Что такое катушка индуктивности и как она работает


Катушка индуктивности (индуктор, в англ. - inductor) является одним из основных пассивных компонентов в электронике. В настоящее время основными пассивными компонентами электроники являются резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Индукторы тесно связаны с конденсаторами, поскольку они оба используют электрическое поле для хранения энергии и оба являются пассивными компонентами с двумя выводами. Но конденсаторы и катушки индуктивности имеют разные конструкционные свойства, ограничения и способы использования.

Что такое катушка индуктивности и как она работает

Индуктор — это двухконтактный компонент, который сохраняет энергию в своих магнитных полях. Его еще называют катушкой или дросселем. Он блокирует любые изменения тока, протекающего через него.

Катушка индуктивности характеризуется величиной индуктивности, которая представляет собой соотношение изменения напряжения (ЭДС) и тока внутри катушки. Единица индуктивности — Генри . Если ток, протекающий через катушку индуктивности, изменяется со скоростью один ампер в секунду и внутри катушки создается ЭДС напряжением 1 В, то значение индуктивности составит 1 Генри.

В электронике дроссель со значением Генри используется редко, поскольку это очень высокое значение с точки зрения применения. Обычно в большинстве приложений используются гораздо более низкие значения, такие как Милли Генри, Микро Генри или Нано Генри.

Символ Значение Как соотносится с Генри
mH Милли Генри 1/1000
uH Микро Генри 1/1000000
nH Нано Генри 1/1000000000

Обозначение катушки индуктивности на схемах показано на следующем рисунке.

Обозначение катушки индуктивности на схемах

Этот символ представляет собой скрученные провода, что означает, что провода сконструированы так, чтобы превращаться в катушку.

Конструкция катушки индуктивности

Катушки индуктивности формируются с использованием изолированных медных проводов, которые далее формируются в виде катушки. Катушка может быть разной по форме и размеру, а также может быть обернута разными материалами.

Конструкция простейшей катушки индуктивности

Индуктивность катушки сильно зависит от множества факторов, таких как количество витков провода, расстояние между витками, количество слоев витков, тип материала сердечника, его магнитная проницаемость, размер, форма и т. д.

Конструкция реальных катушек индуктивности

Существует огромная разница между идеальным индуктором и реальными катушками индуктивности, используемыми в электронных схемах. Реальная катушка индуктивности имеет не только индуктивность, но также емкость и сопротивление. Плотно намотанные катушки создают измеримую паразитную емкость между витками катушки. Эта дополнительная емкость, а также сопротивление провода изменяют высокочастотное поведение катушки индуктивности.

На нашем сайте катушки индуктивности использовались в следующих проектах:

Как работает катушка индуктивности?

Прежде чем обсуждать дальнейшее, важно понять разницу между двумя терминами: магнитным полем и магнитным потоком .

При протекании тока по проводнику создается магнитное поле. Эти две вещи линейно пропорциональны. Следовательно, если ток увеличить, магнитное поле тоже увеличится. Это магнитное поле измеряется в единице СИ, Тесла (Тл).  А что же такое магнитный поток? Это количество магнитного поля, которое проходит через определенную область. Магнитный поток также имеет единицу измерения в стандарте СИ, это Вебер.

Итак, на данный момент между индукторами существует магнитное поле, создаваемое протекающим через них током. Для дальнейшего понимания необходимо понимание закона индуктивности Фарадея. Согласно закону индуктивности Фарадея, создаваемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

VL = N (dΦ / dt)

Где N - количество витков, Φ - величина потока.

Одна общая стандартная конструкция и работа катушки индуктивности могут быть продемонстрированы как медная проволока, плотно намотанная на материал сердечника. На изображении ниже медный провод плотно обмотан вокруг материала сердечника, что делает его пассивным индуктором с двумя выводами.

Конструкция пассивного индуктора

Когда ток течет по проводу, электромагнитное поле будет развиваться поперек проводника, и будет генерироваться электродвижущая сила или ЭДС в зависимости от скорости изменения магнитного потока. 

Говорят, что индуктивность намотанной катушки в материале сердечника равна

µN2A / L

где N - количество витков;

A — площадь поперечного сечения материала сердцевины;

L — длина катушки;

µ — проницаемость материала сердцевины, которая является постоянной.

Формула создаваемой обратной ЭДС:

Vemf(L) = -L (di / dt)

где di/dt — скорость изменения тока,

L — самоиндукция.

Направление индуцированной ЭДС будет противоположно направлению приложенного источника тока.

Почему катушка индуктивности блокирует переменный ток, а не постоянный?

Это довольно интересно. Чтобы это понять, нужно понять закон Ленца. Согласно закону Ленца, направление тока, индуцируемого в проводнике из-за изменения магнитного поля, таково, что оно создает магнитное поле, противодействующее вызвавшему его изменению.

Итак, есть два утверждения. Первое — подать постоянный ток на катушку индуктивности, а второе — подать на катушку индуктивности переменный ток.

Когда переменный ток протекает через катушку индуктивности он изменяет поток тока, которому противодействует катушка индуктивности, увеличивая реактивное сопротивление. Чем выше частота переменного тока, тем выше скорость изменения тока и тем выше эффект блокировки со стороны катушки индуктивности.

Но в то время, когда постоянный ток протекает через катушку индуктивности то она (катушка) действует для него как короткое замыкание с очень низким сопротивлением. В установившемся режиме постоянного тока скорость изменения тока равна нулю, что дополнительно приводит к нулю di/dt. Таким образом, не было индуцированного напряжения, и катушка индуктивности не противодействовала потоку постоянного тока.

Что произойдет, если мы применим переключение постоянного тока через катушку индуктивности?

Давайте рассмотрим схему ниже.

Схема для демонстрации протекания постоянного тока через катушку индуктивности

В схеме на дроссель (катушку индуктивности) подается источник напряжения с помощью переключателя. Этот переключатель может представлять собой что угодно, например транзисторMOSFET или любой типичный переключатель, который будет подавать источник напряжения на катушку индуктивности.

Работа катушки индуктивности при переключениях постоянного тока

Есть два состояния схемы.

Когда переключатель разомкнут, ток в катушке индуктивности не протекает, а скорость изменения тока равна нулю. Значит, ЭДС тоже равна нулю.

Когда переключатель замкнут, ток от источника напряжения к катушке индуктивности начинает расти, пока ток не достигнет максимального установившегося значения. В это время ток, протекающий через индуктор, увеличивается и скорость изменения тока зависит от величины индуктивности. Согласно закону Фарадея, катушка индуктивности генерирует обратную ЭДС, которая сохраняется до тех пор, пока постоянный ток не перейдет в стабильное состояние. В установившемся состоянии ток в катушке не меняется, и ток просто проходит через катушку.

В течение этого времени идеальный индуктор будет действовать как короткое замыкание, поскольку он не имеет сопротивления, но в практической ситуации ток течет через катушку, а катушка имеет сопротивление, а также емкость.

В другом состоянии, когда переключатель снова замыкается, ток катушки индуктивности быстро падает, и снова происходит изменение тока, что в дальнейшем приводит к генерации ЭДС.

Ток и напряжение в катушке индуктивности

Ток и напряжение в катушке индуктивности

На графике выше показано состояние переключателя, ток катушки индуктивности и наведенное напряжение в постоянной времени.

Мощность через индуктор можно рассчитать по закону мощности Ома, где P = напряжение x ток. Следовательно, в таком случае напряжение равно –L(di/dt), а ток – i. Итак, мощность в индукторе можно рассчитать по следующей формуле

PL = L (di / dt) i

Но в устойчивом состоянии настоящий индуктор действует как резистор. Таким образом, мощность можно рассчитать как

P = V2R

Также возможно рассчитать запасенную в катушке индуктивности энергию. Катушка индуктивности хранит энергию с помощью магнитного поля. Энергию, запасенную в катушке индуктивности, можно рассчитать по следующей формуле:

W(t) = Li2(t)/2

Существуют различные типы катушек индуктивности с точки зрения их конструкции и размера. По конструкции они могут иметь воздушный сердечник, ферритовый сердечник, железный сердечник и т. д. По форме доступны различные типы катушек индуктивности, такие как тип барабанного сердечника, тип дросселя, тип трансформатора и т. д.

Применение катушек индуктивности

Катушки индуктивности находят применение в следующих областях:

  1. В радиопередатчиках и радиоприемниках.
  2. SMPS и другие источники питания.
  3. В трансформаторах.
  4. В сетевых фильтрах для ограничения пускового тока.
  5. Внутри механических реле и т. д.
(Проголосуй первым!)
Загрузка...
394 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *