 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Котушки індуктивності та дроселі
|
Читайте также: |
Приклади застосувань котушок індуктивності. Імпеданс котушок індуктивності. Резонанс. Підрахунок параметрів котушок індуктивності без осердь та з осердями. Магнітне поле, магнітна проникність, магнітні втрати, поверхневий ефект, індукція (густина потоку)в осерді, виділення тепла, залежність від температури.
Явище появи е.р.с. в провіднику при зміні струму у ньому називається самоіндукцією. При під’єднанні катушки до джерела струму, струм, що протікатиме по ній почне зростати, зростатиме і магнітний потік, створений катушкою. Цей магнітний потік проходить через витки самої катушки і за законом Ленца створює е.р.с., яка протидіє зростанню струму, тобто змінний електричний струм у провіднику створює е.р.с. При розмиканні кола магнітне поле довкола котушки зникає не відразу. Воно створює у котушці е.р.с., напрям, якої збігається з напрямом струму, і підтримує його у котушці, тобто за законом Ленца перешкоджає його зменшенню.
Е.р.с. самоіндукції у котушці виникає не тільки при замиканні чи розмикання кола, а й при всякій зміні струму у ньому.
Отже е.р.с. самоіндукції пропорційна до швидкості зміни струму у колі
, (1)
де Е – е.р.с. самоіндукції;
L – коефіцієнт пропорціональності, що характеризує зв’язок між швидкістю зміни струму у колі та зпричиненою цією зміною е.р.с.;
знак мінус у формулі відповідає закону Ленца.
Коефіцієнт пропорційності L називається індуктивністю. Знайдемо її з (1)
. (2)
Перейдемо від диференціалів до приростів і з (2) знайдемо одиниці вимірювання індуктивності. Якщо Δt = 1c; ΔI = 1A; E = 1B отримаємо
(Генрі). 
Властивість котушки індуктивності через е.р.с. самоіндукції протидіяти різким змінам струму у колі широко використовується у електро та радіотехніці.
Дросель - це та ж котушка індуктивності, властивості якої залежать від того, якої частоти електричний струм потрібно зменшити (не пропустити), або виділити (пропустити) - низької або високої.
Дроселі використовують як елементи фільтрів. В електротехніці і радіотехніці використовують змінні струми з частотою (тобто кількістю коливань в секунду) від декількох до сотень мільярдів герц (Гц). Весь діапазон змінних струмів прийнято умовно підрозділяти на декілька ділянок. Струми порівняно невеликих частот в межах від 20 Гц до 20 кГц називають струмами низької, або звукової частоти, так як вони відповідають частотам звукових коливань; змінні струми з частотою від 20 до 100 кГц - струмами ультразвукової частоти, а струми з частотою від 100 кГц і більше - струмами високої частоти.
Дросель низької частоти схожий на електричний трансформатор з однією обмоткою. Обмотка дроселя, що містить багато витків ізольованого проводу, розташовується на зібраному зі сталевих пластин сердечнику і має велику індуктивність. Такий дросель надає сильну протидію всяким змінам струму, що протікає через обмотку: перешкоджає його наростання і, навпаки, підтримує регресний струм.
Існують і дроселі високої частоти. Їх застосовують для роботи в електричних колах, де проходять струми високої частоти. Високочастотні дроселі роблять у вигляді одношарових або багатошарових котушок, часто без сердечника. Вони мають великий опір для струмів високої частоти і пропускають струми низької частоти.
Настроювані фільтри (резонансні кола). Слугують для вибирання або послаблення певних частот. Для цього потрібні котушки з високим значенням добротності Q і доброю стабільністю. Такі котушки зазвичай навиті без осердя або мають карбонілове або феритове осердя - часто з повітряним проміжком. Популярні також тороїдальні котушки, котушки з регульованою індуктивністю, екрановані або без екрану.
Фільтри (завадопослаблювальні). Слугують для послаблення непотрібних сигналів (завад). Така котушка повинна мати високий імпеданс в широкій частотній смузі (низька добротність Q). Для цього підходять котушки з феритовим осердям. При малих струмах часто застосовується тороїдальне осердя, яке має замкнуте магнітне коло і мале поле розсіяння. При більших значеннях струмів виготовляється щілина або застосовується осердя з відкритим магнітним колом.
