Дроссель и катушка индуктивности в чем разница

Катушки индуктивности и дроссели (типы, характеристики, расчет и намотка)

Современное определение катушки индуктивности характеризует ее как элемент электрической цепи (двухполюсник), обеспечивающий заданную в ней индуктивность. Катушки индуктивности применяются в самой разнообразной радиоэлектронной аппаратуре. Их качество и параметры оказывают большое влияние на работу радиоэлектронных устройств. Катушки индуктивности применяются для настройки колебательных контуров на данную частоту (катушки настройки, рис. 1.5), для передачи электрических колебаний из одного контура в другой (катушка связи), для разделения или ограничения электрических сигналов различной частоты (дроссели) и т.д. В детекторных, ультра- и коротковолновых радиоприемниках довольно часто используют для настройки на радиостанции вариометры. Вариометр представляет собой устройство плавного механического изменения индуктивности катушки. В катушке, состоящей из двух соединенных последовательно катушек, изменение индуктивности производится изменением их положения относительно друг друга. Если катушка имеет магнитный сердечник, то ее индуктивность изменяется его перемещением. Известны различные конструкции вариометров. В наиболее известной конструкции вариометра одна катушка вращается внутри другой.

Рис. 1.5. Конструкции контурных катушек индуктивности, выполненные на ферритовых стержнях: а — СВ и ДВ; 6 — КВ

Дроссель от немецкого слова — «сокращать» является разновидностью катушки индуктивности. Свойства такой катушки зависят от того, какой частоты электрический ток нужно «сокращать» или «задерживать». Дроссель включают в электрическую цепь для подавления переменной составляющей тока в цепи, либо для разделения или ограничения сигналов различных частот. В зависимости от назначения дроссели делятся на высокочастотные и низкочастотные. Это различие относится и к конструктивному их исполнению. Дроссели высокой частоты изготовляют в виде однослойных или многослойных катушек без сердечников или с сердечниками. Для дросселей длинных и средних волн применяют секционную намотку. Дроссели на коротких и метровых волнах имеют однослойную намотку, сплошную или с принудительным шагом.

Для уменьшения габаритов дросселей применяют магнитные сердечники. Дроссели высокой частоты с сердечниками из магнитодиэ-лектриков и ферритов имеют меньшую собственную емкость и могут работать в более широком диапазоне частот. Низкочастотный дроссель подобен электрическому трансформатору с одной обмоткой.

Катушка индуктивности характеризуется номинальным значением индуктивности. Основной единицей в системе СИ является генри (Гн). На практике пользуются производными от генри единицами — миллигенри (мГн), микрогенри (мкГн) и наногенри (нГн), которые связаны с основной единицей следующим образом:

В литературе прошлых лет встречается единица измерения индуктивности — сантиметр:

1см = 10^-9 Гн = 10^-6 мГн = 10^-3 мкГн.

Сердечники катушек индуктивности

Для уменьшения потерь в сердечниках катушек используются маг-нитодиэлектрики — материалы, у которых частицы размельченного фер-ритового вещества разделены между собой диэлектриком. К числу таких материалов относятся известные альсифер и карбонильное железо. В последнее время в качестве материала для сердечников широко применяют ферриты: никель-цинковые, марганец-никелевые, литий-цинко-вые. Условное обозначение ферритов: НН — никель-цинковые низкочастотные ферриты, НМ — марганец-цинковые, ВТ — ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса. Цифры, стоящие перед буквенными обозначениями, указывают среднее значение начальной магнитной проницаемости материала сердечника. Достоинства ферритов — стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи и простота изготовления ферритовых деталей. Ферриты почти не поддаются механической обработке, они обрабатываются только абразивами, такими как, например, корунд. Изделия из ферритов нельзя обрабатывать на станках, так как это может привести к утрате магнитных свойств — резкому увеличению потерь, снижению проницаемости. Благодаря высокому удельному сопротивлению, катушки с сердечниками из ферритов могут иметь очень большую добротность, на низких частотах свыше 500, а на частотах 500… 1000 кГц — 300.

Основной характеристикой магнитного материала сердечника является магнитная проницаемость. На практике она оценивается относительной величиной (по отношению к магнитной проницаемости вакуума) и является безразмерной. Магнитную проницаемость ферритов можно считать постоянной лишь при первом, грубом приближении.

Если к температурной стабильности начальной магнитной проницаемости ферритов не предъявляются повышенные требования, то применяют марганец-цинковые ферриты марок 6000НМ, 4000НМ, 3000НМ, 2000НМ, 1500НМ и 1000НМ. Эти ферриты используются в диапазоне частот до нескольких сотен килогерц как в слабых, так и в сильных полях. Ферриты марок 2000НМ1, 1500НМ1, 1500НМ2, 1500НМЗ, 1000НМЗ и 700НМ предназначены для частот до 3 МГц в слабых и средних полях. Им свойственны малые потери и малый температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости в широком интервале температур. Для магнитных антенн приемников выпускаются фер-ритовые стержни марок 700НМ (до 3 МГц), 150ВЧ (до 12 МГц), 100ВЧ (до 18 МГц), 50ВЧ2 (до 30 МГц) и 30ВЧ2 (до 100 МГц). Стержни изготовляются круглого и прямоугольного сечения. Ферритовые детали можно склеивать полистироловым, эпоксидным и другими клеями.

Стабильность катушек индуктивности с сердечниками из никель-цинковых ферритов с начальной магнитной проницаемостью 10…50 (ферриты марок ВЧ) составляет 1 год, при этом индуктивность изменяется не более ±5%, а катушки с сердечниками из того же материала, но марок НН — до ±2%. Индуктивность катушек с сердечниками из марга-нец-цинковых ферритов (марки НМ) за год изменяется до 5% и является менее стабильной, чем предыдущие. Катушки на альсиферовых кольцах изменяют свою индуктивность в течении года не более чем на ±1%.

Конструкция каркасов катушек индуктивности

Конструкции катушек индуктивности очень разнообразны. Основными конструктивными элементами катушек являются каркас, обмотка, а вспомогательными — сердечник, экран и т.д. Намотка катушек производится проводом на специальных каркасах, которые придают обмотке механическую прочность. По форме каркасы бывают трубчатые (с фланцами и без них), шпули, ребристые, плоские, тороидальные и другие. Каркасы в зависимости от рабочего диапазона частот и назначения изготавливаются из различных материалов: кабельной бумаги, электрокартона, текстолита, гетинакоа, пресспорошка, керамики, слюды, полистирола, органического стекла, эскапона и других. Выбор материала для каркаса зависит от предъявляемых к нему требований по электрической прочности, допустимой величины диэлектрических потерь, термостойкости, влагостойкости и т. д. Наибольшую стабильность имеют катушки на керамических каркасах, а наименьшую — многослойные катушки, намотанные на каркасах из гетинакса и пресспорошка. Иногда катушки УКВ и КВ диапазонов делают бескаркасными. При их изготовлении, например, для контуров маломощных коротковолновых передатчиков, витки для жесткости скрепляют планками из органического стекла толщиной З…4мм. Концы обмоток катушек на каркасе закрепляют нитками или вплавляют паяльником в каркас, если он сделан из полистирола или органического стекла. Иногда плоские каркасы после намотки провода сгибают в кольцо.

Намотка катушек индуктивности

Обмотки катушек могут быть однослойными или многослойными (рис. 1.6). Обмотка характеризуется количеством витков, шагом намотки t и рядом. Под витком катушки понимают отрезок провода, охватывающий всю окружность каркаса. Шаг — расстояние между соседними витками.

Рис. 1.6. Конструкции катушек индуктивности с различным типом намотки: а — с шагом t, б — виток к витку, в — тип «универсаль»

Ряд — количество витков провода, которое укладывается на всю ширину обмотки. Наиболее простые по конструкции однослойные рядовые обмотки катушек. Они имеют малую величину собственной емкости и высокую добротность. Однако получающиеся при изготовлении большие габариты ограничивают их применение. Чаще всего применяют многослойные обмотки: рядовая многослойная, секционированная индукционная и безиндукционная, галетная, универсальная и тороидальная. Укладка многослойной секционированной индукционной обмотки производится на каркасы-шпули с промежуточными щеками. Количество секций может быть любым, а число рядов в секциях должно быть четным. Секционирование индукционной обмотки используется для высоковольтных и высокочастотных трансформаторов, дросселей высокой частоты. Для получения катушек индуктивности малых размеров и с малой собственной емкостью при большой величине индуктивности пользуются способом универсальной намотки. В этом случае провод укладывается под углом к плоскости вращения и перегибается на торцах. Наибольший угол укладки можно получить при намотке катушки проводом в шелковой изоляции.

Условные обозначения марок ферритов и магнитодиэлектриков

Условное обозначение ферритового стержня состоит из четырех элементов:

1. Буква М указывает, что изделие сделано из феррита.

2. Цифра — начальное значение магнитной проницаемости.

3. Буквы и несколько цифр — марка феррита (В — феррит для работы на частотах выше 5 МГц, Н — для работы на низких частотах).

4. Сокращенное обозначение конструктивного вида сердечника и его размеров в миллиметрах.

В дополнение к названным буквам третьего элемента иногда добавляется еще одна буква с указанием характеристики магнитного поля, в котором может работать этот феррит: С ^ феррит для работы в сильных магнитных полях, И — специальный феррит для работы в импульсных магнитных полях, если этой буквы нет, то феррит предназначен для работы в слабых магнитных полях. После четвертого элемента иногда может стоять цифра, характеризующая различие свойств феррита. После указанных элементов следует черта, которая выделяет наименование изделия изготовленного из феррита (обозначается буквой) и его конструктивные размеры (обозначаются цифрами):

М100НН-2-СС 2,8×12: М — феррит; 100 —100; Н — низкочастотный; Н — никель-цинковый; 2 — различные свойства; СС — стержень; 2,8 мм — диаметр; 12 мм — длина.

М700НМ-Б9: М — феррит; 700 — ц = 700; Н — низкочастотный; М — марганец-цинковый; Б — броневой; 9 мм — диаметр.

Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

В чем разница между индуктором и дросселем

Индукторы – это металлические катушки, используемые в цепях. Они способны генерировать магнитные поля, когда они несут ток. Они также способны вызывать магнитные поля в проводах, которые находятся рядом с ними. Индукторы, которые используются для фильтрации сигналов, называются дросселями.

В качестве дросселей используются как маленькие, так и большие индукторы. Их рейтинги включают их значение, максимальный ток, который они могут выдержать, и их максимальное сопротивление току. Некоторые дроссели имеют железные сердечники внутри.

Дроссельные фильтры помогают снизить напряжение переменного тока до очень малых значений, так что компонент нагрузки, такой как резистор, будет в основном получать напряжения постоянного тока. Эти нежелательные колебания сигнала переменного тока называются пульсациями. Дроссели очень часто используются для фильтрации радиочастот.

Размер дросселя определяет частоту среза или границу. Большой дроссель означает более низкую частоту среза, а маленький дроссель означает более высокую частоту среза. Большие, например, лучше для более точной фильтрации нежелательных сигналов 120 Гц и выше от настенных розеток.

Цепи дросселя формируются из одного индуктора или комбинации индуктора и одного или нескольких конденсаторов. Цепи дросселирования являются низкочастотными фильтрами, поскольку они отсеивают высокие частоты и пропускают через них более низкие частоты.

Дроссели отфильтровывают пульсации переменного тока в источниках питания, чтобы обеспечить стабильную выходную мощность постоянного тока. Дроссели также встречаются в таких цепях, как осцилляторы Колпитса, Хартли и Клэппа.

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Дроссель и его параметры

Что такое электрический дроссель?

Дросселем, в общем случае, называют катушку индуктивности, чаще всего с сердечником, которая служит для устранения или уменьшения переменного (импульсного) тока, разделения или ограничения сигналов различной частоты. Исходя из этого, дроссели условно можно разделить на следующие типы:

— сглаживающие дроссели, предназначены для ослабления переменной составляющей постоянного тока или напряжения различной частоты, то есть сглаживания пульсаций, на выходе и входе силовых преобразователей или выпрямителей;

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

— дроссели переменного тока, предназначены для ограничения электрического тока, при резких изменениях нагрузки, например, при пуске электродвигателей или источников питания;

— дроссели насыщения, или управляемые дроссели, предназначенные для регулирования индуктивного сопротивления за счёт изменения тока подмагничивания.

Дроссели, как и любая другая катушка индуктивности, может быть без сердечника, с замкнутым сердечником, с сердечником, имеющим малый зазор и с сердечником, имеющим большой зазор или разомкнутым сердечником. Поэтому в независимости от назначения дросселя его принцип действия основан на электромагнитных свойствах катушки индуктивности и сердечника, на котором она выполнена.

Принцип работы идеального дросселя

Дроссель, как и любой другой элемент электрической цепи, содержит ряд параметров, которые определяются его физическими и конструктивными характеристиками. В зависимости от назначения дросселя одни его характеристики стараются улучшить, а значение других уменьшить. Но, несмотря на характер работы дросселя, его основным параметром является индуктивность, поэтому рассмотрим дроссель, содержащий только один параметр – индуктивность, такой дроссель называется идеальным и он характеризуется следующими допущениями:

— обмотка дросселя не имеет активного сопротивления;

— отсутствует межвитковая ёмкость проводников дросселя;

— магнитное поле в сердечнике однородно, то есть значение индукции и напряженности в различных его точках имеет одинаковое значение.

С учётом таких допущений, представим сердечник, на который намотана катушка.

Идеальный дроссель.

Подадим на катушку переменное напряжение U, в результате по катушке потечёт переменный ток I, создающий в сердечнике переменный магнитный поток Φ. Тогда в соответствии с законом самоиндукции в витках обмотки возникнет ЭДС самоиндукции Е. Так как у нас отсутствует активное сопротивление обмотки идеального дросселя, то ЭДС самоиндукции уравновесит напряжение, вызвавшее электрический ток

В тоже время индуктивность, как коэффициент самоиндукции можно определить по следующему выражению

где ω – количество витков катушки,

S – площадь поперечного сечения сердечника,

B – магнитная индукция,

I – величина электрического тока.

Тогда выражение для ЭДС самоиндукции будет иметь вид

Данное выражение показывает, что ЭДС самоиндукции зависит от конструкции и размеров дросселя, а также от скорости изменения магнитного поля (dB/dt).

Так как в идеальном дросселе отсутствуют активные нагрузки, а только индуктивная составляющая, то активная мощность будет равняться нулю. В индуктивном элементе расходуется только реактивная мощность на создание магнитного поля.

Принцип работы реального дросселя

В реальном дросселе, в отличие от идеального, кроме индуктивности имеется ещё рад параметров, вносящих активную составляющею мощности. Рассмотрим реальный дроссель

Магнитные силовые линии реальной катушки.

Поступающий в дроссель переменный ток возбуждает вокруг катушки переменное магнитное поле, определяемое магнитным потоком Φ. В идеальном дросселе он полностью замыкается через сердечник Φ₀, но в реальности к нему добавляется магнитный поток рассеяния, охватывающий как витки по отдельности, так и группы витков провода. Он зависит от расположения витков, сечения провода, плотности укладки витков провода и так далее. Поток рассеивания достаточно трудно выразить количественно, поэтому для его характеристики вводят понятие потокосцепление рассеяния Ψ_S, который можно выразить через индуктивность рассеяния L_S обмоток дросселя

В соответствии с законом электромагнитной индукции, поток рассеяния возбуждает ЭДС рассеяния

Поток рассеяния в дросселе негативно влияет на работу устройств, так как вызывает паразитные шумы, наводки и потери мощности в целом.

Кроме потерь реактивной мощности потоками рассеяния, в реальном дросселе происходят потери активной мощности в сопротивлении витков обмотки и потерях в сердечнике, обусловленных его ферромагнитными свойствами.

Эквивалентная схема дросселя

Для анализа работы реального дросселя создадим схему замещения, которая учитывает его основные и паразитные параметры.

Эквивалентная схема дросселя с учётом паразитных параметров.

Таким образом, на характеристики дросселя кроме собственной индуктивности дросселя L, являющейся основным параметром, так сказать полезным, присутствует паразитная индуктивность L_S, обусловленная потоком рассеяния, активное сопротивление R обмоточного провода, межвитковая ёмкость С обмотки дросселя, а также проводимости g_μ. Проводимость g_μ характеризует мощность, которая затрачивается на перемагничивание сердечника, из-за наличие петли гистерезиса.

