Дроссель принцип работы: что такое в электронике, принцип работы, устройство

Содержание

сферы применения, устройство и электронные аналоги

Дросселем называется катушка индуктивности определенной конструкции и номинала, предназначенная для установки в электротехнических и электронных схемах. Дроссель электрический требуется отличать от аналога, используемого в электронных устройствах с учетом их конструктивных особенностей. Для понимания, в чем состоят различия этих двух изделий, придется ознакомиться с принципом работы и существующими разновидностями.

Содержание

Принцип работы
Технические характеристики
Разновидности дросселей
Применение индуктивных элементов и их графическое обозначение

Принцип работы

Дроссель электрический

Принцип работы дросселей в электрической схеме можно объяснить так:

при протекании переменного тока через индуктивный элемент скорость его нарастания замедляется, что приводит к аккумулированию энергии в магнитном поле катушки;
объясняется это действием закона Ленца, согласно которому ток в индуктивности не может изменяться мгновенно;
нарушение этого правила привело бы к недопустимому нарастанию напряжения, что физически невозможно.

Другой отличительной особенностью, поясняющей принцип работы индуктивности, является эффект самоиндукции, теоретически обоснованный Фарадеем. На практике он проявляется как наведение в катушке собственной ЭДС, имеющей противоположную полярность. За счет этого эффекта через индуктивность начинает течь ток, препятствующий нарастанию вызвавшего его полевого образования.

Указанное свойство позволяет применять индуктивные элементы в электротехнике для сглаживания низкочастотных пульсаций. Для них индуктивность представляется большим сопротивлением.

Использование в других технических областях (в высокочастотных устройствах, например) дроссель обеспечивает развязку основной электронной схемы от вспомогательных (низкочастотных) цепей.

Технические характеристики

Технические характеристики компенсационных дросселей

Основным техническим параметром дросселя в электротехнике и электронике, полностью характеризующим его функциональность, является величина индуктивности. Этим он напоминает обычную катушку, применяемую в различных электрических схемах. И в том и другом случае за единицу измерения принимается Генри, обозначаемый как Гн.

Еще один параметр, описывающий поведение дросселя в различных цепях – его электрическое сопротивление, измеряемое в Омах. При желании его всегда удается проверить посредством обычного тестера (мультиметра). Для полноты описания работы этого элемента потребуется добавить такие показатели:

допустимое (предельное) напряжение;
номинальный ток подмагничивания;
добротность образуемого катушкой контура.

Дроссель цепи постоянного тока СТА-ФТП-93 93 кВт

Указанные характеристики дросселей позволяют разнообразить их ассортимент и использовать для решения самых различных инженерных задач.

Разновидности дросселей

По виду электрических цепей, в которых устанавливаются дроссельные элементы, классификация следующая:

низкочастотные индуктивности;
высокочастотные катушки;
дроссели в цепях постоянного тока.

Низкочастотные элементы внешне напоминают обычный трансформатор, у которого имеется всего лишь одна обмотка. Их катушка навита на пластиковом каркасе с размещенным внутри сердечником, изготовленным из трансформаторной стали.

Стальные пластины надежно изолированы одна от другой, что позволяет снизить уровень вихревых токов.

Катушка индуктивности для НЧ динамика, сабвуфера, низких частот, провод ПЭТВ 1,25мм

Дроссельные НЧ катушки обычно имеют большую индуктивность (более 1 Гн) и препятствуют прохождению токов сетевых частот 50-60 Герц через участки цепей, где они установлены.

Еще одна разновидность индуктивных изделий – высокочастотные дроссели, витки которых навиваются на ферритовом или стальном сердечнике. Существуют разновидности ВЧ изделий, которые работают без ферромагнитных оснований, а провода в них наматываются просто на пластмассовый каркас. При секционной намотке, применяемой в схемах среднечастотного диапазона, витки провода распределяются по отдельным секциям катушки.

Электротехнические изделия с ферромагнитным сердечником имеют меньшие габариты, чем простые дроссели той же индуктивности. Для работы на высоких частотах применяются сердечники ферритовые или из диэлектрических составов, отличающихся малой собственной емкостью. Такие дроссели используются в довольно широком диапазоне частот.

Некоторые из них изготавливаются в виде толстой витой проволоки, совсем не имеющей каркаса.

Дроссель постоянного тока в основном применяется для сглаживания пульсаций, появляющихся после его выпрямления в специальных схемах.

Применение индуктивных элементов и их графическое обозначение

Назначение дросселя в импульсных схемах питания — блокировать резкие всплески от трансформатора

Электрические дроссели, работающие в цепях переменного тока, традиционно применяются в следующих случаях:

для развязки вторичных цепей импульсных источников питания;
в обратноходовых преобразователях или бустерах;
в балластных схемах люминесцентных ламп, обеспечивающих быстрый запуск;
для запуска электрических двигателей.

В последнем случае они используются в качестве ограничителей пусковых и тормозных токов.

Электротехнические изделия, устанавливаемые в электрических приводах мощностью до 30 кВт, по своему виду напоминают классический трехфазный трансформатор.

Так называемые дроссели насыщения используются в типовых обратноходовых стабилизаторах напряжения, а также в феррорезонансных преобразователях и магнитных усилителях. В последнем случае возможность намагничивания сердечника позволяет изменять индуктивное сопротивление действующих цепей в широких пределах. Сглаживающие дроссели применяются для снижения уровня пульсаций в выпрямительных цепях.

Источники питания с такими элементами до сих пор встречаются в электротехнической практике. Для запуска люминесцентных ламп все чаще используется «электронный» балласт, постепенно вытесняющий намоточные изделия. Его применение объясняется следующими преимуществами:

низкий вес;
эксплуатационная надежность;
отсутствие характерного для обычных дросселей гудения.

Для обозначения дросселя на электротехнических и электронных схемах используются значки, представляющие собой отрезок витого проводника. Для катушек с сердечником внутри намотки дополнительно ставится черточка, а в бескаркасном варианте исполнения она отсутствует.

Дроссель и его параметры | HomeElectronics

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,

ε₀ – электрическая постоянная, ε₀ = 8,85 * 10^-12 Ф/м,

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,

m – число слоёв.

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

где μ₀ – относительная магнитная проницаемость, μ₀ = 4π*10^-8,

р_ср – периметр среднего витка обмотки,

w – количество витков провода в дросселе,

l – длина намотки,

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 необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Катушки индуктивности и ВЧ-дроссели Основы

Катушки индуктивности и ВЧ-дроссели в основном представляют собой электрические компоненты одного типа. Разница в конструкции связана с функцией, которую устройство будет выполнять в цепи. Большинство инженеров больше знакомы с катушками индуктивности — некоторые считают, что оба устройства могут использоваться взаимозаменяемо, — которые преобладают в частотно-селективных системах, таких как тюнер для радиоприемников или фильтры.

Катушки индуктивности

Стандартная катушка индуктивности создается путем плотной намотки проводов (катушек) вокруг сплошного стержня или цилиндрического кольца, называемого сердечником катушки индуктивности. Когда ток циркулирует по проводам, создается магнитный поток, противоположный изменению тока (сопротивляющийся любому изменению электрического тока), но пропорциональный величине тока. Кроме того, в катушке индуцируется напряжение из-за движения магнитного потока. Сила магнитного потока зависит от типа сердечника.

Катушки индуктивности классифицируются по типу сердечника, на который намотана катушка. На рис. 1 показаны символы, используемые для различения некоторых типов.

Рисунок 1: Символы индуктора. Источник: Electronics-tutorials

Единицы

Как мы видели, катушки индуктивности сопротивляются изменению тока (AC), но легко пропускают постоянный ток. Эта способность противодействовать изменениям тока и взаимосвязи между током и магнитным потоком в индукторе измеряется добротностью, называемой индуктивностью, с символом L и единицами измерения Генри (H) в честь американского ученого и первого секретаря Смитсоновского института. , Джозеф Генри.

ВЧ-дроссели

ВЧ-дроссели можно рассматривать как применение катушек индуктивности. Они разработаны как фиксированные катушки индуктивности с целью блокировки или подавления высокочастотных сигналов переменного тока (AC), включая сигналы от радиочастотных (RF) устройств, и обеспечения прохождения низкочастотных сигналов и сигналов постоянного тока. Строго говоря, в идеале ВЧ-дроссель представляет собой дроссель, подавляющий все частоты и пропускающий только постоянный ток. Чтобы достичь этого, дроссель (или индуктор) должен иметь высокий импеданс в диапазоне частот, который он предназначен для подавления, как мы можем видеть, изучая формулу для значения импеданса, X

L :

X _L = 6,283*f*L

Рис. 2. Ферритовый шарик. Источник: Wuerth Elektronik

Где f — частота сигнала, а L — индуктивность. Мы видим, что чем выше частота, тем выше импеданс, поэтому сигнал с высокой частотой встретит эквивалентное сопротивление (импеданс), которое заблокирует его прохождение через дроссель. Низкочастотные сигналы и сигналы постоянного тока будут проходить с небольшими потерями мощности.

Дроссели обычно состоят из катушки изолированного провода, намотанной на магнитный сердечник, или круглой «бусины» из ферритового материала, нанизанной на провод. Их часто наматывают по сложной схеме, чтобы уменьшить собственную емкость.

Как правило, радиочастотные дроссели можно увидеть на компьютерных кабелях. Они известны как ферритовые бусины и используются для устранения цифрового радиочастотного шума. Как показано на рис. 2, ферритовые кольца имеют форму цилиндра или тора и обычно надеваются на проволоку.

Саморезонанс

Катушки индуктивности и дроссели реального мира не являются индуктивными на 100%. При подаче питания появляются паразитные элементы, которые изменяют поведение устройства и импедансы. Провода катушки, используемые для изготовления индуктора, всегда вносят последовательное сопротивление, а расстояние между витками катушки (обычно разделенное изоляцией) создает паразитную емкость. Этот элемент появляется как параллельный компонент последовательной комбинации паразитного резистора и идеальной катушки индуктивности. Типовая эквивалентная схема катушки индуктивности показана на рис. 3.9.0003

Рис. 3: Эквивалентная схема катушки индуктивности

Реактивные сопротивления идеальной катушки индуктивности и паразитного конденсатора находятся по известным формулам: C = 1/(wC) = 1/(6,283*f*C) (2)

Из-за наличия реактивных сопротивлений значение полного импеданса цепи изменяется с частотой. С увеличением частоты реактивное сопротивление конденсатора падает, а емкость катушки индуктивности увеличивается. Существует частота, при которой реактивное сопротивление идеального индуктора и паразитного конденсатора равны. Это называется собственной резонансной частотой параллельной резонансной системы. В параллельном резонансном контуре полное сопротивление на резонансной частоте максимально и чисто резистивно. На рис. 4 показаны графики импеданса в зависимости от частоты, заданные уравнениями 1 (красный) и 2 (синий). Общий импеданс (черный) показывает резонансную частоту в точке, где оба импеданса равны. Импеданс в этой точке является чисто резистивным и имеет максимальное значение.

Рис. 4. Импеданс в зависимости от частоты. Источник: Texas Instruments

Источник: Электроника 360

Что такое электрический дроссель, зачем использовать электрический дроссель в люминесцентных лампах, применение электрических дроссельных катушек

Электрический дроссель — это очень известное нам слово. Но многие не знают про дроссель . Давайте узнаем об электрическом дросселе.

Что такое Электрический дроссель?

Электрический дроссель представляет собой катушку или индуктор. Проводник, намотанный на сердечник с количеством витков, можно назвать дросселем. Электрический дроссель работает так же, как индуктор. Когда ток, протекающий через дроссельную катушку, непрерывно изменяется, создается магнитное поле, которое действует против протекающего тока. Поскольку переменный ток постоянно изменяется, дроссельная катушка пытается блокировать переменный ток. Поскольку постоянный ток не меняется, дроссельная катушка легко его пропускает. Благодаря этому свойству дроссельной катушки она используется для фильтрации выходного сигнала выпрямителя.

Дроссельная катушка или катушка индуктивности также обладают свойством, подобным конденсатору, оба они накапливают проходящие через них заряды. Дроссельная катушка накапливает электрический заряд, создавая вокруг себя магнитное поле. Конденсатор так не работает.

Теперь используется дневной электронный дроссель.

Почему дроссельная катушка используется в люминесцентных лампах?

1. Дроссельная катушка подключается последовательно с лампой. Он ограничивает ток во время пуска при замкнутом состоянии биметаллического контакта в пускателе.

2. Высокое напряжение необходимо для получения ионизированного газа внутри трубки. Дроссельная катушка создает на ней высокое напряжение и способствует ионизации газа.

Теперь дневной электронный дроссель используется в люминесцентных лампах.

Влияние переменного и постоянного тока на электрический дроссель:

Поскольку дроссель является индуктором, он пытается блокировать переменный ток, но в случае постоянного тока он не оказывает никакого сопротивления потоку постоянного тока.

Давайте разберемся математически,

Нам известно индуктивное сопротивление (это сопротивление катушки индуктивности) XL=2πfL

«f» — частота, а «L» — индуктивность.