Катушка индуктивности для генерации своими руками. Ручная намотка и расчет индуктивности катушек «Универсаль. Расчет частоты колебательного контура

Для того, чтобы создать магнитное поле и сгладить в нем помехи и импульсы, используются специальные накопительные элементы. Катушки индуктивности в цепи переменного тока и постоянного применяются для накопления определенного количества энергии и ограничения электричества.

Конструкция

Главное назначение катушек индуктивности ГОСТ 20718-75 – это накопление электрической энергии в пределах магнитного поля для акустики, трансформаторов и т. д. Их используют для разработки и конструирования различных селективных схем и электрических устройств. От конструкции (материала, количества витков), наличия каркаса зависит их функциональность, размеры и область использования. Изготовление устройств производится на заводах, но можно сделать их самостоятельно. Самодельные элементы несколько уступают по надежности профессиональным, но обходятся в разы дешевле.

Фото – схема

Каркас катушки индуктивности выполняется из диэлектрического материала. На него наматывается изолированный проводник, который может быть как одножильным, так и многожильным. В зависимости от типа намотки, они бывают:

Спиральными (на ферритовом кольце);
Винтовыми;
Винтоспиральными или комбинированными.

Примечательной особенностью катушки индуктивности для электрических схем является то, что её можно намотать как в несколько слоев, так и нированно, т. е., с обрывками Если используется толстый проводник, то элемент может обматываться без каркаса, если тонкий – то только на рамку. Эти каркасы катушек индуктивности бывают различного сечения: квадратные, круглые, прямоугольные. Полученная намотка может вставляться в специальный корпус какого-либо электрического устройства или использоваться в открытом виде.

Фото – конструкция самодельного элемента

Для увеличения индуктивности используются сердечники. В зависимости от назначения элемента, варьируется используемый материал стержня:

С ферромагнитным и воздушным сердечником применяются при высоких частотах тока;
Стальные используются в условиях низкого напряжения.

Исходя из принципа работы, бывают такие типы:

Контурные. Преимущественно используются в радиотехнике для создания колебательных контуров платы, работают вместе с конденсаторами. Для соединения используется последовательное подключение. Это современный вариант плоской контурной катушки Тесла;
Вариометры. Это высокочастотные перестраиваемые катушки, индуктивностью которыми можно при необходимости управлять при помощи дополнительных устройств. Они представляют собой соединение двух отдельных катушек, при этом, одна подвижна, а вторая нет;
Сдвоенные и подстроечные дроссели. Основные характеристики этих катушек: малое сопротивление постоянному току и высокое переменному. Дроссели изготавливаются из нескольких катушек, соединенных обмотками между собой. Их часто используют в виде фильтра для различных радиотехнических приборов, устанавливают для контроля помех в антенны и т. д.;
Трансформаторы связи. Их конструктивной особенностью является то, что на одном стержне установлено от двух и более катушек. Они используются в трансформаторах для обеспечения определенной связи между отдельными компонентами устройства.

Маркировка катушек индуктивности определяется по количеству витков и цвету корпуса.

Фото – маркировка

Принцип действия

Схема работы катушек индуктивности активного действия основан на том, что каждый отдельный виток намотки пересекается с магнитными силовыми линиями. Этот электрический элемент необходим для того, чтобы извлекать электрическую энергию из источника питания и преобразовывая её сохранять в виде электрического поля. Соответственно, если ток цепи увеличивается – то расширяется и магнитное поле, но если он уменьшается – поле будет неизменно сжиматься. Эти параметры также зависят от частоты и напряжения, но в целом, действие остается неизменным. Включение элемента производит сдвиг фаз тока и напряжения.

Фото – принцип работы

Помимо этого, индуктивные (каркасные и бескаркасные) катушки обладают свойством самоиндукции, его расчет производится исходя из данных номинальной сети. В многослойной и однослойной обмотке создается напряжение, которое противоположно напряжению электрического тока. Это называется ЭДС, определение электродвижущей магнитной силы зависит от показателей индуктивности. Её можно рассчитать по закону Ома. Стоит отметить, что независимо от напряжения сети, сопротивление в катушке индуктивности не изменяется.

Фото – соединение отдельных выводов элементов

Связь индуктивности и понятия (изменения) ЭДС можно найти по формуле ε c = – dФ/dt = – L*dI/dt, где ε – это значение ЭДС самоиндукции. И если скорость изменения электрической энергии будет равна dI/dt = 1 A/c, то и L = ε c .

Видео: расчет катушки индуктивности

Вычисление

Формула – формула колебательного контура

Где L – это сам элемент, накапливающая магнитную энергию.

В это же время, период свободных колебаний этого контура вычисляется по:

Формула – период свободных колебаний

Где C – это конденсатор, реактивный элемент схемы, отдающий накапливающий электрическую энергию конкретной цепи. Величина индуктивного сопротивления в такой цепи вычисляется по X L = U/I. Здесь X – это емкостное сопротивление. При расчете резистора в пример вставляются основные параметры этого элемента.

Индуктивность соленоида определяет формула:

Формула – индуктивность катушки-соленоида

Помимо этого, уровень индуктивности имеет определенную зависимость от температуры на плате. Параллельное подключение нескольких деталей, изменение плотности и размеров витков обмотки и прочие параметры влияют на основные свойства этого элемента.

Фото – зависимость от температуры

Чтобы узнать параметры катушки индуктивности, можно использовать различные методы: измерить мультиметром, испытать на осциллографы, проверить отдельно амперметром или вольтметром. Эти варианты очень удобны тем, что в них в качестве реактивных элементов применяются конденсаторы, электропотери которых очень малы и могут не учитываться в расчетах. Иногда с целью упростить задачу применяется специальная программа расчета и измерения нужных параметров. Это позволяет значительно упростить выбор нужных элементов для схем.

Купить катушки индуктивности (SMD 150 мкГн и другие) и провода для их намотки можно в любом электротехническом магазине, их цена варьируется от 2 долларов до нескольких десятков.

Сергей Комаров, UA3ALW

Для выполнения намотки «Универсаль» нужен эмалированный намоточный провод в шелковой или лавсановой изоляции типов ПЭЛШО, ПЭШО, ЛЭШО, ПЭЛО, ЛЭЛО. Дополнительная волокнистая изоляция выполняет две функции: предотвращает соскальзывание провода с каркаса и друг с друга при наискось расположенных витках, и позволяет последующей пропиткой полистирольным лаком, парафином или церезином жестко закрепить расположение витков многослойной катушки, чем обеспечивается высокая стабильность ее индуктивности.

При некотором навыке намотка легко выполняется вручную. Для этого необходимо разметить сам каркас, как показано на рисунке 1 или обернуть его кабельной бумагой с нанесенной на нее разметкой. На месте намотки проводят две кольцевых линии, расстояние между которыми будет определять ширину намотки. Далее, проводят две диаметрально противоположных линии AB и CD. Расстояние между ними должно быть в точности равно половине витка. Если планируется на каркасе намотка нескольких секций или индуктивно связанных катушек, то разметка делается сразу для всех намоток. Разметку следует производить непроводящим электрический ток красителем (простой карандаш не годится, поскольку его грифель сделан из графита).

Далее, скотчем за пределами разметки, закрепляем провод в начале намотки так, чтобы он прошел через точку А, и с небольшим натягом, укладываем его наискось по половине окружности от точки А к точке D. В точке D перегибаем провод под тупым углом и, придерживая угол ногтем большого пальца (у девушек и молодых жён это особенно хорошо получается), уже с меньшим натягом, укладываем провод наискось в обратную сторону к точке A. Придя в точку A, пересекаем провод начала, прижав новым витком, и сразу перегибаем его под тупым углом, но теперь уже в обратную сторону и начинаем укладывать второй виток вплотную к первому, справа от него. При этом, опять-таки, ногтем большого пальца придерживаем угол перегиба провода от его сползания к центру намотки. С обретением навыка, это можно делать проводом следующего витка, сначала немного перегибая его во внешнюю сторону (для подтяжки угла предыдущего витка) и лишь затем, прижав ногтем, под тупым углом, внутрь, и укладывая параллельно предыдущему витку.

В процессе намотки при каждом перегибе провода необходимо подтягивать угол перегиба к кольцевой линии разметки. Поскольку витки обмотки располагаются наискось, и при натяжении провода обмотка имеет тенденцию к сужению, намотка ведется при небольшом натяжении. Для получения ровной секции обмотки, необходимо все углы перегибов провода укладывать точно на линию кольцевых разметок, а перегиб выполнять резким, удерживая провод ногтем большого пальца левой руки.

Прежде, чем приступать к намотке катушек «Универсаль» тонким намоточным проводом, следует потренироваться в исполнении такой перекрестной намотки, например, на монтажном проводе МГШВ-0,2, намотав его на любой круглый стержень или трубку диаметром 15…20 мм и разметив ширину намотки 12…15 мм. Для этого надо взять провод длиной 3,5…4 метра и намотать точно по разметке узкую, высокую и ровную секцию обмотки – этакий «блинчик», уложив в намотку всю длину провода (Рис. 2).

После нескольких попыток намотка начнет получаться ровной, и появятся нужные навыки, как говорится, «на кончиках пальцев». Теперь можно попробовать намотать 150 витков в секцию шириной 5 мм проводом ПЭЛШО-0,25…0,3 на каркасе диаметром 8…10 мм. Для более тонкого провода ширину намотки следует взять пропорционально меньше. Но не стоит сразу увлекаться тонкими проводами и узкими секциями, не имея еще хорошо закрепленных навыков. Эта намотка требует терпения, аккуратности, внимательности, тонкой координации движений пальцев, и если торопиться, можно вместо навыков обрести разочарование. Если же секция получается ровная, аккуратная и точно по разметке, можете считать, что мотать катушки с намоткой «Универсаль» вы научились.

На частотах диапазона длинных волн, где число витков в обмотке для достижения нужной индуктивности исчисляется сотнями, есть смысл мотать обмотку с двойным рисунком по ширине намотки (перекрестно-пересекающуюся) и, выполнять намотку в два раза шире. (Рис. 3).

Разметка каркаса почти такая же, как и в первом случае, но посередине намотки проводим еще одну кольцевую линию. Намотка производится так. Скотчем закрепляем провод в начале намотки, чтобы он прошел через точку А, и с натягом, укладываем провод наискось по половине окружности от точки А к середине линии CD. Далее продолжаем намотку, чтобы полный виток провода закончился в точке B. Перегибаем провод под тупым углом и, придерживая угол ногтем большого пальца, продолжаем намотку к середине линии CD, где пересекаем провод предыдущего витка и продолжаем намотку дальше. Второй виток заканчиваем в точке A, где пересекаем провод начала намотки, сразу же перегибаем его под тупым углом и укладываем третий виток вплотную и параллельно первому, справа от него. Дальше продолжаем намотку, укладывая провод нового витка параллельно и справа от предыдущего, и в точках A и B пересекая предыдущий. В середине линии CD витки будут пересекаться без перегиба и, по мере увеличения числа витков намотки, точка каждого нового пересечения будет смещаться в сторону намотки. Когда смещение достигнет полного оборота вокруг каркаса, дальнейшая намотка будет продолжаться вторым слоем на уже намотанные витки первого слоя. Здесь, как и в первом случае, необходимо постоянно подтягивать углы перегиба провода к боковым линиям кольцевой разметки и обрести навык поддержания нужной силы натяжения провода, чтобы катушка получалась плотной и чтобы она не сужалась от витка к витку и от слоя к слою.

Для закрепления внешнего вывода катушки, за 10…15 витков до окончания намотки, поперек витков кладут сложенную вдвое х/б швейную нитку, толщиной № 20, как показано на рисунке и поверх нее продолжают намотку.

Место расположения нитки на окружности намотки надо подгадать так, чтобы окончание последнего витка намотки оказалось в точности в том месте и с того краю, где расположена петля нитки. Конец провода обрезают с запасом нужной длины и продевают в нитяную петлю. После этого, натянув вывод, затягивают петлю с обратной стороны намотки и завязывают между собой на два узла оба конца нитки. Толщина двойного узла не даст нитке выскочить на другую сторону намотки между прижавшими ее витками. Фиксация внешнего вывода получается простая и прочная.

После намотки витки катушки желательно пропитать на выбор: жидким полистирольным лаком (раствор полистирола в ацетоне или дихлорэтане), парафином (расплавив в жестяной баночке размерами больше катушки часть бытовой осветительной свечки, разогрев баночку на паяльнике и окунув в жидкий парафин намотанную катушку) или церезином (технология та же). Другими составами пропитывать катушку не следует во избежание ухудшения частотных свойств.

Если в Вашем радиокружке или Вами лично такие катушки будут использоваться часто, имеет смысл изготовить самодельный ручной станочек для намотки катушек «Универсаль» , описания и чертежи которых неоднократно публиковались в журнале Радио. Подробное описание работы со станком и методики его настройки под конкретную намотку также приведены в статьях.

Купить такой станочек любому желающему или для каждого радиокружка не получится. Их никто не производит, а те, что производят, предназначены для крупных заводов, рассчитаны под серийное производство однотипных катушек, занимают много места, избыточно функциональны, неимоверно сложны в эксплуатации, стоят астрономические суммы и абсолютно неуместны в радиокружке, и уж подавно, в домашней радиолаборатории.

Теперь про индуктивность катушек с намоткой «Универсаль». Зная габаритные размеры катушки и число витков, можно с весьма высокой точностью рассчитать ее индуктивность. На рисунке 4 приведена расчетная формула, соотношения размеров и таблица практических значений индуктивности реально намотанных катушек.

Эта таблица составлялась так: на каркас указанного диаметра D1 наматывались 150 витков обмотки «Универсаль» указанным проводом; замерялся внешний диаметр полученной намотки штангенциркулем и ее индуктивность прибором Е12-1А. Затем, отматывались 10 витков и замеры повторялись 11 раз до остающихся 50 витков. И так четыре раза, разными проводами, на разных каркасах. Таким образом, были составлены четыре колонки таблицы.

Поскольку при индуктивностях 20…40 мкГ и менее, лучше использовать однослойную намотку, и меньше 50 витков в катушку с намоткой «Универсаль» едва ли разумно мотать, измерения с меньшим числом витков не проводились. Однако, расчеты индуктивностей катушек с меньшим числом витков можно легко провести по приведенной формуле. При аккуратной намотке по разметке, расчет индуктивности дает хорошее совпадение (точность около 1%) с результатами измерений.

При расчете многосекционной катушки, надо учитывать взаимоиндукцию между секциями. При одинаковом направлении намотки, общая индуктивность двух секций, расположенных близко друг от друга (одна секция находится частично в магнитном поле другой), определится так:

L общ = L 1 + L 2 + 2 M

Если секций три при тех же условиях, то: L общ = L 1 + L 2 + L 3 + 2 M 1-2 + 2 M 2-3 + 2 M 1-3 ; где:

M 1-2 - взаимоиндукция между первой и второй секциями;

M 2-3 - взаимоиндукция между второй и третьей секциями;

M 1-3 - взаимоиндукция между первой и третьей секциями.

Если секции расположены в ряд, одна за другой, на одинаковом расстоянии, то M 1-2 = M 2-3 . Взаимоиндукция же через секцию, - M 1-3 , будет весьма мала в силу большого расстояния между секциями и квадратичного характера спада напряженности магнитного поля в зависимости от расстояния между ними. При расчете индуктивности многосекционных катушек с практической точностью, взаимоиндукцией между секциями находящимися на расстоянии более их внешнего диаметра можно смело пренебрегать. Взаимоиндукцию катушек, разнесенных на расстояние больше их диаметра, следует учитывать лишь в тех случаях, когда через нее осуществляется связь между контурами.

Отсюда следует, что для получения максимальной индуктивности многосекционной катушки секции надо располагать как можно ближе друг к другу, тогда, при том же количестве витков и активном сопротивлении провода, общая индуктивность будет больше за счет взаимоиндукции. Однако располагать секции на расстоянии ближе 2 мм не следует, поскольку при намотке следующей секции вплотную к предыдущей, очень сложно укладывать витки и точно перегибать провод.

Оптимальное соотношение формы катушки на предмет получения минимального активного сопротивления при максимальной индуктивности, - когда ширина секции равна толщине намотки, а средний диаметр намотки в 2,5 раза больше ширины секции. Следует отметить, что на высокой частоте оптимум по минимальному активному сопротивлению не совпадает с оптимумом для получения максимальной добротности, и для размеров катушки, приемлемых для компактного конструирования, наблюдается тенденция увеличения добротности при увеличении среднего диаметра, при сохранении равенства ширины и толщины намотки.