Уравнение соответствующее эквивалентной схеме будет иметь вид

Как видно на схеме ток в дросселе состоит из двух составляющих: I_μ – ток отвечающий за создание основного магнитного потока Φ₀ и I_а – ток, учитывающий потери мощности при перемагничивании и нагрев сердечника

где Р_С – мощность потерь в сердечнике.

Основной параметр дросселя – индуктивность L определяется по выражениям для индуктивностей различных типов, например, индуктивность без сердечника, индуктивности на замкнутых сердечниках, индуктивности на сердечниках с зазором и индуктивности на разомкнутых сердечниках.

Остальные параметры определить несколько сложнее. Рассмотрим определение данных параметров.

Как рассчитать межвитковую ёмкость обмотки дросселя?

В дросселе, между витками, слоями и металлическими предметами вокруг дросселя существует некоторая разность потенциалов, создающих электрическое поле. Для оценки влияния данного поля вводят понятие межвитковой ёмкости или собственной ёмкости дросселя, величина которой зависит от размеров и конструктивных особенностей дросселя.

Межвитковая ёмкость C обмотки, являясь паразитным параметром, совместно с индуктивностью рассеивания и собственной индуктивностью дросселя образуют различные виды фильтров и колебательных контуров. Хотя данный параметр имеет небольшое значение, тем не менее, в определённых условиях его приходится учитывать, однако точный расчёт затруднён в связи с большим влиянием различных конструктивных параметров, в первую очередь, взаимного расположения витков провода между собой. Так наибольшей межвитковой ёмкостью обладают катушки намотанные «внавал», а наименьшей – катушки с намоткой типа «Универсаль» или секционные катушки.

Межвитковую емкость С_общ дросселя можно представить в виде суммы емкостей между внутренним слоем обмотки и магнитопроводом С₁ и межслоевой емкости внутри обмотки С₂

Ёмкость между внутренним слоем обмотки и магнитопроводом можно определить из эмпирической формулы

где ε_а – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды вокруг проводника, ε_а = ε₀ε_r,

ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость,

r – радиус поперечного сечения провода,

а – расстояние между магнитопроводом и осью провода,

n – число витков в слое,

р₁ – периметр витка внутреннего слоя обмотки.

Относительная диэлектрическая проницаемость берётся для материала каркаса дросселя, если бескаркасное исполнение, то соответственно проницаемость воздуха либо изоляции проводника, в зависимости от необходимой точности.

Емкость между слоя обмотки так же вычисляется по эмпирической формуле

где р_ср – периметр среднего витка обмотки,

b – расстояние между осями витков в соседних слоях,

В данном случае диэлектрическая проницаемость берётся для материала межслоевой изоляции.

Во всех случаях необходимо добиваться уменьшения межвитковой ёмкости обмотки. Для этого применяют различные виды намоток и материалов для каркасов и межслоевой изоляции с малым значением диэлектрической проницаемости.

Как рассчитать индуктивность рассеяния дросселя?

Индуктивность рассеяния L_S, также как и межвитковая ёмкость, является паразитным параметром и негативно влияет на индуктивные элементы, в частности на дроссель. Индуктивность рассеяния вместе с межвитковой емкостью образуют фильтр нижних частот, вызывающий уменьшение амплитуды переменного напряжения и тока на высоких частотах. Данное обстоятельство приводит к тому, что увеличиваются активные потери мощности и происходит нагрев дросселя.

Индуктивность рассеяния зависит от типа конструкции дросселя и его размеров и может быть определена по следующему выражению

р_ср – периметр среднего витка обмотки,

w – количество витков провода в дросселе,

h – толщина намотки.

В большинстве случаев необходимо добиваться уменьшения индуктивности рассеяния, для чего стараются как можно плотнее уложить провод в намотке, уменьшения количества слоёв обмотки дросселя и увеличения длины намотки. В идеале стремятся использовать однослойные обмотки, если это возможно.

Стоит отметить, что приведённые выражения для определения паразитных параметров межвитковой ёмкости С и индуктивности рассеяния L_S являются ориентировочными и могут в различных случаях давать погрешность порядка 20 %. Поэтому при необходимости знать точное значение их определяют экспериментальным путём различными способами.

На сегодня всё, а в следующей статье я расскажу о потерях мощности и нагреве дросселей при работе.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник