Катушка индуктивности

Что такое катушка индуктивности

Что вы представляете под словом «катушка»? Ну. это наверное какая-то «фиговинка» на которой нитки, леска, веревка, да что угодно! Катушка индуктивности точно такая же, только вместо провода, лески или еще чего там в изоляции намотан обычный медный провод.

Изоляция может быть выполнена из прозрачного лака, ПВХ-изоляции и даже брезента. Здесь фишка такова, что хоть провода в дросселе и очень близко друг к другу, но они все же изолированы друг от друга. Если вы наматываете катушки индуктивности своими руками, ни в коем случае не пытайтесь взять обычный оголенный медный провод!

Виды и типы катушек

В зависимости от использования и частоты цепи конструкция катушки может меняться.

Частоту можно разделить на:

Низкая частота. Примером может служить дроссель люминесцентной лампы, трансформатор (каждая обмотка — дроссель), дроссель, фильтры электромагнитных помех. Сердечники чаще всего изготавливают из электротехнической стали, для цепей переменного тока из пластин (пластинчатый сердечник).

Высокая частота. Например контурные катушки для радиоприемников, коммутационные катушки для усилителей сигнала, накопительные и сглаживающие дроссели для импульсных источников питания. Их сердцевина обычно изготавливается из феррита.

Конструкция варьируется в зависимости от характеристик катушки, например, обмотка может быть однослойной и многослойной, намотанной виток к витку или ступенчато. Шаг между витками может быть постоянным или прогрессивным (изменяющимся по длине катушки). Способ намотки и конструкция влияют на конечные размеры изделия.

Отдельно стоит рассказать о том, как устроена катушка переменной индуктивности, их еще называют вариометрами. На практике можно найти разные решения:

• Сердечник может перемещаться относительно обмотки.
• Две обмотки размещены на одном сердечнике и соединены последовательно; при их перемещении взаимная индуктивность и индуктивная связь изменяются.
• Сами катушки для регулировки цепи могут раздвигаться или сужаться и сближаться друг с другом (чем плотнее намотка, тем больше индуктивность).

И так далее. В этом случае подвижная часть называется ротором, а неподвижная — статором.

По способу намотки они тоже различаются, например, фильтры с встречной намоткой подавляют помехи от сети, а намотанные в одном направлении (согласованная намотка) подавляют дифференциальные помехи.

В зависимости от того, где используется дроссель и его функциональные характеристики, он может называться по-разному: дроссели, соленоиды и так далее. Давайте рассмотрим, что такое катушки индуктивности и область их применения.

Удушающий. Обычно так называют устройства для ограничения тока, области применения:

В балластах для зажигания и питания газоразрядных ламп.

Для фильтрации помех. В блоках питания — фильтр электромагнитных помех с двойным дросселем на входе компьютерного БП, показанный на фото ниже. Также используется в акустическом оборудовании и многом другом.

• Для фильтрации определенных частот или частотных диапазонов, например, в акустических системах (для разделения частот в соответствии с соответствующими динамиками).
• Основой импульсных преобразователей является накопитель энергии.

Токоограничивающие реакторы — используются для ограничения токов короткого замыкания на линиях электропередач.

Примечание: дроссели и реакторы должны иметь низкое сопротивление, чтобы уменьшить нагрев и потери.

Катушки индуктивности. Используется совместно с конденсатором в колебательном контуре. Резонансная частота выбирается по частоте приема или передачи в радиосвязи. Они должны иметь высокий коэффициент качества.

Вариометры. Как уже упоминалось, это перестраиваемые или переменные катушки индуктивности. Чаще всего используются в тех же колебательных контурах для точной подстройки резонансной частоты.

Соленоид – так называют катушку, длина которой намного больше диаметра. Это создает однородное магнитное поле внутри соленоида. Чаще всего соленоиды используются для выполнения механической работы — поступательного движения. Такие изделия еще называют электромагнитами.

Рассмотрим, где используются соленоиды.

Это может быть и активатор замка в автомобиле, шток которого втягивается после подачи напряжения на соленоид, и звонок, и различные электромеханические исполнительные устройства, такие как клапаны, грузоподъемные магниты в металлургической промышленности.

В реле, контакторах и пускателях соленоид также действует как электромагнит для управления силовыми контактами. Но в данном случае ее чаще называют просто катушкой или обмоткой реле (пускателя, контактора соответственно), как это выглядит вы видите ниже на примере небольшого реле.

Рамочные и кольцевые антенны. Их назначение — передача радиосигналов. Они используются в автомобильных стартёрах, металлоискателях и для беспроводной связи.

Индукционный нагреватель, тогда его называют индуктором, вместо сердечника помещается нагреваемое тело (обычно металлическое).

Принцип функционирования

Так эти элементы представляют собой устройства со спиральными обмотками из изолированных проводников. Такие устройства имеют повышенную индуктивность, что является их преимуществом при меньшей емкости.

Магнитное поле устройств способствует накоплению энергии. На изображении ниже вы можете увидеть, как такие элементы изображены на схемах. Катушка индуктивности маркируется буквами «УГО».

Одни работают с ядром, другие нет. Сердечник значительно увеличит индуктивность элемента. Кроме того, степень индуктивности зависит от материалов, из которых в устройстве изготовлен сердечник. Сердечники сплошные и открытые, в другом случае имеют отверстия.

Рассмотрим подробнее принцип работы устройства. С увеличением индуктивности ток все меньше отстает от изменения напряжения. В то же время в цепях переменного тока фазы тока не следуют за фазой напряжения. На этом основана работа элементов: энергия может накапливаться, а ток задерживаться в цепях.

Это означает следующее: в случае обрыва цепей с повышенной индукцией напряжение возрастет и образуется электрическая дуга. Если в конструкцию включены полупроводниковые переключатели, они пробьются.

Чтобы этого не произошло, необходимо использовать снабберную схему. Он выполнен из резисторов и конденсаторов, установленных параллельно ключу.

Как различаются катушки индуктивности

Эти элементы схемы имеют большое количество типов и типов, которые зависят от способа и цели их использования. Иногда их разделяют по частоте. Среди них выделяют следующие виды:

1. Низкочастотные устройства. Их применяют как дроссели в люминесцентных лампах, трансформаторах (в этом случае все обмотки можно считать катушками индуктивности), как фильтр от магнитных помех. Сердечник изготавливается из электротехнической стали, или обычно многослойные сердечники изготавливаются из листа (для цепей переменного тока).
2. Высокочастотные устройства. Применяются в радиоприемниках, для усиления сигнала связи, в качестве накопления и уравнивания дросселей в импульсных источниках питания. Сердечник в этой версии выполнен из феррита.

Его конструктивные особенности зависят от параметров индуктивного устройства.

Обмотки делают как в один, так и в несколько слоев, наматывают их на изгибы или на расстоянии друг от друга. При этом различается даже расстояние: в зависимости от длины в поворотах различают постоянные и поступательные шаги. Окончательный размер катушки зависит от выбора типа намотки и конструкции.

Вариометр — это катушка, где индуктивность переменная, устроена она несколько иначе, чем стандартные катушки.

Существуют различные решения для этого типа катушки:

1. Иногда ядра в них подвижны;
2. Несколько обмоток размещены на одном сердечнике в последовательном соединении, индуктивность меняется в зависимости от их расположения;
3. Катушка может быть раздвинута или сужена, уменьшение и увеличение индуктивности в зависимости от плотности намотки.

Ротор является движущейся частью катушек. Статор является неподвижной частью. Методы намотки также могут быть классификацией катушек. Например, намотка в двух направлениях может устранить помехи в сетях. Обмотки с одной стороны устраняют дифференциальные помехи.

Зачем используют

Как мы отмечали в нашей статье, катушки имеют очень широкое применение в электроприборах. Ниже мы более подробно расскажем, где и в каких агрегатах они используются. Катушка как дроссель. Чаще всего ток ограничен. Используется в следующих схемах:

1. В устройстве для зажигания и питания газоразрядной лампы.
2. Как фильтры от различных помех. Может фильтровать как электромагнитные, так и акустические помехи. Все зависит от того, где именно и на каком устройстве задействована катушка. На рисунке ниже катушка используется для входа в блок питания компьютера.
3. Как частотный фильтр. В акустических системах и другом акустическом оборудовании.

Катушки в виде токоограничивающих реакторов применяются также в качестве ограничителей тока при коротких замыканиях на линиях электропередач. При этом дроссели должны иметь пониженное сопротивление для уменьшения нагрева.

Есть контурные катушки. При этом их применяют в электрических цепях вместе с конденсаторами. Резонансные частоты выбираются по частотам приема и передачи.

Индуктор похож на вариометр. Эти единицы могут быть настроены. Они могут установить частоту очень точно. Встречайтесь в контурах вибраций.

Катушки индуктивности похожи на соленоиды. Это элементы, длина которых превышает их диаметр. Благодаря этому в них формируется однородное магнитное поле. Используется в механизмах с поступательным движением. Иногда такую ​​катушку называют «электромагнитом». Расскажем подробнее, где используется этот тип устройств.

Широко используются соленоиды. Они активируют замок в автомобиле, где стержни убираются при срабатывании элемента.

Это колокола, или клапанные устройства, магниты на грузоподъемных машинах на промышленных предприятиях.

В качестве электромагнитов задействованы такие катушки:

1. В реле.
2. В контакторах.
3.  В начале.

Обычно в таких ситуациях их называют не соленоидами, а обычными катушками. Используется как рамочная и кольцевая антенна. При этом они посылают радиосигнал.

Они используются в автомобилях, в металлоискателях и других устройствах, где сигналы посылаются на расстояние.

Как индукционный нагреватель. Эти устройства часто называют «индукторами». В качестве сердечников используется нагревательный элемент, обычно изготовленный из металлических материалов.

Характеристика элементов

К исключительным характеристикам этого устройства относятся:

• Имеет высокую индуктивность;
• Подходит для разных токов, на что нужно обратить внимание при использовании в разных устройствах;
•  Потеря сопротивления в проводниках, жилах, других элементах;
• Высокая эффективность в использовании;
• Емкость витков может быть паразитной;
•  Индуктивность и ее изменения влияют на температурный коэффициент прибора;
• Значения Q могут зависеть от температуры.

Маркирование элемента

Как и для всех брендов, для них используются буквы и цветная маркировка. Буквы имеют несколько отличий.

• Называется микрогенри.
• Как набор разных букв и цифр. «R» обозначает десятичную точку, а последние буквы указывают на возможный допуск.

Цветовая маркировка распознается как цвет резистора.

Это основные моменты, которые стоит знать о том, как они работают и используются. Если вы хотите расширить свои знания и получить больше информации о том, как работают индукторы, мы рекомендуем вам посмотреть несколько видеороликов от экспертов.

Читайте также: Лампа ДРЛ: технические характеристики и схемы подключения

Основные параметры

К основным характеристикам индуктора относятся:

• Индуктивность.
• Сила тока (это необходимо учитывать при выборе подходящего элемента при ремонте и проектировании).
• Сопротивление потерь (в проводах, в сердечнике, в диэлектрике).
• Добротность — отношение между реактивным сопротивлением и активным.
• Паразитная емкость (емкость между витками, проще говоря).
• Температурный коэффициент индуктивности — это изменение индуктивности при нагревании или охлаждении элемента.
• Температурный коэффициент добротности.

Маркировка

Для обозначения номинала индуктора используется буквенная или цветовая маркировка. Буквенная маркировка бывает двух типов.

Обозначение в микрогенри.

Обозначается набором букв и цифр. Вместо запятой используется буква r, буква в конце обозначения указывает на допуск: D = ±0,3 нГн; J = ±5%; К = ±10%; М = ±20%.

Цветовая маркировка может быть распознана так же, как и на резисторах. Воспользуйтесь таблицей, чтобы расшифровать цветные полосы или кольца на элементе. Первое кольцо иногда делают шире остальных.

На этом закончим рассмотрением, что такое индуктор, из чего он состоит и зачем он нужен.

Индуктивность

Любая катушка индуктивности имеет индуктивность. Индуктивность катушки измеряется в Генри (Гн), обозначается буквой L и измеряется с помощью LC-метра.

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

куда

B — магнитное поле, Вб

I — сила тока, А

А давайте возьмем и смотаем этот провод в спираль и подадим на концы напряжение

И мы получаем эту картину с силовыми линиями магнитного поля:

Грубо говоря, чем больше силовых линий магнитного поля пересекает площадь этого соленоида, в нашем случае площадь цилиндра, тем больше магнитный поток (F). Поскольку по катушке протекает электрический ток, значит, через нее проходит ток силой тока (I), а коэффициент между магнитным потоком и силой тока называется индуктивностью и рассчитывается по формуле:

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

Самоиндукция

Индуктор также обладает очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения в катушке на короткое время появляется противоположное напряжение.

Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от величины индуктивности катушки. Поэтому в момент подачи напряжения на катушку сила тока плавно изменяет свое значение от 0 до определенного значения в течение долей секунды, так как напряжение в момент подачи электрического тока также изменяет свое значение от нуля до стабильного значения. По закону Ома:

куда

I — ток в катушке, А

U — напряжение в катушке, В

R — сопротивление катушки, Ом

Как мы видим из формулы, напряжение изменяется от нуля до напряжения, подаваемого на катушку, поэтому и ток будет изменяться от нуля до некоторого значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянно.

И второе явление в индукторе заключается в том, что если мы разомкнем цепь на индуктор — источник тока, то наша ЭДС самоиндукции добавится к напряжению, которое мы уже приложили к катушке.

То есть, как только мы разомкнем цепь, напряжение на катушке в этот момент может быть во много раз больше, чем было до размыкания цепи, и ток в катушке спокойно упадет, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать пониженное напряжение.

Сделаем первые выводы о работе дросселя при подаче на него постоянного тока. При подаче электрического тока на катушку ток будет постепенно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки ток будет постепенно уменьшаться до нуля. Короче говоря, ток в катушке нельзя изменить сразу.

Типы катушек индуктивности

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

Но где ее сердце? Воздух — немагнитное ядро ​​:-). Такие катушки также можно намотать на своего рода цилиндрическую бумажную трубку. Индуктивность немагнитного сердечника используется, когда индуктивность не превышает 5 мГн.

А вот основные катушки индуктивности:

В основном используются сердечники из ферритовых и железных пластин. Сердечники иногда увеличивают индуктивность катушек. Сердечники в виде кольца (тороидальные) позволяют получить большую индуктивность, чем просто сердечники из цилиндра.

Ферритовые сердечники используются для катушек средней индуктивности:

Катушки большой индуктивности выполнены по типу трансформатора с железным сердечником, но с обмоткой, в отличие от трансформатора.

Дроссель

Существует также специальный тип индукторов. Это так называемые дроссели. Дроссель представляет собой индуктор, задачей которого является создание высокого сопротивления переменному току в цепи для подавления токов высокой частоты.

Постоянный ток проходит через дроссель без проблем. Почему так происходит, вы можете прочитать в этой статье. Дроссели обычно включают в силовые цепи усилителей. Дроссели предназначены для защиты источников питания от попадающих в них высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов).

На низких частотах (НЧ) используются в фильтрах питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники. Ниже на фото силовой дроссель:

Также существует еще один особый вид дросселя — это двойной дроссель. Он состоит из двух встречно намотанных катушек индуктивности. За счет встречной обмотки и взаимной индукции он более эффективен. Двойные дроссели широко используются в качестве входных фильтров для блоков питания, а также в аудиотехнике

Что влияет на индуктивность?

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

Имеет ферритовый сердечник

Начинаю вставлять катушку в сердечник до края

LC-метр показывает 21 микрогенри.

Ввожу катушку в центр феррита

35 микрогенри. Уже лучше.

Продолжаю вставлять катушку на правый край феррита

20 микрогенри. Делаем вывод, что наибольшая индуктивность на цилиндрическом феррите приходится на середину. Поэтому, если мотаете цилиндр, старайтесь мотать его посередине феррита. Это свойство используется для плавного изменения индуктивности в переменных индукторах:

куда

1 — каркас катушки

2 витка катушки

3 — сердцевина, имеющая сверху прорезь для маленькой отвертки. Вкручивая или выкручивая сердечник, мы таким образом изменяем индуктивность катушки.

Будем экспериментировать дальше. Давайте попробуем сжать и разжать витки на катушке. Для начала ставим его посередине и начинаем обжимать витки

Индуктивность стала почти 50 мкГн!

И попробуем выпрямить изгибы вокруг феррита

13 микрогенри. Делаем вывод: для максимальной индуктивности необходимо мотать катушку «виток к витку».

Уменьшите количество витков на катушке вдвое. Было 24 поворота, стало 12.

Очень маленькая индуктивность. Количество витков я уменьшил в 2 раза, индуктивность уменьшил в 10 раз. Вывод: чем меньше число оборотов, тем меньше индуктивность и наоборот. Индуктивность не изменяется по прямой к виткам.

Давайте поэкспериментируем с ферритовым кольцом.

Измеряем индуктивность

15 микрогенри

Разделить витки катушки

Мы измеряем снова

Хм, тоже 15 микрогенри. Делаем вывод: расстояние от витка до витка в тороидальном индукторе не имеет значения.

Делаем несколько оборотов. Было 3 хода, стало 9.

Мы измеряем

Ух ты! Количество витков я увеличил в 3 раза, а индуктивность увеличила в 12 раз! Вывод: индуктивность не меняется по прямой к виткам.

Если верить формулам расчета индуктивностей, то индуктивность зависит от «квадрата витков». Я не буду размещать эти формулы здесь, потому что не вижу необходимости. Скажу лишь, что индуктивность зависит еще и от таких параметров, как сердечник (из какого материала он сделан), площадь поперечного сечения сердечника и длина катушки.

Обозначение на схемах

Последовательное и параллельное соединение катушек индуктивности

При последовательном соединении катушек индуктивности их общая индуктивность будет равна сумме их индуктивностей.

А при параллельном соединении получаем вот это:

При подключении дросселей нужно соблюдать правило, чтобы они были разнесены на плате. Это связано с тем, что если они находятся близко друг к другу, их магнитные поля будут влиять друг на друга и поэтому показания индуктивностей будут неверными. Не устанавливайте две или более тороидальных катушек на железный вал. Это может привести к неверным показаниям общей индуктивности.