране:
Rпот = rw + rd + rs + re
- Потери в проводах - Потери в проводах вызваны тремя причинами:
- Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.
- Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие, уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.
- В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.
- Потери в диэлектрике - Потери в диэлектрике (изоляции проводов и каркасе катушки) можно отнести к двум категориям:
- Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери, характерные для диэлектриков конденсаторов).
- Потери, обусловленные магнитными свойствами диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике). В общем случае можно заметить, что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.
- Потери в сердечнике - Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на перемагничивание ферромагнетика — на «гистерезис».
- Потери на вихревые токи - Переменное магнитное поле индуцирует вихревые ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи (токи Фуко) становятся источником потерь из-за омического сопротивления проводников.
- Потери в проводах - Потери в проводах вызваны тремя причинами:
- Добротность - С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика — добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна
Q=(W*L)/Rпот
Иногда потери в катушке характеризуют тангенсом угла потерь (величина, обратная добротности) — сдвигом фаз тока и напряжения катушки в цепи синусоидального сигнала относительно π/2 — для идеальной катушки.
Практически добротность лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями, намоткой вида «универсаль», применением посеребрёного провода, применением многожильного провода вида «литцендрат» для снижения потерь, вызванных скин-эффектом. - Паразитная емкость и собственный резонанс - Межвитковая паразитная емкость проводника в составе катушки индуктивности превращает катушку в сложную распределенную цепь. В первом приближении можно принять, что реальная катушка эквивалентно представляет собой идеальную индуктивность, включенной последовательно с резистором активного сопротивления обмотки с присоединенной параллельно этой цепочке паразитной ёмкостью (см. рис). В результате этого катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. Эта резонансная частота легко может быть измерена и называется собственной частотой резонанса катушки индуктивности. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный, при частотах вблизи резонанса в основном активный (на частоте резонанса чисто активный) и большой по модулю, на частотах много выше частоты собственного резонанса — ёмкостный. Обычно собственная частота указывается изготовителем в технических данных промышленных катушек индуктивности, либо в явном виде, либо косвенно — в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.
Зависимость модуля импеданса и активной составляющей импеданса от частоты для реальной катушки индуктивности.
На частотах ниже собственного резонанса этот эффект проявляется в падении добротности с ростом частоты.
Для увеличения частоты собственного резонанса используют сложные схемы намотки катушек, разбиение одной обмотки на разнесённые секции. - Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)- ТКИ — это параметр, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры.
Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков; кроме того при изменении температуры изменяются диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведёт к изменению собственной ёмкости катушки. Очень существенно влияние температуры на магнитную проницаемость ферромагнетика сердечника.
Разновидности катушек индуктивности
Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике.Эти катушки используются совместно с конденсаторами для организации резонансных контуров. Они должны иметь высокую термо- и долговременную стабильность, и добротность, требования к паразитной ёмкости обычно несущественны.
Катушки связи, или трансформаторы связи
Взаимодействующие магнитными полями пара и более катушек обычно включаются параллельно конденсаторам для организации колебательных контуров. Такие катушки применяются для обеспечения трансформаторной связи между отдельными цепями и каскадами, что позволяет разделить по постоянному току, например, цепь базы последующего усилительного каскада от коллектора предыдущего каскада и т. д.
К нерезонансным разделительным трансформаторам не предъявляются жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи (коэффициент взаимоиндукции).
Вариометры
Это катушки, индуктивностью которых можно управлять (например, для перестройки частоты резонанса колебательных контуров) изменением взаимного расположения двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая обычно располагается внутри первой и вращается (ротор). Существуют и другие конструкции вариометров. При изменении положения ротора относительно статора изменяется степень взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз.
В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника относительно обмотки, либо изменением длины воздушного зазора замкнутого магнитопровода.
Дроссели
Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Дроссели включаются последовательно с нагрузкой для ограничения переменного тока в цепи, они часто применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента, а также в качестве балласта для включения разрядных ламп в сеть переменного напряжения. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины или кольца), нанизанные на отдельные провода или группы проводов (кабели) для подавления синфазных высокочастотных помех.
Сдвоенные дроссели
Это две намотанных встречно или согласованно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. При согласной намотке эффективны для подавления дифференциальных помех. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.[2][3] Предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов из питающей сети, так и во избежание проникновения в питающую сеть электромагнитных помех, генерируемых устройством. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный сердечник (из трансформаторной стали). Для фильтрации высокочастотных помех — сердечник ферритовый.
Далее по плану у нас следуют конденсаторы.
<<< Назад
Применение катушек индуктивности
- Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.
- Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.
- Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор.
- Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.
- Катушки используются также в качестве электромагнитов — исполнительных механизмов.
- Катушки применяются в качестве источника энергии для нагрева индуктивно-связанной плазмы, а также её диагностики.
- Для радиосвязи — приёма электромагнитных волн, редко — для излучения:
- Ферритовая антенна
- Рамочная антенна, кольцевая антенна
- DDRR
- Индукционная петля
- Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
- Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах при перемещении ферромагнитного сердечника относительно обмотки.
- Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля в индукционных магнитометрах
- Для создания магнитных полей в ускорителях элементарных частиц, магнитного удержания плазмы, в научных экспериментах, в ядерно-магнитной томографии. Мощные стационарные магнитные поля, как правило, создаются сверхпроводящими катушками.
- Для накопления энергии.
Далее по плану у нас следуют конденсаторы.
<<< Назад