Опубликовано Автор: Категории: Разное

Содержание

Катушка индуктивности | Виды катушек, практические опыты

Что такое катушка индуктивности

Что вы себе представляете под словом “катушка” ? Ну… это, наверное, какая-нибудь “фиговинка”, на которой намотаны нитки, леска, веревка, да что угодно! Катушка индуктивности представляет из себя точь-в-точь то же самое, но вместо нитки, лески или чего-нибудь еще там намотана обыкновенная медная проволока в изоляции.

Изоляция может быть из бесцветного лака, из ПВХ-изоляции и даже из матерчатой. Тут фишка такая, что хоть и провода в катушке индуктивности очень плотно прилегают к друг другу, они все равно изолированы друг от друга. Если будете мотать катушки индуктивности своими руками, ни в коем случае не вздумайте брать обычный медный голый провод!

Индуктивность

Любая катушка индуктивности обладает индуктивностью. Индуктивность катушки измеряется в Генри (Гн), обозначается буковкой L и замеряется с помощью LC – метра.

Что такое индуктивность?  Если через  провод пропустить электрический ток, то он вокруг себя создаст магнитное поле:

где

В – магнитное поле, Вб

I – сила тока, А

А давайте возьмем и намотаем в спиральку этот провод и подадим на его концы напряжение

И у нас получится вот такая картина с магнитными силовыми линиями:

Грубо говоря, чем больше линий магнитного поля пересекут площадь этого соленоида, в нашем случае площадь цилиндра, тем больше будет магнитный поток (Ф). Так как через катушку течет электрический ток, значит, через нее проходит ток с  Силой тока (I), а коэффициент между магнитным потоком и силой тока называется индуктивностью и вычисляется по формуле:

С научной же точки зрения, индуктивность – это способность извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля. Если ток в катушке увеличивается, магнитное поле вокруг катушки расширяется, а если ток уменьшается , то магнитное поле сжимается.

Самоиндукция

Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение.

Это противоположное напряжение называется

ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома:

где

I – сила тока в катушке , А 

U – напряжение в катушке, В 

 R – сопротивление катушки, Ом

Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное.


И второй феномен в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности – источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы уже подали на катушку.

То есть как только мы разрываем цепь, на катушке напряжение в этот момент может быть  в разы больше, чем было до размыкания  цепи, а сила тока в цепи катушки будет тихонько падать, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать убывающее напряжение.

Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока будет плавно убывать до нуля. Короче говоря, сила тока в катушке мгновенно измениться не может.

Типы катушек индуктивности

Катушки индуктивности делятся в основном на два класса: с магнитным и  немагнитным сердечником. Снизу  на фото катушка с немагнитным сердечником.

Но где у нее сердечник? Воздух – это немагнитный сердечник :-).  Такие катушки также могут быть намотаны на какой-нибудь цилиндрической бумажной трубочке. Индуктивность катушек с немагнитным  сердечником используется, когда индуктивность не превышает 5 миллигенри.

А вот катушки индуктивности с сердечником:

В основном используют сердечники из феррита и железных пластин. Сердечники повышают индуктивность катушек в разы. Сердечники в виде кольца (тороидальные) позволяют получить большую индуктивность, нежели просто сердечники из цилиндра.

Для катушек средней индуктивности используются ферритовые сердечники:

Катушки с большой индуктивностью делают как трансформатор с железным сердечником, но с одной обмоткой, в отличие от трансформатора.

Дроссель

Также есть особый вид катушек индуктивностей. Это так называемые дроссели

. Дроссель – это катушка индуктивности, задача которой состоит в том, чтобы создать в цепи большое сопротивление для переменного тока, чтобы подавить токи высоких частот.

Постоянный ток через дроссель проходит без проблем. Почему это происходит, можете прочитать в этой статье. Обычно дроссели включаются в цепях питания усилительных устройств. Дроссели предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов). На низких частотах (НЧ) они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники. Ниже на фото силовые дроссели:

Также существует еще один особый вид дросселей – это

сдвоенный дроссель. Он представляет из себя две встречно намотанных катушки индуктивности. За счет встречной намотки и взаимной индукции он более эффективен. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания, а также в звуковой технике.

Что влияет на индуктивность?

От каких факторов зависит индуктивность катушки? Давайте проведем несколько опытов.  Я намотал катушку с немагнитным сердечником. Ее индуктивность настолько мала, что LC – метр мне показывает ноль.

Имеется ферритовый сердечник

Начинаю вводить катушку в сердечник на самый край

LC-метр  показывает 21 микрогенри.

Ввожу катушку на середину феррита

35 микрогенри. Уже лучше.

Продолжаю вводить катушку на правый край феррита

20 микрогенри. Делаем вывод, самая большая индуктивность на цилиндрическом феррите возникает в его середине.  Поэтому, если будете мотать на цилиндрике, старайтесь мотать в середине феррита. Это свойство используется для плавного изменения индуктивности  в переменных катушках индуктивности:

где

1 – это каркас катушки

2 – это витки катушки

3 – сердечник, у которого сверху пазик под маленькую отвертку. Вкручивая или выкручивая сердечник, мы тем самым изменяем индуктивность катушки.

Экспериментируем дальше. Давайте попробуем сжимать и разжимать витки катушки. Для начала ставим ее в середину и начинаем сжимать витки

Индуктивность стала почти 50 микрогенри!

А давайте-ка попробуем расправим витки по всему ферриту

13 микрогенри. Делаем вывод: для максимальной индуктивности мотать катушку надо “виток к витку”.

Убавим витки катушки в два раза. Было 24 витка, стало 12.

Совсем маленькая индуктивность. Убавил количество витков в 2 раза, индуктивность уменьшилась в 10 раз.  Вывод:

чем меньше количество витков – тем меньше индуктивность и наоборот. Индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Давайте поэкспериментируем с ферритовым кольцом.

Замеряем индуктивность

15 микрогенри

Отдалим витки катушки друг от друга

Замеряем снова

Хм, также 15 микрогенри. Делаем вывод: расстояние от витка до витка  не играет никакой роли в катушке индуктивности тороидального исполнения.

Мотнем побольше витков.

Было 3 витка, стало 9.

Замеряем

Офигеть! Увеличил количество витков  в 3 раза, а индуктивность увеличилась в 12 раз! Вывод: индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Если верить формулам для расчета индуктивностей, индуктивность зависит от “витков в квадрате”. Эти формулы я здесь выкладывать не буду, потому как не вижу надобности. Скажу только, что индуктивность зависит еще от таких параметров, как сердечник (из какого материала он сделан), площадь поперечного сечения сердечника, длина катушки.

Обозначение на схемах

Последовательное и параллельное соединение катушек индуктивности

При последовательном соединении индуктивностей, их общая индуктивность будет равняться сумме индуктивностей.

А при параллельном соединении получаем вот так:

При соединении индуктивностей должно выполняться правило, чтобы они были пространственно разнесены на плате. Это связано с тем, что при близком расположении друг друга их магнитные поля будут влиять с друг другом, и поэтому показания индуктивностей будут неверны. Не ставьте на одну железную ось две и более тороидальных катушек.  Это может привести к неправильным показаниям общей индуктивности.

Резюме

Катушка индуктивности играет в электронике очень большую роль, особенно в приемопередающей аппаратуре. На катушках индуктивности строятся также различные фильтры для электронной радиоаппаратуры, а в электротехнике ее используют также в качестве ограничителя скачка силы тока.

Ребята из Паяльника забабахали очень неплохой видос про катушку индуктивности. Советую посмотреть в обязательном порядке:

Активное и реактивное сопротивление | Практическая электроника

В этой статье мы поведем речь о таких параметрах, как активное и реактивное сопротивление.

Активное сопротивление

И начнем мы статью не с реактивного сопротивления, как ни странно, а с простого и всеми нами любимого радиоэлемента  – резистора, который, как говорят, обладает активным сопротивлением. Еще иногда его называют омическим.  Как нам говорит вики-словарь, “активный  – это деятельный, энергичный, проявляющий инициативу”. Активист готов всегда рвать и метать даже ночью. Он готов ПОЛНОСТЬЮ выложиться и потратить всю энергию во благо общества.

То же самое можно сказать и про другие нагрузки, обладающие активным сопротивлением. Это могут быть различные нагревательные элементы, типа тэнов, а также лампы накаливания.

Как смотреть силу тока в цепи через осциллограф

Чем же резистор отличается от  катушки индуктивности  и конденсатора? Понятное дело, что выполняемыми функциями, но этим все не ограничивается. Итак, давайте рассмотрим самую простую схемку во всей электронике:

На схеме мы видим генератор частоты и резистор.

Давайте визуально посмотрим, что у нас творится в этой схеме. Для этого, как я уже сказал, нам понадобится генератор частоты

А также цифровой осциллограф:

С помощью него мы будем смотреть напряжение и  силу тока . 

Что?

Силу тока?

Но ведь осциллограф предназначен для того, чтобы рассматривать форму сигнала напряжения? Как же мы будем рассматривать форму сигнала силы тока? А все оказывается просто). Для этого достаточно вспомнить правило шунта.

Кто не помнит –  напомню. Имеем обыкновенный резистор:

Что будет, если через него прогнать электрический ток?

На концах резистора у нас будет падение напряжения. То есть, если замерить с помощью мультиметра напряжение на его концах, мультиметр покажет какое-то значение в Вольтах

И теперь главный вопрос: от чего зависит падение напряжения на резисторе? В дело опять же вступает закон Ома для участка цепи: I=U/R. Отсюда U=IR. Мы видим зависимость от номинала самого резистора и от силы тока, текущей в данный момент в цепи. Слышите? От СИЛЫ ТОКА! Так почему бы нам не воспользоваться таким замечательным свойством и не глянуть силу тока через падение напряжения на  самом резисторе? Ведь номинал резистора у нас постоянный и почти не изменяется с изменением силы тока 😉

Осциллограмма силы тока на активном сопротивлении

В данном опыте нам не обязательно знать номинал силы тока в цепи. Мы будем просто смотреть, от чего зависит сила тока и изменяется ли вообще?

Поэтому,  наша схема примет вот такой вид:

В этом случае шунтом будет являться резистор сопротивлением в 0,5 Ом. Почему именно 0,5 Ом? Да потому что он не будет сильно греться, так как обладает маленьким сопротивлением, а также  его номинал вполне достаточен, чтобы снять с него напряжение.

Осталось снять напряжение с генератора, а также со шунта с помощью осциллографа. Если вы не забыли, со шунта мы снимаем осциллограмму силы тока в цепи. Красная осциллограмма – это напряжение с генератора Uген , а желтая осциллограмма  – это напряжение с шунта Uш , в нашем случае  – сила тока.  Смотрим, что у нас получилось:

Частота 28 Герц:

Частота 285 Герц:

Частота 30 Килогерц:

Как вы видите, с ростом частоты сила тока у нас осталась такой же.

Давайте побалуемся формой сигнала:

Как мы видим, сила тока  полностью повторяет форму сигнала напряжения.

Итак, какие можно сделать выводы?

1) Сила тока через активное (омическое) сопротивление имеет такую же форму, как и форма напряжения.

2) Сила тока и напряжение на активном сопротивлении совпадают по фазе, то есть куда напряжение, туда и ток. Они двигаются синфазно, то есть одновременно.

3) С ростом частоты ничего не меняется (если только на очень высоких частотах).

Конденсатор в цепи переменного тока

Ну а теперь давайте вместо резистора поставим конденсатор.

Смотрим осциллограммы:

Как вы видите, конденсатор обладает сопротивлением, так  как сила тока в цепи значительно уменьшилась. Но обратите внимание, что произошел сдвиг желтой осциллограммы, то бишь осциллограммы силы тока.

Вспоминаем алгебру старшие классы. Итак, полный период T – это 2П

Теперь давайте прикинем, какой сдвиг фаз у нас получился на графике:

Где-то примерно П/2 или 90 градусов.

Почему так произошло? Во всем виновато физическое свойство конденсатора. В самые первые доли секунд, конденсатор ведет себя как проводник с очень малым сопротивлением, поэтому сила тока в этот момент будет максимальна. В этом можно легко убедиться, если резко подать на конденсатор напряжение и в начальный момент времени посмотреть, что происходит с силой тока

Красная осциллограмма – это напряжение, которое мы подаем на конденсатор, а желтая – это сила тока в цепи конденсатора. По мере заряда конденсатора сила тока падает и достигает нуля при полном заряде конденсатора.

К чему приведет дальнейшее увеличение частоты? Давайте посмотрим:

50 Герц.

100 Герц

200 Герц

Как вы видите, с увеличением частоты, у нас сила тока в цепи с конденсатором возрастает.

Реактивное сопротивление конденсатора

Как мы увидели с прошлого опыта, с увеличением частоты растет сила тока! Кстати, у резистора не росла. То есть получается в данном случае из закона Ома, что сопротивление конденсатора зависит от частоты! Да, все так оно и есть. Но называется оно не просто сопротивлением, а реактивным сопротивлением и вычисляется по формуле:

где

Хс – реактивное сопротивление конденсатора, Ом

П – постоянная и приблизительно равна 3,14

F – частота, Гц

С – емкость конденсатора, Фарад

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Ну а теперь давайте возьмем катушку индуктивности вместо конденсатора:

Проводим все аналогичные операции, как и с конденсатором. Смотрим на осциллограммы в цепи с катушкой индуктивности:

Если помните, вот такую осциллограмму мы получили в схеме с конденсатором:

Видите разницу? На катушке индуктивности ток отстает от напряжения на  90 градусов, на П/2, или, как еще говорят, на четверть периода (весь период у нас 2П или 360 градусов).

Так-так-так…. Давайте соберемся с мыслями. То есть в цепи с переменным синусоидальным током,  ток на конденсаторе опережает напряжение на 90 градусов, а на катушке индуктивности ток отстает от напряжения тоже на 90 градусов? Да, все верно.

Почему на катушке ток отстает от напряжения?

Не будем углубляться в различные физические процессы и формулы, просто сочтем за данность, что сила тока не может резко возрастать на катушке индуктивности. Для этого проведем простой опыт. Так же как и на конденсатор, мы резко подадим напряжение на катушку индуктивности, и посмотрим, что случилось с силой тока.

Как вы видите, при резкой подаче напряжения на катушку, сила тока не стремится также резко возрастать, а возрастает постепенно, если быть точнее, по экспоненте.

Давайте вспомним, как это было у конденсатора:

Все с точностью наоборот! Можно даже сказать, что катушка – это полная противоположность конденсатору 😉

Ну и напоследок давайте еще побалуемся частотой:

240 Килогерц

34 Килогерца

17 Килогерц

10 Килогерц

Вывод?

С уменьшением частоты сила тока через катушку увеличивается.

Реактивное сопротивление катушки индуктивности

Из опыта выше мы можем сделать вывод, что сопротивление катушки зависит от частоты и вычисляется по формуле

где

ХL –  реактивное сопротивление катушки, Ом

П – постоянная и приблизительно равна 3,14

F – частота, Гц

L – индуктивность, Генри

Мощность в цепи с реактивными радиоэлементами

Для дальнейшего объяснения этого явления нам потребуется наша осциллограмма с катушки индуктивности:

Итак, давайте выделим на ней один период и разделим его на 4 части, то есть по 90 градусов каждая или π/2.

Давайте начнем с такого понятия, как мощность. Если не забыли, мощность – это сила тока помноженное на напряжение, то есть P=IU. Итак, в первую четвертинку периода t1 у нас напряжение принимает положительные значения и сила тока тоже положительное. Плюс на плюс дает плюс. В эту четверть периода энергия поступает из источника в реактивное сопротивление.

Теперь давайте рассмотрим отрезок времени t2. Здесь ток со знаком “плюс”, а напряжение со знаком “минус”. В итоге плюс на минус дает минус. Получается мощность со знаком “минус”. А разве так бывает? Еще как бывает! В этот промежуток времени реактивный радиоэлемент отдает запасенную энергию обратно в источник напряжения. Для лучшего понимания давайте рассмотрим простой житейский пример.

Представим себе кузнеца за работой:

 

Не знаю, какое было у вас детство, но я когда был пацаном, брал свинец с аккумуляторов и плющил его в металлические пластинки. И что думаете? Свинец нагревался. Не так, чтобы прям обжигал, а был тепленький на ощупь. То есть моя энергия удара превращалась в тепло, можно даже сказать, в полезную энергию.

А что если взять пружину от стоек ВАЗа и ударять по ней?

С пружиной не станет НИ-ЧЕ-ГО! Она ведь не свинец. Но… заметьте вот такую вещь: как только мы начинаем “плющить” пружину кувалдой, у нас она начинает сжиматься. И вот она сжалась до упора и… выстрелила вверх, подхватив с собой тяжелую кувалду, которая только что пыталась ее расплющить. То есть в данном случае энергия вернулась обратно в источник энергии, то есть обратно  к кузнецу. Он вроде как и пытался расплющить пружину, но пружина вернула энергию обратно своим разжатием. То есть кузнецу не надо уже было подымать тяжелый молот, так как за него это уже сделала пружина.

Разжатие пружины и возврат ею энергии обратно – это и есть отрицательная мощность. В этом случае энергия возвращается обратно в источник. Хорошо ли это или плохо – это уже другая история.

В третий промежуток времени  t3 и ток и напряжение у нас со знаком “минус”. Минус на минус – это плюс. То есть реактивный элемент снова поглощает энергию, ну а на t4, снова ее отдает, так как плюс на минус дает минус.

В результате за весь период у нас суммарное потребление энергии равно чему?

Правильно, нулю!

Так что же это получается тогда? На катушке и конденсаторе не будет выделяться никакой энергии? Получается так. Поэтому в схемах они чаще всего холодные, хотя могут быть и слегка теплыми, так как реальные параметры катушки и конденсатора выглядят совсем по другому.

Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности выглядит вот так:

где

RL  – это сопротивление потерь. Это могут быть потери в проводах, так как любой провод обладает сопротивлением. Это могут быть потери в диэлектрике, потери в сердечнике и потери на вихревые токи.  Как видите, раз есть сопротивление, значит на нем может выделяться мощность, то есть тепло.

L – собственно сама индуктивность катушки

С – межвитковая емкость.

А вот и эквивалентная схема реального конденсатора:

где

r – сопротивление диэлектрика и корпуса между обкладками

С – собственно сама емкость конденсатора

ESR – эквивалентное последовательное сопротивление

ESI (ESL) – эквивалентная последовательная индуктивность

Здесь мы тоже видим такие параметры, как r  и ESR, которые на высоких частотах будут еще лучше себя проявлять, благодаря скин-эффекту. Ну и, соответственно, на них будет выделяться мощность, что приведет к небольшому малозаметному нагреву.

Резюме

Резистор обладает активным (омическим) сопротивлением. Катушка индуктивности и конденсатор обладают реактивным сопротивлением.

В цепи переменного тока на конденсаторе ток опережает напряжение на 90 градусов, а на катушке ток отстает от напряжения на 90 градусов.

Сопротивление катушки вычисляется по формуле

Сопротивление конденсатора вычисляется по формуле:

В цепи переменного тока на идеальном реактивном сопротивлении не выделяется мощность.

Реальные катушка и конденсатор имеют в своем составе паразитные параметры, которые имеют некоторое сопротивление. Поэтому реальные катушка и конденсатор не обладают чисто реактивным сопротивлением.

13. Катушки индуктивности и постоянный ток

ЭКСПЕРИМЕНТ 13 Катушки индуктивности и постоянный ток

Цели

После проведения данного эксперимента. Вы сможете продемонстрировать и сформулировать эффект индуктивности в цепи постоянного тока.

Необходимые принадлежности

* Цифровой мультиметр

* Источник постоянного напряжения (от 9 до 15 В)

* Силовой трансформатор

* Неоновая лампа (NE-2) с проволочными выводами

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Индуктивность — это свойство электронного компонента противодействовать изменениям тока, протекающего через данный компонент.

Индуктивностью обладают компоненты, которые называются катушками индуктивности, соленоидами или дросселями. Если ток, протекающий в катушке индуктивности, изменяется, свойство индуктивности противодействует такому изменению тока. Если ток увеличивается, катушка индуктивности препятствует росту тока. Если ток уменьшается, катушка индуктивности снова пытается сохранить ток без изменения. Эффект индуктивности заметен в первую очередь в тех схемах, где используется переменный ток. Противодействие переменному току, оказываемое катушкой индуктивности, называется индуктивным сопротивлением. Подобно сопротивлению резистора индуктивное сопротивление оказывает фиксированное противодействие, которое контролирует уровень тока в схеме.

В схемах постоянного тока, в которых ток обычно имеет фиксированное значение, определяемое сопротивлениями и напряжениями, катушки индуктивности обычно имеют лишь незначительный эффект или вообще не имеют никакого эффекта. Тем не менее, они оказывают влияние на постоянный ток, и важно ясно представлять себе это явление.

Катушки индуктивности в схемах постоянного тока

Первичным назначением катушки индуктивности в схеме постоянного тока является оказание противодействия в форме сопротивления. Катушки индуктивности обычно представляют собой проволочные спирали, которые создают сопротивление. Хотя резистивное сопротивление катушки индуктивности обычно низко, катушка создает противодействие. В дополнение мощность рассеивается сопротивлением катушки индуктивности.

Эффекты индуктивности проявляются, когда изменяется ток в цепи постоянного тока. Хотя ток обычно имеет фиксированную величину в работающей схеме постоянного тока, не забывайте также, что необходимо еще включать и выключать

схему. Когда ток первоначально подается в схему или удаляется их схемы, имеет место его значительное изменение. Такое изменение тока заставляет катушку индуктивности противодействовать этому изменению. В результате появляется наведенное (индуктированное) напряжение, которое, как и в схеме переменного тока, противодействует изменению тока.

Наиболее значительный эффект достигается в том случае, когда ток через катушку индуктивности внезапно подавляется. Магнитное поле вокруг катушки индуктивности исчезает, индуцируя очень высокое напряжение в катушке. Это напряжение может даже приводить к повреждениям компонентов в некоторых случаях. В других применениях, наоборот, используется преимущество этого эффекта с целью формирования очень высокого напряжения для питания тех или иных специальных компонентов или цепей. Примерами могут служить трансформаторы строчной развертки в телевизионных приемниках и катушки зажигания в системах зажигания автомобилей.

Краткое содержание

В данном эксперименте Вы будете знакомиться с эффектами катушки индуктивности в схеме постоянного тока.

ПРОЦЕДУРА

1. Для данного эксперимента Вы будет использовать первичную обмотку трансформатора. Эта обмотка идентифицируется двумя черными выводами. Все другие выводы игнорируйте.

Измерьте сопротивление катушки индуктивности. Запишите полученное значение.

Сопротивление постоянному току = _____ Ом

2. Предскажите, какой величины ток может быть в катушке индуктивности, если к ней приложить напряжение 15В от источника питания. Ток = ____ мА

3. Подключите источник питания 15 В к катушке индуктивности и измерьте постоянный ток, протекающий через катушку. Обратитесь к рисунку 13-1. Запишите величину протекающего тока.

Измеренный ток = _____ мА



Рис. 13-1. Первичная обмотка, используемая в качестве катушки индуктивности.

4. Какой эффект оказывает источник на катушку индуктивности, и какой эффект оказывает катушка индуктивности на ток в цепи?

5. Рассмотрите неоновую лампу. Это маленькая стеклянная лампочка с тонкими проволочными выводами. Подключите неоновую лампу параллельно с катушкой индуктивности, как показано на рисунке 13-2. Неоновая лампа загорится только в том случае, если напряжение на ее выводах превышает приблизительно 70—90В.

6. Приложите напряжение 15В от источника питания к катушке индуктивности, как показано

на рисунке 13-2. Заметьте состояние неоновой лампы. Включена или выключена неоновая лампа?

Состояние лампы________________

Рис. 13-2.

7. Отсоедините один вывод катушки индуктивности от источника питания и снова заметьте состояние неоновой лампы.

Состояние лампы ________________

8. Повторите шаги 6 и 7 несколько раз, чтобы наверняка увидеть, что происходит.

9. Объясните эффект, который Вы наблюдаете в шагах 7 и 8.

ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ

I. Катушка индуктивности противодействует изменениям;

а) напряжения,

б) тока,

в) сопротивления,

г) индуктивности.

2. Другое название для катушки индуктивности:

а) трансформатор,

б) магнит,

в) соленоид,

г) дроссель.

3. Все катушки (соленоиды) имеют сопротивление:

а) высказывание истинно,

б) высказывание ложно.

4. Противодействие постоянному току, оказываемое катушкой индуктивности, называется:

а) индуктивностью,

б) сопротивлением,

в) реактивным сопротивлением,

г) полным сопротивлением.

5. Напряжение 30 вольт подается на 90-вольтовую неоновую лампу. Лампа:

а) включается,

б) не включается.

Физическая природа индуктивности

Источник — Свободный взгляд

Физическая природа индуктивности.

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

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

(2.25)

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

(2.26)

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

Индуктивность короткого проводника (мкГн) определяется его размерами:

(2.26)

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

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

2.3.2.Конструкции катушек индуктивности.

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

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

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

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

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

2.3.3. Индуктивность и собственная емкость катушек индуктивности.

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

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

Для однослойных катушек величина L0 определяется соотношением

(2.29)

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

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

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

(2.30)

где I, — в мкГн , D — в см.

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

(2.31)

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

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

(2.32)

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

Таблица 2.6

Основные параметры обмоточных проводов

d, мм

Sn, мм~

Максимальный диаметр в изоляции , мм

 

 

ПЭВТЛК

ПЭМ-1

ПЭВ-1

ПЭВ-2,ПЭТВ
ПЭМ-2

0,063

0,0028

0.11

0,09

0,085

0,09

0,071

0,0038

0,12

0,09

0,095

0,1

0,08

0,005

0,13

0,1

0,105

0,11

0,09

0,0064

0,14

0,11

0,115

0,12

0,1

0,0079

0,15

0,12

0,125

0,13

0,112

0,0095

0,16

0,14

0,135

0,14

0,125

0,0113

0,17

0,15

0,15

0,155

0,14

0,0154

0,185

0,16

0,165

0,17

0,16

0,02

0,2

0,19

0,19

0,2

0,18

0,0254

0,23

0,21

0,21

0,22

0,2

0,0314

0,25

0,23

0,23

0,24

0,224

0,0415

0,27

0,25

0,26

0,27

0,25

0,0491

0,3

0,29

0,29

0,3

0,28

0,0615

0,34

0,32

0,32

0,33

0,315

0,0755

0,37

0,35

0,355

0,365

0,355

0,0962

0,405

0,39

0,395

0,415

0,4

0,126

0,47

0,44

0,44

0,46

0,45

0,158

—

0,49

0,49

0,51

0,5

0,193

—

0,55

0,55

0,57

0,56

0,246

—

0,61

0,61

0,63

0,63

0,311

—

0,68

0,68

0,7

0,71

0,39

—

0,76

0,76

0,79

0,75

0.435

—

0,81

0,81

0,84

0,8

0,503

—

0,86

0,86

0,89

0,85

0,567

—

0,91

0,91

0,94

0,9

0,636

—

0,96

0,96

0,99

0,95

0,71

—

1,01

1,01

1,04

1

0,785

—

1,08

1,07

1, 11

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

(2.33)

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

Для многослойных катушек рассчитывают толщину обмотки

(2.34)

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

(2.35)

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

D — диаметр катушки,

Dэк-диаметр экрана.

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

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

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

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

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

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

СL  >(0,5ё1.0)D,

(2.37)

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

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

Очевидно, что

(2.38)

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

(2.39)

где l-осевая длина катушки,

D — диаметр витка.

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

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

(2.40)

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

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

откуда

(2.41)

где  -собственная резонансная частота катушки индуктивности.

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

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

Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков; кроме того при изменении температуры изменяются диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведет к изменению собственной емкости катушки.

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

2.3.4. Потери в катушках индуктивности.

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

(2.42)

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

Потери в проводах вызваны тремя причинами.

Во-первых, провода обмотки обладают омическим сопротивлением

(2.43)

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

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

(2.44)

где -диаметр провода в см.

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

(2.45)

где f— частота в МГц,

r— удельное сопротивление в мкOм· м.

Вследствие этого провод длиной l имеет сопротивление переменному току равное

(2.46)

где SЭФ — площадь кольца, которая равна

(2.47)

где

После преобразования получаем

(2.48)

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

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

Существует оптимальный диаметр провода dопт , при котором сопротивление

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

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

(2.49)

где f — частота в Гц,

d- диаметр провода в см.

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

Z

F(z)

G(z)

0,5

1

0,001

0,6

1

0,002

0,7

1

0,004

0,8

1

0,006

0,9

1

0,01

1

1,01

0,015

1,5

1,03

0,07

2

1,08

0,17

2,5

1,18

0,3

3

1,3

0,4

4

1,7

0,6

5

2

0,8

7-.5

2,9

1,2

10

3,8

1,6

20

7,3

3,4

25

9,1

4,3

50

18

8,2

100

36

18

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

По (2.50) рассчитывается сопротивление провода катушки току высокой частоты

(2.50)

где D— наружный диаметр катушки в см,

d -диаметр провода в см.

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

(2.51)

где D — в см,  d — в см,   f‘- в МГц.

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

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

rД   = 0,25Содtg dL2f 3 . 10-3

(2.52)

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

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

tg dс = dв f + dгН + dп

(2.53)

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

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

(2.55)

где Dэ — диаметр экрана в см,

lэ — длина экрана в см,

f — частота в МГц.

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

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

Rп = rf + rд +rc + rэ

(2.56)

Практически величина добротности лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями. С учетом потерь и паразитной емкости катушку индуктивности можно представить в виде эквивалент-

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

2.3.5.Разновидности катушек индуктивности.

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

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

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

К таким катушкам не предъявляются жесткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и  коэффициент связи

где L1 и L2 — индуктивность связанных катушек,

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

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

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

Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 — 5 раз.

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

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

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

Источник — Свободный взгляд

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока

Катушка индуктивности – это элемент характеризующимся своим свойством накапливать энергию магнитной поля.

Первый закон коммутации гласит: ток, протекающий в катушке индуктивности, в момент коммутации не может измениться скачком.

Это понятно из формулы: 

Предположим, что ток iL изменился скачком, то есть: 

А значит, что и напряжение в данном случае будет бесконечно велико: 

Чего в природе быть не может, так как, следуя закону сохранения энергии, для этого бы потребовался источник энергии бесконечной мощности.

На схеме представлена RL – цепь, запитанная от источника постоянного тока. При замыкании ключа в положение 1, ток протекает по цепи “плюс” источника – резистор R – катушка индуктивности  —  “минус” источника. Тем самым, происходит накопление энергии магнитного поля в катушке индуктивности.

Напряжение и ток, протекающие в данной цепи, изменяются по экспоненциальному закону. Причем, их изменения взаимообратные, т.е. с увеличением тока, падение напряжения на катушке уменьшается.

Если мы переведем ключ в положение 2, то ток, не изменив своего направления, начнет уменьшаться по экспоненте до нуля. С физической точки зрения, в данном случае катушка отдает накопленную энергию магнитного поля в цепь, где она расходуется на тепловые потери в резисторе.

Одной из характеристик данной цепи является постоянная времени τ. Она зависит от величины индуктивности и активного сопротивления. Примерно за 5 τ ток в цепи достигает своего минимума или максимума. 

Реализуем эту схему в программной среде Multisim 13.0 , взяв значения R =  10 Ом, L = 0,1 Гн.

Скачать файл Multisim 13.0

Рассчитаем время, за которое ток в цепи достигает установившегося значения: 

Собранная схема запитана от батареи 12 В. Для снятия значений тока, использовался инструмент “current probe”. Внутреннее активное сопротивление катушки индуктивности, принято равным нулю.

  • Просмотров: 10909

    • 2. Переходные процессы в цепях постоянного тока с катушкой индуктивности | 15. RC и L/R цепи | Часть1

    2. Переходные процессы в цепях постоянного тока с катушкой индуктивности

    Переходные процессы в цепях постоянного тока с катушкой индуктивности

    Характеристики катушек индуктивности противоположны характеристикам конденсаторов. Если конденсаторы накапливают энергию в электрическом поле (создаваемом напряжением между двумя пластинами), то катушки индуктивности накапливают энергию в магнитном поле  (создаваемом проходящим через провод током). Из этого можно сделать вывод, что энергия, запасенная в конденсаторе,  пытается поддерживать на его выводах постоянное напряжение, а энергия, запасенная в катушке индуктивности, пытается поддерживать постоянный ток в ее обмотке. Таким образом, катушка индуктивности выступает против изменения тока и действует противоположно конденсатору, который выступает против изменения напряжения. Полностью разряженная катушка, ток через которую равен нулю, в момент подключения к источнику питания будет действовать как разомкнутая цепь (пытаясь поддерживать нулевой ток). Напряжение на ее выводах при этом будет максимальным. С течением времени, ток через катушку индуктивности будет возрастать до максимально допустимого значения, а напряжение — соответственно уменьшаться. Как только напряжение на выводах катушки снизится до минимума (ноль — для идеальной катушки), ток через нее достигнет максимального значения, и она будет действовать как короткозамкнутая перемычка.

     

     

    В момент замыкания контактов выключателя напряжение на катушке индуктивности сразу возрастает до величины напряжения источника питания (действует в качестве обрыва цепи), а затем постепенно снижается до нуля (действует в качестве короткозамкнутой перемычки). Чтобы определить напряжение на катушке индуктивности, нужно рассчитать напряжение на резисторе (с учетом тока через катушку) и вычесть его из напряжения источника питания. Ток в момент замыкания контактов выключателя равен нулю. С течением времени он увеличивается, пока не достигнет величины напряжения источника питания поделенной на последовательное сопротивление 1 Ом. Такое поведение противоположно поведению RC цепи, в которой ток начинается с максимального значения, а напряжение — с нуля. Давайте посмотрим как все это работает, используя реальные значения:

     

     

    --------------------------------------------------
|  Время   | Напряжение | Напряжение  |   Ток    |
|(секунды) |   батареи  |   катушки   |          |
|------------------------------------------------|
|    0     |    15 В    |    15 В     |    0     |
|------------------------------------------------|
|   0.5    |    15 В    |   9.098 В   |  5.902 A |
|------------------------------------------------|
|    1     |    15 В    |   5.518 В   |  9.482 A |
|------------------------------------------------|
|    2     |    15 В    |   2.030 В   |  12.97 A |
|------------------------------------------------|
|    3     |    15 В    |   0.747 В   |  14.25 A |
|------------------------------------------------|
|    4     |    15 В    |   0.275 В   |  14.73 A |
|------------------------------------------------|
|    5     |    15 В    |   0.101 В   |  14.90 A |
|------------------------------------------------|
|    6     |    15 В    |  37.181 мВ  |  14.96 A |
|------------------------------------------------|
|    10    |    15 В    |   0.681 мВ  |  14.99 A |
--------------------------------------------------

     

    Так же как и для RC цепи, подход напряжения катушки к нулевому значению и подход тока через нее к 15 амперам носит асимптотический характер (обе эти величины с течением времени подходят к окончательным значениям все ближе и ближе, но никогда не достигают их). В практических целях  мы можем сказать, что напряжение на катушке в конечном итоге достигнет нулевого значения, а ток  в конечном счете будет равен 15 амперам.

    Опять же, при помощи программы SPICE мы можем графически отобразить рассмотренное выше асимптотическое уменьшение напряжения и увеличение тока на катушке индуктивности (ток на графике показан с точки зрения напряжения на резисторе, который используется в качестве шунта для измерения данного тока):

     

     

    inductor charging 
v1 1 0 dc 15    
r1 1 2 1
l1 2 0 1 ic=0   
.tran .5 10 uic 
.plot tran v(2,0) v(1,2)
.end    

    legend:
*: v(2)   Inductor voltage
+: v(1,2) Inductor current
time             v(2)    
(*+)------------ 0.000E+00     5.000E+00     1.000E+01     1.500E+01  
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
0.000E+00  1.500E+01 +             .             .             *    
5.000E-01  9.119E+00 .             . +         * .             .   
1.000E+00  5.526E+00 .             .*           +.             . 
1.500E+00  3.343E+00 .        *    .             .    +        .  
2.000E+00  2.026E+00 .     *       .             .       +     .  
2.500E+00  1.226E+00 .  *          .             .          +  . 
3.000E+00  7.429E-01 . *           .             .           + . 
3.500E+00  4.495E-01 .*            .             .            +.  
4.000E+00  2.724E-01 .*            .             .            +. 
4.500E+00  1.648E-01 *             .             .             +   
5.000E+00  9.987E-02 *             .             .             +  
5.500E+00  6.042E-02 *             .             .             + 
6.000E+00  3.662E-02 *             .             .             +  
6.500E+00  2.215E-02 *             .             .             +  
7.000E+00  1.343E-02 *             .             .             +  
7.500E+00  8.123E-03 *             .             .             + 
8.000E+00  4.922E-03 *             .             .             +  
8.500E+00  2.978E-03 *             .             .             +  
9.000E+00  1.805E-03 *             .             .             +  
9.500E+00  1.092E-03 *             .             .             +  
1.000E+01  6.591E-04 *             .             .             +  
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

     

    Обратите внимание, как напряжение очень быстро уменьшается в начальный момент времени (с левой стороны графика), и практически не меняется в последующем. Аналогичная ситуация и с током: он очень быстро увеличивается в начальный момент времени (с правой стороны графика), и практически не растет в последующем.

    Индуктивность

    • Изучив этот раздел, вы сможете описать:
    • • Единица индуктивности.
    • • Факторы, влияющие на индуктивность.
    • • Напряжение и э.д.с.
    • • Самоиндукция.
    • • Обратный э.м.ф. и его эффекты.

    Индуктивность

    Ток, генерируемый в проводнике изменяющимся магнитным полем, пропорционален скорости изменения магнитного поля.Этот эффект называется ИНДУКТИВНОСТЬЮ и обозначается символом L. Он измеряется в единицах, называемых генри (H), названных в честь американского физика Джозефа Генри (1797-1878). Один генри — это величина индуктивности, необходимая для создания ЭДС в 1 вольт в проводнике, когда ток в проводнике изменяется со скоростью 1 ампер в секунду. Генри — довольно большая единица измерения для использования в электронике, с более распространенными миллигенри (мГн) и микрогенри (мкГн). Эти единицы описывают одну тысячную и одну миллионную генри соответственно.

    Хотя генри обозначается символом (заглавной) H, имя Генри применяется к единице индуктивности с использованием строчной буквы h. Форма множественного числа генри может быть генри или генри; Американский национальный институт стандартов и технологий рекомендует в публикациях США использовать генри.

    Факторы, влияющие на индуктивность.

    Величина индуктивности в катушке индуктивности зависит от:

    • а. Количество витков провода в индукторе.
    • г.Материал сердечника.
    • г. Форма и размер сердечника.
    • г. Форма, размер и расположение проволоки, составляющей катушки.

    Поскольку индуктивность (в генри) зависит от множества переменных величин, ее довольно сложно вычислить точно; были разработаны многочисленные формулы, учитывающие различные конструктивные особенности. Также в этих формулах часто необходимо использовать специальные константы и таблицы данных преобразования для работы с требуемой степенью точности.Использование компьютерных программ и систем автоматизированного проектирования несколько облегчило ситуацию. Однако внешние эффекты, вызванные другими компонентами и проводкой рядом с индуктором, также могут повлиять на его значение индуктивности после его сборки в цепь, поэтому, когда требуется точное значение индуктивности, одним из подходов является расчет приблизительного значения и разработка индуктор так, чтобы он был регулируемым.

    Типовая формула для аппроксимации значения индуктивности индуктора приведена ниже.Эта конкретная версия предназначена для расчета индуктивности «соленоида, намотанного одним слоем витков бесконечно тонкой ленты, а не проволоки, и с равномерно и близко расположенными витками».

    Рис. 3.2.1 Миниатюрный индуктор переменного тока.

    Где:

    • L — индуктивность в генри.
    • d — диаметр рулона в метрах.
    • n — количество витков в катушке.
    • l — длина змеевика в метрах.

    Для катушек, не соответствующих в точности указанным выше спецификациям, необходимо учитывать дополнительные факторы. На рис. 3.2.1 показан один из способов получения достаточно точной индуктивности, используемый в некоторых ВЧ и ВЧ схемах. Миниатюрная катушка индуктивности намотана на пластмассовый каркас, в который достаточно ввинчен ферритовый сердечник (железная пыль), чтобы обеспечить сердечник, дающий нужную величину индуктивности.

    Напряжение и э.д.с.

    Напряжение , индуцированное в проводнике, называется e.м.ф. (электродвижущая сила), поскольку ее источником является изменяющееся магнитное поле вокруг проводника и вне его. Любое внешнее напряжение (в том числе создаваемое внешней батареей или источником питания) называется э.д.с., в то время как напряжение (разность потенциалов или п.о.) на внутреннем компоненте в цепи называется напряжением.

    Задний э.д.с.

    Обратная ЭДС (также называемая противоэдс) — это ЭДС, создаваемая на индукторе изменяющимся магнитным потоком вокруг проводника, вызванная изменением тока в индукторе.Его значение можно рассчитать по формуле:

    Где:

    • E — наведенная обратная ЭДС. в вольтах
    • L — индуктивность катушки в генри.
    • ΔI — изменение силы тока в амперах.
    • Δt — время изменения тока в секундах.

    Примечания:

    Δ (греч. D — дельта) обозначает различие или изменение свойства.

    Итак, формула описывает обратную ЭДС как зависимость от индуктивности (в генри), умноженную на скорость изменения тока (в амперах в секунду).

    Знак минус перед L указывает, что полярность наведенной обратной ЭДС будет обратной по сравнению с изменяющимся напряжением на проводнике, которое первоначально вызвало изменение тока и, как следствие, изменение магнитного поля.

    Помните, что при работе с практическими значениями милли или микрогенри все значения, используемые в формуле, должны быть преобразованы в стандартные значения генри-ампер и секунд, как описано в нашем буклете «Советы по математике».

    Пример

    Поскольку значение обратной ЭДС зависит от скорости изменения тока, оно будет наибольшим, когда произойдет самое быстрое изменение.Например, скорость изменения чрезвычайно высока, когда ток через катушку индуктивности отключается; тогда изменение может быть от максимума до нуля всего за несколько миллисекунд.

    Представьте, что катушка индуктивности 200 мГн, подключенная к источнику питания 9 В, пропускает ток силой 2 ампера. Когда ток отключается, он падает до нуля через 10 мсек. Какой будет обратная ЭДС, генерируемая на катушке?

    E = 200 мГн x 2 А / 10 мс

    или

    E = 200 x 10 -3 x 2/10 x 10 -3

    = 40 вольт

    Значит, обратная ЭДС, возникающая при выключении, более чем в 4 раза превышает напряжение питания!

    Эти высоковольтные импульсы, возникающие при отключении индуктивного компонента, такого как двигатель или катушка реле, могут потенциально вызвать повреждение выходного транзистора или интегральной схемы, переключающей устройство.Поэтому существенная защита обеспечивается включением диода в выходной каскад, как показано на рис. 3.2.2 и 3.2.3

    Задняя защита от ЭДС

    Рис. 3.2.2 Задний Э.д.с. Защитный диод.

    Защитный диод на рис. 3.2.2, подключенный к катушке индуктивности, обычно имеет обратное смещение, поскольку напряжение на его катоде, подключенном к шине питания + V, будет более положительным, чем на его аноде на коллекторе транзистора. Однако при выключении на индукторе появляется большой всплеск напряжения противоположной полярности из-за схлопывающегося магнитного поля.Во время этого скачка напряжения коллектор транзистора может находиться под более высоким потенциалом, чем питание, за исключением того, что если это произойдет, диод станет смещенным в прямом направлении и предотвратит повышение напряжения коллектора выше, чем на шине питания.

    Рис. 3.2.3 Защитные диоды в ULN2803.

    На рис. 3.2.3 показан популярный I.C. (ULN2803) для переключения индуктивных нагрузок. Выходы восьми инвертирующих усилителей защищены диодом, общие катоды которого подключены к положительной шине питания + V на выводе 10.

    Самоиндукция

    Принцип работы самоиндукции зависит от двух взаимосвязанных действий, происходящих одновременно, и от каждого из этих действий в зависимости от другого.

    Действие 1.

    Любой проводник, в котором изменяется ток, создает вокруг себя изменяющееся магнитное поле.

    Действие 2.

    Любой проводник в ИЗМЕНЯЕМОМ магнитном поле будет иметь изменяющуюся ЭДС.Величина этой наведенной ЭДС и величина индуцированного тока, который она производит в проводнике, будут зависеть от скорости изменения магнитного поля; чем быстрее изменяется поток поля, тем больше будет наведенная ЭДС. и его последующий ток.

    Эффект индуктора, индуцирующего в себе ЭДС, называется самоиндукцией (но часто его называют просто индукцией). Когда катушка индуктивности наводит ЭДС в отдельную соседнюю катушку индуктивности, это называется взаимной индукцией и является свойством, используемым трансформаторами.

    Изменяющееся магнитное поле, создаваемое вокруг проводника изменяющимся током в проводнике, вызывает изменение ЭДС в этом проводнике. Эта изменяющаяся ЭДС, в свою очередь, вызывает переменный ток, текущий в направлении, противоположном исходному току. Таким образом, изменения этого тока противодействуют изменениям исходного тока.

    Таким образом, действие 2 ограничивает изменения, происходящие из-за действия 1. Если исходный ток увеличивается, индуцированный ток замедляет скорость увеличения.Точно так же, если исходный ток уменьшается, индуцированный ток замедляет скорость уменьшения. Общий результат этого — уменьшение амплитуды переменного тока через катушку индуктивности и, таким образом, уменьшение амплитуды переменного напряжения на катушке индуктивности.

    Поскольку сила магнитного поля, создаваемого исходным током, зависит от скорости (скорости) изменения тока, индуктор уменьшает поток переменного тока (AC) больше на высоких частотах, чем на низких.Этот ограничивающий эффект, создаваемый наведенной ЭДС, будет больше на более высоких частотах, потому что на высоких частотах ток и, следовательно, поток изменяются быстрее. Этот эффект получил название «Индуктивное реактивное сопротивление».

    Индуктивное реактивное сопротивление.

    Реактивность создает сопротивление потоку переменного тока. Как и сопротивление, оно измеряется в Ом, но поскольку сопротивление имеет одинаковое значение на любой частоте, а сопротивление переменному току в индукторах зависит от частоты, его нельзя назвать сопротивлением.Вместо этого он называется Reactance (X). Конденсаторы также обладают свойством реактивного сопротивления, но они по-разному реагируют на частоту, поэтому существует два типа реактивного сопротивления; индуктивности имеют индуктивное реактивное сопротивление (X L ), а конденсаторы — емкостное реактивное сопротивление (X C ).

    Общие сведения об индуктивности »Электроника

    Понимание основ индуктивности позволяет более эффективно использовать катушки индуктивности и трансформаторы.

    Индуктивность и руководство по трансформатору Включает:
    Индуктивность Символы Закон Ленца Собственная индуктивность Расчет индуктивного реактивного сопротивления Теория индуктивного реактивного сопротивления Индуктивность проволоки и катушек Трансформеры

    Индуктивность — ключевой параметр в электрических и электронных схемах. Подобно сопротивлению и емкости, это базовое электрическое измерение, которое в той или иной степени влияет на все цепи.

    Индуктивность используется во многих областях электрических и электронных систем и схем.Компоненты могут быть разных форм и называться разными именами: катушки, индукторы, дроссели, трансформаторы,. . . Каждый из них также может иметь множество различных вариантов: с сердечником и без сердечника, а материалы сердечника могут быть разных типов.

    Понимание индуктивности и различных форм и форматов катушек индуктивности и трансформаторов помогает понять, что происходит в электрических и электронных цепях.

    Термин индуктивность был введен Оливером Хевисайдом в 1886 году.Обозначение L принято использовать для обозначений индуктивностей, показанных на принципиальных схемах, и индуктивности в уравнениях в честь физика Генриха Ленца.

    Основы индуктивности

    Индуктивность — это способность индуктора накапливать энергию в магнитном поле, которое создается потоком электрического тока.

    Энергия требуется для создания магнитного поля, и эта энергия должна высвобождаться, когда поле падает.

    В результате магнитного поля, связанного с протеканием тока, индукторы генерируют противоположное напряжение, пропорциональное скорости изменения тока в цепи.

    Индуктивность возникает из-за магнитного поля, создаваемого электрическими токами, протекающими в электрической цепи. Обычно катушки с проволокой используются, поскольку катушка увеличивает связь магнитного поля и усиливает эффект.

    Есть два способа использования индуктивности:

    • Самоиндукция: Самоиндукция — это свойство цепи, часто катушки, в результате чего изменение тока вызывает изменение напряжения в этой цепи из-за магнитного эффекта, вызванного протеканием тока.Можно видеть, что самоиндукция применяется к одной цепи — другими словами, это индуктивность, обычно в пределах одной катушки. Этот эффект используется в одиночных катушках или дросселях.
    • Взаимная индуктивность: Взаимная индуктивность — это индуктивный эффект, когда изменение тока в одной цепи вызывает изменение напряжения во второй цепи в результате магнитного поля, которое связывает обе цепи. Этот эффект используется в трансформаторах.

    Определение единиц индуктивности

    При обозначении катушки индуктивности на принципиальной схеме или в уравнении обычно используется символ «L».На принципиальных схемах индукторы обычно пронумерованы, L1, L2 и т. Д.

    Единицей индуктивности в системе СИ является генри, H, который можно определить как скорость изменения тока и напряжения.

    Определение генри:

    Индуктивность цепи равна одному генри, если скорость изменения тока в цепи составляет один ампер в секунду, и это приводит к электродвижущей силе в один вольт.

    Один генри равен 1 Вб / А.

    Индуктивность — что происходит

    Когда ток течет внутри проводника, будь то прямой или в форме катушки, вокруг него создается магнитное поле, и это влияет на то, как нарастает ток после замыкания цепи.

    Что касается того, как индуктивность влияет на электрическую цепь, это помогает взглянуть на то, как цепь работает, сначала для постоянного, а затем для переменного тока. Хотя они следуют одним и тем же законам и результат одинаковый, это помогает объяснению, пример постоянного тока проще, и тогда это объяснение можно использовать в качестве основы для случая переменного тока.

    • Постоянный ток: По мере создания цепи ток начинает течь.Когда ток увеличивается до постоянного значения, создаваемое магнитное поле приобретает свою окончательную форму. Когда это происходит, магнитное поле изменяется, поэтому это индуцирует напряжение обратно в саму катушку, как и следовало ожидать в соответствии с законом Ленца.
      Катушка индуктивности в цепи с батареей и резистором Постоянная времени T в секундах цепи, которая будет включать в себя значение индуктивности L Henries и соответствующее сопротивление цепи R Ом, может быть рассчитана как L / R. T — это время, за которое ток I amps повысится до 0.63 от его окончательного установившегося значения V / R. Энергия, запасенная в магнитном поле, равна 1/2 L I 2 .
      Рост тока при приложении постоянного напряжения к катушке индуктивности Когда ток отключается, это означает, что фактически сопротивление цепи внезапно возрастает до бесконечности. Это означает, что отношение L / R становится очень малым и магнитное поле очень быстро падает. Это представляет собой большое изменение магнитного поля, и, соответственно, индуктивность пытается поддерживать ток, и устанавливается противо-ЭДС, чтобы противодействовать этому, возникающему из-за энергии, накопленной в магнитном поле.Наличие напряжения означает, что на контакте переключателя могут появиться искры, особенно при разрыве контакта. Это приводит к появлению ямок на контактах и ​​износу любых механических переключателей. В электронных схемах эта обратная ЭДС может разрушить полупроводниковые устройства, поэтому часто используются способы уменьшения этой обратной ЭДС.
    • Переменный ток: Для случая прохождения переменного тока через катушку индуктивности используются те же основные принципы, но, поскольку форма волны повторяется, мы склонны смотреть на то, как реагирует индуктор, несколько иначе, как так удобнее.

      По самой своей природе форма переменного сигнала постоянно меняется. Это означает, что результирующее магнитное поле всегда будет изменяться, и всегда будет создаваться наведенная обратная ЭДС. Результатом этого является то, что индуктор препятствует прохождению через него переменного тока из-за индуктивности. Это в дополнение к вызванному сопротивлением омическому сопротивлению провода.

      Это означает, что если омическое сопротивление катушки индуктивности низкое, она будет пропускать постоянный ток, постоянный ток с небольшими потерями, но может иметь высокое сопротивление для любого высокочастотного сигнала.Эта характеристика катушки индуктивности может использоваться для обеспечения того, чтобы любые высокочастотные сигналы не проходили через катушку индуктивности.

    Еще одним аспектом индуктивности является то, что реактивное сопротивление катушки индуктивности и реактивное сопротивление конденсатора могут действовать вместе в цепи, компенсируя друг друга. Это называется резонансом и широко используется в полосовых фильтрах.

    Индуктивность проводов и катушек

    Прямые провода и катушки имеют индуктивность. Обычно катушки используются для индукторов, потому что связь магнитного поля между различными витками катушки увеличивает индуктивность и позволяет удерживать провод в меньшем объеме.

    Для большинства низкочастотных приложений индуктивностью прямого провода можно пренебречь, но по мере увеличения частоты в диапазоне УКВ и за его пределами индуктивность самого провода может стать значительной, и необходимо поддерживать короткие межсоединения, чтобы минимизировать влияние. .

    Доступны расчеты

    , позволяющие достаточно точно рассчитать индуктивность проводов, но индуктивность катушек немного сложнее и зависит от множества факторов, включая форму катушки и постоянную материала внутри и вокруг катушки. .

    Индуктивность — ключевой аспект проводов и катушек. Индуктивность — это незаменимая характеристика, которая может быть очень полезна во многих схемах.

    Дополнительные основные понятия:
    Напряжение ток Сопротивление Емкость Сила Трансформеры RF шум Децибел, дБ Q, добротность
    Вернуться в меню «Основные понятия». . .

    Катушка индуктивности и индуктивность по лучшей цене — Отличные предложения на катушку индуктивности и индуктивность от мировых продавцов индукторов и индуктивностей

    Отличные новости !!! Вы выбрали правильный выбор индуктора и индуктивности.К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

    Вы найдете официальные магазины торговых марок и небольших независимых продавцов со скидками, которые предлагают быструю доставку, надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

    AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку этот верхний индуктор и индуктивность в кратчайшие сроки станут одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели индуктивность и индуктивность на AliExpress.Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

    Если вы все еще не уверены в индуктивности и индуктивности и думаете о выборе аналогичного товара, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам разобраться, стоит ли доплачивать за высококачественную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца.Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

    А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести индуктивность и индуктивность по самой выгодной цене.

    У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните лучший опыт покупок прямо здесь.

    Coil32 — О конструкции индуктора

    Для начинающих радиолюбителей хотелось бы немного рассказать об особенностях конструкции катушек индуктивности. Основой любой катушки является любая труба, называемая катушкой-формирователем, на которую намотана проволока в виде спирали. Обычно начинающий радиолюбитель повторяет конструкцию, в описании которой указано, что нужно намотать N витков на каркас диаметром D.Но очень часто нужного катушкообразователя в наличии нет, а есть другой. Тогда возникают следующие вопросы:

    1. Сколько витков нужно намотать на другой бывший?
    2. Это бывший костюм и как изменятся характеристики устройства?

    Программа Coil32 легко решает первый вопрос. Зная параметры цепи, в которую входит индуктор, или его конструктивные размеры и количество витков из описания устройства, можно рассчитать его индуктивность, а зная индуктивность — рассчитать количество витков для нового каркаса.

    Второй вопрос необходимо разобраться подробнее. Какие параметры характеризуют индуктивность катушки?

    • Прежде всего, это значение индуктивности
    • Добротность катушки индуктивности , характеризующая величину потерь в ней
    • Паразитная собственная емкость катушки индуктивности
    • Температурная нестабильность индуктивности

    Значение индуктивности обычно прямо пропорционально диаметру катушки и квадрату количества витков.Для уменьшения габаритных размеров катушки и количества витков применяют магнитопроводы — кольцевые, бронированные. Индуктивность сердечника горшка показана на рисунке. Однако у них есть ограничения по частоте и мощности. Например, в фильтрах для акустики их применение недопустимо, т.к. при большой мощности из-за особенностей магнитного материала, значение индуктивности будет зависеть от амплитуды сигнала и, соответственно, будет сильно искажаться. В выходных каскадах передатчиков и акустических фильтрах уменьшить габаритные размеры катушек невозможно, при этом увеличиваются потери, и вы не хотите, чтобы мощность усилителя шла на нагрев провода.

    Q-фактор важен для индуктивности катушки генератора. Он обратно пропорционален значению сопротивления потерь в нем. Однажды я с удивлением обнаружил, что мой сайт искали по запросу Google — «Единица измерения добротности индуктивности катушки». Добротность измеряется в относительных единицах и не имеет специальной единицы измерения (типа Ом, Кг). Строго говоря, добротность — это отношение реактивного сопротивления катушки индуктивности
    X L = 2πƒ L
    к ее сопротивлению потерь.К потерям добавляются потери в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране.
    Потери в проводах вызваны тремя причинами:

      • Во-первых, провода обмотки имеют омическое сопротивление (по постоянному току), поэтому на катушку следует наматывать провод с наименьшим удельным сопротивлением (медь, серебро)
      • Во-вторых, сопротивление провода переменному току увеличивается с увеличением частоты, что связано с скин-эффектом, суть которого заключается в том, что ток протекает не по сечению проводника, а по внешнему кольцу сечения.

    • В-третьих, в обмотке проводов, свернутых в спираль, возникает эффект близости, суть которого заключается в нагнетании тока на периферию соседнего провода, в результате чего получается сечение, в котором ток течет, персонаж принимает серп, что приводит к дополнительному увеличению сопротивления провода. Уменьшить потери из-за эффекта близости можно применить к шагу обмотки. Оптимальный шаг намотки зависит от геометрии катушки.

    На частотах до 1 — 3 МГц для уменьшения потерь в проводах возможно применение лицевого провода, состоящего из большего количества тонких проводов, скрученных в жгут. При малом диаметре тонких прядей скин-эффект ослабляется, а скручивание прядей в пучок ослабляет эффект близости. На высоких частотах провод следует полировать, так как шероховатость поверхности увеличивается, длина для высокочастотного тока и соответственно сопротивление потерь. Подробнее о расчете добротности см. В Coil32.

    Диэлектрические потери из-за того, что электромагнитная волна, проходящая по катушке, теряет энергию, взаимодействуя с материалом первой катушки. Эти потери аналогичны потерям в конденсаторах или коаксиальных кабелях и зависят от качества материала (tgδ). Уменьшить эти потери можно применением ребристых формирователей, в результате чего форма витков становится многоугольной, или полного выхода из строя первых.

    Потери в сердечнике прямо пропорциональны частоте и мощности, проходящей через катушку, и зависят от материала сердечника.На высоких частотах для уменьшения потерь применяют немагнитные латунные вставные сердечники или индуктивность катушки с воздушным сердечником без какого-либо катушкообразователя.
    Потери в экране вызваны тем, что ток, протекающий по катушке индуктивности, индуцирует ток в экране. Для их уменьшения экран должен защищаться дальше от катушки. Диаметр экрана должен превышать диаметр катушки не менее чем в 2,5 — 3 раза. Под действием экрана снижается индуктивность. Степень этого снижения можно оценить с помощью плагина экрана

    .

    Для однослойных катушек — увеличение размеров, сохранение постоянными значения индуктивности и формы катушки, добротность приблизительно пропорциональна квадратному корню из диаметра катушки.Кроме того, добротность зависит от отношения длины к диаметру намотки и имеет тупой максимум при l / D ≈ 1. При таком оптимальном шаге намотки катушки, по существу, равном удвоенному диаметру провода (другими словами, расстояние между витками должен быть равен диаметру проволоки).

    Собственная емкость — паразитный параметр индуктивностей катушек, ограничивающий возможности ее применения в первую очередь по частоте, так как эта емкость добавляется к емкости LC цепи.Собственная емкость вместе с собственной индуктивностью катушки образуют LC-контур, резонансная частота которого называется собственной резонансной частотой катушки. Выше этой частоты использование катушки бессмысленно, потому что в данном случае это была емкость. Ясно, что необходимо иметь возможность уменьшить собственную емкость. Минимальную собственную емкость имеют индуктивность однослойной катушки с воздушным сердечником.

    В однослойной катушке собственная емкость пропорциональна диаметру обмотки, а также зависит от отношения длины к диаметру обмотки и имеет тупой минимум не менее l / D ≈ 1.Увеличение расстояния между витками снижает индуктивность катушки, а собственная емкость не изменяется.

    Собственная емкость индуктивности многослойной катушки намного больше, для ее уменьшения применяют плетеную обмотку или секционированную обмотку. Проволока, покрытая шелком, также снижает эту емкость.

    Выбор формирователей индуктивности катушки в зависимости от рабочего диапазона и назначения может производиться самыми различными методами и из различных материалов (бумага, пресс-спан, оргстекло, высокочастотная керамика и различная высокочастотная керамика). частотные материалы).Материал формирователя катушки влияет на добротность индуктора. По электрическим характеристикам лучшими, не требующими пропиток и влагостойких покрытий являются полистиролобразователи. Тогда ухудшением диэлектрических качеств можно назвать следующие материалы для формирователей: высокочастотную керамику, ультра-фарфор, пропитанные трубки из кабельной бумаги.

    Для индуктивности катушки в задающих генераторах на первом месте находится параметр температурной нестабильности индуктивности катушки и механической прочности катушки.Таким образом, желательно иметь хорошую добротность. Наивысшими качествами по этим параметрам обладают катушки на сплошном формирователе из высокочастотной керамики с обмоткой, нанесенной методом выжигания серебра в формирователе.

    Плоские катушки на печатной плате применяются на высоких частотах для уменьшения габаритных размеров устройства. Для частот 100-150 МГц можно применить стекловолокно, покрытое медной фольгой. Для заземления в таких катушках следует внешний вывод.Если печатная плата двухсторонняя с обратной стороны, противоположной катушке, то не должно быть металлизации.

    Подводя итог, можно отметить, что расчет индуктивности катушки зависит от особенностей устройства, в котором она работает. Однако можно сделать один принципиальный вывод — уменьшение габаритных размеров индуктивности катушки всегда ведет к снижению параметров индуктора и, соответственно, общих параметров устройства, в состав которого он входит. Например, миниатюризация катушек индуктивности во входных каскадах приемника ухудшает его коэффициент подавления частоты изображения.

    Катушки индуктивности и формулы для расчета индуктивности

    Стили корпуса индуктора

    Катушки индуктивности — это пассивные устройства, используемые в электронных схемах для хранения энергии в виде магнитного поля. Они дополняют конденсаторы, накапливающие энергию в виде электрического поля. An идеальная катушка индуктивности эквивалентна короткому замыканию (0 Ом) для постоянного тока (DC), и представляет собой противодействующую силу (реактивное сопротивление) переменным токам (AC), которая зависит от от частоты тока.Реактивное сопротивление (противодействие протеканию тока) индуктора пропорциональна частоте тока, протекающего через него. Индукторы иногда называются «катушками», потому что большинство индукторов физически построено из секций, скрученных спиралями проволоки.

    Свойство индуктивности, препятствующее изменению тока, используется для цель предотвращения прохождения сигналов с более высокочастотной составляющей во время пропуская сигналы низкочастотных компонентов.Вот почему индукторы иногда их называют «дросселями», поскольку они эффективно подавляют более высокие частоты. Обычный применение дросселя в цепи смещения радиоусилителя, где коллектор транзистор должен быть запитан постоянным напряжением, не допуская RF (радиочастоты) сигнал от проводки обратно в источник постоянного тока.

    При использовании в серия (левый рисунок) или параллельно (правый рисунок) со своей схемой комплимент, конденсатор, комбинация индуктора-конденсатора образует цепь, которая резонирует с определенной частотой, которая зависит от значений каждого компонента.В сериале В цепи сопротивление току на резонансной частоте равно нулю с идеальными компонентами. В параллельной цепи (справа) сопротивление протеканию тока бесконечно с идеальными компонентами.

    Реальные индукторы из физических компонентов в цепи переменного тока проявляют больше, чем просто чистую индуктивность. Общая схема Слева показана модель симулятора. Он включает в себя идеальный индуктор с параллельным резистивный компонент, реагирующий на переменный ток.Резистивная составляющая постоянного тока соединен последовательно с идеальной катушкой индуктивности, а конденсатор подключен через всю сборки и представляет собой емкость, присутствующую из-за близости обмоток катушки. Симуляторы SPICE-типа используют эту или даже более сложную модель, чтобы облегчить точные расчеты в широком диапазоне частот.

    Связанные страницы по RF Cafe
    — Индукторы и Расчет индуктивности
    — Преобразование индуктивности
    — Стандартные значения индуктивности
    — Продавцы индукторов

    г. HamWaves.com на сайте есть очень сложный калькулятор индуктивности катушки, который позволяет вам вводить диаметр проводника.

    Уравнения (формулы) для объединения катушек индуктивности последовательно и параллельно приведены ниже. Приведены дополнительные уравнения для катушек индуктивности различной конфигурации.

    Индукторы, подключенные к серии

    Общая индуктивность последовательно соединенных катушек индуктивности равна сумме индивидуальных индуктивности. Держите единицы постоянными.

    Тороид с закрытой намоткой

    Прямоугольное сечение

    Индуктивность коаксиального кабеля




    Индуктивность прямого провода

    Эти уравнения применимы, когда длина проволоки намного больше диаметра проволоки (см. диаметр проволоки здесь). Справочник ARRL представляет уравнение для единиц дюймов и мкФ:

    Для низких частот — примерно до VHF, используйте эту формулу:

    Выше VHF скин-эффект приводит к приближению в верхнем уравнении к единице (1), поэтому используйте это уравнение:

    Прямой провод, параллельный плоскости заземления с заземленным одним концом

    Справочник ARRL представляет это уравнение для прямого провода, подвешенного над землей. плоскость с заземлением одного конца на плоскость:


    a = радиус провода, l = длина провода параллельно плоскости заземления
    h = высота провода над пластиной заземления до конца провода

    Индуктивность параллельной линии

    Многослойная индуктивность с воздушным сердечником

    Уиллера Формула:

    Катушки индуктивности с параллельным соединением

    Общая индуктивность параллельно соединенных катушек индуктивности равна обратной величине индуктивности. сумма обратных величин индивидуальных индуктивностей.Держите единицы постоянными.

    Константы и переменные формулы индуктивности

    К уравнениям применимы следующие физические константы и механические размерные переменные на этой странице. Единицы измерения для уравнений показаны в скобках в конце уравнений; например, означает, что длина в дюймах, а индуктивность — в Генри. Если единицы не указаны, то можно использовать любые пока они согласованы для всех сущностей; т.е. все счетчики, все мкГн и т. д.

    C = емкость
    L = индуктивность
    N = количество витков
    W = энергия
    ε r = Относительная диэлектрическая проницаемость (безразмерная)
    ε 0 = 8.85 x 10 -12 Ф / м (диэлектрическая проницаемость свободного пространства)
    µ r = Относительная проницаемость (безразмерная)
    µ 0 = 4π x 10 -7 Гн / м (проницаемость свободного пространства)

    1 метр = 3,2808 фута <—> 1 фут = 0,3048 метра
    1 мм = 0,03937 дюйма <—> 1 дюйм = 25,4 мм

    Также точки (не путать с десятичными точками) используются для обозначения умножения во избежание двусмысленности.

    Индуктивное сопротивление


    Индуктивное реактивное сопротивление (X L , в Ом) пропорционально частоте (ω, в радианах / сек или f в Гц) и индуктивности (L в единицах Генри).Чистая индуктивность имеет фазу угол 90 ° (напряжение отводит ток с фазовым углом 90 °).

    Энергия, запасенная в индукторе

    Энергия (Вт, в Джоулях), запасенная в катушке индуктивности, составляет половину произведения индуктивности. (L, в Генрие) и ток (I, в амперах) через устройство.

    Напряжение на индукторе

    Свойство индуктора противодействовать изменению потока тока вызывает противо-ЭДС. (напряжение) на его выводах, полярность противоположная приложенному напряжению.

    Коэффициент качества индуктора

    Добротность — это безразмерное отношение реактивного сопротивления к сопротивлению в катушке индуктивности.

    Однослойная круглая катушка индуктивности

    Уиллера Формула для d >> a:

    Обычно для a = радиус проволоки:

    Примечание. Если длина выводов значительна, используйте расчет прямого провода, чтобы добавить индуктивность.

    Поиск эквивалента «R Q »

    Поскольку Q индуктора — это отношение реактивной составляющей к резистивной, эквивалентная схема может быть определена с резистором, включенным параллельно катушке индуктивности. Этот уравнение действительно только для одной частоты «f» и должно вычисляться для каждой частоты. представляет интерес.

    Какой индуктор и индуктивность? — Формулы для расчета индуктивности

    Прежде чем узнать определение и работу индуктора, мы должны знать, что такое индуктивность.Всякий раз, когда изменяющийся поток связан с катушкой проводника, возникает ЭДС. Если изменяющийся поток связан с катушкой проводника, в нем будет индуцироваться электромагнитная сила (ЭДС). Индуктивность катушки можно определить как свойство катушки индуцировать электромагнитную силу из-за изменяющегося потока, связанного с ней. По этой причине все электрические катушки можно назвать индукторами. В качестве альтернативы можно определить индуктор, поскольку это один из типов устройств, которые используются для хранения энергии в виде магнитного поля.В этой статье представлена ​​краткая информация о том, что такое индуктор, работа, расчет проводимости и применение.

    Индуктор и расчет индуктивности

    Что такое индуктор?

    Катушка индуктивности также называется реактором, катушкой и дросселем. Это двухконтактный электрический компонент, используемый в различных электрических и электронных схемах. Индуктор используется для хранения энергии в виде магнитного поля. Он состоит из провода, обычно скрученного в катушку. Когда через него проходит ток, энергия временно сохраняется в катушке.Высший индуктор равен короткому замыканию для постоянного тока и обеспечивает силу, противоположную переменному току, которая зависит от частоты тока. Противодействие протеканию тока в катушке индуктивности связано с частотой тока, протекающего через нее. Иногда катушки индуктивности обозначают как «катушки», потому что физическая конструкция максимальных катушек индуктивности спроектирована с использованием намотанных секций провода.


    Индуктор

    Конструкция индуктора

    Индуктор обычно состоит из катушки с проводящим материалом, обычно защищенной медной проволокой, покрытой пластиковым или ферромагнитным материалом.Высокая магнитная проницаемость ферромагнитного сердечника увеличивает магнитное поле и полностью ограничивает его индуктивностью, тем самым увеличивая индуктивность. Низкочастотные индукторы сконструированы как трансформаторы, с центром из электротехнической стали, ламинированной для предотвращения вихревых токов.

    Мягкие ферриты широко используются для сердечников выше звуковых частот. Между тем, они не исключают больших потерь энергии на высоких частотах. Индукторы бывают разных форм. Большинство индукторов спроектированы с магнитным проводом, покрытым вокруг ферритовой катушки с проводом, видимым снаружи, в то время как некоторые из них полностью покрывают провод ферритом и называются «экранированными».Некоторые виды индукторов имеют сменный сердечник, который позволяет изменять индуктивность.

    Конструкция индуктора

    Небольшие индукторы могут быть закреплены непосредственно на печатной плате путем размещения следа в изогнутой конструкции. Катушки индуктивности малой стоимости также могут быть построены на ИС (интегральных схемах) с использованием тех же процедур, которые используются для изготовления транзисторов. Однако небольшие размеры ограничивают индуктивность, и это обычное явление в различных схемах, таких как гиратор, который включает в себя конденсатор и активные компоненты, которые работают аналогично катушке индуктивности.

    Эквивалентная схема индуктора

    Катушка индуктивности состоит из физических компонентов, и когда эти устройства присутствуют в цепи переменного тока, они проявляют чистую индуктивность. Ниже показана общая схема катушки индуктивности. Он состоит из идеального индуктора с параллельным резистивным компонентом, который реагирует на переменный ток. Резистивная составляющая постоянного тока включена последовательно с катушкой индуктивности, а конденсатор размещен по всей сборке и означает емкость, существующую из-за близости обмоток катушки.


    Эквивалентная схема индуктивности

    Формулы для расчета индуктивности

    Следующие размерные переменные и физические константы используются для применения к формулам. Единицы для формул также указаны в конце уравнений. Например, [дюйм, мкГн] означает, что длина указана в дюймах, а индуктивность — в единицах Генри.

    • Емкость обозначена C
    • Индуктивность обозначена L
    • Число витков обозначено N
    • Энергия обозначена W
    • Относительная диэлектрическая проницаемость обозначена εr
    • Значение ε0 равно 8.85 x 10-12 Ф / м Относительная проницаемость обозначается µr
    • Значение µ0 составляет 4π x 10-7 H / м
    • Один метр равен 3,2808 фута, а один фут равен 0,3048 метра
    • Один мм равен равно 0,03937 дюйма, а один дюйм равен 25,4 мм.
    • Кроме того, точки используются для указания умножения, чтобы избежать неоднозначности.

    Формулы для расчета индуктивности для последовательного и параллельного подключения катушек индуктивности показаны ниже. А также приводится дополнительное уравнение для различных конфигураций индукторов.

    Индуктивность для последовательно соединенных индукторов

    В последовательно соединенных индукторах общая индуктивность равна сумме отдельных индуктивностей

    Катушки индуктивности в серии

    LTotal = L1 + L2 + L3 + …………. + LN [H]

    Индуктивность для параллельно соединенных катушек индуктивности

    Общая индуктивность параллельно соединенных катушек индуктивности эквивалентна общему значению суммы обратных величин отдельных индуктивностей.

    Параллельно подключенные индукторы

    1 / Ltotal = 1 / L1 + 1 / L2 + ………… + 1 / LN [H]

    Индуктивность для индукторов прямоугольного сечения

    Приведена формула индуктивности для индукторов прямоугольного сечения. ниже

    Катушки индуктивности прямоугольного сечения

    L = 0.00508.μr. N2.h.ln (b / a) [дюйм, мкГн]

    Индуктивность коаксиального кабеля

    Формула индуктивности для индуктивности коаксиального кабеля приведена ниже

    Индуктивность коаксиального кабеля

    L = μ0. μr.l / 2.π. ln (b / a) [дюйм, мкГн]
    L = 0,140.l.μr.l / 2π. log10 (b / a) [фут, мкГн]
    L = 0,0427. l .μr. log10 (b / a) [м, мкГн]

    Индуктивность прямого провода

    Следующие уравнения используются, когда длина провода больше его диаметра. Следующая формула используется для низких частот — примерно до VHF

    . Индуктивность прямого провода

    L = 0.00508. л. μr. [ln (2.l / a) -0.75] [дюйм, мкГн]

    Следующее уравнение используется для выше VHF, скин-эффект влияет на 3/4the в приведенном выше уравнении, чтобы получить единицу.

    L = 0,00508. л. μr. [ln (2.l / a) -1] [дюйм, мкГн]

    Применение индукторов

    Как правило, различные типы индукторов применяются в основном для

    • Высокомощных приложений
    • Трансформаторов
    • Подавление шумовых сигналов
    • Датчики
    • Фильтры
    • Радиочастота
    • Накопитель энергии
    • Изоляция
    • Двигатели

    Итак, это все о том, что такое индуктор, конструкция, работа индуктора.

    No related posts.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *