Зачем нужна катушка индуктивности в цепи. Катушка индуктивности в цепи переменного тока: назначение, принцип работы, применение

Для чего нужна катушка индуктивности в цепи переменного тока. Как работает катушка индуктивности. Какие бывают типы катушек индуктивности. Где применяются катушки индуктивности в электронике и электротехнике.

Что такое катушка индуктивности и как она устроена

Катушка индуктивности — это пассивный электронный компонент, который накапливает энергию в магнитном поле при прохождении через нее электрического тока. Простейшая катушка индуктивности представляет собой провод, намотанный в виде спирали на каркас.

Основные элементы конструкции катушки индуктивности:

• Обмотка из изолированного провода
• Каркас (может отсутствовать в бескаркасных катушках)
• Сердечник (для увеличения индуктивности)
• Выводы для подключения

Чем больше витков в катушке и чем меньше ее длина, тем выше индуктивность. Для увеличения индуктивности также используются ферромагнитные сердечники.

Принцип работы катушки индуктивности

Принцип действия катушки индуктивности основан на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока через катушку вокруг нее возникает переменное магнитное поле. Это поле наводит в витках катушки ЭДС самоиндукции, препятствующую изменениям тока.

Основные эффекты, возникающие в катушке индуктивности:

• Противодействие изменениям тока
• Сдвиг фаз между током и напряжением на 90°
• Накопление энергии в магнитном поле
• Возникновение индуктивного сопротивления

Благодаря этим свойствам катушки индуктивности широко применяются в электронных схемах для фильтрации, накопления энергии, создания резонансных контуров и других целей.

Основные типы катушек индуктивности

В зависимости от конструкции и назначения выделяют следующие основные типы катушек индуктивности:

• Многослойные катушки — обмотка наматывается в несколько слоев
• Тороидальные катушки — обмотка на кольцевом сердечнике
• Катушки с ферритовым сердечником — для увеличения индуктивности
• Воздушные катушки — без сердечника
• Печатные катушки — на печатных платах
• Вариометры — с изменяемой индуктивностью

Выбор типа катушки зависит от требуемых параметров, рабочих частот, габаритов и других факторов.

Для чего нужны катушки индуктивности в цепи переменного тока

В цепях переменного тока катушки индуктивности выполняют следующие основные функции:

• Сглаживание пульсаций тока
• Накопление энергии
• Создание индуктивного сопротивления
• Фильтрация высокочастотных помех
• Формирование резонансных контуров
• Разделение сигналов по частоте

Благодаря способности накапливать энергию в магнитном поле, катушки индуктивности позволяют сглаживать пульсации тока и напряжения, а также накапливать и отдавать энергию в импульсных преобразователях.

Применение катушек индуктивности в электронике

Основные области применения катушек индуктивности в современной электронике:

• Фильтры в источниках питания
• Трансформаторы и дроссели
• Колебательные контуры в радиоаппаратуре
• Импульсные преобразователи напряжения
• Датчики и исполнительные устройства
• Системы беспроводной передачи энергии

Катушки индуктивности являются важнейшими компонентами в силовой электронике, радиотехнике, системах связи и многих других областях.

Как рассчитать индуктивность катушки

Для расчета индуктивности катушки используются следующие основные формулы:

• L = μ0 * μr * N^2 * S / l — для соленоида без сердечника
• L = AL * N^2 — для катушки с сердечником

Где:

• L — индуктивность
• μ0 — магнитная проницаемость вакуума
• μr — относительная магнитная проницаемость сердечника
• N — число витков
• S — площадь поперечного сечения
• l — длина катушки
• AL — индуктивность на виток

При расчетах необходимо учитывать геометрию катушки, параметры сердечника, частотные свойства и другие факторы.

Особенности подключения катушек индуктивности

При подключении катушек индуктивности в электрические цепи следует учитывать следующие особенности:

• Необходимость защиты от перенапряжений
• Влияние паразитных параметров
• Зависимость индуктивности от тока
• Нагрев катушки при больших токах
• Взаимное влияние близко расположенных катушек

Для надежной работы схем с катушками индуктивности важно правильно выбирать их параметры и соблюдать правила монтажа.

Преимущества и недостатки катушек индуктивности

Основные преимущества катушек индуктивности:

• Способность накапливать энергию
• Отсутствие потерь на постоянном токе
• Простота конструкции
• Широкий диапазон номиналов

Недостатки катушек индуктивности:

• Большие габариты на низких частотах
• Паразитные параметры на высоких частотах
• Нелинейность при больших токах
• Чувствительность к внешним полям

Несмотря на некоторые недостатки, катушки индуктивности остаются незаменимыми компонентами во многих областях электроники.

Практическое руководство по катушкам индуктивности

Большинство проводящих материалов (металлов) является парамагнитными или ферромагнитными, в то время как большинство непроводящих материалов (неметаллов) является диамагнитными. Любой проводник обладает некоторой индуктивностью в ответ на изменение величины или направления протекания тока. Даже обычный прямой провод имеет индуктивность, хотя она достаточно мала, чтобы пренебрегать ею. Если провод свернуть в петлю — его индуктивность увеличится. Чем больше сделать таких одинаковых витков, тем большая индуктивность будет присуща проводу. Индуктивность одиночной петли или катушки из провода может быть многократно увеличена с помощью подходящего ферромагнитного сердечника.

Простейшими катушками индуктивности являются катушки с воздушным сердечником (рисунок 1). Они сделаны путем намотки провода вокруг пластмассового, деревянного или любого не ферромагнитного сердечника. Индуктивность катушки зависит от числа витков, радиуса и общей формы, также она пропорциональна числу витков и диаметру катушки. Индуктивность обратно пропорциональна длине провода для заданного диаметра катушки и числу витков. Итак, чем ближе будут витки, тем больше будет индуктивность. Электропроводность катушек индуктивности зависит от материала и толщины провода. Потери (в виде тепла) в значительной степени зависят от материала, используемого в качестве сердечника.

 

Рис. 1. Пример катушки индуктивности с воздушным сердечником 

Катушки с воздушным сердечником имеют небольшую индуктивность, которая может составлять максимум 1 мГн. Катушки с воздушным сердечником могут быть рассчитаны так, что будут пропускать через себя ток практически неограниченной величины при условии использования проводника большой длины, смотанного в катушку большого радиуса. Такие катушки индуктивности практически не вносят потерь, так как воздух не рассеивает много энергии в виде тепла. Чем выше частота переменного тока, тем меньше индуктивность, необходимая для получения значительных эффектов.

Таким образом, катушки индуктивности с воздушным сердечником вполне подходят для применения в высокочастотных цепях переменного тока благодаря отсутствию потерь, способности пропускать через себя большие токи и достаточным значениям индуктивности.

При использовании железных или ферритовых сердечников индуктивность может быть значительно увеличена. Однако порошкообразный, железный или ферритовый сердечник вносит значительные потери электрической энергии в виде тепла. Использование ферромагнитных сердечников также ограничивает максимальную величину рабочего тока катушек индуктивности. В ферромагнитных сердечниках насыщение происходит при протекании максимального рабочего тока. При увеличении тока сверх этого критического значения индуктивность может начать уменьшаться. При больших токах ферромагнитные сердечники могут достаточно сильно нагреваться, что может привести к их разрушению и необратимому существенному изменению номинальной индуктивности катушки.

Соленоид против катушек индуктивности

 

Соленоиды часто путают с катушками индуктивности. Соленоиды — это катушки проводов, которые предназначены для использования в качестве электромагнитов. Многие индукторы также являются катушками проводов, но они предназначены для обеспечения индуктивности в электрической цепи. Катушки индуктивности цилиндрической формы также называют соленоидными катушками, но только из-за их конструкции, схожей с конструкцией соленоида. Тем не менее, они не предназначены для использования в качестве электромагнита. Соленоиды специально используются в качестве электромагнитов и обычно имеют подвижный или статический сердечник. Обычно соленоиды используются в качестве электромагнитов в электрических звонках, электродвигателях, работающих на постоянном токе, и в реле.

Соленоидные катушки как индуктивности

 

Простейшими и наиболее распространенными индуктивностями являются соленоидные катушки. Эти индуктивности представляют собой цилиндрические катушки, намотанные вокруг диамагнитного или ферромагнитного сердечника.

Они являются самыми простыми с точки зрения проектирования и изготовления.

Соленоидная, или цилиндрическая катушка может быть легко использована для подстройки величины индуктивности, если в конструкцию интегрировать механизм перемещения ферромагнитного сердечника катушки внутрь и наружу. Путем перемещения сердечника внутрь катушки и обратно можно изменять ее эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности. Это называется настройкой магнитной проницаемости и используется для подстройки частот в радиочастотных схемах.

Сердечник можно сделать подвижным, прикрепив его к винтовому валу и закрепив гайкой на другом конце катушки. Когда вал винта вращается по часовой стрелке — сердечник перемещается внутрь катушки, увеличивая эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности. Когда вал винта вращается против часовой стрелки — сердечник выдвигается, уменьшая эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности.

Тороиды как катушки индуктивности

Сегодня еще одной наиболее распространенной формой катушек индуктивности является тороид. Тороиды имеют кольцевой ферромагнитный сердечник, на который намотан провод. Тороиды нуждаются в меньшем числе витков и физически меньше при той же величине индуктивности и рабочей величине тока, по сравнению с соленоидными катушками (рисунок 2). Другим важным преимуществом тороидов является то, что магнитный поток находится внутри сердечника, что позволяет избежать нежелательной взаимной индуктивности.

Рис. 2. Сильноточные тороидальные катушки индуктивности 

Однако намотать провод на тороид сложно. Регулировать магнитную проницаемость тороида еще сложнее. Проектирование катушек с тороидальным сердечником и переменной величиной индуктивности требует реализации громоздкой и сложной конструкции. В цепях, где требуется взаимная индуктивность, катушки должны быть намотаны на один и тот же сердечник в случае, если тороид используется в качестве катушки индуктивности.

Индуктивности на основе чашеобразных Р-сердечников*

 

В типичных катушках индуктивности — соленоидных и тороидных — провод намотан вокруг ферромагнитного сердечника. Катушки индуктивности на основе чашеобразных сердечников – это другой тип индуктивностей, в котором обмотка катушки находится внутри ферромагнитного сердечника. Чашеобразный ферромагнитный сердечник имеет форму двух половин в виде чаш со специальным цилиндрическим выступом (керном) на дне одной из половин, на котором размещается обмотка. Обе половины имеют отверстия, из которых извлекается провод катушки. Вся сборка скрепляется болтом и гайкой.

Катушки данного типа, как и тороиды, обладают большой индуктивностью и электропроводностью при небольших габаритах и меньшем числе витков. Магнитный поток, как и в случае с тороидами, остается внутри. Таким образом, нет нежелательной взаимной индуктивности с сердечниками. Опять же, как и в случае с тороидами, очень трудно варьировать величину индуктивности катушек данного типа. Изменять величину индуктивности в катушках индуктивности на основе Р-сердечников возможно только путем изменения числа витков и при использовании отводов в разных точках катушки.

*- В литературе также встречается термин “Р-сердечник закрытого типа”. В ГОСТ 19197-73 данному типу сердечников присвоено название – “броневой”.

Линия передачи как индуктивность

В цепях постоянного тока катушки индуктивности ведут себя почти так же, как и обычный провод, обладая незначительным сопротивлением, но не более того. Таким образом, они находят применение преимущественно в электрических цепях переменного тока. В аудиосхемах в качестве индуктивностей обычно используются тороиды, катушки на основе круглых чашеобразных сердечников или аудиотрансформаторы. Номинал индуктивности, применяемый в таких электрических цепях, варьируется от нескольких мГн до 1 Гн. Катушки индуктивности вместе с конденсаторами используются в аудиосхемах для подстройки. В настоящее время микросхемы практически полностью вытеснили катушки индуктивности и конденсаторы в аудиосистемах и других подобных областях применения.

При увеличении частоты должны использоваться индуктивности с сердечниками меньшей проницаемости. На нижнем конце радиочастотного спектра используются те же катушки индуктивности, что и в аудиоприложениях. На частотах до нескольких МГц весьма распространены катушки индуктивности с тороидальным сердечником. Для частот 30…100 МГц предпочтительны катушки с воздушным сердечником. Для частот более 100 МГц в линии передачи используются высокочастотные индуктивности и специальные трансформаторы. Линии передачи малой длины (четверть длины волны сигнала или меньше) сами могут быть использованы в качестве индуктивности для подстройки частоты радиосигналов. Линия передачи, используемая в качестве подобной индуктивности, обычно представляет собой коаксиальный кабель.

Индуктивности в цепях постоянного тока

Катушки индуктивности практически бесполезны в цепях постоянного тока. Однако можно предположить, что катушка индуктивности, подключенная к цепи постоянного тока, может быть полезна для понимания принципов ее работы и особенностей поведения пульсирующих напряжений постоянного тока. Предположим, что обычная катушка индуктивности подключена к источнику напряжения через ключ. При замыкании ключа на индуктивность подается напряжение, вызывающее быстрое изменение протекающего через нее тока. Когда приложенное напряжение увеличивается от нуля до пикового значения (за короткое время), индуктивность противодействует изменяющемуся через нее току, индуцируя напряжение, противоположное по полярности приложенному напряжению. Индуцированное напряжение при подаче питания на катушку индуктивности называется обратной ЭДС и определяется по формуле 1:

V_L = – L*(di/dt),   (1)

где:

• V_L – напряжение (обратная ЭДС), индуцированная на катушке;
• L – индуктивность катушки;
• di/dt – скорость изменения тока во времени.

Согласно приведенной формуле 1, внезапное изменение тока через катушку индуктивности дает бесконечное напряжение, что физически невозможно. Таким образом, ток через катушку индуктивности не может измениться мгновенно. Ток сталкивается с влиянием индуктивности при каждом небольшом изменении его величины и медленно возрастает до своего пикового постоянного значения. Итак, в начальный момент времени катушка индуктивности представляет собой разрыв цепи, когда переключатель замкнут. Обратная ЭДС наводится на катушку индуктивности до тех пор, пока изменяется значение протекающего через нее тока. Индуцированная обратная ЭДС всегда остается равной и противоположной возрастающему приложенному напряжению. Когда напряжение и ток от источника приближаются к постоянному значению, обратная ЭДС падает до нуля, а катушка индуктивности начинает вести себя как обычный провод. При подаче напряжения на катушку индуктивности мощность, запасенная ею, определяется по формуле 2:

P = V * I = L*i*di/dt,   (2)

где:

• P – электрическая мощность, запасенная в катушке;
• V – величина пикового напряжения на катушке индуктивности;
• I – величина пикового тока, протекающего через катушку индуктивности.

Энергия, запасенная индуктивностью при подаче напряжения, определяется по формуле 3:

W = ?P.dt = ?L*i*(di/dt)dt = (1/2)LI²,   (3)

где:

• W – электрическая энергия, запасенная в катушке индуктивности в виде магнитного поля;
• I – максимальное значение тока, протекающего через катушку.

Когда происходит отключение источника напряжения (путем размыкания ключа), напряжение на индуктивности падает с постоянного пикового значения до нуля. В отличие от конденсаторов, при отключении источника напряжения напряжение на индуктивности не поддерживается. Фактически оно уже упало до нуля, тогда как ток, проходящий через него стал постоянным. Теперь, когда приложенное напряжение падает от пикового постоянного значения до нуля, ток, протекающий через катушку индуктивности, также падает с постоянного пикового значения до нуля. Катушка противодействует падению тока, вызывая прямую ЭДС в направлении приложенного напряжения. Из-за индуцированной прямой ЭДС ток, проходящий через катушку индуктивности, падает до нуля с более медленной скоростью. Как только ток уменьшается до нуля, прямая ЭДС также падает до нуля.

Таким образом, при подаче напряжения питания электрическая энергия преобразовывалась в магнитное поле в катушке индуктивности, что было очевидно по обратной ЭДС, индуцированной на ней. При отключении напряжения питания та же самая электрическая энергия возвращается индуктором в цепь в форме прямой ЭДС. Всякий раз, когда напряжение на катушке индуктивности увеличивается, возникает обратная ЭДС, а всякий раз, когда напряжение на катушке уменьшается, возникает прямая ЭДС.

На практике обратная или прямая ЭДС, которая наводится на катушке индуктивности, во много раз больше приложенного напряжения. Если источник индуктивности подключен к источнику напряжения или катушка индуктивности подключена к цепи постоянного тока без какой-либо защиты, электрическая энергия, возвращаемая при размыкании переключателя, выделяется в виде скачка напряжения или искры на контактах переключателя. Если индуктивность или ток в цепи достигают достаточно больших значений, то энергия выделяется в форме дуги или искры на контакте переключателя и может даже сжечь или расплавить его. Этого можно избежать, используя резистор и конденсатор, соединенные в RC-цепь и включенные последовательно с контактом переключателя. Такая RC-цепь называется снабберной и позволяет электрической энергии, выделяемой катушкой индуктивности, заряжать и разряжать конденсатор, поэтому она не повреждает другие компоненты. Во многих электрических цепях для сохранения компонентов схемы от обратной или прямой ЭДС катушек индуктивности или соленоидов используются защитные диоды.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Катушка индуктивности противодействует любому изменению тока, который протекает через нее, а переменный ток, в свою очередь, отстает на 90° от напряжения. В начальный момент времени, когда напряжение источника подается на катушку, ток через нее протекает максимальный, но в противоположном направлении. При подаче напряжения ток протекает через катушку индуктивности из-за индуцированной обратной ЭДС, которая противоположна приложенному напряжению. Индуцированное на катушке напряжение всегда равно и противоположно по знаку приложенному напряжению в любой момент времени. Когда приложенное напряжение возрастает от нуля до пикового значения, ток через катушку падает от максимума до нуля.

Когда прикладываемое напряжение падает от максимального значения до нуля, то на катушке индуцируется прямая ЭДС, заставляя ток противоположного направления расти от нуля до пикового значения. Когда приложенное напряжение меняет полярность и возрастает до пикового значения, ЭДС снова индуцируется на катушке, вызывая падение обратного тока от пикового значения до нуля. Когда приложенное напряжение снова падает до нуля в обратном направлении, в катушке индуцируется прямая ЭДС, заставляющая ток снова расти от нуля до максимального значения в противоположном направлении. Это продолжается для каждого цикла протекания переменного тока.

Индуктивное сопротивление

Противодействие протекающему току из-за наличия индуктивности называется индуктивным сопротивлением. Амплитуда тока через катушку индуктивности обратно пропорциональна частоте приложенного напряжения. Поскольку напряжение на катушке (обратная или прямая ЭДС) пропорционально индуктивности, то амплитуда тока также обратно пропорциональна величине индуктивности. Итак, противодействие току из-за наличия индуктивности в виде индуктивного сопротивления определяется по формуле 4:

X_L = 2?fL= ?L   (4)

Соответственно, пиковая амплитуда тока, проходящего через катушку индуктивности, определяется по формуле 5:

I_peak = V_peak/X_L= V_peak/ ?L,   (5)

где:

• I_peak – пиковое значение переменного тока, протекающего через катушку индуктивности;
• V_peak – пиковое значение переменного напряжения, приложенного к катушке;
• X_L – индуктивное сопротивление.

Как резистивное и емкостное сопротивление, так и единица индуктивного сопротивления измеряется в омах. Следует отметить, что в электрических цепях нет потерь энергии из-за наличия емкостного или индуктивного сопротивления, что нельзя сказать об обычном резистивном сопротивлении. Тем не менее, реактивное сопротивление может ограничивать уровни тока через конденсатор или катушку индуктивности.

Применение катушек индуктивности

Катушки индуктивности используются в электрических цепях переменного тока. Они обычно применяются в аналоговых схемах, схемах обработки сигналов и в системах телекоммуникаций, а также используются вместе с конденсаторами для создания фильтров различных топологий. В телекоммуникационных системах индуктивности применяются в составе специальных фильтров, которые нужны для подавления возможных бросков напряжения и предотвращения утечки информации через линии системы электропитания.

Трансформаторы, которые используются для повышения или понижения напряжения переменного тока, состоят из двух катушек индуктивности, объединенных в единую конструкцию определенным образом. Индуктивности также используются для временного хранения электрической энергии в цепях выборки-хранения и источниках бесперебойного питания. В цепях электропитания катушки индуктивности (где они называются фильтрующими дросселями) используются для сглаживания пульсирующих токов.

Поведение индуктивности при прохождении через нее сигнала можно определить следующим образом:

• Всякий раз, когда приложенное к катушке индуктивности напряжение увеличивается, катушка генерирует обратную ЭДС, в результате чего ток через нее падает с максимального значения до нуля или даже ниже этого уровня. Всякий раз, когда прикладываемое напряжение уменьшается, катушка создает прямую ЭДС, в результате чего ток через нее повышается с нуля или текущего уровня до максимального значения или даже до более высокого.
• Обратная или прямая ЭДС сохраняется на катушке индуктивности до тех пор, пока приложенное напряжение, а следовательно и ток через нее изменяются. Когда приложенное напряжение достигает определенного постоянного значения, обратная или прямая ЭДС падает до нуля, и постоянный ток протекает через катушку индуктивности без какого-либо противодействия, как в обычном соединительном проводе.
• Из-за наличия индуктивности скорость изменения тока в цепи замедляется. Если сигнал переменный, то ток всегда будет отставать от напряжения на 90° из-за наличия индуктивности.
• Благодаря индуктивному или емкостному сопротивлению потери энергии отсутствуют. Энергия, запасенная катушкой индуктивности в форме магнитного поля или конденсатором в форме электростатического поля, возвращается обратно в цепь, как только приложенное напряжение падает до нуля или меняет полярность. Однако из-за реактивного сопротивления пиковый уровень тока (амплитуда сигнала) ограничен.

Источник: https://www.engineersgarage.com

Автор: Нихил Агнихотри Переводчик: Алексей Катков (г. Санкт-Петербург)

Разделы: Дроссели

Опубликовано: 30.01.2020

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.

Понимание роли катушек индуктивности в силовой электронике

• Новостная рассылка
• Белая бумага
• Вебинары

Откройте для себя PCIM Europe

• Продукты и приложения
• Новости отрасли
• Исследования и разработки
• Инструменты и программное обеспечение
• Эксперты
• Услуги

17.12.2020 Обновлено 21.04.2023 От Люк Джеймс

Связанные поставщики

Koki Deutschland Niederlassung KOKI Europe A/S Диотек Полупроводник АГ РОМ Полупроводник ГмбХ Файнпауэр ГмбХ

Одним из самых малоизвестных компонентов силовой электроники является индуктор: структура, похожая на катушку, которую вы найдете в большинстве схем. Именно благодаря этим и их свойствам работают трансформаторы и другие схемы силовой электроники.

Что такое катушки индуктивности, как они устроены и какие бывают типы?

(Источник: gemeinfrei / Pixabay)

Катушки индуктивности обычно используются в качестве накопителей энергии в импульсных силовых устройствах для получения постоянного тока. Катушка индуктивности, которая накапливает энергию, подает энергию в цепь для поддержания протекания тока в периоды «выключения», тем самым обеспечивая топографии, в которых выходное напряжение превышает входное напряжение.

Из-за того, как они работают — изменяя не только электрическое поле, но и магнитное поле вокруг него — многим людям трудно их понять.

Что такое индуктор?

Катушка индуктивности, также известная как дроссель или катушка, возможно, является самым простым из всех электронных компонентов. Это пассивный двухконтактный электрический компонент, который накапливает энергию в магнитном поле, когда через него протекает электрический ток. Как правило, катушка индуктивности состоит из изолированного провода, намотанного на катушку, как резистор. Этот дизайн был основан на обширных методах проб и ошибок, в которых учитывались такие методы, как кривые Ханны и произведение площади.

Когда ток, протекающий через катушку, изменяется, изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует напряжение в проводнике с полярностью, противодействующей изменению тока, который его создал. Таким образом, катушки индуктивности противодействуют любым изменениям тока, проходящего через них.

Индуцированное магнитное поле также индуцирует электрическое свойство, известное как индуктивность — отношение напряжения к скорости изменения тока. Индуктивность определяет количество энергии, которую катушка индуктивности способна хранить.

Конструкция индуктора и основные компоненты

Конструкция индуктора определяется электрическими, механическими и тепловыми требованиями данного приложения. Как правило, это включает:

• Выбор материала сердечника

• Выбор формы и размера сердечника

• Выбор провода обмотки

затем покрываются слоями изоляционного полимерного материала. Обмотка может иметь различную форму, в том числе круглую, прямоугольную фольгу и квадратное сечение. Магнитный провод выбран для ограничения и направления магнитных полей, и он изолирован, чтобы предотвратить такие проблемы, как короткие замыкания и поломки.

Символ катушки индуктивности

При разработке схемы электронной цепи очень важно использовать правильные электронные символы, которые указывают точное расположение соответствующего электронного компонента и поясняют, как электрическая цепь взаимосвязана. Стандартный схематический символ катушки индуктивности показан на рис. 1. В дополнение к представлению с помощью символов электронных схем также существует возможность четкой идентификации электронных компонентов с помощью условных обозначений. Катушка индуктивности обозначается буквой «L».

Рис. 1. Схематическое обозначение катушки индуктивности.

(Источник: Akilaa — Wikimedia Commons)

Различные типы катушек индуктивности

Различные приложения требуют разных типов катушек индуктивности. Почти во всех случаях вы обнаружите, что индуктор в системе формируется вокруг материала сердечника — обычно железа или соединений железа — для поддержки создания сильного магнитного поля.

Катушки индуктивности с железным сердечником

Рис. 2. Катушка индуктивности с железным сердечником производства Jantzen Audio для аудиоприложений.

(Источник: Hifi Collective)

Железо — классический и наиболее узнаваемый магнитный материал, что делает его идеальным выбором для использования в индукторах. Как и выше, железо в индукторах имеет форму железного сердечника. Они обычно используются для фильтрации низкочастотных линий из-за их относительно больших индуктивностей. Они также широко используются в звуковом оборудовании. Однако катушки индуктивности не всегда должны иметь железный сердечник.

Дроссель с воздушным сердечником

Рис. 3. Дроссель с воздушным сердечником производства Wurth Elektronik.

(Источник: Farnell)

Как следует из названия, индукторы с воздушным сердечником не имеют сердечника — сердечник находится на открытом воздухе. Поскольку воздух имеет низкую проницаемость, индуктивность индукторов с воздушным сердечником очень мала. Это означает, что скорость нарастания тока относительно высока для приложенного напряжения, что делает их способными работать с высокими частотами, характерными для таких приложений, как радиочастотные цепи.

Катушки индуктивности с ферритовым сердечником

Рис. 4. Катушка индуктивности с ферритовым сердечником производства Wurth Elektronik.

(Источник: RS Components)

Феррит представляет собой керамический материал, полученный путем смешивания и обжига оксида железа (III) с добавлением небольшого количества одного или нескольких дополнительных металлических элементов, таких как никель и цинк. При использовании в катушках индуктивности ферритовый порошок смешивают с эпоксидной смолой и формуют, чтобы сформировать сердечник, вокруг которого можно намотать магнитный провод. Ферритовые индукторы являются наиболее широко используемым типом, поскольку их проницаемость можно точно контролировать, регулируя соотношение феррита и эпоксидной смолы.

Практическое применение катушек индуктивности

Катушки индуктивности из-за того, что для их изготовления используются материалы из меди и железа, как правило, дороги. Это относит большинство их вариантов использования к приложениям в областях, где такие расходы могут быть оправданы, например, к телекоммуникационному оборудованию, радио и источникам питания. В источниках питания роль катушки индуктивности заключается в предотвращении внезапных изменений используемого тока. Работая вместе с конденсатором, катушка индуктивности предотвращает внезапные изменения выходного напряжения и тока источника питания. В целом, это очень простые компоненты, играющие важную роль в силовой электронике.

Подпишитесь на рассылку новостей сейчас

Не пропустите наш лучший контент

Деловая электронная почта

Нажимая «Подписаться на рассылку новостей», я даю согласие на обработку и использование моих данных в соответствии с формой согласия ( пожалуйста, разверните для подробностей) и примите Условия использования. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Развернуть для подробностей вашего согласия

(ID:47041174)

Дизайн

— Катушки индуктивности — для чего они используются?

Хороший вопрос. Одно из распространенных применений — фильтр. Конденсатор легко пропускает высокочастотный сигнал, но сопротивляется низкочастотным. В то время как индуктор наоборот: он легко пропускает низкие частоты и препятствует высоким частотам. На самом деле, внутри большинства корпусов динамиков вы найдете индуктор, используемый на низкочастотном динамике для передачи низкочастотной энергии на низкочастотный динамик, в то время как конденсатор используется с твитером для передачи высокочастотной энергии на твитер.

Причина использования катушки индуктивности заключается в том, что она не «потребляет» и не «тратит» высокочастотную энергию, а просто блокирует ее прохождение, так что вместо этого энергия может проходить через конденсатор в твитер.

В общем, индуктор ведет себя так же, как и конденсатор, поэтому большинство функций, требующих одного, можно реализовать с помощью другого, но в другом расположении. Но это не всегда так. Например, если вы хотите получать только низкочастотную энергию, вы можете поставить резистор, а затем конденсатор на землю. Высокочастотная энергия будет «закорочена» через конденсатор и снизит большую часть напряжения на резисторе (что превращает высокочастотный сигнал в тепло), оставив очень небольшую амплитуду на конденсаторе. Это прекрасно работает, если вам нужна только информация, поэтому можно тратить высокочастотную энергию впустую… но в случае с динамиками потребовалось много работы, чтобы передать эту высокую энергию в коробку динамика, поэтому вам нужен способ фильтрации без потери энергии!

Отсюда вытекает принципиальная разница между резисторами, конденсаторами и катушками индуктивности. Резисторы превращают напряжение на них, умноженное на ток через них, в тепло. А вот конденсаторы и катушки индуктивности — нет! Идеальные версии не преобразуют электрическую энергию в тепло. Хотя настоящие превращают некоторый процент напряжения на них, умноженного на ток через них, в тепло, этот процент зависит от частоты напряжения/тока.

Еще одно распространенное использование катушек индуктивности — в генераторах. Представьте себе катушку индуктивности и конденсатор, соединенные вместе с обоих концов — существует некоторая частота, при которой оба оказывают одинаковое сопротивление! Это называется резонансной частотой комбинации. Оказывается, как только вы его запустите, напряжение конденсатора заставляет ток течь в индукторе, пока напряжение не достигнет нуля, но теперь индуктор хочет, чтобы этот ток продолжал течь, поэтому он делает это и в конечном итоге заряжает конденсатор. , но к противоположному напряжению, которое было раньше. Когда ток достигает нуля, конденсатор снова начинает нагнетать ток, и он нарастает… но в обратном направлении, как раньше… и то же самое повторяется…

Если бы катушка индуктивности и конденсатор были идеальными, то это продолжалось бы вечно. . но они оба теряют немного энергии, превращаясь в тепло.. поэтому напряжения и токи уменьшаются при каждом повторении.. все, что нужно для сделать осциллятор, то это способ восполнить потерянную энергию после каждого цикла.

Третье распространенное применение – это устройство для накопления энергии, особенно в импульсных источниках питания. В этом случае функция источника питания постоянного тока заключается в подаче постоянного тока. Он также имеет функцию переключения между источником входного напряжения и источником выходного напряжения. Таким образом, то, что он блокирует высокую частоту, можно рассматривать так: когда напряжение на нем резко меняется, ток через него не меняется.. скорее, ток только начинает меняться. Итак, если вы очень быстро измените напряжение на очень высокое, затем на нулевое, затем на очень высокое, затем на ноль, ток начнет расти, затем начнет снижаться, но до тех пор, пока вы оставляете одно из двух напряжений только очень короткое время ток практически не изменится в любом направлении. Если вы оставите его высоким в тот же период, когда вы оставите его низким, то ток усреднится и останется стабильным. Если этот ток соответствует току, отбираемому от источника питания, то выходное напряжение источника питания останется постоянным. Теперь представьте, что высокое напряжение остается немного дольше, чем земля — ​​ток будет увеличиваться медленно, в течение многих повторений… и наоборот. Если нагрузка продолжает потреблять один и тот же ток, то выходное напряжение источника питания будет медленно расти, поскольку дополнительный ток заряжает конденсатор между выходом и землей. Именно так импульсный источник питания использует катушку индуктивности для преобразования большого входного напряжения в меньшее выходное напряжение. Существует схема, которая определяет выходное напряжение и сравнивает его с желаемым напряжением, а также регулирует время, в течение которого катушке индуктивности подается высокое входное напряжение по сравнению с землей, чтобы изменить величину избыточного тока для зарядки конденсатора на выходе.