Индукционная катушка - это катушка. Что такое индуктор? - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Используются для подавления шумов, сглаживания пульсаций, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных (колебательных) и частотно-избирательных цепях, в качестве индуктивных элементов искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков смещения и т.д.

Содержание

Индуктор

Индуктор (орт. индуктивность) – это пассивный биполярный компонент электрических и электронных устройств и систем. Основным параметром индуктора является его индуктивность, которая зависит только от его геометрических размеров и материалов и не зависит от режима работы (тока и напряжения).

Используются для подавления помех, сглаживания пульсаций, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных (колебательных) и частотно-избирательных цепях, в качестве индуктивных элементов искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков движения и так далее.

Индуктор это пассивный компонент электронных схем, основной задачей которого является накопление энергии в виде магнитного поля. Свойство катушки в некоторой степени схоже со свойством конденсатора, который накапливает энергию в виде электрического поля.

Энергия, запасенная в индукторе

Как мы знаем, магнитное поле обладает энергией. Как в полностью заряженном конденсаторе накапливается электрическая энергия, так и в индукционной катушке с протекающим через нее током накапливается магнитная энергия.

Энергия, запасенная в индукторе, равна энергии, необходимой для того, чтобы заставить ток I течь против ЭДС. Количество энергии, запасенной в индукторе, можно рассчитать по следующей формуле:

где L – индуктивность, I – ток, протекающий через индуктор.

Однослойные катушки с открытым магнитопроводом используются в схемах настройки приборов.

Индукционные катушки

Индукционные катушки позволяют накапливать электрическую энергию в магнитном поле. Типичные области применения – сглаживающие фильтры и различные селективные схемы.

Электрические характеристики индукционных катушек зависят от их конструкции, свойств материала магнитопровода и его конфигурации, количества витков обмотки.

Ниже перечислены основные факторы, которые необходимо учитывать при выборе катушки

a) требуемое значение индуктивности (Gn, mGn, µGn, nGn),

b) максимальный ток катушки. Большой ток очень опасен из-за чрезмерного нагрева, который приводит к повреждению изоляции обмотки. Кроме того, слишком большой ток может привести к насыщению магнитопровода магнитным потоком, что приведет к значительному снижению индуктивности,

d) температурный коэффициент индуктивности,

д) стабильность, определяемая зависимостью индуктивности от внешних факторов,

f) активное сопротивление провода обмотки,

g) коэффициент качества катушки. Этот показатель обычно определяется как отношение индуктивности и сопротивления на рабочей частоте,

h) частотный диапазон катушки.

Имеющиеся в настоящее время радиочастотные индукторы представляют собой катушки фиксированной частоты с индуктивностью от 1 мкГн до 10 мГн. Для настройки резонансных контуров желательно иметь катушки с регулируемой индуктивностью.

Однослойные открытые индукторы используются в схемах настройки.

Многослойные катушки с открытыми магнитопроводами используются в высокочастотных фильтрах и трансформаторах. Многослойные катушки броневого типа с ферритовыми сердечниками используются в фильтрах низкой и средней частоты и трансформаторах, а аналогичные катушки, но со стальными сердечниками, применяются в сглаживающих дросселях и фильтрах низкой частоты.

формулы для расчета индуктивности

Основные аппроксимационные соотношения, используемые при проектировании индукционных катушек, следующие.

1. параметры для однослойных индукторов с отношением длины к диаметру более 5 определяются как

где L – индуктивность, мкГн, M – число витков, d – диаметр катушки, см, l – длина обмотки, см.

(2) Параметры многослойных индукторов, у которых отношение диаметра к длине больше 1, определяются как

где L – индуктивность, мкГн, N – число витков, d m – средний диаметр обмотки, см, d – толщина обмотки, см.

Однослойные и многослойные катушки с открытым ферритовым сердечником будут иметь индуктивность в 1,5-3 раза больше, в зависимости от свойств и конфигурации сердечника. Установка латунного сердечника вместо ферритового сердечника уменьшит индуктивность на 60-90% по сравнению со значением без сердечника.

Для уменьшения числа витков при сохранении той же индуктивности можно использовать ферритовый сердечник.

Для катушек с индуктивностью от 100 мкГн до 100 мГн для низких и средних частот рекомендуется использовать чашеобразные ферритовые сердечники серии KM. В этом случае магнитопровод состоит из двух подходящих друг к другу чашек, к которым прилагается цельная катушка, два крепежных зажима и настроечный стержень.

Необходимую индуктивность и количество витков можно рассчитать по формулам

где N – число витков, L – индуктивность, нГн, и l – коэффициент индуктивности, нГн/виток.

Всегда помните, что перед расчетом индуктивности необходимо определить количество витков, которое поместится на данной катушке.

Чем меньше диаметр провода, тем больше число витков, но тем больше сопротивление провода и, конечно, его нагрев из-за отдаваемой мощности, равной I 2 R . Эффективный ток катушки не должен превышать 100 мА при диаметре провода 0,2 мм. 750 мА для 0,5 мм и 4 А для 1 мм.

Несколько замечаний и рекомендаций

Индуктивность катушек со стальным сердечником очень быстро уменьшается при увеличении постоянной составляющей обмотки. Это следует иметь в виду, особенно при разработке сглаживающих фильтров для источников питания.

Максимальный ток индуктора зависит от температуры окружающей среды и уменьшается при ее повышении. Поэтому для обеспечения надежной работы необходимо предусмотреть большой запас по току.

Тороидальные ферритовые сердечники эффективны в фильтрах и трансформаторах на частотах выше 30 МГц. Обмотка состоит всего из нескольких витков.

При использовании всех типов сердечников часть магнитных силовых линий замыкается не вдоль магнитопровода, а в окружающем пространстве. Этот эффект особенно ярко выражен в случае открытых ядер. Следует помнить, что эти магнитные блуждающие поля являются источником помех, поэтому сердечники в устройствах должны быть расположены таким образом, чтобы максимально уменьшить эти помехи.

Индукционные катушки имеют некоторую паразитную емкость, которая в сочетании с индуктивностью катушки образует колебательный контур. Резонансная частота этой схемы для различных типов индукторов может варьироваться от 20 кГц до 100 МГц.

Для экспериментов с постоянным током индукционная катушка наматывается тонким проводом с большим числом витков.
Это делается для того, чтобы катушка не перегорела при подаче на нее напряжения от мощного источника питания, так как при толстом проводе сопротивление будет маленьким, а ток через него – большим (по закону Ома для постоянного тока I=U/R), и он может перегореть.
Сопротивление постоянного тока индуктора (которое можно измерить с помощью мультиметра) называется активным сопротивлением.

Индуктивность в цепи переменного тока

Для экспериментов с постоянным током индукционная катушка наматывается тонким проводом с большим числом витков.
Это делается для того, чтобы при подаче на нее напряжения от мощного источника питания витки катушки не сгорели, так как при обмотке толстым проводом сопротивление будет маленьким, а ток через нее большим (по закону Ома для постоянного тока I=U/R) и она может сгореть.
Сопротивление индуктора постоянного тока (которое можно измерить с помощью мультиметра) называется активным сопротивлением.

При подаче переменного тока в цепь катушки он отличается.
Это приводит к тому, что магнитное поле индукционной катушки также становится переменным.
На рисунке показано, как изменяется магнитное поле под воздействием синусоидального тока. В течение одного периода магнитное поле изменяет свою интенсивность и направление синусоидальным образом. Это означает, что создается самоиндуцированная ЭДС, которая, согласно принципу Ленца, будет мешать приложенному извне напряжению.

Рассмотрим схему процессов, происходящих в индукционной катушке.
Когда катушка включается в цепь переменного тока, в течение первой четверти периода (0º-90º) к катушке прикладывается нарастающее напряжение, и ее магнитное поле “расширяется”, накапливая магнитную энергию. В этот момент ток, противодействуя ЭДС самоиндукции, максимален и противоположен по знаку напряжению на катушке.
В другой четверти периода (90º-180º), по мере уменьшения напряжения на катушке, магнитное поле “схлопывается”, вызывая самоиндуцированную ЭДС, совпадающую с направлением тока. Этот самоиндуцированный ток в катушке уже пытается “помочь” уменьшающемуся переменному току поддерживать достигнутый большой магнитный поток. В течение этого полупериода индукционная катушка больше не забирает энергию, а отдает ее обратно генератору.
Таким образом, происходит постоянный обмен энергией между генератором и катушкой. Это означает, что средняя потребляемая мощность катушки равна нулю.
Из-за разности фаз тока и напряжения в 90º индукционная катушка имеет реактивную мощность и, следовательно, реактивное сопротивление, как и конденсатор. Разница лишь в том, что в индукционной катушке напряжение предшествует току, в то время как в конденсаторе все наоборот.
Реактивное (индуктивное) сопротивление катушки, в отличие от ее активного сопротивления, не вызывает необратимых потерь энергии.

Предположим идеальную катушку, в которой сопротивление провода и другие потери не учитываются.
В этом случае индуктор будет иметь сопротивление XL по отношению к переменному напряжению, которое измеряется в омах и рассчитывается по формуле:

где f – частота тока в герцах (Гц), а L – индуктивность катушки в генах (Г).
Из этого следует, что величина индуктивности катушки зависит от частоты и индуктивности. Чем выше частота тока и чем больше индуктивность катушки, тем больше индуктивное сопротивление.

В качестве примера, давайте найдем индуктивное сопротивление катушки с индуктивностью 5G при частоте 50Гц.
XL=2π-50-5=1570 Ом.
На частоте 1 кГц эта катушка будет иметь индуктивность 31 кОм, а на частоте 1 МГц – 31 мОм. На графике показана частотная зависимость вышеуказанной катушки.

Теперь, зная значение индуктивного сопротивления, можно написать закон Ома для переменного тока, протекающего через катушку:

Например, давайте найдем ток, который будет протекать через идеальную катушку с индуктивностью L=500 мкГн, если она подключена к переменному напряжению U=0,4 В и частоте f=500 кГц.
I= 0,4/2-3,14-5-10 3 -500-10 -6 =0,25 мА

В реальной катушке необходимо учитывать не только индуктивное сопротивление, но и сопротивление потерь Rпот.
На низких частотах Rпот равен только сопротивлению провода катушки. По мере увеличения частоты в катушке сопротивление потерь будет увеличиваться из-за наличия других потерь (вихревые токи, поверхностный эффект проводника и т.д.) (рис. a ).
Таким образом, полное сопротивление катушки индуктивности для переменного тока средней частоты равно eq:

и называется импедансом.
На более высоких частотах естественная (паразитная) емкость катушки Sparaz начинает оказывать влияние, шунтируя индуктивность (рис. b).

Основными параметрами для высокочастотных индукторов являются индуктивность, коэффициент качества и емкость.
Индуктивность зависит от количества витков, размера катушки и наличия ферромагнитного сердечника. Чем больше витков на катушке, тем выше индуктивность. А наличие сердечника увеличит индуктивность катушки.
Добротность определяет качество индуктора и равна отношению индуктивного сопротивления к сопротивлению потерь:

Чем выше коэффициент качества, тем выше качество катушки. Катушка хорошего качества определяется как катушка, коэффициент качества которой находится в диапазоне от 50 до 200.
Для достижения этого качества используются следующие меры
– Использование сердечников, которые увеличивают индуктивность при меньшем количестве витков катушки (т.е. сопротивление проволоки уменьшается);
– Увеличение толщины проволоки, что, однако, приведет к увеличению размера катушки;
– В диапазоне длинных и средних волн используется провод Литца, который состоит из нескольких изолированных друг от друга проводов.
Собственная емкость индуктора обусловлена емкостью обмотки и является нежелательной. Для уменьшения этой емкости используются различные методы намотки катушек.
Одним из методов является перекрестная намотка “универсального” типа (рис. c). Другой способ заключается в намотке катушек не плотно друг к другу, а с определенным расстоянием и принудительным шагом (рис. d,e).

В энергетике (для ограничения тока в случае, например, короткого замыкания в линии электропередачи) они называются реактор.

Терминология

Когда он используется для подавления помех, сглаживания пульсаций электрического тока, изоляции (развязки) высоких частот различных частей цепи и накопления энергии в магнитном поле сердечника, его часто называют дроссель.

В энергетике (для ограничения тока, например, при коротком замыкании в линии электропередачи) он называется реактор.

Цилиндрический индуктор, длина которого намного больше его диаметра, называется катушкаСоленоид – это индукционная катушка с цилиндрическим витком, длина которого намного превышает его диаметр, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно. Кроме того, часто катушка часто называют устройство, которое выполняет механическую работу, втягивая внутрь ферромагнитный сердечник, или электромагнит. В электромагнитных реле это называется обмотка релеи реже называемый электромагнитом.

нагревательный индуктор – Специальная индукционная катушка, рабочий орган системы индукционного нагрева.

При использовании для накопления энергии он называется индуктивное запоминающее устройство.

Собственная емкость является паразитным параметром индукционной катушки, ограничивающим ее использование. Это связано с конструкцией индукционной катушки: емкость возникает между отдельными витками, между витками и сердечником, витками и экраном, витками и другими элементами конструкции. Все эти распределенные емкости могут быть объединены в одну, называемую емкостью катушки C_L.

Применение индукторов

Индукторы (в сочетании с конденсаторы и/или и/или резисторы) используются для построения различных частотно-зависимых цепей, например, фильтров, цепей обратной связи и т.д. цепи обратной связи, схемы осцилляторов и т.д.

Индукторы используются в стабилизаторы пульса в качестве накопителя энергии и преобразователя уровня напряжения.

Две или более индуктивно связанных катушек образуют трансформатор.

Индуктор перенапряжения представляет собой импульсный ток с транзисторный переключательКатушка иногда используется в качестве мощного источника высокого напряжения в слаботочных цепях, где создание отдельного источника высокого напряжения в источнике питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае из-за самоиндукция В этом случае в катушке возникают скачки высокого напряжения из-за самоиндукции, которые могут быть выпрямлены и сглажены в схеме.

Катушки также используются в качестве электромагниты.

Катушки используются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанная плазма.

Для радиосвязи – излучение и прием электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна)

Для нагрева электропроводящих материалов в индукционные печи.

Например, датчик Датчик перемещения: индуктивность катушки может быть изменена в широком диапазоне путем перемещения (вытягивания) сердечника.

Индукционная катушка используется в датчиках индукции магнитного поля. Индукционные магнитометры были разработаны и широко использовались в течение Вторая мировая война. [3]

Индукционная катушка это пассивный компонент электронных схем, основной задачей которого является накопление энергии в виде магнитного поля. Свойство катушки в некоторой степени схоже со свойством конденсатора, который накапливает энергию в виде электрического поля.

Читайте далее: