Индуктивная катушка: что это и где используется

Индукционная катушка — это дроссель или изолированный проводник. Используется электрический каркас, композитные вставки. При рассмотрении понятия необходимо изучить свойства, основные особенности катушки индуктивности.

Определение устройства

Катушка индуктивности — это устройство, которое обладает малой емкостью и значительным сопротивлением. Дроссель является отменным проводником электрического тока, учитывается высокий показатель инерционности. Устройства применяются в качестве свернутого изолированного проводника. Винтовые, спиральные модификации способны справляться с помехами, колебаниями в сети.

Индукционная катушка

Важно! Устройство работает в цепях переменного тока при низкой и высокой частоте.

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.

Виды и типы

Различают низкочастотные, высокочастотные модели. В отдельную категорию выделяют винтовые, спиральные катушки. Также существуют модификации, которые используются в радиотехнике. Они подходят для защиты конденсатора либо резонансных контуров.

Устройства в радиотехнике

Для трансформаторов годятся катушки с усилителем каскадом. В последнюю категорию выделены вариометры, основное отличие — высокая частота колебательных контуров. Дроссели могут быть одинарными либо сдвоенными. От этого зависит показатель индуктивности и питания системы.

Низкочастотные

Для включения в электрическую цепь, применяется низкочастотная катушка индуктивности. Она предназначена для подавления переменного тока. В формуле учитывается циклическая частота и показатели индуктивности. За основу в устройствах берётся сердечник, который изготавливается из стали. Он может быть с фильтрами либо без них.

Чтобы влиять на частоту, происходит игра с сопротивлением. В цепи постоянного тока напряжение должно быть неизменным. С целью понижения частоты применяются фильтры. Основная проблема — это малая ёмкость. Чтобы детально ознакомиться с дросселем, стоит подробнее узнать о резонансной частоте, которая выделяется на контуре рабочего сигнала.

Когда в цепях повышается напряжение, на каркас оказывается нагрузка. В цепи постоянного тока задействуются непрозрачные проволочные резисторы. Также для этих целей подходят однослойные катушки типа «универсал». Их особенность — использование ферритовых стержней.

Низкочастотная катушка

Высокочастотные

Устройства изготавливаются с различными типами обмотки. Речь идет о наборе преимуществ, которые спасают в той или иной ситуации. Сфера применения элементов широка, учитывается значительная частота модуляции. Таким образом удается бороться с повышенным сопротивлением металлов. У катушек имеется сердечник.

Основная задача — это модуляция частоты генератора. Она происходит за счёт усиления сигнала, и за процессом можно проследить при подключении осциллографа. Многие высокочастотные катушки не отличаются стабильной работой, поскольку применяется керамический каркас. У него малый срок годности, плюс они восприимчивы к повышенной влажности.

Интересно! Современные товары изготавливаются из алюминия и являются компактными.

Электрикам известны контурные, безконтурные модификации высокой частоты. В зависимости от намотки учитывается стабильность электрических параметров. У моделей высокой частоты могут применяться магниты и провода. Речь идет о порошковых материалах, сделанных из диэлектриков.

Процесс изготовления связан с методом холодного прессования. Индуктивные датчики отличаются по защищенности. На предприятиях элементы могут погружать в раствор либо продевать в трубку. Это делается с целью избежания коротких замыканий. Мировые производители решают проблему путем использование вторичного витка.

Высокочастотная катушка

У моделей значительное сопротивление и есть проблема с концентрацией электролита. Таким образом изменяются свойства катушки индуктивности. Проводимость раствора падает и повышается частота электромагнитного поля.

Основные технические параметры

Катушки индуктивности имеют следующие характеристики:

Стабильность демонстрирует свойства устройства при изменении условий использования. Температура фиксируется вследствие различных причин. Многое зависит от размера каркаса. Когда температура уменьшается, индуктивность также снижается. Современные параметры — это цикличность, которая является отношением температуры к линейному расширению. Учитывается изменение в керамической основе плюс показатель плотности.

Температура отслеживается на горячей намотке. В этом плане хорошо себя показали многослойные дроссели с сердечником, которые сделаны из карбонильного железа. Ёмкость отображает количество витков катушки, берется в расчет количество секций и контуров. Высокочастотные модели считаются более емкостными и стабильными.

Номинальная индуктивность — это параметр, который учитывает изменение размеров волны. Измерение происходит в микрогенрах. Если смотреть на формулу, учитывается количество витков, длина намотки, плюс диаметр катушки.

Маркировка

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

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.

Источник

Применение катушек индуктивности

Если хорошо подумать, то всевозможных применений для такой простой на первый взгляд вещи как катушка индуктивности просто не счесть. В рамках одной статьи мы вспомним лишь некоторые из них. А между тем, человеческие изобретательность и талант не устают творчески проявлять себя, придумывая и разрабатывая все новые и новые устройства и механизмы на базе катушки индуктивности.

Казалось бы, что тут можно соорудить? Бесхитростный моток проволоки, может быть сердечник определенной формы, и ток, проходящий по проводу в постоянной, переменной или импульсной форме. А между тем, без катушек индуктивности вся современная электротехника просто не могла бы существовать. Давайте внимательно приглядимся.

Грузоподъемный электромагнит

Грузоподъемники в форме шайб-элекромагнитов применяют по всему миру на протяжении многих лет для погрузки ферромагнитных отходов. Подав в рабочую обмотку электрическую мощность в 18кВт, можно удержать и погрузить за раз более 2 тонн железа, тогда как развиваемое при данной мощности отрывное усилие превышает 25 тонн.

Электромагнит диаметром примерно 1,5 метра просто цепляется крюком подъемного крана, запитывается, как правило, трехфазным переменным напряжением, и можно оперативно вести погрузку ферромагнитных материалов или каких-нибудь железных изделий. Секционированные обмотки нескольких катушек индуктивности получают ток, намагничивая сердечник из специального сплава, а он в свою очередь притягивает, допустим, металлолом, который требуется погрузить в вагоны.

Электромагнитное реле

Допустим, вам необходимо просто прикоснуться пальцем к сенсору, а результатом должен стать процесс подключения к (или отключения от) сети мощной нагрузки, например лампы или двигателя. На помощь приходят электромагнитные реле. Благодаря реле вы можете отказаться от огромных кнопок выключателей, вместо этого теперь можно просто дотрагиваться до микрокнопок, на которые будет реагировать электронная схема, функция которой — подавать питание на обмотку реле или снимать с нее питание. Обмотка реле — это обмотка электромагнита (опять же катушка индуктивности), который притягивает подпружиненный контакт, выполняющий роль механического выключателя.

Трансформатор

Первичная обмотка при прохождении по ее проводу переменного тока, создает в объеме сердечника переменный магнитный поток, который пронизывает витки вторичной обмотки, и наводит в ней ЭДС, создает напряжение вторичной обмотки. Трансформаторы повышают напряжение электростанций и подают их на ЛЭП, а затем понижают напряжение от ЛЭП, и подают его в наши дома.

Не было бы трансформаторов (катушек индуктивности в роли первичной и вторичной обмоток) — не было бы ни передачи, ни распределения электроэнергии. Не говоря уже о лабораторных автотрансформаторах, сварочных трансформаторах, трансформаторах на феррите в импульсных блоках питания, и конечно ни о каких катушках зажигания в автомобилях речи бы не шло, а ведь катушки зажигания — это тоже особые, но трансформаторы, то есть снова катушки индуктивности.

Дроссель

Для преобразования электроэнергии в импульсных источниках питания используются специальные катушки индуктивности — дроссели. Функция такой катушки — сначала накопить энергию в форме магнитного поля в сердечнике, запасти ее там, потом — отдать нагрузке. Если трансформатор в одно и то же время преобразует электроэнергию, то дроссель — сначала энергию принимает, потом — отдает.

Процесс преобразования электроэнергии у дросселя разделен во времени. Тем не менее, вот вам снова применение катушки индуктивности, главного ее свойства. Импульс тока подается на обмотку дросселя, дроссель запасает энергию в магнитном поле. Затем импульс тока уже не действует, но к дросселю подключена нагрузка, и ток дросселя устремляется через нагрузку, но уже при другом напряжении, зависящем от временных характеристик схемы управления преобразователем. Так катушка индуктивности сплошь и рядом, например в энергосберегающих лампах, работает совместно с полупроводниковыми ключами.

Индукционные печи и индукционные плиты

Катушка индуктивности — это катушка с сердечником. А что если в качестве сердечника внутрь катушки, в ее поле действия, ввести какую-нибудь заготовку из ферромагнитного материала, который требуется нагреть вихревыми токами? Именно так работают индукционные печи и индукционные плиты. Катушка индукционного нагревателя выступает для ферромагнитной заготовки индуктором, наводя в ней вихревые токи высокой частоты, приводящие к разогреву заготовки вплоть до плавления.

Фильтр ВЧ-помех

Катушка индуктивности обладает свойством препятствовать изменению тока, она проявляет своего рода электромагнитную инерционность, заставляя ток как-бы просачиваться сквозь себя, потому что пока ток нарастает через катушку, создаваемое им магнитное поле не может изменяться мгновенно, изменение требует времени, катушка индуктивности словно тормозит своим магнитным полем изменение тока в собственном проводе.

В составе колебательного контура

Кстати, индукционные нагреватели зачастую имеют индуктор, соединенный параллельно с конденсатором, в таких условиях катушка индуктора тоже является составной частью колебательного контура. Кроме того, сам резонансный контур может выступать в качестве фильтра — пропускать и усиливать токи частот близких к собственной резонансной частоте, и подавлять частоты далекие от нее. В радиоприемниках антенны на феррите — тоже являются частью перестраиваемого колебательного контура.

Роторы и статоры двигателей и генераторов

Статор этого же генератора имеет трехфазную обмотку — это своего рода модификация катушки индуктивности. Даже асинхронный двигатель — и тот имеет обмотку статора, которую можно тоже назвать катушкой индуктивности. Мало того, индуктивности этих статорных катушек учитываются как таковые при подборе рабочих конденсаторов, например когда трехфазный двигатель необходимо адаптировать к питанию от однофазной цепи.

Датчики перемещения и положения

Индуктивные датчики перемещения и положения — это катушки индуктивности с модифицированными сердечниками. Часть сердечника катушки в форме пластины, перемещаясь изменяет индуктивность катушки, и частотные параметры схемы изменяются из-за изменения индуктивности. Так фиксируется наличие объекта в поле действия датчика. Или цилиндрический сердечник в форме штока может смещаться по мере движения связанного с ним объекта, и по частотным параметрам, связанным с изменяемой индуктивностью катушки, сердечник которой двигается, считывается информация о положении объекта.

Направление луча в ЭЛТ

В некоторых мониторах с электронно-лучевыми трубками поток заряженных частиц фокусируется и отклоняется специальными катушками отклоняющей системы. Катушки индуктивности отклоняющей системы установлены на ферритовом сердечнике особой формы, в который вставляется электронно-лучевая трубка. Регулируя ток в обмотках, схема изменяет параметры суммарного магнитного поля всех катушек системы, в результате лучу создается определенный путь для попадания в точно рассчитанное место на экране.

Электроклапан, электрозамок, втягивающее реле

Подобно магниту, который притягивает железные предметы, катушка способна втянуть в себя ферромагнитный сердечник той или иной формы. Приблизительно по такому принципу работают некоторые электрические замки, электромагнитные клапана и, как пример, втягивающее реле автомобильного стартера, перемещающее бендикс, и удерживающее его некоторое время в рабочем положении, пока двигатель не будет пущен. Мощная катушка сначала втягивает якорь, затем удерживает его. По выключении тока, бендикс возвращается на место пружиной.

Катушки магнитного удержания плазмы

Катушка Тесла

Говоря о катушках индуктивности, нельзя не вспомнить о легендарной катушке (или резонансном трансформаторе) Тесла. В данном случае катушка индуктивности работает одновременно и как трансформатор, и как колебательный контур, и как приемная антенна с открытой емкостью. Здесь нет конденсатора параллельно резонирующей катушке, как в индукционном нагревателе, но есть уединенная емкость в виде тороида.

Каждая катушка кроме параметра «индуктивность», обладает еще и емкостью, и собственным волновым сопротивлением. Все эти параметры учитываются при настройке трансформатора Тесла. Казалось бы, просто заземленная катушка индуктивности с тороидом наверху, введенная в собственный резонанс. Но как эффектно смотрится!

Источник

Катушка индуктивности

Катушка индуктивности (жарг. индуктивность) — пассивный двухполюсный компонент электрических и электронных устройств и систем. Основной параметр катушки индуктивности — величина её индуктивности, зависящая только от геометрических размеров и материалов и не зависящая от режима работы (тока и напряжения).

Применяются для подавления помех, сглаживания пульсаций, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных (колебательный контур) и частотноизбирательных цепях, в качестве элементов индуктивности искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков перемещений и так далее.

Содержание

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.

Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой на много превышает диаметр, называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно. Кроме того, зачастую соленоидом называют устройство, выполняющую 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 называют индукционным накопителем.

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 многослойная (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 часто имеют замкнутый или разомкнутый ферромагнитный сердечник, помехоподавляющие дроссели 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 используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах изменением положения сердечника относительно обмотки, как правило, ферромагнитного сердечника. На СВЧ, когда ферродиэлектрики теряют высокую магнитную проницаемость и резко увеличиваются потери, для этой цели применяются металлические (латунные) сердечники.

Свойства катушки индуктивности

Свойства катушки индуктивности:

Катушка индуктивности в электрической цепи для постоянного тока имеет только собственное омическое сопротивление, но имеет 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: , где — индуктивность катушки, — 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 . Величина этой энергии равна:

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

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

При замыкании катушки с током на резистор ток в цепи экспоненциально уменьшается в соответствие с формулой:

,

где : — ток в катушке,

— начальный ток катушки, — текущее время, — постоянная времени.

Постоянная времени выражается формулой:

,

где : — сопротивление резистора,

— омическое сопротивление катушки.

При закорачивании катушки с током процесс характеризуется собственной постоянной времени : катушки:

.

При стремлении к нулю, постоянная времени стремится к бесконечности, именно поэтому в сверхпроводящих контурах ток течёт «вечно».

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:

↔ , где ↔ ↔ ; ↔ ; ↔ ↔

Характеристики катушки индуктивности

Индуктивность

Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, численно равная отношению создаваемого током потока магнитного поля, пронизывающего катушку к величине протекающего тока. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.

Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки, намотанной на тороидальном сердечнике:

где — магнитная постоянная — относительная магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты) — площадь сечения сердечника — длина средней линии сердечника — число витков

При последовательном соединении катушек общая индуктивность равна сумме индуктивностей всех соединённых катушек:

При параллельном соединении катушек общая индуктивность равна:

Сопротивление потерь

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых импеданс катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь . Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране:

Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

Потери в диэлектрике

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

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

Потери в сердечнике

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на перемагничивание ферромагнетика гистерезис.

Потери на вихревые токи

Переменное магнитное поле индуцирует вихревые ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи (токи Фуко) становятся источником потерь из-за омического сопротивления проводников.

Добротность

С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика — добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна

Иногда потери в катушке характеризуют тангенсом угла потерь (величина, обратная добротности) — сдвигом фаз тока и напряжения катушки в цепи синусоидального сигнала относительно π/2 — для идеальной катушки.

Практически величина добротности лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями, намоткой вида «универсаль», применением посеребрёного провода, применением многожильного провода вида «литцендрат» для снижения потерь, вызванных скин-эффектом.

Паразитная емкость и собственный резонанс

Межвитковая паразитная емкость проводника в составе катушки индуктивности превращает катушку в сложную распределенную цепь. В первом приближении можно принять, что реальная катушка представляет эквивалентно собой идеальную индуктивность с параллельно присоединенным ей конденсатором паразитной емкости. В результате этого катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. Эта резонансная частота легко может быть измерена и называется собственной частотой резонанса катушки индуктивности. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный, при частотах вблизи резонанса в основном активный (на частоте резонанса чисто активный) и большой по модулю, на частотах много выше частоты собственного резонанса — ёмкостной. Обычно собственная частота указывается изготовителем в технических данных промышленных катушек индуктивности, либо в явном виде, либо косвенно — в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.

На частотах ниже собственного резонанса этот эффект проявляется в падении добротности с ростом частоты.

Для увеличения частоты собственного резонанса используют сложные схемы намотки катушек, разбиение одной обмотки на разнесённые секции.

Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)

ТКИ — это параметр, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры.

Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков; кроме того при изменении температуры изменяются диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведёт к изменению собственной ёмкости катушки. Очень существенно влияние температуры на магнитную проницаемость ферромагнетика сердечника.

Источник