Индукционная катушка | это… Что такое Индукционная катушка?

Катушка индуктивности на материнской плате компьютера.

Обозначение на электрических принципиальных схемах.

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Такая система способна запасать магнитную энергию при протекании электрического тока.

Содержание 1 Устройство 2 Свойства катушки индуктивности 3 Характеристики катушки индуктивности 3.1 Индуктивность 3.2 Сопротивление потерь 3.2.1 Потери в проводах 3.2.2 Потери в диэлектрике 3.2.3 Потери в сердечнике 3.2.4 Потери в экране 3.3 Добротность 3.4 Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ) 4 Разновидности катушек индуктивности 5 Применение катушек индуктивности 6 Смотри также

Устройство

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

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

Свойства катушки индуктивности

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

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением величина которого равна: , где — индуктивность катушки, — угловая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.

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

Величина этой энергии равна

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

Характеристики катушки индуктивности

Индуктивность

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

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

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

При параллельном соединении катушек общая индуктивность равна

Сопротивление потерь

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

Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

• Во-первых, провода обмотки обладают омическим сопротивлением.
• Во-вторых, сопротивление провода обмотки переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом, суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения.
• В третьих, в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому протекает ток, принимает серповидный характер, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

Потери в диэлектрике

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

Потери в сердечнике

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

Потери в экране

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

Добротность

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

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

Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)

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

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

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности 

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

Катушки связи 

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

Вариометры 

Это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника.

Дроссели 

Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Обычно включаются в цепях питания усилительных устройств. Предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов. На низких частотах они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники.

Сдвоенные дроссели 

две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны при тех же габаритных размерах.

Применение катушек индуктивности

Применявшаяся в качестве реактивного сопротивления для люминесцентных ламп катушка индуктивности

• Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п..
• Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.
• Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор.
• Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.
• Катушки используются также в качестве электромагнитов.
• Катушки применяются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанной плазмы.
• Для радиосвязи — излучение и приём электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна).
  • Рамочная антенна
  • DDRR
  • Индукционная петля
• Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
• Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника.

Смотри также

• Гиратор
• Соленоид
• Трансформатор
• Электрический импеданс
• Переходный процесс

Индукционная катушка | это… Что такое Индукционная катушка?

Катушка индуктивности на материнской плате компьютера.

Обозначение на электрических принципиальных схемах.

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Такая система способна запасать магнитную энергию при протекании электрического тока.

Содержание 1 Устройство 2 Свойства катушки индуктивности 3 Характеристики катушки индуктивности 3.1 Индуктивность 3.2 Сопротивление потерь 3.2.1 Потери в проводах 3.2.2 Потери в диэлектрике 3.2.3 Потери в сердечнике 3.2.4 Потери в экране 3.3 Добротность 3.4 Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ) 4 Разновидности катушек индуктивности 5 Применение катушек индуктивности 6 Смотри также

Устройство

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

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

Свойства катушки индуктивности

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

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением величина которого равна: , где — индуктивность катушки, — угловая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.

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

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

Характеристики катушки индуктивности

Индуктивность

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

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

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

При параллельном соединении катушек общая индуктивность равна

Сопротивление потерь

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

Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

• Во-первых, провода обмотки обладают омическим сопротивлением.
• Во-вторых, сопротивление провода обмотки переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом, суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения.
• В третьих, в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому протекает ток, принимает серповидный характер, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

Потери в диэлектрике

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

Потери в сердечнике

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

Потери в экране

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

Добротность

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

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

Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)

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

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

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности 

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

Катушки связи 

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

Вариометры 

Это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника.

Дроссели 

Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Обычно включаются в цепях питания усилительных устройств. Предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов. На низких частотах они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники.

Сдвоенные дроссели 

две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны при тех же габаритных размерах.

Применение катушек индуктивности

Применявшаяся в качестве реактивного сопротивления для люминесцентных ламп катушка индуктивности

• Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п..
• Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.
• Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор.
• Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.
• Катушки используются также в качестве электромагнитов.
• Катушки применяются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанной плазмы.
• Для радиосвязи — излучение и приём электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна).
  • Рамочная антенна
  • DDRR
  • Индукционная петля
• Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
• Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника.

Смотри также

• Гиратор
• Соленоид
• Трансформатор
• Электрический импеданс
• Переходный процесс

Индукционная катушка | Определение, принцип и дизайн

Катушка Румкорфа

См. все СМИ

Ключевые сотрудники:

Никола Тесла

Похожие темы:

катушка индуктор Катушка Румкорфа

См. все связанные материалы →

Индукционная катушка , электрическое устройство для создания прерывистого источника высокого напряжения. Индукционная катушка состоит из центрального цилиндрического сердечника из мягкого железа, на который намотаны две изолированные катушки: внутренняя или первичная катушка, имеющая относительно небольшое количество витков медной проволоки, и окружающая вторичная катушка, имеющая большое количество витков более тонкой медной проволоки. . Прерыватель используется для автоматического включения и отключения тока в первичной обмотке. Этот ток намагничивает железный сердечник и создает сильное магнитное поле по всей индукционной катушке.

Принцип работы индукционной катушки был описан в 1831 году Майклом Фарадеем. Закон индукции Фарадея показал, что если магнитное поле через катушку изменяется, индуцируется электродвижущая сила, величина которой зависит от скорости изменения во времени магнитного поля через катушку. Эта индуцированная электродвижущая сила всегда, по закону Ленца, направлена ​​так, чтобы противодействовать изменению магнитного поля.

При появлении тока в первичной обмотке индуцированные электродвижущие силы возникают как в первичной, так и во вторичной обмотках. Противодействующая электродвижущая сила в первичной обмотке вызывает постепенное увеличение тока до максимального значения. Таким образом, когда ток начинается, временная скорость изменения магнитного поля и наведенного напряжения во вторичной обмотке относительно мала. С другой стороны, когда первичный ток прерывается, магнитное поле быстро уменьшается, и во вторичной обмотке возникает относительно большое напряжение. Это напряжение, которое может достигать нескольких десятков тысяч вольт, сохраняется только в течение очень короткого времени, в течение которого изменяется магнитное поле. Таким образом, индукционная катушка создает большое напряжение, сохраняющееся в течение короткого времени, и небольшое обратное напряжение, сохраняющееся гораздо дольше. Частота этих изменений определяется частотой прерывателя.

После открытия Фарадея индукционная катушка была усовершенствована. В 1853 году французский физик Арман-Ипполит-Луи Физо поместил конденсатор на прерыватель, тем самым намного быстрее отключив первичный ток. Методы намотки вторичной катушки были значительно улучшены Генрихом Даниэлем Румкорфом (1851 г.) в Париже, Альфредом Аппсом в Лондоне и Фридрихом Клингельфусом в Базеле, которые смогли получить искры в воздухе длиной около 150 см (59 дюймов). Существуют различные виды прерывателей. Для небольших индукционных катушек к катушке присоединяется механическое устройство, в то время как для катушек большего размера используется отдельное устройство, такое как прерыватель с ртутной струей или электролитический прерыватель, изобретенный Артуром Венельтом в 189 г.9.

Индукционные катушки использовались для обеспечения высокого напряжения для электрических разрядов в газах при низком давлении и как таковые сыграли важную роль в открытии катодных и рентгеновских лучей в начале 20-го века. Другой формой индукционной катушки является катушка Тесла, которая генерирует высокое напряжение на высоких частотах. Индукционные катушки большего размера, используемые с рентгеновскими трубками, были заменены трансформатором-выпрямителем в качестве источника напряжения. В 21 веке индукционные катушки меньшего размера по-прежнему широко использовались в качестве важного компонента в системах зажигания бензиновых двигателей.

Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена ​​Майклом Рэем.

Индукционная катушка и ее применение в практике инженера-электронщика

Несмотря на широкое использование цифровых схем, таких как процессоры, программируемые логические устройства и однокристальные схемы, которые представляют собой комбинацию этих двух, иногда разработчику электроники приходится для «аналоговых» элементов, таких как: резисторы, конденсаторы или индукционные катушки. Что интересно, если относительно легко включить резистор или конденсатор (с емкостью, исчисляемой в пикофарадах) в структуру интегральной схемы, то очень сложно сделать это с помощью индукционной катушки. Вот почему в примечаниях по применению многих элементов до сих пор упоминается индукционная катушка в качестве внешнего компонента, добавляемого в набор. В данной статье представлены некоторые основные сведения об индукционных катушках и описание элементов их конструкции, влияющих на их параметры.

• Структура индукционной катушки
• Что такое индукционная катушка?
• Индукционная катушка – основные параметры
• Несовершенная катушка
• Заключительные замечания

Структура индукционной катушки

Индукционная катушка не является сложной. Он состоит из сердечника и намотанных на него изолированных проводов. Сердечник может быть как воздушным, так и магнитным. Важно, чтобы провода, намотанные на сердечник, были изолированы, поэтому для изготовления катушек используют изолированный провод, либо наматывают неизолированным проводом (например, так называемой серебряной сталью), но с воздушным зазором, обеспечивающим необходимое расстояние между отдельными витками провода. Если неизолированный провод наматывать виток за витком, то произойдет короткое замыкание и, хотя некоторая индуктивность будет присутствовать, она обязательно будет отличаться от нужной.

На практике часто встречается повреждение индукционной катушки , т.е. короткое замыкание между витками провода в результате пробоя изоляции, из-за превышения максимально допустимой температуры или напряжения. Поврежденную таким образом катушку необходимо перемотать или заменить на новую. Сетевые трансформаторы также повреждаются таким образом. Дальнейшее использование такого поврежденного трансформатора может привести к его перегреву, короткому замыканию в сети или даже возгоранию трансформатора или питаемого от него устройства.

Что такое индукционная катушка?

Индукционная катушка представляет собой элемент, который накапливает энергию в виде магнитного поля в сердечнике, поэтому он преобразует энергию электрического тока в энергию магнитного поля или наоборот. Изменение тока, протекающего по обмоткам, приводит к возникновению электродвижущей силы в направлении, противодействующем этому изменению. Точно так же переменное магнитное поле, проникающее в сердечник, вызывает индукцию напряжения. Это можно показать с помощью следующей формулы:

В этой формуле:

• e — обозначает электродвижущую силу (напряжение в вольтах), создаваемую катушкой,
• dϕ/dt — изменение магнитного потока во времени,
• di/dt — текущее изменение времени,
• L — обозначает параметр катушки, называемый индуктивностью; его единица измерения — генри.

Легко заметить упомянутую ранее особенность – ЭДС e имеет противоположное направление, чем напряжение, вызывающее протекание тока. Он противодействует резким изменениям тока, протекающего через катушку, и позволяет катушке выполнять одну из своих основных функций – использоваться в качестве так называемого импедера .

Индукционная катушка – основные параметры

Основные параметры катушки – индуктивность и резонансная частота. Другими словами, индуктивность — это способность катушки накапливать энергию в виде магнитного поля, вызванного протеканием тока. Индуктивность измеряется в генри и определяется как отношение временного изменения напряжения к изменению тока во времени.

Диаграммы, показывающие падение тока и напряжения на выводе индукционной катушки. Падение максимально в момент включения питания и уменьшается со временем. Падение противодействует увеличению тока, следовательно, сила тока минимальна в момент включения источника питания и увеличивается со временем. Часто говорят, что напряжение опережает ток на катушке

На рисунке выше показано, что происходит с напряжением на катушке и с током, протекающим через нее после подачи питания на ее клеммы. Сплошная красная линия иллюстрирует течение тока. Как мы можем наблюдать, ток увеличивается после подачи питания до своего пикового значения, определяемого законом Ома, т. е. отношения напряжения на клеммах к катушка сопротивление, достигается. Синяя пунктирная линия показывает падение напряжения на катушке. Как мы видим, это падение максимально в момент подачи питания и минимально после того, как ток достигает своего пикового значения. Это связано с упомянутым ранее фактом, что индукционное напряжение имеет противоположное направление, чем напряжение, приложенное к клеммам.

При описании параметров неидеальной катушки обсуждается резонансная частота катушки, так как она связана с паразитной емкостью.

Материал сердечника и относительная магнитная проницаемость

Очень важным элементом индукционной катушки является ее сердечник. Сердечник характеризуется типом используемого материала и связанной с ним относительной магнитной проницаемостью. Он называется относительным, потому что определяется по отношению к проницаемости вакуума. Это безразмерное число, определяемое как отношение магнитной проницаемости (абсолютная мк ) данной среды к проницаемости вакуума мк ₀ .

Согласно определению, магнитная проницаемость – это способность данного материала или среды изменять магнитную индукцию вместе с изменением напряженности магнитного поля. Другими словами, магнитная проницаемость — это свойство материала или среды, характеризующее его способность концентрировать линии магнитного поля.

Магнитная проницаемость, согласно данным, опубликованным в 2002 г. Комитетом по данным для науки и технологий (CODATA), представляет собой скаляр, который обозначается цифрой 9.0072 μ ₀ символ и значение которого в Международной системе единиц (СИ) равно μ ₀ = 4·Π·10 ^-7 = ок. 12,566370614·10 ^-7 [Гн/м = В·с/А·м] .

Индуктивность катушки выражается по следующей формуле:

Символы, используемые в формуле, означают:

• L — индуктивность в генри,
• μ ₀ — магнитная проницаемость вакуума,
• μ — относительная проницаемость материала сердцевины,
• Z — количество витков провода в катушке,
• S — площадь поперечного сечения катушки,
• l — длина змеевика.

Относительная проницаемость незагрязненного воздуха мало чем отличается от проницаемости вакуума, поэтому для упрощения в инженерной практике принято, что мк = 1 и формула индуктивности воздушной катушки:

Синими линиями показаны линии силы магнитного поля, направленные в соответствии с правилом Ленца (так называемое правило правой руки).

По магнитным свойствам материалы делятся на парамагнитные материалы (материалы, которые превращаются в магниты после помещения их в магнитное поле), ферромагнитные материалы (намагничиваются в присутствии магнитного поля) и диамагнитные материалы ( ослабление магнитного поля). Тип материала сердечника сильно влияет на параметры катушки. В идеальном вакууме нет частиц, которые могли бы повлиять на корреляцию между индуктивностью и напряженностью магнитного поля. При этом в каждой материальной среде формула индуктивности будет изменяться в зависимости от проницаемости этой конкретной среды. В случае вакуума значение проницаемости равно 1. Для парамагнетиков относительная проницаемость чуть выше 1, для диамагнетиков чуть меньше 1 — различия в обоих случаях настолько малы, что в технических приложениях ими пренебрегают. а значение принимается равным 1,

Подытожим этот абзац, перечислив параметры катушки, оказывающие наиболее существенное влияние на ее индуктивность:

Для чего используются сердечники? Во-первых, благодаря этому можно хранить больше энергии при меньшем количестве витков, чем в случае эквивалента с воздушным сердечником. Во-вторых, это связано с механической конструкцией катушки – сердечник является опорой для витков проволоки и обеспечивает правильную установку в целевом устройстве. Третьей важной причиной является концентрация и проводимость магнитного поля. В некоторых приложениях также будет важна возможность регулировать индуктивность катушки, изменяя положение сердечника относительно витков провода, например, вставляя или выталкивая его.

Неидеальная катушка

До сих пор мы обсуждали параметры идеальной катушки. Между тем, в реальных условиях провод обмотки будет иметь некоторое сопротивление и емкость, что повлияет на фактические параметры катушки, которые мы еще не рассматривали.

На рисунке показана эквивалентная схема постоянного тока реальной катушки. Резистор, представляющий сопротивление провода обмотки, был подключен последовательно к виткам катушки. При протекании тока через катушку это вызовет не только падение напряжения, но и потерю мощности в виде тепла, что может привести к перегреву катушки и изменению параметров сердечника. Как следствие, снижается и электрический КПД всего устройства.

Альтернативная принципиальная схема постоянного тока реальной катушки

В случае анализа переменного тока следует также учитывать паразитную емкость, создаваемую неизолированными слоями проводника, и поэтому эквивалентная схема, кроме резистора , включает также конденсатор, подключенный параллельно клеммам катушки. Так создается RLC-контур, а сама катушка до достижения резонансной частоты является индуктивной, а после ее достижения становится емкостной. Вот почему импеданс катушки увеличивается с резонансной частотой, достигая своего максимального значения в резонансе, и уменьшается после превышения частоты.

Изменение реальной катушки с индуктивной на емкостную после достижения резонансной частоты. Обозначения на эквивалентной принципиальной схеме: L – индуктивность, EPC – паразитная емкость, EPR – параллельное сопротивление, обозначающее потери мощности, ESR – последовательное сопротивление, обозначающее сопротивление сердечника обмотки)

Три вида потерь мощности в индукционных катушках

При применении катушек рассматриваются три основных типа потерь мощности. Первый из них уже упоминался ранее, а именно потери, происходящие в последовательном сопротивлении, т. е. в проводе обмотки. Эту потерю мощности следует особенно учитывать, когда ток, протекающий через катушку, имеет большую силу тока. Это наиболее распространенная потеря мощности в источниках питания и силовых цепях. Это вызывает перегрев катушки и, как следствие, всего устройства. Это также наиболее распространенная причина повреждения, так как высокая температура может повредить изоляцию и вызвать короткое замыкание на катушках.

Второй тип потери мощности происходит в активной зоне. Это результат несовершенства изготовления, возникновения вихревых токов и изменения положения магнитных доменов. Такие потери являются доминирующими, когда ток, протекающий через катушку, имеет малую силу тока. Они возникают в цепях с высокой частотой, цифровых разделителях сигналов и других. Это может привести не столько к повреждению катушки, сколько к потере уровня сигнала в чувствительных цепях.

Третий вид потерь мощности возникает в результате потери магнитного потока, который может быть рассеян механическими монтажными элементами, воздушными зазорами в сердечнике или небрежным исполнением при изготовлении самой катушки.

Ознакомьтесь с нашим предложением

Заключительные замечания

Индукционная катушка является простым компонентом, и поэтому ею часто пренебрегают. Между тем, при монтаже электронной схемы, оснащенной дросселями или преобразователями, особое внимание следует уделить выбору индуктивных компонентов, в том числе их резонансным частотам или параметрам материала сердечника. Используются разные ядра с текущей частотой десятки и сотни герц и разные с частотой сотни мегагерц и более. Иногда для высокочастотных сигналов достаточно ферритовой шайбы.

Индукционные катушки могут изготавливаться различными способами. Обычно на сердечник наматывают от нескольких до нескольких сотен витков провода. В некоторых приложениях витки наматываются в виде дорожек на печатной плате, а иногда и замыкаются в ферритовом сердечнике. В настоящее время большинство катушек, в частности дросселей, используемых в силовых цепях, изготавливаются с целью монтажа SMT. Тем не менее, технологическая гонка идет жестко, и разрабатываются все новые магнитные материалы, способные сохранять свои характеристики и ограничивать потери, несмотря на повышение температуры и т. д.

Катушка, предназначенная для работы на низкой частоте, обычно имеет железный сердечник и большое количество витков, что делает ее относительно тяжелой. Вот почему во многих приложениях, особенно уязвимых к ударам и перенапряжениям, важную роль играет способ монтажа. Обычно припаять катушку недостаточно — ее сердечник нужно правильно зафиксировать с помощью зажима, держателя или винта. При выборе катушки или преобразователя для устройства стоит учитывать этот аспект.

Применение индукционных катушек в электронике

Катушки используются для:

• блокировки протекания переменного тока в цепи,
• КЗ постоянного тока (напряжения),
• измерение времени на основе снижения текущего расхода,
• построить колебательный контур,
• построить фильтры для определенных частот,
• пара каскадов усилителя,
• уменьшить или увеличить напряжение.

Некоторые области применения катушек аналогичны применению конденсаторов.