для чего нужна катушка индуктивности в электрической цепи
Для чего нужна катушка индуктивности
Стандартная конструкция катушки индуктивности состоит из изолированного провода с одной или несколькими жилами, намотанными в виде спирали на каркас из диэлектрика, имеющего прямоугольную, цилиндрическую или тороидальную форму. Иногда, конструкции катушек бывают бескаркасными. Наматывание провода производится в один или несколько слоев.
Для того, чтобы увеличить индуктивность, используются сердечники из ферромагнитов. Они же позволяют изменять индуктивность в определенных пределах. Не всем до конца понятно, для чего нужна катушка индуктивности. Ее используют в электрических цепях, как хороший проводник постоянного тока. Однако, при возникновении самоиндукции, возникает сопротивление, препятствующее прохождению переменного тока.
Разновидности катушек индуктивности
Существует несколько вариантов конструкций катушек индуктивности, свойства которых определяют и сферу их использования. Например, применение контурных катушек индуктивности вместе с конденсаторами, позволяют получать резонансные контуры. Они отличаются высокой стабильностью, качеством и точностью.
Катушки связи обеспечивают индуктивную связь отдельных цепей и каскадов. Таким образом, становится возможным деление базы и цепей по постоянному току. Здесь не требуется высокой точностью, поэтому, для этих катушек используется тонкий провод, наматываемый в две небольшие обмотки. Параметры данных приборов определяются в соответствии с индуктивностью и коэффициентом связи.
Некоторые катушки используются в качестве вариометров. Во время эксплуатации их индуктивность может изменяться, что позволяет успешно перестраивать колебательные контуры. Весь прибор включает в себя две последовательно соединенных катушки. Подвижная катушка вращается внутри неподвижной катушки, тем самым, создавая изменение индуктивности. Фактически, они являются статором и ротором. Если их положение изменится, то поменяется и значение самоиндукции. В результате, индуктивность прибора может измениться в 4-5 раз.
В виде дросселей используются те приборы, у которых при переменном токе отмечается высокое сопротивление, а при постоянном – очень низкое. Благодаря этому свойству, они используются в радиотехнических устройствах в качестве фильтрующих элементов. При частоте 50-60 герц для изготовления их сердечников применяется трансформаторная сталь. Если частота имеет более высокое значение, то сердечники изготавливаются из феррита или пермаллоя. Отдельные разновидности дросселей можно наблюдать в виде так называемых бочонков, подавляющих помехи на проводах.
Где применяются катушки индуктивности
Сфера применения каждого такого прибора, тесно связана с особенностями его конструкции. Поэтому нужно обязательно учитывать ее индивидуальные свойства и технические характеристики.
Использование катушек индуктивности в быту: их устройство, особенности конструкции и назначение
Катушка индуктивности — это часть техники в цепи, используемые для самых разных функциональных возможностей. Например, их используют:
Из-за широкого применения данный элемент часто встречается как в устройствах малой, так и на устройствах большой мощности. Сегодня рассмотрим, где используют такие элементы и как они функционируют.
Принцип функционирования
Итак, данные элементы представляют собой устройства со спиральными обмотками из изолированных проводников. Такие устройства обладают повышенной индуктивностью, что является их преимуществом с учётом меньшей ёмкости.
Магнитное поле устройств способствует накоплению энергии. На картинке ниже можно увидеть, как такие элементы изображаются на схемах. Катушка индуктивности обозначена буквами «УГО».
Некоторые работают с сердечником, некоторые нет. Сердечник сильно повысит индуктивность элемента. Кроме того, степень индуктивности зависит от материалов, из которых создан сердечник в устройстве. Сердечники бывают сплошными и разомкнутые, во втором случае в них есть зазоры.
Подробнее рассмотрим принцип работы устройства. При повышении индукции ток всё меньше отстаёт от изменения напряжений. При этом в цепях переменного тока токовые фазы не отстают от фазы напряжения. На этом и основана работа элементы: энергия может накапливаться, а ток может задерживаться в цепях.
Это означает следующее: в случае разрыва цепей с повышенной индукцией напряжение станет повышенным, образуя электрическую дугу. Если конструкция включает в себя полупроводниковые ключи, их пробьёт.
Чтобы этого не произошло, необходимо задействовать снабберную цепь. Её создают из резисторов и конденсаторов, устанавливая параллельным способом с ключом.
Как различаются катушки индуктивности
Данные элементы цепей обладают большим количеством видов и типов, которые зависят от способа и целей их использования. Иногда их разделяют по частотам. Среди них можно выделить следующие виды:
От параметров устройства индуктивности зависит его особенности конструкции.
Намотки выполняют как в один, так и в несколько слоёв, приматывают к виткам или с расстоянием друг от друга. При этом различается даже расстояние: в зависимости от длины различают постоянные и прогрессивные шаги витков. От выбора вида наматывания и конструкции зависит конечный размер катушки.
Вариометр — это катушка, где индуктивность является переменной, она устроена немного иначе стандартных катушек.
Встречаются разные решения этого вида катушки:
Ротор является движущейся частью катушек. Статор неподвижной частью. Способы намоток тоже могут являться классификацией для катушек. Например, намотки в две стороны могут устранять помехи в сетях. Намотки по одной стороне устраняют помехи дифференциала.
Зачем используют
Как мы уже отмечали в нашей статье, катушки имеют очень широкое применение в электрических приборах. Ниже более подробно расскажем, где и в каких устройствах их используют. Катушка как дроссель. Чаще всего ограничивают ток. Применяют в следующих цепях:
Как ограничитель токов при коротких замыканиях на линиях электропередач тоже используют катушки в виде ограничивающих ток реакторов. При этом дроссели должны обладать пониженным сопротивлением, чтобы уменьшать нагрев.
Встречаются катушки контурного типа. При этом их применяют в электрических цепях вместе с конденсаторами. Частоты резонансов подбираются по частотам приёма и передач.
Катушка индуктивности как вариометр. Такие устройства можно настраивать. Могут очень точно настроить частоту. Встречаются в контурах колебаний.
Катушки индуктивности как соленоиды. Это элементы, которые длиннее своих диаметров. Благодаря этому в них образуются равномерные магнитные поля. Используют в механизмах с поступательным движением. Иногда такую катушку называют «электромагнитом». Более подробно расскажем, где использует такой вид устройства.
Соленоиды имеют широкое распространение. Они активируют замок в автомобиле, где штоки втягиваются, когда на элемент подаётся напряжение.
Они бывают звонками, или устройствами клапанов, магнитами на грузоподъёмных машинах на промышленных предприятиях.
В качестве электромагнитов такие катушки задействованы:
Обычно в таких ситуациях их называют не соленоидами, а обычными катушками. Используются в качестве рамочной и кольцевой антенны. При этом они передают радиосигнал.
Применяют в машинах, в искателях металла и других устройствах, где передаются сигналы на дистанции.
В качестве нагревателя с индукцией. Данные устройства чаще называют просто «индуктором». В качестве сердечников используется нагревательный элемент, как правило, выполненный из металлических материалов.
Характеристика элементов
К исключительным параметрам данного устройства относят следующие:
Маркирование элемента
Как и во всех маркировках, для них используют маркирование буквами и цветом. Маркировка буквами имеет несколько различий.
Маркирование цветом распознаётся как цвет на резисторах.
Это основные моменты, которые стоит знать об их функционировании и использовании. Если Вы хотите расширить знания и получить больше информации о работах катушек индуктивности, советуем посмотреть несколько видео от экспертов.
Как работает катушка индуктивности: ЛикБез
В радиоэлектронике частенько встречается такая штука, как катушка индуктивности. Ещё её называют индуктивным элементом. Эта деталь довольно важна и понимание принципа её функционирования важно для каждого грамотного человека, поэтому, давайте вместе разбираться для чего она нужна и как работает.
Что такое индуктивность «на пальцах»
Прежде, чем вникать в принцип работы катушки индуктивности, давайте вспомним, что вообще такое индуктивность в курсе физики и для чего она нужна или из-за чего появляется. Несмотря на то, что словом «индуктивность» часто упрощенно называют соответствующую радиодеталь, у термина есть и прототип в виде физического понятия. Вы наверняка помните, что если пропускать через провод электрический ток, то вокруг провода появляется магнитное поле.
Вокруг проводника с током появляется магнитное полеЕсли же согнуть этот проводник в бараний рог, то и линии магнитной индукции согнутся вместе с этим проводником. Получится довольно занятная картинка.
Магнитное поле вокруг согнутого проводника с токомСиловые линии магнитного поля от каждого витка проводника будто круги на воде объединяются и формируют внутри такой нехитрой конструкции почти прямые линии магнитной индукции. Полученная котовасия внутри пружины носит название «магнитный поток» и обозначается буквой Ф.
Ну и. Напрашивается сама катушка индуктивности
Собственно, логично предположить,что если скрутить такую пружинку особым образом, то можно получить разные индуктивности. Сделали пружинку и получили деталь с некоторой индуктивностью. Ну а если внутри такой детали разместить ещё и сердечник из определенного материала, то индуктивность тоже будет меняться.
Страшная самоиндукция
Есть у катушек индуктивности и ещё одно важное свойство, про которое просто необходимо знать! Это самоиндукция. Благодаря самоиндукции, сила тока в катушке индуктивности не может моментально увеличиваться или моментально падать. Она постепенно нарастает и постепенно уменьшается. Эффект по логике напоминает инертность в механике.Происходит это из-за того, что сформированный в катушке ток будет направлен против тока от источника питания и тем самым окажет ему сопротивление.Причиной порождения электрического тока в катушке является переменное магнитное поле. Мы ведь помним, что там, где магнитное поле, там и электрический ток. И наоборот.Вечная связка.
Вот и получается, что изменение магнитного поля катушки является причиной появления в ней нового электрического тока (или правильнее, но не понятнее говорить ЭДС самоиндукции), который препятствует прохождению основного тока. И пока он «раскочегарится» на максимальные значения выйти не получится. Как не получится и мгновенно всё отключить. А определяется всё это индуктивностью катушки или её способностью превращать электрический ток в магнитное поле. Ситуация очень запутанная и довольно сложная. Да и наука не до конца может объяснить каждый процесс. Поэтому, мы пользуемся стандартным определением и просто принимаем как факт, что есть такая закономерность. Ну и теперь логично предположить, что все эти фишки катушки индуктивности можно было бы удобно применить на практике. А как?
Для чего нужны катушки индуктивности?
Специфическая особенность этой детали позволяет делать весьма интересные схемы и получать самые разные результаты. Давайте перечислим только некоторые из них:
Смотрите мой проект на YouTube и подписывайтесь на телеграм!
Катушка индуктивности
Что такое катушка индуктивности
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:
В — магнитное поле, Вб
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:
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:
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.
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.
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:
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
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.
Отдалим витки катушки друг от друга
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.
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: