Какими способами можно увеличить индуктивность катушки: Способы изменения индуктивности катушки — задание. Физика, 8 класс.

Катушка индуктивности. Параметры. Виды. Обозначение на схемах

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Катушка индуктивности относится к числу элементов, без которых не получится построить приемник, телевизор, радиоуправляемую модель, передатчик, генератор сигналов, модемный преобразователь, сетевой фильтр и т.п.

Катушку индуктивности или просто катушку можно представить в виде нескольких витков провода намотанного в спираль. Ток проходя по каждому витку спирали создает в них магнитное поле, которое пересекаясь с соседними витками наводит в них э.д.с самоиндукции. И чем провод длиннее и большее число витков он образует, тем самоиндукция больше.

Индуктивность

По своей сути индуктивность является электрической инерцией и ее основное свойство состоит в том, чтобы оказывать сопротивление всякому изменению протекающего тока. Если через катушку пропускать определенный ток, то ее индуктивность будет противодействовать как уменьшению, так и увеличению протекающего тока.

В отличие от конденсатора, который пропускает переменный и не пропускает постоянный ток, катушка индуктивности свободно пропускает постоянный ток и оказывает сопротивление переменному току, потому что он изменяется быстрее, чем может изменяться магнитное поле.

И чем больше индуктивность катушки и чем выше частота тока, тем оказываемое сопротивление сильнее. Это свойство катушки применяют, например, в приемной аппаратуре, когда требуется в электрической цепи преградить путь переменному току.

Индуктивность измеряется в генри (Гн), миллигенри (1мГн = 10ˉ3 Гн), микрогенри (1мкГн = 10ˉ6 Гн), наногенри (1нГн = 10ˉ9 Гн) и обозначается латинской буквой L.

Общие свойства катушек индуктивности

В зависимости от требуемой индуктивности и частоты, на которой катушка будет работать, она может иметь самые различные исполнения.

Для высоких частот это может быть простая катушка состоящая из нескольких витков провода или же катушка с сердечником из ферромагнитного материала и иметь индуктивность от нескольких наногенри до нескольких десятков миллигенри.

Такие катушки применяются в радиоприемной, передающей, измерительной аппаратуре и т.п.

Катушки, работающие на высоких частотах, можно разделить на катушки контуров, катушки связи и дроссели высокой частоты. В свою очередь катушки контуров могут быть с постоянной индуктивностью и переменной индуктивностью (вариометры).

По конструктивному признаку высокочастотные катушки разделяются на однослойные и многослойные, экранированные и неэкранированные, катушки без сердечников и катушки с магнитными и немагнитными сердечниками, бескаркасные, цилиндрические плоские и печатные.

Для работы в цепи переменного тока низкой частоты, на звуковых частотах, во входных фильтрах блоков питания, в цепях питания осветительного электрооборудования применяются катушки с достаточно большой индуктивностью. Их индуктивность достигает десятки и даже сотни генри, а в обмотках могут создаваться большие напряжения и протекать значительные токи.

Для увеличения индуктивности при изготовлении таких катушек применяют магнитопроводы (сердечники), собранные из отдельных тонких изолированных пластин сделанных из специальных магнитных материалов – электротехнических сталей, пермаллоев и др.

Применение наборных магнитопроводов обусловлено тем, что под действием переменного магнитного поля в сплошном магнитопроводе, который можно рассматривать как множество короткозамкнутых витков, образуются вихревые токи, которые нагревают магнитопровод, бесполезно потребляя часть энергии магнитного поля. Изоляция же между слоями стали оказывается на пути вихревых токов и значительно снижает потери.

Катушки с магнитопроводами из изолированных пластин можно разделить на дроссели и трансформаторы.

Основные параметры катушек индуктивности

Свойства катушек могут быть охарактеризованы четырьмя основными параметрами: индуктивностью, добротностью, собственной емкостью и стабильностью.

1. Индуктивность.

Индуктивность (коэффициент самоиндукции) является основным электрическим параметром и характеризует величину энергии, запасаемой катушкой при протекании по ней электрического тока. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергии она запасает в своем магнитном поле.

Индуктивность зависит от размеров каркаса, формы, числа витков катушки, диаметра и марки провода, а также от формы и материала магнитопровода (сердечника).

В радиолюбительских схемах, как правило, величину индуктивности не указывают, так как радиолюбителя интересует не эта величина, а количество витков провода в катушке, диаметр и марка провода, способ намотки (внавал, виток к витку, крест на крест, секционная намотка) и размеры каркаса катушки.

2. Добротность.

Добротность (Q) характеризуется качеством работы катушки индуктивности в цепях переменного тока и определяется как отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь.

Активное сопротивление включает в себя сопротивление провода обмотки катушки; сопротивление, вносимое диэлектрическими потерями в каркасе; сопротивление, вносимое собственной емкостью и сопротивления, вносимые потери в экраны и сердечники.

Чем меньше активное сопротивление, тем выше добротность катушки и ее качество. В большинстве случаев добротность катушки определяют резонансные свойства и к.п.д. контура.

Современные катушки средних размеров имеют добротность около 50 – 300.

3. Собственная емкость.

Катушки индуктивности обладают собственной емкостью, которая увеличивается по мере увеличения числа витков и размеров катушки. Между соседними витками существует межвитковая емкость, из-за которой некоторая часть тока проходит не по проводу, а через емкость между витками, отчего сопротивление между выводами катушки уменьшается.

Все дело в том, что общее напряжение, приложенное к катушке, разделяется на межвитковые напряжения из-за чего между витками образуется электрическое поле, вызывающее скопление зарядов. Витки, разделенные слоями изоляции, образуют обкладки множества маленьких конденсаторов, через которые протекает часть тока, из общей емкости которых и складывается собственная емкость катушки. Таким образом катушка обладает не только индуктивными но и емкостными свойствами.

Собственная емкость является вредным параметром и ее стремятся уменьшить применением специальных форм каркаса и способом намотки провода.

4. Стабильность.

Стабильность катушки характеризуется изменением ее параметров под воздействием температуры, влажности и во времени.

Изменение индуктивности под влиянием температуры характеризуют температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), равным относительному изменению индуктивности при изменении температуры на 1°С. ТКИ катушки определяется способом намотки и качеством диэлектрика каркаса.

Влажность вызывает увеличение собственной емкости и диэлектрических потерь, а также понижает стабильность катушки. Для защиты от действия влажности применяется герметизация или пропитка и обволакивание обмотки негигроскопичными составами.

Такие катушки обладают более низкой добротностью и большой собственной емкостью, но при этом они более устойчивы к воздействию влаги.

Катушки индуктивности с магнитопроводами

Для получения малогабаритных катушек различного назначения применяют магнитопроводы (сердечники), которые изготавливают из магнитодиэлектриков и ферритов. Катушки с магнитопроводами имеют меньшее число витков при заданной индуктивности, малую длину провода и небольшие размеры.

Ценным свойством катушек с магнитопроводами является возможность их подстройки, т.е. изменения индуктивности в небольших пределах путем перемещения внутри катушки специального цилиндрического подстроечника, состоящего из феррита с напрессованной на него резьбовой втулкой.

Магнитодиэлектрики представляют собой измельченное вещество, содержащее в своем составе железо (ферромагнетик), частицы которого равномерно распределены в массе диэлектрика (бакелита или аминопласта). Наиболее широко применяют магнитопроводы из альсифера (сплав алюминия, кремния и железа) и карбонильного железа.

Ферриты представляют собой твердые растворы окислов металлов или их солей, прошедшие специальную термическую обработку (обжиг). Получающееся при этом вещество – полупроводниковая керамика – обладает очень хорошими магнитными свойствами и малыми потерями даже на очень высоких частотах.

Основным достоинством ферритов является высокая магнитная проницаемость, которая позволяет существенно уменьшить размеры катушек.

В старых принципиальных схемах магнитопроводы из магнитодиэлектриков и ферритов обозначались одинаково – утолщенной штриховой линией (рис. а). Впоследствии стандарт ЕСКД оставил этот символ для магнитопроводов из магнитодиэлектрика, а для ферритовых ввел обозначение, ранее применявшееся только для магнитопроводов низкочастотных дросселей и трансформаторов –

сплошную жирую линию (рис. б). Однако согласно последней редакции ГОСТ 2.723.68 (март 1983г.) магнитопроводы катушек изображают линиями нормальной толщины (рис. в).

Катушки, индуктивность которых можно изменять с помощью магнитопровода, на электрических схемах указываются при помощи знака подстроечного регулирования, который вводится в ее условное обозначение.

Изменение индуктивности обозначают двумя способами: либо знаком подстроечного регулирования пересекающим обозначения катушки и магнитопровода (рис. а), либо только пересечением магнитопровода с изображением его над катушкой (рис. б).

Экранированные катушки индуктивности

Для устранения паразитных связей, обусловленных внешним электромагнитным полем катушки и влияния на катушку окружающего пространства, ее экранируют, т.е. помещают в замкнутом металлическом экране

.

Однако под влиянием экрана изменяются основные электрические параметры катушки: уменьшаются индуктивность и добротность, увеличивается сопротивление и собственная емкость.

Изменение параметров катушки тем больше, чем ближе к ее виткам расположен экран, т.е. изменение параметров зависит от соотношения между размерами катушки и размерами самого экрана.

Для высокочастотных катушек экраны выполняются в виде круглых или прямоугольных стаканов из алюминия, меди или латуни с толщиной стенок 0,3 – 0,5 мм.

Чтобы на схемах обозначить экранированную катушку, ее условное обозначение помещают в знак экранирования, который соединяют с корпусом.

Также необходимо отметить, что экранировать необходимо лишь катушки большого размера, диаметр которых составляет более 15 – 20 мм.

Катушки диаметром не более 4 – 5 мм создают магнитное поле в относительно небольшом пространстве и при удалении таких катушек от других деталей на расстояние в 4 – 5 раз больше их диаметра опасных связей, как правило, не возникает, поэтому они не нуждаются в специальном экранировании.

Обозначение катушек с отводами и начала обмотки

В радио и электротехнической аппаратуре, например, в приемниках или импульсных преобразователях напряжения, иногда используют не всю индуктивность катушки, а только некоторую ее часть. Для таких случаев катушки изготавливают с отводом или отводами.

При разработке некоторых конструкций иногда необходимо строго соблюсти начало и конец обмотки катушки или трансформатора. Чтобы указать, какой из концов обмотки является началом, а какой – концом, у вывода начала обмотки ставят жирную точку.

Для подстройки катушек на частотах свыше 15…20 МГц часто применяют магнитопроводы из немагнитных материалов (меди, алюминия и т.п.). Возникающие в таком магнитопроводе под действием магнитного поля катушки вихревые токи создают свое поле, противодействующее основному, в результате чего индуктивность катушки уменьшается.

Немагнитный магнитопровод-подстроечник обозначают так же, как и ферритовый, но рядом указывают химический символ металла, из которого он изготовлен. На рисунке изображен подстроечник, изготовленный из меди.

Вот и все, что хотел рассказать о катушках индуктивности.
Удачи!

Литература:
1. В. А. Волгов «Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры».
2. В. В. Фролов «Язык радиосхем».
3. М. А. Сгут «Условные обозначения и радиосхемы».

Закон электромагнитной индукции — формулы, определение, примеры

Покажем, как применять знание физики в жизни

Начать учиться

186. 5K

Электромагнитная индукция — очень сложная штука. Поэтому будем разбираться в ней на обручах и бабулях.

Магнитный поток

Прежде, чем разобраться с тем, что такое электромагнитная индукция, нужно определить такую сущность, как магнитный поток.

Представьте, что вы взяли обруч в руки и вышли на улицу в ливень. Чем сильнее ливень, тем больше через этот обруч пройдет воды — поток воды больше.

Если обруч расположен горизонтально, то через него пройдет много воды. А если начать его поворачивать — уже меньше, потому что он расположен не под прямым углом к вертикали.

Теперь давайте поставим обруч вертикально — ни одной капли не пройдет сквозь него (если ветер не подует, конечно).

Магнитный поток по сути своей — это тот же самый поток воды через обруч, только считаем мы величину прошедшего через площадь магнитного поля, а не дождя. 2]

n — вектор нормали (перпендикуляр к поверхности) [-]

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​α магнитный поток может быть положительным (α < 90°) или отрицательным (α > 90°). Если α = 90°, то магнитный поток равен 0. Это зависит от величины косинуса угла.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура, магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Майкл Фарадей провел ряд опытов, которые помогли открыть явление электромагнитной индукции.

Опыт раз. На одну непроводящую основу намотали две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока.

При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.

Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.

Опыт три. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется вдвигается (выдвигается) относительно катушки

Вот, что показали эти опыты:

1. Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.


2. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.


3. Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Почему возникает индукционный ток? Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Онлайн-курсы физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) звучит так:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Математически его можно описать формулой:

Закон Фарадея Ɛi — ЭДС индукции [В] ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре всегда направлен так, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из ​N витков (то есть он — катушка), то ЭДС индукции будет вычисляться следующим образом.

Закон Фарадея для контура из N витков Ɛi — ЭДС индукции [В] ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с] N — количество витков [-]

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ​R​:

Закон Ома для проводящего контура Ɛi — ЭДС индукции [В] I — сила индукционного тока [А] R — сопротивление контура [Ом]

Если проводник длиной l будет двигаться со скоростью ​v​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​B​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

ЭДС индукции для движущегося проводника Ɛi — ЭДС индукции [В] B — магнитная индукция [Тл] v — скорость проводника [м/с] l — длина проводника [м]

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

• вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле
• вследствие изменения во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

• в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца
• в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Правило Ленца

Чтобы определить направление индукционного тока, нужно воспользоваться правилом Ленца.

Академически это правило звучит следующим образом: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Давайте попробуем чуть проще: катушка в данном случае — это недовольная бабуля. Забирают у нее магнитный поток — она недовольна и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток хочет обратно отобрать.

Дают ей магнитный поток, забирай, мол, пользуйся, а она такая — «Да зачем сдался мне ваш магнитный поток!» и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток выгоняет.

Карина Хачатурян

К предыдущей статье

205.2K

Сила упругости

К следующей статье

Момент силы

Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке

На вводном уроке с методистом

1. Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению

2. Расскажем, как проходят занятия

3. Подберём курс

Практическое руководство по катушкам индуктивности и индуктивности

Катушка индуктивности представляет собой пассивный двухконтактный электрический компонент, состоящий из катушки с проводом. Он устроен как резистор, который имеет простой отрезок провода, свернутого в спираль. Он накапливает энергию в магнитном поле, когда через него протекает электрический ток. Катушка индуктивности обычно состоит из изолированного провода, намотанного на катушку вокруг сердечника, предназначенного для использования магнетизма и электричества. Катушка индуктивности меняется каждый раз, когда через нее проходит ток.

Изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует электродвижущую силу в проводнике, описываемую законом индукции Фарадея. Однако закон Ленца гласит, что индуцированное напряжение имеет полярность, противодействующую изменению тока, который его создал. Поэтому катушки индуктивности противодействуют любым изменениям тока через них.

Катушка индуктивности способна накапливать энергию в виде магнитных полей. Когда электричество течет в катушку слева направо, оно создает магнитное поле в направлении по часовой стрелке.

Обычное использование катушек индуктивности

Использование катушек индуктивности зависит от требований к передаче электроэнергии. Его можно использовать в следующих устройствах:

• В дросселях

Когда переменный ток протекает через катушки индуктивности, он создает ток в противоположном направлении. Затем индуктор дросселирует поток переменного тока и пропускает постоянный ток. Это используется в источнике питания, где переменный ток преобразуется в постоянный.

• В схемах настройки

С помощью катушек индуктивности схемы настройки могут выбирать желаемую частоту. Электронные устройства, такие как схемы настройки радио и телевидения, используют конденсаторы вместе с катушкой индуктивности. Он изменяет частоту и помогает выбрать несколько частотных каналов.

• Для хранения энергии в устройстве

Катушки индуктивности могут накапливать энергию. Энергия сохраняется в виде магнитного поля и исчезает при отключении источника питания. Вы можете увидеть это в компьютерных схемах, где источники питания могут переключаться.

• В качестве датчиков

Индуктивные бесконтактные датчики очень надежны в работе и бесконтактны. Основным принципом этого является индуктивность, которая представляет собой магнитное поле в катушке, противодействующее потоку электрического тока. Механизм датчиков приближения используется в светофорах для определения плотности движения.

• Как реле

Реле действует как электрический переключатель. Использование катушки индуктивности в переключателе, который контактирует с потоком переменного тока, создает магнитное поле.

• В асинхронных двигателях

В асинхронных двигателях индукторы регулируют скорость двигателя. Вал в двигателе будет вращаться за счет магнитного поля, создаваемого переменным током. Вы можете зафиксировать скорость двигателя в соответствии с частотой питания от источника.

• В качестве трансформаторов

Вы можете разработать трансформатор, используя комбинацию катушек индуктивности с общим магнитным полем. Системы передачи электроэнергии иллюстрируют одно из основных применений трансформаторов. Они используются для уменьшения или увеличения передачи мощности в качестве понижающих или повышающих трансформаторов.

• В качестве фильтров

В качестве фильтров можно использовать комбинацию катушек индуктивности и конденсаторов. Частота входного сигнала при входе в схему ограничивается применением этих фильтров. По мере увеличения частоты питания сопротивление катушки индуктивности также увеличивается.

Закон индукции Фарадея

Как обсуждалось в предыдущей статье об электромагнетизме, Майкл Фарадей экспериментировал с током, протекающим через катушку провода, для создания магнитного поля. Он наблюдал, будет ли магнитное поле индуцировать ток во второй катушке провода, но, к сожалению, это не генерировало магнитного поля. Позже он понял, что изменяющееся магнитное поле вызывает электрический ток в проволочной петле. Эта идея и есть то, что мы сейчас называем законом индукции Фарадея.

Эксперимент Фарадея

Закон индукции Фарадея гласит, что изменяющееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в проводе контура. Электродвижущая сила заставляет электроны двигаться и формировать ток. Изменение площади проволочной петли и изменение угла между петлей и магнитным полем индуцирует ток. Это происходит из-за свойства, которое наиболее непосредственно индуцирует ЭДС, известную как магнитный поток. Магнитный поток — это полное магнитное поле, которое проходит через петлю провода, и когда это поле изменяется, оно индуцирует электродвижущую силу.

Уравнение магнитного потока:

Различные типы индукторов

Существуют различные типы индукторов в зависимости от типа их материала.

Катушка индуктивности с воздушным сердечником

Катушка индуктивности с воздушным сердечником также известна как катушка индуктивности с керамическим сердечником, поскольку керамика является наиболее часто используемым материалом для сердечника катушки индуктивности. Его основная цель — придать форму витку. Он имеет очень низкие потери в сердечнике и высокую добротность, что делает его идеальным для высокочастотных приложений, где требуются низкие значения индуктивности. Кроме того, керамика имеет очень низкий коэффициент теплового расширения. Даже для диапазона рабочих температур стабильность индуктивности катушки индуктивности высока. Не будет увеличения значения проницаемости из-за материала сердечника, поскольку керамика не обладает магнитными свойствами. При создании РЧ-катушек, цепей фильтров и демпфирующих цепей используются индукторы с воздушным сердечником для обеспечения более низкой пиковой индуктивности и в высокочастотных приложениях, таких как телевизионные и радиоприемники. Они также используются в сети Theil некоторых аудиоусилителей.

Характеристики образца:

• Допустимое отклонение: ± 2%
• Индуктивность: 0,85 мГн
• Калибр провода: 18 AWG
• Сопротивление постоянному току: 0,44 Ом 76 Катушка индуктивности с железным сердечником

  Железо Катушки индуктивности с сердечником — лучший вариант, когда вам нужны маленькие катушки индуктивности. Они имеют высокую мощность и высокое значение индуктивности. Однако они ограничены в высокочастотных возможностях. Он применим в звуковом оборудовании, но, в отличие от других катушек индуктивности, имеет ограниченное применение.

  Индуктор с ферритовым сердечником

  Его также называют ферромагнитным материалом. Он обладает магнитными свойствами и состоит из смешанного оксида металла железа и других элементов для создания кристаллических структур.

  Существует два типа ферритов – мягкие ферриты и твердые ферриты. Они классифицируются в соответствии с магнитной коэрцитивной силой, которая представляет собой напряженность магнитного поля, необходимую для размагничивания ферромагнитного материала от состояния полного насыщения до нуля. Феррит состоит из XFe204, где X обозначает переходные материалы. Наиболее часто используемыми комбинациями намагниченных материалов являются марганец и цинк (MnZn) или цинк и никель (NiZn). Применений ферритового сердечника очень много. Его можно использовать на высоких и средних частотах, в коммутационных схемах и пи-фильтрах.

  Характеристики образцов:

  • Запатентованные ферритовые материалы 5H и 10H и эквивалентные
  • Подходит для диапазона ≥ 150 кГц
  • Диапазон рабочих температур от −25°C до +120°C основание и катушка

  Расчет напряжения на индукторе

  При расчете напряжения на индукторе мы используем формулу:

  Чтобы рассчитать напряжение на индукторе, нам нужно сначала найти L. L — индуктивность, выраженная в Генри, и производная тока, проходящего через катушку индуктивности.

  Пример: если ток, проходящий через индуктор, равен 60sin (2000t), а его индуктивность равна 70 мкГн, каково напряжение на индукторе?

  Расчет тока через индуктор

  При расчете напряжения на индукторе мы используем формулу:

  Чтобы рассчитать ток через индуктор, нам нужно сначала найти L. L — индуктивность, выраженная в Генри, и интеграл напряжения, проходящего через индуктор.

  Примечание: I _o — это начальный ток, протекающий через катушку индуктивности, если она имеется.

  Пример. Если напряжение на катушке индуктивности составляет 6 cos (3000t) В, а индуктивность катушки индуктивности 6 мкГн, какой ток проходит через катушку индуктивности? (Исходные условия: I _o = 0A)

  Расчет индуктивности катушки с проводом

  При расчете индуктивности катушки с проводом мы используем формулу:

  Магнитный поток вокруг катушки вызывает ее индуктивность. Чем сильнее магнитный поток при определенном значении тока, тем больше его индуктивность. Это означает, что у вас будет более высокая индуктивность с большим количеством витков катушки и более низкая индуктивность с меньшим количеством витков. Следовательно, приведенная выше формула показывает, что индуктивность пропорциональна числу витков в квадрате.

  Как изготовить индукторы проволочных катушек

  Для расчета удельной индуктивности в генри можно использовать формулу:

  Где:

  • L = индуктивность в микрогенри [мкГн]
  • d = диаметр катушки из центр провода к другому центру провода. Он должен быть указан в дюймах.
  • l = длина катушки, указанная в дюймах
  • n = количество витков

  Но при этом помните следующее:

  • Длина катушки, используемой в индукторе, должна быть равна или в 0,4 раза превышать диаметр катушки.
  • Как показано в приведенной выше формуле, индуктивность катушки индуктивности с воздушным сердечником зависит от квадрата числа витков. Таким образом, значение длины умножается в четыре раза, если число витков удваивается. Значение длины умножается на два, если количество витков увеличивается до 40%.
  • Для изготовления катушки используйте магнитный провод с эмалированным покрытием.

  Как намотать катушку

  1. Сначала катушка должна быть намотана на пластиковый каркас соответствующего диаметра, который должен быть равен требуемому диаметру сердечника.
  2. Обмотка должна быть плотной, а соседние витки должны располагаться как можно ближе друг к другу.
  3. После завершения намотки медленно извлеките сердечник, не трогая катушку.
  4. Нанесите тонкий слой эпоксидной смолы на поверхность катушки для механической поддержки.
  5. Наконец, снимите изоляцию с концов катушки.

  Пример: Допустим, вам нужно изготовить индуктор с индуктивностью 20 мкГн. Диаметр катушки 2 дюйма, длина катушки 2,25 дюйма. Вам нужно найти количество витков катушки.

  Подставив значения в приведенную выше формулу, где:

  • L = 20 дюймов
  • d = 2 дюйма
  • l = 2,25 дюйма

  Характеристики катушки, влияющие на индуктивность катушка

  Чем больше витков провода в катушке, тем больше величина создаваемого магнитного поля, измеряемая в ампер-витках. Это означает, что чем больше витков провода в катушке, тем больше индуктивность, а чем меньше витков провода, тем меньше индуктивность.

  2. Площадь катушки

  Площадь катушки измеряется вдоль катушки по поперечному сечению сердечника. Большая площадь катушки дает меньшее сопротивление формированию потока магнитного поля при заданной величине силы поля. Это означает, что большая площадь катушки приводит к большей индуктивности, а меньшая площадь катушки приводит к меньшей индуктивности.

  3. Длина катушки

  Чем больше длина катушки, тем меньше индуктивность, и наоборот, чем меньше длина катушки, тем больше индуктивность. Широко расположенная катушка образует относительно длинную катушку. Этот тип катушки имеет меньше потокосцеплений из-за большего расстояния между каждым витком. Поэтому он имеет относительно низкую индуктивность. С другой стороны, катушка с близко расположенными витками образует относительно короткую катушку. Это близкое расстояние увеличивает потокосцепление, увеличивая индуктивность катушки. Удвоение длины катушки при сохранении того же количества витков снижает значение индуктивности вдвое.

  4. Материал сердечника

  Чем больше магнитная проницаемость сердечника, тем больше индуктивность. Магнитный сердечник из сердечника из мягкого железа является лучшим путем для магнитных силовых линий, чем немагнитный сердечник. Высокая проницаемость магнитного сердечника из мягкого железа имеет меньшее сопротивление магнитному потоку, что приводит к большему количеству магнитных силовых линий. Это увеличение магнитных силовых линий увеличивает силовые линии, разрезая каждую петлю катушки. Затем увеличивается индуктивность катушки.

  Спасибо за чтение и не стесняйтесь оставлять комментарии ниже, если у вас есть какие-либо вопросы.

  
  

  Индуктивность, импеданс и потери

  В статье дается основное определение индуктивности, импеданса и индуктивных потерь.

  Индуктивность L Рис. 1. Магнитные поля проводников с током

  Не только магнитные материалы обладают магнитным полем, каждый проводник с током сам создает магнитное поле.

  Энергия может быть временно сохранена в магнитном поле. Этот эффект технически используется в катушках, состоящих из одной или нескольких проволочных обмоток. Синонимичный термин «индуктор» стал установленным.

  Существуют различные типы индукторов или катушек:

  • Воздушные катушки (без ферритового материала)
  • Дроссельные катушки с сердечником из железного порошка или ферритовым сердечником
  • Катушка с тороидальным сердечником
  • Катушка со стержневым сердечником
  Типы
  • SMD становятся все более важными из-за их небольшого размера. Помимо намотанных катушек индуктивности для поверхностного монтажа, все большее распространение получают многопользовательские катушки индуктивности.

  Все катушки имеют особое поведение, более подробно описанное в следующих определениях.

  Определение индуктивности L

  Элемент схемы, реагирующий на изменение тока противонапряжением, обладает индуктивными свойствами. Катушка индуктивности представляет собой пассивный компонент, который, как сопротивление переменному току, создает встречное напряжение, напряжение самоиндукции.

  уравнение напряжения самоиндукции [1]выражение индуктивности [2]

  Напряжение самоиндукции (U _ind ) на выводах катушки индуктивности зависит от скорости изменения тока (di/dt) и коэффициента пропорциональности, индуктивность (L):

  Индуктивность (L) катушки зависит от сердечника материала, геометрии материала сердечника, витков обмотки и типа обмоток. Обычно для расчета индуктивности (л) применяется следующая формула:

  Единица измерения индуктивности (л) – Генри (Гн) = Vs/A

  Индуктивность сердечников со вставленным воздушным зазором можно рассчитать по основе следующей формулы:

  общая индуктивность сердечника с воздушным зазором [3]

  
  l _{среднее значение} = средняя длина магнитного пути в сердечнике (без воздушного зазора)
  l _зазор = длина пути воздушного зазора(ов)
  μ _r = относительная магнитная проницаемость

  Эта формула, вставленная в формулу для расчета общей индуктивности, дает:

  уравнение расчета индуктивности с сердечником и воздушным зазором [4]

  
  Это также позволяет определить ширину воздушного зазора, если требуемая индуктивность L и другие параметры известен. При этом надо иметь в виду, что приведенная выше формула применима только в том случае, если µ _r велика, а длина воздушного зазора намного меньше средней длины сердечника.

  Чтобы учесть эффекты рассеяния и их влияние на индуктивность, McLyman предлагает следующую форму расчета эффектов рассеяния F:

  расчет эффекта рассеяния индуктивности [5] длина пути воздушного зазора(ов)
  A _зазор = площадь поперечного сечения воздушного зазора
  F = коэффициент рассеяния

  В результате индуктивность L _F изменяется на расчетное значение L _зазор умноженный на коэффициент рассеяния F:

  Изменение индуктивности с коэффициентом рассеяния [6]

  Положительное влияние воздушного зазора заключается в увеличении тока насыщения для того же размера сердечника. Недостатком является то, что для достижения заданного значения L теперь необходимо увеличить количество витков, и поэтому, если нет места для обмотки, для более толстого или более одного провода в бифилярной или трехфилярной обмотке сопротивление постоянного тока обмотки также увеличивается.

  Ни в коем случае нельзя уменьшать количество витков для компенсации паразитного эффекта – это дополнительно увеличивает индукцию и может привести к преждевременному насыщению.

  Требуемая ширина воздушного зазора для данной индуктивности L с учетом коэффициента рассеяния F может быть рассчитана в первом приближении следующим образом:

  Расчет ширины воздушного зазора индуктора для данной индуктивности [7]

  Типовой диапазон

  Таблица 1. Типовой диапазон индуктивностей различных конструкций индукторов
  Определение значения A _L

  Чтобы избавить пользователя от необходимости расчета эффективной магнитной длины (l _eff ) и площади (A _eff ), соответствующее значение A _L дано для тороидальных сердечников и гильз. Это представляет собой эффективную индуктивность для одной обмотки и должна быть умножена на квадрат витков обмотки (N), чтобы получить фактическую индуктивность (L) – см. уравнение [8].

  Значение (A _L ) представляет собой индуктивность (L) при условии, что витки обмотки N = 1. Таким образом, при заданном значении A _L необходимое количество витков катушки можно найти, не прибегая к длительному пути. учета геометрических данных керна. см. уравнение [9]

  A _L ссылка на площадь одного витка индуктора [8] требуемые витки индуктора с заданным значением A _L [9]

  Пример:
  Требуемая индуктивность 100 мкГн; сердечник имеет значение A _L 250 нГн/Н ²

  Результат:
  Сердечник должен иметь 20 обмоток для получения индуктивности 100 мкГн.

  Буквы кода допуска
  Допуски AL кодируются буквами в третьем блоке кода заказа в соответствии с IEC 62358. Доступные значения допусков приведены в технических паспортах отдельных производителей и обычно являются частью код заказа.

  Таблица 2. Кодовые буквы AL в соответствии с IEC 62358.
  Полное сопротивление Z

  Если индуктор работает с переменным напряжением, очевидно, что его сопротивление отличается от сопротивления постоянного тока. Сопротивление для переменного напряжения, приложенного к клеммам катушки, называется импедансом (Z) .

  Расчет полного сопротивления катушки индуктивности [10]

  
  Полное сопротивление (Z) зависит от частоты и состоит из геометрической суммы сопротивления потерь (R) и реактивного сопротивления (X _L ) идеальной катушки (L).

  Реактивное сопротивление X _L определяется следующим образом:

  индуктивное реактивное сопротивление [11] Рис. 2. Соотношение между импедансом, реактивным сопротивлением и сопротивлением

  Наблюдение:

  Полное сопротивление возрастает с увеличением частоты. Эта линейная зависимость продолжается до бесконечно высоких частот для идеальной катушки.

  Рис. 3. Пример кривой импеданса для реальных катушек индуктивности 0603

  Однако вследствие частотной зависимости проницаемости и конструкции катушки и паразитной емкости применение катушек на высоких частотах ограничено. Импеданс быстро снижается по сравнению с собственной резонансной частотой; индуктивный характер катушки исчезает.

  Собственная резонансная частота (SFR) Рис. 4. Эквивалентная схема реальной индуктивности

  Каждая катушка индуктивности также имеет емкостную связь, возникающую из ее обмоток или многослойных слоев. Эти паразитные емкости обозначены конденсатором ( C ) в эквивалентной схеме. Этот конденсатор в катушке образует параллельный резонансный контур с индуктивностью.

  На собственной резонансной частоте входная энергия колеблется между элементами индуктивности и емкости. Внешняя энергия больше не поглощается (идеальная катушка).

  Если катушка работает выше своего резонанса, она становится еще более емкостной. На практике катушки должны работать значительно ниже их резонансной частоты.

  R Потери

  Активная мощность (тепловые потери) не рассеивается на реактивном сопротивлении X _L из-за фазового сдвига 90° между напряжением и током. Общие потери катушки можно объединить в сопротивление потерь (R), которое последовательно соединено с идеальной индуктивностью (L). В результате получается эквивалентная схема реальной индуктивности (см. рис. 4).

  Поскольку потери R зависят от частоты, сопротивление постоянному току (DCR) также всегда указывается в технических характеристиках. Это зависит от используемого материала провода или типа конструкции индукторов SMD и определяется при комнатной температуре простым измерением сопротивления.

  Величина сопротивления постоянному току DCR напрямую влияет на повышение температуры катушки. Поэтому следует избегать длительного превышения текущего номинала. Общие потери катушки состоят как из потерь на постоянном сопротивлении DCR, так и из следующих частотно-зависимых составляющих:

  • Потери в материале сердечника (потери на магнитный гистерезис, потери на вихревые токи)
  • Дополнительные потери в проводнике от скин-эффекта (смещение тока на высоких частотах)
  • Потери магнитного поля соседних обмоток (эффект близости)
  • Радиационные потери
  • Потери от дополнительного магнитного экранирования

  Все эти компоненты потерь можно объединить в сопротивление потерям (R). Это сопротивление потерь в первую очередь определяет качество катушки индуктивности. К сожалению, математическое определение сопротивления потерь R невозможно.

  Поэтому катушки индуктивности обычно измеряют во всем диапазоне частот с помощью анализатора импеданса. Это измерение обеспечивает отдельные компоненты X _L (f), R (f) и Z (f). Добротность определяется как качественная характеристика индуктора.

  Потери в меди

  Потери в меди для индуктивных компонентов состоят из потерь постоянного тока и потерь на вихревые токи. Потери постоянного тока рассчитываются по закону Ома:

  потерь мощности экв. [12]

  P _В = потери мощности
  R = сопротивление постоянному току
  I _{Среднеквадратичное значение} = эффективный ток

  На более высоких частотах также возникают потери из-за скин-эффекта и эффекта близости. Эти потери на вихревые токи можно объяснить непосредственно законом Фарадея. Ток, протекающий по проводнику, создает магнитное поле вокруг этого проводника.

  Это магнитное поле быстро меняется из-за высокой частоты, так что в проводнике и в соседних проводниках индуцируется напряжение. Это напряжение генерирует ток, противоположный первоначальному току. Таким образом, в проводнике, а также в соседних проводниках возникают дополнительные токи.

  При рассмотрении одного проводника говорят о скин-эффекте. Для проводников, по которым протекают токи высокой частоты, ток течет только по внешней оболочке проводника (рис. 5). Глубина проникновения, при которой плотность тока упала до значения 1/e, определяется как:
  

  глубина проникновения скин-эффекта тока экв. [13]

  δ = глубина проникновения
  ρ = удельное сопротивление
  ω = угловая частота 2 πf
  μ = магнитная проницаемость проводника (для меди μ ₀ )

  Рис. 5. Распределение тока в проводнике на высокой частоте. В качестве примера приведен диаметр проволоки, в 7 раз превышающий глубину проникновения.

  Глубина проникновения на частоте 50 Гц – 9,38 мм, на частоте 10 кГц – 0,66 мм.

  Эффект близости играет гораздо большую роль для трансформаторов, поскольку соседние проводники генерируют поля, смещаемые током. Возможность расчета потерь на вихревые токи для простых геометрий описана Доуэллом. Теория была далее развита Карстеном. Математическое описание далеко выходит за рамки этого поста.

  Здесь гораздо важнее описать возможные варианты ограничения потерь на вихревые токи. Потери на вихревые токи зависят от величины магнитного поля. Таким образом, способ ограничения потерь на вихревые токи заключается в ограничении напряженности магнитного поля.

  Это может быть достигнуто, например, чередованием обмоток, т.е. наматывается половина первичной обмотки, затем вторичная обмотка, а затем вторая половина первичной обмотки. Это уменьшает абсолютную величину магнитного поля и, следовательно, потери на вихревые токи. На рис. 6 приведена иллюстрация профиля поля H в обмотке из медной фольги со структурой обмотки первичная-вторичная и полупервичная-вторичная-полупервичная.

  Рис. 6. Профиль магнитного поля в трансформаторе с различной конфигурацией обмотки.

  Напряженность магнитного поля внутри обмотки возрастает изнутри наружу, потому что все больше витков (все большие токи) заключены в силовые линии. Магнитное поле вторичной обмотки противоположно исходному полю. Это снова служит для уменьшения магнитного поля. Ясно видно уменьшение величины поля H.

  Тонкие плоские проводники, напр. медная фольга, также может использоваться для обмотки. Толщина должна быть порядка глубины проникновения. Это следует использовать только для небольшого количества витков, потому что для большего количества обмоток большое количество слоев вызывает более высокие потери на вихревые токи.

  Еще одним вариантом снижения вихревых токов является намотка более тонкими изолированными проводами, а не толстыми проводами. Здесь необходимо позаботиться о том, чтобы отдельные провода, соединенные параллельно, имели одинаковое распределение тока. Здесь предлагается вариант ВЧ-жгутов, при котором отдельные провода скручены друг с другом, так что в среднем каждый провод занимает одно и то же положение в магнитном поле. При этом варианте также следует соблюдать осторожность, чтобы количество слоев не было слишком большим.

  Определение добротности Q

  Компонент подведенной извне энергии, преобразованный в тепло в сопротивлении потерь R, не способствует накоплению энергии в магнитном поле. Чем больше эти потери, тем хуже индуктор действует как буфер.

  Это определяет качество как добротность Q следующим образом:

  добротность катушки индуктивности экв. [14]

  Практические значения:

  • Воздушный змеевик Q до 400
  • Ферритовый дроссель Q до 150
  • Многопользовательские катушки индуктивности SMD Q до 60

  График качество-частота на рис. 7 помогает выбрать наилучшую конструкцию катушки индуктивности для конкретного применения.

  Рис. 7. Пример графика зависимости добротности индуктора 0805 от частоты

  Наблюдения:

  • Качество повышается до пикового значения, а затем снижается.
  • Постоянные малые потери в сопротивлении R катушки индуктивности можно допустить вплоть до пикового значения качества.
  • За пределами пикового значения становятся очевидными значительные потери, а индуктивность также меняется из-за нелинейности ферритового материала.
  • Рабочий диапазон с наименьшими потерями может быть определен до точки перелома качества. Если индуктор используется на более высоких частотах, потери быстро возрастают.
  Поведение при температуре Рис. 8. Температурная зависимость индуктивности/проницаемости и температура Кюри

  Начальная проницаемость µi как функция T дана для всех материалов. Важными параметрами кривой μ(T) являются положение максимума вторичной проницаемости (ВПМ) и температура Кюри. Минимальные потери происходят при температуре СЗМ.

  Выше температуры Кюри TC ферритовые материалы теряют свои ферримагнитные свойства, т.е. µi падает до µi = 1. Это означает, что параллельное расположение элементарных магнитов (самопроизвольная намагниченность) нарушается за счет увеличения термической активации.

  Это явление обратимо, т.е. при снижении температуры ниже TC снова ферримагнитные свойства восстанавливаются. Температура Кюри TC определяется как пересечение прямой линии между 80 % и 20 % Lmax с осями температуры (рис. 8).

  Рис. 9. Температурный дрейф многослойного индуктора 0805

  Катушки с ферромагнитными материалами сердечника демонстрируют переменное индуктивное поведение в зависимости от температуры окружающей среды. Если к устойчивости цепей фильтров, построенных с индукторами, предъявляются высокие требования (например, в измерительной технике), целесообразно выбирать катушки с почти линейной температурной характеристикой. Изменение индуктивности ΔL по отношению к номинальной индуктивности L катушки в этом случае является самым низким.

  Рисунок 9. показывает этот график для многослойной катушки индуктивности 0805.

  Номинальный ток

  Номинальный ток, который может проходить через индуктор, более точно определяется отдельными типами компонентов. Номинальный ток обычно связан с указанием на саморазогрев компонента. Если компонент работает при номинальном токе, он нагревается выше температуры окружающей среды на температуру, указанную в техпаспорте.

  Затем необходимо убедиться, что полученная температура компонента подходит для применения. В противном случае необходимо выбрать компонент с более высокой номинальной допустимой нагрузкой по току. Необходимо убедиться, что при работе при номинальном токе температура детали не превышает рабочую температуру (в противном случае необходимо снижение номинальных характеристик).

  Пример:
  Максимальное значение номинального тока экранированного многослойного индуктора достигается, если повышение температуры компонента превышает 20 °C для выбранного испытательного тока.

  Рис. 10. Пример графика зависимости индуктивности от тока (накопительные дроссели WE-MI 0805)
  Ток насыщения

  Ток насыщения катушки индуктивности — это ток, при котором значение индуктивности падает на процент, указанный в техническом описании.