К примеру, рассчитаем индуктивность пятисекционного дросселя с намоткой «Универсаль» с шириной секций по 5 мм, расстоянием между секциями по 2,5 мм, содержащего в каждой секции по 100 витков провода ПЭЛШО - 0,25, намотанного на резисторе ВС-2Вт с R ≥ 1 MΩ .

Поскольку поверхность резистора скользкая, обмотаем его двумя слоями кабельной бумаги шириной 37 мм, длиной 55 мм и нанесем на нее разметку секций намотки. При этом D 1 = 8,5 мм. Для провода ПЭЛШО-0,25 диаметр по изоляции составляет 0,35 мм, коэффициент неплотности намотки k n = 1,09 (экспериментальное значение; можно рассчитать по таблице Рис. 5).

Размеры намотки: С = n (k n d) 2 / l = 100 х (1,09 х 0,35) 2 / 5 = 2,9 мм. D 2 = D 1 + 2 C = 8,5 + 2 х 2,9 = 14,3 мм. D = (D 2 + D 1) / 2 = (14,3 + 8,5) / 2 = 11,4 мм; l = 5 мм = 0,5 см;

Индуктивность одной секции (Рис. 4) :

L 1 = 0,0025 π n 2 D 2 / (3 D + 9 l + 10 c) = 0,0025 π 100 2 11,4 2 / (3х11,4 + 9х5 + 10х2,9) = 94,3 мкГ.

Что интересно, измерение индуктивности катушки намотанной по указанным размерам дает результат 95 мкГ (Рис. 5). С учетом неточностей при ручной намотке – очень хорошее совпадение.

Для определения взаимоиндукции между секциями рассчитаем соотношение (Рис. 6):

r 2 / r 1 = √{[(1 – a /A) 2 + B 2 /A 2 ] / [(1 + a/A) 2 + B 2 /A 2 ]} для пяти пар точек.

Средний радиус секции: а = (8,5 + 14,3) / 4 = 5,7 мм;

Для точек 0-1 : А = а = 5,7 мм; B = 7,5 мм.

r 2 / r 1 = √{(7,5 2 / 5,7 2 ) / [(1 + 1) 2 + 7,5 2 / 5,7 2 ]} = √(1,7313/5,7313) = 0,5496;

Расчет и изготовление катушки индуктивности, дросселя. Типовые электронные схемы с дросселями. Как сделать индуктор своими руками (10+)

Дроссель, катушка индуктивности - Проектирование, изготовление, применение

Изготовление дросселя

Сначала определимся с материалом магнитопровода (сердечника). Если частота больше 10 кГц, то используем ферриты, если меньше 3 кГц, то железо, если между этими значениями, то решаем, исходя из конкретных условий.

Дросселя изготавливаются с зазором в сердечнике. Правильная толщина зазора в сочетании с нужным числом витков обеспечивает нужные параметры дросселя.

Вашему вниманию подборка материалов:

Реактивное сопротивление катушки индуктивности

Идеальная катушка индуктивности не обладает классическим омическим сопротивлением, сопротивление дросселя постоянному току равно нулю. Но если к катушке индуктивности приложить переменное напряжение, то за счет периодического накопления энергии в магнитном поле и последующей отдачи ее, в цепи будет протекать конечный ток.

Причем ток через дроссель не зависит от напряжения в текущий момент, а зависит от истории изменения напряжения, то есть определяется первообразной напряжения от времени. Так, если на дроссель подано синусоидальное напряжение, то ток будет иметь форму минус косинуса. Именно благодаря такому фазовому сдвигу на идеальной катушке индуктивности не рассеивается тепловая энергия.

На реальных катушках индуктивности и в цепях вокруг них тепловая энергия, конечно, рассеивается, так как все они обладают ненулевым омическим сопротивлением. Именно на нем и рассеивается мощность.

Если рассматривать синусоидальное напряжение и оперировать понятиями действующего напряжения и тока, то можно написать формулу, напоминающую закон Ома для резисторов. [Действующий ток через дроссель ] = [Действующее напряжение на дросселе ] / [Z ], где [Z ] = (2 * ПИ * [Частота напряжения ] * [Индуктивность дросселя ]). Эта формула полезна при расчете индуктивных делителей переменного напряжения и фильтров высших и низших частот.

Особенности применения дросселей в схемах

Дроссели можно соединять последовательно и параллельно.

[Индуктивность последовательно соединенных дросселей ] = +

[Индуктивность параллельно соединенных дросселей ] = 1 / (1 / [Индуктивность первого дросселя ] + 1 / [Индуктивность второго дросселя ])

На рисунке приведены типовые схемы на катушках индуктивности. (А) - Индуктивный делитель переменного напряжения. [Напряжение на нижнем дросселе ] = [Входное напряжение ] * / ([индуктивность нижнего дросселя ] + [индуктивность верхнего дросселя ]) (Б) - Фильтр высших частот. (В) - Фильтр низших частот.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости , чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи. сообщений.

А что такое E в первой формуле, прямо таки получается огромная величина индукти вности. В первой формуле правдоподобно, если индуктивность в микрогенри Если я правильно понял, то, например, E-3 означает 0.001?

Что вы себе представляете под словом “катушка” ? Ну… это, наверное, какая-нибудь “фиговинка”, на которой намотаны нитки, леска, веревка, да что угодно! Катушка индуктивности представляет из себя точь-в-точь то же самое, но вместо нитки, лески или чего-нибудь еще там намотана обыкновенная медная проволока в изоляции.

Изоляция может быть из бесцветного лака, из ПВХ-изоляции и даже из матерчатой. Тут фишка такая, что хоть и провода в катушке индуктивности очень плотно прилегают к друг другу, они все равно изолированы друг от друга . Если будете мотать катушки индуктивности своими руками, ни в коем случае не вздумайте брать обычный медный голый провод!

Индуктивность

Любая катушка индуктивности обладает индуктивностью . Индуктивность катушки измеряется в Генри (Гн), обозначается буковкой L и замеряется с помощью LC – метра .

Что такое индуктивность? Если через провод пропустить электрический ток, то он вокруг себя создаст магнитное поле:

где

В – магнитное поле, Вб

I –

А давайте возьмем и намотаем в спиральку этот провод и подадим на его концы напряжение

И у нас получится вот такая картина с магнитными силовыми линиями:

Грубо говоря, чем больше линий магнитного поля пересекут площадь этого соленоида, в нашем случае площадь цилиндра, тем больше будет магнитный поток (Ф) . Так как через катушку течет электрический ток, значит, через нее проходит ток с Силой тока (I), а коэффициент между магнитным потоком и силой тока называется индуктивностью и вычисляется по формуле:

С научной же точки зрения, индуктивность – это способность извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля. Если ток в катушке увеличивается, магнитное поле вокруг катушки расширяется, а если ток уменьшается, то магнитное поле сжимается.

Самоиндукция

Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение.

Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома :

где

I – сила тока в катушке, А

U – напряжение в катушке, В

R – сопротивление катушки, Ом

Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное.

И второй феномен в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности – источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы уже подали на катушку.

То есть как только мы разрываем цепь, на катушке напряжение в этот момент может быть в разы больше, чем было до размыкания цепи, а сила тока в цепи катушки будет тихонько падать, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать убывающее напряжение.

Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока будет плавно убывать до нуля. Короче говоря, сила тока в катушке мгновенно измениться не может.

Типы катушек индуктивности

Катушки индуктивности делятся в основном на два класса: с магнитным и немагнитным сердечником . Снизу на фото катушка с немагнитным сердечником.

Но где у нее сердечник? Воздух – это немагнитный сердечник:-). Такие катушки также могут быть намотаны на какой-нибудь цилиндрической бумажной трубочке. Индуктивность катушек с немагнитным сердечником используется, когда индуктивность не превышает 5 миллигенри.

А вот катушки индуктивности с сердечником:

В основном используют сердечники из феррита и железных пластин. Сердечники повышают индуктивность катушек в разы. Сердечники в виде кольца (тороидальные) позволяют получить большую индуктивность, нежели просто сердечники из цилиндра.

Для катушек средней индуктивности используются ферритовые сердечники:

Катушки с большой индуктивностью делают как трансформатор с железным сердечником, но с одной обмоткой, в отличие от трансформатора.

Дроссели

Также есть особый вид катушек индуктивностей. Это так называемые . Дроссель – это катушка индуктивности, задача которой состоит в том, чтобы создать в цепи большое сопротивление для переменного тока, чтобы подавить токи высоких частот.

Постоянный ток через дроссель проходит без проблем. Почему это происходит, можете прочитать в этой статье. Обычно дроссели включаются в цепях питания усилительных устройств. Дроссели предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов). На низких частотах (НЧ) они используются цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники. Ниже на фото силовые дроссели:

Также существует еще один особый вид дросселей – это . Он представляет из себя две встречно намотанных катушки индуктивности. За счет встречной намотки и взаимной индукции он более эффективен. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания, а также в звуковой технике.

Опыты с катушкой

От каких факторов зависит индуктивность катушки? Давайте проведем несколько опытов. Я намотал катушку с немагнитным сердечником. Ее индуктивность настолько мала, что LC – метр мне показывает ноль.

Имеется ферритовый сердечник

Начинаю вводить катушку в сердечник на самый край

LC-метр показывает 21 микрогенри.

Ввожу катушку на середину феррита

35 микрогенри. Уже лучше.

Продолжаю вводить катушку на правый край феррита

20 микрогенри. Делаем вывод, самая большая индуктивность на цилиндрическом феррите возникает в его середине. Поэтому, если будете мотать на цилиндрике, старайтесь мотать в середине феррита. Это свойство используется для плавного изменения индуктивности в переменных катушках индуктивности:

где

1 – это каркас катушки

2 – это витки катушки

3 – сердечник, у которого сверху пазик под маленькую отвертку. Вкручивая или выкручивая сердечник, мы тем самым изменяем индуктивность катушки.

Индуктивность стала почти 50 микрогенри!

А давайте-ка попробуем расправим витки по всему ферриту

13 микрогенри. Делаем вывод: для максимальной индуктивности мотать катушку надо “виток к витку”.

Убавим витки катушки в два раза. Было 24 витка, стало 12.

Совсем маленькая индуктивность. Убавил количество витков в 2 раза, индуктивность уменьшилась в 10 раз. Вывод: чем меньше количество витков – тем меньше индуктивность и наоборот. Индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Давайте поэкспериментируем с ферритовым кольцом.

Замеряем индуктивность

15 микрогенри

Отдалим витки катушки друг от друга

Замеряем снова

Хм, также 15 микрогенри. Делаем вывод: расстояние от витка до витка не играет никакой роли в катушке индуктивности тороидального исполнения.

Мотнем побольше витков. Было 3 витка, стало 9.

Замеряем

Офигеть! Увеличил количество витков в 3 раза, а индуктивность увеличилась в 12 раз! Вывод: индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Если верить формулам для расчета индуктивностей, индуктивность зависит от “витков в квадрате”. Эти формулы я здесь выкладывать не буду, потому как не вижу надобности. Скажу только, что индуктивность зависит еще от таких параметров, как сердечник (из какого материала он сделан), площадь поперечного сечения сердечника, длина катушки.

Обозначение на схемах

Последовательное и параллельное соединение катушек

При последовательном соединении индуктивностей , их общая индуктивность будет равняться сумме индуктивностей.

А при параллельном соединении получаем вот так:

При соединении индуктивностей должно выполняться правило, чтобы они были пространственно разнесены на плате. Это связано с тем, что при близком расположении друг друга их магнитные поля будут влиять с друг другом, и поэтому показания индуктивностей будут неверны. Не ставьте на одну железную ось две и более тороидальных катушек. Это может привести к неправильным показаниям общей индуктивности.

Резюме

Катушка индуктивности играет в электронике очень большую роль, особенно в приемопередающей аппаратуре. На катушках индуктивности строятся также различные для электронной радиоаппаратуры, а в электротехнике ее используют также в качестве ограничителя скачка силы тока.

Ребята из Паяльника забабахали очень неплохой видос про катушку индуктивности. Советую посмотреть в обязательном порядке:

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается её значительная инерционность.

Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, флюкстрола, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах.

Существуют также катушки, проводники которых реализованы на печатной плате.

Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность , которая определяет, какой поток магнитного поля создаст катушка при протекании через неё тока силой 1 ампер. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

· Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.

· Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.

· В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

Потери в диэлектрике (изоляции проводов и каркасе катушки) можно отнести к двум категориям:

· Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери характерные для диэлектриков конденсаторов).

· Потери от магнитных свойств диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).

В общем случае можно заметить что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на гистерезис и начальных потерь.

Потери на вихревые токи . Ток, протекающий по проводнику, индуцирует ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи становятся источником потерь из-за сопротивления проводников.

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности . Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность.

Катушки связи . Такие катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т. д. К таким катушкам не предъявляются жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи.

Вариометры. Это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника.

Дроссели . Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины) на проводах.

Сдвоенные дроссели две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике. Т.е. предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов, так и во избежание засорения питающей сети электромагнитными помехами. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный (из трансформаторной стали) или ферритовый сердечник.

Применение катушек индуктивности

· Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п..

· Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.

· Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор.

· Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.

· Катушки используются также в качестве электромагнитов.

· Катушки применяются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанной плазмы.

· Для радиосвязи — излучение и приём электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна).

o Рамочная антенна

o DDRR

o Индукционная петля

· Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.

· Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника.

· Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля. Индукционные магнитометры были разработаны и широко использовались во времена Второй мировой войны.

Эффективные способы намотки, разработанные на нашем предприятии:

Позволяют снять ограничения на диапазоны применяемых напряжений, токов и температур. Снижают сечение провода, стоимость и массу катушек при тех же условиях эксплуатации. Либо позволяют повысить напряжения, токи и температуру эксплуатации при том же сечении провода.

Наши многолетние исследования показали, что наиболее эффективным способом охлаждения является воздушный. Применение дополнительных видов изоляции иногда бывает нежелательно и ухудшает свойства обмоток. Вместо изоляции мы применяем разделение обмотки на секции. Стремимся к увеличению площади контакта провода с мощными потоками воздуха.

1. Разделенная обмотка .

Лучшая альтернатива дополнительной изоляции. Обмотка разделена на любое количество секций, соединенных последовательно. Потенциал между секциями делится на количество секций. Потенциал между слоями делится на количество секций, помноженное на количество слоев. Потенциал между соседними витками в одном слое делится на количество секций, помноженное на количество слоев и количество витков в слое. Таким образом любое опасное пробивное напряжение можно снизить до электрозащитных показателей обыкновенного эмальпровода без применения особых электроизоляционных мер. Чем больше отдельных секций, тем лучше можно организовать охлаждение.

2. Бесконтактная обмотка.

Витки обмотки подвешены в воздухе на специальных растяжках. Не имеют механического, электрического и теплового контакта ни с какими другими материалами катушки, ни с каркасом, ни с корпусом, ни с электроизоляцией. Самое эффективное воздушное охлаждение, тепло- и электроизоляция.

3. Корпус в виде улитки.

Наиболее эффективным способом охлаждения обмоток мы считаем воздушное. Применение такого корпуса с вентиляторами и просчетом аэродинамических характеристик дает значительные преимущества.

4. Двухполупериодная обмотка.

Все новое - это хорошо забытое старое. Разделение обмотки на два плеча и включение через диодный мост дает попеременное включение плеч с частотой сети. В один полупериод одно плечо работает, другое отдыхает. Это позволяет применять обмотки с меньшим сечением. Особенно актуальна двухполупериодная обмотка там, где в небольшие габариты требуется поместить очень мощную обмотку с таким толстым проводом, который невозможно согнуть под требуемыми углами без повреждения. Или промышленность не выпускает настолько толстые шины, и таким образом можно перейти на меньшее сечение.

5. Трубопроводная обмотка.

Для работы на особо высоких температурных режимах. В качестве провода применяется медная труба, циркулирующая жидкость, насосы, теплообменники, хладогенераторы, резервуары.

6. Заливка компаундами с примесями на основе нитрида бора и другими для повышения теплопроводности компаунда. Либо виброустойчивая растяжка с применением специальных техпластин. Применяется на сложных виброударных режимах работы.

Наши специалисты разработают наиболее эффективный способ решения Ваших задач. Мы будем рады с Вами сотрудничать.

Ждем Ваших заказов.