Электроника для начинающих: катушки индуктивности
71 В предыдущей части мы разобрали физическую основу индуктивности: выяснили, как электрический ток создаёт магнитное поле, познакомились с законом Фарадея и явлением самоиндукции. Теперь перейдём от физики к компонентам, в которых эти эффекты используются на практике.
Речь пойдёт о катушках индуктивности. Рассмотрим их устройство и разновидности, поведение при включении и отключении питания, основные формулы, единицы измерения и способы расчёта.
Время чтения: 13 минут
Электроника? Это очень просто!
Катушка индуктивности, или индуктор, — пассивный электронный компонент, использующий эффект электромагнитной индукции. В простейшем случае это проводник, уложенный в несколько витков.
Самоиндукция существует даже в прямом проводнике. Однако при низких частотах она настолько мала, что ею обычно можно пренебречь. Если провод свернуть в катушку, поля отдельных витков складываются, магнитный поток возрастает, а эффект становится значительно заметнее.
Обмотку выполняют в виде цилиндрической или плоской спирали, а также размещают вокруг кольцевого сердечника.
Какие бывают катушки индуктивности
Конструкция зависит от назначения компонента, рабочей частоты, требуемой индуктивности и допустимого тока. Одно из главных различий — наличие или отсутствие магнитного сердечника.
На принципиальных схемах обозначения таких компонентов также могут различаться.
Магнитный сердечник позволяет получить более высокую плотность потока. Поле обмотки воздействует на магнитные диполи материала, за счёт чего результирующее поле усиливается.
На практике это позволяет получить нужную индуктивность при меньшем количестве витков.
Для сердечников используют железо, железный порошок, ферриты и другие магнитные материалы. Каждый вариант имеет ограничения по рабочей частоте, потерям, насыщению и другим характеристикам. Подробнее этот вопрос рассмотрим в следующей части.
Катушки с воздушным сердечником
Название «воздушный сердечник» условно: фактически речь идёт об обмотке без магнитного сердечника.
Конструкция бывает разной — от нескольких витков медного эмалированного провода до планарных элементов, сформированных непосредственно в слоях печатной платы. На очень высоких частотах роль небольшой индуктивности может выполнять даже короткий участок проводника.
Такие компоненты часто применяются в радиотехнике. Отсутствие магнитного материала исключает связанные с ним потери, в частности, на гистерезис и вихревые токи.
Регулируемые катушки
Индуктивность некоторых компонентов можно изменять механически. Один из способов — регулировать эффективную длину обмотки скользящим контактом. Другой, более распространённый вариант — перемещать сердечник внутри неё.
Значение L зависит в том числе от магнитной проницаемости материала внутри обмотки. Перемещая ферритовый сердечник, параметр можно регулировать в определённых пределах.
Встречаются и сердечники из проводящих немагнитных материалов, например, латуни. Здесь работает другой механизм: вихревые токи вытесняют магнитный поток из центральной области, уменьшая эффективную площадь поля и значение L.
Ферритовые бусины
Несколько особняком стоят ферритовые бусины. По конструкции они напоминают катушку, вывернутую наизнанку: провод не наматывают вокруг сердечника, а пропускают через отверстие в феррите.
Иногда делают несколько витков, хотя во многих случаях достаточно одного проводника. Им может служить даже вывод электронного компонента.
Феррит увеличивает импеданс проводника для высокочастотной составляющей сигнала, благодаря чему подавляются помехи. Такие элементы часто устанавливают на питающих и сигнальных кабелях.
В отличие от обычной катушки, бусина предназначена прежде всего не для накопления энергии, а для подавления высокочастотных помех. Часть их энергии рассеивается в феррите в виде тепла.
Принцип работы катушки индуктивности
Главное свойство катушки можно сформулировать просто: она препятствует изменению проходящего через неё тока.
При установившемся постоянном токе идеальный компонент ведёт себя практически как проводник. Если ток начинает быстро увеличиваться или уменьшаться, возникает ЭДС самоиндукции.
При его росте увеличивается магнитный поток через витки. Возникающая противо-ЭДС направлена против приложенного напряжения и замедляет нарастание тока.
При уменьшении тока поле ослабевает, а возникающая ЭДС стремится сохранить его прежнее направление. Накопленная энергия начинает возвращаться в цепь.
Поэтому катушку правильнее рассматривать не как необычное «сопротивление», а как элемент, способный запасать энергию в магнитном поле и отдавать её обратно.
Что происходит при включении катушки
Рассмотрим идеализированную цепь с источником питания, резистором, катушкой и переключателем.
При переводе переключателя из положения B в положение A к цепи прикладывается напряжение. Ток начинает расти, одновременно увеличивается магнитный поток.
Согласно закону Фарадея, его изменение создаёт противо-ЭДС, направленную противоположно ЭДС источника. Поэтому ток не способен мгновенно достичь установившегося значения.
По мере его роста скорость изменения снижается, а вместе с ней уменьшается противо-ЭДС.
Через некоторое время процесс практически завершается. Магнитное поле становится постоянным, изменение потока прекращается, а противо-ЭДС стремится к нулю.
В идеальной модели после завершения переходного процесса катушка эквивалентна проводнику. У реального компонента остаётся сопротивление обмотки.
Математическое описание этого процесса рассмотрим ниже.
Что происходит при отключении катушки
Теперь переведём переключатель из положения A в положение B.
Ток уменьшается, поэтому созданное им поле ослабевает. Изменение магнитного потока снова индуцирует ЭДС, направление которой способствует сохранению прежнего тока.
Запасённая энергия начинает поступать обратно в электрическую цепь.
Ток продолжает течь и после отключения внешнего источника, пока запас энергии не будет передан другим элементам или рассеян в виде тепла.
С этим связан важный практический эффект. При физическом разрыве цепи с большой индуктивностью ток стремится сохраниться. Быстрое изменение магнитного потока способно создать высокое напряжение между контактами выключателя.
В результате может возникнуть искра, а при достаточной энергии — электрическая дуга.
Поэтому мощные реле, соленоиды, электродвигатели и другие индуктивные нагрузки требуют защиты ключевых элементов. Без неё контакты могут обгорать, а транзисторы и другие полупроводниковые ключи — выходить из строя.
К способам защиты от таких выбросов мы ещё вернёмся.
Гидравлическая аналогия катушки индуктивности
Индуктивность удобно сравнить с механической инерцией. Представьте тяжёлый маховик: его сложно мгновенно раскрутить и так же сложно сразу остановить.
С электрическим током происходит нечто похожее.
В исходной гидравлической аналогии используется насосное колесо с маховиком.
Если резко создать давление жидкости, массивное колесо сначала мешает увеличению потока. Затем оно раскручивается, и движение жидкости постепенно достигает установившегося режима.
Чем тяжелее маховик, тем больше времени требуется для изменения его скорости. Аналогично увеличение индуктивности усиливает противодействие быстрому изменению тока.
Если убрать давление после раскрутки колеса, накопленная механическая энергия некоторое время продолжит поддерживать движение жидкости.
Похожий процесс происходит и в электрической цепи: при снижении тока энергия магнитного поля возвращается и стремится сохранить его прежнее направление.
Гидравлическая модель не описывает все электромагнитные процессы, но хорошо иллюстрирует главное: ток, проходя через индуктивный элемент, не может измениться мгновенно.
Уравнение катушки индуктивности
Напряжение на катушке связано со скоростью изменения тока. Чем быстрее он меняется, тем выше возникающая ЭДС.
Эту зависимость описывает основное уравнение:
Коэффициент L называется индуктивностью.
Его значение определяется конструкцией: количеством витков, геометрическими размерами, способом намотки и материалом сердечника.
Если ток через идеальную катушку постоянен:
dI/dt = 0,
следовательно:
VL = 0.
При установившемся постоянном токе индуцированное напряжение отсутствует.
Чем выше dI/dt, тем больше напряжение самоиндукции. Поэтому резкое отключение индуктивной нагрузки может вызвать сильный выброс напряжения.
Основная единица индуктивности — генри (Гн, H).
Один генри соответствует значению, при котором изменение тока со скоростью 1 А/с создаёт ЭДС 1 В.
На практике чаще используются меньшие величины:
- 1 нГн = 10⁻⁹ Гн;
- 1 мкГн = 10⁻⁶ Гн;
- 1 мГн = 10⁻³ Гн.
Наногенри характерны для высокочастотных цепей и паразитных параметров. Микрогенри широко встречаются в импульсной электронике, миллигенри — в фильтрах, дросселях и низкочастотных устройствах.
От чего зависит индуктивность катушки
Индуктивность можно определить через магнитный поток и ток. Для нескольких витков связь записывается через потокосцепление:
Для соленоида с воздушным сердечником магнитный поток определяется его геометрическими параметрами.
Здесь:
N — число витков;
l — длина катушки;
A — площадь поперечного сечения;
μ — магнитная проницаемость материала внутри катушки.
После подстановки этих величин получаем выражение для индуктивности соленоида:
Из формулы следует важная зависимость: L пропорциональна квадрату числа витков.
Удвоение количества витков увеличивает её примерно в четыре раза.
Чтобы повысить значение вдвое, число витков потребуется увеличить примерно в √2 раза:
√2 ≈ 1,41,
то есть примерно на 41%.
В практических расчётах часто применяют упрощённые инженерные формулы.
Они учитывают геометрию конкретной конструкции и позволяют оценить необходимое количество витков, диаметр и длину намотки.
Для более сложных задач удобны специализированные калькуляторы, способные определить длину провода, сопротивление обмотки, число слоёв и другие параметры.
Каждый раз выводить необходимые зависимости из фундаментальных законов физики не требуется. В инженерной практике важнее понимать ограничения модели и правильно использовать готовые расчётные инструменты.
Энергия в катушке индуктивности
Идеальная катушка, подобно идеальному конденсатору, не расходует запасённую энергию. Она временно сохраняет её в магнитном поле и способна вернуть в цепь.
Энергия определяется выражением:
где:
EL — запасённая энергия, Дж;
L — индуктивность, Гн;
I — ток, А.
Из формулы следует, что запас энергии пропорционален L и квадрату тока. Поэтому даже небольшой компонент при большом токе способен накопить заметную энергию.
После отключения она должна куда-то перейти. Если безопасный путь не предусмотрен, результатом может стать выброс напряжения, искра или электрическая дуга.
Реальный компонент возвращает не всю накопленную энергию. Часть расходуется на нагрев обмотки, потери в сердечнике и другие процессы.
Здесь появляется следующее важное отличие практической схемы от теоретической модели: идеальных катушек в реальной электронике не существует.
Катушка использует эффект самоиндукции и запасает энергию в магнитном поле. Она препятствует резкому изменению тока: при его росте возникает противо-ЭДС, а при снижении запасённая энергия возвращается в цепь. Индуктивность L определяется числом витков, геометрией обмотки и свойствами сердечника.
Пока мы рассматривали почти идеальный компонент. В реальности сердечник может насыщаться и нагреваться, в нём возникают вихревые токи и потери на гистерезис, обмотка имеет собственное сопротивление, а между витками присутствует паразитная ёмкость. В следующей части разберём эти эффекты и выясним, чем реальная катушка отличается от идеальной.
15
37
92
