Исследование катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником на переменном токе

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

Катушка индуктивности (дроссель) на материнской плате компьютера Обозначение на электрических принципиальных схемах

Кату́шка индукти́вности

(иногда
дроссель
) — 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.

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

Содержание
  1. Содержание
  2. Терминология[ | ]
  3. Конструкция[ | ]
  4. Конструкция
  5. Свойства катушки индуктивности[ | ]
  6. Расчет катушки индуктивности
  7. Конструкция катушки
  8. Расчет параметров катушки индуктивности
  9. Расчёт индуктивности прямого провода
  10. Расчёт однослойной намотки
  11. Дроссель с сердечником
  12. Многослойная намотка
  13. Характеристики катушки индуктивности[ | ]
  14. Индуктивность[ | ]
  15. Сопротивление потерь[ | ]
  16. Потери в проводах[ | ]
  17. Потери в диэлектрике[ | ]
  18. Потери в сердечнике[ | ]
  19. Потери на вихревые токи[ | ]
  20. Добротность[ | ]
  21. Паразитная ёмкость и собственный резонанс[ | ]
  22. Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)[ | ]
  23. Температурный коэффициент добротности (ТКД)[ | ]
  24. Как определить эффективную магнитную проницаемость сердечника с зазором
  25. Разновидности катушек индуктивности[ | ]
  26. Намотка катушки индуктивности на торои­дальные магнитопроводы
  27. Последние сообщения
  28. Популярные сообщения
  29. Применение катушек индуктивности[ | ]
  30. Примечания[ | ]

Содержание

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

    Стандартизированные термины:

    Индуктивная катушка

    — элемент электрической цепи, предназначенный для использования его индуктивности[1] (ГОСТ 19880-74, см. термин 106).

    Катушка индуктивности

    — индуктивная катушка, являющаяся элементом колебательного контура и предназначенная для использования её добротности[2] (ГОСТ 20718-75, см. термин 1).

    Электрический реактор

    — индуктивная катушка, предназначенная для использования её в силовой электрической цепи[3] (ГОСТ 18624-73, см. термин 1). Одним из видов реактора является токоограничивающий реактор, например, для ограничения тока короткого замыкания ЛЭП.

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

    , а иногда реактором. Стоит отметить, что такое толкование нестандартизированного термина
    «дроссель»
    (являющегося калькой с нем.
    Drossel)
    пересекается со стандартизированными терминами. В случае если работа данного элемента цепи основана на добротности катушки, то такой элемент следует называть «катушкой индуктивности», в противном случае «индуктивной катушкой».

    Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой намного превышает диаметр, называют соленоидом

    , магнитное поле внутри длинного соленоида однородно. Кроме того, зачастую
    соленоидом
    называют устройство, выполняющее механическую работу за счёт магнитного поля при втягивании ферромагнитного сердечника, или
    электромагнитом
    . В электромагнитных реле называют
    обмоткой реле
    , реже — электромагнитом.

    Нагревательный индуктор

    — специальная катушка индуктивности, рабочий орган установок индукционного нагрева.

    При использовании для накопления энергии (например, в схеме импульсного стабилизатора напряжения) называют индукционным накопителем

    или накопительным дросселем.

    Конструкция[ | ]

    Конструктивно выполняется в виде винтовых или винтоспиральных (диаметр намотки изменяется по длине катушки) катушек однослойных или многослойных намоток изолированного одножильного или многожильного (литцендрат) проводника на диэлектрическом каркасе круглого, прямоугольного или квадратного сечения, часто на тороидальном каркасе или, при использовании толстого провода и малом числе витков — без каркаса. Иногда, для снижения распределённой паразитной ёмкости, при использовании в качестве высокочастотного дросселя

    однослойные катушки индуктивности наматываются с «прогрессивным» шагом — шаг намотки плавно изменяется по длине катушки. Намотка может быть как
    однослойной
    (рядовая и с шагом), так и
    многослойной
    (рядовая, внавал, типа «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость. Часто, опять же, для снижения паразитной ёмкости, намотку выполняют секционированной, группы витков отделяются пространственно (обычно по длине) друг от друга.

    Для увеличения индуктивности катушки часто снабжают замкнутым или разомкнутым ферромагнитным сердечником. Дроссели подавления высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа. Дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций промышленной и звуковой частот, имеют сердечники из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев). Также сердечники (в основном ферромагнитные, реже диамагнитные) используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах путём изменения положения сердечника относительно обмотки. На сверхвысоких частотах, когда ферродиэлектрики теряют свою магнитную проницаемость и резко увеличивают потери, применяются металлические (латунные) сердечники.

    На печатных платах электронных устройств также иногда делают плоские «катушки» индуктивности: геометрия печатного проводника выполняется в виде круглой или прямоугольной спирали, волнистой линии или в виде меандра. Такие «катушки индуктивности» часто используются в сверхбыстродействующих цифровых устройствах для выравнивания времени распространения группы сигналов по разным печатным проводникам от источника до приемника, например, в шинах данных и адреса[4].

    Конструкция

    Конструктивно выполняется в виде винтовых или винтоспиральных (диаметр намотки изменяется по длине катушки) катушек однослойных или многослойных намоток изолированного одножильного или многожильного (литцендрат) проводника на диэлектрическом каркасе круглого, прямоугольного или квадратного сечения, часто на тороидальном каркасе или, при использовании толстого провода и малом числе витков — без каркаса. Иногда, для снижения распределённой паразитной ёмкости, при использовании в качестве высокочастотного дросселя

    однослойные катушки индуктивности наматываются с «прогрессивным» шагом — шаг намотки плавно изменяется по длине катушки. Намотка может быть как
    однослойной
    (рядовая и с шагом), так и
    многослойной
    (рядовая, внавал, типа «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость. Часто, опять же, для снижения паразитной ёмкости, намотку выполняют секционированной, группы витков отделяются пространственно (обычно по длине) друг от друга.

    Для увеличения индуктивности катушки часто снабжают замкнутым или разомкнутым ферромагнитным сердечником. Дроссели подавления высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа. Дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций промышленной и звуковой частот, имеют сердечники из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев). Также сердечники (в основном ферромагнитные, реже диамагнитные) используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах путём изменения положения сердечника относительно обмотки. На сверхвысоких частотах, когда ферродиэлектрики теряют свою магнитную проницаемость и резко увеличивают потери, применяются металлические (латунные) сердечники.

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

    Свойства катушки индуктивности[ | ]

    Свойства катушки индуктивности:

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

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

    Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением, модуль которого X L = ω L {displaystyle X_{L}=omega L}, где L {displaystyle L} — индуктивность катушки, ω {displaystyle omega } — циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.

    Катушка с током запасает энергию в магнитном поле, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока I {displaystyle I}. Эта энергия равна:

    Векторная диаграмма в виде комплексных амплитуд для идеальной катушки индуктивности в цепи синусоидального напряжения Катушка индуктивности в переменном напряжении — аналог подверженного механическим колебаниям тела с массой. E сохр = 1 2 L I 2. {displaystyle E_{mathrm { ext{сохр}} }={1 over 2}LI^{2}{mbox{.}}}

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

    ε = − L d I d t. {displaystyle varepsilon =-L{dI over dt}{mbox{.}}}

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

    | ε | = − ε = U. {displaystyle |varepsilon |=-varepsilon =U{mbox{.}}}

    При замыкании катушки с током на резистор происходит переходной процесс, при котором ток в цепи экспоненциально уменьшается в соответствии с формулой[5]:

    I = I 0 e x p ( − t / T ), {displaystyle I=I_{0}exp(-t/T){mbox{,}}}

    где : I {displaystyle I} — ток в катушке,

    I 0 {displaystyle I_{0}} — начальный ток катушки, t {displaystyle t} — текущее время, T {displaystyle T} — постоянная времени.

    Постоянная времени выражается формулой:

    T = L / ( R + R i ), {displaystyle T=L/(R+R_{i}){mbox{,}}}

    где R {displaystyle R} — сопротивление резистора,

    R i {displaystyle R_{i}} — омическое сопротивление катушки.

    При закорачивании катушки с током процесс характеризуется собственной постоянной времени T i {displaystyle T_{i}} катушки:

    T i = L / R i. {displaystyle T_{i}=L/R_{i}{mbox{.}}}

    При стремлении R i {displaystyle R_{i}} к нулю, постоянная времени стремится к бесконечности, именно поэтому в сверхпроводящих контурах ток течёт «вечно».

    В цепи синусоидального тока, ток в катушке по фазе отстаёт от фазы напряжения на ней на π/2.

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

    F = m d v d t {displaystyle F =m{dv over dt}} ↔ | ε | = L d I d t {displaystyle |varepsilon |=L{dI over dt}},

    где

    F {displaystyle F } ↔ | ε | {displaystyle |varepsilon |} ↔ U {displaystyle U } ; m {displaystyle m } ↔ L {displaystyle L } ; d v {displaystyle dv } ↔ d I {displaystyle dI } E c o x p = 1 2 L I 2 {displaystyle E_{mathrm {coxp} }={1 over 2}LI^{2}} ↔ E k i n e t = 1 2 m v 2 {displaystyle E_{mathrm {kinet} }={1 over 2}mv^{2}}

    Расчет катушки индуктивности

    Как рассчитать индуктивность катушки без сердечника?

    > Теория > Расчет катушки индуктивности

    Катушки индуктивности предназначены для фильтрации токов высокой частоты. Они устанавливаются в колебательных контурах и используются для других целей в электрических и электронных схемах. Готовое устройство заводского изготовления надёжнее в работе, но дороже, чем изготовленное своими руками. Кроме того, не всегда удаётся приобрести элемент с необходимыми характеристиками. В этом случае расчёт катушки индуктивности и само устройство можно сделать самостоятельно.

    Устройство катушки индуктивности

    Конструкция катушки

    Каркас устройства изготавливается из диэлектрика. Это может быть тонкий (нефольгированный) гетинакс, текстолит, а на тороидальных сердечниках –просто обмотка из лакоткани или аналогичного материала.

    Обмотка выполняется из одножильного или многожильного изолированного провода.

    Внутрь обмотки вставляется сердечник. Он изготавливается из железа, трансформаторной стали, феррита и других материалов. Он может быть замкнутым, тороидальным (бублик), квадратным или незамкнутым (стержень). Выбор материала зависит от условий работы: частоты, магнитного потока и других параметров.

    Кроме того, есть приборы, в которых сердечник отсутствует. Они характеризуются большой линейностью импеданса, но при намотке тороидальной формы обладают паразитной ёмкостью.

    Расчет параметров катушки индуктивности

    Протекающий по проводу электрический ток создаёт вокруг него электромагнитное поле. Соотношение величины поля к силе тока называется индуктивностью. Если провод свернуть кольцом или намотать на каркас, то получится катушка индуктивности. Её параметры рассчитывают по определённым формулам.

    Расчёт индуктивности прямого провода

    Индуктивность прямого стержня – 1-2мкГн на метр. Она зависит от его диаметра. Точнее можно рассчитать по формуле:

    L=0.2l(logl/d-1), где:

    • d – диаметр провода,
    • l – длина провода.

    Эти величины нужно измерять в метрах (м). При этом результат будет иметь размерность микрогенри (мкГн). Вместо натурального логарифма ln допустимо использовать десятичный lg, который в 2,3 раза меньше.

    Предположим, что какая-то деталь подключена проводами длиной 4 см и диаметром 0,4 мм. Произведя при помощи калькулятора расчет по выше приведённой формуле, получаем, что индуктивность каждого из этих проводов составит (округлённо) 0,03 мкГн, а двух – 0,06 мкГн.

    Ёмкость монтажа составляет порядка 4,5пФ. При этом резонансная частота получившегося контура составит 300 МГц. Это диапазон УКВ.

    Важно! Поэтому при монтаже устройств, работающих в частотах УКВ, длину выводов деталей нужно делать минимальной.

    Расчёт однослойной намотки

    Для увеличения индуктивности провод сворачивается кольцом. Величина магнитного потока внутри кольца выше примерно в три раза. Рассчитать её можно при помощи следующего выражения:

    L = 0,27D(ln8D/d-2), где D – диаметр кольца, измеренный в метрах.

    При увеличении количества витков индуктивность продолжает расти. При этом индукция отдельных витков влияет на соседние, поэтому получившиеся параметры пропорциональны не количеству витков N, а их квадрату.

    Читайте также:  Простой импульсный блок питания на ir2153(d) для усилителя и не только

    Дроссель с сердечником

    Параметры обмотки, намотанной на каркас, диаметром намного меньше длины рассчитывается по формуле:

    L=*0*N2*S.

    Она справедлива для устройства большой длины или большого тора.

    Размерность в ней дана в метрах (м) и генри (Гн). Здесь:

    • 0 = 4•10-7 Гн/м – магнитная константа,
    • S = D2/4 – площадь поперечного сечения обмотки, магнитная проницаемость магнитопровода, которая меньше проницаемости самого материала и учитывает длину сердечника; в разомкнутой конструкции она намного меньше, чем у материала.

    Например, если стержень антенны изготовить из феррита с проницаемостью 600 (марки 600НН), то у получившегося изделия она будет равна 150. При отсутствии магнитного сердечника = 1.

    Для того чтобы использовать это выражение для расчёта обмоток, намотанных на тороидальном сердечнике, его необходимо измерять по средней линии «бублика». При расчёте обмоток, намотанных на железе Ш-образной формы без воздушного зазора, длину пути магнитного потока измеряют по средней линии сердечника.

    Катушка с Ш-образным сердечником

    В расчёте диаметр провода не учитывается, поэтому в низкочастотных конструкциях сечение провода выбирается по таблицам, исходя из допустимого нагрева проводника.

    В высокочастотных устройствах, так же как и в остальных, стремятся свести омическое сопротивление к минимуму для достижения максимальной добротности прибора. Простое повышение сечения провода не помогает. Это приводит к необходимости наматывать обмотку в несколько слоёв. Но ток ВЧ идёт преимущественно по поверхности, что приводит к увеличению сопротивления. Добротность в высокочастотных элементах растёт вместе с увеличением всех размеров: длины и диаметров обмотки и провода.

    Максимальная добротность получается в короткой обмотке большого диаметра, с соотношением диаметр/длина, равным 2,5. Параметры такого устройства вычисляются по формуле:

    L=0.08D2N2/(3D+9b+10c).

    В этой формуле все параметры измеряются в сантиметрах (см), а результат получается в микрогенри (мкГн).

    По этой формуле рассчитывается также плоская катушка. Диаметр «D» измеряется по среднему витку, а длина «l» по ширине:

    l=Dmax-Dmin.

    Многослойная намотка

    Многослойная намотка без сердечника вычисляется по формуле:

    L=0.08D2N2/(3D+9b+10c).

    Размеры здесь измеряются в сантиметрах (см), а результат получается в микрогенри (мкГн).

    Добротность такого устройства зависит от способа намотки:

    • обычная плотная намотка – самая плохая, не более 30-50;
    • внавал и универсал;
    • «сотовая».

    Для увеличения добротности при частоте до 10 мГц вместо обычного, одножильного провода, можно взять литцендрат или посеребренный проводник.

    Справка. Литцендрат – это провод, скрученный из большого количества тонких изолированных друг от друга жил.

    Литцендрат имеет большую поверхность, по сравнению с одножильным проводником того же сечения, поэтому на высоких частотах его сопротивление ниже.

    Использование сердечника в высокочастотных устройствах повышает индуктивность и добротность катушки. Особенно большой эффект даёт использование замкнутых сердечников. При этом добротность дросселя зависит не от активного сопротивления провода, а от проницаемости магнитопровода. Рассчитывается такой прибор по обычным формулам для низкочастотных устройств.

    Сделать катушку или дроссель можно самостоятельно. Перед тем, как её изготавливать, необходимо рассчитать индуктивность катушки по формулам или при помощи онлайн-калькулятора.

    Источник: https://elquanta.ru/teoriya/raschet-katushki-induktivnosti.html

    Характеристики катушки индуктивности[ | ]

    Индуктивность[ | ]

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

    Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки-соленоида[источник не указан 2279 дней

    ]:
    L = μ 0 ⋅ μ r ⋅ s e ⋅ N 2 / l e, {displaystyle L=mu _{0}cdot mu _{r}cdot s_{e}cdot N^{2}/l_{e}{mbox{,}}} где μ 0 {displaystyle mu _{0}} — магнитная постоянная, μ r {displaystyle mu _{r}} — относительная магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты), s e {displaystyle s_{e}} — площадь сечения сердечника, l e {displaystyle l_{e}} — длина средней линии сердечника, N {displaystyle N} — число витков. Схема последовательного соединения катушек индуктивности. Ток через каждую катушку один и тот же.
    При последовательном соединении катушек общая индуктивность равна сумме индуктивностей всех соединённых катушек:

    L = ∑ i = 1 N L i. {displaystyle L=sum _{i=1}^{N}L_{i}{mbox{.}}} Электрическая схема параллельного соединения нескольких катушек индуктивности. Напряжение на всех катушках одинаково

    При параллельном соединении катушек общая индуктивность равна:

    L = 1 ∑ i = 1 N 1 L i. {displaystyle L={frac {1}{sum _{i=1}^{N}{frac {1}{L_{i}}}}}{mbox{.}}}

    Сопротивление потерь[ | ]

    В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых импеданс катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь R пот {displaystyle R_{ ext{пот}}}.

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

    R пот = r w + r d + r s + r e, {displaystyle R_{ ext{пот}}=r_{w}+r_{d}+r_{s}+r_{e}{mbox{,}}} где r w {displaystyle r_{w}} — потери в проводах, r d {displaystyle r_{d}} — потери в диэлектрике, r s {displaystyle r_{s}} — потери в сердечнике, r e {displaystyle r_{e}} — потери на вихревые токи

    Потери в проводах[ | ]

    Потери в проводах вызваны тремя причинами:

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

    Потери в диэлектрике[ | ]

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

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

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

    Потери в сердечнике[ | ]

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

    Потери на вихревые токи[ | ]

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

    Добротность[ | ]

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

    Q = ω L R пот. {displaystyle Q={frac {omega {}L}{R_{ ext{пот}}}}{mbox{.}}} Векторная диаграмма потерь и добротности реальной катушки индуктивности. Обозначения:
    Z
    — импеданс;
    Xc
    — ёмкостная составляющая импеданса;
    Xl
    — индуктивная составляющая импеданса;
    X
    — реактивная составляющая импеданса;
    Ri
    — активная составляющая импеданса.

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

    Практически добротность 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 посеребрённого провода, применением многожильного провода вида «литцендрат» для снижения потерь, вызванных скин-эффектом.

    Паразитная ёмкость и собственный резонанс[ | ]

    Эквивалентная схема и некоторые формулы реальной катушки индуктивности без ферромагнитного сердечника
    Межвитковая паразитная ёмкость проводника в составе катушки индуктивности превращает катушку в сложную распределенную цепь. В первом приближении можно принять, что реальная катушка эквивалентно представляет собой идеальную индуктивность, включенной последовательно с резистором активного сопротивления обмотки с присоединенной параллельно этой цепочке паразитной ёмкостью (см. рис). В результате этого катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. Эта резонансная частота легко может быть измерена и называется собственной частотой резонанса

    катушки индуктивности. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный, при частотах вблизи резонанса в основном активный (на частоте резонанса чисто активный) и большой по модулю, на частотах много выше частоты собственного резонанса — ёмкостный. Обычно собственная частота указывается изготовителем в технических данных промышленных катушек индуктивности, либо в явном виде, либо косвенно — в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.
    Зависимость модуля импеданса и активной составляющей импеданса от частоты для реальной катушки индуктивности
    На частотах ниже собственного резонанса этот эффект проявляется в падении добротности с ростом частоты.

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

    Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)[ | ]

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

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

    T K L = Δ L L Δ T. {displaystyle TKL={frac {Delta L}{LDelta T}}{mbox{.}}}

    Температурный коэффициент добротности (ТКД)[ | ]

    ТКД — это параметр, характеризующий зависимость добротности катушки от температуры. Температурная нестабильность добротности обусловлена тем же рядом факторов, что и индуктивности.

    T K Q = Δ Q Q Δ T. {displaystyle TKQ={frac {Delta Q}{QDelta T}}{mbox{.}}}

    Как определить эффективную магнитную проницаемость сердечника с зазором

    Эффективная магнитная проницаемость сердечника с зазором μе связанная c таким понятием, как сопротивление магнитному потоку Rm, которое имеет сходство с электрическим сопротивлением в том плане, что зависит от длины и сечения магнитопровода (электросопротивление зависит от длины и сечения электрического проводника). Сопротивление магнитному потоку определяется следующим выражением

    Из данного выражения можно сделать вывод, что чем меньше магнитная проницаемость материала, тем выше магнитное сопротивление. Не трудно заметить, что с учетом относительной магнитной проницаемости вещества сердечника (порядка нескольких тысяч) и воздуха (примерно равно единице), магнитное сопротивление сердечника с зазором будет, в значительной степени, определятся размерами воздушного зазора.

    Магнитная цепь магнитопровода с воздушным зазором.

    Таким образом, полное магнитное сопротивление сердечника с зазором RO будет состоять из последовательных магнитных сопротивлений сердечника RC и магнитного сопротивления зазора RЗ. С учётом того что относительная магнитная проницаемость воздуха примерно равна единице μr = 1, то получим следующее выражение

    где μ0 – магнитная постоянная, μ0 = 4π*10-7,

    μе – эквивалентная магнитная проницаемость сердечника с зазором,

    μr – абсолютная магнитная проницаемость вещества сердечника,

    Se – эффективная площадь поперечного сечения сердечника,

    le – эффективный путь магнитной линии сердечника,

    l0 – длина магнитной силовой линии сердечника с зазором,

    δ – длина воздушного зазора.

    После преобразования получим

    Так как длина зазора меньше чем длина магнитной линии сердечника (δ << le), то из данного выражения можно получить выражение для эффективной магнитной проницаемости сердечника с зазором

    где μе – эквивалентная магнитная проницаемость сердечника с зазором,

    μr – абсолютная магнитная проницаемость вещества сердечника,

    le – эффективный путь магнитной линии сердечника,

    δ – длина воздушного зазора.

    Данное выражение показывает, что эффективная магнитная проницаемость сердечника с зазором, а, следовательно, и индуктивность катушки про прочих постоянных параметрах уменьшается при увеличении величины зазора.

    Разновидности катушек индуктивности[ | ]

    Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике
    Эти катушки используются совместно с конденсаторами для организации резонансных контуров. Они должны иметь высокую термо- и долговременную стабильность, и добротность, требования к паразитной ёмкости обычно несущественны.
    Катушки связи, или трансформаторы связи
    Взаимодействующие магнитными полями пара и более катушек обычно включаются параллельно конденсаторам для организации колебательных контуров. Такие катушки применяются для обеспечения трансформаторной связи между отдельными цепями и каскадами, что позволяет разделить по постоянному току, например, цепь базы последующего усилительного каскада от коллектора предыдущего каскада и т. д. К нерезонансным разделительным трансформаторам не предъявляются жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи (коэффициент взаимоиндукции).
    Вариометры
    Это катушки, индуктивностью которых можно управлять (например, для перестройки частоты резонанса колебательных контуров) изменением взаимного расположения двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая обычно располагается внутри первой и вращается (ротор). Существуют и другие конструкции вариометров. При изменении положения ротора относительно статора изменяется степень взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника относительно обмотки, либо изменением длины воздушного зазора замкнутого магнитопровода.
    Дроссели
    Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Дроссели включаются последовательно с нагрузкой для ограничения переменного тока в цепи, они часто применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента, а также в качестве балласта для включения разрядных ламп в сеть переменного напряжения. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины или кольца), нанизанные на отдельные провода или группы проводов (кабели) для подавления синфазных высокочастотных помех. Сдвоенный дроссель
    Сдвоенные дроссели
    Это две намотанных встречно или согласованно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. При согласной намотке эффективны для подавления дифференциальных помех. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике[6][7]. Предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов из питающей сети, так и во избежание проникновения в питающую сеть электромагнитных помех, генерируемых устройством. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный сердечник (из трансформаторной стали). Для фильтрации высокочастотных помех — сердечник ферритовый.

    Читайте также:  Предохранитель 40A Audison SFA 040.1 Fuse (компл)

    Намотка катушки индуктивности на торои­дальные магнитопроводы

    Радиолюбители довольно широко применяют в своих конструкциях катушки индуктивности с тороидальны- ми (кольцевыми) магнитопроводами. По сравнению с катушками с магнито­проводами других типов такие катушки имеют ряд преимуществ — высокую добротность, отсутствие внешних по­лей рассеяния, невосприимчивость к внешним магнитным полям и т. д.

    Однако намотка катушек на торои­дальных магнитопроводах сопряжена с известными трудностями, особенно при большом числе витков. Радиолюби­тели при намотке таких катушек обычно используют самодельные плоские шпу­ли или челноки. Для облегчения изго­товления катушек, содержащих боль­шое число витков, иногда кольцевой магнитопровод (обычно он феррито­вый) аккуратно разламывают на две части, наматывают на каждой из них половинное число витков, после чего половинки магнитолровода склеивают, а полуобмотки соединяют согласно-по­следовательно (т. е. конец одной с на­чалом другой).

    Такому способу свойст­венны существенные недостатки: из-за механических воздействий значитель­но снижается начальная магнитная про­ницаемость материала магнитопрово­да, наличие немагнитных зазоров в местах склеивания уменьшает магнит­ную проницаемость — в результате эф­фективная магнитная проницаемость магнитопровода снижается на порядок, а то и более. Для получения требуемой индуктивности катушки приходится пропорционально увеличивать число ее витков, в результате чего возрастает активное сопротивление обмотки и снижается ее добротность. Из-за не­равномерности распределения витков катушки по магнитопроводу магнитное поле уже не локализуется внутри катуш­ки, дополнительное выпячивание маг­нитного поля из магнитопровода про­исходит в местах склеивания — уве­личиваются внешние поля рассеяния, катушка требует экранирования

    Предлагаемый способ позволяет из­готавливать катушки индуктивности на тороидальных (кольцевых) магнитопро­водах с наружным диаметром 10 мм и менее, индуктивностью до нескольких генри с малыми трудовыми затратами. Этим способом можно изготавливать катушки с максимально достижимыми значениями индуктивности и доброт­ности. полностью заполняя обмоткой окно магнитопровода. Такого результата можно достичь, если катушку намотать высокочастот­ным обмоточным проводом (устарев­шее название — литцендрат), представ­ляющим собой жгут (пучок) изолирован­ных одна от другой и скрученных вместе проволок диаметром 0.03—0,1 мм с наружной волокнистой шелковой одно­слойной (марка ЛЭШО) или лавсановой (марка ЛЭ/10) изоляцией (если наруж­ная изоляция состоит из двух слоев — соответственно ЛЭШД или ЛЭЛД). Про­волок в пучке может быть от трех до не­скольких сотен, но для поставленной цели наиболее пригодны провода с числом проволок 7—10 диаметром 0.05 или 0,07 мм. например. ЛЭШО или ЛЭЛО 10×0.05; 7×0.07; 10×0,07.

    Суть способа заключается в том. что катушку наматывают сравнительно толстым проводом-жгутом, а затем составляющие его тонкие изолирован­ные провода соединяют между собой согласно-последовательно, в резуль­тате чего требуемое число витков уменьшается в равное числу проводов раз. Технологический процесс состоит из трёх выполняемых последовательно операций; подготовки магнитопрово­да. собственно намотки и соединения проводов. Подготовка магнитопровода заклю­чается в тщательном скруглении острых кромок мелкозернистой наждачной бумагой во избежание повреждения изоляции тонкого обмоточного прово­да. После этого магнитопровод с не­большим натягом обматывают фторо­пластовой лентой.

    Такая лента под на­званием ФУМ (фторопластовый уплот­нительный материал) продается в хозяйственных магазинах. Её необхо­димо распустить на полоски шириной 4…5 мм и обмотать такой полоской магнитопровод в один слой. Этим до­стигаются две цели: исключаются межвитковые замыкания обмотки катушки через магнитопровод и снижается тре­ние провода о него при намотке. При работе с ферритовыми магнитопрово­дами следует избегать непосредствен­ных ударов по ним и их падений на жесткие предметы, так как при этом может произойти значительное необ­ратимое изменение начальной магнит­ной проницаемости материала.

    Далее определяют необходимую длину многожильного провода для об­мотки. Если известно число витков ка­тушки, то рассчитывают число витков провода, разделив первое из этих чисел на число проволок в проводе. Умножив число витков на среднюю длину витка, получаем необходимую длину провода Среднюю длину витка / я рассчитываю по эмпирической формуле / = D +3h, где D — наружный диаметр магнитопрово­да; h — его высота. Для ферритового кольца типоразмера К 10x6x5 (от дрос­селя ЭПРА КЛЛ) / = 25 мм. Для катушки, состоящей из 150 витков (коэффициент заполнения окна менее 0.5), потребу­ется примерно 25х 150 = 3750 мм = 3,8 м провода ЛЭШО 7×0,07. Это позволит получить катушку, содержащую 900… 1000 витков провода диаметром 0.07 мм. индуктивностью свыше 1 Гн.

    ferritovye-kolca
    Далее, продев провод через магнито­провод и поместив последний примерно посередине провода, привязываю его одинарным узлом так, чтобы место пе­рекрещивания провода 1 располагалось на наружной цилиндрической поверхно­сти кольца 2 (рис. 1). Концы провода на длине примерно 50 мм и узел промазы­ваю нитроклеем. Минут через пять, пос­ле высыхания клея, начинаю наматывать катушку, плотно укладывая витки по внутреннему диаметру кольца.

    Во избе­жание расползания витков через каждые два-три витка узел “повторяю”, пропус­кая конец провода внутрь витка. Пройдя первый слой и закрепив конец провода узлом, деревянной зубочисткой устра­няю бочкообразность обмотки внутри кольца, поджимая провод к магнитопро­воду. Следующий слой наматываю вто­рым концом провода с небольшим натя­гом так. чтобы не оборвать проволоки. Жесткие, пропитанные клеем концы провода облегчают заведение его внутрь кольца. Так. чередуя намотку од­ним и другим концами провода, запол­няю окно, равномерно распределяя обмотку по кольцу. После намотки ка­тушки изготавливаю каркас.

    Для этого в пластине из листового полистирола или другого термоплас­тичного материала толщиной 3…4 мм сверлю отверстие диаметром на 2…3 мм меньше диаметра получившей­ся катушки. Затем в него ввожу стер­жень разогретого паяльника мощ­ностью 40…65 Вт и его очищенной от окалины боковой поверхностью разо­греваю стенки отверстия. Разогрев веду, непрерывно перемещая стержень паяльника по цилиндрической поверх­ности отверстия. Оно при этом как бы “развальцовывается”, его диаметр уве­личивается и на его кромках появляют­ся кольцевые буртики. Развальцевав отверстие до необходимого диаметра, вставляю в него катушку, и пока заго­товка не остыла, пинцетом аккуратно обжимаю буртики вокруг катушки.

    ferritovyj-serdechnik
    В результате после остывания заготовки она оказывается надежно зафиксиро­ванной в отверстии. Далее заготовку опиливаю до получения необходимой формы каркаса (рис. 2). Излишки про­вода обрезаю, оставив концы длиной 25…30 мм. Отделив из каждого пучка по одной проволоке, облуживаю их. поль­зуюсь известным способом — осто­рожно протягивая проволоку под жалом паяльника с набранным припоем по от­резку поливинилхлоридной изоляции, снятой с монтажного провода. Изоля­ция проволоки при этом разрушается, и происходит ее облуживание. В торцы каркаса 3 вплавляю отрезки лужёного провода диаметром 0.6…0.8 мм — они будут служить выводами 1 катушки 2. Облуженные проволоки наматываю на выводы 1, места намотки пропаиваю.

    Облуживание тонкой проволоки — операция весьма деликатная, велик риск её оборвать, поэтому остальные проволоки я соединяю без снятия изо­ляции методом сварки. Для этого, взяв по одной проволоке от начала и конца обмотки, скручиваю их на длине при­мерно 10 мм и нагреваю место скрутки в пламени многоразовой газовой зажи­галки с инжекционной горелкой. Пламя такой зажигалки имеет вид узкого кону­са голубого цвета. При нагреве прово­локи расплавляются, образуя на месте соединения шарик расплавленного металла 4.

    После остывания место со­единения укладываю на каркас так, чтобы проволоки прилегали к каркасу 3, и фиксирую на нём, нагревая жалом остро заточенного паяльника до погру­жения шарика и проволок в тело карка­са. Так достигается механическая проч­ность места соединения. После этого скручиваю, свариваю и фиксирую в кар­касе вторую пару проволок, затем тре­тью и т. д. В результате все проволоки оказываются соединёнными последо­вательно. поэтому нет необходимости их “прозвонки”. Соединив все проволо­ки. убеждаюсь в целостности обмотки и отсутствии короткозамкнутых витков в полученной катушке индуктивности, после чего места соединений проволок покрываю клеем БФ-2.

    Предлагаемый способ изготовления катушек индуктивности позволяет зна­чительно снизить трудозатраты при их изготовлении. Следует, однако, учесть, что собственная емкость намотанной таким способом катушки значительно больше, чем намотанной по обычной технологии внавал.

    Последние сообщения

    • Подключение линии капельного орошения к спринклерной системе03.08.2020
    • Сколько стоит заменить гибридную батарею03.08.2020
    • Что такое компонентный ремонт30.07.2020

    Популярные сообщения

    • Усилитель Зуева18.05.2015
    • Расчет радиатора для КРЕНки03.12.2017
    • Устройство для восстановления Fuse байтов в ATtiny231329.10.2016

    Применение катушек индуктивности[ | ]

    Балластный дроссель. Конструкция, применяющаяся в качестве реактивного сопротивления для разрядных ламп на частоте 50 — 60 Гц. В связи с заметной зависимостью сопротивления дросселя от режима работы и от частотного спектра тока сопротивление дросселя определяется как отношение напряжения к току при замкнутой лампе и токе через дроссель, равный рабочему току лампы. В электронном пуско-регулирующем аппарате для люминесцентной лампы, работающем на частоте 20 — 50 кГц, дроссель изготавливается на ферритовом сердечнике и имеет существенно меньшие размеры.

    • 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, периодически подключаемая через транзисторный ключ к источнику низкого напряжения, 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 после выпрямления диодом и сглаживания конденсатором преобразуются в постоянное напряжение.
    • Катушки используются также в качестве электромагнитов — исполнительных механизмов.
    • Катушки применяются в качестве источника энергии для нагрева индуктивно-связанной плазмы, а также её диагностики.
    • Для радиосвязи — приёма электромагнитных волн, редко — для излучения: Ферритовая антенна;
    • Рамочная антенна, кольцевая антенна;
    • Directional Discontinuity Ring Radiator (DDRR);
    • Индукционная петля.
  • Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
  • Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах при перемещении ферромагнитного сердечника относительно обмотки.
  • Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля в индукционных магнитометрах[8]
  • Для создания магнитных полей в ускорителях элементарных частиц, магнитного удержания плазмы, в научных экспериментах, в ядерно-магнитной томографии. Мощные стационарные магнитные поля, как правило, создаются сверхпроводящими катушками.
  • Для накопления энергии.
  • Примечания[ | ]

    1. ГОСТ 19880-74 «Электротехника. Основные понятия. Термины и определения» (неопр.)
      .
    2. ГОСТ 20718-75 «Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения» (неопр.)
      .
    3. ГОСТ 18624-73 «Реакторы электрические. Термины и определения» (неопр.)
      .
    4. Evaluation of the shielding effects on printed-circuit-board transformers (недоступная ссылка)
    5. Пример расчёта переходного процесса см. в статье Операционное исчисление.
    6. А. Сорокин — Виды помех в линиях передачи информации и способы борьбы с ними.
    7. Электропитание аппаратуры
    8. Fluxgate Magnetometer Архивная копия от 8 декабря 2009 на Wayback Machine (недоступная ссылка с 22-05-2013 [2624 дня] — история
      ,
      копия
      ) (англ.)
    Оцените статью
    Добавить комментарий