Фільтрування постійного струму і накопичення енергії. В імпульсних мережевих перетворювачах застосовуються дроселі для фільтрації високо частотних завад, а в перетворювачах постійного струму на постійний струм– для накопичення енергії. В таких випадках важливим є, щоб котушка добре працювала при високій сталій складовій струму без насичення осердя. В цих застосуваннях найчастіше застосовується феритові котушки.
Реактивний опір (імпеданс) котушок індуктивності Котушки для змінного струму є залежним від частоти опором, який називається реактансом, і опором для сталого струму, який по суті є опором застосованого дроту. Індуктивний реактанс вираховують за формулою:
XL=ωL, (3)
де ω=2·π·f – кутова частота в рад/с;
f – частота в Гц;
L – індуктивність в Гн.
Повний опір Z котушки для даної частоти містить реактивну складову XL є та активну складову RS:
. (4)
Для кращого розуміння індуктивної котушку як елемента електричного кола, можна застосувати спрощену схему, подану на рис. 1.
 |
Рис. 1 – Схема заміщення котушки індуктивності
L - індуктивність котушки; RS - послідовний опір, значення якого рівне опору дроту та інших втрат в дроті і в осерді; CL - власна ємність котушки.
Добротність Q (Q від англ. слова Quality) є відношенням реактивного опору котушки до її активного опору. Нижче значення опору дає вищу добротність Q і фільтри мають більшу крутизну скатів.
Q=XL /RS, (5)
Резонанс. Котушка індуктивності спільно з конденсатором створює резонансний контур, який характеризується резонансною частотою, при якій реактанси індуктивності і конденсатора є рівними. При резонансній частоті повний імпеданс системи індуктивність-конденсатор є найнижчим при послідовному з’єднанні (рис. 2.2.а). Формула для резонансної частоти
. (6)
Частота подається в Герцах, оскільки індуктивність L подається у Гн, то ємність CL - у Ф. Якщо L і CL подається відповідно в мГн і мкФ, то частоту отримаємо в МГц.
 |
Рис. 2 – Еквівалентні схеми та частотні залежності повного опору фільтрів який залежить вівд послідовного (а) та паралельного (б) з’єднань реактивних елементів.
Власна ємність котушки CL разом з індуктивністю створюють резонансний контур. Частота такого контуру називається частотою власного резонансу. Власна ємність може створювати проблеми на вищих частотах, оскільки, зазвичай, не передбачається її при підрахунках.
Підрахунок параметрів котушок індуктивності без осердь та з осердями. Енергію, накопичену в котушці індуктивності можна підрахувати за формулою
(7)
де W – енергія, Дж; L - індуктивність котушки, Гн; І - струм (А), що проходить через котушку.
Перед тим, як перейти до підрахунку параметрів котушок потрібно відмітити, що простий відрізок дроту також має індуктивність. Це важливо враховувати на високих частотах. Тому виводи котушок індуктивності повинні бути якомога коротші, наприклад, при послідовному підключенні з конденсатором. В противному випадку може виникнути нестійке коло. Індуктивність дроту визначається за формулою
. (8)
При довжині дроту l і діаметрі d в см, індуктивність отримаємо в мкГн. Коефіцієнт х залежить від частоти і форми. Якщо дріт прямий, то на високій частоті х=1, а на низькій частоті х =0,75.
Котушки індуктивності мають ряд недоліків, які є причиною того, щоб уникати їх застосування. Такими недоліками є труднощі з мініатюризацією, досить великі розміри та маса, трудоємкість виготовлення і найголовніший їх недолік погана повторюваність. Їх розрахунок і на сьогоднішній день є досить складним. Однак при певних обставини важко уникнути їх застосування. Сучасні ізоляційні матеріали дозволять використовувати котушки індуктивності при температурах від 200 до 500 оС.
Котушки індуктивності мають циліндричну спіральну форму витків які можуть намотуються в один або багато шарів. Для зменшення міжвиткової ємності використовують особливе намотування, яке полягає у тому, що витки одного шару лягають на інший не паралельно а під деяким кутом. Для збільшення індуктивності та підвищення добротності використовують магнітопроводи зі сталими та змінними властивостями.
Найчастіше вони мають броньову та тороїдальну форму (рис. 3). Броньова форма магнітопровода дозволяє змінювати індуктивність котушки шляхом введення сердечника з феромагнітного матеріалу. В низькочастотних котушках до 1 кГц використовують пермалой (прецизійний сплав з магнітно-м'якими властивостями, що складається з заліза і 45-82% нікелю). На вищих частотах (до 1 мГц) використовують ферити, а на частотах вищих 1 мГц котушки можуть мати або і не мати сердечники.
Рис. 3. Магнітопроводи для котушок індуктивності:
а) броньова форма; б) тороїдальна форма.
Для оцінки індуктивності одношарової циліндричної котушки можна використати приблизну формулу
(9)
де l – довжина котушки;
d – діаметр;
W – кількість витків.
Для багатошарової котушки
, (10)
Де dcp – середній діаметр котушки, 
;
dвн – внутрішній діаметр котушки;
dзн – зовнішній діаметр котушки;
h – висота котушки.
Якщо розміри підставити у мм то результат буде у мкГн.
Індуктивність тороїдальної котушки з магнітопроводом визначають за наступною формулою
(11)
Де μ – відносна магнітна проникливість магнітопроводу;
μ0 – магнітна проникливість вакууму μ0 =4π·10-7 Гн/м.;
lcp – середня довжина тороїда в метрах, що відповідає Rcp (рис. 3, а);
S – площа поперечного перетину тороїда в метрах.
Магнітне поле. За аналогією з електростатикою та напруженістю електричного поля напруженість H магнітного поля дорівнює
(12)
Де Um - магнітна напруга;
l – довжина ділянки магнітного кола.
Тоді
, (13)
Або за аналогією зі законом Ома
(14)
Де 
, а магнітний потік Ф є аналогом струму.
Одиницею магнітного потоку є Вебер (Вб).
Напруженість на ділянці магнітного поля є пропорційною до струму І та кількості витків W поділених на ефективну довжину шляху потоку
(15)
За аналогією зі законом Ома добуток IW отримав назву магніторушійної сили.
Одиницею магніторушійної сили є Ампер·виток (А·вит) W·І, але виражається вона в А, оскільки виток є безрозмірною величиною.
Напруженість магнітного поля дорівнює добутку кількості витків і струму, поділеному на ефективну довжину шляху потоку. Належить зауважити, що ця ефективна довжина не дорівнює фізичній довжині осердя.
Густина магнітного потоку В називається індукцією – це потік Ф, поділений на ефективну площу магнітної поверхні S
(16)
Густина потоку В має одиницю Тесла Тл: 1 Тл =1 Вб/м2.
Крива гістерезису (петля В/H) (рис. 4) показує залежність індукції В
 |
Рис. 4. Крива гістерезису
матеріалу від напруженості магнітного поля Н. У феромагнітному матеріалі в стані спокою магнітні домени є невпорядкованими, випадково поскладаними у різному порядку. В цілому об’ємі їх сумарна магнітна дія компенсується. Коли уводиться зовнішнє магнітне поле, молекулярні магнітні домени повернуться в такому напрямку, щоб він був ідентичний з магнітним потоком. Чим вища напруженість магнітного поля Н, тим більше магнітних доменів буде в такий спосіб повернуто. Коли всі частки, тобто магнітні домени будуть скеровані в тому самому напрямку, матеріал увійде в стан насичення ВS і не можна буде досягнути більшої індукції (густоти потоку), навіть тоді, коли додатково збільшити напруженість магнітного поля Н. Коли зменшити напруженість магнітного поля, то магнітна крива не повертається попереднім шляхом, оскільки частина магнітних доменів не повертається до свого попереднього положення. Коли напруженість магнітного поля дорівнює нулеві Н =0, то надалі існує певний потік в матеріалі. Ця індукція називається залишковою магнітною індукцією Вr. З метою зведення магнітного потоку в осерді до нуля, слід створити напруженість магнітного поля, скеровану в протилежному напрямку. Ця напруженість магнітного поля називається коерцитивною силою НС.
Поиск по сайту: