Катушка индуктивности. Зачем нужна и где применяется
Опубликовано:
Катушка индуктивности (или дроссель) — это один из часто встречающихся компонентов электронных плат.
По сути, это обычная медная катушка, которая намотана вокруг ферритового или железного сердечника.
В некоторых случаях катушка индуктивности может представлять собой скрученную в спираль медную проволоку без какого-либо сердечника.
Принцип работы дросселя довольно прост, но в то же время — очень интересен.
Дело в том, что при прохождении электрического тока дроссель замедляет его течение. В результате вся энергия, которая должна была пройти через катушку концентрируется в одном месте, создавая магнитное поле.
После того как магнитное поле вокруг дросселя сформировалось, электрический ток, продолжает течь дальше.
Обратите внимание: при резком увеличении напряжения на входе в катушку сила тока в ней начинает возрастать, что приводит к увеличению магнитного поля.
На выходе дросселя увеличение напряжения происходит с задержкой, так как энергия расходуется на создание магнитного поля.
В том случае, если скачок напряжения был импульсный, то катушка индуктивности его полностью поглощает и на выходе остается ровное напряжение. Данное свойство дросселя довольно широко используется в сетевых фильтрах.
Также катушки индуктивности применяются в любых фильтрах питания. В данном случае дроссель подавляет высокочастотные скачки напряжения.
Из курса физики мы знаем, что под индуктивностью подразумевается величина магнитного поля к протекающей силе тока. Поэтому в радиоэлектронике дроссели и называют катушками индуктивности.
Обратите внимание: показатель индуктивности напрямую будет зависеть от количества витков медной проволоки в катушке.
Причем при добавлении дополнительного элемента в виде ферритового или железного сердечника способствует увеличению индуктивности.
Кстати, вопреки распространенному мнению, дроссель не проводит переменный ток.
Дело в том, что при очень высокой индуктивности и «скоростной» частоте тока катушка индуктивности попросту не успевает насытить свое магнитное поле.
В результате это приведет к тому, что дроссель будет тормозить прохождение переменного тока через себя.
Эффект накопления магнитного поля катушкой индуктивности (дросселем) очень широко применяется в понижающих DC/DC преобразователях. Но поскольку дроссель не умеет хранить накопленное магнитное поле, то он отдает его в виде электрического заряда.
Работает это следующим образом: источник питания «генерирует» электрический ток, который делится на короткие импульсы транзистором. Причем импульсы настолько короткие, что дроссель не успевает насытить свое магнитное поле до максимума.
После того, как дроссель «проглотил» импульс, электроцепь перестраивается и теперь уже сама катушка индуктивности выполняет функцию источника тока.
Однако поскольку дроссель был намагничен частично, то на выходе из катушки индуктивности импульсный заряд имеет меньшее напряжение.
Таким образом, уменьшая или увеличивая время электрического импульса, поступающего на дроссель, можно регулировать выходное напряжение — например, с 12 V понизить его до 5 V.
Как вам статья?
Павел
Бакалавр «210400 Радиотехника» – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Написать
Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы
Особенности применения силовых индуктивностей
Поскольку технические параметры современных электронных устройств постоянно совершенствуются, для БИС, используемых в таких изделиях, характерно снижение напряжения питания. В этой связи, энергопотребление может уменьшаться, а скорость работы увеличиваться. Однако снижение напряжения источника питания также предполагает более жесткие требования, учитывающие колебания напряжения, что приводит к необходимости использования высокопроизводительных DC-DC преобразователей.
Силовые индуктивности при этом являются важными компонентами, существенно влияющими на эффективность преобразователей.
Компания TDK выпускает широкую линейку силовых индуктивностей. В данной статье рассмотрены эффективные способы применения данных компонентов, а также ключевые особенности при выборе катушек индуктивности в соответствии с требуемыми характеристиками преобразователей постоянного тока.
Силовые индуктивности являются важными компонентами, влияющими на производительность DC-DC- преобразователей.
Несмотря на то, что катушка индуктивности может плавно пропускать постоянный ток, при любом изменении его величины она будет генерировать ЭДС, препятствующую этим колебаниям. Такое явление известно как самоиндукция. При подключении к источнику переменного тока катушка индуктивности оказывает сопротивление проходящему по ней переменному току. Таким образом, если ток прошел через индуктивность, он будет накапливаться в виде энергии, а если процесс передачи тока нарушен, эта энергия будет разряжаться.
Данная отличительная особенность эффективно используется в цепях источников питания, в преобразователях постоянного тока. На рисунке 1 представлена основная схема понижающего преобразователя постоянного тока (диодный выпрямитель). Силовые индуктивности являются ключевыми компонентами, оказывающие существенное влияние на его производительность.
Параметры, связанные с характеристиками индуктивности, имеют сложную компромиссную связь друг с другом
Сложности в процессе разработки силовых индуктивностей обусловлены изменчивостью характеристик в зависимости от степени воздействия таких факторов как температура и величина тока. Так, например, индуктивность (L) имеет тенденцию к снижению, поскольку величина тока становится больше (характеристика наложения тока DC), а рост температуры, вызванный повышением силы тока, может вызвать изменение как магнитной проницаемости (μ) сердечника, так и индукции насыщения (B
Различия в структуре магнитного экрана также могут влиять на шумовые характеристики. Эти параметры имеют сложную компромиссную взаимосвязь, поэтому крайне важно выбрать наиболее подходящую индуктивность для требуемой области применения с учетом эффективности, размеров и стоимости преобразователей постоянного тока.
Ключевой момент: Силовые индуктивности могут быть классифицированы на моточные, многослойные и тонкопленочные в зависимости от различий в методах изготовления, с сердечниками на основе феррита или порошкового сплава. Ферриты характеризуются высокими значениями проницаемости (μ) и индуктивности, в то время как сердечники на основе порошковых материалов имеют высокие значения индукции насыщения, что делает их подходящими для использования при больших величинах тока.
Ключевой момент: Выделяется два определения номинального тока для силовых индуктивностей: допустимый ток при суперпозиции DC и допустимый ток при возрастании температуры.
Условия, при которых возникают потери, будут меняться в зависимости от размеров и частотного диапазона нагрузок
Ключевой момент: К основным типам потерь, которые могут вызвать скачок температуры можно отнести: потери в меди, появляющиеся из-за обмотки проводом, а также потери в магнитопроводе.
Потери в меди возникают из-за сопротивления DC (RDC) обмотки и увеличиваются пропорционально величине тока в квадрате.
Кроме того, когда частота переменного тока становится выше, существует тенденция концентрации тока в области недалеко от поверхности проводника и увеличения эффективного значения сопротивления (скин-эффект). В высокочастотном диапазоне также добавляются потери в меди, возникающие в результате протекания переменного тока.
Потери в магнитопроводе соответствуют сумме потерь на вихревые токи и на гистерезис. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, поэтому в высокочастотных областях потери в сердечнике, вызванные потерями на вихревые токи, становятся больше. Одним из ключевых моментов для повышения эффективности является выбор материалов сердечника, характеризующихся низкими потерями даже в высокочастотном диапазоне.
Ключевой момент: Потери в меди становятся доминирующими в случае подключения умеренной или интенсивной нагрузки, в то время как вклад потерь в магнитопроводе становится существенным уже при включении небольшой нагрузки.
Важно установить соответствующие требованиям значения индуктивности с учетом таких факторов, как пульсирующий ток
Ключевой момент: использование компонентов в режиме прерывистого тока влияет на стабильность источников питания.
В силовых индуктивностях, применяемых в понижающих DC-DC преобразователях, будет протекать пульсирующий ток (ΔIL) с формой непрерывных треугольных волн в сочетании с операцией ВКЛ/ВЫКЛ для переключающих элементов (рисунок 4).
В ходе подключения нагрузки от умеренной до интенсивной ΔIL будет накладываться на смещение по постоянному току, поэтому ток индуктивности будет протекать непрерывно (режим непрерывного тока (Iвых ＞ 1 / 2ΔIL)). Однако в преобразователях постоянного тока с диодным выпрямлением при подключении легкой нагрузки, где Iвых ＜ 1/2ΔIL, будут периоды, когда ток индуктивности станет нулевым. В этом состоянии (режим прерывистого тока) ток индуктивности будет периодически прерываться, что, в свою очередь, будет влиять на стабильность источника питания. Кроме того, если катушка индуктивности работает в режиме прерывистого тока, также будет возникать акустический шум. В результате переключения будет генерироваться импульсный сигнал напряжения, что будет способствовать появлению шума.
Ключевой момент: Необходимо задавать такую величину индуктивности, чтобы вклад пульсирующего тока составлял 20-30% от номинального тока.
Величина пульсирующего тока связана с индуктивностью. В этой связи, преобразователи постоянного тока с диодным выпрямлением должны быть спроектированы таким образом, чтобы избежать проблем, связанных с работой в режиме прерывистого тока путем ограничения вклада пульсирующего тока. Если предпочтительно применение компонента с небольшим значением индуктивности из-за размеров или стоимости, величина пульсирующего тока станет больше. И наоборот, если требуется уменьшить пульсирующий ток, необходима большая индуктивность, что может привести к недостаткам, связанным с размером или стоимостью, а также вызвать ухудшение характеристик переходного процесса при внезапных изменениях нагрузки. Таким образом, обычно принято указывать такое значение индуктивности, при которой величина пульсирующего тока будет составлять 20-30% от номинального (прерывистый ток будет фиксироваться в области, когда пульсирующий ток будет составлять примерно 10% от номинального).
Ключевой момент: выбор правильного подхода при снижении значения индуктивности может улучшить характеристики отклика нагрузки.
В случае, когда, например, отмечается внезапный рост нагрузки, будет происходить падение выходного напряжения. В ходе последующего восстановления через индуктивность в течение короткого времени может протекать аномально большой пиковый ток для зарядки выходного конденсатора совместно с током нагрузки. Однако, если будет установлено небольшое значение пульсирующего тока, достичь требуемых характеристик переходного процесса для быстрого восстановления после внезапного падения выходного напряжения будет невозможно. Одним из способов решения этой ситуации могло бы стать уменьшение значения индуктивности и, таким образом, увеличение величины пульсирующего тока. Как показано на рисунке 6, выходное напряжение существенно падает, если характеристики отклика нагрузки плохие. В то же время, если значение индуктивности соответствующим образом снижается, и пульсирующий ток увеличивается, изменение величины тока индуктивности становится более существенным, что вызывает снижение вклада падения напряжения и способствует более быстрому восстановлению.
Однако при понижении значения индуктивности важно использовать настройку, которая учитывает общий баланс системы.
| DigiKey
Катушки индуктивности являются одними из самых распространенных электронных компонентов в промышленности, наряду с резисторами и конденсаторами. Хотя они могут показаться простыми, о них нужно подумать не только об их размере и значении индуктивности. Этот блог, сопровождаемый нашим видео «Другой обучающий момент» на ту же тему, направлен на изучение индуктивности и назначение катушек индуктивности в электрической цепи.
Для начала, на чем основано их назначение и как они устроены? Катушки индуктивности, катушки или дроссели — это электронные компоненты, которые накапливают энергию в магнитном поле при протекании через него тока, а также препятствуют любым изменениям в протекании тока. Эти устройства состоят из проводника, намотанного на сердечник, который может быть изготовлен из различных материалов.
Мы знаем, что когда электрический ток течет по проводнику, вокруг проводника создается магнитное поле. Это можно визуализировать с помощью правила правой руки. Захватив проводник правой рукой, обхватив проводник указательными пальцами и направив большой палец вдоль проводника в направлении протекания тока, линии потока магнитного поля будут направлены в сторону указательных пальцев. Теперь, если взять тот же проводник и намотать его, каждый отдельный виток катушки создаст отдельное магнитное поле. Эти отдельные поля объединяются, чтобы создать одно большое сильное поле.
Итак, как катушки индуктивности сопротивляются изменению тока? Когда магнитные поля вводятся в электрическую цепь, возникает обратное напряжение (или обратная ЭДС). Это напряжение противодействует напряжению питания, вызывая сопротивление. Это заставляет магнитное поле расти до тех пор, пока ток не будет свободно течь по цепи. Как только питание отключается, индуктор снова сопротивляется изменению тока, продолжая питать цепь в течение некоторого времени током, который был сохранен в магнитном поле.
Думайте об этом как о «переполнении» власти. Пока схема находится под напряжением, «избыточный» ток накапливается и накапливается в магнитном поле, которое остается полным, когда достигает определенного порога. Затем, как только цепь отключается, этот перелив открывается и питает цепь до тех пор, пока она не будет исчерпана.
Катушки индуктивности являются ценными компонентами в таких приложениях, как источники питания, они помогают стабилизировать выходной ток, фильтровать частоты и эффективно повышать или понижать напряжение. Как и в случае с большинством компонентов, существуют различные типы и составы катушек индуктивности, которые имеют разное назначение.
Надеемся, что эта информация помогла вам лучше понять этот общий компонент и облегчила вам внедрение их в ваш проект.
Об авторе
Эшли Авальт — разработчик технического контента, работает в Digi-Key Electronics с 2011 года. Она получила степень младшего специалиста по прикладным наукам в области электронных технологий и автоматизированных систем в Общественном и техническом колледже Нортленда в рамках стипендиальной программы Digi-Key.
Ее текущая роль заключается в оказании помощи в создании уникальных технических проектов, документировании процесса и, в конечном итоге, участии в создании видеоматериалов для проектов. В свободное время Эшли любит… о, подожди, есть ли свободное время, когда ты мама?
Что такое индуктор?
В этой статье дается очень простое определение того, что такое магнетизм, что такое индуктор? как пассивный электронный компонент и его основное применение и технологии.
Катушки индуктивности, также называемые катушками или иногда дросселями, являются важными пассивными компонентами наряду с резисторами (R) и конденсаторами (C). Катушки обычно относятся к намотанным токопроводящим проводам, и среди них катушки с одинарным намотанным проводом в последние годы стали называть катушками индуктивности. Если
предназначен для низкочастотных применений, обычно имеет сердечник с замкнутой магнитной цепью, состоящий из многослойного железа (частота сети) или ферритового тороида (выше 1 кГц).
Индуктивность обычно обозначается символом «L». Хотя говорят, что эта L исходит от Ленца из «Закона Ленца», связанного с электромагнитной индукцией, также, по-видимому, существуют различные теории.
Основная конструкция индуктора состоит из проводящего провода, намотанного в виде катушки, который способен преобразовывать электрическую энергию в магнитную энергию и сохранять ее внутри индуктора. Сохраняемое количество магнитной энергии определяется индуктивностью индуктора и измеряется в Генри (Гн).
Катушки индуктивности замедляют всплески или скачки тока, временно накапливая энергию в электромагнитном поле, а затем выпуская ее обратно в цепь. В гидродинамической аналогии (рис.1) индуктор работает как большой маховик, оказывающий сопротивление каждому изменению потока/тока. Любой, кто переворачивал велосипед вверх дном и крутил руль до скорости, знает, что при старте возникает определенное сопротивление. Но как только вы набираете скорость на колесе, требуется очень мало усилий для поддержания скорости.
Если вы затем хотите затормозить, это требует значительной силы.
Индуктивность в основном используется в электроэнергетике и электронных устройствах для следующих основных целей: частотный шум в электрических цепях
Индукторы в основном состоят из катушки. Если мы вставим сердечник из магнитного материала, индуктивные свойства катушки увеличатся.
Такие катушки называются дросселями. Когда мы пропускаем ток через дроссель, в магнитном материале индуцируются электрические токи, которые пытаются создать противодействующее магнитное поле. Эти токи нежелательны как по этой причине, так и потому, что они создают потери тепла.
Исключены однородные магнитные тела; индуцированный ток будет слишком большим. Вместо этого используются взаимно изолированные ленты или порошковая технология, при которой связующий материал между магнитными гранулами ограничивает наведенный ток своим удельным сопротивлением.
Катушки индуктивности могут быть соединены последовательно или параллельно; индуктивность подчиняется тем же законам, что и для резисторов.
Последовательное соединение
Уравнение последовательного индуктивного соединения [1] Параллельное соединение
Для катушек без потерь и катушек с одинаковым фазовым углом применяется уравнение параллельной индуктивности
Подобно конденсатору, катушка индуктивности влияет на реактивное сопротивление в цепи переменного тока.
Чтобы разделить это реактивное сопротивление от реактивного сопротивления конденсатора, его называют индуктивным реактивным сопротивлением XL. Величина выражается в омах и соответствует формуле:
ω = 2 x π x f, где f означает частоту, выраженную в Гц.
Основная конструкция катушек индуктивности и индуктивностиСамые простые катушки индуктивности состоят из токопроводящего провода, намотанного в форме катушки, с обоими концами токопроводящего провода в качестве внешних клемм. В последние годы большинство катушек индуктивности включают в себя сердечник, вокруг которого намотан токопроводящий провод.
Рисунок 2. Базовая конструкция индуктора (слева) и ее практические примеры (справа)Индуктивность индуктора определяется следующим уравнением [4]:
индуктивность индуктора уравнением [4]- L Индуктивность (Гн)
- к Коэффициент Нагаоки
- мк Проницаемость сердечника (Гн/м)
- Н Количество витков катушки
- S Площадь сечения катушки (м 2 )
- л Длина катушки (м)
