Что такое катушка индуктивности и как она работает. Какие бывают виды катушек индуктивности. Где применяются катушки индуктивности в электронике. Как рассчитать индуктивность катушки. Какие преимущества дает использование катушек индуктивности.
Что такое катушка индуктивности и принцип ее работы
Катушка индуктивности (дроссель) — это пассивный электронный компонент, который представляет собой провод, намотанный в виде спирали. Основной принцип работы катушки индуктивности заключается в создании магнитного поля при прохождении через нее электрического тока.
При протекании тока через катушку вокруг нее возникает магнитное поле. Когда ток изменяется, магнитное поле также меняется, что приводит к возникновению ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению тока. Это свойство катушки называется индуктивностью.
Основные характеристики катушки индуктивности:
- Индуктивность (измеряется в Генри)
- Максимальный допустимый ток
- Активное сопротивление обмотки
- Собственная емкость
- Добротность
Индуктивность катушки зависит от ее геометрических параметров (числа витков, диаметра, длины), а также от магнитных свойств сердечника, если он используется.
Виды катушек индуктивности и их особенности
Существует несколько основных видов катушек индуктивности, которые различаются по конструкции и применению:
1. Воздушные катушки
Простейший вид — провод намотан на каркас без магнитного сердечника. Преимущества: отсутствие потерь на перемагничивание, стабильность параметров. Недостаток — малая индуктивность.
2. Катушки с ферромагнитным сердечником
Имеют сердечник из ферромагнитного материала (феррит, альсифер и др.). Это позволяет значительно увеличить индуктивность. Недостаток — возможность насыщения сердечника при больших токах.
3. Тороидальные катушки
Обмотка намотана на кольцевой сердечник. Преимущества: компактность, хорошее экранирование магнитного поля. Применяются в фильтрах, трансформаторах.
4. Многослойные катушки
Обмотка выполнена в несколько слоев. Позволяют получить большую индуктивность при малых габаритах. Недостаток — большая межвитковая емкость.
Применение катушек индуктивности в электронике
Катушки индуктивности широко используются в различных областях электроники и радиотехники:
1. Фильтры
Катушки применяются в LC-фильтрах для подавления высокочастотных помех. Как фильтруют катушки индуктивности? Они обладают большим сопротивлением для высокочастотных сигналов, что позволяет отфильтровывать нежелательные высокочастотные составляющие.
2. Колебательные контуры
В сочетании с конденсатором катушка образует колебательный контур — основу многих радиотехнических устройств. Какую роль играет катушка в колебательном контуре? Она накапливает энергию магнитного поля, которая затем преобразуется в энергию электрического поля конденсатора, обеспечивая колебательный процесс.
3. Трансформаторы и дроссели
4. Электромагниты
Катушки с сердечником используются для создания управляемых электромагнитов в различных устройствах автоматики.
5. Антенны
В некоторых типах антенн (например, магнитных рамочных) катушка индуктивности является основным элементом.
Расчет индуктивности катушки
Для расчета индуктивности катушки используется формула:
L = (μ0 * μr * N^2 * S) / l
Где:
- L — индуктивность (Генри)
- μ0 — магнитная проницаемость вакуума (4π * 10^-7 Гн/м)
- μr — относительная магнитная проницаемость сердечника
- N — число витков
- S — площадь поперечного сечения катушки (м^2)
- l — длина катушки (м)
Как влияют параметры на индуктивность катушки? Увеличение числа витков и площади сечения приводит к росту индуктивности, а увеличение длины катушки — к ее уменьшению.
Преимущества использования катушек индуктивности
Использование катушек индуктивности в электронных схемах дает ряд преимуществ:
- Фильтрация сигналов: катушки эффективно подавляют высокочастотные помехи.
- Накопление энергии: катушки способны запасать энергию магнитного поля.
- Создание колебательных систем: в сочетании с конденсаторами образуют резонансные контуры.
- Преобразование напряжения: используются в трансформаторах для изменения уровня напряжения.
- Сглаживание пульсаций: применяются в фильтрах источников питания для уменьшения пульсаций.
Особенности применения катушек индуктивности в современной электронике
В современной электронике использование катушек индуктивности имеет свои особенности:
Миниатюризация
Современные технологии позволяют создавать миниатюрные катушки индуктивности, которые могут быть интегрированы в микросхемы. Как достигается миниатюризация катушек? Используются специальные материалы сердечников, многослойные конструкции, технологии тонкопленочного напыления.
Высокочастотные применения
В высокочастотных схемах (например, в мобильных устройствах) применяются специальные ВЧ-катушки с минимальными паразитными параметрами. Какие особенности имеют ВЧ-катушки? Они часто выполняются на керамических сердечниках, имеют оптимизированную геометрию для снижения собственной емкости.
Интегральные индуктивности
В интегральных схемах используются планарные катушки индуктивности, которые формируются непосредственно на кристалле. Как создаются планарные катушки? Они выполняются в виде спиральных проводников на поверхности полупроводниковой подложки.
Проблемы и ограничения при использовании катушек индуктивности
При применении катушек индуктивности в электронных устройствах могут возникать определенные проблемы:
Паразитные параметры
Реальные катушки обладают не только индуктивностью, но и паразитными емкостью и сопротивлением. Как влияют паразитные параметры на работу катушки? Они могут привести к резонансным явлениям на высоких частотах, изменению характеристик фильтров.
Насыщение сердечника
В катушках с ферромагнитным сердечником при больших токах может возникать насыщение. Что происходит при насыщении сердечника? Индуктивность катушки резко уменьшается, что приводит к искажению сигналов и нарушению работы устройства.
Электромагнитные помехи
Катушки индуктивности могут создавать электромагнитные поля, влияющие на работу других компонентов. Как минимизировать электромагнитные помехи от катушек? Используют экранирование, оптимальное расположение компонентов на плате, применение тороидальных катушек с замкнутым магнитным полем.
Несмотря на эти ограничения, катушки индуктивности остаются важным компонентом современной электроники, особенно в силовых и высокочастотных применениях.
Катушка индуктивности. Зачем нужна и где применяется
Опубликовано:
Катушка индуктивности (или дроссель) — это один из часто встречающихся компонентов электронных плат.
По сути, это обычная медная катушка, которая намотана вокруг ферритового или железного сердечника.
В некоторых случаях катушка индуктивности может представлять собой скрученную в спираль медную проволоку без какого-либо сердечника.
Принцип работы дросселя довольно прост, но в то же время — очень интересен.
Дело в том, что при прохождении электрического тока дроссель замедляет его течение. В результате вся энергия, которая должна была пройти через катушку концентрируется в одном месте, создавая магнитное поле.
После того как магнитное поле вокруг дросселя сформировалось, электрический ток, продолжает течь дальше.
Обратите внимание: при резком увеличении напряжения на входе в катушку сила тока в ней начинает возрастать, что приводит к увеличению магнитного поля.
На выходе дросселя увеличение напряжения происходит с задержкой, так как энергия расходуется на создание магнитного поля.
В том случае, если скачок напряжения был импульсный, то катушка индуктивности его полностью поглощает и на выходе остается ровное напряжение. Данное свойство дросселя довольно широко используется в сетевых фильтрах.
Также катушки индуктивности применяются в любых фильтрах питания. В данном случае дроссель подавляет высокочастотные скачки напряжения.
Из курса физики мы знаем, что под индуктивностью подразумевается величина магнитного поля к протекающей силе тока. Поэтому в радиоэлектронике дроссели и называют катушками индуктивности.
Обратите внимание: показатель индуктивности напрямую будет зависеть от количества витков медной проволоки в катушке.
Причем при добавлении дополнительного элемента в виде ферритового или железного сердечника способствует увеличению индуктивности.
Кстати, вопреки распространенному мнению, дроссель не проводит переменный ток.
Дело в том, что при очень высокой индуктивности и «скоростной» частоте тока катушка индуктивности попросту не успевает насытить свое магнитное поле.
В результате это приведет к тому, что дроссель будет тормозить прохождение переменного тока через себя.
Эффект накопления магнитного поля катушкой индуктивности (дросселем) очень широко применяется в понижающих DC/DC преобразователях. Но поскольку дроссель не умеет хранить накопленное магнитное поле, то он отдает его в виде электрического заряда.
Работает это следующим образом: источник питания «генерирует» электрический ток, который делится на короткие импульсы транзистором. Причем импульсы настолько короткие, что дроссель не успевает насытить свое магнитное поле до максимума.
После того, как дроссель «проглотил» импульс, электроцепь перестраивается и теперь уже сама катушка индуктивности выполняет функцию источника тока.
Однако поскольку дроссель был намагничен частично, то на выходе из катушки индуктивности импульсный заряд имеет меньшее напряжение.
Таким образом, уменьшая или увеличивая время электрического импульса, поступающего на дроссель, можно регулировать выходное напряжение — например, с 12 V понизить его до 5 V.
Как вам статья?
Павел
Бакалавр «210400 Радиотехника» – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Написать
Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы
Для чего нужна катушка индуктивности
Стандартная конструкция катушки индуктивности состоит из изолированного провода с одной или несколькими жилами, намотанными в виде спирали на каркас из диэлектрика, имеющего прямоугольную, цилиндрическую или тороидальную форму. Иногда, конструкции катушек бывают бескаркасными. Наматывание провода производится в один или несколько слоев.
Для того, чтобы увеличить индуктивность, используются сердечники из ферромагнитов. Они же позволяют изменять индуктивность в определенных пределах. Не всем до конца понятно, для чего нужна катушка индуктивности.
Ее используют в электрических цепях, как хороший проводник постоянного тока. Однако, при возникновении самоиндукции, возникает сопротивление, препятствующее прохождению переменного тока.
Разновидности катушек индуктивности
Существует несколько вариантов конструкций катушек индуктивности, свойства которых определяют и сферу их использования. Например, применение контурных катушек индуктивности вместе с конденсаторами, позволяют получать резонансные контуры. Они отличаются высокой стабильностью, качеством и точностью.
Катушки связи обеспечивают индуктивную связь отдельных цепей и каскадов. Таким образом, становится возможным деление базы и цепей по постоянному току. Здесь не требуется высокой точностью, поэтому, для этих катушек используется тонкий провод, наматываемый в две небольшие обмотки. Параметры данных приборов определяются в соответствии с индуктивностью и коэффициентом связи.
Некоторые катушки используются в качестве вариометров. Во время эксплуатации их индуктивность может изменяться, что позволяет успешно перестраивать колебательные контуры.
Весь прибор включает в себя две последовательно соединенных катушки. Подвижная катушка вращается внутри неподвижной катушки, тем самым, создавая изменение индуктивности. Фактически, они являются статором и ротором. Если их положение изменится, то поменяется и значение самоиндукции. В результате, индуктивность прибора может измениться в 4-5 раз.
В виде дросселей используются те приборы, у которых при переменном токе отмечается высокое сопротивление, а при постоянном – очень низкое. Благодаря этому свойству, они используются в радиотехнических устройствах в качестве фильтрующих элементов. При частоте 50-60 герц для изготовления их сердечников применяется трансформаторная сталь. Если частота имеет более высокое значение, то сердечники изготавливаются из феррита или пермаллоя. Отдельные разновидности дросселей можно наблюдать в виде так называемых бочонков, подавляющих помехи на проводах.
Где применяются катушки индуктивности
Сфера применения каждого такого прибора, тесно связана с особенностями его конструкции.
Поэтому нужно обязательно учитывать ее индивидуальные свойства и технические характеристики.
Совместно с резисторами или конденсаторами, катушки задействованы в различных цепях, имеющих частотно-зависимые свойства. Прежде всего, это фильтры, колебательные контуры, цепи обратной связи и прочее. Все виды этих приборов способствуют накоплению энергии, преобразованию уровней напряжения в импульсном стабилизаторе.
При индуктивной связи между собой двух и более катушек, происходит образование трансформатора. Эти приборы могут использоваться, как электромагниты, а также, как источник энергии, возбуждающий индуктивно связанную плазму.
Основы катушек индуктивности и индуктивности ~ Изучение электротехники
Любой проводник обладает характеристикой, называемой индуктивностью.
Индуктивность — это способность запасать энергию в виде магнитного поля. Индуктивность обозначается заглавной буквой L и измеряется в единицах Генри (Гн). Некоторые символы индуктора в электрической цепи:
| Символы цепей для индукторов |
Индуктивность — нерассеивающая величина. В отличие от сопротивления чистая индуктивность не рассеивает энергию в виде тепла; скорее, он хранит и высвобождает энергию от остальной части цепи и к ней.
Катушки индуктивности – это устройства, специально разработанные и изготовленные для обеспечения индуктивности. Обычно они состоят из проволочной катушки, намотанной на ферромагнитный сердечник. Катушки индуктивности имеют номинальные значения тока, а также номинальные значения индуктивности. Из-за эффекта магнитного насыщения индуктивность имеет тенденцию к уменьшению, когда ток приближается к номинальному максимальному значению в катушке индуктивности с железным сердечником.
Индуктивность индуктора
| Концепция индуктивности в катушке |
Индуктивная индуктивность зависит от магнитной перемезной. Поворота (μ). проволочная катушка (N), площадь поперечного сечения катушки (A) и длина катушки (l):
L= µN2A/L
Из приведенной выше формулы можно вывести следующее:
(a) Индуктивность (L) увеличивается по мере увеличения относительной проницаемости µr материала сердечника.
(b) Индуктивность увеличивается по мере увеличения квадрата числа витков N провода вокруг сердечника.
(c) Индуктивность увеличивается по мере увеличения площади A, заключенной в каждый виток. Поскольку площадь является функцией квадрата диаметра катушки, индуктивность увеличивается пропорционально квадрату диаметра.
(d) Индуктивность уменьшается по мере увеличения длины l катушки (при условии, что число витков остается постоянным)
Катушки индуктивности при последовательном и параллельном соединении
Индуктивность увеличивается при последовательном соединении катушек индуктивности.
Уменьшается при параллельном соединении катушек индуктивности:
L(последовательно) = L1 + L2 + ….+ Ln
L(параллельно) = 1/[1/L1 + L2 + … +1/Ln]
Поток постоянного тока через индуктор
Когда источник постоянного тока подключен к чистому индуктору, поток тока создает магнитное поле, которое действует таким образом, чтобы противодействовать изменению тока. Соотношение между напряжением и током для катушки индуктивности определяется выражением:
В = LdI/dt
Катушки индуктивности препятствуют изменению тока с течением времени, снижая напряжение. Такое поведение делает катушки индуктивности полезными для стабилизации тока в цепях постоянного тока. Один из способов представить катушку индуктивности в цепи постоянного тока — это временный источник тока, всегда «желающий» поддерживать ток через свою катушку на том же уровне.
Энергия, накопленная в индукторе
Когда постоянный ток протекает через индуктор, он накапливает энергию в виде магнитного поля.
Эта запасенная энергия определяется по формуле:
E = 1/2LI2
Где:
E = накопленная энергия
L = индуктивность катушки индуктивности
Когда переменный ток протекает через индуктор, он создает постоянно меняющееся магнитное поле. На самом деле магнитное поле будет расширяться и сжиматься по мере увеличения и уменьшения тока. Изменяющееся магнитное поле индуцирует напряжение и ток в катушке индуктивности. Это индуцированное напряжение направлено так, чтобы противостоять напряжению питания, и называется противо-ЭДС или противо-ЭДС.
Чистый эффект этой обратной ЭДС заключается в противодействии изменению тока из-за переменного напряжения. Это противодействие протеканию тока приводит к тому, что напряжение опережает ток на 90°, как показано на графике ниже:
Индуктивное реактивное сопротивление
Индуктивное реактивное сопротивление представляет собой противодействие переменному току из-за индуктивности в цепи.
Единицей индуктивного сопротивления является ом. Формула индуктивного сопротивления:
XL = 2πfL
Где:
XL = индуктивное сопротивление
f = частота
L = индуктивность
Hitachi FAQ | Что такое индуктивность?
В: Что такое индуктивность?
О: Катушка индуктивности представляет собой электронный компонент, состоящий просто из катушки провода . Если по проводу течет постоянный электрический ток, то возникает магнитное поле. Если ток меняется, то меняется и магнитное поле. Единицей измерения индуктивности является генри (H), названный в честь Джозефа Генри, американского физика, который открыл ее независимо примерно в то же время, что и английский физик Майкл Фарадей.
Один генри — это величина индуктивности, необходимая для создания одного вольта электродвижущей силы при изменении тока со скоростью один ампер в секунду. Есть три закона, которые связаны с индуктивностью. Это:
- Закон Эрстеда: , который гласит, что постоянный электрический ток создает вокруг проводника магнитное поле.
- Закон Фарадея: , который гласит, что изменяющееся магнитное поле индуцирует ток в проводнике.
- Закон Ленца: , который гласит, что этот индуцированный ток имеет направление, противоположное изменению тока, создавшему магнитное поле. Это явление называется самоиндукцией.
Итак, что все это значит и в чем польза? Ну, поскольку индуктор изменяет свое магнитное поле в противовес всплеску или падению тока, он имеет тенденцию поддерживать ток на прежнем уровне, тем самым сопротивляясь изменению. Это имеет тенденцию поддерживать ток на постоянном уровне. Другими словами, индуктор создает своего рода инерцию в потоке тока, который сопротивляется быстрым колебаниям почти так же, как большое тело сопротивляется изменениям своей скорости.
Одним из важных применений катушек индуктивности является то, что они имеют тенденцию блокировать высокочастотные сигналы, пропуская низкочастотные колебания. Это противоположная функция конденсаторов, которые позволяют переменному току свободно течь, блокируя постоянный ток после зарядки конденсатора.
Таким образом, комбинируя два компонента (т.е. конденсаторы и катушки индуктивности) в любой цепи, можно избирательно фильтровать или генерировать колебания почти любой желаемой частоты. Однако в современной схемотехнике катушки индуктивности используются редко, потому что практически всех тех же результатов можно добиться с помощью микросхем и конденсаторов.
