Катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока
Как ведет себя катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока?
Катушка индуктивности в цепи постоянного тока
Итак, для этого опыта нам понадобится блок питания, который выдает постоянное напряжение, лампочка накаливания и собственно сама катушка индуктивности.
Чтобы сделать катушку индуктивности с хорошей индуктивностью, нам надо взять ферритовый сердечник:
Намотать на него лакированного медного провода и зачистить выводы:
Замеряем индуктивность нашей катушки с помощью LC метра:
132 микрогенри.
Теперь собираем все это вот по такой схеме:
где
L — катушка индуктивности
La — лампочка накаливания на напряжение 12 Вольт
Bat — блок питания, с выставленным напряжением 12 Вольт
Лампочка засветилась!
Как вы помните из прошлой статьи, конденсатор у нас не пропускал постоянный электрический ток:
Делаем вывод: постоянный электрический ток почти беспрепятственно течет через катушку индуктивности.
Сопротивлением обладает только сам провод, из которого намотана катушка.
[quads id=1]
Катушка индуктивности в цепи переменного тока
Для того, чтобы узнать, как ведет себя катушка индуктивности в цепи переменного тока, нам понадобится осциллограф, генератор частоты, собственно сама катушка индуктивности и резистор на 100 Ом. Чем больше сопротивление, тем меньше будет проседать напряжение с моего генератора частоты, поэтому я взял резистор на 100 Ом.Он у меня будет в качестве шунта. Падение напряжения на этом резисторе будет зависеть от тока, протекающего через него
Собираем все это дело по такой схеме:
Получилось как то так:
Сразу договоримся, что у нас первый канал будет красным цветом, а второй канал — желтым. Следовательно, красная синусоида — это частота, которую нам выдает генератор частоты, а желтая синусоида — это сигнал, который снимается с резистора.
Мы с вами узнали, что при нулевой частоте (постоянный ток), катушка почти беспрепятственно пропускает через себя электрический ток.
В нашем опыте мы будем подавать с генератора частоты синусоидальный сигнал с разной частотой и смотреть, меняется ли напряжение на резисторе.
Опыт N1
Для начала подаем сигнал с частотой в 1 Килогерц.
Давайте разберемся, что есть что. В зеленой рамочке я вывел автоматические замеры, которые делает осциллограф
Красный кружок с цифрой «1» — это замеры «красного»канала. Как мы видим, F (частота) =1 Килогерц, а Ма (амплитуда) = 1,96 Вольт. Ну грубо скажем 2 Вольта. Смотрим на кружочек с цифрой «2». F=1 Килогерц, а Ма=1,96 Вольт. То есть можно сказать, что сигнал на выходе точно такой же, как и на входе.
Увеличиваем частоту до 10 Килогерц
Амплитуда не уменьшилась. Сигнал какой есть, такой и остался.
Увеличиваем до 100 Килогерц
Заметили разницу? Амплитуда желтого сигнала стала меньше, да еще и график желтого сигнала сдвигается вправо, то есть запаздывает, или научным языком, появляется сдвиг фаз.
Красный сигнал никуда не сдвигается, запаздывает именно желтый. Это имейте ввиду.
Сдвиг фаз — это разность между начальными фазами двух измеряемых величин. В данном случае напряжения. Для того, чтобы произвести замер сдвига фаз, должно быть условие, что у этих сигналов одна и та же частота. Амплитуда может быть любой. Ниже на рисунке приведен этот самый сдвиг фаз или, как еще его называют, разность фаз:
Увеличиваем частоту до 200 Килогерц
На частоте 200 Килогерц амплитуда упала вдвое, да и разность фаз стала больше.
Увеличиваем частоту до 300 Килогерц.
Амплитуда желтого сигнала упала уже до 720 милливольт. Разность фаз стала еще больше.
Увеличиваем частоту до 500 Килогерц
Амплитуда уменьшилась до 480 милливольт.
Добавляем еще частоту до 1 Мегагерц
Амплитуда желтого канала стала 280 милливольт.
Ну и добавляем частоту до предела, который позволяет выдать генератор частоты: 2 Мегагерца
Амплитуда «желтого» сигнала стала настолько маленькой, что мне пришлось ее даже увеличить в 5 раз.
И можно сказать, что сдвиг фаз стал почти 90 градусов или π/2.
[quads id=1]
Но станет ли сдвиг фаз больше, чем 90 градусов, если подать очень-очень большую частоту? Эксперименты говорят, что нет. Если сказать просто, то при бесконечной частоте сдвиг фаз будет равняться 90 градусов. Если совместить наши графики на бесконечной частоте, то можно увидеть примерно вот такой рисунок:
Так какой вывод можно сделать?
С увеличением частоты сопротивление катушки растет, а также увеличивается сдвиг фаз. И чем больше частота, тем больше будет сдвиг фазы, но не более, чем 90 градусов.
Опыт N2
Давайте же уменьшим индуктивность катушки. Прогоним еще раз по тем же самым частотам. Я убрал половину витков и сделал витки на край феррита, тем самым уменьшил индуктивность до 33 микрогенри.
Смотрите формулу катушки индуктивности.
Итак, прогоняем все по тем же значениям частоты
При частоте в 1 Килогерц у нас значение почти не изменилось.
10 Килогерц
Здесь тоже ничего не изменилось.
100 Килогерц
Тоже почти ничего не изменилось, кроме того, что желтый сигнал стал тихонько сдвигаться.
200 Килогерц
Здесь уже видим, что амплитуда на желтом сигнале начинает проседать и сдвиг фаз наращивает обороты.
300 Килогерц
Сдвиг фаз стал больше и амплитуда просела еще больше
500 Килогерц
Сдвиг стал еще больше и амплитуда желтого сигнала тоже просела.
1 Мегагерц
Амплитуда желтого сигнала падает, сдвиг фаз прибавляется. 😉
2 Мегагерца, предел моего генератор частоты
Сдвиг фаз стал почти равен 90 градусов, а амплитуда стала даже меньше, чем пол Вольта.
Обратите внимание на амплитуду в Вольтах на тех же самых частотах. В первом случае у нас индуктивность была больше, чем во втором случае, но амплитуда желтого сигнала во втором случае больше, чем в первом.
Отсюда вывод напрашивается сам собой:
При уменьшении индуктивности, сопротивление катушки индуктивности также уменьшается.
Реактивное сопротивление катушки индуктивности
С помощью нехитрых умозаключений, физиками была выведена формула:
где
ХL — реактивное сопротивление катушки, Ом
П — постоянная и равна приблизительно 3,14
F — частота, Гц
L — индуктивность, Гн
В данном опыте мы с вами получили фильтр низких частот (ФНЧ). Как вы видели сами, на низких частотах катушка индуктивности почти не оказывает сопротивление напряжению, следовательно амплитуда и мощность на выходе такого фильтра будет почти такой же, как и на входе. Но с увеличением частоты у нас амплитуда гасится. Применив такой фильтр на динамик, можно с уверенностью сказать, что будет усиливаться только бас, то есть низкая частота звука.
Видео про катушку индуктивности:
Заключение
Постоянный ток протекает через катушку индуктивности без каких-либо проблем.
Сопротивлением обладает только сам провод, из которого намотана катушка.
Сопротивление катушки зависит от частоты протекающего через нее тока и выражается формулой:
Катушка индуктивности: устройство, принцип работы, назначение
- Статья
- Видео
Катушки индуктивности нашли широкое применение в электротехнике в качестве накопителей энергии, колебательных контуров, ограничения тока. Поэтому их можно встретить везде, начиная от портативной электроники, заканчивая подстанциями в виде гигантских реакторов. В этой статье мы расскажем, что это такое катушка индуктивности, а также какой у нее принцип работы и многое другое.
- Определение и принцип действия
- Виды и типы катушек
- Для чего нужны и какие бывают
- Основные параметры
- Маркировка
Определение и принцип действия
Катушка индуктивности — это катушка смотанного в спираль или другую форму изолированного проводника.
Основные особенности и свойства: высокая индуктивность при низкой ёмкости и активном сопротивлении.
Она накапливает энергию в магнитном поле. На рисунке ниже вы видите её условное графическое обозначение на схеме (УГО) в разных видах и функциональных назначениях.
Она может быть с сердечником и без него. При этом с сердечником индуктивность будет в разы больше, чем если его нет. От материала, из которого изготовлен сердечник, также зависит величина индуктивности. Сердечник может быть сплошным или разомкнутым (с зазором).
Напомним один из законов коммутации:
Ток в индуктивности не может измениться мгновенно.
Это значит, что катушка индуктивности — это своего рода инерционный элемент в электрической цепи (реактивное сопротивление).
Давайте поговорим, как работает это устройство? Чем больше индуктивность, тем больше изменение тока будет отставать от изменения напряжения, а в цепях переменного тока — фаза тока отставать от фазы напряжения.
В этом и заключается принцип работы катушек индуктивности – накопление энергии и задерживание фронта нарастания тока в цепи.
Из этого же вытекает и следующий факт: при разрыве в цепи с высокой индуктивностью напряжение на ключе повышается и образуется дуга, если ключ полупроводниковый — происходит его пробой. Для борьбы с этим используются снабберные цепи, чаще всего из резистора и конденсатора, установленного параллельно ключу.
Виды и типы катушек
В зависимости от сферы применения и частоты цепи может отличаться конструкция катушки.
По частоте можно условно разделить на:
- Низкочастотные. Пример — дроссель люминесцентной лампы, трансформатор (каждая обмотка представляет собой катушку индуктивности), реактор, фильтры электромагнитных помех. Сердечники чаще всего выполняются из электротехнической стали, для цепей переменного тока из листов (шихтованный сердечник).
- Высокочастотные. Например, контурные катушки радиоприемников, катушки связи усилителей сигнала, накопительные и сглаживающие дроссели импульсных блоков питания.
Их сердечник изготавливают обычно из феррита.
Конструкция отличается в зависимости от характеристик катушки, например, намотка может быть однослойной и многослойной, намотанной виток к витку или с шагом. Шаг между витками может быть постоянным или прогрессивным (изменяющимся по длине катушки). Способ намотки и конструкция влияют на конечные размеры изделия.
Отдельно стоит рассказать о том, как устроена катушка с переменной индуктивностью, их еще называют вариометры. На практике можно встретить разные решения:
- Сердечник может двигаться относительно обмотки.
- Две обмотки расположены на одном сердечнике и соединены последовательно, при их перемещении изменяется взаимоиндукция и индуктивная связь.
- Сами витки для настройки контура могут раздвигаться или сужаться приближаясь друг к другу (чем плотнее намотка — тем больше индуктивность).
И так далее. При этом подвижная часть называется ротором, а неподвижная — статором.
По способу намотки бывают также различными, например, фильтры со встречной намоткой подавляют помехи из сети, а намотанные в одну сторону (согласованная намотка) подавляют дифференциальные помехи.
Для чего нужны и какие бывают
В зависимости от того, где применяется катушка индуктивности и её функциональных особенностей, она может называться по-разному: дроссели, соленоиды и прочее. Давайте рассмотрим, какие бывают катушки индуктивности и их сферу применения.
Дроссели. Обычно так называются устройства для ограничения тока, область применения:
- В пускорегулирующей аппаратуре для розжига и питания газоразрядных ламп.
- Для фильтрации помех. В блоках питания — фильтр электромагнитных помех со сдвоенным дросселем на входе компьютерного БП, изображен на фото ниже. Также используется в акустической аппаратуре и прочем.
- Для фильтрации определенных частот или полосы частот, например, в акустических системах (для разделения частот по соответствующим динамикам).
- Основа в импульсных преобразователях — накопитель энергии.
Токоограничивающие реакторы — используются для ограничения токов короткого замыкания на ЛЭП.
Примечание: у дросселей и реакторов должно быть низкое активное сопротивление для уменьшения их нагрева и потерь.
Контурные катушки индуктивности. Используются в паре с конденсатором в колебательном контуре. Резонансная частота подбирается под частоту приема или передачи в радиосвязи. У них должна быть высокая добротность.
Вариометры. Как было сказано — это настраиваемые или переменные катушки индуктивности. Чаще всего используются в тех же колебательных контурах для точной настройки частоты резонанса.
Соленоид — так называется катушка, длина которой значительно больше диаметра. Таким образом внутри соленоида образуется равномерное магнитное поле. Чаще всего соленоиды используются для совершения механической работы — поступательного движения. Такие изделия называют еще электромагнитами.
Рассмотрим, где используются соленоиды.
Это может быть активатор замка в автомобиле, шток которого втягивается после подачи на соленоид напряжения, и звонок, и различные исполнительные электромеханические устройства типа клапанов, грузоподъёмные магниты на металлургических производствах.
В реле, контакторах и пускателях соленоид также выполняет функцию электромагнита для привода силовых контактов. Но в этом случае его чаще называют просто катушка или обмотка реле (пускателя, контактора соответственно), как выглядит, на примере малогабаритного реле вы видите ниже.
Рамочные и кольцевые антенны. Их назначение — передача радиосигнала. Используются в иммобилайзерах автомобилей, металлодетекторах и для беспроводной связи.
Индукционные нагреватели, тогда она называется индуктором, вместо сердечника помещают нагреваемое тело (обычно металл).
Основные параметры
К основным характеристикам катушки индуктивности можно отнести:
- Индуктивность.
- Силу тока (для подбора подходящего элемента при ремонте и проектировании это нужно учитывать).
- Сопротивление потерь (в проводах, в сердечнике, в диэлектрике).
- Добротность — отношение реактивного сопротивления к активному.
- Паразитная емкость (емкость между витками, говоря простым языком).
- Температурный коэффициент индуктивности — изменение индуктивности при нагреве или охлаждении элемента.
- Температурный коэффициент добротности.
Маркировка
Для обозначения номинала катушки индуктивности используют буквенную или цветовую маркировку. Есть два вида буквенной маркировки.
- Обозначение в микрогенри.
- Обозначение набором букв и цифр. Буква r – используется вместо десятичной запятой, буква в конце обозначения обозначает допуск: D = ±0.3 нГн; J = ±5%; К = ±10%; М = ±20%.
Цветовую маркировку можно распознать аналогично таковой на резисторах. Воспользуйтесь таблицей, чтобы расшифровать цветные полосы или кольца на элементе. Первое кольце иногда делают шире остальных.
На это мы и заканчиваем рассматривать, что собой представляет катушка индуктивности, из чего она состоит и зачем нужна. Напоследок рекомендуем посмотреть полезное видео по теме статьи:
Материалы по теме:
- Как сделать индукционный котел своими руками
- Что такое самоиндукция
- Калькулятор для расчета катушки индуктивности
Автор: Алексей Бартош
Что такое индуктор и что он делает в цепи?
Я получил несколько писем с вопросом «Что такое индуктор?». И я понял, что это действительно хороший вопрос. Потому что это довольно странный компонент.
Катушка индуктивности это просто катушка провода.
Его невероятно легко сделать — просто сделайте несколько петель из проволоки. Но поскольку провода создают магнитные поля, вы скоро увидите, что они могут делать кое-что интересное.
Индуктор в цепи
Если вы изучаете электронику, первый важный вопрос: что делает катушка индуктивности в цепи?
Катушка индуктивности будет сопротивляться изменениям тока.
В схеме ниже у вас есть светодиод и резистор последовательно с катушкой индуктивности. И есть переключатель для включения и выключения питания.
Без катушки индуктивности это была бы обычная схема светодиода, и светодиод включался бы сразу же, как только вы щелкаете выключателем.
Но катушка индуктивности — это компонент, который сопротивляется изменениям тока.
Когда переключатель выключен, ток не течет. Когда вы включаете выключатель, начинает течь ток. Это означает, что есть изменение тока, которому будет сопротивляться индуктор.
Таким образом, вместо того, чтобы сразу увеличивать ток от нуля до максимума, он будет постепенно увеличиваться до максимального значения.
(Максимальный ток для этой цепи устанавливается резистором и светодиодом.)
Поскольку сила тока определяет интенсивность свечения светодиода, индуктор заставляет светодиод постепенно исчезать, а не включаться мгновенно.
Примечание: Вам понадобится очень большая катушка индуктивности, чтобы увидеть затухание светодиода в приведенной выше схеме.
Это не то, для чего вы бы использовали индуктор. Но используйте его как мысленный образ того, что индуктор делает в цепи.
Что происходит при отключении катушки индуктивности?
Индуктор также препятствует мгновенному отключению тока. Ток не перестанет течь в катушке индуктивности в одно мгновение.
Итак, когда вы отключите питание, индуктор попытается продолжить ток.
Он делает это, быстро повышая напряжение на своих клеммах.
На самом деле она увеличивается настолько, что вы можете получить небольшую искру на контактах вашего выключателя!
Эта искра позволяет току течь (по воздуху!) в течение доли секунды, пока магнитное поле вокруг индуктора не разрушится.
Вот почему диод обычно размещают в обратном порядке на катушке реле или двигателя постоянного тока. Таким образом, катушка индуктивности может разряжаться через диод, а не создавать высокое напряжение и искры в цепи.
БЕСПЛАТНЫЙ бонус: Загрузите «Основные электронные компоненты» [PDF] — мини-книгу с примерами, которые научат вас работать с основными компонентами электроники.
Как работают катушки индуктивности
Любой провод, по которому течет ток, окружен небольшим магнитным полем.
Когда провод сматывается в катушку, поле становится сильнее.
Если намотать проволоку на магнитный сердечник, например стальной или железный, получится еще более сильное магнитное поле.
Вот как можно создать электромагнит.
Магнитное поле вокруг него зависит от силы тока. Таким образом, при изменении тока изменяется магнитное поле.
При изменении магнитного поля на клеммах катушки индуктивности создается напряжение, противодействующее этому изменению.
Для чего можно использовать катушки индуктивности?
Нечасто можно увидеть дискретные катушки индуктивности в типичных примерах схем для начинающих. Так что, если вы только начинаете, вы, вероятно, еще не столкнетесь с ними.
Но они очень распространены в блоках питания. Например, для создания понижающего или повышающего преобразователя. И они распространены в радиосхемах для создания генераторов и фильтров.
Но гораздо чаще вы будете сталкиваться с электромагнитами. И они в основном катушки индуктивности. Вы найдете их почти во всем, что движется от электричества. Например, реле, двигатели, соленоиды, динамики и многое другое.
Трансформатор — это две катушки индуктивности, намотанные на один и тот же сердечник.
Если вы хотите узнать, как работают другие электронные компоненты, перейдите к основным компонентам электроники.
Что такое катушки индуктивности?
Ключевые термины
o Индуктор
O Индуктивность
o HenryЦели
o Применяйте принципы магнитов для понимания функции инструкторов
o Применение принципов. содержащие катушки индуктивности
Обратите внимание: не пытайтесь воспроизвести схемы, иллюстрации или инструкции из этой статьи в реальных условиях. Это может привести к поражению электрическим током, травме или смерти.
Эти примеры приведены только для теоретического обсуждения, а не для фактического/физического использования.
Другим важным устройством в электрических цепях является катушка индуктивности, которая в некоторых отношениях похожа на конденсаторы, но сильно отличается в других. Катушки индуктивности важны для цепей связи, а также трансформаторы, и это лишь пара примеров. Опираясь на представления о магнетизме, мы рассмотрим, как катушки индуктивности работают в цепях.
Катушки индуктивности
Хотите узнать больше? Почему бы не пройти онлайн-курс по электронике?
Проволочная петля создает магнитное поле, когда через нее протекает ток, и в ней может индуцироваться ток, когда магнитное поле через петлю изменяется (увеличивается или уменьшается). Теперь представьте, что мы берем отрезок проволоки и наматываем его, как катушку с ниткой: это, по сути, катушка индуктивности . Обратите внимание, что катушка индуктивности по-прежнему является токопроводящей дорожкой — у нее нет сопротивления (если предположить, что она сделана из идеального проводника), и по ней может протекать ток, в отличие от конденсатора.
Поскольку индуктор имеет несколько контуров, он создает большее магнитное поле для данного тока, чем одиночный контур.
Катушка индуктивности похожа на конденсатор в том смысле, что она хранит энергию — в данном случае катушка индуктивности хранит энергию в форме магнитного поля (а не путем накопления заряда в случае конденсатора, который эффективно накапливает энергию в виде электрической силы или поля). Давайте посмотрим, как это работает с точки зрения электрической цепи. Во-первых, обратите внимание, что мы будем использовать следующий символ для обозначения катушки индуктивности:
Точно так же, как конденсатор измеряется по емкости, катушка индуктивности измеряется по ее
.0015 индуктивность, , которая имеет единицы измерения генри (обозначается символом H — мы не будем углубляться в то, что такое генри, но достаточно сказать, что это уровень магнитного поля, создаваемого индуктором на ампер тока).
Теперь рассмотрим схему с катушкой индуктивности (представленной
Пуск замыкающим выключателем S 1 ; как обычно, это позволит течь току. Но индуктор будет реагировать, эффективно преобразовывая кинетическую энергию тока в магнитную энергию. В результате вместо текущего «мгновенно» станет (вспомните закон Ома), оно будет медленно увеличиваться до по мере того, как индуктор «ворует» энергию для хранения в магнитном поле. (Вспомните, как ток через петлю «противостоит» обратному току из-за изменяющегося магнитного поля.) За это время часть полного падения напряжения В будет приходиться на индуктор: сначала оно быть полностью на катушке индуктивности, но это будет меняться по мере увеличения тока и все большей и большей части общего падения напряжения на резисторе. Наконец, все падение напряжения будет на R, , а катушка индуктивности фактически будет проводом (помните, что это не что иное, как скрученный проводящий провод), но он по-прежнему будет иметь магнитное поле, сила которого связана с индуктивностью L .
Теперь одновременно закроем S 2 и откроем S 1 . Обычно, поскольку катушка индуктивности представляет собой просто скрученный провод, мы ожидаем, что ток просто немедленно прекратит течь, потому что источник питания был отключен от цепи. Но помните, что индуктор украл энергию движения у заряда и сохранил ее в магнитном поле. Поскольку источник питания больше не поддерживает этот ток, магнитное поле будет затухать, возвращая свою энергию в кинетическую энергию заряда — другими словами, оно будет подавать ток в цепь до тех пор, пока магнитное поле не «истощится», после чего не больше ток будет течь.
Таким образом, катушка индуктивности похожа на конденсатор в том, что она накапливает энергию, которую может высвобождать, как если бы она была источником питания, хотя напряжение питания которого со временем уменьшается. К сожалению, физические концепции, связанные с катушками индуктивности и магнетизмом, очень сложны, поэтому мы представили лишь поверхностное обсуждение того, как работают катушки индуктивности.
Тем не менее, этот несколько упрощенный взгляд на катушки индуктивности и магнетизм будет служить нашим целям.
Практическая задача : Переключатель S долгое время был замкнут, а затем разомкнут. Что случится?
Решение : Эта задача требует от нас применения ряда понятий, которые мы уже изучили. Во-первых, обратите внимание, что, поскольку переключатель S был замкнут в течение длительного времени, индуктор полностью «заряжен» (т.е. для тока , протекающего через R 2 , индуктор окружен своим максимальным магнитным полем ). Когда переключатель S размыкается, происходит несколько вещей.
Во-первых, источник питания больше не подает ток на резисторы, но катушка индуктивности высвобождает накопленную энергию магнитного поля в виде кинетической энергии заряда (тока). Точно так же, как он «украл» ток для создания магнитного поля при подключении источника питания, он «вернет» этот ток в цепь в том же направлении.