Катушка индуктивности в цепи постоянного тока. — Студопедия.Нет
Стр 1 из 2Следующая ⇒
Устройство и принцип работы катушки индуктивности.
Мы продолжаем изучать электронику с самого начала, то есть с самых основ и темой сегодняшней статьи будет принцип работы и основные характеристики катушек индуктивности. Забегая вперед скажу, что сначала мы обсудим теоретические аспекты, а несколько будущих статей посвятим целиком и полностью рассмотрению различных электрических схем, в которых используются катушки индуктивности, а также элементы, которые мы изучили ранее в рамках нашего курса — резисторы и конденсаторы.
Устройство и принцип работы катушки индуктивности.
Как уже понятно из названия элемента — катушка индуктивности, в первую очередь, представляет из себя именно катушку :), то есть большое количество витков изолированного проводника. Причем наличие изоляции является важнейшим условием — витки катушки не должны замыкаться друг с другом.
Важнейшей характеристикой катушки индуктивности является, естественно, индуктивность, иначе зачем бы ей дали такое название Индуктивность — это способность преобразовывать энергию электрического поля в энергию магнитного поля. Это свойство катушки связано с тем, что при протекании по проводнику тока вокруг него возникает магнитное поле:
А вот как выглядит магнитное поле, возникающее при прохождении тока через катушку:
В общем то, строго говоря, любой элемент в электрической цепи имеет индуктивность, даже обычный кусок провода. Но дело в том, что величина такой индуктивности является очень незначительной, в отличие от индуктивности катушек. Собственно, для того, чтобы охарактеризовать эту величину используется единица измерения Генри (Гн). 1 Генри — это на самом деле очень большая величина, поэтому чаще всего используются мкГн (микрогенри) и мГн (милигенри). Величину
Давайте разберемся, что за величину входят в это выражение:
§ — магнитная проницаемость вакуума.
Это табличная величина (константа) и равна она следующему значению:
§ — магнитная проницаемость магнитного материала сердечника. А что это за сердечник и для чего он нужен? Сейчас выясним. Дело все в том, что если катушку намотать не просто на каркас (внутри которого воздух), а на магнитный сердечник, то индуктивность возрастет многократно. Посудите сами — магнитная проницаемость воздуха равна 1, а для никеля она может достигать величины 1100. Вот мы и получаем увеличение индуктивности более чем в 1000 раз.
§ — площадь поперечного сечения катушки
§ — количество витков
§ — длина катушки
Из формулы следует, что при увеличении числа витков или, к примеру, диаметра (а соответственно и площади поперечного сечения) катушки, индуктивность будет увеличиваться. А при увеличении длины — уменьшаться. Таким образом, витки на катушке стоит располагать как можно ближе друг к другу, поскольку это приведет к уменьшению длины катушки.
С устройством катушки индуктивности мы разобрались, пришло время рассмотреть физические процессы, которые протекают в этом элементе при прохождении электрического тока.
Для этого мы рассмотрим две схемы — в одной будем пропускать через катушку постоянный ток, а в другой -переменный
Катушка индуктивности в цепи постоянного тока.
Итак, в первую очередь, давайте разберемся, что же происходит в самой катушке при протекании тока. Если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния. Значит ли это, что в случае постоянного тока использование катушек индуктивности и рассматривать не стоит? А вот и нет Ведь постоянный ток можно включать/выключать, и как раз в моменты переключения и происходит все самое интересное. Давайте рассмотрим цепь:
Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь.
Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?
Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:
Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания. Таким образом, ЭДС самоиндукции будет препятствовать протеканию тока через катушку (индукционный ток будет компенсировать ток цепи из-за того, что их направления противоположны). А это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна. А что же произойдет дальше? Поскольку величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток, соответственно, наоборот будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, что мы обсудили:
На первом графике мы видим входное напряжение цепи — изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение.
Аналогичный переходный процесс в цепи будет наблюдаться и при размыкании ключа. В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности пойдет на поддержание тока в цепи:
После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени.
Напряжение же в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).
Кстати, я упомянул, что величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, так вот, коэффициентом пропорциональности является ни что иное как индуктивность катушки:
На этом мы заканчиваем с катушками индуктивности в цепях постоянного тока и переходим кцепям переменного тока.
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 11037;
12Следующая ⇒
Мы поможем в написании ваших работ!
Индуктивность и сопротивление в цепи постоянного тока
В цепи, которая содержит индуктивность (L), а также сопротивление (R), например, показанную на картинке ниже, когда переключатель замкнут, ток не возрастает сразу до своего установившегося значения, а возрастает в экспоненциально.
Это связано с тем, что при изменении тока, протекающего через индуктор, создается обратная ЭДС. Эта обратная ЭДС имеет амплитуду, пропорциональную скорости изменения тока (чем выше скорость изменения, тем больше обратная ЭДС) и полярность, которая противодействует изменению тока в катушке индуктивности, вызвавшему его изначально.
Обратная ЭДС создается потому, что изменяющийся ток в индукторе вызывает изменение магнитного поля вокруг него, а изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, вызывает обратное ЭДС в индукторе. Этот процесс называется самоиндукцией.
Ток протекающий через индуктор
Поскольку обратная ЭДС препятствует быстрому изменению тока, происходящему в катушке индуктивности, скорость изменения тока снижается, и то, что на графике должно было бы быть вертикальной линией (картинка ниже), становится наклонной.
Скорость изменения тока через индуктор теперь меньше, поэтому возникает меньшая обратная ЭДС. Это позволяет увеличить ток. Взаимосвязь между изменяющимся током и обратной ЭДС создает кривую, которая всегда следует математическому закону, чтобы получить определенную форму кривой, т.
е. экспоненциальную кривую. Когда переключатель разомкнут, ток спадает аналогичным экспоненциальным образом до нуля.
Напряжение на индукторе
Глядя на картинку ниже, на котором показано напряжение (VL) на катушке индуктивности (L) мы видим, что при включении, напряжение сразу возрастает до максимального значения. Это связано с тем, что к цепи приложено напряжение, а ток протекает мало или не течет совсем, потому что L фактически (в течение очень короткого времени) является очень высоким сопротивлением из-за эффекта обратной ЭДС, вызванного быстро меняющимся (расширяющимся) магнитным полем вокруг индуктор индуцирует напряжение (обратную ЭДС) обратно в индуктор, которое имеет противоположную полярность по отношению к приложенному напряжению от источника питания и, таким образом, изначально препятствует увеличению тока через индуктор.
Из-за этого противодействия, вызванного обратной ЭДС, сначала кажется, что индуктор имеет очень высокое сопротивление. и поэтому полное напряжение питания образуется на катушке индуктивности.
Однако по мере того, как ток через L начинает нарастать, скорость изменения магнитного поля уменьшается, L уменьшается до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой все напряжение батареи вырабатывается на резисторе R; напряжение или разность потенциалов на L практически равна нулю, и теперь энергия накапливается в магнитном поле вокруг индуктора.
При выключении тока магнитное поле теперь схлопывается, а не растет, как при включении. Это разрушающееся магнитное поле теперь возвращает свою энергию в катушку индуктора и индуцирует напряжение (обратное ЭДС) в индукторе, но поскольку изменение напряженности магнитного поля происходит в направлении, противоположном направлению расширения поля при включении, индуцируемое напряжение равно теперь в противоположной полярности, как показано на картинке выше. Наведенная обратная ЭДС теперь противостоит уменьшению тока, вызванному выключением, замедляя затухание тока.
Быстрый коллапс магнитного поля при размыкании переключателя может вызвать очень большие всплески напряжения, поскольку величина индуцируемого напряжения зависит от скорости изменения магнитного поля.
Возникающие высокие напряжения могут привести к искрению на контактах переключателя, так как напряжение прыгает через зазор между контактами. Эти большие всплески напряжения могут также повредить другие компоненты в цепи, особенно полупроводники, поэтому необходимо соблюдать осторожность при проектировании цепей, содержащих катушки индуктивности или управляющих индуктивными нагрузками, чтобы предотвратить эти всплески. Однако в некоторых схемах, где требуются высокие напряжения, этот эффект также можно использовать с пользой, подавая прямоугольную волну на катушку индуктивности. Возникающие очень большие всплески напряжения могут затем выпрямляться специальными высоковольтными диодами для получения постоянного напряжения в тысячи вольт.
В следующей статье поговорим о постоянной времени LR.
С Уважением, МониторБанк
Уголок новичка: Катушки индуктивности в цепях постоянного тока
Введение
В этой части мы рассмотрим катушки индуктивности (также называемые катушками) и их поведение в цепях постоянного тока.
Мы рассмотрим, что они из себя представляют, что они делают и как они реагируют как в устойчивом состоянии, так и в переходных условиях (т. е. при изменении состояния). В дополнение к теории мы проведем некоторое время в лаборатории, изучая реальную реакцию катушки индуктивности, а также практические приложения.
Вы можете прочитать текст или посмотреть видео. Но вы получите максимальную отдачу от урока, если вы сделаете и то, и другое. Вы найдете сегменты лаборатории в видео. Давайте начнем.
Что такое индуктор
Подобно конденсатору, индукторы накапливают энергию. Но в отличие от конденсаторов, которые хранят энергию в виде электрического поля, катушки индуктивности хранят свою энергию в виде магнитного поля.
Если мы пропускаем ток через индуктор, мы индуцируем магнитное поле в катушке.
Катушка будет хранить эту энергию до тех пор, пока ток не будет отключен. Как только ток исчезает или уменьшается, магнитное поле разрушается, и катушка возвращает накопленную энергию.
Мы можем использовать способность индуктора создавать магнитное поле для выполнения различных механических функций, управляемых электромагнитным полем. Несколько примеров включают втягивание или включение дверного замка, запуск пинбола, поворот якоря двигателя или управление реле.
Кроме того, мы можем использовать способность индуктора накапливать и возвращать энергию с большим преимуществом в наших электронных схемах. Повышающие преобразователи, которые используются для увеличения постоянного напряжения, скажем, от 9-вольтовой батареи на входе до 100 В или более, необходимых для управления вакуумным флуоресцентным дисплеем, используют способность катушки индуктивности накапливать и возвращать энергию для «повышения» напряжения.
Фактически, более старые мониторы и телевизоры на основе ЭЛТ использовали схему обратного хода (на основе набора катушек) для генерации до 25 000 В постоянного тока от входного источника 120 В.
Аналогичным образом, если мы пропускаем индуктор через магнитное поле или подвергаем индуктор воздействию изменяющегося магнитного поля, мы индуцируем ток в индукторе. Чем больше катушка и больше магнитное поле, тем больше ток.
Так делают генераторы. Ряд катушек (также называемых обмотками) внутри двигателя (обычно намотанного на якорь) помещается между набором сильных магнитов. Когда якорь вращается, катушки пересекают (или пересекают) магнитные линии потока, которые индуцируют ток в катушке. Большие токи (вспомните электростанции) можно создать, просто пропуская большие катушки через магнитные поля, создаваемые огромными магнитами.
Генератор работает, пропуская катушку провода через набор магнитов. Кроме того, мы можем использовать эту же способность для обнаружения изменений в магнитном поле, чтобы определить, где за стеной находится стойка (искатель гвоздей), или если есть металл в земле (металлоискатель) или для передачи энергии от одной катушки к другой, находящейся в непосредственной близости (трансформатор или беспроводное зарядное устройство).
Поведение катушки индуктивности в цепи постоянного тока
Как показано ниже, катушки индуктивности, как и конденсаторы, могут использовать различные материалы сердечника для изменения свойств и эффективности катушки. Способность катушки накапливать магнитную энергию называется индуктивностью и измеряется в единицах Генри. В большинстве случаев мы говорим в терминах микро-Генри или мкГн.
Схематические обозначения катушек индуктивности с различными диэлектрическими материалами сердечника. Разные материалы придают катушке разные свойства.В то время как конденсаторы сопротивляются изменениям напряжения (напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно), катушки индуктивности сопротивляются изменениям тока (ток через катушку индуктивности не может измениться мгновенно).
Давайте посмотрим, как ведет себя катушка индуктивности в простой цепи. Схема ниже показывает один резистор (R) последовательно с катушкой индуктивности (L). Оба компонента подключены к аккумулятору с помощью переключателя.
Перед замыканием ключа ток в цепи и напряжение на резисторах R и L равны нулю. Давайте замкнем переключатель и посмотрим, что произойдет.
Поскольку ток через индуктор не может измениться мгновенно, ток в цепи остается равным нулю. Это означает, что в момент первого замыкания ключа, который мы обозначим как t0, ток через резистор (R) равен нулю. Закон Ома говорит нам, что напряжение на резисторе V = I x R. И если I равно нулю, то на резисторе нет падения напряжения. Но закон напряжения Кирхгофа гласит, что сумма напряжений вокруг замкнутого контура должна равняться нулю. Таким образом, напряжение от батареи (V) должно появиться на катушке индуктивности (L). В тот самый момент, когда переключатель замыкается, все напряжение появляется на катушке индуктивности.
Простая цепь RL в момент замыкания переключателя Сразу после замыкания переключателя в цепи начинает течь ток. Ставка заряда определяется по формуле t = L/R.
Как и в случае с конденсаторами, скорость заряда такова, что ток достигает примерно 2/3 или 66% от своего конечного значения через 1t. Помните Тау из нашего урока по конденсаторам? Ну вот опять. Ток будет продолжать приближаться к своему конечному значению, приближаясь на 66% с каждым прошедшим t. Итак, после 2t ток составляет 66% плюс 66% из оставшихся 34%. I = 66% + (66%x34%) = 66% + 22% = 88%. Теоретически это продолжается до бесконечности. Однако, исходя из практических соображений и инженерного здравомыслия, мы считаем, что ток достигает своего окончательного значения через 5 т. Это называется переходной реакцией. Это то, что происходит, когда катушка индуктивности переходит от нулевого тока к конечному току (в данном случае определяется как I = V/R).0005
Когда ток достигает своего конечного значения и катушка индуктивности заряжается, она ведет себя как обычный провод, и мы предполагаем, что сопротивление равно нулю. Это называется стационарной реакцией.
Давайте подставим некоторые значения и посмотрим на пример.
В приведенном выше примере мы предполагаем идеальный индуктор, т. е. сам индуктор имеет нулевое сопротивление. В действительности провод имеет небольшое сопротивление, но в большинстве случаев его можно не учитывать. Ток будет продолжать увеличиваться, приближаясь примерно на 66% к конечному значению после каждого периода времени, t. После 5t периодов (50 секунд) ток равен 99,99% от конечного значения (5А), и мы предполагаем, что катушка индуктивности полностью запитана.
Если мы мгновенно переведем переключатель в положение разряда, как показано ниже, магнитное поле, окружающее индуктор (L), начнет разрушаться, и индуктор вернет свою энергию. Катушка индуктивности становится источником напряжения для остальной части цепи. А поскольку ток в катушке индуктивности не может измениться мгновенно, а напряжение может, полярность катушки индуктивности меняется на противоположную. Напряжение на катушке индуктивности (в момент изменения) становится равным 5 В в направлении, противоположном тому, когда она заряжалась.
Помните, что сила тока по-прежнему составляет 5 А, и закон Ома остается в силе. Закон Кирхгофа о напряжении говорит нам, что это должно быть правдой.
Катушка индуктивности будет продолжать разряжаться, пока ток не достигнет нуля.
Inductive Transient Spikes
Вот где катушки индуктивности в цепях постоянного тока становятся действительно интересными… Если мы быстро разомкнем переключатель и оставим его в разомкнутой цепи после того, как катушка индуктивности была запитана и магнитное поле сформировалось, магнитное поле разрушается, высвобождая накопленная энергия возвращается в индуктор, и индуктор становится источником напряжения для цепи.
Что произойдет, если мы создадим разомкнутую цепь после того, как катушка индуктивности будет заряжена? Индуктивность все еще нуждается в разрядке энергии. Однако, как только мы открываем переключатель и имеем разомкнутую цепь, R становится очень большим (теоретически бесконечным). Напряжение на катушке индуктивности будет продолжать расти, пока не станет достаточно высоким, чтобы прыгнуть (или образовать дугу) на контактах переключателя (30 кВ/см в сухом воздухе).
Это называется переходным выбросом или индуктивным выбросом.
Защита от индуктивных пиков переходных процессов
Если переключатель является транзисторным или другим полупроводниковым устройством, дуга перескочит через соединение, что может привести к его разрушению. Когда я учился на первом курсе колледжа, я построил плату релейного контроллера. Я еще не знал о переходных пиках индуктивности, поэтому я не понимал, почему транзисторы, которые я использовал для управления катушками реле (индукторами), приходилось заменять почти каждый раз, когда я его использовал.
Индуктивные пики постоянно портят электронику. К счастью, есть простое решение проблемы. Мы можем поместить защитный диод (также называемый обратноходовым диодом) через катушку, как показано ниже. Когда переключатель подключен к батарее, диод смещен в обратном направлении, поэтому ток протекает через катушку индуктивности, как и предполагалось. Но когда переключатель размыкается (создавая разомкнутую цепь) и напряжение на катушке индуктивности меняется на обратное, ток легко проходит через диод, так что катушка индуктивности может безвредно высвобождать накопленную энергию.
Использование силы переходных пиков
Хотя переходная характеристика катушки индуктивности может быть разрушительной, как обсуждалось выше, мы также можем использовать ее в своих интересах. Повышающие преобразователи постоянного тока работают, заряжая индуктор, а затем используют диоды для направления энергии на устройство хранения. Конденсатор используется для хранения энергии, выделяемой катушкой индуктивности, а затем эта накопленная энергия отбирается по мере необходимости.
Простой повышающий преобразователь постоянного токаВ приведенной выше схеме полевой МОП-транзистор играет роль переключателя, который постоянно открывается и закрывается серией импульсов. Это заставляет катушку заряжаться и разряжаться. Когда переключатель находится во включенном состоянии, ток течет через индуктор, и он заряжается, накапливая энергию в магнитном поле.
Когда переключатель находится в выключенном состоянии, магнитное поле разрушается.
Ток через индуктор не может измениться мгновенно, поэтому он продолжает течь в том же направлении (слева направо на рисунке выше). Катушка индуктивности немедленно меняет полярность и отдает накопленную энергию обратно в цепь.
Когда это происходит, источник входного напряжения и катушка индуктивности, которая теперь также действует как источник напряжения, включаются последовательно и в соответствии с законом Кирхгофа о напряжении два источника складываются, удваивая входное напряжение на диоде. Диод (D1) направляет энергию разряда в конденсатор (C1). В результате напряжение на конденсаторе почти вдвое больше, чем на входе постоянного тока (в два раза меньше, чем на диоде). Конденсатор заряжается (за короткое время) до более высокого напряжения.
Частота импульсов установлена таким образом, что конденсатор не успевает разрядиться до того, как он получит следующий «буст» энергии, тем самым поддерживая выходное напряжение на новом напряжении. И вот так 5В можно повысить до 10В.
Надеюсь, вам понравилось, и вы узнали что-то о катушках индуктивности и их поведении в цепях постоянного тока. Если да, то как насчет большого пальца вверх и доли. И нажмите кнопку подписки, чтобы не пропустить новый контент.
До новых встреч!
Доминик
Подпишитесь на нас и поставьте лайк:
Нравится:
Нравится Загрузка…
Электромагнетизм — Есть ли индуктивность в цепи постоянного тока?
спросил
Изменено 3 года, 8 месяцев назад
Просмотрено 8к раз
$\begingroup$
Когда в цепи постоянного тока протекает ток, большой или малый, возникает ли ЭДС индукции из-за индуктивности? Или это применимо только к цепям переменного тока?
- электромагнетизм
- электрические цепи
- индуктивность
$\begingroup$
В течение длительного времени токи устойчивы, поэтому магнитные поля, которые они создают, устойчивы, поэтому ЭДС индукции отсутствует.
Эта ситуация обычно помечается как «устойчивое состояние».
Тем не менее, будет период времени, когда вы только что включили или выключили цепь, в течение которого все не успокоилось, а затем вообще будут эффекты, не наблюдаемые в устойчивом состоянии (включая индуцированные ЭДС) . Это называется «переходным» поведением.
Анализ переходных процессов является важным компонентом проектирования электроники.
$\endgroup$
4
$\begingroup$
Здесь использование DC в вашем вопросе — плохой выбор. Постоянный ток не означает постоянный ток, это означает, что ток имеет одинаковую полярность в течение периода, на который мы ссылаемся. Итак, вы хотели бы использовать устойчивое состояние в своем вопросе.
Тем не менее, в установившемся режиме ток не меняется во времени, поэтому поток не меняется и, следовательно, нет ЭДС.
Но если ток непостоянен, то будет создаваться индуцированное магнитное поле, которое изменяется по мере изменения потока из-за переменного тока. В конечном итоге это изменяющееся магнитное поле создает неконсервативное электрическое поле.
$\endgroup$
$\begingroup$
Да, индуктивность присутствует в цепи постоянного тока. Проблема здесь в сходстве слов индуктивность и индукция. Индуктивность не связана с изменением. На самом деле индуктивность измеряется в генри, то есть в единицах Вебера на ампер. Следовательно, нет никаких изменений. Напротив, индукция связана с изменением и не существует в цепи постоянного тока. Вы будете удивлены, как много действительно умных людей путаются в этом. Я считаю, что это восходит к плохому преподаванию этого предмета.
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Да, в цепи постоянного тока есть индуктивность, и если индуктивность изменяется, что является отношением магнитного потока к току, то индуктивность может и будет изменять первоначальный ток.
если у вас есть непрерывный движущийся положительный контакт, который изменяет величину индуктивности в зависимости от величины тока, то можно управлять потоком тока с помощью индукции, поскольку ток и индукция взаимозаменяемы. любой из них может управлять другим до тех пор, пока изменяется контакт и/или количество шлейфов.
$$V_L=N\frac{\mathrm{d}\phi}{\mathrm{d}t}$$
где $V_L$ — индуцированное напряжение в вольтах, $N$ — число витков в катушке, а $\frac{\mathrm{d}\phi}{\mathrm{d}t}$ — скорость изменения магнитного потока в веберах в секунду.
Уравнение просто утверждает, что величина индуцированного напряжения ($V_L$) пропорциональна количеству витков в катушке и скорости изменения магнитного потока ($\mathrm{d}\phi/\mathrm{d }т$). Другими словами, когда частота потока увеличивается или количество витков в катушке увеличивается, величина противодействующего индуцированного напряжения также будет увеличиваться, поэтому с подвижным контактом у вас будет постоянное изменение тока из-за самоиндукции.
