Ток в катушке индуктивности – 2. Катушка индуктивности в цепи переменного тока | 3. Реактивное сопр. и импеданс — Индуктивность | Часть2

Содержание

формула. Измерение индуктивности. Индуктивность контура

Кто в школе не изучал физику? Для кого-то она была интересна и понятна, а кто-то корпел над учебниками, пытаясь выучить наизусть сложные понятия. Но каждый из нас запомнил, что мир основан на физических знаниях. Сегодня мы поговорим о таких понятиях, как индуктивность тока, индуктивность контура, и узнаем, какие бывают конденсаторы и что такое соленоид.

Электрическая цепь и индуктивность

Индуктивность служит для характеристики магнитных свойств электрической цепи. Ее определяют как коэффициент пропорциональности между текущим электрическим током и магнитным потоком в замкнутом контуре. Поток создается этим током через поверхность контура. Еще одно определение гласит, что индуктивность является параметром электрической цепи и определяет ЭДС самоиндукции. Термин применяется для указания элемента цепи и приходится характеристикой эффекта самоиндукции, который был открыт Д. Генри и М. Фарадеем независимо друг от друга. Индуктивность связана с формой, размером контура и значением магнитной проницаемости окружающей среды. В единице измерения СИ эта величина измеряется в генри и обозначается как L.

Самоиндукция и измерение индуктивности

Индуктивностью называется величина, которая равна отношению магнитного потока, проходящего по всем виткам контура к силе тока:

Индуктивность контура находится в зависимости от формы, размеров контура и от магнитных свойств среды, в которой он находится. Если в замкнутом контуре протекает электрический ток, то возникает изменяющееся магнитное поле. Это впоследствии приведет к возникновению ЭДС. Рождение индукционного тока в замкнутом контуре носит название «самоиндукция». По правилу Ленца величина не дает изменяться току в контуре. Если обнаруживается самоиндукция, то можно применять электрическую цепь, в которой параллельно включены резистор и катушка с железным сердечником. Последовательно с ними подсоединены и электрические лампы. В этом случае сопротивление резистора равно сопротивлению на постоянном токе катушки. Результатом будет яркое горение ламп. Явление самоиндукции занимает одно из главных мест в радиотехнике и электротехнике.

Как найти индуктивность

Формула, которая является простейшей для нахождения величины, следующая:

где F – магнитный поток, I – ток в контуре.

Через индуктивность можно выразить ЭДС самоиндукции:

Из формулы напрашивается вывод о численном равенстве индукции с ЭДС, которое возникает в контуре при изменении силы тока на один амперметр за одну секунду.

Переменная индуктивность дает возможность найти и энергию магнитного поля:

«Катушка ниток»

Катушка индуктивности представляет собой намотанную изолированную медную проволоку на твердое основание. Что касается изоляции, то выбор материала широк – это и лак, и проводная изоляция, и ткань. Величина магнитного потока зависит от площади цилиндра. Если увеличить ток в катушке, то магнитное поле будет становиться все больше и наоборот.

Если подать электрический ток на катушку, то в ней возникнет напряжение, противоположное напряжению тока, но оно внезапно исчезает. Такого рода напряжение называется электродвижущей силой самоиндукции. В момент включения напряжения на катушку сила тока меняет свое значение от 0 до некоего числа. Напряжение в этот момент тоже меняет значение, согласно закону Ома:

где I характеризует силу тока, U – показывает напряжение, R – сопротивление катушки.

Еще одной особенной чертой катушки является следующий факт: если разомкнуть цепь «катушка – источник тока», то ЭДС добавится к напряжению. Ток тоже вначале вырастет, а потом пойдет на спад. Отсюда вытекает первый закон коммутации, в котором говорится, что сила тока в катушке индуктивности мгновенно не меняется.

Катушку можно разделить на два вида:

  1. С магнитным наконечником. В роли материала сердца выступают ферриты и железо. Сердечники служат для повышения индуктивности.
  2. С немагнитным. Используются в случаях, когда индуктивность не больше пяти миллиГенри.

Устройства различаются и по внешнему виду, и внутреннему строению. В зависимости от таких параметров находится индуктивность катушки. Формула в каждом случае разная. Например, для однослойной катушки индуктивность будет равна:

  • L = 10µ0ΠN2R2 : 9R + 10l.

А вот уже для многослойной другая формула:

  • L= µ0N2R2 :2Π(6R + 9l + 10w).

Основные выводы, связанные с работой катушек:

  1. На цилиндрическом феррите самая большая индуктивность возникает в середине.
  2. Для получения максимальной индуктивности необходимо близко наматывать витки на катушку.
  3. Индуктивность тем меньше, чем меньше количество витков.
  4. В тороидальном сердечнике расстояние между витками не играет роли катушки.
  5. Значение индуктивности зависит от «витков в квадрате».
  6. Если последовательно соединить индуктивности, то их общее значение равно сумме индуктивностей.
  7. При параллельном соединении нужно следить, чтобы индуктивности были разнесены на плате. В противном случае их показания будут неправильными за счет взаимного влияния магнитных полей.

Соленоид

Под этим понятием понимается цилиндрическая обмотка из провода, который может быть намотан в один или несколько слоев. Длина цилиндра значительно больше диаметра. За счет такой особенности при подаче электрического тока в полости соленоида рождается магнитное поле. Скорость изменения магнитного потока пропорциональна изменению тока. Индуктивность соленоида в этом случае рассчитывается следующим образом:

Еще эту разновидность катушек называют электромеханическим исполнительным механизмом с втягиваемым сердечником. В данном случае соленоид снабжается внешним ферромагнитным магнитопроводом – ярмом.

В наше время устройство может соединять в себе гидравлику и электронику. На этой основе созданы четыре модели:

  • Первая способна контролировать линейное давление.
  • Вторая модель отличается от других принудительным управлением блокировки муфты в гидротрансформаторах.
  • Третья модель содержит в своем составе регуляторы давления, отвечающие за работу переключения скоростей.
  • Четвертая управляется гидравлическим способом или клапанами.

Необходимые формулы для расчетов

Чтобы найти индуктивность соленоида, формула применяется следующая:

где µ0 показывает магнитную проницаемость вакуума, n – это число витков, V – объем соленоида.

Также провести расчет индуктивности соленоида можно и с помощью еще одной формулы:

где S – это площадь поперечного сечения, а l – длина соленоида.

Чтобы найти индуктивность соленоида, формула применяется любая, которая подходит по решению к данной задаче.

Работа на постоянном и переменном токе

Магнитное поле, которое создается внутри катушки, направлено вдоль оси, и равно:

где µ0 – это магнитная проницаемость вакуума, n – это число витков, а I – значение тока.

Когда ток движется по соленоиду, то катушка запасает энергию, которая равна работе, необходимая для установления тока. Чтобы вычислить в этом случае индуктивность, формула используется следующая:

где L показывает значение индуктивности, а E – запасающую энергию.

ЭДС самоиндукции возникает при изменении тока в соленоиде.

В случае работы на переменном токе появляется переменное магнитное поле. Направление силы притяжения может изменяться, а может оставаться неизменным. Первый случай возникает при использовании соленоида как электромагнита. А второй, когда якорь сделан из магнитомягкого материала. Соленоид на переменном токе имеет комплексное сопротивление, в которое включаются сопротивление обмотки и ее индуктивность.

Самое распространенное применение соленоидов первого типа (постоянного тока) — это в роли поступательного силового электропривода. Сила зависит от строения сердечника и корпуса. Примерами использования являются работа ножниц при отрезании чеков в кассовых аппаратах, клапаны в двигателях и гидравлических системах, язычки замков. Соленоиды второго типа применяются как индукторы для индукционного нагрева в тигельных печах.

Колебательные контуры

Простейшей резонансной цепью является последовательный колебательный контур, состоящий из включенных катушек индуктивности и конденсатора, через которые протекает переменный ток. Чтобы определить индуктивность катушки, формула используется следующая:

где XL показывает реактивное сопротивление катушки, а W — круговая частота.

Если используется реактивное сопротивление конденсатора, то формула будет выглядеть следующим образом:

Xc = 1 : W х C.

Важными характеристиками колебательного контура являются резонансная частота, волновое сопротивление и добротность контура. Первая характеризует частоту, где сопротивление контура имеет активный характер. Вторая показывает, как проходит реактивное сопротивление на резонансной частоте между такими величинами, как емкость и индуктивность колебательного контура. Третья характеристика определяет амплитуду и ширину амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) резонанса и показывает размеры запаса энергии в контуре по сравнению с потерями энергии за один период колебаний. В технике частотные свойства цепей оцениваются при помощи АЧХ. В этом случае цепь рассматривается как четырехполюсник. При изображении графиков используется значение коэффициента передачи цепи по напряжению (К). Эта величина показывает отношение выходного напряжения к входному. Для цепей, которые не содержат источников энергии и различных усилительных элементов, значение коэффициента не больше единицы. Оно стремится к нулю, когда на частотах, отличающихся от резонансной, сопротивление контура имеет высокое значение. Если же величина сопротивления минимальна, то коэффициент близок к единице.

При параллельном колебательном контуре включены два реактивных элемента с разной силой реактивности. Использование такого вида контура подразумевает знание, что при параллельном включении элементов нужно складывать только их проводимости, но не сопротивления. На резонансной частоте суммарная проводимость контура равна нулю, что говорит о бесконечно большом сопротивлении переменному току. Для контура, в котором параллельно включены емкость (C), сопротивление (R) и индуктивность, формула, объединяющая их и добротность (Q), следующая:

При работе параллельного контура за один период колебаний дважды происходит энергетический обмен между конденсатором и катушкой. В этом случае появляется контурный ток, который значительно больше значения тока во внешней цепи.

Работа конденсатора

Устройство представляет собой двухполюсник малой проводимости и с переменным или постоянным значением емкости. Когда конденсатор не заряжен, сопротивление его близко к нулю, в противном случае оно равно бесконечности. Если источник тока отсоединить от данного элемента, то он становится этим источником до своей разрядки. Использование конденсатора в электронике заключается в роли фильтров, которые удаляют помехи. Данное устройство в блоках питания на силовых цепях применяются для подпитки системы при больших нагрузках. Это основано на способности элемента пропускать переменную составляющую, но непостоянный ток. Чем выше частота составляющей, тем меньше у конденсатора сопротивление. В результате через конденсатор глушатся все помехи, которые идут поверх постоянного напряжения.

Сопротивление элемента зависит от емкости. Исходя из этого, правильнее будет ставить конденсаторы с различным объемом, чтобы улавливать разного рода помехи. Благодаря способности устройства пропускать постоянный ток только в период заряда его используют как времязадающий элемент в генераторах или как формирующее звено импульса.

Конденсаторы бывают многих типов. В основном используется классификация по типу диэлектрика, так как этот параметр определяет стабильность емкости, сопротивление изоляции и так далее. Систематизация по данной величине следующая:

  1. Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
  2. Вакуумные.
  3. С жидким диэлектриком.
  4. С твердым неорганическим диэлектриком.
  5. С твердым органическим диэлектриком.
  6. Твердотельные.
  7. Электролитические.

Существует классификация конденсаторов по назначению (общий или специальный), по характеру защиты от внешних факторов (защищенные и незащищенные, изолированные и неизолированные, уплотненные и герметизированные), по технике монтажа (для навесного, печатного, поверхностного, с выводами под винт, с защелкивающимися выводами). Также устройства можно различить по способности к изменению емкости:

  1. Постоянные конденсаторы, то есть у которых емкость остается всегда постоянной.
  2. Подстроечные. У них емкость не меняется при работе аппаратуры, но можно ее регулировать разово или периодически.
  3. Переменные. Это конденсаторы, которые допускают в процессе функционирования аппаратуры изменение ее емкости.

Индуктивность и конденсатор

Токоведущие элементы устройства способны создавать его собственную индуктивность. Это такие конструктивные части, как кладки, соединительные шины, токоотводы, выводы и предохранители. Можно создать дополнительную индуктивность конденсатора путем присоединения шин. Режим работы электрической цепи зависит от индуктивности, емкости и активного сопротивления. Формула расчета индуктивности, которая возникает при приближении к резонансной частоте, следующая:

где Ce определяет эффективную емкость конденсатора, C показывает действительную емкость, f – это частота, L – индуктивность.

Значение индуктивности всегда должно учитываться при работе с силовыми конденсаторами. Для импульсных конденсаторов наиболее важна величина собственной индуктивности. Их разряд приходится на индуктивный контур и имеет два вида – апериодический и колебательный.

Индуктивность в конденсаторе находится в зависимости от схемы соединения элементов в нем. Например, при параллельном соединении секций и шин эта величина равна сумме индуктивностей пакета главных шин и выводов. Чтобы найти такого рода индуктивность, формула следующая:

где Lk показывает индуктивность устройства, Lp –пакета, Lm – главных шин, а Lb – индуктивность выводов.

Если при параллельном соединении ток шины меняется по ее длине, то тогда эквивалентная индуктивность определяется так:

  • Lk = Lc : n + µ0 l х d : (3b) + Lb,

где l – длина шин, b – ее ширина, а d – расстояние между шинами.

Чтобы снизить индуктивность устройства, необходимо токоведущие части конденсатора расположить так, чтобы взаимно компенсировались их магнитные поля. Иными словами, токоведущие части с одинаковым движением тока нужно удалять друг от друга как можно дальше, а с противоположным направлением сближать. При совмещении токоотводов с уменьшением толщины диэлектрика можно снизить индуктивность секции. Этого можно достигнуть еще путем деления одной секции с большим объемом на несколько с более мелкой емкостью.

fb.ru

Катушка индуктивности (дроссель) | Meanders.ru

В этой статье поговорим о катушке индуктивности и способе измерения индуктивности.

Определение и теория катушек индуктивности

Катушка индуктивности (дроссель) — катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении, способная накапливать электромагнитную энергию в собственном магнитном поле. Обозначается – L. Внешний вид может быть различным, но если вы её мотаете самостоятельно, то будет выглядеть как-то так:

Величина индуктивности измеряется в Генри [Гн].

1 Генри – очень большая величина, поэтому применяемые в технике катушки индуктивности имеют величины: микрогенри – 10-6 (мкГн) и миллигенри – 10-3 (мГн).

Процессы, происходящие в катушке индуктивности (далее — индуктивности) на временном графике при подключении индуктивности к источнику прямоугольного однополярного сигнала, показаны на рисунке.

Из рисунка сбоку видно, реакция индуктивности на воздействие электрического тока абсолютно противоположно реакции конденсатора (ёмкости). В момент подачи прямоугольного импульса источника тока (красный), ток индуктивности (фиолетовый) сначала равен нулю и с изменением времени увеличивается по экспоненте – индуктивность накапливает энергию, в начальный момент её внутреннее сопротивление максимально. Напряжение на выводах индуктивности (зелёный) наоборот сначала максимально, но потом по мере накопления энергии уменьшается по экспоненте до нуля. При пропадании входного импульса, так как индуктивность — элемент инерционный, напряжение на выводах индуктивности резко изменив полярность сначала максимально, а ток продолжает течь в том же направлении, уменьшаясь при этом по экспоненте – запасённая в индуктивности энергия иссякает. Напряжение из отрицательной области так же по экспоненте стремится к нулю. Скорость изменения напряжения и тока зависит от значения индуктивности. Чем больше индуктивность, тем медленнее они изменяются (экспонента более вытянута по времени). Напряжение и ток на нагрузочном резисторе ведут себя одинаково, и изображены на временном графике оранжевым цветом. Если сравнить с конденсатором — полная противоположность. Взаимосвязь тока и напряжения в индуктивности так же описывается законом Ома, с учётом реактивного сопротивления индуктивности.

Фактически, мы рассмотрели «четырёхполюсник» состоящий из катушки индуктивности и резистора, который называют интегрирующей цепочкой.

 

Интегрирующая цепочка чаще всего применяется для формирования пилообразных импульсов в любой радио аппаратуре и временной (ударение на «о») задержки прямоугольных импульсов. Чтобы, Вам было понятнее, интегрирующая цепочка и получение пилообразного импульса изображены на следующем рисунке. Для получения последнего, используется наиболее прямолинейный участок интегрированного импульса — его начало, и «обрезается» по времени или по амплитуде (порогу).

Для задержки импульсов используют пороговое устройство. По достижении амплитуды сигнала прошедшего через интегрирующую цепочку определённого значения (порога), пороговое устройство пропускает входной сигнал на выход. После чего, сигнал усиливается усилителем до необходимой величины. В целях уменьшения размеров (исключения громоздкости), схемы формирования пилообразных импульсов, и схемы задержки импульсов эффективнее делать на интегрирующей цепочке состоящей из резистора и конденсатора.

К

meanders.ru

Катушка индуктивности

Катушка
индуктивности винтовая,спиральнаяили винтоспиральная катушка из свёрнутого
изолированногопроводника,
обладающая значительнойиндуктивностьюпри относительно малойёмкостии маломактивном
сопротивлении
. Такая система
способна накапливать магнитнуюэнергиюпри протеканииэлектрического
тока
.

Устройство

Устройство обычно представляет собой
винтовую,спиральнуюили винтоспиральную катушку из
одножильного или многожильного
изолированногопровода,
намотанного на цилиндрический,
тороидальный или прямоугольный каркас
издиэлектрикаили плоскую спираль, волну или полоску
печатного или другого проводника. Также
бывают и бескаркасные катушки. Намотка
может быть как однослойной (рядовая и
с шагом), так и многослойная (рядовая,
внавал, «универсал»). Намотка «универсал»
имеет меньшую паразитную ёмкость.

Для увеличения индуктивности применяют
сердечники из ферромагнитныхматериалов: электротехнической стали,пермаллоя,
карбонильного железа,ферритов.
Также сердечники используют для изменения
индуктивности катушек в небольших
пределах.

Свойства
катушки индуктивности

Катушка индуктивности в
электрической
цепи
хорошо
проводит постоянный
ток
и в то же
время оказывает сопротивление переменному
току
, поскольку
при изменении тока в катушке возникает
ЭДС
самоиндукции
,
препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности
обладает реактивным
сопротивлением

величина которого равна:
,
где—
индуктивность катушки,—циклическая
частота

протекающего тока. Соответственно, чем
больше частота тока, протекающего через
катушку, тем больше её сопротивление.

При протекании тока катушка запасает
энергию, равную работе, которую необходимо
совершить для установления текущего
тока
.
Величина этой энергии равна

При изменении тока в катушке возникает
ЭДС самоиндукции, значение которой

Характеристики катушки
индуктивности

] Индуктивность

Основным
параметром катушки индуктивности
является её индуктивность,
которая определяет, какой поток магнитного
поля

создаст катушка при протекании через
неё тока силой 1 ампер. Типичные значения
индуктивностей катушек от десятых долей
мкГн до десятков Гн.

Индуктивность
соленоида

Индуктивность
торойда

Индуктивность катушки пропорциональна
линейным размерам катушки, магнитной
проницаемости
сердечника и
квадрату числа витков намотки.
Индуктивность катушки, намотанной натороидальномсердечнике

где:

μ0магнитная
постоянная

μiмагнитная
проницаемость
материала
сердечника (зависит от частоты)

se— площадь сечения
сердечника

le— длина средней линии
сердечника

N— число витков

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

При параллельном соединении катушек
общая индуктивность равна

Сопротивление потерь

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

Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

  • Во-первых, провода обмотки обладают
    омическим (активным) сопротивлением.

  • Во-вторых, сопротивление провода обмотки
    переменному току возрастает с ростом
    частоты, что обусловлено скин-эффектом,
    суть которого состоит в том, что ток
    протекает не по всему сечению проводника,
    а по кольцевой части поперечного
    сечения.

  • В третьих, в проводах обмотки, свитой
    в спираль, проявляется эффект близости,
    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 ведёт к
    дополнительному возрастанию сопротивления
    провода.

Потери в диэлектрике

Потери в диэлектрике обусловлены тем,
что между соседними витками катушки
существует паразитная ёмкость,
что приводит к утечкам переменного тока
между витками.

Потери в сердечнике
Потери
в сердечнике складываются из потерь на
вихревые токи, потерь на гистерезис
и начальных потерь.
Потери в экране

Потери в экране обусловлены тем, что
ток, протекающий по катушке, индуцирует
ток в экране.

Добротность

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

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

Температурный
коэффициент индуктивности (ТКИ)

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

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

Разновидности катушек
индуктивности

Контурные катушки индуктивности 

Эти катушки используются совместно с
конденсаторамидля получения резонансных контуров.
Они должны иметь высокую стабильность,
точность идобротность.

Катушки связи 

Такие катушки применяются для обеспечения
индуктивной связи между отдельными
цепями и каскадами. Такая связь позволяет
разделить по постоянному току цепи базыиколлектораи т. д. К таким катушкам не предъявляются
жёсткие требования на добротность и
точность, поэтому они выполняются из
тонкого провода в виде двух обмоток
небольших габаритов. Основными параметрами
этих катушек являются индуктивность и
коэффициент связи.

Вариометры 

Это катушки, индуктивность которых
можно изменять в процессе эксплуатации
для перестройки колебательных контуров.
Они состоят из двух катушек, соединённых
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. В ферровариометрах
индуктивность изменяется перемещением
ферромагнитного сердечника.

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 или ферритовые сердечники.

Сдвоенный дроссель

Сдвоенные дроссели 

две намотанных встречно катушки
индуктивности, используются в фильтрах
питания. За счёт встречной намотки и
взаимной
индукции
более эффективны при
тех же габаритных размерах. Сдвоенные
дроссели получили широкое распространение
в качестве входных фильтров блоков
питания; в дифференциальных сигнальных
фильтрах цифровых линий, а также в
звуковой технике.

Применениекатушек индуктивности

  • Катушки индуктивности (совместно с
    конденсаторамии/илирезисторами)
    используются для построения различных
    цепей с частотно-зависимыми свойствами,
    в частности, фильтров, цепейобратной
    связи
    ,колебательных
    контуров
    и т. п..

  • Катушки индуктивности используются в
    импульсных
    стабилизаторах
    как элемент,
    накапливающий энергию и преобразующий
    уровни напряжения.

  • Две и более индуктивно связанные катушки
    образуют трансформатор.

  • Катушка индуктивности, питаемая
    импульсным током от транзисторного
    ключа
    , иногда применяется в
    качестве источника высокого напряжения
    небольшой мощности в слаботочных
    схемах, когда создание отдельного
    высокого питающего напряжения в блоке
    питания невозможно или экономически
    нецелесообразно. В этом случае на
    катушке из-засамоиндукциивозникают выбросы высокого напряжения,
    которые можно использовать в схеме,
    например, выпрямив и сгладив.

  • Катушки используются также в качестве
    электромагнитов.

  • Катушки применяются в качестве источника
    энергии для возбуждения индуктивно-связанной
    плазмы
    .

  • Для радиосвязи — излучение и приём
    электромагнитных волн (магнитная
    антенна, кольцевая антенна).

  • Для разогрева электропроводящих
    материалов в индукционных
    печах
    .

  • Как датчикперемещения: изменение индуктивности
    катушки может изменяться в широких
    пределах перемещением (вытаскиванием)
    сердечника.

  • Катушка индуктивности используется в
    индукционных датчиках магнитного поля.
    Индукционные
    магнитометры
    были разработаны
    и широко использовались во временаВторой
    мировой войны
    .[3]

studfiles.net

зависимость индуктивности в катушке от сердечника

Один из важных элементов электротехники и электроники – индуктивность. В этой статье рассказывается о том, что это такое, и от чего зависит эта величина.

Катушки индуктивности

Что такое индуктивность

При изменении силы тока в проводнике наводится ЭДС самоиндукции. Соотношение между скоростью изменения тока и ЭДС – это коэффициент самоиндукции, или индуктивность проводника.

Это также коэффициент, отображающий связь между электрическим током, текущим в проводнике или обмотке, и магнитным потоком, который он создаёт.

Если этот провод намотать на катушку, то магнитное поле возрастёт. Это связано с явлением самоиндукции. Она увеличивается также при наличии внутри обмотки сердечника с высокой магнитной проницаемостью.

Обозначается этот параметр буквой «L». Кроме того, также в схемах обозначается катушка индуктивности или дроссель.

Единица измерения индуктивности катушки – 1 генри (Гн). Такой индуктивностью обладает дроссель, в котором при изменении тока на 1 ампер за 1 секунду наводится ЭДС в 1 вольт.

Так называют также саму катушку, главным качеством которой является индуктивное сопротивление.

Важно! Катушка, кроме индуктивного, обладает активным сопротивлением. Соотношение между ними называется «добротность».

Что такое индуктивность

Самоиндукция

Принцип работы катушки индуктивности можно сравнить с инерцией. При начале движения поезда энергия тратится на его разгон, а при торможении запасённая кинетическая энергия не позволяет остановиться составу мгновенно.

При появлении тока в проводнике вокруг него появляется поле. Часть энергии, протекающей по проводу, расходуется на его создание, и ток достигает максимума только после создания магнитного поля.

При отключении питания поле будет поддерживать ток до исчерпания энергии, заключённой в этом поле.

Магнитное поле проводника

При изменении магнитного потока, проходящего через площадь, ограниченную контуром, в проводниках, образующих этот контур, наводится ЭДС. Ток, протекающий по проводам, создаёт вокруг них магнитное поле, изменения которого, в свою очередь, наводят в этих проводах электродвижущую силу. Это ЭДС самоиндукции.

Самоиндукция направлена против источника напряжения и противодействует изменениям силы тока в цепи. Поэтому ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

Величина ЭДС индукции зависит от скорости изменения магнитного потока. Но так как изменения тока в обмотке приводят к изменениям магнитного поля, то величина самоиндукции зависит от скорости его изменения. Она появляется и существует только при изменениях силы и направления тока. В сети переменного напряжения он отстаёт по фазе от напряжения. Это можно увидеть на экране осциллографа.

Через некоторое время после включения магнитный поток достигает своего максимума, перестаёт противодействовать росту тока, и параметры цепи начинают определяться активным сопротивлением обмотки.

При отключении поле начинает поддерживать ток в цепи. Это приводит к росту напряжения на выводах катушки и искрению контактов.

Влияние числа витков и способа намотки

Если прямой проводник свернуть в кольцо, то получится катушка индуктивности. При подключении к ней постоянного напряжения в ней появляются северный и южный магнитные полюса. При этом устройство превращается в электромагнит. Чем больше витков в бобине и чем больше ток, протекающий через неё, тем больше магнитное поле. Поэтому магнитный поток, создаваемый обмоткой, определяется как произведение силы тока на число витков и измеряется в ампер-витках.

При включении прибора в сеть переменного напряжения в таком устройстве магнитные поля отдельных витков усиливают друг друга путём взаимоиндукции.

Магнитное поле катушки с током

Основным параметром катушки является индуктивность. На неё влияет то, как намотано это устройство:

  • Число витков. Чем больше витков, тем выше индуктивность. Это связано с тем, что витки наводят ЭДС друг в друге, чем поддерживают её;
  • Длина катушки и расстояние между витками. Чем больше длина и расстояние между витками, тем меньше индуктивность из-за уменьшенного влияния магнитного поля проводов друг на друга;
  • Площадь сечения обмотки. Чем больше сечение катушки, тем выше индуктивность. Это вызвано меньшим сопротивлением в контуре большего размера магнитному потоку.

Интересно. Индуктор в индукционных электроплитах мотается в виде плоской катушки – «корзины».

Материал сердечника

Кроме числа витков и размеров катушки, на формирование магнитного потока влияет магнитная проницаемость сердечника, вокруг которого она намотана. У разных материалов она различная. Кроме того, имеет значение поперечное сечение сердечника, а также его форма: если он замкнут в кольцо или другую геометрическую фигуру, то поток на всём пути следования проходит по сердечнику с большей проницаемостью, чем воздух, и оказывает большее влияние на соседние витки, что повышает индуктивность катушки с сердечником.

Интересно. Аналогичное влияние оказывает длина магнитопровода: чем он длиннее, тем индуктивность ниже.

Катушка на ферритовом сердечнике

Современные магнитные материалы

Сердечники могут изготавливаться из различных материалов, исходя из рабочей частоты и силы тока:

  • Электротехническая сталь. Применяется в сетях постоянного напряжения в реле и электромагнитах. Использование в устройствах переменного напряжения недопустимо из-за вихревых токов и связанных с этим больших потерь при нагреве;
  • Трансформаторная сталь. Для уменьшения потерь и нагрева сердечники устройств для переменного напряжения собираются из пластин трансформаторной стали. Однако при рабочей частоте, превышающей 1 кГц, и больших токах намагничивания потери становятся слишком большими, поэтому при таких частотах этот материал не используется;
  • Железоникелевые сплавы. Имеют высокую проницаемость при малых полях и низкий предел насыщения. Работают при частотах до 100кГц и используются в магнитофонных головках, датчиках и подобных механизмах;
  • Пермаллои. Железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью. Для придания различных свойств легируются другими металлами;
  • Аморфные и нанокристаллические материалы. Имеют большой диапазон рабочих частот и применяются в электросчётчиках, импульсных трансформаторах в блоках питания и как замена пермаллоев. Имеют, по сравнению с ними, большую рабочую частоту и индукцию насыщения;
  • Магнитодиэлектрики. У этих материалов диапазон частот в десятки мГц, но малая проницаемость и предел насыщения, поэтому работают только в слабых полях. Используются в высокочастотной технике: в магнитопроводах, дросселях и катушках;
  • Ферриты и ферритовые сердечники. У этого материала минимальные вихревые токи, и они могут работать на максимальных рабочих частотах, но имеют малый предел насыщения. Параметры зависят от температуры и ухудшаются (стареют) со временем. У каждой марки есть критическая частота, свыше которой возрастают потери. Это определяет их область применения.

При повышении рабочей частоты материалов уменьшается предел насыщения. Кроме того, свойства магнитопроводов меняются при изменении частоты и насыщенности магнитного потока. Поэтому не рекомендуется использовать материал сердечников в непредназначенных для него условиях.

Вариометр

В некоторых случаях необходимо менять параметры устройства. Это делается разными способами:

  • Изменением положения сердечника. В подстроечных элементах небольшого размера это делается отвёрткой, вращая которую магнитопровод можно выдвинуть из обмотки;
  • Изменением числа витков. В конструкциях небольшого размера это выполняется при помощи переключателей, в крупногабаритных устройствах по виткам передвигается ползунок с контактами;
  • Изменением положения частей катушки относительно друг друга. Если части катушки отодвигать друг от друга, то индуктивность уменьшится, и, наоборот, при приближении она возрастёт. Аналогичный эффект получится, если части катушки без сердечника намотаны на каркасах разного диаметра, и одна вращается внутри другой. Поворотом можно добиться взаимной нейтрализации магнитного потока и, как следствие, уменьшения индуктивности.

Вариометр – катушка с переменной индуктивностью

Знание того, от чего зависит индуктивность, и принципа её работы, а также, зачем в ней нужен сердечник из магнитопроницаемого материала, поможет изготовить катушку индуктивности своими руками.

Видео

Оцените статью:

elquanta.ru

Катушки индуктивности теория: разновидности, применение

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается её значительная инерционность.

 

Устройство обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость.

 

Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, флюкстрола, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах.

 

Существуют также катушки, проводники которых реализованы на печатной плате.

 

Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

 

Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, которая определяет, какой поток магнитного поля создаст катушка при протекании через неё тока силой 1 ампер. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.

 

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке.

 

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

· Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.

· Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.

· В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

 

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

· Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери характерные для диэлектриков конденсаторов).

· Потери от магнитных свойств диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).

 

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

 

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на гистерезис и начальных потерь.

 

Потери на вихревые токи. Ток, протекающий по проводнику, индуцирует ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи становятся источником потерь из-за сопротивления проводников.

 

Разновидности катушек индуктивности

 

Контурные катушки индуктивности. Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность.

 

Катушки связи. Такие 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 жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи.

 

Вариометры. Это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединённых 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. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника.

 

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

 

Сдвоенные дроссели две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике. Т.е. предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов, так и во избежание засорения питающей сети электромагнитными помехами. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный (из трансформаторной стали) или ферритовый сердечник.

 

Применение катушек индуктивности

 

· Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п..

· Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.

· Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор.

· Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.

· Катушки используются также в качестве электромагнитов.

· Катушки применяются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанной плазмы.

· Для радиосвязи — излучение и приём электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна).

o Рамочная антенна

o DDRR

o Индукционная петля

 

· Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.

· Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника.

· Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля. Индукционные магнитометры были разработаны и широко использовались во времена Второй мировой войны.

 

Эффективные способы намотки, разработанные на нашем предприятии:


 

Позволяют снять ограничения на диапазоны применяемых напряжений, токов и температур. Снижают сечение провода, стоимость и массу катушек при тех же условиях эксплуатации. Либо позволяют повысить напряжения, токи и температуру эксплуатации при том же сечении провода.

Наши многолетние исследования показали, что наиболее эффективным способом охлаждения является воздушный. Применение дополнительных видов изоляции иногда бывает нежелательно и ухудшает свойства обмоток. Вместо изоляции мы применяем разделение обмотки на секции. Стремимся к увеличению площади контакта провода с мощными потоками воздуха.

 


1. Разделенная обмотка.

Лучшая альтернатива дополнительной изоляции. Обмотка разделена на любое количество секций, соединенных последовательно. Потенциал между секциями делится на количество секций. Потенциал между слоями делится на количество секций, помноженное на количество слоев. Потенциал между соседними витками в одном слое делится на количество секций, помноженное на количество слоев и количество витков в слое. Таким образом любое опасное пробивное напряжение можно снизить до электрозащитных показателей обыкновенного эмальпровода без применения особых электроизоляционных мер. Чем больше отдельных секций, тем лучше можно организовать охлаждение.


2. Бесконтактная обмотка.

Витки обмотки подвешены в воздухе на специальных растяжках. Не имеют механического, электрического и теплового контакта ни с какими другими материалами катушки, ни с каркасом, ни с корпусом, ни с электроизоляцией. Самое эффективное воздушное охлаждение, тепло- и электроизоляция.


3. Корпус в виде улитки.

Наиболее эффективным способом охлаждения обмоток мы считаем воздушное. Применение такого корпуса с вентиляторами и просчетом аэродинамических характеристик дает значительные преимущества.


4. Двухполупериодная обмотка.

Все новое – это хорошо забытое старое. Разделение обмотки на два плеча и включение через диодный мост дает попеременное включение плеч с частотой сети. В один полупериод одно плечо работает, другое отдыхает. Это позволяет применять обмотки с меньшим сечением. Особенно актуальна двухполупериодная обмотка там, где в небольшие габариты требуется поместить очень мощную обмотку с таким толстым проводом, который невозможно согнуть под требуемыми углами без повреждения. Или промышленность не выпускает настолько толстые шины, и таким образом можно перейти на меньшее сечение.


5. Трубопроводная обмотка.

Для работы на особо высоких температурных режимах. В качестве провода применяется медная труба, циркулирующая жидкость, насосы, теплообменники, хладогенераторы, резервуары.


6. Заливка компаундами с примесями на основе нитрида бора и другими для повышения теплопроводности компаунда. Либо виброустойчивая растяжка с применением специальных техпластин. Применяется на сложных виброударных режимах работы.


Наши специалисты разработают наиболее эффективный способ решения Ваших задач. Мы будем рады с Вами сотрудничать.

 

Ждем Ваших заказов.

sanderelectronics.ru

Индуктивность катушки

Весьма важное практическое значение имеет один частный случай явления электромагнитной индукции, получивший название самоиндукции. Так, когда индукционная катушка образует ток, то одновременно с ним возникает и магнитный поток, который растет с увеличением тока. С изменением магнитного потока катушка индуктирует электродвижущую силу (ЭДС), величина которой пропорциональна изменению скорости магнитного потока.

Так как в данном случае проводник индуцирует электродвижущую силу в самом себе, то это явление называется самоиндукцией. Явление самоиндукции в электрических цепях иногда сравнивают с проявлением инертности в механике.

Электродвижущая сила, индуктированная в индукционной катушке под влиянием изменения её собственного магнитного потока, называется электродвижущей силой самоиндукции.

Согласно закону Ленца, во всё время роста магнитного потока, принизывающего витки катушки, ЭДС самоиндукции в катушке направлена против электродвижущей силы источника, включённого в данную цепь, и противодействует росту тока в цепи катушки.

Когда ток в катушке достигает постоянной величины, магнитный поток прекращает изменение, и ЭДС самоиндукции в катушке становится равной нулю.
При самоиндукции, как и при всяком процессе электромагнитной индукции, индуктированная электродвижущая сила пропорциональна скорости, с которой магнитный поток, сцепленный с контуром, по которому течёт ток, изменяется. Величина же магнитного потока при отсутствии в катушке железа пропорциональна скорости, с которой изменяется ток (∆I/∆t), создающий этот поток.

Таким образом, величина электродвижущей силы самоиндукции, возникающей в проводнике, пропорциональна скорости, с которой изменяется ток в нем.
Если брать проводники разной формы, то окажется, что имея одинаковую скорость изменения тока, электродвижущие силы самоиндукции, возникающие в них, будут различны.

Так, если взять катушку, а затем растянуть в один виток, то при одинаковой скорости, с которой происходит изменение тока, ЭДС самоиндукции катушки будет больше. Это связанно с тем, что каждая силовая линия, принизывая витки катушки, сцепляется с ней большее число раз, чем с одним витком.

Величина, характеризующая связь между скоростью, с которой ток изменяется в цепи, и возникающей при этом ЭДС самоиндукции — индуктивность цепи.

Обозначим индуктивность катушки буквой L; тогда зависимость величины электродвижущей силы самоиндукции от скорости, с которой происходит изменение тока, можно выразить следующей формулой:

E = — L (∆I/∆t)

Отсюда

ед. L = (ед.E ˖ ед. t)/(ед.I)

Полагая, что в этой формуле ∆t = 1 сек, ∆I = 1 амперу и Е = 1 вольту, получим:

ед. L = 1(в ˖ сек/а)

Такую единицу называют генри (Гн).

Следовательно,

1 Гн = 1 (в ˖ сек/а)

Итак, генри — это индуктивность катушки, в которой изменение тока на 1 ампер в секунду возбуждает электродвижущую силу самоиндукции, равную 1 вольту.
Для измерения малых индуктивностей применяются тысячные доли генри – миллигенри (мГн) и миллионные доли генри – микрогенри (мкГн).

Кроме того, часто применяется и другая единица – сантиметр индуктивности, причём 1 мкГн = 1000 см индуктивности.

Таким образом,

1 Гн = 1000 мГн = 1000000 мкГн = 1000000000 см

Индуктивность катушки находится в зависимости от её числа витков, формы и размеров. Чем больше число витков в катушке самоиндукции, тем больше ее индуктивность.

Также, самоиндукция, индуктивность катушки значительно увеличивается при внесении внутрь её сердечника из железа или какого-либо другого магнитного материала.
Большой индуктивностью обладают обмотки электромагнитов у генераторов и двигателей, в момент размыкания цепи, когда скорость изменения электрического тока (∆I/∆t) очень велика, в этих обмотках может возникнуть большая ЭДС самоиндукции, которая, если не принять соответствующих мер, приведёт к пробою изоляции обмоток.

fb.ru

Катушка индуктивности

Катушка
индуктивности винтовая,спиральнаяили винтоспиральная катушка из свёрнутого
изолированногопроводника,
обладающая значительнойиндуктивностьюпри относительно малойёмкостии маломактивном
сопротивлении
. Такая система
способна накапливать магнитнуюэнергиюпри протеканииэлектрического
тока
.

Устройство

Устройство обычно представляет собой
винтовую,спиральнуюили винтоспиральную катушку из
одножильного или многожильного
изолированногопровода,
намотанного на цилиндрический,
тороидальный или прямоугольный каркас
издиэлектрикаили плоскую спираль, волну или полоску
печатного или другого проводника. Также
бывают и бескаркасные катушки. Намотка
может быть как однослойной (рядовая и
с шагом), так и многослойная (рядовая,
внавал, «универсал»). Намотка «универсал»
имеет меньшую паразитную ёмкость.

Для увеличения индуктивности применяют
сердечники из ферромагнитныхматериалов: электротехнической стали,пермаллоя,
карбонильного железа,ферритов.
Также сердечники используют для изменения
индуктивности катушек в небольших
пределах.

Свойства
катушки индуктивности

Катушка индуктивности в
электрической
цепи
хорошо
проводит постоянный
ток
и в то же
время оказывает сопротивление переменному
току
, поскольку
при изменении тока в катушке возникает
ЭДС
самоиндукции
,
препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности
обладает реактивным
сопротивлением

величина которого равна:
,
где—
индуктивность катушки,—циклическая
частота

протекающего тока. Соответственно, чем
больше частота тока, протекающего через
катушку, тем больше её сопротивление.

При протекании тока катушка запасает
энергию, равную работе, которую необходимо
совершить для установления текущего
тока
.
Величина этой энергии равна

При изменении тока в катушке возникает
ЭДС самоиндукции, значение которой

Характеристики катушки
индуктивности

] Индуктивность

Основным
параметром катушки индуктивности
является её индуктивность,
которая определяет, какой поток магнитного
поля

создаст катушка при протекании через
неё тока силой 1 ампер. Типичные значения
индуктивностей катушек от десятых долей
мкГн до десятков Гн.

Индуктивность
соленоида

Индуктивность
торойда

Индуктивность катушки пропорциональна
линейным размерам катушки, магнитной
проницаемости
сердечника и
квадрату числа витков намотки.
Индуктивность катушки, намотанной натороидальномсердечнике

где:

μ0магнитная
постоянная

μiмагнитная
проницаемость
материала
сердечника (зависит от частоты)

se— площадь сечения
сердечника

le— длина средней линии
сердечника

N— число витков

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

При параллельном соединении катушек
общая индуктивность равна

Сопротивление потерь

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

Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

  • Во-первых, провода обмотки обладают
    омическим (активным) сопротивлением.

  • Во-вторых, сопротивление провода обмотки
    переменному току возрастает с ростом
    частоты, что обусловлено скин-эффектом,
    суть которого состоит в том, что ток
    протекает не по всему сечению проводника,
    а по кольцевой части поперечного
    сечения.

  • В третьих, в проводах обмотки, свитой
    в спираль, проявляется эффект близости,
    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 ведёт к
    дополнительному возрастанию сопротивления
    провода.

Потери в диэлектрике

Потери в диэлектрике обусловлены тем,
что между соседними витками катушки
существует паразитная ёмкость,
что приводит к утечкам переменного тока
между витками.

Потери в сердечнике
Потери
в сердечнике складываются из потерь на
вихревые токи, потерь на гистерезис
и начальных потерь.
Потери в экране

Потери в экране обусловлены тем, что
ток, протекающий по катушке, индуцирует
ток в экране.

Добротность

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

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

Температурный
коэффициент индуктивности (ТКИ)

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

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

Разновидности катушек
индуктивности

Контурные катушки индуктивности 

Эти катушки используются совместно с
конденсаторамидля получения резонансных контуров.
Они должны иметь высокую стабильность,
точность идобротность.

Катушки связи 

Такие катушки применяются для обеспечения
индуктивной связи между отдельными
цепями и каскадами. Такая связь позволяет
разделить по постоянному току цепи базыиколлектораи т. д. К таким катушкам не предъявляются
жёсткие требования на добротность и
точность, поэтому они выполняются из
тонкого провода в виде двух обмоток
небольших габаритов. Основными параметрами
этих катушек являются индуктивность и
коэффициент связи.

Вариометры 

Это катушки, индуктивность которых
можно изменять в процессе эксплуатации
для перестройки колебательных контуров.
Они состоят из двух катушек, соединённых
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. В ферровариометрах
индуктивность изменяется перемещением
ферромагнитного сердечника.

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 или ферритовые сердечники.

Сдвоенный дроссель

Сдвоенные дроссели 

две намотанных встречно катушки
индуктивности, используются в фильтрах
питания. За счёт встречной намотки и
взаимной
индукции
более эффективны при
тех же габаритных размерах. Сдвоенные
дроссели получили широкое распространение
в качестве входных фильтров блоков
питания; в дифференциальных сигнальных
фильтрах цифровых линий, а также в
звуковой технике.

Применениекатушек индуктивности

  • Катушки индуктивности (совместно с
    конденсаторамии/илирезисторами)
    используются для построения различных
    цепей с частотно-зависимыми свойствами,
    в частности, фильтров, цепейобратной
    связи
    ,колебательных
    контуров
    и т. п..

  • Катушки индуктивности используются в
    импульсных
    стабилизаторах
    как элемент,
    накапливающий энергию и преобразующий
    уровни напряжения.

  • Две и более индуктивно связанные катушки
    образуют трансформатор.

  • Катушка индуктивности, питаемая
    импульсным током от транзисторного
    ключа
    , иногда применяется в
    качестве источника высокого напряжения
    небольшой мощности в слаботочных
    схемах, когда создание отдельного
    высокого питающего напряжения в блоке
    питания невозможно или экономически
    нецелесообразно. В этом случае на
    катушке из-засамоиндукциивозникают выбросы высокого напряжения,
    которые можно использовать в схеме,
    например, выпрямив и сгладив.

  • Катушки используются также в качестве
    электромагнитов.

  • Катушки применяются в качестве источника
    энергии для возбуждения индуктивно-связанной
    плазмы
    .

  • Для радиосвязи — излучение и приём
    электромагнитных волн (магнитная
    антенна, кольцевая антенна).

  • Для разогрева электропроводящих
    материалов в индукционных
    печах
    .

  • Как датчикперемещения: изменение индуктивности
    катушки может изменяться в широких
    пределах перемещением (вытаскиванием)
    сердечника.

  • Катушка индуктивности используется в
    индукционных датчиках магнитного поля.
    Индукционные
    магнитометры
    были разработаны
    и широко использовались во временаВторой
    мировой войны
    .[3]

studfiles.net