Катушка индуктивности. Устройство и принцип работы.

Если существует замкнутый контур, в котором протекает ток, создающий магнитное поле (магнитный поток), то между током и потоком существует взаимосвязь. Коэффициент пропорциональностями между этими величинами является определением индуктивности.

Контур с током

Также эту пропорциональность можно назвать характеристикой инерционности электрической цепи, которая напрямую связана с понятием ЭДС самоиндукции, которая возникает в цепи, когда изменяется сила тока.

Самоиндукция и измерение индуктивности

Расчет катушки индуктивности

При изменении тока, который протекает в замкнутом электрическом контуре, меняется создаваемый им магнитный поток. Вследствие этого наводится ЭДС, которая называется ЭДС самоиндукции.

Напряжение ЭДС определяется формулой расчета индукции:

Ꜫ=-L∙di/dt.

То есть ЭДС прямо пропорциональна величине скорости изменения тока с некоторым коэффициентом L, который и называется «индуктивность».

Емкостное сопротивление

В цепи, содержащей емкость и источник переменного тока происходят изменения заряда. Такой емкостью обладают конденсаторы, обладающие максимальной энергией при полном заряде. Напряжение емкости создает сопротивление, противодействующее течению переменного тока, которое считается реактивным. В результате взаимодействия, конденсатор и источник тока постоянно обмениваются энергией.

В конструкцию конденсатора входят токопроводящие пластины в количестве двух и более штук, разделенных слоями диэлектрика. Такое разделение не позволяет постоянному току проходить через конденсатор. Переменный ток может проходить через емкостное устройство, отклоняясь при этом от своей первоначальной величины.

Изменения переменного тока происходят под влиянием емкостного сопротивления. Чтобы лучше понять схему работы, найдем и рассмотрим принцип действия данного явления. Переменное напряжение, приложенное к конденсатору, изменяется в форме синусоиды. Под его воздействием на обкладках наблюдается всплеск, одновременно здесь накапливаются заряды электроэнергии с противоположными знаками. Их общее количество ограничено емкостью устройства и его габаритами. Чем выше емкость устройства, тем больше времени требуется на зарядку.

В момент изменения полупериода колебания, напряжение на обкладках конденсатора меняет свою полярность на противоположное значение, потенциалы также изменяются, а заряды пластин перезаряжаются. За счет этого удается создать течение первичного тока и находить способ противодействовать его прохождению, при уменьшении величины и сдвиге угла. Зарядка обкладок позволяет току, проходящему через конденсатор, опережать напряжение на 90.

Обозначение и единицы измерения

Сопротивление тока: формула

В честь Ленца, единица измерения индуктивности получила обозначение символом «L». Выражается в Генри, сокращенно Гн (в англоязычной литературе Н), в честь известного американского физика.

Джозеф Генри

Если при изменении тока в один ампер за каждую секунду ЭДС самоиндукции составляет 1 вольт, то индуктивность цепи будет измеряться в 1 генри.

Как может обозначаться индуктивность в других системах:

• В системе СГС, СГСМ – в сантиметрах. Для отличия от единицы длины обозначается абгенри;
• В системе СГСЭ – в статгенри.

Свойства

Имеет следующие свойства:

• Зависит от количества витков контура, его геометрических размеров и магнитных свойств сердечника;
• Не может быть отрицательной;
• Исходя из определения, скорость изменения тока в контуре, ограничена значением его индуктивности;
• При увеличении частоты тока реактивное сопротивление катушки увеличивается;
• Обладает свойством запасать энергию – при отключении тока запасенная энергия стремится компенсировать падение тока.

Расчет эквивалентного сопротивления элементов цепи

Определение общего цепного сопротивления будет зависеть от того, какого типа конфигурацию составляют компоненты цепи. Для параллельного и последовательного подключений правила расчета будут неодинаковыми. Опираться при вычислениях нужно на закон Ома.

Согласно ему, у всех последовательно соединенных деталей, подключенных в цепь переменного тока, будет одно и то же значение электротока:

I=U/Z, где Z – общий импеданс цепи.

Напряжения будут различаться и окажутся привязанными к сопротивлениям деталей: на концах резистора его значение будет равно UR = IR (здесь R – активная резистивность элемента), для дросселя – UL = IXL, для емкостного элемента – UC = IXC (XL и XC – реактивные показатели соответствующих устройств). Так как векторы напряженности катушки и конденсатора имеют противоположные направления, суммарный показатель на реактивных деталях будет равен: UX = UL – UC . Противодействие будет равно: X = XL – XC.

Напряжения (общее, реактивное и активное) могут быть представлены в виде прямоугольного треугольника. Из него получается, что U² = UR² + UX². Поскольку противодействия входящих в цепь компонентов пропорциональны напряжениям, имеем Z2=R2+X2=R2+(XL – XC)2.

Для параллельного соединения принято выводить значения импеданса из проводимостей элементов, которые обратны их сопротивлениям. Отсюда 1/z2 = 1/R2 + 1/X2. Таким образом, выходит следующая формула:

Z2=1/(1/R2+(1/ XL – 1/ XC)2).

Общее сопротивление определяется компонентным составом цепи и характером соединения ее элементов. При расчетах показателей используется закон Ома.

Советуем изучить Полярность аккумулятора

Схемы соединения катушек

Как радиотехнический элемент, катушки индуктивностей обладают свойствами соединений, полностью идентичными соединениям резисторов.

Параллельное соединение

Параллельное соединение:

L=1/(1/L1+1/L2+…+1/Ln).

Для двух элементов формула упрощается:

L=L1∙L2/(L1+L2).

Последовательное соединение

Общее значение последовательного соединения равняется сумме индуктивностей:

L=L1+L2+…+Ln.

Типы соединений

Добротность катушки

Одно из важнейших качеств катушек – это добротность. Данный параметр представляет собой отношение реактивного (индуктивного) сопротивления к активному. Активное сопротивление – это сопротивление проводника, из которого выполнен элемент, его можно считать постоянным, за исключением температурного коэффициента сопротивления материала, из которого выполнен провод.

Реактивное сопротивление прямо пропорционально частоте. Формула расчета добротности выглядит следующим образом:

Q=2∙π∙f∙L/R,

где:

• π – число пи, ≈3,14,
• f – частота,
• R – сопротивление.

Обратите внимание! С ростом частоты сигнала добротность катушки индуктивности возрастает.

От чего зависит индуктивное сопротивление

Данная величина связана напрямую с частотой приложенного напряжения (f) и значением индуктивности (L). Формула индуктивного сопротивления будет выглядеть следующим образом: XL = 2πfL. Прямая пропорциональная зависимость, в случае необходимости, позволяет путем преобразования основной формулы вычислить частоту или значение индуктивности.

Под действием переменного тока, проходящего по проводнику, вокруг этого проводника образуется переменное магнитное поле. Действие этого поля приводит к наведению в проводнике электродвижущей силы обратного направления, известной еще как ЭДС самоиндукции. Противодействие или сопротивление ЭДС переменному току получило название реактивного индуктивного сопротивления.

Существует такое понятие, как погонное индуктивное сопротивление, которое вычисляется по формуле: X0 = ω x (4,61g x (Dср/Rпр) + 0,5μ) x 10-4 = X0’ + X0’’, в которой ω является угловой частотой, μ – магнитной проницаемостью, Dср – среднегеометрическим расстоянием между фазами ЛЭП, а Rпр – радиусом провода.

Величины X0’ и X0’’ представляют собой две составные части погонного индуктивного сопротивления. Первая из них X0’ представляет собой внешнее индуктивное сопротивление, зависящее только от внешнего магнитного поля и размеров ЛЭП. Другая величина – X0’’ является внутренним сопротивлением, зависящим от внутреннего магнитного поля и магнитной проницаемости μ.

На линиях электропередачи высокого напряжения от 330 кВ и более, проходящие фазы расщепляются на несколько отдельных проводов. Например, при напряжении 330 кВ фаза разделяется на два провода, что позволяет снизить индуктивное сопротивление примерно на 19%. Три провода используются при напряжении 500 кВ – индуктивное сопротивление удается снизить на 28%. Напряжение 750 кВ допускает разделение фаз на 4-6 проводников, что способствует снижению сопротивления примерно на 33%.

Погонное индуктивное сопротивление имеет величину в зависимости от радиуса провода и совершенно не зависит от сечения. Если радиус проводника будет увеличиваться, то значение погонного индуктивного сопротивления будет соответственно уменьшаться. Существенное влияние оказывают проводники, расположенные рядом.

Одновитковой контур и катушка

Индуктивность контура, представляющего виток провода, зависит от величины протекающего тока и магнитного потока, пронизывающего контур. Для индуктивности контура формула определяет параметр, соответственно, через поток и силу тока:

L=Ф/I.

Ослабление магнитного потока из-за диамагнитных свойств окружающей среды снижает индуктивность.

Параметр для многовитковой катушки пропорционален квадрату количества витков, поскольку увеличивается не только магнитный поток от каждого витка, но и потокосцепление:

L=L1∙N2.

Для того чтобы рассчитать индуктивность катушки формула должна учитывать не только количество витков, но и тип намотки и геометрические размеры.

Какие отличия

Отличия этих типов электросопротивления в том, что «внутри» активностного типа энергия не накапливается, так как она попадает в активностый элемент и отдается окружающей среде в виде другого ее типа. Это может быть тепло или механическое поднятие груза, свечение, химическая реакция, задание чему-либо скорости.

Индуктивная величина и ее формулы

Важно! Преданная электроэлементу с активностным электросопротивлением энергия преображается и конвертируется, но не возвращается в сеть. Сопротивляемость же реактивная, наоборот, копит энергию внутри себя за ¼ всего периода синусоидального электротока, а за следующую четверть возвращает ее обратно в сеть

То есть, в окружающую среду полученная энергия не передается

Советуем изучить Переполюсовка

Сопротивляемость же реактивная, наоборот, копит энергию внутри себя за ¼ всего периода синусоидального электротока, а за следующую четверть возвращает ее обратно в сеть. То есть, в окружающую среду полученная энергия не передается.

Комплексная сопротивляемость отдельного элетроэлемента сети R

В активностном типе фазы электрических токов и напряжения совпадают, следовательно, выделяется некоторое количество электроэнергии. В реактивном виде фазы электротока и напряжения расходятся, поэтому энергия передается обратно. Это во многом объясняет то, что активностные электроэлементы нагреваются, а реактивные — нет.

Активная сопротивляемость в цепи переменного синусоидального тока

Соленоид

Соленоид отличается от обычной катушки по двум признакам:

• Длина обмотки превышает диаметр в несколько раз;
• Толщина обмотки меньше диаметра катушки также в несколько раз.

Соленоидальный тип катушки

Параметры соленоида можно узнать из такого выражения:

L=µ0N2S/l,

где:

• µ0 – магнитная постоянная;
• N – количество витков;
• S – площадь поперечного сечения обмотки;
• l – длина обмотки.

Важно! Приведенное выражение справедливо для соленоида без сердечника. В противном случае необходимо дополнительно внести множитель µ, который равен магнитной проницаемости сердечника.

Обратите внимание! Используя подвижный сердечник, можно производить оперативное изменение параметров соленоида.

Чем большую магнитную проницаемость будет иметь сердечник, тем больше увеличится итоговое значение.

Расчет

Вычислить число витков, зная конструкцию, можно по формуле нахождения энергии и ее магнитного поля W = LI2/2, где L является индукцией, I — силой тока. Витки находятся из формулы L/d, где d является проводным диаметром. Стоит указать, что есть специальный калькулятор, в который нужно только подставить необходимые параметры. При этом можно определить, однослойный или многослойный проводник.

Схематическое расположение витков в катушке

С сердечником

Стоит отметить, что со стержнем, намоткой, обмоткой индукция вычисляется через замкнутый магнитный поток индуктивных элементов, в то время как без него учитывается поток, который пронизывает только проводник с токовой энергией. Расчитывая индуктивность подобных элементов, необходимо учесть размеры и материал центральной части. Обобщенно можно представить формулу схематично. При этом требуется взять в расчет источник с сопротивлением магнитной цепи, абсолютной магнитной проницаемостью вещества, площадью поперечного сердечникового сечения и длиной средней силовой линии. Зная это, можно посчитать индукцию. Стоит учитывать погрешность. Она будет равна 25%.

Вам это будет интересно Особенности конденсаторов

Расчет индуктивности катушки с сердечником

Без сердечника

Стоит указать, что без ферритового, геометрического и цилиндрического сердечника с мощным каркасом источник имеет небольшую индукцию, а с ним она повышается. Это связано с тем, что имеется материальная магнитная проницаемость. Форма бывает разная. Есть броневой, стержневой и тороидальный материал.

Обратите внимание! Рассчитать можно, используя метод эллиптических максвелловских интегралов и специальную онлайн программу.

Расчет индуктивности без сердечника

Катушка — незаменимый компонент любой электросети, который имеет вид скрученного или обвивающего элемента с проводником. Влияет на ее индукцию число проводных витков, площадь сечения, длина и материал сердечника. Отыскать количество витков и посчитать индуктивность с сердечником и без него несложно, главное — руководствоваться приведенными выше рекомендациями.

Тороидальная катушка (катушка с кольцевым сердечником)

Тороидальный тип обмотки рассчитывается по специальной формуле, которая предполагает, что используется соленоид с бесконечной длиной. Чтобы определять индуктивность формула для тора имеет следующий вид:

L=µ∙µ0N2S/(2π∙r),

где r – усредненный радиус тороидального сердечника.

Кольцевой сердечник прямоугольного сечения можно находить по следующей формуле:

L=µ∙µ0N2S∙h/(2π)∙ln(R/r),

где:

r – внутренний радиус сердечника;

R – внешний радиус;

h – высота.

Важно! Вторая формула позволяет узнавать результат с большей точностью.

Тороидальная намотка

Длинный прямой проводник

Как найти индуктивность прямого проводника? Существует формула, дающая точное значение при условии, что проводник имеет длину, значительно превышающую толщину:

L=µ0/(2π)∙l(µeln(l/r+1/4µi),

где:

• µe и µi – магнитная проницаемость среды и материала проводника, соответственно;
• l и r – длина и радиус проводника.

Какой магнитной проницаемостью обладает проводник, можно узнать из справочных материалов.

Колебательный контур

Емкость и индуктивный элемент, соединенные в цепь, образуют колебательный контур с резко выраженными частотными свойствами и будут являться резонансной системой. В качестве системы используется конденсатор, изменяя емкость которого, можно производить коррекцию частотных свойств.

Последовательный и параллельный колебательные контуры

Если измерить резонансную частоту, используя известный конденсатор, то можно определить индуктивность катушки.

Индуктивность – важнейший элемент в разных областях электротехники. Для правильного применения нужно знать все параметры используемых элементов.

Устройство, которое позволяет определить параметры катушек индуктивности, в том числе добротность, может называться L-метр или Q-метр.

Q-метр для измерения добротности

Применение катушек индуктивности

Индуктивности широко используются в аналоговых схемах и схемах обработки сигналов. Они в сочетании с конденсаторами и другими радиокомпонентами образуют специальные схемы, которые могут усилить или отфильтровать сигналы определенной частоты.

Катушки индуктивности получили широкое применение начиная от больших катушек индуктивности, таких как дроссели в источниках питания, которые в сочетании с конденсаторами фильтра устраняют остаточные помехи и другие колебания на выходе источника питания, и до столь малых индуктивностей, которые располагаются внутри интегральных микросхем.

Две (или более) катушки индуктивности, которые соединены единым магнитным потоком, образуют трансформатор, являющимся основным компонентом схем работающих с электрической сетью электроснабжения. Эффективность трансформатора возрастает с увеличением частоты напряжения.

По этой причине, в самолетах используется переменное напряжение с частотой 400 герц вместо обычных 50 или 60 герц, что в свою очередь позволяет значительно сэкономить на массе используемых трансформаторов в электроснабжении самолета.

Так же индуктивности используются в качестве устройства для хранения энергии в импульсных стабилизаторах напряжения, в высоковольтных электрических системах передачи электроэнергии для преднамеренного снижения системного напряжения или ограничения ток короткого замыкания.

Coil32 — Методы расчета индуктивности катушки.

Наиболее полно теоретические основы методов расчета индуктивностей изложены в справочной книге: «Расчет индуктивностей. П.Л.Калантаров Л.А.Цейтлин». Здесь же хотелось бы немного систематизировать подходы к расчету индуктивностей.

Прежде всего отметим, что расчет индуктивности можно вести тремя способами:

• Расчет по упрощенным эмпирическим формулам (Начальный уровень)
• Численный метод основанный на упрощенной модели катушки (Средний уровень)
• Численный метод основанный на фундаментальных законах электродинамики (Высокий уровень)

---

Начальный уровень представляет из себя эмпирический подход, который предполагает подбор (подгонку) относительно несложных аппроксимирующих формул по результатам измерений индуктивности реальных катушек либо путем упрощений уравнений более высокого уровня.

Расчет по упрощенным эмпирическим формулам имеет ограничения в точности и применим только к катушкам с определенной геометрией намотки. Большинство таких формул можно найти здесь. Несмотря на невысокую точность, такой расчет чаще всего вполне достаточен в радиолюбительской практике. 

---

Средний уровень основан на фундаментальных формулах физики, применимых к круговым проводникам, выведенных в XIX веке Д.К.Максвелломи Лоренцом. Позволяет провести расчет более точно, чем по эмпирическим формулам, но не требует запредельных аппаратных ресурсов компьютера. Недостатки: Более низкая точность расчета в сравнении в высоким уровнем. Невозможность рассчитать катушку с произвольной геометрией намотки. Катушка должна работать на частотах намного ниже частоты собственного резонанса.

---

Высокий уровень — это расчет в программах основанных на фундаментальных законах классической электродинамики, так называемых электромагнитных симуляторах. К ним можно отнести COMSOL Multiphysics, FEMM, ANSYS, GAL-ANA и т. п. Эти программы используют специальные численные методы, такие как метод моментов и метод конечных элементов. Расчет в таких программах довольно точен, позволяет учесть множество нюансов, рассчитать катушку произвольной формы, однако требует огромных ресурсов компьютера. Применяется при научном анализе или если катушка работает в режиме, когда ее нельзя представлять как сосредоточенный элемент [пример]

---

Более подробно рассмотрим пример среднего уровня расчета, который использует Coil64…  Расчет индуктивности в программе Coil64 основан на модели Максвелла, в которой катушка представляется как множество соосных бесконечно тонких круговых проводников. Из Теоремы Гаусса следует, что силовые линии магнитного поля всегда замкнуты. Из этого следует, что магнитный поток порожденный круговым контуром с током весь проходит через поверхность, ограниченную этим контуром. Это обстоятельство отражено в следующей формуле:

 Из этой формулы можно вывести определение для собственной индуктивности кругового проводника через двойной контурный интеграл Ф. Е.Неймана для взаимоиндукции [вывод здесь]:

Как показал Д.К.Максвелл, для двух бесконечно тонких круговых соосных проводников этот интеграл имеет однозначное решение, которое выглядит следующим образом:

[1]

•     M — взаимоиндукция;
•     r1, r2 — радиусы двух бесконечно тонких круговых проводников;
•     x — расстояние между центрами кругов, ограниченных этими проводниками;
•     K, E — эллиптические интегралы, соответственно первого и второго рода;

Численный метод расчета по формуле Максвелла сводится к численным методам решения эллиптических интегралов.

---

По формуле Максвелла можно рассчитывать как индуктивность многослойных и однослойных катушек, так и взаимную индуктивность двух отдельных катушек. Погрешности модели, связанные с допущением, что провод бесконечно тонкий и представляет собой набор круговых проводников (хотя на самом деле — это спираль), можно уменьшить с помощью соответствующих поправок.

Рассчитывая взаимоиндукцию проводника «самого на себя», т.е. его самоиндукцию (собственную индуктивность), Максвелл использует понятие — «среднее геометрическое расстояние» — GDM (g), для круглого провода:

g = e^0.25*r_w, где r_w — радиус провода.

---

 Очень важен следующий момент. Вся вышеприведенная логика рассуждений и вывода формул, начиная от формулы Неймана, справедлива в случае равномерного распределения плотности тока вдоль катушки. В подавляющем большинстве практических случаев так и есть. Однако если катушка работает вблизи частот собственного резонанса, начинает проявляться неравномерность распределения плотности тока по проводнику! Другими словами, начинает проявляться зависимость индуктивности от частоты, которая в наших расчетах не учитывается. Поэтому индуктивность катушки можно рассчитать корректно только на частотах не превышающих 60-70% от частоты ее собственного резонанса. Таким образом Coil64 не годится для точных расчетов, например, катушек Тесла или спиральных резонаторов.

В этом случае и в случае если катушка работает в режиме выше частоты собственного резонанса — ее нужно представлять только в виде модели длинной линии и рассчитывать в программах-электромагнитных симуляторах, либо пользоваться специальными эмпирическими формулами.

Ссылки по теме:

1. An introduction to the art of Solenoid Inductance Calculation D W Knight 2013
2. Numerical Methods for Inductance Calculation Robert Weaver 2012
3. Inductance Calculation Techniques — Part II: Approximations and Handbook Methods Marc T. Thompson 1999
4. A new method for inductance calculation M.A.Bueno A K T Assis 1995

 

Как измерить индуктивность? — ElectronicsHacks

Знаете ли вы, что можно измерить индуктивность с помощью простого мультиметра? Это правда! На самом деле измерение индуктивности довольно просто и требует всего несколько шагов. В этом сообщении блога мы покажем вам, как измерить индуктивность с помощью мультиметра. Мы также предоставим некоторую справочную информацию о рабочем процессе, чтобы вы могли лучше понять процесс. Следите за обновлениями!

Что такое индуктивность?

Индуктивность измеряет способность электрической цепи накапливать энергию в магнитных полях, когда через нее проходит ток. Это уникальная форма электричества, которая различается между цепями и компонентами. Измеряется в генри (H). Чем выше индуктивность, тем больше энергии может быть накоплено за заданный промежуток времени.

Важно отметить, что разные типы и размеры катушек имеют разные уровни индуктивности. [1]

Как измерить индуктивность?

Сравнение импеданса с резистором

Измерение индуктивности не так просто, как измерение сопротивления. Катушки индуктивности ведут себя иначе, чем резисторы, поскольку они противодействуют изменениям тока, а не напряжения. Это означает, что для измерения значения индуктора требуется постоянный источник тока с известными напряжением и частотой, приложенными к нему. Затем выходной сигнал будет измерен с помощью осциллографа или другого устройства, которое может измерять импеданс. Сравнивая выходной сигнал с входным сигналом, вы сможете рассчитать значение индуктивности вашего компонента.

Рефлектометрия во временной области

Рефлектометрия во временной области (TDR) — это специализированный метод, используемый для измерения длины кабелей, а также их волнового сопротивления. Он работает, отправляя импульсы по кабелю, а затем измеряя время, необходимое для отражения импульса от любых разрывов, таких как разъемы или соединения проводов. Зная скорость распространения используемого сигнала, можно рассчитать длину кабеля и его характеристики.

Этот же метод можно использовать для измерения индуктивности, подключив известный источник импеданса (например, резистор) к одному концу катушки индуктивности. Затем TDR подключается к другому концу, и, сравнивая выходной сигнал с входным сигналом, вы сможете рассчитать его значение.

Мост индуктивности

Мост индуктивности представляет собой электронное устройство, разработанное специально для измерения катушек индуктивности. Он работает путем приложения известного переменного напряжения к двум сторонам неизвестного индуктора при измерении тока и напряжения на обеих сторонах. Сравнивая их, вы сможете определить значение индуктивности вашего компонента. Вы также можете использовать цифровой мультиметр для измерения значения катушки индуктивности, подключив ее последовательно с известным резистором и измерив падение напряжения на ней.

Резонансная точка с конденсатором

Если у вас есть катушка индуктивности и конденсатор известной емкости, вы можете измерить индуктивность, соединив их последовательно. Изменяя частоту сигнала, подаваемого на цепь, вы сможете найти резонансную точку, в которой два компонента находятся в фазе друг с другом. В этот момент ток, протекающий через оба компонента, будет максимальным, и исходя из этого вы можете рассчитать их суммарное реактивное сопротивление, а также значение индуктивности вашего компонента.

Измерение с помощью измерителя LCR

Измеритель LCR — это специализированное устройство, которое может измерять как индуктивность, так и емкость. Он работает, подавая известное переменное напряжение на компонент, а затем измеряя ток, а также его фазовый сдвиг по отношению к входному сигналу. Сравнивая эти два значения, вы можете рассчитать реактивное сопротивление вашего компонента и, исходя из этого, определить значение его индуктивности или емкости. [2]

Расчет индуктивности на крутизне напряжения и тока

Если у вас есть индуктор с известной крутизной зависимости напряжения от тока, то вы можете рассчитать его значение, измерив выходной ток, когда на него подается устойчивый сигнал переменного тока. Построив входные и выходные значения на графике, вы сможете определить индуктивность по ее наклону. Этот метод особенно хорошо работает, если индуктор имеет низкую паразитную емкость и сопротивление.

Использование мультиметра

Наконец, если у вас есть цифровой мультиметр (DMM), вы можете измерить индуктивность компонента, подключив его последовательно с известным резистором и измерив падение напряжения на обоих. Сравнив это показание с ожидаемым выходным током цифрового мультиметра, вы сможете рассчитать его значение.

В заключение следует отметить, что существует множество различных способов измерения значения катушки индуктивности в зависимости от имеющегося оборудования и характеристик вашего компонента. В конечном счете, все эти методы требуют некоторой степени экспериментирования и могут не подходить для определенных приложений; однако они являются полезными инструментами, которые могут помочь вам точно определить значение катушки индуктивности.

Теория оценки значения индуктора

Индуктивность — это свойство индуктора, описывающее его способность накапливать энергию в магнитном поле, когда через него протекает ток. Измерение номинала катушки индуктивности является важным шагом при проектировании схем, поскольку величина индуктивности влияет на то, сколько тока может быть получено от источника питания, и/или как быстро будет падать напряжение на катушке индуктивности при изменении тока. 92)

Это уравнение работает путем измерения величины тока, который протекает, когда на катушку подается переменное напряжение. При увеличении частоты этого напряжения увеличивается и количество тока, протекающего через индуктор. Это увеличение тока можно измерить и использовать для расчета L.

Инженерам важно помнить, что эти расчеты дают только приблизительную оценку значений индуктивности, поскольку такие факторы, как материал сердечника, геометрия катушки и емкость между обмотками, также учитываются. влияют на общую производительность. Таким образом, рекомендуется использовать более точные методы, такие как LCR-метр или индуктивный мост, если требуются точные показания.

В целом, измерение индуктивности может быть сложной задачей для инженеров, но понимание теории и уравнений, лежащих в основе оценки индуктивности, помогает упростить этот процесс. Обладая нужными инструментами и знаниями, любой инженер должен быть в состоянии точно измерить значение катушки индуктивности. [3]

Использование катушек индуктивности

Катушки индуктивности — это электронные компоненты, которые в основном используются для создания электрических цепей с индуктивностью. Эту индуктивность можно использовать по-разному.

В источниках питания катушки индуктивности часто используются для накопления энергии при отключении питания и последующего ее высвобождения при повторном включении питания. Их также можно использовать в качестве фильтров для уменьшения шума и помех в сигналах. В сочетании с конденсаторами они могут образовывать резонансные контуры, которые используются для радиопередачи и приема. Наконец, их можно комбинировать с трансформаторами для повышения или понижения уровня напряжения в зависимости от потребностей приложений.

Выбирая соответствующее значение для катушки индуктивности, инженеры имеют значительный контроль над тем, как их схема будет работать и вести себя в различных ситуациях. Для измерения индуктивности данного компонента можно использовать несколько различных инструментов.

Как работает индуктор?

Индуктор работает, создавая магнитное поле вокруг себя в ответ на электрический ток. Это магнитное поле хранит энергию, которая затем высвобождается, когда ток прекращается или меняет направление. Величина этой накопленной энергии называется «индуктивностью». Индуктивность измеряется в единицах Генри (Гн).

Общие примеры катушек индуктивности можно найти в электронике, такой как радиоприемники, телевизоры и другие приборы. Они также используются для фильтрации, обработки сигналов и регулирования напряжения и тока.

Что происходит при отключении катушки индуктивности?

Когда вы отключаете индуктор, магнитное поле, которое он создает вокруг себя, быстро рассеивается, и возникает эффект, известный как противоэлектродвижущая сила (CEMF). Этот CEMF работает как короткое замыкание — электроны текут от одного конца индуктора к другому, создавая большой ток. Этот ток может повредить компоненты, если его не контролировать.

Во избежание этой проблемы всегда следует медленно отсоединять катушку индуктивности, давая время для постепенного рассеивания магнитного поля. Кроме того, вы должны убедиться, что все конденсаторы или другие компоненты, подключенные к индуктору, также отключены перед отключением питания.

Принимая эти меры предосторожности, вы можете защитить свои схемы от потенциального повреждения из-за чрезмерного тока, протекающего при отключении катушки индуктивности. [4]

Как катушки индуктивности крепятся к печатным платам?

Катушки индуктивности обычно прикрепляются к печатным платам посредством сквозного или поверхностного монтажа. Сквозной монтаж осуществляется путем просверливания отверстия в плате и впаивания в него выводов катушки индуктивности. Технология поверхностного монтажа (SMT) включает в себя прикрепление крошечных компонентов непосредственно к поверхности печатной платы с помощью паяльной пасты и тепловой пушки или печи для оплавления. SMT предпочтительнее сквозных из-за его повышенной надежности, более низкой стоимости и лучших электрических характеристик. Чтобы убедиться, что ваш индуктор надежно прикреплен к печатной плате, всегда проверяйте наличие каких-либо признаков соединений холодной пайки перед включением устройства. Кроме того, соблюдайте осторожность при обращении с индуктором, так как его можно легко повредить, если его слишком сильно согнуть или подвергнуть чрезмерной температуре или вибрации.

Катушки индуктивности являются важными компонентами различных электронных устройств, от преобразователей мощности радиочастот до высоковольтных источников питания. При работе с катушками индуктивности важно выбрать правильный для вашего приложения и убедиться, что он надежно прикреплен к печатной плате. Понимание того, как работает индуктивность и как вы можете ее измерить, поможет вам получить максимальную отдачу от вашей схемы.

Raspberry Pi против Banana Pi: что лучше?

В каких приложениях используются катушки индуктивности?

Катушки индуктивности обычно используются в электрических цепях для создания фильтра нижних частот, верхних частот или полосового фильтра, а также для согласования импеданса. Примеры использования индукторов включают радио- и аудиооборудование, телекоммуникационные системы, компьютеры, блоки питания и многие другие потребительские товары.

Их использование широко распространено в области электроники, поскольку они могут обеспечивать возможности хранения и фильтрации энергии при относительно низких требованиях к стоимости и размерам. Они также способны обеспечить очень стабильную частотную характеристику при использовании в сочетании с конденсаторами. Катушки индуктивности также можно использовать для измерения тока и защиты, например, для ограничения пусковых токов при включении или выключении компонентов. Вообще говоря, катушки индуктивности являются важными компонентами почти любой электронной системы.

В некоторых случаях, например, в приложениях большой мощности, используются специальные типы катушек индуктивности, называемые «дросселями». Эти устройства действуют как индукторы и трансформаторы одновременно, что позволяет им обеспечивать регулирование и фильтрацию как тока, так и напряжения на заданной частоте.

Индукторы также широко используются в медицине, в первую очередь для систем визуализации, таких как аппараты МРТ (магнитно-резонансная томография), которые используют мощные электромагниты для создания подробных изображений внутренних органов или тканей. Индукторы также используются в оборудовании ЭКГ (электрокардиография), , где они помогают измерять электрические импульсы, производимые сердцем. [5]

Типы катушек индуктивности

Катушки индуктивности бывают различных форм и размеров для различных применений. Примеры включают катушки с воздушным сердечником, сердечники из порошкового железа, ферритовые или керамические сердечники, плоские спиральные катушки индуктивности и катушки индуктивности в форме тороида или пончика.

Катушки с воздушным сердечником обычно используются для низких частот, потому что отсутствие магнитного поля означает, что они имеют низкую индуктивность.

Сердечники из порошкового железа подходят для более высоких частот из-за их высокой проницаемости, которая увеличивает значение индуктивности по сравнению с катушкой с воздушным сердечником.

Ферритовые или керамические сердечники обеспечивают еще более высокую проницаемость, чем сердечники из порошкового железа, что делает их идеальными для очень высокочастотных приложений, таких как радиопередатчики и приемники.

Катушки индуктивности с плоской спиралью часто используются в планарных трансформаторах и могут быть намотаны из различных материалов, таких как посеребренная медная проволока.

Катушки индуктивности тороидальной или кольцевидной формы чаще всего используются в радиочастотных устройствах и благодаря своей форме имеют наименьшее излучаемое электромагнитное поле по сравнению с катушками индуктивности других типов.

Конденсатор против катушки индуктивности

Независимо от того, какую схему вы конструируете, конденсаторы и катушки индуктивности часто будут задействованы. Оба компонента необходимы для множества задач, таких как фильтрация, накопление энергии или создание резонансных цепей.

Емкость измеряется в фарадах (Ф), где 1 фарад — это количество заряда, накопленного в одном вольте, когда сила тока равна 1 ампер в секунду. Индуктивность измеряется в генри (Гн). Указывает, какое напряжение будет индуцироваться при изменении определенного значения тока с течением времени. Связь между напряжением и током пропорциональна: если ток увеличивается линейно, будет создаваться большее напряжение.

Два компонента существенно различаются по своему поведению по отношению к переменному току. В то время как конденсаторы эффективно блокируют переменный ток, катушки индуктивности действуют как фильтр и пропускают его. Вот почему они часто используются в сочетании для звуковых целей; конденсатор будет блокировать низкочастотные сигналы, пропуская при этом более высокие частоты.

При измерении индуктивности необходимо учитывать несколько факторов. Наиболее важным фактором является материал сердечника, из которого изготовлена ​​катушка индуктивности, так как различные материалы могут влиять на то, какой ток может быть обработан и какое напряжение будет индуцироваться им. Кроме того, другие переменные, такие как размер провода и количество витков, также играют роль. [6]

Часто задаваемые вопросы

Как рассчитать индуктивность?

Наиболее распространенным способом расчета индуктивности является использование формулы L = (μ x N2 x A) / l, где μ — проницаемость свободного пространства, N — число витков в катушке, A — поперечное сечение площадь поперечного сечения катушки, l – длина. Вы также можете измерить его непосредственно с помощью измерителя индуктивности или осциллографа. Вам нужно будет настроить соответствующую цепь с источником тока и измерить напряжение на нем. Отношение напряжения к току даст вам значение индуктивности. Кроме того, некоторые устройства имеют встроенные схемы, которые позволяют измерять индуктивность без необходимости установки отдельной схемы. Наконец, если вы знаете значения всех своих компонентов, вы также можете использовать программу моделирования для расчета индуктивности.

Что такое измеритель собственной индуктивности?

Измеритель собственной индуктивности или измеритель сопротивления емкости индуктивности (LCR) — это устройство, используемое для измерения индуктивности цепи. Он работает, подавая переменный ток в цепь, а затем измеряя напряжение на ней. Отношение напряжения к току дает вам значение индуктивности. Этот тип измерения может быть выполнен быстро и точно, что делает его идеальным для тестирования цепей с различными параметрами, такими как частота или нагрузка. Некоторые устройства даже имеют встроенные функции, позволяющие измерять индуктивность без необходимости построения собственной схемы.

Как измерить индуктивность в цепи переменного тока?

Самый простой способ измерить индуктивность в цепи переменного тока — использовать LCR-метр. Это устройство подает известный переменный ток в цепь и измеряет напряжение на ней, давая вам значение индуктивности. В качестве альтернативы, если вы знаете значения всех компонентов, вы можете использовать программу моделирования для расчета индуктивности. Кроме того, некоторые устройства имеют встроенные схемы, позволяющие измерять индуктивность без необходимости установки отдельной схемы.

Каковы некоторые распространенные области применения измерения индуктивности?

Измерение индуктивности обычно используется для тестирования электронных компонентов, таких как трансформаторы или катушки, проверки печатных плат (PCB), устранения неполадок автомобильных электрических систем и анализа меток RFID (радиочастотная идентификация). Кроме того, измерения индуктивности могут помочь определить любые неожиданные источники утечки в цепи и диагностировать проблемы с источниками питания или цепями, в которых используется переменный ток.

Какие существуют типы измерителей индуктивности?

Сегодня на рынке доступно несколько различных типов измерителей индуктивности. Ручные измерители LCR очень популярны благодаря своей портативности, точности и простоте использования. Они используют источник переменного тока для измерения напряжения в цепи, что дает вам значение индуктивности. Другие варианты включают настольные устройства, которые могут обеспечить более высокую точность, но требуют больше времени для настройки и знаний для правильного использования. Наконец, некоторые устройства имеют встроенные схемы, позволяющие измерять индуктивность без необходимости установки отдельной схемы.

Каковы ограничения измерения индуктивности?

Основным ограничением измерения индуктивности является сложность точного измерения на высоких частотах. Кроме того, вставка пробника в цепь может изменить ее характеристики, и поэтому показания могут быть неточными. Наконец, некоторые типы цепей невозможно измерить с помощью измерителя LCR из-за их сложности или высокой частоты. Важно знать об этих ограничениях перед выполнением каких-либо измерений.

Какие четыре фактора определяют индуктивность?

Четыре фактора, определяющие индуктивность, — это количество витков в катушке, материал, используемый для сердечника, форма катушки и ее физический размер. Кроме того, любое изменение этих факторов повлияет на значение индуктивности. Например, увеличение числа витков или уменьшение размера катушки увеличит ее индуктивность. Важно учитывать все эти факторы при измерении или расчете индуктивности.

Что такое единица индуктивности?

Единицей индуктивности является генри (Гн). Это стандартная мера индуктивности, и все катушки индуктивности имеют значение в генри. Кроме того, любые другие значения, такие как фарады или омы, можно преобразовать в генри с помощью соответствующей формулы.

Какие существуют 2 типа индуктивности?

Индуктивность можно разделить на два основных типа: самоиндукция и взаимная индуктивность. Самоиндукция — это свойство цепи или компонента, который накапливает энергию в электромагнитном поле, когда через него проходит ток. Взаимная индуктивность возникает, когда две отдельные катушки провода взаимодействуют друг с другом, создавая переносящий магнитный поток между ними, который может индуцировать ток в любой катушке. Оба типа индуктивности измеряются разными методами в зависимости от типа задействованной катушки индуктивности. Для самоиндукции одним из распространенных методов является измерение того, насколько быстро возрастает напряжение в ответ на изменения тока, протекающего через него. Это можно сделать, подключив осциллограф к компоненту и измерив его время нарастания, а также пиковое напряжение.

В чем разница между конденсатором и индуктивностью?

Основное различие между конденсатором и катушкой индуктивности заключается в том, что конденсаторы накапливают энергию в электрическом поле, а катушки индуктивности накапливают энергию в магнитном поле. Способность катушки индуктивности накапливать энергию делает ее полезной для таких приложений, как фильтрация и обработка сигналов. Конденсаторы, с другой стороны, используются в основном для хранения электрического заряда и высвобождения его по мере необходимости. Наконец, одно ключевое различие между двумя компонентами заключается в том, что они оба по-разному реагируют на воздействие переменного тока (AC). Конденсаторы имеют тенденцию блокировать или ограничивать сигналы переменного тока, тогда как катушки индуктивности действуют как усилители или фильтры для сигналов переменного тока.

Полезное видео: EEVblog 1465 — Ваш мультиметр может измерять катушки индуктивности

Заключение

Измерение индуктивности — важная часть электротехники. Он помогает определить величину тока, протекающего через проводник или цепь, и может использоваться в различных приложениях, таких как проверка напряжения, расчет потребляемой мощности и анализ поведения цепи. Существует несколько различных методов измерения индуктивности, включая использование мультиметра, осциллографа, мостового анализатора импеданса, набора для проверки трансформатора и поясов Роговского. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки в зависимости от поставленной задачи. Однако независимо от того, какой метод вы используете, важно всегда правильно калибровать прибор, чтобы получать точные показания. Имея подходящее оборудование и зная, как правильно измерять индуктивность, инженеры могут точно и уверенно анализировать цепи.

Ссылки

1. https://www.wikihow.com/Measure-Inductance
2. https://www.instructables.com/Measuring-Inductance-With-a-Multimeter-and-a-Resis/
3. https://www.testandmeasurementtips.com/how-to-measure-inductance/
4. https://www.tek.com/en/documents/application-note/capacitance-and-inductance-measurements-using-oscilloscope -and-function-ge
5. https://www.coilcraft.com/en-us/edu/series/what-is-an-inductor/

Как проверить термостат с помощью мультиметра?

источник питания — расчет дросселя повышающего преобразователя

\$\начало группы\$

Разрабатываю повышающий преобразователь со следующими параметрами:

• Vin: 3,0 — 3,7 В
• Ввых: 30 В (номинальное)
• Iвых(макс. ): 10 мА
• Fsw: 600 кГц

В примечаниях по применению TI приведены следующие уравнения для выбора катушки индуктивности повышающего преобразователя:

Когда я подставляю свои числа в уравнение, я получаю очень большое значение ~2250 мкГн. Это не имеет смысла для меня. Зачем мне такая большая катушка индуктивности для питания такой маленькой нагрузки?

Вот мои номера:

• Вин: 3,0 В (в худшем случае)
• Ввых: 30 В
• дельта Il 2 мА (20% от 10 мА)
• Фс: 600 кГц

• блок питания
• импульсный блок питания
• силовая электроника
• Boost

\$\конечная группа\$

17

\$\начало группы\$

В дельте I отсутствует коэффициент Vout/Vin, который равен десяти, поэтому вы получаете в десять раз большую индуктивность.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Для непрерывного режима проводимости требуется минимальная индуктивность 33,5 мкГн: —

Изображение с моего основного веб-сайта. Обратите внимание, что граничное увеличение мощности чуть ниже мощности, требуемой нагрузкой, следовательно, схема будет работать в режиме CCM и производить ток пульсаций индуктора, например, 162 мА от пика до пика.

Если учесть реальный диод на выходе, минимальная индуктивность будет немного меньше, поэтому, возможно, вы могли бы обойтись 33 мкГн, если бы у вас была постоянная нагрузка.

• Если минимальный ток нагрузки был, скажем, 1 мА, вы можете избежать DCM с помощью катушки индуктивности 330 мкГн. 902:30
• Это также, естественно, вызовет пульсации тока 16 мА от пика до пика.
• 3300 мкГн, естественно, будет производить ток пульсаций 1,6 мА от пика до пика.

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Более серьезной проблемой является поиск регулятора, рассчитанного на такой низкий ток, с точки зрения его диапазона регулирования. Большинство рассчитано на ток свыше 200 мА, и для стабильной работы требуется катушка индуктивности соответствующего номинала.