Катушка индуктивности это. Катушка индуктивности: принцип работы, характеристики и применение

Что такое катушка индуктивности. Как устроена катушка индуктивности. Какими свойствами обладает катушка индуктивности. Какие бывают виды катушек индуктивности. Где применяются катушки индуктивности.

Что такое катушка индуктивности

Катушка индуктивности — это пассивный электронный компонент, который состоит из проводника, намотанного в виде спирали. Основное свойство катушки индуктивности — способность накапливать энергию магнитного поля при протекании через нее электрического тока.

Ключевые особенности катушки индуктивности:

• Создает магнитное поле при протекании тока
• Препятствует изменениям силы тока в цепи
• Обладает индуктивностью — способностью накапливать энергию магнитного поля
• Имеет реактивное сопротивление переменному току

Конструкция и устройство катушки индуктивности

Типичная конструкция катушки индуктивности включает следующие элементы:

• Обмотка из изолированного провода
• Каркас (может отсутствовать)
• Магнитопровод (сердечник) — для увеличения индуктивности
• Выводы для подключения

Обмотка может быть однослойной или многослойной. Каркас обычно выполняется из диэлектрического материала. В качестве сердечника часто используются ферромагнитные материалы.

Основные характеристики катушек индуктивности

Ключевыми параметрами катушек индуктивности являются:

• Индуктивность (L) — основной параметр, измеряется в генри (Гн)
• Добротность (Q) — характеризует потери энергии
• Собственная емкость — паразитный параметр
• Сопротивление постоянному току
• Максимальный ток
• Резонансная частота

Как влияют параметры конструкции на характеристики катушки индуктивности?

• Увеличение числа витков повышает индуктивность
• Увеличение площади сечения витков повышает индуктивность
• Применение магнитного сердечника увеличивает индуктивность
• Уменьшение зазора между витками повышает паразитную емкость

Принцип работы катушки индуктивности

Принцип действия катушки индуктивности основан на явлении самоиндукции. При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Основные эффекты:

• При увеличении тока возникает ЭДС, направленная против тока
• При уменьшении тока ЭДС стремится поддержать ток
• В цепи постоянного тока катушка ведет себя как проводник
• В цепи переменного тока создает индуктивное сопротивление

Как работает катушка индуктивности в различных режимах?

• При постоянном токе — не оказывает сопротивления
• При переменном токе — создает реактивное сопротивление
• При импульсах — сглаживает фронты импульсов

Виды и классификация катушек индуктивности

Существует множество разновидностей катушек индуктивности, которые можно классифицировать по различным признакам:

По конструкции:

• Цилиндрические
• Тороидальные
• Спиральные
• Печатные

По наличию сердечника:

• Без сердечника (воздушные)
• С ферромагнитным сердечником
• С ферритовым сердечником

По назначению:

• Дроссели
• Контурные катушки
• Трансформаторные обмотки
• Фильтровые катушки

Применение катушек индуктивности

Катушки индуктивности широко применяются в электронике и электротехнике. Основные области применения:

• Фильтры высоких и низких частот
• Колебательные контуры
• Импульсные источники питания
• Трансформаторы и дроссели
• Антенны и согласующие устройства
• Электромагниты и реле

Как используются катушки индуктивности в различных устройствах?

• В фильтрах — для частотной селекции сигналов
• В импульсных преобразователях — для накопления энергии
• В трансформаторах — для передачи энергии между цепями
• В антеннах — для согласования с передатчиком/приемником

Расчет и проектирование катушек индуктивности

При проектировании катушек индуктивности учитывают следующие факторы:

• Требуемое значение индуктивности
• Рабочий ток и напряжение
• Диапазон рабочих частот
• Допустимые габариты и масса
• Требования к добротности

Основные этапы расчета катушки индуктивности:

1. Выбор конструкции и материалов
2. Расчет числа витков и геометрических размеров
3. Выбор провода обмотки
4. Расчет паразитных параметров
5. Проверка соответствия требованиям

Измерение параметров катушек индуктивности

Для измерения характеристик катушек индуктивности применяются следующие методы и приборы:

• Измерители RLC для определения индуктивности и добротности
• Измерители импеданса для частотных характеристик
• Осциллографы для анализа переходных процессов
• Анализаторы спектра для оценки паразитных резонансов

Какие параметры катушек индуктивности важно контролировать?

• Индуктивность на рабочей частоте
• Добротность в рабочем диапазоне частот
• Собственный резонанс
• Сопротивление постоянному току
• Максимальный рабочий ток

Сравнение катушек индуктивности с другими компонентами

Катушки индуктивности имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с другими электронными компонентами:

Преимущества:

• Способность накапливать энергию магнитного поля
• Возможность трансформации напряжений и токов
• Высокая надежность и долговечность

Недостатки:

• Относительно большие габариты и масса
• Чувствительность к внешним магнитным полям
• Сложность точной настройки параметров

В каких случаях катушки индуктивности имеют преимущества перед конденсаторами?

• При работе с большими токами
• В низкочастотных фильтрах
• В импульсных преобразователях напряжения

Тенденции развития и перспективы катушек индуктивности

Основные направления совершенствования катушек индуктивности:

• Миниатюризация и интеграция в микросхемы
• Применение новых магнитных материалов
• Повышение рабочих частот
• Улучшение технологий производства

Какие инновации ожидаются в области катушек индуктивности в ближайшем будущем?

• Создание «идеальных» катушек на основе сверхпроводников
• Разработка перестраиваемых катушек с электронным управлением
• Интеграция катушек в трехмерные электронные модули

Катушка индуктивности | это… Что такое Катушка индуктивности?

У этого термина существуют и другие значения, см. Катушка (значения).

Катушка индуктивности (дроссель) на материнской платекомпьютера

Обозначение на электрических принципиальных схемах

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

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

Содержание 1 Терминология 2 Конструкция 3 Свойства катушки индуктивности 4 Характеристики катушки индуктивности 4. 1 Индуктивность 4.2 Сопротивление потерь 4.2.1 Потери в проводах 4.2.2 Потери в диэлектрике 4.2.3 Потери в сердечнике 4.2.4 Потери на вихревые токи 4.3 Добротность 4.4 Паразитная емкость и собственный резонанс 4.5 Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ) 5 Разновидности катушек индуктивности 6 Применение катушек индуктивности 7 См. также 8 Примечания 9 Ссылки

Терминология

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

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

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

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

При использовании для накопления энергии называют индукционным накопителем.

Конструкция

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

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

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

Свойства катушки индуктивности

Свойства катушки индуктивности:

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

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

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

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

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

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

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

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

,

где :  — ток в катушке,

 — начальный ток катушки,

 — текущее время,

 — постоянная времени.

Постоянная времени выражается формулой:

,

где :  — сопротивление резистора,

 — омическое сопротивление катушки.

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

.

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

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

↔ , где

↔ ↔  ; ↔  ; ↔

↔

Характеристики катушки индуктивности

Индуктивность

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

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

где  — магнитная постоянная

 — относительная магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты)

 — площадь сечения сердечника

 — длина средней линии сердечника

 — число витков

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

При параллельном соединении катушек общая индуктивность равна:

Сопротивление потерь

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

Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

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

Потери в диэлектрике

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

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

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

Потери в сердечнике

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

Потери на вихревые токи

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

Добротность

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

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

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

Паразитная емкость и собственный резонанс

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

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

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

Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)

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

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

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике

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

Катушки связи, или трансформаторы связи

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

Вариометры

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

Дроссели

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

Сдвоенный дроссель

Сдвоенные дроссели

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

Применение катушек индуктивности

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

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

См. также

• Соленоид
• Катушка Румкорфа, катушка зажигания
• Катушка Пупина
• Трансформатор
• Электрический импеданс
• Переходный процесс (электроника)

Примечания

1. ↑ Evaluation of the shielding effects on printed-circuit-board transformers
2. ↑ А.Сорокин — Виды помех в линиях передачи информации и способы борьбы с ними.
3. ↑ Электропитание аппаратуры
4. ↑ Fluxgate Magnetometer  (англ. )

Ссылки

• Катушка индуктивности в цепи переменного тока
• Все о расчете индуктивности

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

Катушка индуктивности | это… Что такое Катушка индуктивности?

У этого термина существуют и другие значения, см. Катушка (значения).

Катушка индуктивности (дроссель) на материнской платекомпьютера

Обозначение на электрических принципиальных схемах

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

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

Содержание 1 Терминология 2 Конструкция 3 Свойства катушки индуктивности 4 Характеристики катушки индуктивности 4.1 Индуктивность 4.2 Сопротивление потерь 4.2.1 Потери в проводах 4.2.2 Потери в диэлектрике 4.2.3 Потери в сердечнике 4.2.4 Потери на вихревые токи 4.3 Добротность 4.4 Паразитная емкость и собственный резонанс 4. 5 Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ) 5 Разновидности катушек индуктивности 6 Применение катушек индуктивности 7 См. также 8 Примечания 9 Ссылки

Терминология

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

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

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

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

При использовании для накопления энергии называют индукционным накопителем.

Конструкция

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

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

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

Свойства катушки индуктивности

Свойства катушки индуктивности:

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

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

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

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

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

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

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

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

,

где :  — ток в катушке,

 — начальный ток катушки,

 — текущее время,

 — постоянная времени.

Постоянная времени выражается формулой:

,

где :  — сопротивление резистора,

 — омическое сопротивление катушки.

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

.

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

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

↔ , где

↔ ↔  ; ↔  ; ↔

↔

Характеристики катушки индуктивности

Индуктивность

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

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

где  — магнитная постоянная

 — относительная магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты)

 — площадь сечения сердечника

 — длина средней линии сердечника

 — число витков

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

При параллельном соединении катушек общая индуктивность равна:

Сопротивление потерь

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

Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

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

Потери в диэлектрике

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

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

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

Потери в сердечнике

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

Потери на вихревые токи

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

Добротность

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

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

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

Паразитная емкость и собственный резонанс

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

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

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

Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)

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

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

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике

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

Катушки связи, или трансформаторы связи

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

Вариометры

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

Дроссели

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

Сдвоенный дроссель

Сдвоенные дроссели

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

Применение катушек индуктивности

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

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

См. также

• Соленоид
• Катушка Румкорфа, катушка зажигания
• Катушка Пупина
• Трансформатор
• Электрический импеданс
• Переходный процесс (электроника)

Примечания

1. ↑ Evaluation of the shielding effects on printed-circuit-board transformers
2. ↑ А.Сорокин — Виды помех в линиях передачи информации и способы борьбы с ними.
3. ↑ Электропитание аппаратуры
4. ↑ Fluxgate Magnetometer  (англ. )

Ссылки

• Катушка индуктивности в цепи переменного тока
• Все о расчете индуктивности

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

Что делает индуктор?

Катушка индуктивности представляет собой электрическую катушку, которая использует поток тока для создания магнитного поля. Индуктор противостоит любым изменениям тока, что делает его полезным для накопления энергии и фильтрации нежелательных сигналов. При использовании в цепи переменного тока (AC) индуктор может сглаживать колебания напряжения. Читайте дальше, чтобы узнать больше о том, как работают индукторы и для чего они используются.

Что такое индуктор?

Катушка индуктивности представляет собой электрическое устройство, которое генерирует и сохраняет энергию в магнитном поле при прохождении через него тока. Этот замечательный компонент может помочь во многих сложных приложениях, от базовой электроники до сложных машин!

Он действует как катушка провода и может использоваться для регулирования потока электрического тока в цепях. Способность катушки индуктивности накапливать энергию делает ее полезной для многих различных применений, таких как фильтрация высоких частот от низких частот или обеспечение дополнительной мощности электронной системы. В некоторых типах цепей они являются важными компонентами, обеспечивающими функционирование других компонентов. Без них схема не работала бы должным образом.

Катушки индуктивности бывают двух основных видов: с воздушным сердечником и с ферритовым сердечником. Катушки индуктивности с воздушным сердечником состоят из намотанной медной проволоки, но не имеют сердечника; их единственная цель — обеспечить сопротивление току. Катушки индуктивности с ферритовым сердечником, с другой стороны, сделаны из магнитного материала, окружающего спиральный провод. Этот материал помогает увеличить способность индуктора накапливать энергию. [1]

Для чего используется индуктор?

