дроссель катушка индуктивности чем отличаются
Микро-ликбез по электронике. Часть 2.
Трансформатор.
Если на одном сердечнике намотать несколько независимых обмоток, то получится трансформатор. Каждая по отдельности обмотка будет вести себя как дроссель (катушка индуктивности), но между обмотками будет существовать связь. Если к выводам одной (первой) обмотки приложить напряжение, то и на всех остальных обмотках тоже появится разность напряжений, причём величина этой разности будет во столько раз больше чем на первой обмотке, во сколько раз в это обмотке больше витков, чем в первой.
Иногда играет роль направление обмотки. От него зависит полярность выходного напряжения (точнее фаза). На схемах, начало обмотки обозначается точкой. Иногда обмотки трансформатора включают последовательно, при этом, в зависимости от направления обмоток, общее напряжение складывается (если обмотки в одну сторону) и вычитается (если намотаны в противоположные).
Трансформатор можно применять как для изменения величины напряжения (изменяя соотношение количества витков), так и для гальванической развязки (обмотки электрически не связаны между собой, между ними существует только магнитная связь, т.е. только разность напряжений на одной обмотке зависит от разности напряжений на другой.) Важным свойством трансформатора является то, что мощность прилагаемая к одной обмотке, будет равна мощности на другой обмотке. Т.е. P1=P2 = U1 * I1=U2 * I2. Таким образом, если на второй обмотке напряжение меньше, то ток будет больше. На трансформатор можно подавать только переменное напряжение, т.к. на его его обмотках, как и любой катушке индуктивности, не может быть постоянного напряжения (иначе ток бы неприлично вырос).
Трансформатор в каком-то приближении можно представить в виде рычага, где одно плечо, это одна обмотка, второе плечо – вторая обмотка. Нередко встречаются трансформаторы с более чем двумя обмотками.
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:
Катушка индуктивности, дроссель.
К точной и компьютерной технике технике больше близок дроссель (Drossel, регулятор, ограничитель), так как он чаще всего применяется в цепях питания процессоров, видеокарт, материнских плат, блоков питания & etc. В последнее время, применяются индукторы закрытые в корпуса из металлического сплава для уменьшения наводок, излучения, шумов и высокочастотного свиста при работе катушки.
Дроссель служит для уменьшения пульсаций напряжения, сглаживания или фильтрации частотной составляющей тока и устранения переменной составляющей тока. Сопротивление дросселя увеличивается с увеличением частоты, а для постоянного тока сопротивление очень мало. Характеристики дросселя получаются от толщины проводника, количества витков, сопротивления проводника, наличия или отсутствия сердечника и материала, из которого сердечник сделан. Особенно эффективными считаются дроссели с ферритовыми сердечниками (а также из альсифера, карбонильного железа, магнетита) с большой магнитной проницаемостью.
Используется в выпрямителях, сетевых фильтрах, радиотехнике, питающих фазах высокоточной аппаратуры и другой технике требующей стабильного и «правильного» питания. Многослойная катушка может выступать и в качестве простейшего конденсатора, так как имеет собственную ёмкость. Правда, от данного эффекта пытаются больше избавиться, чем его усиливать и он считается паразитным.
Как работает дроссель.
Каково устройство дросселя, на чем основан принцип его работы?
Для этого требуется собрать простейшую электрическую цепь, состоящую из низковольтного источника постоянного тока (батарейки), маленькой лампочки накаливания, на соответствующее напряжение и достаточно мощного дросселя (можно взять дроссель от лампы ДРЛ-400 ватт).
В радиочастотных катушках малой индуктивности, для точной подстройки применяются сердечники стержеобразной формы. Материалами для них могут являться ферриты с относительно небольшой магнитной проницаемостью, иногда немагнитные материалы с проницаемостью меньше 1.
У катушки, намотанной на сердечник, кроме реактивного(Xl) имеется и активное сопротивление(R). Таким образом, полное сопротивление катушки индуктивности равно сумме активной и реактивной составляющих.
Как работает трансформатор.
Если подключить к вторичной обмотке какую-либо нагрузку, в ней возникнет ток(Is ). Это вызовет пропорциональное увеличение тока(Ip ) и в первичной обмотке. Будет верным соотношение:
Трансформаторы могут применяться как для преобразовния питающего напряжения, так и для развязки и согласования усилительных каскадов. При работе с трансформаторами необходимо обратить внимание на ряд важных параметров, таких как:
1. Допустимые токи и напряжения для первичной и вторичной обмоток.
3. Диапазон рабочих частот трансформатора.
Параллельный колебательный контур.
Цветовая и кодовая маркировка индуктивностей.
Обычно для индуктивностей кодируется номинальное значение индуктивности и допуск, т.е. допускаемое отклонение от указанного номинала. Номинальное значение кодируется цифрами, а допуск — буквами. Применяется два вида кодирования.
Первые две цифры указывают значение в микрогенри (мкГн), 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 1 мкГн — буква N.
D=±0,3 нГн; J=±5%; К=±10%; M=±20%
Индуктивности маркируются непосредственно в микрогенри (мкГн). В таких случаях маркировка 680К будет означать не 68 мкГн ±10%, как в случае А, а 680 мкГн ±10%.
Как измерить индуктивность катушки, дросселя.
Что такое катушка индуктивности, дроссель
К числу элементов, без которых невозможно построить радиоприемник, телевизор, магнитофон и многие другие радиоприборы, относятся катушки и дроссели. Их важнейшей характеристикой является индуктивность. В цепях переменного тока катушки и дроссели ведут себя как резисторы, сопротивление которых растет с увеличением частоты.
Индуктивность измеряют в Генри (Гн), миллигенри (1 мГн=10-3 Гн), микрогенри (1 мкГн=10-6 Гн) и наногенри (1 нГн=10г9 Гн).
Одно из первых условных обозначений катушки напоминало рисунок спирали из провода, которым намотана катушка. Позже витки катушек стали изображать в виде пересекающихся дуг окружностей. ГОСТ 7624—62 установил новое обозначение, построенное из нескольких полуокружностей, соприкасающихся концами (рис. 1).
Рис. 1. Обозначение катушки.
В ГОСТ 2.723—68, входящем в ЕСКД, это обозначение сохранено, однако для обеспечения соотаетствующих пропорций в размерах символа и большей выразительности его в сочетании с другими обозначениями установлено определенное число полуокружностей, равное четырем.
Индуктивность катушек, используемых в колебательных контурах радиовещательных приемников, в зависимости от диапазона частот составляет от долей и единиц микрогенри (УКВ и KB) до нескольких миллигенри (ДВ).
Катушки с регулируемой индуктивностью
В радиоприемной и радиопередающей аппаратуре нередко применяют катушки с регулируемой индуктивностью, являющиеся основным органом настройки колебательного контура в широком диапазоне частот.
Часть витков такой катушки наматывают на каркасе большего диаметра, а другую часть — на каркасе меньшего диаметра. Малую катушку помещают внутрь большой и закрепляют на валике, ось которого перпендикулярна оси большой катушки, а выводы обмоток соединяют последовательно.
При повороте валика взаимное влияние катушек изменяется, а в результате изменяется и индуктивность. Такие устройства получили название вариометров. На схемах их изображают двумя символами катушек, расположенными параллельно или перпендикулярно один другому. Изменение индуктивности показывают знаком регулирования, пересекающим оба символа (рис. 2).
Рис. 2. Катушка с переменной индуктивностью и ее обозначение на принципиальных схемах.
Вариометры
В антенных контурах коротковолновых передатчиков и специальных приемников УКВ применяют вариометры с переменным числом витков. Такой вариометр состоит из цилиндрического или конического каркаса со спиральной канавкой, в которую уложен провод катушки.
К выступающей над каркасом части провода прижимается контактный ролик или пружинящая щетка, которые при вращении катушки скользят по виткам и перемещаются в плоскости, параллельной образующей цилиндра или конуса. Таким образом, в контур оказывается возможным ввести необходимое число витков, т. е. получить нужную индуктивность.
В условном обозначении вариометра подобной конструкции ролик или щетку изображают в виде стрелки, острие которой касается выпуклой части полуокружности основного символа (рис. 3).
Рис. 3. Обозначение вариоиетра.
Вариометры характеризуются плавным изменением индуктивности. Для ее ступенчатого изменения, а также в некоторых других случаях у катушек делают отводы. Условные обозначения катушек с отводами показаны на рис. 4.
Рис. 4. Обозначение катушек индуктивности с отводами от витков.
Магнитопроводы для катушек
Важным параметром, характеризующим качество катушек, является добротность, численно равная отношению ее индуктивного сопротивления переменному току данной частоты к сопротивлению постоянному току. Чтобы увеличить добротность, пользуются разными конструктивными приемами, но наибольший эффект дает введение в катушку магнитопровода (сердечника) из специального магнитного материала.
При внесении магнитопровода в катушку силовые линии магнитного поля концентрируются в магнитопроводе, так как его сопротивление магнитному потоку значительно меньше, чем воздуха.
В результате магнитный поток, а следовательно, и индуктивность катушки увеличиваются в несколько раз, что позволяет уменьшить число витков, а значит, и сопротивление катушки постоянному току. Кроме того, используя магнитолроводы, удается значительно уменьшить размеры катушек и очень простым способом (перемещением магнитопровода) осуществить регулировку их индуктивности.
Поскольку катушки с магнитопроводами обычно работают в цепях переменного тока (исключение — катушки электромагнитных реле и некоторые другие), применять оплошные магнитопроводы из обычных магнитных материалов нельзя.
Под действием переменного магнитного поля в сплошном магнитопроводе, который можно рассматривать как множество короткозамкнутых витков, возникают так называемые вихревые токи, которые нагревают магнитапровол, бесполезно потребляя часть энергии магнитного поля.
Чтобы уменьшить эти потери, магнитопроводы катушек, работающих в диапазоне звуковых частот, набирают из отдельных тонких изолированных пластин, изготовленных из специальных электромеханических сталей или пермаллоя.
В области радиочастот стальные магнитопроводы, даже набранные из очень тонких пластин, неприменимы, так как потери на вихревые тоКи в них недопустимо велики. Магнитопроводы для катушек, предназначенных для работы на радиочастотах, изготовляют из специальных материалов: маг-нитодиэлектриков и ферритов.
В магнитодиэлектриках мельчайшие частички вещества, содержащего в своем составе железо, равномерно распределены в массе какого-либо диэлектрика (бакелита, стирола, амино-пласта). Наиболее широко применяют магнитопроводы из альсифера (сплав алюминия, кремния и железа) и карбонильного железа.
Ферритовые магнитопроводы, катушки с ферритовыми сердечниками
Ферриты, получившие широкое распространение в последние три десятилетия, 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.
До введения ГОСТ 2.723—68 магнитопроводы из магнитодиэлектриков и ферритов обозначали на схемах одинаково—утолщенной штриховой линией (рис. 5,а).
Стандарт ЕСКД оставил этот символ для магнитопроводов из магнито-диэлектрика, а для ферритовых ввел обозначение, применявшееся ранее только для магнитопроводов низкочастотных дросселей и трансформаторов — сплошную жирную линию (рис. 5,б).
Рис. 5. Обозначение катушки с магнитопроводом.
Опасения некоторых специалистов, что одинаковые обозначения катушек с магнитопроводами из стали и феррита затруднят чтение схем не подтвердились. Дело в том, что при изучении схем обращают внимание не только на символы отдельных элементов, но и на то, как они соединены между собой в той или иной функциональной группе, какое место в цепи преобразования сигнала эти группы занимают.
И если, например, каскад радиочастотный, то катушку со сплошным магнитопроводом нельзя спутать с низкочастотным дросселем. Согласно последней редакции ГОСТ 2.723—68 (март 1983 г.) магнитопроводы катушек изображают линиями нормальной толщины (рис. 5,в).
Желая показать на схеме катушку, индуктивность которой можно изменять с помощью магнитопровода, в ее условное обозначение вводят знак под-строечного регулирования.
Сделать это можно двумя способами: либо пересекая этим знаком обозначения катушки и магнитопровода (если он изображен сбоку от символа катушки — см. рис. 6,а), либо только магнитопровода (если он изображен над символом катушки — см. рис. 6,6).
Рис. 6. Катушки, индуктивность которой можно изменять с помощью сердечника-магнитопровода.
Для подстройку катушек на частотах выше 15. 20 МГц часто применяют магнитопроводы из так называемых немагнитных материалов (меди, алюминия и т. п.).
Немагнитный магнитопровод-подстроечник обозначают так же, как и ферритовый, но рядом указывают химический символ металла, из которого он изготовлен (в обозначении катушки, показанном на рис. 6,в, изображен подстроечник, изготовленный из меди).
Литература: В.В. Фролов, Язык радиосхем, Москва, 1998.