Site Loader

Содержание

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Принцип работы

Чтобы понять принцип действия катушки индукции, следует знать:

  • вокруг движущихся электрически заряженных частиц (электрический ток) возникает электромагнитное поле. Если проводник с протекающим током смотан в катушку, поле многократно усиливается. Еще большим оно становится при использовании металлического сердечника, что объясняется высокой магнитопроницаемостью металлов по сравнению с воздухом;
  • переменное магнитное поле наводит в проводнике ЭДС (закон электромагнитной индукции, открытый М. Фарадеем).

Способность катушки превращать электрическую энергию в магнитное поле, называется индуктивностью. Она измеряется в генри (Гн), в формулах обозначается литерой L. Катушка индуктивностью в 1 Гн при изменении силы тока со скоростью dI = 1 А/с (ампер в секунду) создает ЭДС в 1 В. Индуктивность катушки зависит от ее длины, потому шаг витков стремятся делать как можно меньшим.

Сердечник в катушке может быть регулируемым, тогда элемент имеет переменную индуктивность. Также применяют катушки вовсе без сердечника. Если катушка включена в цепь постоянного тока, то весь эффект от нее состоит в создании электромагнитного поля. Так устроены, например, электрические магниты для захвата металлолома, устанавливаемые на погрузочных кранах.

При проведении эксперимента надо ограничить ток в цепи, посредством включенной последовательно с катушкой нагрузки, иначе возникнет короткое замыкание.

Мощность в индукторе

Мы знаем, что индуктор в цепи противостоит потоку тока I через него, потому что поток этого тока индуцирует ЭДС, которая противостоит ему, закон Ленца. Затем необходимо выполнить работу от внешнего источника батареи, чтобы ток протекал против этой индуцированной ЭДС. Мгновенная мощность, используемая для форсирования тока I по отношению к этой самоиндуцированной ЭДС (V

L), определяется как:

Мощность в цепи задается как P = V * I, поэтому:

Идеальный индуктор не имеет сопротивления, только индуктивность, поэтому R = 0 Ом, и поэтому мощность в катушке не рассеивается, поэтому можно сказать, что идеальный индуктор имеет нулевую потерю мощности.

Обзор пассивных компонентов

Современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА) содержит огромное количество электрорадиокомпонентов, т.е. самостоятельных  изделий, выполняющих определенные функции. Электрорадиоэлементы подразделяют на активные и пассивные. К активным относятся транзисторы,  микросхемы ,электронные лампы и т.д., т. е. элементы, способные усиливать или преобразовывать электрические сигналы. К пассивным относятся резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы, трансформаторы, коммутационные элементы, т. е. такие элементы, которые предназначены для перераспределения электрической энергии.

Сетевая инфраструктура современного офиса состоит из множества составляющих, правильный выбор которых имеет существенное значение для успешной работы всей инфраструктуры в целом. Пассивные компоненты  играют при этом также немаловажную  роль, обеспечивают среде передачу данных, а также внешний вид, эстетику. Пассивным элементом схемы называется элемент, не имеющий внутренних источников энергии, и выполняющий либо накопление энергии (конденсатор, индуктивность), либо ее рассеяние (резистор).

Пассивные компоненты по сути соответствует пассивному элементу схемы. Пассивные компоненты характеризуются малыми размерами, малым числом выводов (как правило, два-три), низкой стоимостью и, как правило, достаточно высокой стойкостью к воздействиям при сборке узлов. Пассивные элементы могут выступать как дискретные компоненты и как элементы интегральных микросхем. В РЭА интегральные микросхемы  имеют очень большой удельный вес, но пассивные компоненты являются все же самыми распространенными изделиями электронной промышленности. Это можно объяснить  тем, что некоторые элементы трудно выполнить в микросхемном исполнении. Практически невозможно в ИМС изготовить конденсаторы большой емкости, резисторы с большим сопротивлением, сложности в разработке интегральных катушек индуктивности и трансформаторов. Кроме того технические характеристики дискретных элементов лучше, чем интегральных.

Катушки индуктивности разных размеров

Предыдущая
РадиодеталиЧто такое подстроечный резистор: описание устройства и область его применения
Следующая
РадиодеталиДроссели в электрике: что это и где используются?

Назначение и принцип действия

Специалисты задаются вопросом, зачем нужна токовая катушка индуктивности в цепи, и для этого необходимо разобраться в показателях. Коэффициент ЭДС (электродвижущая сила) показывает разницу между энергией и магнитным потоком. Устройства самоиндукции способны влиять на изменения в цепи. Чаще всего дроссели применяются в силовых установках. Они способны контролировать уровень напряжения, не допускают разрыва цепи.

Устройства самоиндукции

Также компоненты устанавливаются на пару с конденсаторами либо резисторами. Благодаря работе катушки фильтры находятся в безопасности. Теперь вызывает интерес, как включается индукционная катушка. Принцип работы построен на изоляции проводников. В конструкции используется электрический каркас с различным сечением. За счёт намоток обеспечивается распределение ёмкости на дросселе.

Интересно! Витки наматываются с определенным шагом, многое зависит от типа катушки.

Свойства катушки индуктивности

Свойства катушки индуктивности:

  • Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки.
  • Сопротивление (модуль импеданса) катушки растет с увеличением частоты текущего через неё тока.
  • Катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своём магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.

Катушка индуктивности в электрической цепи для переменного тока имеет не только собственное омическое (активное) сопротивление, но и реактивное сопротивление переменному току, нарастающее при увеличении частоты, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением, модуль которого XL=ωL{\displaystyle X_{L}=\omega L}, где L{\displaystyle L} — индуктивность катушки, ω{\displaystyle \omega } — циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.

Катушка с током запасает энергию в магнитном поле, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока I{\displaystyle I}.{2}{\mbox{.}}}

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой:

ε=−LdIdt.{\displaystyle \varepsilon =-L{dI \over dt}{\mbox{.}}}

Для идеальной катушки индуктивности (не имеющей паразитных параметров) ЭДС самоиндукции равна по модулю и противоположна по знаку напряжению на концах катушки:

|ε|=−ε=U.{\displaystyle |\varepsilon |=-\varepsilon =U{\mbox{.}}}

При замыкании катушки с током на резистор происходит переходной процесс, при котором ток в цепи экспоненциально уменьшается в соответствии с формулой:

I=Iexp(−tT),{\displaystyle I=I_{0}exp(-t/T){\mbox{,}}}

где : I{\displaystyle I} — ток в катушке,

I{\displaystyle I_{0}} — начальный ток катушки,
t{\displaystyle t} — текущее время,
T{\displaystyle T} — постоянная времени.

Постоянная времени выражается формулой:

T=L(R+Ri),{\displaystyle T=L/(R+R_{i}){\mbox{,}}}

где R{\displaystyle R} — сопротивление резистора,

Ri{\displaystyle R_{i}} — омическое сопротивление катушки.

При закорачивании катушки с током процесс характеризуется собственной постоянной времени Ti{\displaystyle T_{i}} катушки:

Ti=LRi.{\displaystyle T_{i}=L/R_{i}{\mbox{.}}}

При стремлении Ri{\displaystyle R_{i}} к нулю, постоянная времени стремится к бесконечности, именно поэтому в сверхпроводящих контурах ток течёт «вечно».

В цепи синусоидального тока, ток в катушке по фазе отстаёт от фазы напряжения на ней на π/2.

Явление самоиндукции аналогично проявлению инертности тел в механике, если аналогом индуктивности принять массу, тока — скорость, напряжения — силу, то многие формулы механики и поведения индуктивности в цепи принимают похожий вид:

F =mdvdt{\displaystyle F\ =m{dv \over dt}} |ε|=LdIdt{\displaystyle |\varepsilon |=L{dI \over dt}},

где

F {\displaystyle F\ } |ε|{\displaystyle |\varepsilon |} U {\displaystyle U\ } ; m {\displaystyle m\ } L {\displaystyle L\ } ; dv {\displaystyle dv\ } dI {\displaystyle dI\ }
Ecoxp=12LI2{\displaystyle E_{\mathrm {coxp} }={1 \over 2}LI^{2}} Ekinet=12mv2{\displaystyle E_{\mathrm {kinet} }={1 \over 2}mv^{2}}

Ток и напряжение в индукторе

Сколько индуктивного напряжения будет генерироваться индуктором, зависит от скорости изменения тока. В нашем уроке об электромагнитной индукции закон Ленца гласил: «Направление индуцированной ЭДС таково, что оно всегда будет противостоять изменению, которое его вызывает». Другими словами, индуцированная ЭДС всегда будет противопоставлять движение или изменение, которые изначально вызвали индуцированную ЭДС.

Таким образом, при уменьшении тока полярность напряжения будет действовать как источник, а при увеличении тока полярность напряжения будет действовать как нагрузка. Таким образом, при одинаковой скорости изменения тока через катушку, увеличение или уменьшение величины индуцированной ЭДС будет одинаковым.

Конструкция

Конструктивно выполняется в виде винтовых или винтоспиральных (диаметр намотки изменяется по длине катушки) катушек однослойных или многослойных намоток изолированного одножильного или многожильного (литцендрат) проводника на диэлектрическом каркасе круглого, прямоугольного или квадратного сечения, часто на тороидальном каркасе или, при использовании толстого провода и малом числе витков — без каркаса. Иногда, для снижения распределённой паразитной ёмкости, при использовании в качестве высокочастотного дросселя однослойные катушки индуктивности наматываются с «прогрессивным» шагом — шаг намотки плавно изменяется по длине катушки.
Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойной (рядовая, внавал, типа «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость. Часто, опять же, для снижения паразитной ёмкости, намотку выполняют секционированной, группы витков отделяются пространственно (обычно по длине) друг от друга.

Для увеличения индуктивности катушки часто снабжают замкнутым или разомкнутым ферромагнитным сердечником. Дроссели подавления высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа. Дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций промышленной и звуковой частот, имеют сердечники из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев). Также сердечники (в основном ферромагнитные, реже диамагнитные) используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах путём изменения положения сердечника относительно обмотки. На сверхвысоких частотах, когда ферродиэлектрики теряют свою магнитную проницаемость и резко увеличивают потери, применяются металлические (латунные) сердечники.

На печатных платах электронных устройств также иногда делают плоские «катушки» индуктивности: геометрия печатного проводника выполняется в виде круглой или прямоугольной спирали, волнистой линии или в виде меандра. Такие «катушки индуктивности» часто используются в сверхбыстродействующих цифровых устройствах для выравнивания времени распространения группы сигналов по разным печатным проводникам от источника до приемника, например, в шинах данных и адреса.

Терминология

Стандартизированные термины:

Индуктивная катушка — элемент электрической цепи, предназначенный для использования его индуктивности (ГОСТ 19880-74, см. термин 106).

Катушка индуктивности — индуктивная катушка, являющаяся элементом колебательного контура и предназначенная для использования её добротности (ГОСТ 20718-75, см. термин 1).

Электрический реактор — индуктивная катушка, предназначенная для использования её в силовой электрической цепи (ГОСТ 18624-73, см. термин 1). Одним из видов реактора является токоограничивающий реактор, например, для ограничения тока короткого замыкания ЛЭП.

При использовании для подавления помех, сглаживания пульсаций электрического тока, изоляции (развязки) по высокой частоте разных частей схемы и накопления энергии в магнитном поле сердечника часто называют дросселем, а иногда реактором. Стоит отметить, что такое толкование нестандартизированного термина «дроссель» (являющегося калькой с нем. Drossel) пересекается со стандартизированными терминами. В случае если работа данного элемента цепи основана на добротности катушки, то такой элемент следует называть «катушкой индуктивности», в противном случае «индуктивной катушкой».

Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой намного превышает диаметр, называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно. Кроме того, зачастую соленоидом называют устройство, выполняющее механическую работу за счёт магнитного поля при втягивании ферромагнитного сердечника, или электромагнитом. В электромагнитных реле называют обмоткой реле, реже — электромагнитом.

Нагревательный индуктор — специальная катушка индуктивности, рабочий орган установок индукционного нагрева.

При использовании для накопления энергии (например, в схеме импульсного стабилизатора напряжения) называют индукционным накопителем или накопительным дросселем.

Самоиндукция

Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение.

Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома:

где

I – сила тока в катушке , А 

U – напряжение в катушке, В 

 R – сопротивление катушки, Ом

Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное.

И второй феномен в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности – источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы уже подали на катушку.

То есть как только мы разрываем цепь, на катушке напряжение в этот момент может быть  в разы больше, чем было до размыкания  цепи, а сила тока в цепи катушки будет тихонько падать, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать убывающее напряжение.

Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока будет плавно убывать до нуля. Короче говоря, сила тока в катушке мгновенно измениться не может.

Маркировка

При рассмотрении катушек индуктивности оценивается цветовая и кодовая маркировка. Если смотреть на первые цифры, отображается показатель индуктивности. Далее учитывается параметр отклонения:

  • Серебряный 0,01 мкГн, 10%.
  • Золотой 0,1 мкГн, 5%.
  • Черный 0,1мкГн, 20%.
  • Коричневый 1,1 мкГн.
  • Красный 2, 2 мкГн.
  • Оранжевый 1 мкГн.
  • Желтый 4 мкГн.
  • Зеленый 5 мкГн.
  • Голубой 6 мкГн.
  • Фиолетовый 7мкГн.
  • Серый 8 мкГн.
  • Белый 9 мкГн.

Маркировка

В нестабильной цепи переменного электрического тока не обойтись без катушки индуктивности. Выше описаны основные типы изолированных проводников, продемонстрированы их параметры. Учитывается уровень частоты, а также свойства.

Приветствую всех на нашем сайте!

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.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока.

Рассмотрим цепь, в которой на катушку индуктивности подается переменный ток:

Давайте посмотрим на зависимости тока и ЭДС самоиндукции от времени, а затем уже разберемся, почему они выглядят именно так:

Как мы уже выяснили ЭДС самоиндукции у нас прямо пропорциональна и противоположна по знаку скорости изменения тока:

Собственно, график нам и демонстрирует эту зависимость Смотрите сами – между точками 1 и 2 ток у нас изменяется, причем чем ближе к точке 2, тем изменения меньше, а в точке 2 в течении какого-то небольшого промежутка времени ток и вовсе не изменяет своего значения. Соответственно скорость изменения тока максимальна в точке 1 и плавно уменьшается при приближении к точке 2, а в точке 2 равна 0, что мы и видим на графике ЭДС самоиндукции. Причем на всем промежутке 1-2 ток возрастает, а значит скорость его изменения положительна, в связи с этим на ЭДС на всем этом промежутке напротив принимает отрицательные значения.

Аналогично между точками 2 и 3 – ток уменьшается – скорость изменения тока отрицательная и увеличивается – ЭДС самоиндукции увеличивается и положительна. Не буду расписывать остальные участки графика – там все процессы протекают по такому же принципу

Кроме того, на графике можно заметить очень важный момент – при увеличении тока (участки 1-2 и 3-4) ЭДС самоиндукции и ток имеют разные знаки (участок 1-2: 0″ title=»Rendered by QuickLaTeX.com» />, участок 3-4: 0″ title=»Rendered by QuickLaTeX.com» />,

Где – круговая частота: . – это частота переменного тока.

Таким образом, чем больше частота тока, тем большее сопротивление будет ему оказывать катушка индуктивности. А если ток постоянный ( = 0), то реактивное сопротивление катушки равно 0, соответственно, она не оказывает влияния на протекающий ток.

Давайте вернемся к нашим графикам, которые мы построили для случая использования катушки индуктивности в цепи переменного тока. Мы определили ЭДС самоиндукции катушки, но каким же будет напряжение ? Здесь все на самом деле просто По 2-му закону Кирхгофа:

А следовательно:

Построим на одном графике зависимости тока и напряжения в цепи от времени:

Как видите ток и напряжение сдвинуты по фазе (ссылка) друг относительно друга, и это является одним из важнейших свойств цепей переменного тока, в которых используется катушка индуктивности:

При включении катушки индуктивности в цепь переменного тока в цепи появляется сдвиг фаз между напряжением и током, при этом ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода.

Вот и с включением катушки в цепь переменного тока мы разобрались

На этом, пожалуй, закончим сегодняшнюю статью, она получилась уже довольно объемной, поэтому дальнейший разговор о катушках индуктивности мы будем вести в следующий раз. Так что до скорых встреч, будем рады видеть вас на нашем сайте!

В данной статье мы подробно рассмотрим индуктор. Отдельно разберем индуктор на схеме, обратную ЭДС генерируемую индуктором, постоянную времени индуктора, ток и напряжение в индукторе, а так же мощность и энергию в индукторе.

Задачи по физике и математике с решениями и ответами

Задача по физике — 3188

Проводник массой $m$ и длиной $l$ подвешен к диэлектрику с помощью двух одинаковых проводящих пружин с общей жесткостью $k$. Однородное магнитное поле с индукцией $B$ направлено перпендикулярно плоскости чертежа (рис.). К верхним концам пружины присоединен конденсатор емкостью $C$. Пренебрегая сопротивлением, собственной индуктивностью и емкостью проводников, определить период колебаний системы в вертикальной плоскости.
Подробнее

Задача по физике — 3189

Конденсатор емкостью $C = 50 пФ$ сначала подключили к источнику тока с ЭДС $\mathcal{E} = 3 В$, а затем к катушке с индуктивностью $L = 5,1 мкГн$. Найти: частоту колебаний, возникших в контуре, максимальное значение силы тока в контуре и его действующее значение.
Подробнее

Задача по физике — 3190

Заряженный конденсатор замкнули на катушку индуктивности. Через какую часть периода после подключения энергия в конденсаторе будет равна энергии в катушке индуктивности? Подробнее

Задача по физике — 3191

Колебательный контур через ключ К подключен к источнику ЭДС с некоторым внутренним сопротивлением $r$ (рис.). Первоначально ключ К замкнут. После установления стационарного режима ключ размыкают и в контуре возникают колебания с периодом $T$. При этом амплитуда напряжения на конденсаторе в $n$ раз больше ЭДС батареи. Найти индуктивность катушки и емкость сопротивления.{3}$ витков. Сколько витков должна иметь вторичная обмотка, чтобы при напряжении на ее зажимах $u = 11 В$ передавать во внешнюю цепь мощность $P = 22 Вт$? Сопротивление вторичной обмотки $R = 0,2 Ом$. Напряжение, подаваемое на первичную обмотку, $u_{1} =380 В$. Подробнее

Задача по физике — 3197

Имеются два одинаковых идеальных трансформатора с коэффициентом трансформации $K = 1/3$. Первичная обмотка одного из них последовательно соединена со вторичной обмоткой второго, а свободные концы этих обмоток включены в сеть переменного тока с амплитудой напряжения $u_{0} = 100 В$. Вторичная обмотка первого трансформатора последовательно соединена с первичной обмоткой второго. Определить амплитуду переменного напряжения между свободными концами этих обмоток.
Подробнее

Задача по физике — 3198

Трансформатор, имеющий число витков в первичной обмотке $N_{1}$, а во вторичной — $N_{2}$, подключен к источнику переменного тока с ЭДС $\mathcal{E}$ и внутренним сопротивлением $r$.{-9} Кл$ (рис.). Найти напряженность поля и потенциал в точке С, лежащей на оси стержня. Расстояние от середины стержня до этой точки $x_{0} = 20 см$. Определить, при каком наименьшем значении $x_{0}/l$ напряженность можно рассчитывать по формуле поля точечного заряда, если относительная погрешность не превышает 5%.
Подробнее

Задача по физике — 3534

Положительный заряд $Q$ равномерно распределен по тонкому проволочному кольцу радиуса $R$ (рис.). Определить напряженность поля и потенциал в точке С, лежащей на оси кольца на расстоянии $z$ от его центра. Изменятся ли эти величины, если нарушить равномерное распределение заряда по кольцу?
Подробнее

Индуктивное напряжение. Применение в технике

Если катушка индуктивности включена в цепь переменного тока , то в такой цепи, фаза тока всегда отстает от фазы напряжения . Разберем причины этого отставания на простейшем примере, когда в цепи имеется только индуктивное сопротивление , а омического сопротивления нет вовсе, или вернее омическим сопротивлением провода катушки самоиндукции можно пренебречь, так как оно мало.

Для удобства рассмотрения явлений будем считать, что мы присоединяем катушку индуктивности к источнику переменного тока в тот момент, когда напряжение U на его зажимах имеет максимальное амплитудное значение (рис. 1а.). Этот момент будем считать началом периода.

Рисунок 1. Самоиндукция-инерция. а) соотношения фаз тока, напряжения и ЭДС самоиндукции при включение катушки индуктивности в цепь переменного тока; б) соотношение фаз скорости движения, внешней силы и силы инерции

В момент включения катушки в ней немедленно возникнет электрический ток. Но ток не может сразу достичь своего амплитудного значения потому, что при его возникновении вокруг катушки начнет появляться магнитное поле, которое будет наводить в катушке ЭДС самоиндукции, направленную против внешнего напряжения, т. е. напряжения источника переменного тока. Электродвижущая сила самоиндукции будет препятствовать быстрому нарастанию силы тока в катушке. Поэтому нарастание тока будет длиться целую четверть периода.

По мере приближения к концу первой четверти периода скорость нарастания тока в катушке постепенно уменьшается.

Но вместе с тем ослабевает и ЭДС самоиндукции, так как величина ее зависит от скорости изменения силы тока.

Итак, в конце первой четверти периода внешнее напряжение, приложенное к катушке, будет равно нулю, ЭДС самоиндукции также будет, равна нулю, а ток в катушке и магнитный поток вокруг нее будут иметь максимальные амплитудные значения. В магнитном поле катушки будет запасено некоторое количество энергии, полученной от источника тока.

С началом второй четверти периода внешнее напряжение, переменив свое направление, будет возрастать, вследствие чего ток в катушке, текущий все еще в прежнем направлении, начнет уменьшаться. Но теперь в катушке снова возникнет ЭДС самоиндукции, обусловленная уменьшением магнитного потока, которая будет поддерживать ток в прежнем направлении.

В течение всей второй четверти периода внешнее напряже¬ние будет увеличиваться, а сила тока — уменьшаться. Ско¬рость уменьшения силы тока, оставаясь небольшой в начале второй четверти, станет постепенно нарастать и в конце этой четверти достигнет наибольшей величины.

Итак, к концу второй четверти периода внешнее напряжение приближается к амплитудному значению, а сила тока и магнитный ноток приближаются к нулю, убывая все с большей скоростью, вследствие чего ЭДС самоиндукции достигает своего амплитудного значения. Направление ЭДС самоиндукции, как всегда, остается противоположным направлению внешнего напряжения. Энергия, запасенная в магнитном поле за первую четверть периода, теперь возвращается обратно в цепь.

В течение второй половины (третья и четвертая четверти) периода все явления будут происходить в том же порядке, с той лишь разницей, что направления тока, внешнего напряжения и ЭДС самоиндукции изменяются на противоположные (рис. 1а.).

Таким образом, фаза тока все время отстает от фазы напряжения, причем нетрудно заметить, что сдвиг фаз тока и напряжения равен 90°.

Представим себе, что мы толкаем вдоль по рельсам груженую вагонетку. В первый момент, когда вагонетка только начинает трогаться с места, мы прилагаем к ней максимум усилий, которые по мере увеличения скорости вагонетки будем постепенно уменьшать. При этом мы почувствуем, что вагонетка, обладая инерцией, как бы сопротивляется нашим усилиям. Это противодействие (реакция) вагонетки будет особенно сильным вначале, по мере же ослабления наших усилий будет ослабевать и противодействие вагонетки, она постепенно будет переставать «упрямиться» и покорно покатится по рельсам.

Затем мы вовсе перестанем толкать вагонетку и даже, наоборот, начнем понемногу тянуть ее в обратном направлении. При этом мы почувствуем, что вагонетка снова сопротивляется нашим усилиям. Если мы будем все сильнее и сильнее тянуть вагонетку назад, то и ее противодействие будет соответственно все более и более возрастать. Наконец, нам удастся остановить вагонетку и даже изменить направление ее движения. Когда вагонетка покатится обратно, мы будем постепенно ослаблять наши усилия, т. е. будем тянуть ее все слабее и слабее, однако, несмотря на это, скорость вагонетки будет все-таки увеличиваться (при слабом трении в подшипниках).

Когда вагонетка пройдет половину пути в обратном направлении, мы совсем перестанем тянуть ее и снова переменим направление наших усилий, т. е. начнем ее снова задерживать, постепенно увеличивая силу торможения до тех пор, пока вагонетка не остановится, заняв первоначальное (исходное) положение. После этого мы можем продолжать все наши действия сначала.

В этом примере наши усилия, прилагаемые к вагонетке, соответствуют внешней ЭДС , противодействие вагонетки, обусловленное ее инерцией, — ЭДС самоиндукции , а скорость вагонетки — электрическому току . Если изобразить графически изменение наших усилий, а также изменение противодействия вагонетки и ее скорости с течением времени, то мы получим графики (рис. 1б), в точности соответствующие графикам рис.1а.

Из этого примера становится более понятной сущность реактивного (безваттного) сопротивления. В самом деле, в течение первой четверти периода мы толкали вагонетку, а она противодействовала нашим усилиям; в течение второй четверти периода она катилась сама, а мы «упирались»; в течение третьей четверти периода мы опять тянули ее, а вагонетка снова оказывала противодействие нашим усилиям и, наконец, в течение четвертой четверти периода она снова катилась сама, а мы ее тормозили.

Короче говоря, в течение первой и третьей четверти периода мы работали «на вагонетку», а в течение второй и четвертой четвертей она работала «на нас», возвращая обратно полученную то нас энергию. В результате наша работа оказалась «безваттной».

Таким образом катушка индуктивности в цепи переменного тока может работать как безваттный резистор.

Рис. 4.12. Рис. 4.13

если ток, подаваемый в схему, которая содержит катушку, резко увеличить, то ток в схеме будет нарастать плавно до достижения своего мак­симального значения.

Способность катушки индуктивности препятствовать изменению силы тока, протекающего через нее, носит название индуктивности этой катушки. Индуктивность обозначается буквой L , единицей ее измерения является генри (Гн).

Постоянная времени -цепи

На рис. 4.13 последовательная цепочка из конденсатора и резистора соединяется через ключ с источником питания. Когда ключ находится в положении 1, конденсатор постепенно заряжается через сопротивление, пока напряжение на нем не достигнет уровня Е т. е. ЭДС или напряжения источника питания.

Процесс заряда конденсатора показан на рис. 4.14(а) экспоненциальной кривой. Время, за которое напряжение на конденсаторе достигает значения 0,63 от максимума, т. е. в данном случае 0,63Е , называется постоянной времени контура или цепи.

Вернемся к рис. 4.13. Если ключ установить в положение 2, конденсатор будет сохранять запасенную энергию. При переведении ключа в положение3 конденсатор начинает разряжаться на землю через резистор R, и напряжение на нем постепенно падает до нуля. Процесс разряда конденсаторапоказан на рис. 4.14(б). В этом случае постоянной времени цепи называется время, за которое напряжение на конденсаторе уменьшается 0,63 от своего максимального значения.


Рис. 4.14. Кривые заряда (а) и разряда (б) конденсатора, где t — постоянная времени.

Как для случая заряда, так и для случая разряда конденсатора через резистор R постоянная времени цепи выражается формулой

где t — постоянная времени в секундах, С — емкость в фарадах, R — сопротивление, выраженное в омах.

Например, для случая С = 10мкФ и R = 10 кОм постоянная времени цепи равна

На рис. 4.15 изображены графики процессов заряда для цепей с малой и с большой постоянной времени.


Рис. 4.15.

Постоянная времени RL -цепи

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 4.16. Катушка индуктивности L соединена последовательно с резистором R , имеющим сопротивление 1 кОм. В момент замыкания ключа S ток в цепи равен нулю, хотя под действиемЭДС источника он, казалось бы, должен резко увеличиться. Однако катушка индуктивности, как известно, препятствует всякому изменению силы тока, протекающего через нее, поэтому ток в цепи будет возрастать по экспоненциальному закону, как показано на рис. 4.17. Ток будет возрастать до тех пор, пока не достигнет своего максимального значения. После этого увеличение тока прекратится, а падение напряжения на резисторе R станет равным приложенному напряжению Е. Установившееся значение тока равно

E/ R = 20 В/1 кОм = 20 мА.

Скорость изменения тока в цепи зависит от конкретных значений R и L . Время, необходимое для того, чтобы сила тока достигла значения, равного 0,63 от его максимальной величины, носит название постоянной времени цепи. Постоянная времени вычисляется по формуле L/ R где L выражается в генри, а R — в омах. В этом случае постоянная времени получается в секундах. Используя значения L и R , указанные на рисунке, получаем

Следует заметить, что, чем больше R , тем меньше L/R и тем быстрее изменяется ток в цепи.


Рис. 4.16.


Рис. 4.17.

Сопротивление по постоянному току

Катушка индуктивности, включенная в цепь, не препятствует протеканию постоянного тока, если, конечно, но принимать во внимание очень малое сопротивление провода, из которого она сделана. Следовательно, катушка индуктивности имеет нулевое или очень малое сопротивление и может рассматриваться в цепи постоянного тока как цепь короткого замыкания. Конденсатор же в связи с наличием в нем изолирующего ди­электрика имеет бесконечное или очень большое сопротивление и может рассматриваться в цепи постоянного тока как разрыв.

Векторное представление

Сигнал синусоидальной формы может быть представлен в виде век­тора ОА, вращающегося против часовой стрелки с угловой скоростью ω = 2πf , где f – частота сигнала (рис. 4.18). По мере того как поворачивается вектор, ордината его конца характеризует показанный на рисунке синусоидальный сигнал. Один полный оборот вектора (360°, или 2π) со­ответствует одному полному периоду. Половина оборота (180°, или π) со­ответствует половине периода, и так далее. Таким образом, ось времени, как показано на рисунке, может использоваться для нанесения значений угла, на который повернулся вектор. Максимум сигнала достигается при 90° (1/4 периода), а минимум — при 270° (3/4 периода).

Теперь рассмотрим два синусоидальных сигнала, представленных на рис. 4.19(а) векторами ОА и ОВ соответственно. Если оба сигнала имеют одинаковые частоты, то векторы ОА и ОВ будут вращаться с одинаковой угловой скоростью ω = 2πf . Это означает, что угол между этими векторами


Рис. 4.18.


Рис. 4.19. Разность фаз. Вектор ОА опережает вектор ОВ

(или вектор ОВ отстает от вектора ОА) на угол θ .

изменяться не будет. Говорят, что вектор ОА опережает вектор ОВ на угол θ , а вектор ОВ отстает от вектора ОА на угол в. На рис. 4.19(б) эти сигналы развернуты во времени.

Если оба этих синусоидальных сигнала сложить, то в результате получим другой синусоидальный сигнал, имеющий ту же частоту f , но другую амплитуду. Результирующий сигнал может быть представлен вектором ОТ, который, как показано на рис. 4.19(в), является векторной суммой векторов ОА и ОВ. Вектор ОТ опережает вектор ОВ на угол α и отстает от вектора ОА на угол γ. Дальше вы увидите, что векторное представление является весьма удобным приемом при анализе и расчете цепей переменного тока.

В этом видео рассказывается о катушке индуктивности:

Катушка индуктивности – электронный компонент, представляющий собой винтовую либо спиральную конструкцию, выполненную с применением изолированного проводника. Основным свойством катушки индуктивности, как понятно из названия – индуктивность. Индуктивность – это свойство преобразовать энергию электрического тока в энергию магнитного поля. Величина индуктивности для цилиндрической или кольцевой катушки равна

Где ψ — потокосцепление, µ0 = 4π*10-7 – магнитная постоянная, N – количество витков, S – площадь поперечного сечения катушки.

Также катушке индуктивности присущи такие свойства как небольшая ёмкость и малое активное сопротивление, а идеальная катушка и вовсе их лишена. Применение данного электронного компонента отмечается практически повсеместно в электротехнических устройствах. Цели применения различны:

Подавление помех в электрической цепи;
— сглаживание уровня пульсаций;
— накопление энергетического потенциала;
— ограничение токов переменной частоты;
— построение резонансных колебательных контуров;
— фильтрация частот в цепях прохождения электрического сигнала;
— формирование области магнитного поля;
— построение линий задержек, датчиков и т.д.

Энергия магнитного поля катушки индуктивности

Электрический ток способствует накоплению энергии в магнитном поле катушки. Если отключить подачу электричества, накопленная энергия будет возвращена в электрическую цепь. Значение напряжения при этом в цепи катушки возрастает многократно. Величина запасаемой энергии в магнитном поле равна примерно тому значению работы, которое необходимо получить, чтобы обеспечить появление необходимой силы тока в цепи. Значение энергии, запасаемой катушкой индуктивности можно рассчитать с помощью формулы.

Реактивное сопротивление

При протекании переменного тока , катушка обладает кроме активного, еще и реактивным сопротивлением, которое находится по формуле

По формуле видно, что в отличие от конденсатора , у катушки с увеличением частоты, реактивное сопротивление растет, это свойство применяется в фильтрах частот.

При построении векторных диаграмм важно помнить, что в катушке, напряжения опережает ток на 90 градусов.

Добротность катушки

Еще одним важным свойством катушки является добротность. Добротность показывает отношение реактивного сопротивления катушки к активному.

Чем выше добротность катушки, тем она ближе к идеальной, то есть она обладает только главным своим свойством – индуктивностью.

Конструкции катушек индуктивности

Конструктивно катушки индуктивности могут быть представлены в разном исполнении. Например, в исполнении однослойной или многослойной намотки проводника. При этом намотка провода может выполняться на диэлектрических каркасах разных форм: круглых, квадратных, прямоугольных. Нередко практикуется изготовление бескаркасных катушек. Широко применяется методика изготовления катушек тороидального типа.

Индуктивность катушки можно изменять, добавляя в конструкцию катушки ферромагнитный сердечник. Внедрение сердечников отражается на подавлении помех. Поэтому практически все дроссели, предназначенные для подавления высокочастотных помех, как правило, имеют ферродиэлектрические сердечники, изготовленные на основе феррита, флюкстрола, ферроксона, карбонильного железа. Низкочастотные помехи хорошо сглаживаются катушками на пермалоевых сердечниках или на сердечниках из электротехнической стали.

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается её значительная инерционность.

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

Существуют также катушки, проводники которых реализованы на печатной плате.

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.

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.

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

· Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.

· Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.

· В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

Потери в диэлектрике (изоляции проводов и каркасе катушки) можно отнести к двум категориям:

· Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери характерные для диэлектриков конденсаторов).

· Потери от магнитных свойств диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).

В общем случае можно заметить что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.

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

Потери на вихревые токи . Ток, протекающий по проводнику, индуцирует ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи становятся источником потерь из-за сопротивления проводников.

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. Применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины) на проводах.

Сдвоенные дроссели две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике. Т.е. предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов, так и во избежание засорения питающей сети электромагнитными помехами. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный (из трансформаторной стали) или ферритовый сердечник.

Применение катушек 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).

o Рамочная антенна

o DDRR

o Индукционная петля

· Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.

· Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника.

· Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля. Индукционные магнитометры были разработаны и широко использовались во времена Второй мировой войны.

Эффективные способы намотки, разработанные на нашем предприятии:

Позволяют снять ограничения на диапазоны применяемых напряжений, токов и температур. Снижают сечение провода, стоимость и массу катушек при тех же условиях эксплуатации. Либо позволяют повысить напряжения, токи и температуру эксплуатации при том же сечении провода.

Наши многолетние исследования показали, что наиболее эффективным способом охлаждения является воздушный. Применение дополнительных видов изоляции иногда бывает нежелательно и ухудшает свойства обмоток. Вместо изоляции мы применяем разделение обмотки на секции. Стремимся к увеличению площади контакта провода с мощными потоками воздуха.

1. Разделенная обмотка .

Лучшая альтернатива дополнительной изоляции. Обмотка разделена на любое количество секций, соединенных последовательно. Потенциал между секциями делится на количество секций. Потенциал между слоями делится на количество секций, помноженное на количество слоев. Потенциал между соседними витками в одном слое делится на количество секций, помноженное на количество слоев и количество витков в слое. Таким образом любое опасное пробивное напряжение можно снизить до электрозащитных показателей обыкновенного эмальпровода без применения особых электроизоляционных мер. Чем больше отдельных секций, тем лучше можно организовать охлаждение.

2. Бесконтактная обмотка.

Витки обмотки подвешены в воздухе на специальных растяжках. Не имеют механического, электрического и теплового контакта ни с какими другими материалами катушки, ни с каркасом, ни с корпусом, ни с электроизоляцией. Самое эффективное воздушное охлаждение, тепло- и электроизоляция.

3. Корпус в виде улитки.

Наиболее эффективным способом охлаждения обмоток мы считаем воздушное. Применение такого корпуса с вентиляторами и просчетом аэродинамических характеристик дает значительные преимущества.

4. Двухполупериодная обмотка.

Все новое — это хорошо забытое старое. Разделение обмотки на два плеча и включение через диодный мост дает попеременное включение плеч с частотой сети. В один полупериод одно плечо работает, другое отдыхает. Это позволяет применять обмотки с меньшим сечением. Особенно актуальна двухполупериодная обмотка там, где в небольшие габариты требуется поместить очень мощную обмотку с таким толстым проводом, который невозможно согнуть под требуемыми углами без повреждения. Или промышленность не выпускает настолько толстые шины, и таким образом можно перейти на меньшее сечение.

5. Трубопроводная обмотка.

Для работы на особо высоких температурных режимах. В качестве провода применяется медная труба, циркулирующая жидкость, насосы, теплообменники, хладогенераторы, резервуары.

6. Заливка компаундами с примесями на основе нитрида бора и другими для повышения теплопроводности компаунда. Либо виброустойчивая растяжка с применением специальных техпластин. Применяется на сложных виброударных режимах работы.

Наши специалисты разработают наиболее эффективный способ решения Ваших задач. Мы будем рады с Вами сотрудничать.

Ждем Ваших заказов.

Как ведет себя катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока?

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока

Итак, для этого опыта нам понадобится блок питания , который выдает постоянное напряжение, лампочка накаливания и собственно сама катушка индуктивности.

Чтобы сделать катушку индуктивности с хорошей индуктивностью, нам надо взять ферритовый сердечник:

Намотать на него лакированного медного провода и зачистить выводы:

Замеряем индуктивность нашей катушки с помощью LC метра :


132 микрогенри.

Теперь собираем все это вот по такой схеме:

где

L — катушка индуктивности

La — лампочка накаливания на напряжение 12 Вольт

Bat — блок питания, с выставленным напряжением 12 Вольт

Лампочка засветилась!


Как вы помните из , конденсатор у нас не пропускал постоянный электрический ток:


Делаем вывод: постоянный электрический ток почти беспрепятственно течет через катушку индуктивности. Сопротивлением обладает только сам провод, из которого намотана катушка.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Для того, чтобы узнать, как ведет себя катушка индуктивности в цепи переменного тока, нам понадобится , генератор частоты , собственно сама катушка индуктивности и резистор на 100 Ом. Чем больше сопротивление, тем меньше будет проседать напряжение с моего генератора частоты, поэтому я взял резистор на 100 Ом.Он у меня будет в качестве шунта. Падение напряжения на этом резисторе будет зависеть от тока, протекающего через него

Собираем все это дело по такой схеме:


Получилось как то так:


Сразу договоримся, что у нас первый канал будет красным цветом, а второй канал — желтым. Следовательно, красная синусоида — это частота, которую нам выдает генератор частоты, а желтая синусоида — это сигнал, который снимается с резистора.

Мы с вами узнали, что при нулевой частоте (постоянный ток), катушка почти беспрепятственно пропускает через себя электрический ток. В нашем опыте мы будем подавать с генератора частоты синусоидальный сигнал с разной частотой и смотреть, меняется ли напряжение на резисторе.

Опыт N1

Для начала подаем сигнал с частотой в 1 Килогерц.


Давайте разберемся, что есть что. В зеленой рамочке я вывел автоматические замеры, которые делает осциллограф


Красный кружок с цифрой «1» — это замеры «красного»канала. Как мы видим, F (частота) =1 Килогерц, а Ма (амплитуда) = 1,96 Вольт. Ну грубо скажем 2 Вольта. Смотрим на кружочек с цифрой «2». F =1 Килогерц, а Ма =1,96 Вольт. То есть можно сказать, что сигнал на выходе точно такой же, как и на входе.

Увеличиваем частоту до 10 Килогерц


Амплитуда не уменьшилась. Сигнал какой есть, такой и остался.

Увеличиваем до 100 Килогерц


Заметили разницу? Амплитуда желтого сигнала стала меньше, да еще и график желтого сигнала сдвигается вправо, то есть запаздывает, или научным языком, появляется . Красный сигнал никуда не сдвигается, запаздывает именно желтый. Это имейте ввиду.

Сдвиг фаз — это разность между начальными фазами двух измеряемых величин . В данном случае напряжения. Для того, чтобы произвести замер сдвига фаз, должно быть условие, что у этих сигналов одна и та же частота . Амплитуда может быть любой. Ниже на рисунке приведен этот самый сдвиг фаз или, как еще его называют, разность фаз :

Увеличиваем частоту до 200 Килогерц


На частоте 200 Килогерц амплитуда упала вдвое, да и разность фаз стала больше.

Увеличиваем частоту до 300 Килогерц.


Амплитуда желтого сигнала упала уже до 720 милливольт. Разность фаз стала еще больше.

Увеличиваем частоту до 500 Килогерц


Амплитуда уменьшилась до 480 милливольт.

Добавляем еще частоту до 1 Мегагерц


Амплитуда желтого канала стала 280 милливольт.

Ну и добавляем частоту до предела, который позволяет выдать генератор частоты: 2 Мегагерца


Амплитуда «желтого» сигнала стала настолько маленькой, что мне пришлось ее даже увеличить в 5 раз.

И можно сказать, что сдвиг фаз стал почти 90 градусов или π/2.

Но станет ли сдвиг фаз больше, чем 90 градусов, если подать очень-очень большую частоту? Эксперименты говорят, что нет. Если сказать просто, то при бесконечной частоте сдвиг фаз будет равняться 90 градусов. Если совместить наши графики на бесконечной частоте, то можно увидеть примерно вот такой рисунок:


Так какой вывод можно сделать?

С увеличением частоты сопротивление катушки растет, а также увеличивается сдвиг фаз. И чем больше частота, тем больше будет сдвиг фазы, но не более, чем 90 градусов.

Опыт N2

Давайте же уменьшим индуктивность катушки. Прогоним еще раз по тем же самым частотам. Я убрал половину витков и сделал витки на край феррита, тем самым уменьшил индуктивность до 33 микрогенри.


Итак, прогоняем все по тем же значениям частоты


При частоте в 1 Килогерц у нас значение почти не изменилось.

10 Килогерц


Здесь тоже ничего не изменилось.

100 Килогерц


Тоже почти ничего не изменилось, кроме того, что желтый сигнал стал тихонько сдвигаться.

200 Килогерц


Здесь уже видим, что амплитуда на желтом сигнале начинает проседать и сдвиг фаз наращивает обороты.

300 Килогерц


Сдвиг фаз стал больше и амплитуда просела еще больше

500 Килогерц


Сдвиг стал еще больше и амплитуда желтого сигнала тоже просела.

1 Мегагерц


Амплитуда желтого сигнала падает, сдвиг фаз прибавляется. 😉

2 Мегагерца, предел моего генератор частоты


Сдвиг фаз стал почти равен 90 градусов, а амплитуда стала даже меньше, чем пол Вольта.

Обратите внимание на амплитуду в Вольтах на тех же самых частотах. В первом случае у нас индуктивность была больше, чем во втором случае, но амплитуда желтого сигнала во втором случае больше, чем в первом.

Отсюда вывод напрашивается сам собой:

При уменьшении индуктивности, сопротивление катушки индуктивности также уменьшается.

Реактивное сопротивление катушки индуктивности

С помощью нехитрых умозаключений, физиками была выведена формула:

где

Х L — катушки, Ом

П — постоянная и равна приблизительно 3,14

F — частота, Гц

L — индуктивность, Гн

В данном опыте мы с вами получили (ФНЧ). Как вы видели сами, на низких частотах катушка индуктивности почти не оказывает сопротивление напряжению, следовательно амплитуда и мощность на выходе такого фильтра будет почти такой же, как и на входе. Но с увеличением частоты у нас амплитуда гасится. Применив такой фильтр на динамик, можно с уверенностью сказать, что будет усиливаться только бас, то есть низкая частота звука.

Заключение

Постоянный ток протекает через катушку индуктивности без каких-либо проблем. Сопротивлением обладает только сам провод, из которого намотана катушка.

Сопротивление катушки зависит от частоты протекающего через нее тока и выражается формулой:

Инструкция по выполнению работы — Студопедия

Вариант 12

 

 

На выполнение работы отводится 3 часа (180 минут). Работа состоит из 3 частей, содержащих 30 заданий в 1 части, 3 заданий во 2 части и 1 задания в 3 части.

Все задания выполняются на тетрадном листе. Указывается дата выполнения задания, Ф.И.О. обучающегося, номер группы.

Часть 1 содержит 30 заданий. К каждому заданию даётся 4-5 вариантов ответа, из которых верным может быть 1 или 2.В задачах необходимо выполнить решение, указывая: Дано, систему Си, Решение и Ответ. Каждый правильный ответ оценивается в 1 балл

Часть 2 состоит из 3 заданий , на которые нужно дать развернутый ответ. Каждый правильный ответ оценивается в 3 балла

Часть 3 включает 1 задание, выполнение которого предполагает написание  полного, развёрнутого ответа, включающего необходимые уравнения, расчёты. Каждый правильный ответ оценивается в 6 балла

 

Критерии оценивания:

Оценка 5 – 41-45 баллов

Оценка 4- 36-40 баллов

Оценка 3 – 30-35 баллов

Оценка 2 – 1-29 баллов

1. Что такое электрическая цепь?

A. это устройство для измерения ЭДС.

B. графическое изображение электрической цепи, показывающее порядок и характер соединение элементов.


C. упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике.

D. совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока.

2. ЭДС источника выражается формулой:

A. I= Q/t             B.E= Au/q C.W=q*E*d D. E.U=A/q

3. Впервые явления в электрических цепях глубоко и тщательно изучил:

A. Майкл Фарадей B. Джемс Максвелл C.Георг Ом D.Шарль Кулон

4.  Прибор

A. Амперметр  B.реостат C.резистор D.ключ E.потенциометр

5. Ёмкость конденсатора С=10 мкФ, напряжение на обкладках U=220В. Определить заряд конденсатора.

A. 2.2 Кл. B.2200 Кл. C.0,045 Кл. D..

6. Это устройства для регулировки нагрузки.

A. Реостат B.потенциометры C.резисторы D.ключ E.счётчик

7. Часть цепи между двумя точками называется:

A.   Контур B.участок цепи C.ветвь D.электрическая цепь E.узел

8. Сопротивление последовательной цепи:

A.

B.

C.

D. .

9. Сила тока в проводнике…

A. прямо пропорционально напряжению на концах проводника

B. прямо пропорционально напряжению на концах проводника и его сопротивлению

C. обратно пропорционально напряжению на концах проводника

D. обратно пропорционально напряжению на концах проводника и его сопротивлению

E. электрическим зарядом и поперечное сечение проводника

10. Какую энергию потребляет из сети электрическая лампа за 2 ч, если ее сопротивление 440 Ом, а напряжение сети 220 В?

A. B.240 Вт C. D.375 Вт E.180 Вт

11. 1 гВт =

A. 1024 Вт B.1000000000 Вт C.1000000 Вт D. n E.100 Вт

12. Что такое потенциал точки?

A. это разность потенциалов двух точек электрического поля.


B. это абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.

C. называют величину, равная отношению заряда одной из обкладок конденсатора к напряжению между ними.

D.  называют устройство, состоящее из двух проводников любой формы, разделенных диэлектриком.

E. называют работу, по перемещению единичного заряда из точки поля в бесконечность.

13. Условное обозначение

A.  Резистор B.предохранитель C.реостат D. Провод E.приемник электрической энергии

14. Лампа накаливания с сопротивлением R= 440 Ом включена в сеть с напряжением U=110 В. Определить силу тока в лампе.

A. 25 А  B. 30 А      C.12 А    D.0,25 А    E.1 А

15. Какими носителями заряда осуществляется проводимость в металлах?

A. Электрон B.положительный ион C.отрицательный ион D.нейтрино

 

16.  Сколько в схеме узлов и ветвей?

A. узлов 4, ветвей 4;        В. узлов 2, ветвей 4;               С.узлов 3, ветвей 5;    D узлов 3, ветвей 4;

 

17.  Величина, обратная сопротивлению

A.  Проводимость B.удельное сопротивление C.период D.напряжение

18. Ёмкость конденсатора С=10 мФ; заряд конденсатора Q= 4∙  Определить напряжение на обкладках.

A. 0,4 В;        B.4 мВ;   C.4∙  В;   D.4∙  В;   E.0,04 В.

19. Будет ли проходить в цепи постоянный ток, если вместо источника ЭДС – включить заряженный конденсатор?

A. не будет B.будет, но недолго C.будет    D.А, В E.все ответы правильно

20. В цепи питания нагревательного прибора, включенного под напряжение 220 В, сила тока 5 А. Определить мощность прибора.


A. 25 Вт           B.4,4 Вт              C.2,1 кВт      D.1,1 кВт  E.44 Вт

21. Плотность электрического тока определяется по формуле:

A. …=q/t        B.…=I/S     C.…=dl/S      D.…=1/R   E.…=1/t

22. Определить количество теплоты, выделенное в нагревательном приборе в течение 0,5 ч, если он включен в сеть напряжением 110 В и имеет сопротивление 24 Ом.

A. 130 000 Дж          B.650 000 Дж      C.907 500 Дж D.235 кДж E.445 500 Дж

23. Магнитная система, в которой все стержни имеют одинаковую форму, конструкцию и размеры, а взаимное расположение любого стержня по отношению ко всем ярмам одинаково для всех стерней.

A. симметричная магнитная система      В.несимметричная магнитная система

С. плоская магнитная система                 D пространственная магнитная система

24. Что обеспечивает возникновение электрического тока в обмотке низкого напряжения трансформатора при подключении его к сети.

A. Обмотка          В.магнитопровод        С. Автотрансформатор D.система охлаждения

 

25. Двигатель, характеристикой которого является скольжение.

A. Асинхронный          В.синхронный            С.постоянного тока    Dимпульсный

26. Катушка индуктивностью 1 Гн включается на напряжение 20 В. Определить время, за которое сила тока в ней достигает 30 А.

А. 1с   В. 1,2с С. 1,5с     D.2с

27.Чему равна ЭДС самоиндукции в катушке индуктивностью L = 3 Гн при равномерном уменьшении силы тока от 5 А до 1 А за 2 секунды?

А. 7,5В                 В. 15В                С. 3,3 В            D.1,2 В

28. Чему равно фазное напряжение и фазные ток в симметричной системе, соединенной звездой, если Uл= 380В       Iл=1А  А. 220; 1 В. 380; 0,58  С.220; 0,58 D.380; 1

29. В каких единицах измеряется индуктивное сопротивление А.Ом  В. Фарад      С.Генри

30.Определить энергию магнитного поля соленоида, в котором при силе тока 5 А возникает магнитный поток 0,5 Вб.

2 часть.

1.Нарисуйте схему наиболее распространенных сглаживающих фильтров?

2. Какой тип транзисторов применяется в гибридных интегральных микросхемах?

3.Что представляет собой мультивибратор и для чего он используется?

 3 часть.

1.Рассчитать электрическую цепь при параллельном соединении резистора, катушки и конденсатора графоаналитическим методом. Напряжение на зажимах цепи 200В., активном сопротивлении 10 Ом, индуктивном сопротивлении 20 Ом и емкостном сопротивлении 20 Ом.

Какое сопротивление оказывает катушка постоянному току. Применение в технике

Если катушка индуктивности включена в цепь переменного тока , то в такой цепи, фаза тока всегда отстает от фазы напряжения . Разберем причины этого отставания на простейшем примере, когда в цепи имеется только индуктивное сопротивление , а омического сопротивления нет вовсе, или вернее омическим сопротивлением провода катушки самоиндукции можно пренебречь, так как оно мало.

Для удобства рассмотрения явлений будем считать, что мы присоединяем катушку индуктивности к источнику переменного тока в тот момент, когда напряжение U на его зажимах имеет максимальное амплитудное значение (рис. 1а.). Этот момент будем считать началом периода.

Рисунок 1. Самоиндукция-инерция. а) соотношения фаз тока, напряжения и ЭДС самоиндукции при включение катушки индуктивности в цепь переменного тока; б) соотношение фаз скорости движения, внешней силы и силы инерции

В момент включения катушки в ней немедленно возникнет электрический ток. Но ток не может сразу достичь своего амплитудного значения потому, что при его возникновении вокруг катушки начнет появляться магнитное поле, которое будет наводить в катушке ЭДС самоиндукции, направленную против внешнего напряжения, т. е. напряжения источника переменного тока. Электродвижущая сила самоиндукции будет препятствовать быстрому нарастанию силы тока в катушке. Поэтому нарастание тока будет длиться целую четверть периода.

По мере приближения к концу первой четверти периода скорость нарастания тока в катушке постепенно уменьшается.

Но вместе с тем ослабевает и ЭДС самоиндукции, так как величина ее зависит от скорости изменения силы тока.

Итак, в конце первой четверти периода внешнее напряжение, приложенное к катушке, будет равно нулю, ЭДС самоиндукции также будет, равна нулю, а ток в катушке и магнитный поток вокруг нее будут иметь максимальные амплитудные значения. В магнитном поле катушки будет запасено некоторое количество энергии, полученной от источника тока.

С началом второй четверти периода внешнее напряжение, переменив свое направление, будет возрастать, вследствие чего ток в катушке, текущий все еще в прежнем направлении, начнет уменьшаться. Но теперь в катушке снова возникнет ЭДС самоиндукции, обусловленная уменьшением магнитного потока, которая будет поддерживать ток в прежнем направлении.

В течение всей второй четверти периода внешнее напряже¬ние будет увеличиваться, а сила тока — уменьшаться. Ско¬рость уменьшения силы тока, оставаясь небольшой в начале второй четверти, станет постепенно нарастать и в конце этой четверти достигнет наибольшей величины.

Итак, к концу второй четверти периода внешнее напряжение приближается к амплитудному значению, а сила тока и магнитный ноток приближаются к нулю, убывая все с большей скоростью, вследствие чего ЭДС самоиндукции достигает своего амплитудного значения. Направление ЭДС самоиндукции, как всегда, остается противоположным направлению внешнего напряжения. Энергия, запасенная в магнитном поле за первую четверть периода, теперь возвращается обратно в цепь.

В течение второй половины (третья и четвертая четверти) периода все явления будут происходить в том же порядке, с той лишь разницей, что направления тока, внешнего напряжения и ЭДС самоиндукции изменяются на противоположные (рис. 1а.).

Таким образом, фаза тока все время отстает от фазы напряжения, причем нетрудно заметить, что сдвиг фаз тока и напряжения равен 90°.

Представим себе, что мы толкаем вдоль по рельсам груженую вагонетку. В первый момент, когда вагонетка только начинает трогаться с места, мы прилагаем к ней максимум усилий, которые по мере увеличения скорости вагонетки будем постепенно уменьшать. При этом мы почувствуем, что вагонетка, обладая инерцией, как бы сопротивляется нашим усилиям. Это противодействие (реакция) вагонетки будет особенно сильным вначале, по мере же ослабления наших усилий будет ослабевать и противодействие вагонетки, она постепенно будет переставать «упрямиться» и покорно покатится по рельсам.

Затем мы вовсе перестанем толкать вагонетку и даже, наоборот, начнем понемногу тянуть ее в обратном направлении. При этом мы почувствуем, что вагонетка снова сопротивляется нашим усилиям. Если мы будем все сильнее и сильнее тянуть вагонетку назад, то и ее противодействие будет соответственно все более и более возрастать. Наконец, нам удастся остановить вагонетку и даже изменить направление ее движения. Когда вагонетка покатится обратно, мы будем постепенно ослаблять наши усилия, т. е. будем тянуть ее все слабее и слабее, однако, несмотря на это, скорость вагонетки будет все-таки увеличиваться (при слабом трении в подшипниках).

Когда вагонетка пройдет половину пути в обратном направлении, мы совсем перестанем тянуть ее и снова переменим направление наших усилий, т. е. начнем ее снова задерживать, постепенно увеличивая силу торможения до тех пор, пока вагонетка не остановится, заняв первоначальное (исходное) положение. После этого мы можем продолжать все наши действия сначала.

В этом примере наши усилия, прилагаемые к вагонетке, соответствуют внешней ЭДС , противодействие вагонетки, обусловленное ее инерцией, — ЭДС самоиндукции , а скорость вагонетки — электрическому току . Если изобразить графически изменение наших усилий, а также изменение противодействия вагонетки и ее скорости с течением времени, то мы получим графики (рис. 1б), в точности соответствующие графикам рис.1а.

Из этого примера становится более понятной сущность реактивного (безваттного) сопротивления. В самом деле, в течение первой четверти периода мы толкали вагонетку, а она противодействовала нашим усилиям; в течение второй четверти периода она катилась сама, а мы «упирались»; в течение третьей четверти периода мы опять тянули ее, а вагонетка снова оказывала противодействие нашим усилиям и, наконец, в течение четвертой четверти периода она снова катилась сама, а мы ее тормозили.

Короче говоря, в течение первой и третьей четверти периода мы работали «на вагонетку», а в течение второй и четвертой четвертей она работала «на нас», возвращая обратно полученную то нас энергию. В результате наша работа оказалась «безваттной».

Таким образом катушка индуктивности в цепи переменного тока может работать как безваттный резистор.

Кто в школе не изучал физику? Для кого-то она была интересна и понятна, а кто-то корпел над учебниками, пытаясь выучить наизусть сложные понятия. Но каждый из нас запомнил, что мир основан на физических знаниях. Сегодня мы поговорим о таких понятиях, как индуктивность тока, индуктивность контура, и узнаем, какие бывают конденсаторы и что такое соленоид.

Электрическая цепь и индуктивность

Индуктивность служит для характеристики магнитных свойств электрической цепи. Ее определяют как коэффициент пропорциональности между текущим электрическим током и магнитным потоком в замкнутом контуре. Поток создается этим током через поверхность контура. Еще одно определение гласит, что индуктивность является параметром электрической цепи и определяет ЭДС самоиндукции. Термин применяется для указания элемента цепи и приходится характеристикой эффекта самоиндукции, который был открыт Д. Генри и М. Фарадеем независимо друг от друга. Индуктивность связана с формой, размером контура и значением магнитной проницаемости окружающей среды. В единице измерения СИ эта величина измеряется в генри и обозначается как L.

Самоиндукция и измерение индуктивности

Индуктивностью называется величина, которая равна отношению магнитного потока, проходящего по всем виткам контура к силе тока:

Индуктивность контура находится в зависимости от формы, размеров контура и от магнитных свойств среды, в которой он находится. Если в замкнутом контуре протекает электрический ток, то возникает изменяющееся магнитное поле. Это впоследствии приведет к возникновению ЭДС. Рождение индукционного тока в замкнутом контуре носит название «самоиндукция». По правилу Ленца величина не дает изменяться току в контуре. Если обнаруживается самоиндукция, то можно применять электрическую цепь, в которой параллельно включены резистор и катушка с железным сердечником. Последовательно с ними подсоединены и электрические лампы. В этом случае сопротивление резистора равно сопротивлению на катушки. Результатом будет яркое горение ламп. Явление самоиндукции занимает одно из главных мест в радиотехнике и электротехнике.

Как найти индуктивность

Формула, которая является простейшей для нахождения величины, следующая:

где F — магнитный поток, I — ток в контуре.

Через индуктивность можно выразить ЭДС самоиндукции:

Из формулы напрашивается вывод о численном равенстве индукции с ЭДС, которое возникает в контуре при изменении силы тока на один амперметр за одну секунду.

Переменная индуктивность дает возможность найти и энергию магнитного поля:

«Катушка ниток»

Катушка индуктивности представляет собой намотанную изолированную медную проволоку на твердое основание. Что касается изоляции, то выбор материала широк — это и лак, и проводная изоляция, и ткань. Величина магнитного потока зависит от площади цилиндра. Если увеличить ток в катушке, то магнитное поле будет становиться все больше и наоборот.

Если подать электрический ток на катушку, то в ней возникнет напряжение, противоположное напряжению тока, но оно внезапно исчезает. Такого рода напряжение называется самоиндукции. В момент включения напряжения на катушку сила тока меняет свое значение от 0 до некоего числа. Напряжение в этот момент тоже меняет значение, согласно закону Ома:

где I характеризует силу тока, U — показывает напряжение, R — сопротивление катушки.

Еще одной особенной чертой катушки является следующий факт: если разомкнуть цепь «катушка — источник тока», то ЭДС добавится к напряжению. Ток тоже вначале вырастет, а потом пойдет на спад. Отсюда вытекает первый закон коммутации, в котором говорится, что сила тока в катушке индуктивности мгновенно не меняется.

Катушку можно разделить на два вида:

  1. С магнитным наконечником. В роли материала сердца выступают ферриты и железо. Сердечники служат для повышения индуктивности.
  2. С немагнитным. Используются в случаях, когда индуктивность не больше пяти миллиГенри.

Устройства различаются и по внешнему виду, и внутреннему строению. В зависимости от таких параметров находится индуктивность катушки. Формула в каждом случае разная. Например, для однослойной катушки индуктивность будет равна:

  • L = 10µ0ΠN 2 R 2: 9R + 10l.

А вот уже для многослойной другая формула:

  • L= µ0N 2 R 2: 2Π(6R + 9l + 10w).

Основные выводы, связанные с работой катушек:

  1. На цилиндрическом феррите самая большая индуктивность возникает в середине.
  2. Для получения максимальной индуктивности необходимо близко наматывать витки на катушку.
  3. Индуктивность тем меньше, чем меньше количество витков.
  4. В тороидальном сердечнике расстояние между витками не играет роли катушки.
  5. Значение индуктивности зависит от «витков в квадрате».
  6. Если последовательно соединить индуктивности, то их общее значение равно сумме индуктивностей.
  7. При параллельном соединении нужно следить, чтобы индуктивности были разнесены на плате. В противном случае их показания будут неправильными за счет взаимного влияния магнитных полей.

Соленоид

Под этим понятием понимается цилиндрическая обмотка из провода, который может быть намотан в один или несколько слоев. Длина цилиндра значительно больше диаметра. За счет такой особенности при подаче электрического тока в полости соленоида рождается магнитное поле. Скорость изменения магнитного потока пропорциональна изменению тока. Индуктивность соленоида в этом случае рассчитывается следующим образом:

Еще эту разновидность катушек называют электромеханическим исполнительным механизмом с втягиваемым сердечником. В данном случае соленоид снабжается внешним ферромагнитным магнитопроводом — ярмом.

В наше время устройство может соединять в себе гидравлику и электронику. На этой основе созданы четыре модели:

  • Первая способна контролировать линейное давление.
  • Вторая модель отличается от других принудительным управлением блокировки муфты в гидротрансформаторах.
  • Третья модель содержит в своем составе регуляторы давления, отвечающие за работу переключения скоростей.
  • Четвертая управляется гидравлическим способом или клапанами.

Необходимые формулы для расчетов

Чтобы найти индуктивность соленоида, формула применяется следующая:

где µ0 показывает магнитную проницаемость вакуума, n — это число витков, V — объем соленоида.

Также провести расчет индуктивности соленоида можно и с помощью еще одной формулы:

где S — это площадь поперечного сечения, а l — длина соленоида.

Чтобы найти индуктивность соленоида, формула применяется любая, которая подходит по решению к данной задаче.

Работа на постоянном и переменном токе

Магнитное поле, которое создается внутри катушки, направлено вдоль оси, и равно:

где µ0 — это магнитная проницаемость вакуума, n — это число витков, а I — значение тока.

Когда ток движется по соленоиду, то катушка запасает энергию, которая равна работе, необходимая для установления тока. Чтобы вычислить в этом случае индуктивность, формула используется следующая:

где L показывает значение индуктивности, а E — запасающую энергию.

ЭДС самоиндукции возникает при изменении тока в соленоиде.

В случае работы на переменном токе появляется переменное магнитное поле. Направление силы притяжения может изменяться, а может оставаться неизменным. Первый случай возникает при использовании соленоида как электромагнита. А второй, когда якорь сделан из магнитомягкого материала. Соленоид на переменном токе имеет комплексное сопротивление, в которое включаются сопротивление обмотки и ее индуктивность.

Самое распространенное применение соленоидов первого типа (постоянного тока) — это в роли поступательного силового электропривода. Сила зависит от строения сердечника и корпуса. Примерами использования являются работа ножниц при отрезании чеков в кассовых аппаратах, клапаны в двигателях и гидравлических системах, язычки замков. Соленоиды второго типа применяются как индукторы для в

Колебательные контуры

Простейшей резонансной цепью является последовательный колебательный контур, состоящий из включенных катушек индуктивности и конденсатора, через которые протекает переменный ток. Чтобы определить формула используется следующая:

где XL показывает реактивное сопротивление катушки, а W — круговая частота.

Если используется реактивное то формула будет выглядеть следующим образом:

Важными характеристиками колебательного контура являются резонансная частота, и добротность контура. Первая характеризует частоту, где сопротивление контура имеет активный характер. Вторая показывает, как проходит реактивное сопротивление на резонансной частоте между такими величинами, как емкость и индуктивность колебательного контура. Третья характеристика определяет амплитуду и ширину резонанса и показывает размеры запаса энергии в контуре по сравнению с потерями энергии за один период колебаний. В технике частотные свойства цепей оцениваются при помощи АЧХ. В этом случае цепь рассматривается как четырехполюсник. При изображении графиков используется значение коэффициента передачи цепи по напряжению (К). Эта величина показывает отношение выходного напряжения к входному. Для цепей, которые не содержат источников энергии и различных усилительных элементов, значение коэффициента не больше единицы. Оно стремится к нулю, когда на частотах, отличающихся от резонансной, сопротивление контура имеет высокое значение. Если же величина сопротивления минимальна, то коэффициент близок к единице.

При параллельном колебательном контуре включены два реактивных элемента с разной силой реактивности. Использование такого вида контура подразумевает знание, что при параллельном включении элементов нужно складывать только их проводимости, но не сопротивления. На резонансной частоте суммарная проводимость контура равна нулю, что говорит о бесконечно большом сопротивлении переменному току. Для контура, в котором параллельно включены емкость (C), сопротивление (R) и индуктивность, формула, объединяющая их и добротность (Q), следующая:

При работе параллельного контура за один период колебаний дважды происходит энергетический обмен между конденсатором и катушкой. В этом случае появляется контурный ток, который значительно больше значения тока во внешней цепи.

Работа конденсатора

Устройство представляет собой двухполюсник малой проводимости и с переменным или постоянным значением емкости. Когда конденсатор не заряжен, сопротивление его близко к нулю, в противном случае оно равно бесконечности. Если источник тока отсоединить от данного элемента, то он становится этим источником до своей разрядки. Использование конденсатора в электронике заключается в роли фильтров, которые удаляют помехи. Данное устройство в блоках питания на силовых цепях применяются для подпитки системы при больших нагрузках. Это основано на способности элемента пропускать переменную составляющую, но непостоянный ток. Чем выше частота составляющей, тем меньше у конденсатора сопротивление. В результате через конденсатор глушатся все помехи, которые идут поверх постоянного напряжения.

Сопротивление элемента зависит от емкости. Исходя из этого, правильнее будет ставить конденсаторы с различным объемом, чтобы улавливать разного рода помехи. Благодаря способности устройства пропускать постоянный ток только в период заряда его используют как времязадающий элемент в генераторах или как формирующее звено импульса.

Конденсаторы бывают многих типов. В основном используется классификация по типу диэлектрика, так как этот параметр определяет стабильность емкости, сопротивление изоляции и так далее. Систематизация по данной величине следующая:

  1. Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
  2. Вакуумные.
  3. С жидким диэлектриком.
  4. С твердым неорганическим диэлектриком.
  5. С твердым органическим диэлектриком.
  6. Твердотельные.
  7. Электролитические.

Существует классификация конденсаторов по назначению (общий или специальный), по характеру защиты от внешних факторов (защищенные и незащищенные, изолированные и неизолированные, уплотненные и герметизированные), по технике монтажа (для навесного, печатного, поверхностного, с выводами под винт, с защелкивающимися выводами). Также устройства можно различить по способности к изменению емкости:

  1. Постоянные конденсаторы, то есть у которых емкость остается всегда постоянной.
  2. Подстроечные. У них емкость не меняется при работе аппаратуры, но можно ее регулировать разово или периодически.
  3. Переменные. Это конденсаторы, которые допускают в процессе функционирования аппаратуры изменение ее емкости.

Индуктивность и конденсатор

Токоведущие элементы устройства способны создавать его собственную индуктивность. Это такие конструктивные части, как кладки, соединительные шины, токоотводы, выводы и предохранители. Можно создать дополнительную индуктивность конденсатора путем присоединения шин. Режим работы электрической цепи зависит от индуктивности, емкости и активного сопротивления. Формула расчета индуктивности, которая возникает при приближении к резонансной частоте, следующая:

  • Ce = C: (1 — 4Π 2 f 2 LC),

где Ce определяет эффективную емкость конденсатора, C показывает действительную емкость, f — это частота, L — индуктивность.

Значение индуктивности всегда должно учитываться при работе с силовыми конденсаторами. Для импульсных конденсаторов наиболее важна величина собственной индуктивности. Их разряд приходится на индуктивный контур и имеет два вида — апериодический и колебательный.

Индуктивность в конденсаторе находится в зависимости от схемы соединения элементов в нем. Например, при параллельном соединении секций и шин эта величина равна сумме индуктивностей пакета главных шин и выводов. Чтобы найти такого рода индуктивность, формула следующая:

где Lk показывает индуктивность устройства, Lp -пакета, Lm — главных шин, а Lb — индуктивность выводов.

Если при параллельном соединении ток шины меняется по ее длине, то тогда эквивалентная индуктивность определяется так:

  • Lk = Lc: n + µ0 l х d: (3b) + Lb,

где l — длина шин, b — ее ширина, а d — расстояние между шинами.

Чтобы снизить индуктивность устройства, необходимо токоведущие части конденсатора расположить так, чтобы взаимно компенсировались их магнитные поля. Иными словами, токоведущие части с одинаковым движением тока нужно удалять друг от друга как можно дальше, а с противоположным направлением сближать. При совмещении токоотводов с уменьшением толщины диэлектрика можно снизить индуктивность секции. Этого можно достигнуть еще путем деления одной секции с большим объемом на несколько с более мелкой емкостью.

Катушка индуктивности. Дроссель Возьмем отрезок медного провода и намотаем его на карандаш, а затем снимем с карандаша полученную спираль. У нас получился очень необходимой в радиоэлектронике элемент под названием катушка индуктивности. В дальнейшем такую спираль будем называть катушкой. Полученная нами катушка в электронике называется «однослойная цилиндрическая катушка без сердечника».

В промышленности катушки наматывают проводами с низким удельным сопротивлением — медь, алюминий, серебро и т.д. Провода покрывают электротехническим лаком для проедотвращения замыкания между витками катушки. В цепях постоянного тока и в цепях переменного тока катушка обладает различными свойствами, о чем в дальнейшем и будет идти речь.
Вспомним, из физики, что вокруг всякого проводника, по которому протекает электрический ток, образуется магнитное поле. Так как катушка — это проводник скрученный в спираль, то вокруг катушки также образуется магнитное поле. При протекании через катушку постоянного тока iL силовые линии магнитного поля направлены так, как показано на рисунке.


Чем больше количество витков и чем больше сила тока через катушку, тем больше величина магнитного поля.
Параметры катушки характеризуются величиной L которая называется: «индуктивность». Индуктивность зависит от геометрических размеров катушки и количества витков намотки. Следовательно, чем больше ток через катушку и больше индуктивность, тем сильнее магнитное поле.
Если в катушку ввести сердечник из магнитного материала (например сталь), то индуктивность катушки возрастет во много раз. Сам сердечник введенный в катушку, при подаче на катушку постоянного напряжения, намагнитится.


Из сказанного следует, что мы можем рассматривать катушку с сердечником как электрический магнит.
Электромагниты широко используются как в промышленности, так и в быту. Свойства электромагнита используются в электродвигателях постоянного тока. Более всего электромагниты распространены в таких приборах, как электромагнитные реле. Реле, это такие приборы, при подаче напряжения на которые включается электромагнит и происходит замыкание или размыкание мощных контактов.

Реле, следовательно могут коммутировать большие токи и напряжения. Реле, так же, широко используют в системах автоматики. При определенном включении реле могут выполнять логические функции.
Несмотря на простоту конструкции, расчёт индуктивности катушки весьма сложен. Приходится учитывать геометрические размеры, форму, количество витков, тип сердечника и т.д.
Для примера приведём формулу расчета индуктивности L простой однослойной цилиндрической катушки диаметром D, длиной намотки l, числом витков W, без сердечника:
L(мкГн) = W 2 * D * 10 -3 *l / (D + 0,45).
Индуктивность катушки измеряется в единицах — генри (Гн). Величина в 1 генри очень большая единица, поэтому на практике часто применяют кратные единицы:
миллигенри (мГн), 1мГн = 1*10 -3 Гн;
микрогенри (мкГн), 1мкГн = 1*10 -6 Гн.

Вернемся к катушке в цепи постоянного тока. Если катушку из нескольких витков, с сердечником, использовать в качестве электромагнита, т.е. подключить ее к источнику тока, то она перегорит (если мощность источника достаточно велика).

Произойдет это потому, что сопротивление катушки постоянному току очень мало, и соответственно ток через катушку и мощность будут максимальны. В связи с этим, для катушек в цепи постоянного тока, важна не индуктивность, а сопротивление катушки постоянному току. У электромагнитных реле, например, в справочниках указывается сопротивление обмотки и рабочее напряжение.
Как получить высокое сопротивление обмотки катушки, если провод которым они наматываются имеет низкое удельное сопротивление? Для этого используют провод с малой площадью поперечного сечения и наматывают большое количество витков в несколько слоев, например распространенное реле РЭС-9 имеет обмотку проводом диаметром 0,1мм и числом витков порядка 2000.
Иначе обстоит дело, когда катушка включена в цепь переменного тока. Так как ток переменный, то и магнитное поле создаваемое катушкой, тоже будет переменным. Переменное магнитное поле будет создавать сопротивление прохождению тока через катушку. Причем, чем больше частота переменного тока, при неизменной индуктивности катушки, тем больше получается сопротивление.


Избавиться от помех можно если в цепи питания поставить фильтр состоящий из катушки и конденсаторов. Так как катушка имеет низкое сопротивление постоянному току, то постоянное напряжение питания проходит через катушку без затухания, а для помехи сопротивление катушки велико и сигнал помехи ослабляется. Сопротивление конденсатора для помехи наоборот мало и помеха заземляется.
Назначение индуктивно-емкостного фильтра не только защита от помех. Фильтры широко используют для частотной селекции (разделения, выделения) сигналов. Например частота звукового сигнала (частота которую в состоянии услышать человеческое ухо) лежит в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц. Для качественного воспроизведения звуковых сигналов в акустических системах применяют 3 динамика — для воспроизведения низких (НЧ), средних (СЧ) и высоких (ВЧ) частот звукового диапазона.


Динамики включаются через фильтры которые выделяют именно тот диапазон частот, какой должен воспроизводить конкретный динамик.

В связи с тем, что конструктивный расчет катушек индуктивности очень сложен, на практике, в основном, применяют готовые (стандартные) катушки индуктивности. Для фильтров применяют катушки которые называют «дроссель». В радиоаппаратуре применяют катушки с изменяемой индуктивностью — сердечник такой катушки делается подвижным и может перемещаться внутри катушки.


В зависимости от применяемого сердечника индуктивность может возрастать или наоборот уменьшаться. Если применен сердечник из магнитного материала — сталь, феррит…, то индуктивность катушки увеличивается; если сердечник из диамагнитного материала — латунь, алюминий…, то индуктивность катушки уменьшается.
Катушки индуктивности, так же, как резисторы и конденсаторы, для получения заданной индуктивности, можно включать как последовательно, так и параллельно. Формулы расчета результирующей индуктивности Lr аналогичны формулам расчета результирующего сопротивления, а именно: для параллельного включения катушек: 1/Lr = 1/L1 + 1/L2 + … + 1/Ln; для последовательного включения — Lr = L1 + L2 + … + Ln.

Трансформаторы Мы знаем, что вокруг катушки, через которую протекает переменный электрический ток, образуется переменное магнитное поле. Если рядом с такой катушкой установить еще одну катушку, то магнитное поле первой катушки создаст в второй катушке электродвижущую силу (ЭДС), то есть на выводах второй катушки появится переменное напряжение.


Такое электромагнитное устройство, состоящее из двух (а иногда и более) катушек, одна из которых подключается и источнику переменного тока называется трансформатор. Трансформаторы широко используются в радио и электронике для преобразования одного напряжения в другое той же частоты.

Для усиления индуктивной связи катушки (в трансформаторах они называются «обмотки») размещаются на одном общем сердечнике. Обмотка подключенная к источнику питания называется первичной, а обмотка к которой подключена нагрузка называется вторичной.
Трансформаторы предназначенные для питания радио и электронной аппаратуры называются силовыми. Силовые трансформаторы, обычно, используют для понижения высокого (220V) напряжения осветительной сети в низкое напряжение порядка 9 … 80V. В радиоаппаратуре применяют, обычно, стандартные трансформаторы. Кроме вторичного напряжения, для силовых трансформаторов обязательно указывается мощность которую трансформатор может отдавать в нагрузку. Показанный на рисунке трансформатор типа ТП-200 имеет мощность 200 Ватт.


Отношение (k) числа витков первичной обмотки (W1) к числу витков (W2) вторичной обмотки трансформатора называется коэффициентом трансформации k = W1 / W2. Если k больше 1 то трансформатор является понижающим, т.е. напряжение на вторичной обмотке будет меньше напряжения на первичной обмотке в k раз.


Если k меньше 1 то трансформатор является повышающим и напряжение на вторичной обмотке будет больше напряжения на первичной обмотке в k раз. В общем случае напряжение на вторичной обмотке (U2) будет: U2 = U1/k, где U1 — напряжение на первичной обмотке.

Колебательный контур. Рассмотрим схему показанную на Рис.1. Здесь конденсатор С подключен к источнику питания GB через переключатель SA.

Через определенный промежуток времени конденсатор зарядится. Как только конденсатор зарядится переключим переключатель SA на катушку L (Рис.2). Конденсатор С разрядится через низкое сопротивление катушки L, но на этом процесс в цепи параллельно включенных катушки и конденсатора не закончится.
Вспомним, что при прохождении тока через катушку индуктивности вокруг нее образуется магнитное поле. Как только конденсатор разрядился магнитное поле катушки создает в катушке ЭДС, которая создает ток заряда конденсатора (В данном случае I2. Смотрите рисунок.).

Как видно из рисунка направление тока I2 противоположно току I1. За счет ЭДС катушки конденсатор заряжается. Как только конденсатор зарядился он тут же начинает разряжаться через низкое сопротивление катушки и процесс повторяется. В связи с потерями энергии в катушке и конденсаторе ток заряда — разряда постепенно уменьшается и процесс затухает. На графике этот процесс выглядит так, как показано но рисунке.
Параллельное включение катушки и конденсатора называется: «параллельный колебательный контур» или просто «колебательный контур». Колебательный контур обладает замечательными свойствами. Одно из свойств колебательного контура, это равенство периодов (Т) колебательного процесса, то есть частота колебаний (f) является постоянной величиной (смотрите график на рисунке).

Частота колебаний зависит от емкости конденсатора и индуктивности катушки. Частота колебательного контура называется «резонансной частотой» (fр). На рисунке показана математическая запись расчета резонансной частоты колебательного контура. Компьютернаязапись той же формулы выглядит так:
fp = 1 / (2 * pi * sqrt(L * C)), где sqrt означает — корень квадратный.
Рассмотрим схему показанную на рисунке.

Здесь к генератору (G) переменного тока подключен колебательный контур (LC). Ток I проходящий через контур измеряет амперметр переменного тока (А). Мы можем плавно изменять частоту генератора от f1 (см. график) которая меньше резонансной частоты колебательного контура до f2 которая больше резонансной частоты. На этих частотах величина тока максимальна. На частоте резонанса контура fp ток через контур резко падает. Это еще одно замечательное свойство колебательного контура. Мы знаем, что чем больше сопротивление цепи, тем меньше ток в этой цепи. Тогда резонансное сопротивление колебательного контура Rp, будет максимальным именно на частоте резонанса.
Свойство колебательного контура, когда резонансное сопротивление контура на частоте резонанса стремится к бесконечности, широко используется на практике. Например, рассмотрим как работает простой радиоприемник. Радиостанции передают радиосигнал в эфир на определенной частоте. За каждой радиостанцией закреплены определенные частоты.

В нашем примере (см. рисунок) радиостанция имеет частоту передающего сигнала 1200 KHz (килогерц). Приемник принимает через антенну радиосигналы. Радиосигналов в эфире очень много и все они имеют разные частоты. Как нам выделить сигнал нужной радиостанции (в нашем примере с частотой 1200 KHz)?
Для настройки радиоприемника на нужную частоту воспользуемся свойствами колебательного контура. Рассмотрим схему показанную на рисунке. Антенна (А) принимает радиосигналы различных частот. Предположим, что колебательный контур (LC) имеет частоту резонанса равную 1200 KHz, именно ту частоту которая нам нужна.

Тогда радиосигналы у которых частоты не равны 1200 KHz практически без помех пройдут через колебательный контур на землю. Для сигнала с частотой 1200 KHz сопротивление колебательного контура велико, поэтому сигнал пойдет не на землю, а на преобразователь радиосигнала высокой частоты в сигнал звуковой частоты (называется «детектор») и далее на усилитель и динамик.
Для настройки на другую частоту, обычно, в колебательном контуре применяют конденсатор переменной ёмкости (рис.1) С изменением емкости конденсатора изменяется и резонансная частота контура fp, то есть изменяется настройка на другую частоту.

В простых приёмниках (например рассмотренного нами) возникает такое явление, как наравне с основной радиостанцией, на частоту которой настроен колебательный контур, прослушивается и другая радиостанция (с меньшей громкостью) имеющая частоту близкую к частоте основной радиостанции. Это явление возникает потому, что частота (fp1) мешающей радиостанции близка к частоте основной радиостанции и резонансное (Rp1) сопротивление колебательного контура велико (Рис. 2).
Относительно высокое сопротивление колебательного контура, не на частоте резонанса, позволяет мешающему сигналу проходить на детектор и соответственно на усилитель и динамик. Поэтому для колебательного контура существует такое понятие как добротность контура.

На графике представлены две кривые зависимости (А и Б) сопротивления контура от частоты сигнала. Очевидно, что сопротивление Rp1 кривой А, на частоте fp1, больше сопротивления Rp2 кривой Б. Из этого следует, что ослабление мешающего сигнала лучше у контура имеющего кривую Б. В радио и электронике принято говорить, что чем острей кривая, тем лучше добротность контура. Добротность контура зависит от качества изготовления катушки индуктивности и качества применяемого конденсатора переменной ёмкости.
Колебательные контуры, в радиоэлектронике применяются не только для настройки на радиостанции. Широкое применение колебательные контуры нашли в радиоэлектронике как фильтры различных сигналов, а так же в качестве стабилизаторов частоты генераторов переменного тока применяемых в передатчиках и других приборах.

Что вы себе представляете под словом «катушка» ? Ну… это, наверное, какая-нибудь «фиговинка», на которой намотаны нитки, леска, веревка, да что угодно! Катушка индуктивности представляет из себя точь-в-точь то же самое, но вместо нитки, лески или чего-нибудь еще там намотана обыкновенная медная проволока в изоляции.

Изоляция может быть из бесцветного лака, из ПВХ-изоляции и даже из матерчатой. Тут фишка такая, что хоть и провода в катушке индуктивности очень плотно прилегают к друг другу, они все равно изолированы друг от друга . Если будете мотать катушки индуктивности своими руками, ни в коем случае не вздумайте брать обычный медный голый провод!

Индуктивность

Любая катушка индуктивности обладает индуктивностью . Индуктивность катушки измеряется в Генри (Гн), обозначается буковкой L и замеряется с помощью LC — метра .

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

где

В — магнитное поле, Вб

I —

А давайте возьмем и намотаем в спиральку этот провод и подадим на его концы напряжение


И у нас получится вот такая картина с магнитными силовыми линиями:


Грубо говоря, чем больше линий магнитного поля пересекут площадь этого соленоида, в нашем случае площадь цилиндра, тем больше будет магнитный поток (Ф) . Так как через катушку течет электрический ток, значит, через нее проходит ток с Силой тока (I), а коэффициент между магнитным потоком и силой тока называется индуктивностью и вычисляется по формуле:

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

Самоиндукция

Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение.

Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома :


где

I — сила тока в катушке, А

U — напряжение в катушке, В

R — сопротивление катушки, Ом

Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное.

И второй феномен в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности — источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы уже подали на катушку.

То есть как только мы разрываем цепь, на катушке напряжение в этот момент может быть в разы больше, чем было до размыкания цепи, а сила тока в цепи катушки будет тихонько падать, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать убывающее напряжение.

Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока будет плавно убывать до нуля. Короче говоря, сила тока в катушке мгновенно измениться не может.

Типы катушек индуктивности

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

Но где у нее сердечник? Воздух — это немагнитный сердечник:-). Такие катушки также могут быть намотаны на какой-нибудь цилиндрической бумажной трубочке. Индуктивность катушек с немагнитным сердечником используется, когда индуктивность не превышает 5 миллигенри.

А вот катушки индуктивности с сердечником:


В основном используют сердечники из феррита и железных пластин. Сердечники повышают индуктивность катушек в разы. Сердечники в виде кольца (тороидальные) позволяют получить большую индуктивность, нежели просто сердечники из цилиндра.

Для катушек средней индуктивности используются ферритовые сердечники:


Катушки с большой индуктивностью делают как трансформатор с железным сердечником, но с одной обмоткой, в отличие от трансформатора.


Дроссели

Также есть особый вид катушек индуктивностей. Это так называемые . Дроссель — это катушка индуктивности, задача которой состоит в том, чтобы создать в цепи большое сопротивление для переменного тока, чтобы подавить токи высоких частот.

Постоянный ток через дроссель проходит без проблем. Почему это происходит, можете прочитать в этой статье. Обычно дроссели включаются в цепях питания усилительных устройств. Дроссели предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов). На низких частотах (НЧ) они используются цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники. Ниже на фото силовые дроссели:


Также существует еще один особый вид дросселей — это . Он представляет из себя две встречно намотанных катушки индуктивности. За счет встречной намотки и взаимной индукции он более эффективен. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания, а также в звуковой технике.


Опыты с катушкой

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


Имеется ферритовый сердечник


Начинаю вводить катушку в сердечник на самый край


LC-метр показывает 21 микрогенри.

Ввожу катушку на середину феррита


35 микрогенри. Уже лучше.

Продолжаю вводить катушку на правый край феррита


20 микрогенри. Делаем вывод, самая большая индуктивность на цилиндрическом феррите возникает в его середине. Поэтому, если будете мотать на цилиндрике, старайтесь мотать в середине феррита. Это свойство используется для плавного изменения индуктивности в переменных катушках индуктивности:

где

1 — это каркас катушки

2 — это витки катушки

3 — сердечник, у которого сверху пазик под маленькую отвертку. Вкручивая или выкручивая сердечник, мы тем самым изменяем индуктивность катушки.


Индуктивность стала почти 50 микрогенри!

А давайте-ка попробуем расправим витки по всему ферриту


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

Убавим витки катушки в два раза. Было 24 витка, стало 12.


Совсем маленькая индуктивность. Убавил количество витков в 2 раза, индуктивность уменьшилась в 10 раз. Вывод: чем меньше количество витков — тем меньше индуктивность и наоборот. Индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Давайте поэкспериментируем с ферритовым кольцом.


Замеряем индуктивность


15 микрогенри

Отдалим витки катушки друг от друга


Замеряем снова


Хм, также 15 микрогенри. Делаем вывод: расстояние от витка до витка не играет никакой роли в катушке индуктивности тороидального исполнения.

Мотнем побольше витков. Было 3 витка, стало 9.


Замеряем


Офигеть! Увеличил количество витков в 3 раза, а индуктивность увеличилась в 12 раз! Вывод: индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Если верить формулам для расчета индуктивностей, индуктивность зависит от «витков в квадрате». Эти формулы я здесь выкладывать не буду, потому как не вижу надобности. Скажу только, что индуктивность зависит еще от таких параметров, как сердечник (из какого материала он сделан), площадь поперечного сечения сердечника, длина катушки.

Обозначение на схемах


Последовательное и параллельное соединение катушек

При последовательном соединении индуктивностей , их общая индуктивность будет равняться сумме индуктивностей.


А при параллельном соединении получаем вот так:


При соединении индуктивностей должно выполняться правило, чтобы они были пространственно разнесены на плате. Это связано с тем, что при близком расположении друг друга их магнитные поля будут влиять с друг другом, и поэтому показания индуктивностей будут неверны. Не ставьте на одну железную ось две и более тороидальных катушек. Это может привести к неправильным показаниям общей индуктивности.

Резюме

Катушка индуктивности играет в электронике очень большую роль, особенно в приемопередающей аппаратуре. На катушках индуктивности строятся также различные для электронной радиоаппаратуры, а в электротехнике ее используют также в качестве ограничителя скачка силы тока.

Ребята из Паяльника забабахали очень неплохой видос про катушку индуктивности. Советую посмотреть в обязательном порядке:

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Катушка индуктивности в цепи переменного тока ведет себя не так, как резистор. Если резисторы просто противостоят потоку электронов (напряжение на них прямопропорционально току), то катушки индуктивности противостоят изменению проходящего через них тока (напряжение на них прямопропоционально скорости изменения тока). Согласно Закону Ленца, индуцированное напряжение всегда имеет такую полярность, которая пытается сохранить текущее значение силы тока. То есть, если величина тока возрастает, то индуцированное напряжение будет «тормозить» поток электронов; если величина тока уменьшается, то полярность напряжения развернется и будет «помогать» электронному потоку оставаться на прежнем уровне. Такое противостояние изменению величины тока называется реактивным сопротивлением.

Математическая взаимосвязь между напряжением на катушке индуктивности и скоростью изменения тока через нее выглядит следующим образом:

Отношение di/dt представляет собой скорость изменения мгновенного тока (i) с течением времени, и измеряется в амперах в секунду. Индуктивность (L) измеряется в Генри, а мгновенное напряжение (u) — в вольтах. Чтобы показать, что происходит с переменным током, давайте проанализируем простую индуктивную схему:

Простая индуктивная цепь: ток катушки отстает от напряжения на 90 o .

Если мы построим график тока и напряжения для этой простой цепи , то он будет выглядеть примерно так:


Как вы помните, изменение напряжения на катушке индуктивности является реакцией на изменение тока, проходящего через нее. Отсюда можно сделать вывод, что мгновенное напряжение равно нулю всякий раз, когда мгновенное значение тока находится в пике (нулевое изменение, или нулевой наклон синусоидальной волны тока), и мгновенное напряжение равно своему пиковому значению всякий раз, когда мгновенный ток находится в точках максимального изменения (точки самого крутого наклона волны тока, в которых она пересекает нулевую линию). Все это приводит к тому, что волна напряжения на 90 o не совпадает по фазе с волной тока. На графике видно, как волна напряжения дает «фору» волне тока: напряжение «ведет» ток, а ток «запаздывает» за напряжением.


Ели мы на этот график нанесем значения мощности нашей схемы, то все станет еще более интересным:


Поскольку мгновенная мощность представляет собой произведение мгновенного напряжения и мгновенного тока (p = iu), она будет равна нулю, если мгновенное напряжение или ток будут равны нулю. Всякий раз, когда мгновенные значения тока и напряжения имеют положительные значения (выше нулевой линии), мощность так же будет положительна. Аналогично примеру с резистивной цепью, мощность примет положительное значение и в том случае, если мгновенный ток и напряжение будут иметь отрицательные значения (ниже нулевой линии). Однако, вследствие того, что волны напряжения и тока не совпадают по фазе на 90 o , бывают случаи, когда ток положителен, а напряжение отрицательно (или наоборот), в результате чего появляются отрицательные значения мгновенной мощности.

Но, что такое отрицательная мощность? Отрицательная мощность означает, что катушка индуктивности отдает энергию обратно в цепь. Положительная же мощность означает, что катушка индуктивности поглощает энергию из цепи. Так как положительные и отрицательные циклы питания равны по величине и продолжительности, в течение полного цикла катушка индуктивности отдает обратно в схему столько же энергии, сколько она потребляет из нее. В практическом смысле это означает, что реактивное сопротивление катушки не рассеивает никакой энергии, чем оно и отличается от сопротивления резистора, рассеивающего энергию в виде тепла. Однако, все вышесказанное справедливо только для идеальных катушек индуктивности, провода которых не имеют никакого сопротивления.

Сопротивление катушки индуктивности, изменяющее силу тока, интерпретируется как сопротивление переменному току в целом, у которого по определению постоянно меняется мгновенная величина и направление. Это сопротивление переменному току похоже на обычное сопротивление, но отличается от него тем, что всегда приводит к фазовому сдвигу между током и напряжением, а так же рассеивает нулевую мощность. Из-за указанных различий, данное сопротивление носит несколько иное название — реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление, как и обычное, измеряется в Омах, только обозначается оно символом Х, а не R. Для большей конкретики, реактивное сопротивление катушки индуктивности обычно обозначают заглавной буквой Х с буквой L в качестве индекса: X L .

Поскольку напряжение на катушке индуктивности пропорционально скорости изменения тока, оно будет больше для быстро меняющихся токов, и меньше — для токов с более медленным изменением. Это означает, что реактивное сопротивление любой катушки индуктивности (в Омах) прямопропорционально частоте переменного тока. Точная формула расчета реактивного сопротивления выглядит следующим образом:

Если на катушку индуктивностью 10 мГн воздействовать частотами 60, 120 и 2500 Гц, то ее реактивное сопротивление примет следующие значения:

В уравнении реактивного сопротивления выражение “2πf” имеет важное значение. Оно означает число в радианах в секунду, характеризующее «вращение» переменного тока (один полный цикл переменного тока представляет собой одно полное круговое вращение). Радиан — это единица измерения углов: в одном полном круге есть 2π радиан, точно так же, как в нем есть 360 o . Если генератор переменного тока двухполюсный, то он произведет один полный цикл для каждого полного оборота вала, что будет означать 2π радиан или 360 o . Если постоянную 2π умножить на частоту в герцах (циклах в секунду), то результатом будет число в радианах в секунду, известное как угловая (циклическая) частота переменного тока.

Помимо выражения 2πf, угловая частота переменного тока может обозначаться строчной греческой буквой ω (Омега). В этом случае формула X L = 2πfL может быть написана как X L = ωL.

Необходимо понимать, что угловая частота является выражением того, насколько быстро проходит полный цикл волны, равный 2π радиан. Она необязательно представляет фактическую скорость вала генератора, производящего переменный ток. Если генератор имеет более двух полюсов, его угловая частота будет кратной скорости вращения вала. По этой причине ω иногда выражается в единицах электрических радиан в секунду, чтобы отличить ее от механического движения.

При любом способе выражения угловой частоты очевидно, что она прямопропорциональна реактивному сопротивлению катушки индуктивности. При увеличении частоты переменного тока (или скорости вращения вала генератора), катушка индуктивности будет оказывать большее сопротивление прохождению тока и наоборот. Переменный ток в простой индуктивной цепи равен напряжению (в Вольтах) поделенному на реактивное сопротивление катушки индуктивности (в Омах). Как видите, это аналогично тому что переменный или постоянный ток в простой резистивной цепи равен напряжению (в Вольтах) поделенному на сопротивление (в Омах). В качестве примера давайте рассмотрим следующую схему:

Однако, мы должны иметь в виду, что напряжение и ток имеют разные фазы. Как было сказано ранее, напряжение имеет фазовый сдвиг +90 o по отношению к току (рисунок ниже). Если представить фазовые углы напряжения и тока математически (в виде комплексных чисел), то мы увидим, что сопротивление катушки индуктивности переменному току обладает следующим фазовым углом:

Ток на катушке индуктивности отстает от напряжения на 90 o .

Математически можно сказать, что фазовый угол сопротивления катушки индуктивности переменному току составляет 90 o . Фазовый угол реактивного сопротивления току очень важен при анализе цепей. Особенно эта важность проявляется при анализе сложных цепей переменного тока, где реактивные и простые сопротивления взаимодействуют друг с другом. Он также окажется полезным для представления сопротивления любого компонента электрическому току с точки зрения комплексных чисел (а не скалярных величин сопротивления и реактивного сопротивления).

Подключение цепи r, L к источнику постоянного напряжения

Когда происходит подключение цепи r, L к постоянному напряжению U (рисунок 1), ток будет равен нулю в первый момент времени. Поэтому получим следующее выражение:

Где A – начальное значение свободного тока.

Поэтому ток в переходном процессе будет равен:

Где τ = L / r.

Напряжение на индуктивности в это время будет равно:

Так как до подачи питания напряжение на индуктивности было равно нулю, а в момент коммутации U = uL, то свободное, переходное и принужденное напряжение изменяются скачком на катушке индуктивности. Кривые изменения iсв, i, iпр а также uL изображены на рисунке 2. Как вы уже, наверное, догадались, данные кривые показывают, что ток не устанавливается в цепи мгновенно и ему необходимо известное время (теоретически бесконечное) для достижения своего принужденного значения U / r. Чем больше постоянная времени τ, тем медленнее будет расти ток i (свободный ток r, L цепи будет затухать медленнее).

Рисунок 1

Получаемая от источника питания энергия частично расходуется на увеличение энергии магнитного поля катушки индуктивности, а частично переходит в тепло на сопротивлении катушки r.

Пример

В электрической цепи, подключенной к источнику постоянного напряжения величиной U = 220 В присутствуют следующие параметры: активное сопротивление r1 = 20 Ом, индуктивность L = 0,6 Гн (рисунок 3). В цепи происходит резкое изменение активного сопротивления от r1 до r2 (r1 – r2 = 8 Ом), так как рубильник S накоротко замыкает часть сопротивления r1 равную 8 Ом (например, такое возможно при резистивном пуске машины постоянного тока). Необходимо найти закон изменения тока на данном участке электрической цепи. Приступим?

Рисунок 3

На основании формул (2) и (6) сразу запишем выражение для свободного тока:

Из условия отсутствия скачка тока при t = 0 получаем:

Важно помнить, что после коммутации постоянная времени электрической цепи будет определяться параметрами r2 и L. Кривые токов i и iсв показаны на рисунке 4. На кривых видно, что ток i постепенно растет от меньшего значения U / r1 = 11 A до большего U / r2 = 18,3 A

Противоположный переходный процесс (при внезапном увеличении сопротивления цепи) аналогичен рассмотренному. Только в таком случае ток будет постепенно уменьшаться.

Применение катушек индуктивности — ООО «УК Энерготехсервис»

Что вы себе представляете под словом “катушка” ? Ну… это, наверное, какая-нибудь “фиговинка”, на которой намотаны нитки, леска, веревка, да что угодно! Катушка индуктивности представляет из себя точь-в-точь то же самое, но вместо нитки, лески или чего-нибудь еще там намотана обыкновенная медная проволока в изоляции.

Изоляция может быть из бесцветного лака, из ПВХ-изоляции и даже из матерчатой. Тут фишка такая, что хоть и провода в катушке индуктивности очень плотно прилегают к друг другу, они все равно изолированы друг от друга. Если будете мотать катушки индуктивности своими руками, ни в коем случае не вздумайте брать обычный медный голый провод!

Индуктивность

Любая катушка индуктивности обладает индуктивностью. Индуктивность катушки измеряется в Генри (Гн), обозначается буковкой L и замеряется с помощью LC – метра.

  • Что такое индуктивность?  Если через  провод пропустить электрический ток, то он вокруг себя создаст магнитное поле:
  • где
  • В – магнитное поле, Вб
  • I – сила тока, А
  • А давайте возьмем и намотаем в спиральку этот провод и подадим на его концы напряжение
  • И у нас получится вот такая картина с магнитными силовыми линиями:
  • Грубо говоря, чем больше линий магнитного поля пересекут площадь этого соленоида, в нашем случае площадь цилиндра, тем больше будет магнитный поток (Ф). Так как через катушку течет электрический ток, значит, через нее проходит ток с  Силой тока (I), а коэффициент между магнитным потоком и силой тока называется индуктивностью и вычисляется по формуле:

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

Самоиндукция

Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение.

Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от значения индуктивности катушки.

Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома:

  1. где
  2. I – сила тока в катушке , А 
  3. U – напряжение в катушке, В 
  4.  R – сопротивление катушки, Ом

Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное.

И второй феномен в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности – источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы уже подали на катушку.

То есть как только мы разрываем цепь, на катушке напряжение в этот момент может быть  в разы больше, чем было до размыкания  цепи, а сила тока в цепи катушки будет тихонько падать, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать убывающее напряжение.

Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока будет плавно убывать до нуля. Короче говоря, сила тока в катушке мгновенно измениться не может.

Типы катушек индуктивности

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

Но где у нее сердечник? Воздух – это немагнитный сердечник :-).  Такие катушки также могут быть намотаны на какой-нибудь цилиндрической бумажной трубочке. Индуктивность катушек с немагнитным  сердечником используется, когда индуктивность не превышает 5 миллигенри.

А вот катушки индуктивности с сердечником:

В основном используют сердечники из феррита и железных пластин. Сердечники повышают индуктивность катушек в разы. Сердечники в виде кольца (тороидальные) позволяют получить большую индуктивность, нежели просто сердечники из цилиндра.

  • Для катушек средней индуктивности используются ферритовые сердечники:
  • Катушки с большой индуктивностью делают как трансформатор с железным сердечником, но с одной обмоткой, в отличие от трансформатора.

Дроссель

Также есть особый вид катушек индуктивностей. Это так называемые дроссели. Дроссель – это катушка индуктивности, задача которой состоит в том, чтобы создать в цепи большое сопротивление для переменного тока, чтобы подавить токи высоких частот.

Постоянный ток через дроссель проходит без проблем. Почему это происходит, можете прочитать в этой статье. Обычно дроссели включаются в цепях питания усилительных устройств.

Дроссели предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов).

На низких частотах (НЧ) они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники. Ниже на фото силовые дроссели:

Также существует еще один особый вид дросселей – это сдвоенный дроссель. Он представляет из себя две встречно намотанных катушки индуктивности. За счет встречной намотки и взаимной индукции он более эффективен. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания, а также в звуковой технике.

Что влияет на индуктивность?

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

  1. Имеется ферритовый сердечник
  2. Начинаю вводить катушку в сердечник на самый край
  3. LC-метр  показывает 21 микрогенри.
  4. Ввожу катушку на середину феррита

35 микрогенри. Уже лучше.

Продолжаю вводить катушку на правый край феррита

20 микрогенри. Делаем вывод, самая большая индуктивность на цилиндрическом феррите возникает в его середине.  Поэтому, если будете мотать на цилиндрике, старайтесь мотать в середине феррита. Это свойство используется для плавного изменения индуктивности  в переменных катушках индуктивности:

  • где
  • 1 – это каркас катушки
  • 2 – это витки катушки

3 – сердечник, у которого сверху пазик под маленькую отвертку. Вкручивая или выкручивая сердечник, мы тем самым изменяем индуктивность катушки.

Экспериментируем дальше. Давайте попробуем сжимать и разжимать витки катушки. Для начала ставим ее в середину и начинаем сжимать витки

  1. Индуктивность стала почти 50 микрогенри!
  2. А давайте-ка попробуем расправим витки по всему ферриту

13 микрогенри. Делаем вывод: для максимальной индуктивности мотать катушку надо “виток к витку”.

Убавим витки катушки в два раза. Было 24 витка, стало 12.

Совсем маленькая индуктивность. Убавил количество витков в 2 раза, индуктивность уменьшилась в 10 раз.  Вывод: чем меньше количество витков – тем меньше индуктивность и наоборот. Индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

  • Давайте поэкспериментируем с ферритовым кольцом.
  • Замеряем индуктивность
  • 15 микрогенри
  • Отдалим витки катушки друг от друга
  • Замеряем снова

Хм, также 15 микрогенри. Делаем вывод: расстояние от витка до витка  не играет никакой роли в катушке индуктивности тороидального исполнения.

Мотнем побольше витков. Было 3 витка, стало 9.

  1. Замеряем

Офигеть! Увеличил количество витков  в 3 раза, а индуктивность увеличилась в 12 раз! Вывод: индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Если верить формулам для расчета индуктивностей, индуктивность зависит от “витков в квадрате”. Эти формулы я здесь выкладывать не буду, потому как не вижу надобности. Скажу только, что индуктивность зависит еще от таких параметров, как сердечник (из какого материала он сделан), площадь поперечного сечения сердечника, длина катушки.

Обозначение на схемах

Последовательное и параллельное соединение катушек индуктивности


  • При последовательном соединении индуктивностей, их общая индуктивность будет равняться сумме индуктивностей.
  • А при параллельном соединении получаем вот так:

При соединении индуктивностей должно выполняться правило, чтобы они были пространственно разнесены на плате.

Это связано с тем, что при близком расположении друг друга их магнитные поля будут влиять с друг другом, и поэтому показания индуктивностей будут неверны. Не ставьте на одну железную ось две и более тороидальных катушек.  Это может привести к неправильным показаниям общей индуктивности.

Резюме

Катушка индуктивности играет в электронике очень большую роль, особенно в приемопередающей аппаратуре. На катушках индуктивности строятся также различные фильтры для электронной радиоаппаратуры, а в электротехнике ее используют также в качестве ограничителя скачка силы тока.

Ребята из Паяльника забабахали очень неплохой видос про катушку индуктивности. Советую посмотреть в обязательном порядке:

Катушка индуктивности. Параметры. Виды. Обозначение на схемах

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Катушка индуктивности относится к числу элементов, без которых не получится построить приемник, телевизор, радиоуправляемую модель, передатчик, генератор сигналов, модемный преобразователь, сетевой фильтр и т.п.

Катушку индуктивности или просто катушку можно представить в виде нескольких витков провода намотанного в спираль. Ток проходя по каждому витку спирали создает в них магнитное поле, которое пересекаясь с соседними витками наводит в них э.д.с самоиндукции. И чем провод длиннее и большее число витков он образует, тем самоиндукция больше.

Индуктивность

По своей сути индуктивность является электрической инерцией и ее основное свойство состоит в том, чтобы оказывать сопротивление всякому изменению протекающего тока. Если через катушку пропускать определенный ток, то ее индуктивность будет противодействовать как уменьшению, так и увеличению протекающего тока.

В отличие от конденсатора, который пропускает переменный и не пропускает постоянный ток, катушка индуктивности свободно пропускает постоянный ток и оказывает сопротивление переменному току, потому что он изменяется быстрее, чем может изменяться магнитное поле.

И чем больше индуктивность катушки и чем выше частота тока, тем оказываемое сопротивление сильнее. Это свойство катушки применяют, например, в приемной аппаратуре, когда требуется в электрической цепи преградить путь переменному току.

Индуктивность измеряется в генри (Гн), миллигенри (1мГн = 10ˉ3 Гн), микрогенри (1мкГн = 10ˉ6 Гн), наногенри (1нГн = 10ˉ9 Гн) и обозначается латинской буквой L.

Общие свойства катушек индуктивности

В зависимости от требуемой индуктивности и частоты, на которой катушка будет работать, она может иметь самые различные исполнения.

Для высоких частот это может быть простая катушка состоящая из нескольких витков провода или же катушка с сердечником из ферромагнитного материала и иметь индуктивность от нескольких наногенри до нескольких десятков миллигенри. Такие катушки применяются в радиоприемной, передающей, измерительной аппаратуре и т.п.

Катушки, работающие на высоких частотах, можно разделить на катушки контуров, катушки связи и дроссели высокой частоты. В свою очередь катушки контуров могут быть с постоянной индуктивностью и переменной индуктивностью (вариометры).

По конструктивному признаку высокочастотные катушки разделяются на однослойные и многослойные, экранированные и неэкранированные, катушки без сердечников и катушки с магнитными и немагнитными сердечниками, бескаркасные, цилиндрические плоские и печатные.

Для работы в цепи переменного тока низкой частоты, на звуковых частотах, во входных фильтрах блоков питания, в цепях питания осветительного электрооборудования применяются катушки с достаточно большой индуктивностью. Их индуктивность достигает десятки и даже сотни генри, а в обмотках могут создаваться большие напряжения и протекать значительные токи.

Для увеличения индуктивности при изготовлении таких катушек применяют магнитопроводы (сердечники), собранные из отдельных тонких изолированных пластин сделанных из специальных магнитных материалов – электротехнических сталей, пермаллоев и др.

Применение наборных магнитопроводов обусловлено тем, что под действием переменного магнитного поля в сплошном магнитопроводе, который можно рассматривать как множество короткозамкнутых витков, образуются вихревые токи, которые нагревают магнитопровод, бесполезно потребляя часть энергии магнитного поля. Изоляция же между слоями стали оказывается на пути вихревых токов и значительно снижает потери.

Катушки с магнитопроводами из изолированных пластин можно разделить на дроссели и трансформаторы.

Основные параметры катушек индуктивности

Свойства катушек могут быть охарактеризованы четырьмя основными параметрами: индуктивностью, добротностью, собственной емкостью и стабильностью.

1. Индуктивность

Индуктивность (коэффициент самоиндукции) является основным электрическим параметром и характеризует величину энергии, запасаемой катушкой при протекании по ней электрического тока. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергии она запасает в своем магнитном поле.

Индуктивность зависит от размеров каркаса, формы, числа витков катушки, диаметра и марки провода, а также от формы и материала магнитопровода (сердечника).

В радиолюбительских схемах, как правило, величину индуктивности не указывают, так как радиолюбителя интересует не эта величина, а количество витков провода в катушке, диаметр и марка провода, способ намотки (внавал, виток к витку, крест на крест, секционная намотка) и размеры каркаса катушки.

2. Добротность

Добротность (Q) характеризуется качеством работы катушки индуктивности в цепях переменного тока и определяется как отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь.

Активное сопротивление включает в себя сопротивление провода обмотки катушки; сопротивление, вносимое диэлектрическими потерями в каркасе; сопротивление, вносимое собственной емкостью и сопротивления, вносимые потери в экраны и сердечники.

Чем меньше активное сопротивление, тем выше добротность катушки и ее качество. В большинстве случаев добротность катушки определяют резонансные свойства и к.п.д. контура. Современные катушки средних размеров имеют добротность около 50 – 300.

3. Собственная емкость

Катушки индуктивности обладают собственной емкостью, которая увеличивается по мере увеличения числа витков и размеров катушки. Между соседними витками существует межвитковая емкость, из-за которой некоторая часть тока проходит не по проводу, а через емкость между витками, отчего сопротивление между выводами катушки уменьшается.

Все дело в том, что общее напряжение, приложенное к катушке, разделяется на межвитковые напряжения из-за чего между витками образуется электрическое поле, вызывающее скопление зарядов.

Витки, разделенные слоями изоляции, образуют обкладки множества маленьких конденсаторов, через которые протекает часть тока, из общей емкости которых и складывается собственная емкость катушки.

Таким образом катушка обладает не только индуктивными но и емкостными свойствами.

Собственная емкость является вредным параметром и ее стремятся уменьшить применением специальных форм каркаса и способом намотки провода.

4. Стабильность

Стабильность катушки характеризуется изменением ее параметров под воздействием температуры, влажности и во времени.

Изменение индуктивности под влиянием температуры характеризуют температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), равным относительному изменению индуктивности при изменении температуры на 1°С. ТКИ катушки определяется способом намотки и качеством диэлектрика каркаса.

Влажность вызывает увеличение собственной емкости и диэлектрических потерь, а также понижает стабильность катушки. Для защиты от действия влажности применяется герметизация или пропитка и обволакивание обмотки негигроскопичными составами.

Такие катушки обладают более низкой добротностью и большой собственной емкостью, но при этом они более устойчивы к воздействию влаги.

Катушки индуктивности с магнитопроводами

Для получения малогабаритных катушек различного назначения применяют магнитопроводы (сердечники), которые изготавливают из магнитодиэлектриков и ферритов. Катушки с магнитопроводами имеют меньшее число витков при заданной индуктивности, малую длину провода и небольшие размеры.

Ценным свойством катушек с магнитопроводами является возможность их подстройки, т.е. изменения индуктивности в небольших пределах путем перемещения внутри катушки специального цилиндрического подстроечника, состоящего из феррита с напрессованной на него резьбовой втулкой.

Магнитодиэлектрики представляют собой измельченное вещество, содержащее в своем составе железо (ферромагнетик), частицы которого равномерно распределены в массе диэлектрика (бакелита или аминопласта). Наиболее широко применяют магнитопроводы из альсифера (сплав алюминия, кремния и железа) и карбонильного железа.

Ферриты представляют собой твердые растворы окислов металлов или их солей, прошедшие специальную термическую обработку (обжиг). Получающееся при этом вещество – полупроводниковая керамика – обладает очень хорошими магнитными свойствами и малыми потерями даже на очень высоких частотах.

Основным достоинством ферритов является высокая магнитная проницаемость, которая позволяет существенно уменьшить размеры катушек.

В старых принципиальных схемах магнитопроводы из магнитодиэлектриков и ферритов обозначались одинаково – утолщенной штриховой линией (рис. а).

Впоследствии стандарт ЕСКД оставил этот символ для магнитопроводов из магнитодиэлектрика, а для ферритовых ввел обозначение, ранее применявшееся только для магнитопроводов низкочастотных дросселей и трансформаторов – сплошную жирую линию (рис. б).

Однако согласно последней редакции ГОСТ 2.723.68 (март 1983г.) магнитопроводы катушек изображают линиями нормальной толщины (рис. в).

Катушки, индуктивность которых можно изменять с помощью магнитопровода, на электрических схемах указываются при помощи знака подстроечного регулирования, который вводится в ее условное обозначение.

Изменение индуктивности обозначают двумя способами: либо знаком подстроечного регулирования пересекающим обозначения катушки и магнитопровода (рис. а), либо только пересечением магнитопровода с изображением его над катушкой (рис. б).

Экранированные катушки индуктивности

Для устранения паразитных связей, обусловленных внешним электромагнитным полем катушки и влияния на катушку окружающего пространства, ее экранируют, т.е. помещают в замкнутом металлическом экране.


Однако под влиянием экрана изменяются основные электрические параметры катушки: уменьшаются индуктивность и добротность, увеличивается сопротивление и собственная емкость.

Изменение параметров катушки тем больше, чем ближе к ее виткам расположен экран, т.е. изменение параметров зависит от соотношения между размерами катушки и размерами самого экрана.

Для высокочастотных катушек экраны выполняются в виде круглых или прямоугольных стаканов из алюминия, меди или латуни с толщиной стенок 0,3 – 0,5 мм.

Чтобы на схемах обозначить экранированную катушку, ее условное обозначение помещают в знак экранирования, который соединяют с корпусом.

Также необходимо отметить, что экранировать необходимо лишь катушки большого размера, диаметр которых составляет более 15 – 20 мм.

Катушки диаметром не более 4 – 5 мм создают магнитное поле в относительно небольшом пространстве и при удалении таких катушек от других деталей на расстояние в 4 – 5 раз больше их диаметра опасных связей, как правило, не возникает, поэтому они не нуждаются в специальном экранировании.

Обозначение катушек с отводами и начала обмотки

В радио и электротехнической аппаратуре, например, в приемниках или импульсных преобразователях напряжения, иногда используют не всю индуктивность катушки, а только некоторую ее часть. Для таких случаев катушки изготавливают с отводом или отводами.

При разработке некоторых конструкций иногда необходимо строго соблюсти начало и конец обмотки катушки или трансформатора. Чтобы указать, какой из концов обмотки является началом, а какой – концом, у вывода начала обмотки ставят жирную точку.

Для подстройки катушек на частотах свыше 15…20 МГц часто применяют магнитопроводы из немагнитных материалов (меди, алюминия и т.п.). Возникающие в таком магнитопроводе под действием магнитного поля катушки вихревые токи создают свое поле, противодействующее основному, в результате чего индуктивность катушки уменьшается.

Немагнитный магнитопровод-подстроечник обозначают так же, как и ферритовый, но рядом указывают химический символ металла, из которого он изготовлен. На рисунке изображен подстроечник, изготовленный из меди.

Вот и все, что хотел рассказать о катушках индуктивности.
Удачи!

Литература:
1. В. А. Волгов «Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры».
2. В. В. Фролов «Язык радиосхем».

3. М. А. Сгут «Условные обозначения и радиосхемы».

Катушка индуктивности

Радиоэлектроника для начинающих

Одним из самых известных и необходимых элементов аналоговых радиотехнических схем является катушка индуктивности. В цифровых электронных схемах индуктивные элементы практически потеряли свою актуальность и применяются только в устройствах питания как сглаживающие фильтры.

Катушки индуктивности на принципиальных схемах обозначаются латинской буквой “L” и имеют следующее изображение.

Разновидностей катушек индуктивности существуют десятки. Они бывают высокочастотные, низкочастотные, с подстроечными сердечниками и без них. Бывают катушки с отводами, катушки, рассчитанные на большие напряжения. Вот так, например, выглядят бескаркасные катушки.

Катушки для СВЧ аппаратуры называются микрополосковыми линиями. Они даже внешне не похожи на катушки. С катушками индуктивности связан такой эффект как резонанс и гениальный Никола Тесла получал на резонансных трансформаторах миллионы вольт.

Основной параметр катушки это её индуктивность. Величина индуктивности измеряется в Генри (Гн, англ. – «H»).

Это достаточно большая величина и поэтому на практике применяют меньшие значения (мГн, mH – миллигенри и мкГн, μH– микрогенри) соответственно 10-3 и 10-6 Генри.

Величина индуктивности катушки указывается рядом с её условным изображением (например, 100 μH). Чтобы не запутаться в микрогенри и миллигенри, советую узнать, что такое сокращённая запись численных величин.

Многие факторы влияют на индуктивность катушки. Это и диаметр провода, и число витков, а на высоких частотах, когда применяют бескаркасные катушки с небольшим числом витков, то индуктивность изменяют, сближая или раздвигая соседние витки.

Часто для увеличения индуктивности внутрь каркаса вводят сердечник из ферромагнетика, а для уменьшения индуктивности сердечник должен быть латунным.

 То есть можно получить нужную индуктивность не увеличением числа витков, что ведёт к увеличению сопротивления, а использовать катушку с меньшим числом витков, но использовать ферритовый сердечник.

Катушка индуктивности с сердечником изображается на схемах следующим образом.

В реальности катушка с сердечником может выглядеть так.

Также можно встретить катушки индуктивности с подстроечным сердечником. Изображаются они вот так.

Катушка с подстроечным сердечником вживую выглядит так.

Такая катушка, как правило, имеет сердечник, положение которого можно регулировать в небольших пределах. При этом величина индуктивности также меняется. Подстроечные катушки индуктивности применяются в устройствах, где требуется одноразовая подстройка. В дальнейшем индуктивность не регулируют.

Наряду с подстроечными катушками можно встретить и катушки с регулируемой индуктивностью. На схемах такие катушки обозначаются вот так.

В отличие от подстроечных катушек, регулируемые катушки индуктивности допускают многократную регулировку положения сердечника, а, следовательно, и индуктивности.

Ещё один параметр, который встречается достаточно часто это добротность контура. Под добротностью понимается отношение между реактивным и активным сопротивлением катушки индуктивности. Добротность обычно бывает в пределах 15 – 350.

На основе катушки индуктивности и конденсатора выполнен самый необходимый узел радиотехнических устройств, колебательный контур. На схеме изображён входной контур простого радиоприёмника рассчитанного на работу в диапазонах средних и длинных волн.

В настоящее время в этих диапазонах станций практически нет. Катушка индуктивности L1 имеет достаточно большое число витков, чтобы перекрыть диапазон по максимуму. Для улучшения приёма к первой обмотке L1 подключается внешняя антенна. Это может быть простой кусок проволоки длиной в пределах двух метров.

Благодаря большому числу витков в индуктивности L1 присутствует целый спектр частот и как минимум пять — шесть работающих радиостанций.

Две индуктивности L1 и L2 намотанные на одном каркасе представляют собой высокочастотный трансформатор.

Для того чтобы выделить на катушке индуктивности L2 станцию, работающую, допустим на частоте 650 КГц необходимо с помощью переменного конденсатора C1 настроить колебательный контур на данную частоту.

После этого выделенный сигнал можно подавать на базу транзистора усилителя высокой частоты. Это одно из применений катушки индуктивности. Точно на таком же принципе построены выходные каскады радио- и телевизионных передатчиков только наоборот. Антенна не принимает слабый сигнал, а отдаёт в пространство ЭДС.

Примеров использования катушки индуктивности великое множество. На рисунке изображён весьма несложный, но хорошо зарекомендовавший себя в работе сетевой фильтр.

Фильтр состоит из двух дросселей (катушек индуктивности) L1 и L2 и двух конденсаторов С1 и С2. на старых схемах дроссели могут обозначаться как Др1 и Др2. Сейчас это редкость. Катушки индуктивности намотаны проводом ПЭЛ-0,5 – 1,5 мм.

на каркасе диаметром 5 миллиметров и содержат по 30 витков каждая. Очень хорошо параллельно сети 220V подключить варистор. Тогда защита от бросков сетевого напряжения будет практически полной.

В качестве конденсаторов лучше не использовать керамические, а поискать старые, но надёжные МБМ на напряжение не менее 400V.

Вот так выглядит дроссель входного фильтра компьютероного блока питания ATX.

Как видно, он намотан на кольцеобразном сердечнике. На схеме он обозначается следующим образом. Точками отмечены места начала намотки провода. Это бывает важно, так как это влият на направление магнитного потока.

Выходные выпрямители современного импульсного блока питания всегда конструируют по двухполупериодным схемам.

Широко известный выпрямительный диодный мост, у которого большие потери практически не используют. В двухполупериодных выпрямителях используют сборки из двух диодов Шоттки.

Самая важная особенность выпрямителей в импульсных блоках питания это фильтры, которые начинаются с дросселя (индуктивности).

Напряжение, снимаемое с выхода выпрямителя обладающего индуктивным фильтром, зависит кроме амплитуды ещё и от скважности импульсов, поэтому очень легко регулировать выходное напряжение, регулируя скважность входного. Процесс регулирования скважности импульсов называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а в качестве управляющей микросхемы используют ШИМ контроллер.

Поскольку амплитуда напряжения на входах всех выпрямителей изменяется одинаково, то стабилизируя одно напряжение, ШИМ контроллер стабилизирует все. Для увеличения эффекта, дроссели всех фильтров намотаны на общем магнитопроводе.

Именно таким образом устроены выходные цепи компьютерного блока питания формата AT и ATX. На его печатной плате легко обнаружить дроссель с общим магнитопроводом. Вот так он выглядит на плате.

Как уже говорилось, этот дроссель не только фильтрует высокочастотные помехи, но и играет важную роль в стабилизации выходных напряжений +12, -12, +5, -5. Если выпаять этот дроссель из схемы, то блок питания будет работать, но вот выходные напряжения будут «гулять» причём в очень больших пределах – проверено на практике.

Так магнитопровод у такого дросселя общий, а катушки индуктивности электрически не связаны, то на схемах такой дроссель обозначают так.

Здесь цифра после точки (L1.1; L1.2 и т.д.) указывает на порядковый номер катушки на принципиальной схеме.

Ещё одно очень хорошо известное применение катушки индуктивности это использование её в системах зажигания транспортных средств. Здесь катушка индуктивности работает как импульсный трансформатор. Она преобразует напряжение 12V с аккумулятора в высокое напряжение порядка нескольких десятков тысяч вольт, которого достаточно для образования искры в свече зажигания.

Когда через первичную обмотку катушки зажигания протекает ток, катушка запасает энергию в своём магнитном поле. При прекращении прохождения тока в первичной обмотке пропадающее магнитное поле индуцирует во вторичной обмотке мощный короткий импульс напряжением 25 – 35 киловольт.

Импульсный трансформатор из тех же катушек индуктивности является основным узлом хорошо известного устройства для самообороны как электорошокер. Схем может быть несколько, но принцип один: преобразование низкого напряжения от небольшой батарейки или аккумулятора в импульс слабого тока, но очень высокого напряжения. У серьёзных моделей напряжение может достигать 75 – 80 киловольт.

Главная » Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

Катушка индуктивности

Катушка индуктивности – электронный компонент, представляющий собой винтовую либо спиральную конструкцию, выполненную с применением изолированного проводника.  Основным свойством катушки индуктивности, как понятно из названия – индуктивность. Индуктивность – это свойство преобразовать энергию электрического тока в энергию магнитного поля. Величина индуктивности для цилиндрической или кольцевой катушки равна 

Где  ψ — потокосцепление, µ0 = 4π*10-7 – магнитная постоянная, N – количество витков, S – площадь поперечного сечения катушки.

Также катушке индуктивности присущи такие свойства как небольшая ёмкость и малое активное сопротивление, а идеальная катушка и вовсе их лишена. Применение данного электронного компонента отмечается практически повсеместно в электротехнических устройствах. Цели применения различны:

— сглаживание уровня пульсаций;- накопление энергетического потенциала;- ограничение токов переменной частоты;- построение резонансных колебательных контуров;- фильтрация частот в цепях прохождения электрического сигнала;- формирование области магнитного поля;

— построение линий задержек, датчиков и т.д.

Энергия магнитного поля катушки индуктивности

Электрический ток способствует накоплению энергии в магнитном поле катушки. Если отключить подачу электричества, накопленная энергия будет возвращена в электрическую цепь. Значение напряжения при этом в цепи катушки возрастает многократно.

Величина запасаемой энергии в магнитном поле равна примерно тому значению работы, которое необходимо получить, чтобы обеспечить появление необходимой силы тока в цепи.

Значение энергии, запасаемой катушкой индуктивности можно рассчитать с помощью формулы.

Реактивное сопротивление

  • При протекании переменного тока, катушка обладает кроме активного, еще и реактивным сопротивлением, которое находится по формуле 
  • По формуле видно, что в отличие от конденсатора, у катушки с увеличением частоты, реактивное сопротивление растет, это свойство применяется в фильтрах частот.
  • При построении векторных диаграмм важно помнить, что в катушке, напряжения опережает ток на 90 градусов.

Добротность катушки

Еще одним важным свойством катушки является добротность. Добротность показывает отношение реактивного сопротивления катушки к активному. 

  1. Чем выше добротность катушки, тем она ближе к идеальной, то есть она обладает только главным своим свойством – индуктивностью.
  2. Конструкции катушек индуктивности

Индуктивность катушки можно изменять,  добавляя в конструкцию катушки ферромагнитный сердечник. Внедрение сердечников отражается на подавлении помех.

Поэтому практически все дроссели, предназначенные для подавления высокочастотных помех, как правило, имеют ферродиэлектрические сердечники, изготовленные на основе феррита, флюкстрола, ферроксона, карбонильного железа.

Низкочастотные помехи хорошо сглаживаются катушками на пермалоевых сердечниках или на сердечниках из электротехнической стали.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3.80 (10 Голоса)

Дроссель, катушка индуктивности — Принцип работы. Математическая модель. Типы, виды, категории, классификация

Катушка индуктивности, дроссель в электронных схемах. Принцип работы. Применение. Свойства. Классификация. (10+)

Дроссель, катушка индуктивности — Принцип работы. Математическая модель. Типы, виды, категории, классификация

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

Катушка индуктивности способна накапливать энергию в своем магнитном поле. Это проявляется в том, что при приложении к ней напряжения в ней постепенно нарастает ток, а при смене полярности — постепенно убывает.

Резко изменить силу тока в катушке индуктивности (дросселе) невозможно. Она будет сопротивляться этому путем формирования напряжения самоиндукции на своих выводах.

Это напряжение может быть очень большим и обеспечит прохождение тока путем пробоя изоляции.

Работа дросселя проявляется во времени. Без рассмотрения изменения силы тока во времени понимание работы катушки индуктивности невозможно.

Главной характеристикой дросселя является индуктивность. Индуктивность — коэффициент, определяющий зависимость скорости изменения электрического тока от напряжения на катушке.

Вашему вниманию подборка материалов:Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Математическая модель катушки индуктивности. Обозначение

Катушка индуктивности (дроссель) может иметь несколько выводов — отводов от частей обмотки и два вывода от начала и от конца обмотки.

Работу катушки описывает следующее соотношение, которое и определяет ее применение в электронных схемах.

[Сила тока через катушку в момент T] = [Сила тока через катушку в начальный момент T0] + интеграл от [T0] до [T] ([Напряжение на катушке] / [Индуктивность катушки]) по [Времени].

Более привычно эта формула выглядит так:

В случае, если к катушке приложено постоянное напряжение, то формула приобретает более простой вид: [Сила тока через катушку индуктивности в момент T] = [Сила тока через катушку индуктивности в начальный момент T0] + [Напряжение на катушке] * ([T1] — [T0]) / [Индуктивность катушки]

Индуктивность измеряется в генри. Через дроссель индуктивностью 1 Гн за 1 с при напряжении 1 вольт пойдет ток 1 ампер. Обычно в схемах используются индуктивности от 1 микрогенри до 100 миллигенри.

Физически катушка индуктивности состоит из одного или нескольких витков провода, которые могут быть просто размещены в воздухе, а могут быть намотаны на сердечник из какого-либо материала. Сердечник намагничивается и, тем самым, накапливает в себе энергию.

Расчет индуктивности катушки в общем случае представляет серьезную сложность. С уверенностью можно утверждать только, что индуктивность пропорциональна квадрату числа витков.2

На идеальном дросселе тепловая энергия не выделяется, хотя через него может проходить ток. Дело в том, что сначала дроссель накапливает энергию, потом отдает ее в цепи питания, не рассеивая.

На схемах катушка индуктивности обозначается, как показано на рисунке.

Идеальный дроссель

Идеальный дроссель имеет строго фиксированную индуктивность, соответствующую расчетной или надписи на корпусе, не зависящую от тока, напряжения и внешних условий, например, температуры. Он не имеет паразитной емкости и внутреннего сопротивления, потерь на перемагничивание.

Идеальный дроссель выдерживает любой ток, имеет нулевые размеры, не занимает место на плате. Он не шумит. Ток через него строго зависит от напряжения и времени, без посторонних помех.

Реальные дроссели. Классификация, виды, типы

Если бы дроссели на самом деле были идеальными, то нужен был бы всего один тип дросселя — ПИД (просто идеальный дроссель). Его можно было бы применять во всех схемах. Но, как это часто бывает в жизни, идеала не существует. Для разных применений можно подобрать дроссели с определенными свойствами, пожертвовав другими, менее важными для данной схемы.

Главная проблема дросселя — омическое сопротивление провода, которым он намотан. Это сопротивление ухудшает параметры катушки индуктивности, приводит к нагреву, ограничивает максимальный ток. Снижение этого сопротивления требует снижения длины обмотки и увеличения толщины провода.

Снизить длину обмотки, сохранив требуемую индуктивность, можно, применив сердечник из ферромагнитного материала.

Такой сердечник намагничивается, накапливает в себе энергию, значительно (иногда, в десятки тысяч раз) увеличивая индуктивность одного витка, а значит, сокращая число витков, необходимых для получения требуемой индуктивности. Наилучшим в этом смысле сердечником является мягкое трансформаторное железо.

Однако, применение сердечника, снижая омическое сопротивление катушки, порождает сразу ряд новых проблем. Во-первых, у сердечника есть определенный уровень магнитной индукции насыщения, выше которого сердечник уже не может намагнититься и не будет накапливать энергию. Дроссель (за исключением ряда специальных схем) должен применяться в условиях, исключающих насыщение.

Во-вторых, под действием переменного электрического тока в сердечнике возникают потери, вызванные наведенными электрическими токами и нагревом от перемагничивания сердечника.

Для борьбы с наведенными токами используются специальные технологии изготовления сердечника, исключающие большие контура в нем, по которым могут течь такие токи (например, слоеный сердечник с изоляцией между слоями или порошковое железо), или применение специальных материалов (ферритов), которые вообще не проводят электрический ток.

Ферриты не проводят электрический ток, но с точки зрения своих магнитных свойств намного уступают железу. Поэтому их применяют в высокочастотных схемах (от 10 кГц), а для низкочастотных эффективнее применять трансформаторное железо.

Заказать партию дросселей с нужными параметрами не составляет труда, но в большинстве случаев подобрать дроссель промышленного производства для экспериментальной схемы не удается. Его приходится делать самостоятельно.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Возможности применения катушек индуктивности

Возможными
вариантами применения катушки
индуктивности, в частности, являются:

  1. Компактная катушка индуктивности цепи постоянного тока (DC) с малыми пульсациями переменного тока (конструкция с ограниченным размером окна)

  2. Крупногабаритная катушка индуктивности цепи постоянного тока (конструкция с ограничением насыщения)

  3. Катушка индуктивности с сильным переменным током (конструкция с ограничением потерь в сердечнике)

Каждый
из трех вариантов характеризуется
специфическими требованиями к конструкции.
В компактной катушке индуктивности
цепи постоянного тока ограничительный
фактор определяется в большей степени
доступным размером окна сердечника,
нежели площадью поперечного сечения
сердечника.

Окно сердечника должно быть
достаточно большим для того, чтобы
расположить в нем количество витков
провода, достаточное для получения
требуемой индуктивности. В крупногабаритной
катушке индуктивности цепи постоянного
тока ограничительным фактором часто
является точка насыщения сердечника.

Сердечник должен иметь достаточно
крупные габариты и достаточно малую
магнитную проницаемость, чтобы избежать
насыщения (или смещения величины
индуктивности ниже минимального
требуемого уровня).

Эти факторы требуют
увеличения числа витков и длины медных
проводов, что вызывает проблему в виде
потерь в проводах. Основным ограничительным
фактором для катушки индуктивности с
сильным переменным током являются
потери в сердечнике.

Поскольку потери
в сердечнике зависят от колебаний
потока, создаваемого переменным током,
а не уровнем индукции, создаваемой
постоянным током, потери в сердечнике
становятся доминирующим фактором,
определяющим выбор конструкции.

Перестраиваемая индуктивность

Катушка
индуктивности является одним из
распространенных пассивных элементов,
используемых при создании различных
электронных схем.

Специфика применения
катушки в современных электронных
приборах с высокой степенью интеграции
заключается в том, что она плохо поддается
как миниатюризации, так и реализации в
интегральном исполнении.

В отличие от
резисторов и конденсаторов, выполняемых
в виде участков полупроводникового
кристалла с заданной проводимостью и
обратносмещенных p-n-переходов,
катушки индуктивности реализуют либо
схемотехнически в виде их гираторных
аналогов, либо в форме плоских спиралей
или отрезков передающих линий методами
планарной и гибридно-интегральной
технологий . Гираторы, представляющие
собой по сути активные схемы электронных
усилителей с выраженными частотно-зависимыми
характеристиками, используются в
диапазоне сравнительно низких частот
и применяются, в основном, в
частотно-избирательных схемах различных
фильтров. Катушки, выполненные как в
форме плоской спирали или отрезков
передающих линий, так и в ином миниатюрном
исполнении , успешно применяются в ВЧ-
и СВЧ-диапазоне, но имеют общий недостаток,
заключающийся в том, что изменение
значения их индуктивности возможно
преимущественно механическим способом.

Гиратор

электрическая
цепь, которая осуществляет преобразование
импеданса.
Другими словами, эта схема заставляет
ёмкостные цепи проявлять индуктивные
свойства,
полосовой
фильтр
будет
вести себя как режекторный фильтр
и
т. п.

Рис.3.
Схема гиратора

Основное
применение гираторов заключается в
создании участков цепи, имитирующих
индуктивность.
Поскольку
катушки
индуктивности
далеко
не всегда могут применяться в электрических
цепях (например в
микросхемах),
использование гираторов позволит
обходиться без катушек. Для этого
используется цепь, состоящая из
конденсатора,
операционного
усилителя
или
транзисторов
и
резисторов.

Назначение
гиратора — поменять знак
комплексного
сопротивления цепи, а на приведённой
схеме — инвертировать действие
конденсатора. Желаемый импеданс цепи,
который мы хотим получить, можно описать
как

То
есть это последовательно соединённые
индуктивность
L
и
сопротивление
RL.
Из схемы видно, что импеданс имитированной
индуктивности соединён параллельно с
импедансом
C
и
R.

В
случае, когда
R
много
больше, чем
RL,
то это выражение принимает вид

Таким
образом, мы получаем последовательно
соединённые сопротивление

и
индуктивность
.

Основное отличие от истинной индуктивности
здесь проявляется в том, что присутствует
параллельное
,
и в том, что

png» width=»24″>
обычно
значительно больше, чем в реальных
катушках.

Для
достаточно длинного соленоида длиной
l
и площадью сечения виткаS
с общим числом витков
N
индуктивность
равна

  • ????
    — относительная
    магнитная проницаемость среды;
  • n
    — число витков на единицу длины,;
  • V
    объем соленоида,V=Sl.

Отметим,
что значение индуктивности прямо
пропорционально квадрату числа витков,
занимаемому объему и магнитной
проницаемости среды. Формулы для
вычисления индуктивности катушек другой
формы более сложны и могут не иметь
аналитического вида, но основные
пропорции для указанных параметров
сохраняются.

Изменение этих параметров
традиционно используют для управления
величиной индуктивности путем механической
перестройки катушки (переключения
секций катушки, изменения взаимного
расположения витков, введения в катушку
сердечника, выполненного из магнетика).

Переключение секций катушки посредством
интегрального коммутатора позволяет
управлять значением индуктивности
электронным способом, но параметр
катушки при этом можно изменять лишь
дискретно. Известен способ электронного
управления индуктивностью, заключающийся
в подмагничивании ферромагнитного
сердечника катушки.

Однако при этом в
конструкцию катушки вводится дополнительная
подмагничивающая обмотка, что не
способствует миниатюризации изделия
в целом.

Предлагаемый
в настоящей работе способ электронного
управления индуктивностью пассивной
катушки заключается во введении в ее
конструкцию специфического сердечника,
свойства которого изменяются под
воздействием приложенного электрического
поля, оказывая при этом влияние на
индуктивность. В качестве такого
сердечника используется кремниевая
структура n-i-p-i-n-типа,
обладающая протяженными i-областями.

Если
объект помещается внутрь катушки, то
первичное переменное магнитное поле
вызывает в нем вихревые токи.
Электромагнитное поле катушки при этом
изменится под действием поля вихревых
токов.

Это изменение поля вызывает такой
эффект, какой получился бы, если изменить
характеристики самой катушки.

Анализ
изменения свойств катушки под влиянием
объекта, особенно если он имеет
неоднородную структуру и параметры,
изменяющиеся под воздействием внешнего
смещения, чрезвычайно сложен.

В
общем случае на индуктивность оказывают
влияние физические характеристики
материала объекта — электрические и
магнитные свойства, определяемые его
составом и структурой: электропроводность,
магнитная проницаемость, геометрические
размеры, наличие неоднородностей.

Для
проверки возможности создания индуктивного
элемента с электронной перестройкой
изготовлена
двухсекционная катушка,
сердечниккоторой
представляет собой кремниевуюn-i-p-i-n
структуру
с толщиной i-областей
200 мкм.

В качестве такой структуры
использовался выпускаемый промышленностью
бескорпусный диод типа 2А505, конструктивно
объединяющий в себе двеp-i-nструктуры
с общей p-областью,
имеющей гибкий соединительный вывод.
Контакты n-областей
диода имеют вид металлических площадок
из материала с хорошей проводимостью.

Диод, длина которого вместе с контактами
составляет примерно 0,8 мм, размещался
между двумя секциями катушки, намотанными
виток к витку в форме плоской спирали
на оправке диаметром 0,9 мм, причем
изолированный вывод p-области
пропускался наружу между плоскостями
секций, аp-i-n-структуры
заполняли области внутри секций. Сам
диод центрировался по оси катушки с
помощью тонкой изолирующей диэлектрической
прокладки.

Обе
секции содержали по три витка медного
провода в лаковой изоляции диаметром
0,5 мм. Электрический контакт с n-областями
диода осуществлялся с помощью прижимных
электродов, не оказывающих влияние на
индуктивность катушки.

Таким
образом, магнитное поле изготовленной
катушки сосредоточено во внутреннем
объеме секций, преобладающую часть
которого занимали протяженные i-области
(базы) диода, размер которых значительно
превышал размерыp
и n-областей.
В отсутствие прямого смещения базовые
областиp-i-n-структур
представляют собой по сути диэлектрик
с магнитной проницаемостью ????=1.

Добротность
катушки при введении в нееn-i-p-i-n-структуры
без смещения снижалась, значение
индуктивности уменьшалось.

При
подаче наp-i-n-диод
напряжения прямого смещения происходит
процесс инжекции носителей заряда в
высокоомную i-область
диода, в результате чего концентрация
носителей заряда в базе возрастает на
несколько порядков и, соответственно,
увеличивается проводимость базы. В
таком случае говорят, что база диода
«заливается» носителями заряда или
«металлизируется».

  1. Диод,
    находящийся в магнитном поле исследуемой
    катушки индуктивности, представляет
    собой объект, проводимость которого
    изменяется в широком диапазоне в
    зависимости от величины приложенного
    напряжения.
  2. Зависимость
    параметров катушки от величины напряжения
    прямого смещения, прикладываемого к
    n-i-p-i-n-структуре,
    выполняющей роль управляемого
    электрическим полем сердечника,
    позволяющего определить резонансным
    методом как значение индуктивности,
    так и величину потерь.
  3. Добротность
    начинает заметно снижаться непосредственно
    с появлением тока черезn-i-p-i-nструктуру.

Уменьшение
добротности с ростом приложенного кn-i-p-i-n-структуре
напряжения может быть объяснено
увеличением мощности потерь, связанным
с ростом числа инжектированных носителей
заряда. При диаметре намоточного провода
1 мм зависимость индуктивности от
напряжения смещения выражена весьма
слабо.

Большое значение имеет также
выбор конкретного экземпляра
n-i-p-i-n-структуры.
Как показала практика, диоды имеют
значительный разброс характеристик в
пределах партии, причем возможна заметная
неидентичность характеристикp-i-n-диодовотдельно
выбраннойn-i-p-i-n-структуры.

Не последнюю роль, оказывающую влияние
на величину как индуктивности, так и
добротности, играет качество изготовления
самой катушки.

В
связи с этим для изготовления управляемой
катушки индуктивности можно рекомендовать
материалы, обладающие хорошей
проводимостью, что повысит начальное
значение добротности и позволит выбрать
диаметр намоточного провода, сравнимый
с размерами i-областей
диода. Геометрия индуктивного элемента
определяется преимущественно размерами
используемого диода и должна обеспечивать
концентрацию магнитного поля катушки
в объеме p-i-n-структуры.

В
резонансном контуре применена катушка
индуктивности описанной выше конструкции.
Принципиальная электрическая схема
разработанного устройства приведена
на
рис.4.

Рис.4.
Принципиальная электрическая схема
разработанного устройства

Катушка
индуктивности L
и включенный параллельно ей конденсатор
С1 представляли собой колебательный
контур, резонансная характеристика
которого определяла частоту ВЧ-несущей.
К катушке подключался источник питания.
Напряжение на входе регулировалось
подстроечным резистором R1
СП-04.

Так же был подключен вольтметр для
контроля напряжения на входе. С помощью
генератора высоких частот и осциллографа
была найдена резонансная частота.
Изначальный резонанс наблюдался на
частоте .
Значение индуктивности L1
при

png»>
было равно L1=414
нГн. После увеличения напряжения до
0.5V
частота уменьшилась до .
Значение индуктивности L1
при
возросло до 422 нГн.

При увеличении
входного напряжения, регулируемого
подстроечным резистором R1,
резонансная частота сдвинулась на 60
кГц в сторону уменьшения.

Значение
индуктивности было рассчитано по
формуле:

Диапазон
изменения величины индуктивности можно
весьма просто увеличить, изготовив
многосекционную катушку, поскольку
геометрия n-i-p-i-n-
структуры позволяет это сделать без
значительных конструктивных трудностей.
Катушки индуктивности предложенной
конструкции удобны для изготовления в
планарной форме, когда витки формируются
напылением или травлением материала
поверхности вокруг n-i-p-i-n-структуры.

Первичные цепи зажигания — Как проверить

Дополнительные указания

Общие принципы

Во всех (индуктивных) системах искрового зажигания используется одна или несколько катушек зажигания. Катушки действуют как аккумулятор для хранения энергии и как повышающий трансформатор для генерации высокого напряжения, необходимого для возникновения электрической искры в камере сгорания.

Катушка зажигания состоит из первичной и вторичной катушек, намотанных друг на друга в непосредственной близости.Вторичная обмотка имеет большое соотношение витков к первичной обмотке. Такое расположение создает условия высокой взаимной индуктивности, то есть изменения магнитного поля в первичной катушке будут вызывать изменения напряжения во вторичной катушке.

Первичная катушка подключена к первичной цепи. Когда ток течет в первичной цепи, энергия накапливается в магнитном поле катушки. Если ток быстро снимается, магнитное поле быстро разрушается и индуцирует высокое напряжение во вторичной катушке.Высокое напряжение подается на свечу зажигания через вторичную цепь.

Время, необходимое катушке для достижения максимальной напряженности магнитного поля (ее насыщение , время ), зависит от пикового тока первичной цепи, который, в свою очередь, зависит от общего сопротивления первичной цепи и способности первичной катушки сопротивляться нарастанию. до тока (его индуктивность ).

Период, в течение которого ток течет в первичной цепи, известен как период задержки (или угол задержки, если он соотносится с углом вращения коленчатого вала).Период выдержки должен быть достаточно продолжительным (при всех оборотах двигателя), чтобы первичная катушка могла достичь максимальной напряженности магнитного поля (т.е. до насыщения ).

Пиковый ток и период задержки являются ключевыми показателями эффективности (KPI) для управления первичной цепью. Обратитесь к технической информации производителя, чтобы узнать характеристики вашего автомобиля.

Распределитель зажигания

В системах зажигания на базе распределителя используется одна катушка зажигания.

Переключение первичного контура может управляться одним из двух механизмов:

  • механически, с помощью прерывателя контактов, приводимого в действие вращающимся кулачком внутри распределителя.
  • с использованием транзисторного переключения тока, запускаемого опорным сигналом синхронизации.

Для большинства первичных цепей с механическим запуском требуется балластный резистор для регулирования тока, тогда как транзисторная система может изменять ток более свободно.

Компонент, вращающийся внутри распределителя, ротор, направляет вторичные напряжения на каждую из свечей зажигания двигателя в их порядке зажигания, проходя через периферийные электроды, соединенные с выводами свечей зажигания.

Диагностика первичного напряжения

  • Когда первичная цепь отключена, коммутируемое напряжение заземления должно быть равным или очень близким к напряжению батареи.
  • Когда первичная цепь включена, коммутируемое напряжение заземления должно быть очень близко к 0 В. В противном случае вероятно высокое сопротивление в цепи заземления (например, из-за плохого соединения или неисправности проводки).
  • Время включения цепи представляет период выдержки для катушки и указывает время, доступное току цепи для зарядки и включения катушки.
  • Скачок напряжения, возникающий при отключении цепи, известен как линия ping и представляет собой накопленную энергию, которая была выпущена из первичной катушки. Он должен иметь постоянную амплитуду напряжения для каждого события зарядки катушки и не менее 250 В.
  • События формы сигнала, возникающие после линии проверки связи отражают события вторичного зажигания (дополнительные описания см. В описаниях сигналов вторичного зажигания), такие как:
    • Повышенное напряжение после линии проверки связи представляет собой линию искры .
    • Колебания катушки на конце искровой линии представляют собой рассеяние энергии во вторичных обмотках катушки. Менее 3 x колебаний катушки указывает на пробой изоляции.

Катушка зажигания — проверка, измерение, неисправности

Конструкция обычной катушки зажигания в основном аналогична конструкции трансформатора. Катушка зажигания предназначена для создания высокого напряжения из низкого напряжения.Наряду с железным сердечником основными компонентами являются первичная обмотка, вторичная обмотка и электрические соединения.

Ламинированный железный сердечник предназначен для усиления магнитного поля. На этот стальной сердечник помещена тонкая вторичная обмотка. Он изготовлен из изолированного медного провода толщиной около 0,05-0,1 мм, намотанного до 50 000 раз. Первичная обмотка изготовлена ​​из медного провода с покрытием толщиной около 0,6-0,9 мм и намотана поверх вторичной обмотки. Омическое сопротивление катушки около 0.2–3,0 Ом на первичной стороне и около 5–20 кОм на вторичной стороне. Соотношение первичной и вторичной обмоток составляет 1: 100. Техническая конструкция может отличаться в зависимости от области применения катушки зажигания. В случае обычной катушки зажигания цилиндра электрические соединения обозначаются как клемма 15 (подача напряжения), клемма 1 (прерыватель контактов) и клемма 4 (высоковольтное соединение).

Первичная обмотка соединена со вторичной обмоткой через соединение общей обмотки с клеммой 1.Это обычное соединение известно как «экономичная схема» и используется для упрощения производства катушек. Первичный ток, протекающий через первичную обмотку, включается и выключается через контактный выключатель. Величина протекающего тока определяется сопротивлением катушки и напряжением, приложенным к клемме 15. Очень быстрое направление тока, вызванное контактным выключателем, изменяет магнитное поле в катушке и индуцирует импульс напряжения, который преобразуется в высоковольтный. импульс вторичной обмотки.Он проходит через кабель зажигания к искровому промежутку свечи зажигания и воспламеняет топливно-воздушную смесь в бензиновом двигателе.

Величина индуцированного высокого напряжения зависит от скорости изменения магнитного поля, количества обмоток вторичной катушки и силы магнитного поля. Индукционное напряжение открытия первичной обмотки составляет от 300 до 400 В. Высокое напряжение на вторичной обмотке может достигать 40 кВ, в зависимости от катушки зажигания.

A Высокочастотный удвоитель активного напряжения в стандартной КМОП-матрице с использованием Компараторы с регулируемым смещением для индуктивной передачи энергии

A. Микрофотография микросхемы и измеренные формы сигналов

Активный удвоитель напряжения был изготовлен в ON Semiconductor 0,5 мкм стандартный процесс CMOS 3M2P для его относительно высокого напряжения возможность обработки. показывает чип микрофотография активного удвоителя напряжения, в состав которого входят компараторы ( CMP N и CMP P ), проходные транзисторы (N 1 и P 1 ), управляющие переключатели (N 2 и P 2–4 ), а также цепь запуска (SU).Активный удвоитель напряжения занимает 0,144 мм 2 площади кремния с W p / L p = 2100 мкм / 0,6 мкм и Вт n / L n = 1200 мкм / 0,6 мкм. В нашей тестовой установке усилитель мощности класса C управляет индуктивная перемычка, характеристики которой приведены в, для обеспечения удвоителя активного напряжения с 13,56 Синусоидальный вход МГц.

Микрофотография изготовленной микросхемы и план блока активного удвоителя напряжения в ON-Semi 0.5 мкм Станд. CMOS процесс, занимающий площадь 0,144 мм 2 .

ТАБЛИЦА II

Технические характеристики дополнительного удвоителя активного напряжения

В Th (N) / В Th (P) 0,75 В / 0,9 В
Номинальная выходная мощность 4 ~ 20 мВт
Входной конденсатор ( C IN ) / Нагрузочный конденсатор ( C L ) 1 мкФ / 1 мкФ
Пульсации на выходе ( R L = 1 кОм) 22 мВ pp
Энергопотребление компаратора 0.1 ~ 0,8 мВт *
Диаметр первичной катушки / индуктивность ( L 1 ) 16,8 см / 0,88 мкГн
Диаметр вторичной катушки / индуктивность ( L 2 ) 3,0 см / 0,41 мкГн
Проходной транзистор P 1 размер ( W p / L p ) 2100 мкм / 0,6 мкм
Проходной транзистор N 1 размер ( Вт n / L n ) 1200 мкм / 0.6 мкм
Общая площадь микросхемы 0,144 мм 2

показывает измеренный вход и формы выходных сигналов активного удвоителя напряжения при двух условиях, когда ( V IN, пик , V OUT ) = (1,46 В, 2,4 В) и (2 В, 3,2 В). Прямое исследование выходов компаратора вызывает дополнительную нагрузку, что приводит к нежелательным дополнительным задержкам. Следовательно, мы сделал вывод о лежащих в основе событий в цепи, проверив V IN и V VD = V IN + V Cin .В однажды В ВД превышает В ВЫХ , P 1 включается, и из л 2 C 2 бак для зарядки R L C L нагрузка. Этот прямой ток поток создает падение напряжения на паразитном сопротивлении катушки и индуктивность межсоединения, что приводит к небольшому провалу В ВД . Пока P 1 включен, В ВД = В ВЫХ + I p R op , что довольно постоянно из-за большого C L и L 2 которые сохраняют V OUT и I P постоянная соответственно.Когда P 1 выключается, зарядный ток мгновенно останавливается, что приводит к небольшой неровности V VD форма волны, после которой V VD возвращается к своему нормальному состоянию синусоидальная форма. Следовательно, времена переключения P 1 и N 1 могут оцениваться на основе вариаций V VD , как показано в. Мы рассмотрели пиковые напряжения V IN и V VD когда P 1 и N 1 просто включили или выключили для измерения V IN · pp (= 2 V IN, пик ) и В, ВД, пик соответственно.В этих измерениях R L = 1 кОм, C IN = 1 мкФ, а f c = 13,56 МГц.

Измеренные формы сигналов ключевых узлов в активном удвоителе напряжения, показывающие В ВН , В ВД , В ВЫХОД и В SS для ( В IN, пик V OUT = (1,46 В, 2,4 В) и (2 В, 3,2 В) при R L = 1 кОм, C IN = C L = 1 мкФ, а f c = 13.56 МГц.

B. Измерения PCE и падения напряжения

Для рассмотрения ключевых факторов, влияющих на активный удвоитель напряжения. производительность, мы измерили PCE и V Drop , в то время как подметание 1) В ВЫХ , 2) R L , и 3) f c . На каждой панели показаны рассчитанные, смоделированные и измеренные (в двух условиях) значения PCE и V Отбросьте , чтобы проверить точность наших измерений и схемные модели, обеспечивая понимание улучшений.Расчетный PCE и В Падение было получено из (1) — (5) и активный удвоитель напряжения модель в Приложении, где время переключения считается идеальным.

Измерено (а) PCE и (б) В Падение по сравнению с В ВЫХ с R L = 0,5 и 1 кОм, C IN = C L = 1 мкФ, а f c = 13,56 МГц.

Моделирование проводится после макета и включает оценки паразитных индуктивности.Для измерения входного тока мы подключили небольшой токоизмерительный резистор, R sense = 10 Ом, последовательно с вход удвоителя напряжения и дифференциально измеренное напряжение на нем. P IN было затем вычислено в автономном режиме с помощью интегрирование мгновенного произведения выборок входного тока и напряжения. V OUT также было измерено для расчета PLoad = VOUT2 ∕ RL. Мы также рассмотрели V Drop = V IN, pp В ВЫХ .

показывает измеренное, смоделировано и рассчитано PCE и V Drop по сравнению с В ВЫХ для R L = 0,5 кОм и 1 кОм, C IN = C L = 1 мкФ, а f c = 13,56 МГц. По нашим измерениям, самые высокие PCE был достигнут на 79% при В OUT = 2,4 В, что было включение схемы при нагрузке 1 кОм. В отличие от выпрямителей, в которых падение напряжения остается более или менее постоянным, при этом PCE в целом улучшается при более высоком В OUT (см. [44]) мы наблюдали приращения V Падение и снижение PCE с увеличением V OUT , что очевидно в.Это некоторые из возможных причины этого наблюдения: во-первых, увеличение В ВЫХ с постоянной R L требуется более высокий входной ток, в результате более высокие потери мощности ( P Tr, Rom ) в проходных транзисторах. Рассеиваемая мощность компараторов ( P CMP ) и затвора коммутации ( P Tr, sw ) также увеличиваются как компаратор напряжение питания В ВЫХ , увеличивается.Во-вторых, оказалось выяснилось, что 2-битный контроль смещения, который мы включили в каждый компаратор, был достаточно только для регулировки времени переключения около В ВЫХ = 2 ~ 2,8 В. Следовательно, напряжение работа удвоителя не была оптимизирована для V OUT > 2,8 В, что приводит к ухудшению как измеренных, так и смоделированных PCE при более высоких В ВЫХ . Это можно заметить в том, что P 1 и N 1 выключить слишком рано, когда V OUT = 3.2 В, ограничивая входная мощность, подаваемая на нагрузку, и уменьшение PCE. В-третьих, увеличение V OUT привело к более высоким пикам на V IN и V VD , которые также были заметны в, из-за больших колебаний входного тока и более заметного влияния паразитная индуктивность. Когда V VD > В ВЫХ + V Th ( P 1) , P 1 вынужден вести себя как диодный транзистор даже после CMP P пытается выключить (из-за неоптимального сроки).Эта принудительная проводимость в области насыщения приводит к большим потерям мощности. в P 1 , и, следовательно, снижает PCE. Аналогично, если V VD < V SS В PN — разветвление , получается утечка подложки в N 1 , потому что все клеммы корпуса NMOS должны быть подключен к V SS в этом стандартном процессе CMOS. Следовательно, некоторая часть входного тока может протекать через паразитный PN. разветвление вместо переключателя N 1 , приводящее к дополнительному питанию потеря.

Расчетные результаты показывают значительно более высокий PCE (86%) и более низкий В Падение (0,27 В) по сравнению с обоими моделированными и измеренные результаты. Поскольку в теоретической модели схемы мы приняли что компараторы включают / выключают проходные транзисторы резко с идеальной синхронизацией независимо от изменений в В ВЫХ , R L и f c до достичь максимально возможного PCE, а время переключения при моделировании и измерения оптимизированы для определенных условий эксплуатации, В ВЫХ = 2.4 В, R L = 1 кОм, и f c = 13,56 МГц.

показывает измеренное, смоделировано и рассчитано PCE и V Drop по сравнению с Р Л . В, максимальное PCE было достигнуто с обозначенным R L = 1 кОм. В качестве R L увеличивается выше 1 кОм, I Нагрузка капель и P Нагрузка за то же В ВЫХ уменьшилось.Следовательно, внутреннее питание рассеивание ( P Tr.sw + P CMP ) в (2) становится более доминирующим, уменьшая PCE. С другой рука, когда R L уменьшилось ниже 1 кОм, выше входной ток требуется для управления большой нагрузкой, увеличивая P Tr.Ron и V Падение , как показано на, что приводит к уменьшению PCE.

Измерено (а) PCE и (б) В Падение по сравнению с R L с V OUT = 2.4 и 3,2 В, C IN = C L = 1 мкФ, а f c = 13,56 МГц.

показывает измеренное, смоделировано и рассчитано PCE и V Drop по сравнению с f c с R L = 1 кОм. Компараторные компенсаторы предлагаемого удвоителя напряжения спроектированы для работы около f c = 13,56 МГц. PCE в резко снизился на более высоких f c потому что задержки компаратора стали слишком длинный и позволяет обратному току течь от C L обратно к L 2 C 2 бак.На более низких рабочих частотах PCE снова снизился, хотя и более медленными темпами, из-за фиксированных смещений компаратора и задержек инвертора CS перед проходом транзисторы должны отключаться раньше, чем должны, тем самым проводя меньшее количество мощности к нагрузке. показывает измерено по сравнению с В Падение , f c , на который также влияет переключение раз. Хотя В ВЫХ и R L были зафиксированы на всех частотах, нижний PCE требуется более высокая входная мощность для достижения того же В ВЫХ .Следовательно, V Drop увеличивается на частотах с более низким PCE.

Измерено (а) PCE и (б) В Падение по сравнению с f c с V OUT = 2,4 и 3,2 В, R L = 1 кОм, и C IN = C L = 1 мкФ.

Мы измерили три разных чипа, все из которых показали одинаковые характеристики как в, где измеренный PCE немного ниже, чем смоделированный PCE из-за обрабатывать вариации.Поскольку удвоитель активного напряжения оптимизирован для определенное рабочее состояние, например, В ВЫХ = 2,4 В, R L = 1 кОм, а f c = 13,56 МГц, PCE несколько отклоняется от его оптимальная точка при изменении условий эксплуатации. Однако напряжение удвоитель по-прежнему работает правильно с PCE> 74% в диапазоне В ВЫХ (2 ~ 4 В) и R L (0,5 ~ 1,5 кОм), пока f c остается на 13.56 МГц. f c вряд ли поменять, т.к. часто управляется извне кварцевым генератором, который управляет мощностью усилитель, показанный на. Лучший способ, чтобы Противодействовать таким отклонениям PCE от оптимальной точки является формирование еще одного замкнутого контура вокруг удвоителя напряжения на системном уровне для контроля V OUT и измените CTL0: 3 при любом рабочем условие с помощью четко определенного алгоритма поиска.

показывает пост-верстку смоделированное энергопотребление в ключевых компонентах удвоителя активного напряжения на круговой диаграмме, когда V IN, пик = 1.45 В, В ВЫХ = 2,4 В, R L = 1 кОм, C IN = C L = 1 мкФ, а f c = 13,56 МГц. Это можно увидеть что 80% входной мощности передается на нагрузку, в то время как большая часть оставшихся 20% рассеивается в проходных транзисторах (N 1 и P 1 ), а затем компараторы (CMP N и CMP P ). Потери в N 1 (6.3%) и P 1 (6,4%) связаны с их R на , которые представлены в нашей модели П Тр.Рон . Рассеивание мощности в CMP N (2,6%) и CMP P (4,6%), включая внутренние компараторы потребляемая мощность, а также потери при переключении, которые представлены в модель от P CMP и P Tr.sw соответственно. В дополнение функции управления смещением в CMP N и CMP P потребляют всего 29 мкВт и 45 мкВт, которые равны 0.4% и 0,6% от общей потребляемой мощности, соответственно.

Круговая диаграмма моделируемого энергопотребления при В IN, пиковая = 1,45 В, В ВЫХОД = 2,4 В, R L = 1 кОм, C IN = C L = 1 мкФ, а f c = 13,56 МГц.

3,0 A, 15 В, понижающий импульсный стабилизатор

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > транслировать Акробат Дистиллятор 7.0 (Windows) BroadVision, Inc.2020-08-11T15: 04: 53 + 02: 002006-01-11T10: 02: 35-07: 002020-08-11T15: 04: 53 + 02: 00application / pdf

  • LM2576 — Понижающий импульсный стабилизатор 3,0 А, 15 В
  • ОН Полупроводник
  • uuid: 5e751a46-73d3-4966-a781-ff35f41d4eaeuuid: 9f6b1fdc-025f-4f37-9d56-4ededdac41f2 конечный поток эндобдж 4 0 obj > эндобдж 6 0 obj > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 14 0 объект > эндобдж 15 0 объект > эндобдж 16 0 объект > эндобдж 17 0 объект > эндобдж 18 0 объект > эндобдж 19 0 объект > эндобдж 20 0 объект > эндобдж 21 0 объект > эндобдж 22 0 объект > эндобдж 23 0 объект > эндобдж 24 0 объект > эндобдж 25 0 объект > эндобдж 26 0 объект > эндобдж 27 0 объект > эндобдж 28 0 объект > эндобдж 29 0 объект > эндобдж 30 0 объект > эндобдж 31 0 объект > эндобдж 32 0 объект > эндобдж 33 0 объект > эндобдж 34 0 объект > эндобдж 35 0 объект > эндобдж 36 0 объект > эндобдж 37 0 объект > эндобдж 38 0 объект > эндобдж 39 0 объект > эндобдж 40 0 объект > эндобдж 41 0 объект > транслировать HWKsFʑw * `K ؛ WN \ vnJ8 $ S ~ R3e; _x» §7 ‘ # = Z / iaE4 («} dZ-Zh_xDž- / Þ˅ ‘Jx {^ MʾiZ} G [% k DFdȬA & XBe0 ܦ F כ & kwR ~ n.HNu / ֦ Oe {~ {TY] — * mfa4 * bRcZDRQ

    (PDF) Обнаружение посторонних предметов в беспроводной системе передачи энергии с использованием наборов симметричных катушек

    2169-3536 (c) 2018 IEEE. Переводы и интеллектуальный анализ контента разрешены только для академических исследований. Личное использование также разрешено, но для переиздания / распространения требуется разрешение IEEE. См.

    http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html для получения дополнительной информации.

    Эта статья принята к публикации в следующем номере журнала, но не отредактирована полностью.Контент может измениться до окончательной публикации. Информация для цитирования: DOI

    10.1109 / ACCESS.2019.26, IEEE Access

    Имя автора: Подготовка документов для доступа к IEEE (февраль 2019 г.)

    обнаруживает посторонние объекты независимо от их местоположения и количества

    . Кроме того, разработанный переменный резистор

    может эффективно устранить начальную разность напряжений двух симметричных катушек

    , вызванную ошибкой намотки катушки передатчика

    .

    Следует отметить, что практические системы WPT,

    , особенно те, которые используются в беспроводной зарядке электромобилей, обычно

    страдают от несоосности между катушкой передатчика и катушкой приемника

    . Можно изменить симметрию магнитного поля

    , создаваемого катушкой передатчика. В этом случае

    посторонние предметы все еще могут быть обнаружены с помощью симметричных наборов катушек

    с использованием алгоритма коррекции, который будет

    , представленный в нашей дальнейшей работе.

    СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

    [1] Курс, А., Каралис, А., Моффатт, Р. и др .: «Беспроводная передача энергии через

    сильно связанных магнитных резонансов», Science, 2007, 317, (5834), ПП

    83-86.

    [2] Ми, К., Буя, Г., Чой, С. и др., «Современные достижения в области беспроводной передачи энергии.

    Системы передачи электроэнергии для дорожных электромобилей», IEEE

    «Транзакции по промышленной электронике», 2016 г. , 63, (10), pp 6533-6545.

    [3] Миллер, Дж., Онар, О. и Чинтавали, М., «Первичный поток мощности

    Управление беспроводной передачей энергии для зарядки электромобилей»,

    Журнал IEEE по новым и избранным темам в силовой электронике,

    2015, 3, ( 1), стр. 147-162.

    [4] Чжао, Л., Тримавитана, Д. и Мадавала, У., «Гибридная двунаправленная

    Беспроводная система зарядки электромобилей, устойчивая к несовпадению контактных площадок», IEEE

    Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64, (9) , pp 7079-7086.

    [5] Ахмад А., Алам С. и Чабаан Р.: «Комплексный обзор технологий беспроводной зарядки

    для электромобилей», IEEE

    Транзакции по электрификации транспорта, 2018, 4, (1 ), стр 38-63.

    [6] Дэн, К., Лю, Дж., Чарковски, Д., и др., «Обнаружение положения края

    онлайн-транспортных средств с сегментным беспроводным источником питания», IEEE

    Транзакции по автомобильной технологии, 2017, 5, (66), стр 3610-3621.

    [7] Ван, Ю., Яо, Ю., Лю, X., и др., «Топология компенсации LC / S

    и метод проектирования катушек для беспроводной передачи энергии», IEEE

    Транзакции по силовой электронике , 2018, 33, (3), стр 2007-2025.

    [8] Хуанг, К., Линь, К. и Ву, Ю., «Одновременная беспроводная передача энергии / данных

    для зарядки электромобиля», IEEE Transactions on

    Industrial Electronics, 2017, 64, (1) , pp 682-690.

    [9] Тран, Х., Ву, Б. и Чой, В., «Проектирование высокоэффективной беспроводной системы передачи энергии

    с промежуточными катушками для бортовых зарядных устройств

    электромобилей», IEEE Transactions on Power

    Electronics, 2018, 33, (1), стр 175-187.

    [10] Мохамед, С., Марим, А. и Мохаммед, А., «Магнитный дизайн

    . Рассмотрение двунаправленной индуктивной беспроводной передачи энергии.

    Система

    для электромобилей», IEEE Transactions on Magnetics, 2017,

    53 , (6), стр. 1-5.

    [11] Тан, Л., Пан, С., Лю, Х. и др., «Метод определения нагрузки для систем беспроводной передачи энергии с несколькими приемниками

    », IET Power Electronics,

    2017, 10, (14), стр.1951-1958.

    [12] Ван, З., Цуй, С., Хан, С. и др., «Новый механизм с магнитной муфтой

    для динамической беспроводной системы зарядки для электрических транспортных средств

    », Транзакции IEEE по автомобильной технологии, 2018, 67, (1),

    pp 124-133.

    [13] Сян, Л., Ли, X., Тиан, Дж. И др., «Скрещенная геометрия DD и ее метод двойного возбуждения

    для электромобилей. Динамические

    Беспроводные системы зарядки», IEEE Доступ, 2018, 6, стр 45120-45128.

    [14] Хуэй, С.Ю.Р., «Технические проблемы и проблемы безопасности в новых тенденциях промышленного стандарта

    для беспроводной передачи энергии ближнего поля», IEEE

    , журнал по электромагнитной совместимости, 2018, 7, (1), стр 78-86.

    [15] Беспроводная передача энергии для легких сменных модулей / электромобилей и

    Методология выравнивания

    , SAE J2954TM, 2017.

    [16] Системы беспроводной передачи энергии (WPT) электромобилей — Часть 3

    Особые требования для систем беспроводной передачи энергии магнитного поля

    , IEC TS 61980-3, 2018.

    [17] Паво, Дж., Бадикс, З., Билиц, С. и др., «Эффективный метод возмущений для вычислений

    . Двухпортовые изменения параметров из-за посторонних объектов для систем БПЭ

    ».IEEE Transactions on Magnetics, 2018, 54, (3), стр. 1-4.

    [18] Хуанг, С., Су, Дж., Дай, К., et al. «Повышение эффективности беспроводной передачи

    с учетом обнаружения посторонних предметов». 2017 IEEE

    6-я Глобальная конференция по бытовой электронике (GCCE 2017),

    Нагоя, Япония, октябрь 2017 г., стр. 1-2.

    [19] Jung, C.K. и Б.У. Хван, Устройство и метод обнаружения посторонних предметов

    в системе беспроводной передачи энергии, доступ 17

    апреля 2014 г.

    [20] Kuyvenhoven, N., Dean, C., Melton, J., et al. «Разработка метода обнаружения и анализа посторонних предметов

    для беспроводных систем питания

    ». 2011 IEEE Symposium on Product Compliance Engineering

    Proceedings, Сан-Диего, США, октябрь 2011 г., стр. 1–6.

    [21] Verghese, S., Kesler, M., Hall, K., et al. Обнаружение посторонних предметов в

    системах беспроводной передачи энергии, по состоянию на сентябрь 2011 г.

    [22] Jeong, S., Квак, Х., Джанг, Г. и др., «Двойные неперекрывающиеся наборы катушек

    как металлические объекты и определение положения транспортного средства для беспроводных стационарных зарядных устройств для электромобилей

    », IEEE Transactions on Power

    Electronics, 2018, 33, (9), стр. 7387-7397.

    [23] Омбах Г., «Соображения по поводу конструкции и безопасности взаимодействующей беспроводной системы зарядки

    для автомобилей». 2014 Девятая Международная конференция

    по экологическим транспортным средствам и возобновляемым источникам энергии (EVER),

    Монте-Карло, Монако, март 2014 г., стр. 1–4.

    [24] Ли, С., Ли, У., Дэн, Дж. И др., «Двусторонняя компенсация LCC

    Сеть

    и ее метод настройки для беспроводной передачи энергии», IEEE

    Транзакции на транспортных средствах Технологии, 2015, 64, (6), стр 2261-2273.

    Вопросы и ответы — ET Уровень 2

    6 6 остается без изменений вихревой ток слабая ядерная сила b) поток 9 9 падение потенциала 9126 к более глубоким дефектам
    Уровень 1 Вопрос [Ref]
    1 Какое из следующих условий не является необходимым для вихретокового контроля? [ECM]
    a) электрический контакт
    b) проводимость образца
    c) индуцированное переменное магнитное поле
    d) индуцированный ток
    2 Что из следующего не является обязательным компонентом в «базовом» аппарате для вихретокового испытания? [ECM]
    a) источник переменного тока
    b) катушка (зонд)
    c) плоскость импеданса
    d) метр
    3 Что из следующего не является конфигурацией зонда, используемой при вихретоковом контроле? [ECM]
    a) собственная индуктивность (одиночная катушка)
    b) прием-прием (2 катушки)
    c) магнитная реакция (катушка и детектор Холла)
    г) полупроводниковая реакция (2 датчика Холла)
    4 Направление или направление магнитного поля вокруг проводника чаще всего определяется с помощью [ECM]
    a) Закон Ленца
    b)
    c) кольцо Роуленда
    d) линейка для правой руки
    5 Тесла или Вебер на квадратный метр (Вт / м) — это единицы [ECM]
    a) вихревой ток
    206 b) сопротивление в) сопротивление
    г) плотность магнитного потока
    6 Если электрический ток в катушке удваивается, плотность магнитного потока [ECM]
    a) половинки
    c) двойной
    d) четверной
    7 Увеличение какого из следующих факторов приведет к увеличению плотности магнитного потока (B) в соленоиде? [Burns]
    a) проницаемость сердечника
    b) количество витков катушки
    c) ток в катушке
    d) все 9015 выше
    8 Напряжение индуцируется в области пространства, когда существует изменяющееся магнитное поле.Это утверждение [ECM]
    а) Закон Фарадея
    б) Закон Эрстеда
    в) Закон Гельмгольца 9
    9 Закон Ленца гласит [Бернс]
    а) переменное магнитное поле индуцирует переменное напряжение
    б) величина индуцированного тока магнитный поток через цепь
    c) наведенная ЭДС противоположна вызывающему ее изменению
    d) = BA cos, где B = плотность потока, A = площадь цепи и = угол между B а площадь схемы A
    10 Обратная ЭДС, противодействующая индуцирующей ЭДС, является результатом [ECM]
    a) эффект Холла
    14 c) геомагнитные инверсии
    d) слабые ядерные силы
    11 Что из следующего не является примером электромеханических устройств преобразования энергии? [Ramshaw]
    a) сухая батарея
    b) генератор или генератор переменного тока
    c) микрофон
    20 d) электродвигатель
    20 d)
    12 Вихретоковая испытательная система очень похожа на трансформатор.Что в этом приближении будет представлять «вторичная обмотка»? [ECM]
    a) наведенные вихревые токи
    b) вихретоковый датчик
    c) испытательный образец
    d) Холл детектор, используемый как приемник
    13 Обычно направление магнитной силовой линии обозначается стрелкой на линии.Стрелка будет указывать в направлении [Якобовиц]
    a) в котором будет перемещен северный полюс единицы
    b) в котором будет перемещен южный полюс единицы
    c) перпендикулярно плоскости линии
    d) указана большим пальцем в линейке для левой руки
    14 Магнитная силовая линия [Якобовица]
    а) мифическая величина
    б) мнимая 912 9 6 полезная концепция c) равна массе 1 г при преобразовании по уравнению Эйнштейна
    d) 1 микрон в диаметре и 10 микрон в длину
    15 Основной причиной магнетизма в естественно магнитном веществе является [Якобовиц]
    а) гистерезис
    в) нескомпенсированный спин электрона
    г) концентрация гравитона в Доменной стенке
    16 Количество линий магнитного потока, деленное на единицу площади, равно [Якобовиц]
    a) проницаемость
    20 плотность в) напряженность полюса
    г) напряженность поля
    17 Перемещение проводника постоянного тока вверх и вниз возле проводящего испытательного образца приведет к получению [Справочник]
    a) отсутствие тока в испытуемом образце
    b) В образце для испытаний индуцируется постоянный ток
    c) В образце для испытаний индуцируется переменный ток
    d) короткое замыкание
    18 Взаимосвязь между потоком электрического тока, электродвижущей силой и сопротивлением потоку электрического тока описывается формулой [Jacobowitz]
    a) Закон Ленца
    b 9015) Закон Ома
    c) Правило Фарадея
    d) уравнение ампер-ом
    19 Другой термин для обозначения напряжения — [Якобовиц]
    a) электродвижущая сила
    b) магнитодвижущая сила 59
    d) как a, так и c
    20 Чтобы использовать гальванометр (который обычно измеряет токи в диапазоне миллиампер) в качестве амперметра, измеряющего от 10 до 20 ампер, вы должны поставить _________ в ___________ вместе с гальванометром. [Burns]
    a) резистор, последовательный
    b) резистор, параллельный
    c) конденсатор, последовательный
    d) 9015
    21 Проводимость — это электрическая величина, которая также может быть определена как обратная величине [Якобовица]
    a) индуктивность
    c) удельное сопротивление
    d) сопротивление
    22 Когда датчик вихревых токов приближается к проводящему образцу, чистый магнитный поток в системе [ECM]
    a) увеличивается
    b) уменьшается
    c) остается неизменным
    d) падает до нуля при контакте с деталью
    23 Плотность вихревого тока в образце [ECM]
    а) пропорциональна проводимости образца
    б) проницаемости пропорциональна проницаемости образец
    c) обратно пропорционален глубине от поверхности образца
    d) все вышеперечисленное
    24 Строго говоря, стандартное уравнение глубины скин-слоя; J / Jo = (e ^ -) sin (wt-), верно только для [ECM]
    a) толстый материал и плоские магнитные поля
    b) трубчатые изделия
    c) проверка тонкого листа
    d) все вышеперечисленное
    25 При 2 стандартных глубинах проникновения плотность вихревого тока составляет примерно ____ от плотности на поверхности. [ECM]
    a) 0,66
    b) 0,37
    c) 0,14
    d)
    26 При осмотре стержня с кольцевой катушкой плотность вихревого тока в центре стержня равна нулю для [ECM]
    a) стержней диаметром более 2
    b) стержни с радиусом больше 2
    c) все условия
    d) нет условий, всегда будет небольшая плотность тока
    27 Фазовая задержка вихревых токов в образце зависит от [ECM]
    a) глубины в образце
    b) сопротивления образца
    c) относительная магнитная проницаемость образца
    d) все вышеперечисленное
    28 Почему вихретоковые катушки не изготавливаются из железной проволоки? [Blitz]
    a) для предотвращения эффектов гистерезиса
    b) для упрощения математических расчетов
    c) для предотвращения чрезмерного нагрева 9 d) для рассмотрения катодного пробоя
    29 Чем выше значение индуктивности для данной частоты, тем больше степень [Blitz]
    a) балансирующая способность
    c) Коэффициент добротности
    d) емкостное реактивное сопротивление
    30 Датчик типа передачи-приема или трансформатора обеспечивает [Blitz]
    a) улучшенное соотношение сигнал / шум
    b) повышенная чувствительность
    c) как a, так и b
    d) нет преимуществ перед датчиками с одной спиралью

    % PDF-1.4 % 7988 0 объект > эндобдж xref 7988 138 0000000016 00000 н. 0000024425 00000 п. 0000024665 00000 п. 0000024703 00000 п. 0000025249 00000 п. 0000025278 00000 н. 0000025433 00000 п. 0000025719 00000 п. 0000025994 00000 п. 0000026263 00000 п. 0000026376 00000 п. 0000026491 00000 п. 0000026923 00000 п. 0000027488 00000 н. 0000027830 00000 н. 0000030154 00000 п. 0000030501 00000 п. 0000030766 00000 п. 0000031026 00000 п. 0000031233 00000 п. 0000031609 00000 п. 0000031900 00000 п. 0000032302 00000 п. 0000032587 00000 н. 0000033011 00000 п. 0000033040 00000 п. 0000033179 00000 п. 0000033298 00000 п. 0000053912 00000 п. 0000066856 00000 п. 0000089599 00000 н. 0000116705 00000 н. 0000117238 00000 п. 0000117528 00000 н. 0000138700 00000 н. 0000139691 00000 п. 0000139804 00000 н. 0000149584 00000 н. 0000149655 00000 н. 0000165915 00000 н. 0000165991 00000 н. 0000168530 00000 н. 0000168571 00000 н. 0000279755 00000 н. 0000279830 00000 н. 0000279958 00000 н. 0000280052 00000 н. 0000280141 00000 п. 0000280263 00000 н. 0000280352 00000 н. 0000280520 00000 н. 0000280609 00000 н. 0000280759 00000 н. 0000280921 00000 н. 0000281045 00000 н. 0000281135 00000 н. 0000281233 00000 н. 0000281323 00000 н. 0000281508 00000 н. 0000281598 00000 н. 0000281714 00000 н. 0000281923 00000 н. 0000282053 00000 н. 0000282153 00000 н. 0000282257 00000 н. 0000282344 00000 п. 0000282514 00000 н. 0000282633 00000 н. 0000282799 00000 н. 0000282916 00000 н. 0000283043 00000 н. 0000283143 00000 п. 0000283275 00000 н. 0000283401 00000 п. 0000283499 00000 н. 0000283627 00000 н. 0000283726 00000 н. 0000283862 00000 н. 0000283965 00000 н. 0000284149 00000 н. 0000284241 00000 п. 0000284341 00000 п. 0000284430 00000 н. 0000284606 00000 н. 0000284695 00000 н. 0000284871 00000 н. 0000284960 00000 н. 0000285150 00000 н. 0000285239 00000 п. 0000285415 00000 н. 0000285504 00000 н. 0000285680 00000 п. 0000285769 00000 н. 0000285941 00000 н. 0000286030 00000 н. 0000286214 00000 н. 0000286303 00000 н. 0000286477 00000 н. 0000286566 00000 н. 0000286760 00000 н. 0000286849 00000 н. 0000287033 00000 н. 0000287123 00000 н. 0000287301 00000 н. 0000287390 00000 н. 0000287570 00000 н. 0000287659 00000 н. 0000287841 00000 н. 0000287930 00000 н. 0000288100 00000 н. 0000288189 00000 н. 0000288361 00000 п. 0000288450 00000 н. 0000288622 00000 н. 0000288711 00000 н. 0000288863 00000 н. 0000288952 00000 п. 0000289114 00000 п. 0000289204 00000 н. 0000289386 00000 п. 0000289475 00000 п. 0000289657 00000 н. 0000289746 00000 н. 0000289920 00000 н. 00002

    00000 н. 00002 00000 н. 00002 00000 н. 00002 00000 н. 00002 00000 п. 00002 00000 н. 00002 00000 н. 00002

    00000 н. 00002

    00000 н. 00002 00000 н. 00002 00000 н. 00002 00000 н. 0000024187 00000 п. 0000003119 00000 п. трейлер ] / Назад 14689424 / XRefStm 24187 >> startxref 0 %% EOF 8125 0 объект > поток h ޔ ygXSi9H * RC ^ t! Th2.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *