Катушка индуктивности, в первую очередь, представляет из себя именно катушку, то есть большое количество витков изолированного проводника. Причем наличие изоляции является важнейшим условием — витки катушки не должны замыкаться друг с другом. Чаще всего витки наматываются на цилиндрический или тороидальный каркас:
Рисунок 1 – разновидности каркасов для катушек
Важнейшей характеристикой катушки индуктивности является индуктивность. Индуктивность — это способность преобразовывать энергию электрического поля в энергию магнитного поля. Это свойство катушки связано с тем, что при протекании по проводнику тока вокруг него возникает магнитное поле:
Рисунок 2 –
А вот как выглядит магнитное поле, возникающее при прохождении тока через катушку:
Рисунок 3 –
1.1 Параметры катушки индуктивности
Главной характеристикой катушек называют индуктивность. Физическая величина, в СИ измеряемая Гн (генри), характеризующая величину мнимой составляющей сопротивления конструкции. Параметр показывает, как много магнитного поля запасет катушка.
Величину индуктивности катушки можно рассчитать по следующей формуле:
Давайте разберемся, что за величины входят в это выражение:
- μ0 — магнитная проницаемость вакуума. Это табличная величина (константа) и равна она следующему значению:
; - μ — магнитная проницаемость магнитного материала сердечника;
- S — площадь поперечного сечения катушки;
- N — количество витков;
- l — длина катушки.
Из формулы следует, что при увеличении числа витков или, к примеру, диаметра (а соответственно и площади поперечного сечения) катушки, индуктивность будет увеличиваться. А при увеличении длины — уменьшаться. Таким образом, витки на катушке стоит располагать как можно ближе друг к другу, поскольку это приведет к уменьшению длины катушки.
К вторичным параметрам катушек индуктивности относят:
- Добротность. Характеризует потери на активном сопротивлении.
- Собственная индуктивность.
- Температурная стабильность параметров.
1.2 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.
1.3 Катушка индуктивности в цепи постоянного тока
Итак, в первую очередь, давайте разберемся, что же происходит в самой катушке при протекании тока. Если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния.
Но это не значит, что в цепи постоянного тока использование катушки индуктивности не имеет смысла. Ведь именно в моменты включения/выключения тока, происходит взаимодействие катушки с цепью. Рассмотрим цепь:
Рисунок 4 –
Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь.
Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?
Ток через катушку начнет изменяться, поскольку в предыдущий момент времени он был равен 0. Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:
(1)
Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания. Таким образом, ЭДС самоиндукции будет препятствовать протеканию тока через катушку (индукционный ток будет компенсировать ток цепи из-за того, что их направления противоположны). А это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку IL будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна. Дальше, поскольку величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток, соответственно, наоборот будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, о чем говорится:
Рисунок 5 –
На первом графике мы видим входное напряжение цепи — изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение. На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать. Напряжения на катушке наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается. График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый). Таким образом, если в качестве нагрузки мы будем использовать лампу, то они загорится не сразу после замыкания переключателя, а с небольшой задержкой (в соответствии с графиком тока).
Аналогичный переходный процесс в цепи будет наблюдаться и при размыкании ключа. В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности пойдет на поддержание тока в цепи:
Рисунок 6 –
После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени. Напряжение же в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).
Так же было упомянуто, что величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, поэтому коэффициентом пропорциональности является ни что иное как индуктивность катушки:
(2)
1.4 Катушка индуктивности в цепи переменного тока
Рассмотрим цепь, в которой на катушку индуктивности подается переменный ток:
Рисунок 7 –
Ниже приведены зависимости тока и ЭДС самоиндукции от времени:
Рисунок 8 –
ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна и противоположна по знаку скорости изменения тока (формула 2).
Выше приведен график именно этой зависимости: между точками 1 и 2 ток изменяется, причем чем ближе к точке 2, тем изменения меньше, а в точке 2 в течение 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 и видно 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. На остальных участках ток протекает 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: ε < 0, I > 0, участок 3-4: ε > 0, I < 0). Таким образом, ЭДС самоиндукции препятствует возрастанию тока (индукционные токи направлены «навстречу» току источника). А на участках 2-3 и 4-5 все наоборот — ток убывает, а ЭДС препятствует убыванию тока (поскольку индукционные токи будут направлены в ту же сторону, что и ток источника и будут частично компенсировать уменьшение тока). И в итоге это приводит к очень интересному факту — катушка индуктивности оказывает сопротивление переменному току, протекающему по цепи. А значит, она имеет сопротивление, которое называется индуктивным или реактивным и вычисляется следующим образом:
(3)
Где ω — круговая частота: ω=2πf. f — это частота переменного тока.
Таким образом, чем больше частота тока, тем большее сопротивление будет ему оказывать катушка индуктивности. А если ток постоянный (f = 0), то реактивное сопротивление катушки равно 0, соответственно, она не оказывает влияния на протекающий ток.
Далее, если говорить о напряжении u, то по второму закону Кирхгофа:
(4)
А следовательно:
. (5)
Ниже представлены на одном графике зависимости тока и напряжения в цепи от времени:
Рисунок 9 –
Как видно, ток и напряжение сдвинуты по фазе 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.
2. Классификация катушек индуктивности
2.1 Терминология
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.
В силовой электротехнике (для ограничения тока при, например, коротком замыкании ЛЭП) называют реактором.
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.
2.2 Типы классификаций
В зависимости от назначения катушки индуктивности могут быть разделены на контурные, катушки связи и дроссели высокой частоты.
- Контурные катушки предназначаются для работы в колебательных контурах входных цепей приемных устройств, в узкополосных и широкополосных фильтрах, в промежуточных и оконечных цепях передающих устройств, задающих генераторах и т.д.
- Катушки связи используются для передачи энергии от оконечного каскада передатчика в антенное устройство и от антенного устройства – во входную часть приемника, а также для связи отдельных цепей различных каскадов радиоэлектронных устройств.
- Дроссели высокой частоты представляют собой катушки индуктивности, предназначающиеся для создания в электрической цепи реактивного сопротивления.
По конструктивным признакам катушки индуктивности подразделяют на катушки без магнитопроводов, катушки с магнитопроводами, катушки с экранами.
Рисунок 10 – Однослойные обмотки катушек индуктивности: а – сплошная; б – с шагом; в – плоская
По форме катушки индуктивности подразделяют на цилиндрические, спиральные и кольцевые.
Наибольшее применение находят катушки с постоянной индуктивностью а также катушки, индуктивность которых можно плавно изменять в небольших (менее 20 %) пределах – для подстройки. Катушки переменной индуктивности (вариометры) используют значительно реже.
Катушки индуктивности классифицируют по типу намотки (рис. 10), способу подстройки индуктивности, виду защиты (экранированные, неэкранированные).
АНТОН, ПИШИ ЗДЕСЬ
3. Маркировка
На практике наиболее часто встречаются два типа маркировки индуктивности - цветовая маркировка, по типу той, что используется для резисторов, и кодовая маркировка.
Цветовая маркировка:
Цветное кольцо, обозначающее первую цифру номинала, может быть шире,чем все остальные.
Кодовая маркировка:
Применяется два вида кодирования:
1. Первые две цифры указывают значение в микрогенри (мкГн, uH), последняя – количество нулей. Следующая за цифрами буква указывает на допуск. Например, код 101J обозначает 100 мкГн ± 5%. Если последняя буква не указывается – допуск 20%. Исключения: для индуктивностей меньше 10 мкГн роль десятичной запятой выполняет буква R, а для индуктивностей меньше 1мкГн – буква N.
Допуск: D=±0.3нГн, K=±10%, М=±20%.
Рисунок 11 –
2. Индуктивности маркируются непосредственно в микрогенри (мкГн, uH). В таких случаях маркировка 680К будет обозначать не 68 мкГн ± 10%, как в первом случае, а 680 мкГн ± 10%.
Рисунок 12 –
4. Применение катушек индуктивности
4.1 Электромагнит
Это самое простое применение катушки индуктивности. При прохождении электрического тока по проводу, вокруг него образуется постоянное магнитное поле. Чем больше витков в катушке и чем больше электрический ток, проходящий через нее, тем больше магнитный поток пронизывающий витки катушки.
Для увеличения силы притяжения электромагнита в катушку вводят ферромагнитный (стальной) сердечник.
Рисунок 13 –
Свойство катушки с проводом образовывать магнитное поле, используется в мощных электромагнитах, во всевозможных электромеханических реле, электрических двигателях и генераторах и т.д.
4.2 Фильтр