Катушки индуктивности обычно используются для фильтрации шума электронных схем, действуют как генераторы и трансформаторы в источниках питания, создают временные задержки в путях прохождения сигнала и пропускают сигналы в определенных частотных диапазонах (известная как полосовая фильтрация). Катушки индуктивности также можно использовать для контроля уровня электромагнитного излучения в электронных устройствах, таких как мобильные телефоны.

Кроме того, катушки индуктивности можно использовать для регулирования потока переменного тока (AC) и постоянного тока (DC) в цепях. Катушки индуктивности хранят энергию в магнитном поле и высвобождают ее при изменении полярности цепи или напряжения. Это делает их полезными для управления реактивными нагрузками, требующими немедленного реагирования на изменения мощности или напряжения. Они также обычно используются в качестве дросселей для ограничения тока, протекающего по цепи, путем блокировки высокочастотных сигналов переменного тока.

Как работает индуктор?

Индуктор работает за счет накопления энергии в магнитном поле, создаваемом потоком электрического тока. Когда ток останавливается намеренно или из-за внешней силы, накопленное магнитное поле разрушается и высвобождает свою энергию обратно в цепь. Затем это индуцированное напряжение можно использовать для многих различных приложений.

Катушки индуктивности широко используются в электрических цепях, поскольку они обеспечивают очень эффективное средство управления уровнями напряжения и тока во времени. При параллельном соединении с конденсатором или резистором катушка индуктивности может помочь уменьшить шум и пульсации от источников питания, предотвратить колебания из-за резонанса и даже повысить эффективность систем преобразования переменного тока в постоянный. Катушки индуктивности также полезны для защиты чувствительных электронных компонентов от повреждений, вызванных внезапными скачками напряжения или тока.

Кроме того, катушки индуктивности также можно использовать для фильтрации определенных частот сигнала путем создания несоответствия импеданса между ними и источником частоты. Когда это происходит, более высокие частоты отфильтровываются, а более низкие проходят без изменений. Это особенно полезно для аудио приложений, где нежелательный шум может быть устранен при правильном использовании катушек индуктивности.

Катушки индуктивности являются важными компонентами многих электронных схем, а их универсальность сделала их одной из самых важных частей современных электронных устройств. Понимая, как они работают и как их можно применять в различных системах, инженеры могут создавать эффективные и надежные продукты, использующие их мощные свойства. [2]

Что происходит при отключении катушки индуктивности?

Когда индуктор отключается от цепи, энергия, запасенная в его магнитном поле, высвобождается обратно в цепь. Этот внезапный всплеск энергии может повредить другие компоненты и создать скачки высокого напряжения, которые могут привести к поражению электрическим током или другим опасностям. Во избежание этого важно разрядить индуктор перед его отключением, замкнув две его клеммы изолированным проводом. Это позволит безопасно разряжать энергию, не повреждая окружающие компоненты. После того, как он был безопасно разряжен, вы можете без проблем отключить индуктор от вашей цепи.

Как всегда, безопасность должна быть вашим главным приоритетом при работе с любым электрическим устройством — даже с таким, казалось бы, безобидным, как индуктор!

Как катушки индуктивности крепятся к печатным платам?

Катушки индуктивности крепятся к печатным платам с помощью технологии сквозного или поверхностного монтажа. Индукторы со сквозным отверстием требуют, чтобы такие компоненты, как штифты и шайбы, были вставлены в предварительно просверленные отверстия на плате, а затем припаяны на место. Этот метод более надежен, чем монтаж на поверхность, но при необходимости может затруднить замену компонента.

Катушки индуктивности для поверхностного монтажа прикрепляются непосредственно к печатной плате с помощью паяльной пасты, нанесенной с помощью трафарета. Их намного легче заменить, чем компоненты со сквозными отверстиями, но без механической устойчивости, обеспечиваемой штифтами и шайбами, они могут легко сместиться из-за механического удара или вибрации.

Для разработчиков электронных схем, в которых используются катушки индуктивности, важно выбрать компонент соответствующего размера и номинальной мощности для задачи. Также важно убедиться, что дроссель надежно прикреплен к плате, так как неплотное соединение может привести к повреждению схемы и других компонентов, подключенных к ней.

Правильный выбор, установка и техническое обслуживание катушек индуктивности помогут обеспечить надежную работу в течение долгого времени. [3]

В каких приложениях используются катушки индуктивности?

Катушки индуктивности обычно используются в электронных устройствах, таких как фильтрация радиочастотных сигналов и преобразование энергии. Индукторы накапливают энергию от проходящего через них тока и могут использоваться для уменьшения потока постоянного тока (DC) и пропускания переменного тока (AC). Это делает индукторы полезными для управления потоком электрического тока в различных приложениях, в том числе:

• Источники питания: В источниках питания катушки индуктивности часто соединяются с конденсаторами для предотвращения падения постоянного напряжения на компонентах при их включении и выключении. Индуктор помогает поддерживать правильное количество энергии, в то время как конденсатор увеличивает или уменьшает ее по мере необходимости.
• Двигатели и генераторы: Катушки индуктивности часто используются в двигателях и генераторах для создания магнитного поля. Это помогает регулировать скорость двигателя, а также его эффективность.
• Звуковое оборудование: Катушки индуктивности часто используются в звуковом оборудовании, таком как усилители, потому что они могут уменьшить шум, не искажая звуковые сигналы.
• Телекоммуникации: Катушки индуктивности используются во многих телекоммуникационных системах, поскольку они помогают увеличить мощность сигнала и уменьшить помехи от внешних источников.

Катушки индуктивности играют жизненно важную роль почти во всех современных электронных устройствах благодаря их способности контролировать ток и накапливать энергию. По мере развития технологий катушки индуктивности будут оставаться неотъемлемой частью многих приложений. [4]

Типы индукторов

Доступны индукторы различных форм, размеров и материалов. Общие типы включают индукторы с воздушным сердечником, индукторы с ферритовым сердечником, индукторы с сердечником из порошкового железа и тороидальные индукторы. Вообще говоря, все эти типы работают одинаково: они создают электромагнитное поле вокруг проволочной катушки при воздействии переменного тока (AC) или постоянного тока (DC).

Катушки индуктивности с воздушным сердечником изготавливаются из простой катушки проволоки без сердечника внутри. Они могут быть изготовлены с различными формами и размерами катушек проволоки в зависимости от свойств, необходимых для конкретного применения. Катушки индуктивности с воздушным сердечником имеют низкое сопротивление и минимальные потери из-за отсутствия в них магнитного материала; однако они также производят очень ограниченное количество индукции.

Катушки индуктивности с ферритовым сердечником состоят из катушки проволоки, намотанной на ферритовый сердечник. Ферритовый материал увеличивает значение индуктивности и делает их более эффективными в подавлении шума, поэтому они обычно используются в источниках питания, фильтрах сигналов и генераторах.

Как проверить варистор?

Сердечник из порошкового железа Катушки индуктивности изготавливаются из сердечника из порошкового железа внутри проволочной катушки с замкнутым контуром. Катушка индуктивности этого типа обладает высокими индуктивными свойствами и часто используется для радиочастотных приложений, таких как усилители или фильтры.

Тороидальные индукторы используют тороидальный (в форме пончика) сердечник с одиночной обмоткой провода вокруг него. Катушки индуктивности этого типа имеют низкие магнитные поля рассеяния и используются в различных устройствах, таких как высокочастотные трансформаторы и ВЧ-фильтры.

Независимо от типа и формы, все катушки индуктивности работают, создавая электромагнитное поле вокруг проволочной катушки под действием тока. Это то, что делает их полезными во многих схемах.

Характеристики катушки индуктивности зависят от материала сердечника, геометрии обмотки и количества витков. Различные типы предлагают уникальные преимущества, которые можно использовать для конкретных приложений.

Конденсатор и индуктор

Фундаментальные различия между индуктором и конденсатором заключаются в их конструкции, конструкции и функциональных возможностях. Катушка индуктивности состоит из катушки проволоки, намотанной вокруг материала сердечника, такого как феррит. Когда ток проходит через индуктор, он создает магнитное поле, которое индуцирует напряжение на компоненте. Это называется самоиндукцией или взаимной индукцией и может использоваться для создания сигналов переменного тока от источников постоянного тока.

Конденсатор также накапливает энергию, но он делает это за счет накопления электрического заряда на двух металлических пластинах, разделенных изолятором. Конденсаторы могут накапливать энергию в виде электрических полей при подключении к внешнему источнику, такому как батарея или источник питания, что позволяет им поддерживать постоянное напряжение в течение длительного периода времени. Емкость конденсатора определяется размером и типом его пластин, а также материалом, используемым для изоляции.

И катушки индуктивности, и конденсаторы являются ключевыми компонентами конструкции источника питания, позволяющими эффективно накапливать и регулировать электроэнергию. [5]

Часто задаваемые вопросы

Для чего используются катушки индуктивности?

Катушки индуктивности используются для накопления энергии в электромагнитном поле. Они также используются в качестве фильтров, дросселей и трансформаторов в цепях. Катушки индуктивности можно использовать для ограничения тока, протекающего по цепи, или для обеспечения согласования импеданса между двумя частями цепи. Например, их можно использовать в конструкциях блоков питания для снижения уровня пульсаций напряжения и шума. В радиочастотных цепях катушки индуктивности могут использоваться в качестве резонансных компонентов в различных схемах фильтров. Наконец, их можно использовать в качестве элементов настройки в схемах генераторов.

Как работает индуктор?

Катушка индуктивности состоит из одной или нескольких катушек изолированного провода, намотанных на материал сердечника, такой как железо или феррит. Когда через катушку индуктивности проходит ток, проволочные катушки создают магнитное поле. Затем это магнитное поле индуцирует противоположный ток в катушке, который препятствует изменению тока. Это явление известно как индуктивность, и именно оно дает катушкам индуктивности способность накапливать энергию в виде магнитного поля.

Каковы некоторые общие области применения катушек индуктивности?

Катушки индуктивности обычно используются в источниках питания, радиочастотных фильтрах, генераторах и схемах обработки сигналов. Их также можно использовать для снижения уровня звукового шума и обеспечения согласования импеданса между двумя частями цепи. Кроме того, они часто используются в системах управления двигателями в качестве дроссельных катушек или линейных реакторов для ограничения скачков напряжения, вызванных включением и выключением транзисторов или других компонентов. Наконец, катушки индуктивности также можно использовать в антенных схемах для настройки антенны на определенную частоту.

Какой тип материала сердечника используется в катушке индуктивности?

Наиболее распространенными материалами сердечника, используемыми в катушках индуктивности, являются сердечники из феррита и железного порошка.

Феррит представляет собой керамический материал с высокой магнитной проницаемостью, что делает его идеальным для использования в качестве материала сердечника индуктора. Сердечники из железного порошка обеспечивают более высокую линейность и большие возможности обработки тока, чем ферритовые сердечники, но они требуют большего пространства для обмотки, чем ферритовые сердечники.

Кроме того, в некоторых случаях можно использовать воздушные сердечники вместо ферритовых или железных порошковых сердечников. Преимущество катушек индуктивности с воздушным сердечником заключается в более низкой стоимости и более высокой эффективности, но они имеют меньшие уровни насыщения и требуют большего пространства для обмотки, чем сердечники из феррита или железного порошка.

В чем разница между катушкой индуктивности и трансформатором?

Основное различие между индуктором и трансформатором заключается в том, что у трансформатора две обмотки, а у индуктора только одна. Трансформаторы используются для преобразования уровней напряжения переменного тока (AC), а катушки индуктивности в основном используются для накопления энергии в цепях. Кроме того, трансформатор обычно имеет больше витков провода на первичной обмотке по сравнению со вторичной обмоткой, тогда как индуктор обычно имеет одинаковое количество витков на обеих обмотках. Наконец, трансформаторы обычно намного больше, чем любой данный индуктор, потому что для правильной работы им требуется несколько катушек.

Как индуктор влияет на цепь?

Катушка индуктивности воздействует на цепь, накапливая энергию в виде магнетизма. Когда ток течет через индуктор, он создает вокруг него электромагнитное поле, которое накапливает энергию. Эта сохраненная энергия затем может быть использована для обеспечения электрического сопротивления и реактивного сопротивления, создавая импеданс в цепи. Этот импеданс ограничивает протекание тока через цепь и действует как фильтр. Это также помогает уменьшить нежелательные сигналы, такие как шум и помехи. Катушки индуктивности часто комбинируют с конденсаторами для создания фильтра нижних частот или фильтра верхних частот, который пропускает одни частоты и блокирует другие. Катушки индуктивности также можно использовать в цепях для получения электроэнергии из магнитных полей, таких как трансформаторы и генераторы. Кроме того, они могут увеличивать коэффициент усиления по напряжению и создавать временные задержки в цепи. Катушки индуктивности используются во многих электронных устройствах, включая телевизоры, компьютеры, автомобили, сотовые телефоны и другую электронику. Они помогают регулировать ток, отфильтровывать нежелательные сигналы, повышать коэффициент усиления по напряжению и снижать уровень шума и помех. Катушки индуктивности бывают разных размеров и форм, чтобы удовлетворить различные потребности и области применения.

В чем разница между индуктором и катушкой?

Индуктор и катушка иногда используются взаимозаменяемо, но между ними есть ключевое различие. Катушка индуктивности представляет собой электрический компонент, состоящий из двух или более катушек провода, который создает магнитное поле при прохождении через него электричества. Это магнитное поле может затем накапливать энергию в электромагнитном поле. Катушка, с другой стороны, представляет собой просто одну петлю из проволоки, намотанной на какой-либо материал сердечника, такой как железо или феррит. Целью намотки этого провода является создание электродвижущей силы (ЭДС). В отличие от катушки индуктивности, основной целью катушки является не накопление энергии, а передача электроэнергии из одной точки в другую. Таким образом, хотя оба компонента предполагают использование электричества, они предназначены для разных целей.

Катушка индуктивности увеличивает ток?

Да, катушка индуктивности может увеличить ток в цепи. Когда электричество проходит через индуктор, оно индуцирует магнитное поле, противодействующее приложенному току. В результате сопротивление току, протекающему через катушку, увеличивается, что приводит к накоплению большего количества энергии в электромагнитном поле катушки. Эта увеличенная накопленная энергия затем вызывает больший ток, чем был бы в противном случае, если бы в цепи не было катушки индуктивности. Следовательно, увеличивая свое сопротивление протеканию тока и сохраняя больше энергии в своем электромагнитном поле, катушка индуктивности может эффективно действовать как усилитель напряжения или усилитель для определенных типов цепей.

Полезное видео: Как работают катушки индуктивности

Заключение

В заключение, катушка индуктивности представляет собой пассивный электрический компонент, который накапливает энергию в виде магнитного поля при подключении к источнику переменного тока. Он создает сопротивление изменениям тока, тем самым ограничивая скорость изменения и позволяя использовать более высокие частоты без искрения или дуги. Кроме того, катушки индуктивности можно использовать как часть фильтров или генераторов для формирования сигналов или создания новых частот. Катушки индуктивности являются важными компонентами многих электронных устройств и схем, выполняя важные функции, такие как фильтрация и преобразование сигналов. Понимая свойства и поведение катушек индуктивности, инженеры могут принимать обоснованные решения об их применении в любой заданной схеме.

Каталожные номера

1. https://product.tdk.com/en/contact/faq/inductors-0002.html
2. https://www.coilcraft.com/en-us/edu/series/what -is-an-inductor/
3. https://www.gowanda.com/application-notes/custom-inductors/surface-mount-inductors/surface-mount-inductor-theory/
4. https://www.vedantu .com/physics/uses-of-inductor
5. https://byjus.com/physics/difference-between-capacitor-and-inductor/

Обзор мультиметра Amprobe AM-570

Что такое индуктор?

В этой статье дается очень простое определение того, что такое магнетизм, что такое индуктор? как пассивный электронный компонент и его основное применение и технологии.

Катушки индуктивности, также называемые катушками или иногда дросселями, являются важными пассивными компонентами наряду с резисторами (R) и конденсаторами (C). Катушки обычно относятся к намотанным токопроводящим проводам, и среди них катушки с одинарным намотанным проводом в последние годы стали называть катушками индуктивности. Если
предназначен для низкочастотных применений, обычно имеет сердечник с замкнутой магнитной цепью, состоящий из многослойного железа (сетевая частота) или ферритового тороида (выше 1 кГц).

Индуктивность обычно обозначается символом «L». Хотя говорят, что эта L исходит от Ленца из «Закона Ленца», связанного с электромагнитной индукцией, также, по-видимому, существуют различные теории.

Основная конструкция индуктора состоит из проводящего провода, намотанного в виде катушки, который способен преобразовывать электрическую энергию в магнитную и сохранять ее внутри индуктора. Сохраняемое количество магнитной энергии определяется индуктивностью индуктора и измеряется в Генри (Гн).

Катушки индуктивности замедляют скачки или скачки тока, временно накапливая энергию в электромагнитном поле, а затем выпуская ее обратно в цепь. В гидродинамической аналогии (рис.1) индуктор работает как большой маховик, оказывающий сопротивление каждому изменению потока/тока. Любой, кто переворачивал велосипед вверх дном и крутил руль до скорости, знает, что при старте возникает определенное сопротивление. Но как только вы набираете скорость на колесе, требуется очень мало усилий для поддержания скорости. Если вы затем хотите затормозить, это требует значительной силы.

Рисунок 1. Катушка индуктивности как «маховик» в гидродинамической аналогии. что-то высокое частотный шум в электрических цепях

Хранение и передача энергии в силовых преобразователях (постоянного тока или переменного тока)

Создание настроенных генераторов или LC (индуктор/конденсатор) «резервуарных» цепей

Согласование импеданса

Катушки индуктивности

также используются в электрических цепях для снижения электромагнитных помех за счет ослабления высокочастотного шума, чтобы соответствовать требованиям к электромагнитному излучению и помехоустойчивости.

Что такое дроссель?

Индукторы в основном состоят из катушки. Если мы вставим сердечник из магнитного материала, индуктивные свойства катушки увеличатся. Такие катушки называются дросселями. Когда мы пропускаем ток через дроссель, в магнитном материале индуцируются электрические токи, которые пытаются создать противодействующее магнитное поле. Эти токи нежелательны как по этой причине, так и потому, что они создают потери тепла.

Исключаются однородные магнитные тела; индуцированный ток будет слишком большим. Вместо этого используются взаимно изолированные ленты или порошковая технология, при которой связующий материал между магнитными гранулами ограничивает наведенный ток своим удельным сопротивлением.

Катушки индуктивности могут быть соединены последовательно или параллельно; индуктивность подчиняется тем же законам, что и для резисторов.

Последовательное соединение

Уравнение последовательного индуктивного соединения [1]

Параллельное соединение
Для катушек без потерь и катушек с одинаковым фазовым углом применяется уравнение параллельной индуктивности

[2]

Индуктивное реактивное сопротивление

Подобно конденсатору, катушка индуктивности влияет на реактивное сопротивление в цепи переменного тока. Чтобы разделить это реактивное сопротивление от реактивного сопротивления конденсатора, его называют индуктивным реактивным сопротивлением XL. Величина выражается в омах и соответствует формуле:

уравнение индуктивного сопротивления [3]

ω = 2 x π x f, где f означает частоту, выраженную в Гц.

Базовая конструкция катушек индуктивности и индуктивности

Самые простые катушки индуктивности состоят из токопроводящего провода, намотанного в форме катушки, с обоими концами токопроводящего провода в качестве внешних клемм. В последние годы большинство катушек индуктивности включают в себя сердечник, вокруг которого намотан токопроводящий провод.

Рисунок 2. Базовая конструкция индуктора (слева) и ее практические примеры (справа)

Индуктивность индуктора определяется следующим уравнением [4]: ​​

индуктивность индуктора уравнением [4]

• L Индуктивность (Гн)
• k Коэффициент Нагаоки
• мк Проницаемость сердечника (Гн/м)
• N Количество витков катушки
• S Площадь сечения рулона (м ² )
• л Длина рулона (м)

Рис.