Цифровые схемы (например, процессор, программируемая логическая схема и SoC-схема) широко используются конструкторами-электронщиками. Но часто появляется необходимость применения аналоговых типов элементов, а именно: резисторов, конденсаторов либо индуктивных катушек. В алгоритмах схем, относящихся к интегральным, достаточно просто исполнить резистор или конденсатор, а вот с катушками дело обстоит гораздо сложнее.
Именно поэтому они до сих пор включаются в инструкции по применению большого количества элементов в качестве внешнего компонента. Ниже будут предоставлены основные данные о катушках индуктивности, рассказано об их основных комплектующих, которые оказывают влияние на характеристики данного прибора.
Состав индуктивных катушек
По конструкции данный прибор является довольно простым и включает в себя сердечник и намотанные по его поверхности изоляционные витки проводов-проводников. Сердечники бывают воздушными либо их изготавливают из магнитных материалов.
К виткам предъявляется требование изолированности, именно поэтому при производстве катушки применяются изолированные провода либо производится их намотка при помощи неизолированного провода таким образом, чтобы оставался воздушный зазор, который обеспечивал бы требуемое отступление витков друг от друга.
В случае, когда на катушки наматываются неизолированные провода, они получаются короткозамкнутыми и будут характеризоваться некоторой степенью индуктивности, которая, в свою очередь, отличается от прогнозируемой. Нередко при практическом применении устройств-катушек происходит превышение предельных температурных показателей или уровня напряжений, что приводит к их повреждению, которое выражается в коротких замыканиях среди обмоток по причине пробоев изолирующего материала, обматывающего провода.
В таком случае устройство требует перемотки или замены. Из-за этого нередко происходит повреждение сетевых трансформаторов, а если такое оборудование применять в дальнейшем, то оно перегреется, случится короткое замыкание в электрических сетях, что, в свою очередь, является потенциальной угрозой для возникновения воспламенений в трансформаторах либо приборах, которые от них питаются.
Принцип работы индуктивных катушек
Катушки индуктивности — элементы, накапливающие энергию (магнитные поля) в сердечниках и преобразующие энергию электротоков в энергию магнитных полей. То же самое происходит в обратном порядке. Изменения в электротоках, проходящих сквозь материал для обмотки, генерируют электродвижущие силы по направлениям, противодействующим этим изменениям.
Таким же образом переменные магнитные поля, которые пронизывают сердечники, осуществляют индукцию напряжения. Стоит отметить описанную выше отличительную черту, заключающуюся в том, что электродвижущая сила имеет противоположное направление относительно показателей напряжения, которые вызывают протекания электротоков, что оказывает противодействие на мгновенные изменения электротоков, проходящих сквозь катушки. Это отличие позволяет использовать их как устройства-дроссели.
Параметры приборов-катушек
К главным параметрам данных устройств относятся показатели индуктивности и резонансной частоты. Первое — это их способности сохранять энергии, представляющей собой магнитные поля, которые вызваны прохождением электротоков.
Данный показатель измеряют в Генри, он вычисляется отношением уровня мгновенного напряжения к изменению электротоков на определенных временных промежутках. Токи растут со времени подключения к источнику питания и до того момента, покуда не достигнут своего максимально возможного уровня (по закону Ома: отношение уровня напряжения на выводах к уровню сопротивления на катушках).
Снижение показателей напряжений имеет максимальный уровень при подключении, а минимальный — при достижении предельно высоких значений электротоков. Этот факт напрямую связан с тем, что уровень индукционного напряжения направлен в противоположную сторону от прикладываемого к выводу. Второй параметр устройства упоминается, когда имеют в виду неидеальные катушки, так как это связано с паразитными емкостями.
Материалы для изготовления сердечников
Важнейший элемент любого индукционного аппарата-катушки — это сердечник, на характеристики которого напрямую влияют материалы для его производства. Также сюда причастна степень относительной магнитной проницаемости прибора, которую определяют отношением к вакуумной проницаемости. Эта величина является безразмерной.
Исходя из дефиниции, понятие магнитной проницаемости является параметром, который определяет способность материалов либо сред менять показатель магнитной индукции в случаях возникновения каких-либо перемен напряженностей в магнитных полях.
Если перефразировать, то получается, что характеристика проницаемости — это качества различных материалов либо сред, определяющие их способности к концентрации силовых линий магнитных полей.
Показатель вакуумной проницаемости приблизительно равен 12,566370614х10 в седьмой степени. Эти данные предоставил Комитет CODATA еще в начале ХХI века. По магнитным свойствам различают следующие виды материалов для катушечных сердечников:
- Парамагнетик — материал, приобретающий магнитные свойства при их погружении в магнитные поля.
- Ферромагнетик, который намагничивается при наличии магнитных полей рядом с ним.
- Диамагнетик, ослабляющий воздействие магнитных полей.
Используемыми материалами оказывается существенное воздействие на характеристики катушек. В идеальном вакууме отсутствуют частицы, оказывающие влияние на зависимости индукционного уровня от напряженностей магнитных полей.
Из этого следует, что в любой материальной среде расчет индукционных показателей меняется по причине наличия магнитных проницаемостей этих сред. В вакууме этот показатель равен 1, в прамагнетиках он чуть более 1, в диамагнетиках — чуть менее 1. В действительности отличия очень малы, поэтому их зачастую не принимают во внимание и используют просто 1 (единицу).
Таким образом, можно сделать вывод о параметрах катушек индукции, в наибольшей степени влияющих на уровень их индуктивности. На рост индуктивности влияют:
- число витков;
- относительная проницаемость материалов, из которых изготовлен сердечник;
- площадь ее поверхностей;
- уменьшение ее длины.
На снижение индуктивности оказывают влияние следующие факторы:
- уменьшение числа витков;
- снижение показателя относительной проницаемости материалов, из которых изготовлен сердечник;
- уменьшение площади ее поверхности;
- увеличение ее длины.
В каких целях применяется элемент-сердечник?
Во-первых, он позволяет сохранять большее количество энергии при условии, что количество витков меньше, нежели в модификациях приборов, оснащенных воздушными типами сердечников. Вторым моментом является механическое строение катушек: сердечником обеспечивается каркас под намотку витков, а также прикрепление к конкретному виду оборудования.
Также важными являются степени концентрации и проводимости магнитных полей. Кроме того, для некоторых отраслей, где применяются катушки индукции, существенной является характеристика возможности регулирования устройства посредством изменения расположения сердечника относительно витков (как пример, располагая их внутри либо снаружи).
Неидеальные катушки: что это?
Вся вышеописанная информация относится к так называемым идеальным катушкам. Следует знать, что при реальном использовании обмоточные провода устройств будут отличаться определенным уровнем сопротивлений и емкостями, а это, в свою очередь, оказывает влияние на фактическую работу прибора. О них будет подробнее рассказано далее.
При работе катушек происходит последовательное включение резистора, который представляет собой обмоточный провод с катушечными витками. Когда электроток протекает сквозь устройство, он способствует как падению уровня напряжения, так и потере показателя мощности (тепла). Это может проявиться в форме нагрева устройства и изменения показателей, характерных для сердечников. Следовательно, происходит снижение энергоэффективности прибора в целом.
Анализируя переменный электроток, необходимо принимать во внимание паразитные емкости, которые создают изоляционные проводниковые слои. Именно из-за этого в традиционной схеме работы катушек используют приборы-конденсаторы, которые подключаются к катушечным выводам параллельным способом.
При помощи этого создаются резонансные контуры RLC, а катушки будут являться индуктивными, пока не будут достигнуты резонансная частота. Как только она будет достигнута, устройство становится емкостным. Из этого можно сделать вывод, что уровень импеданса катушек растет до уровня резонансных частот с целью достижения предельно возможных параметров и снижается при их росте.
Каким образом происходят потери мощности?
К традиционным и часто встречающимся типам мощностных потерь относятся следующие:
1. Потери в последовательных сопротивлениях (в обмоточных проводах). Они требуют особого внимания, если электроток, который проходит сквозь аппарат-катушку, характеризуется большой силой. Зачастую такое явление встречается в источнике питания и силовой цепи. Такие потери вызывают нагревание катушки, соответственно, происходит нагревание устройства в целом. Они, к тому же, являются нередкими причинами возникновения повреждений, так как воздействие больших температур может навредить изоляционным материалам и приводит в итоге к возникновению коротких замыканий на витках.
2. Потери в сердечниках, появляющиеся по причине неравномерно выполненных сердечников, появления вихреобразного электротока и перемен расположения магнитного домена. Данный вид потерь преобладает, если электроток в устройстве-катушке характеризуется небольшой силой. Они встречаются в высокочастотной цепи, разделителе цифрового сигнала и пр. Их следствием является не порча катушек, а появление проблем в области потерь сигнальных показателей в чувствительной цепи.
3. Наконец, потери, появляющиеся при потерях магнитных потоков, имеющих вероятность рассеивания некоторыми комплектующими крепежа, появлением ненужных пространств в сердечниках, а также по причине некачественного изготовления самих приборов-катушек.
Итоговая информация по описанным выше приборам
Итак, индукционная катушка — это весьма простой элемент, вследствие чего о нем иногда забывают. Тем не менее, когда создаются электронные схемы, оснащенные дросселем либо трансформатором, стоит акцентировать взгляд на подходящих индуктивных компонентах, которые будут туда включены.
Учитывать нужно не только непосредственно их, но также характеристики резонансных частот и характеристик, присущих материалам, из которых изготовлен сердечник (некоторые применяются в частотах, равных 10 или 100 Гц, а иной вид применяют аж при 100 мегагерц и выше). Встречаются случаи, при которых для сигналов с высоким уровнем частот хватает небольшого куска провода, на который надета ферритовая бусинка.
Изготовить индуктивное устройство-катушку можно различными образами. Как правило, осуществляют намотку проводов на сердечники в несколько десятков и более (может доходить не до одной сотни) оборотов. В ряде устройств витки изготавливаются дорожками на печатных платах, заключенных в ферритовые чаши.
В наши дни преимущественно все приборы данного предназначения, в особенности, дроссели для силовых цепей, используются в целях монтирования SMD. Но технологии не стоят на месте, они безостановочно развиваются, соответственно, происходит разработка новейших магнитных материалов, которые отличаются способностью сохранять присущие им характеристики, невзирая на температурные колебания (повышение), они несут меньшие потери, которые могут в дальнейшем пагубно сказаться на работе оборудования. Устройства, предназначенные работать при невысоких частотных диапазонах, традиционно оснащены сердечниками, произведенными из железа.
Они также характеризуются наличием большого числа витков, за счет чего получается немалый вес. Потому в ряде приложений, которые в особенности подвергаются механическим воздействиям, таким как сотрясения и удары, очень значимую роль играет монтаж устройства. Зачастую недостаточным является простое припаивание катушек, их сердечники рекомендуется очень надежно закреплять при помощи обойм, всевозможных видов держателей и иных крепежных приспособлений.
При выборе той или иной индукционной катушки либо трансформатора для вашего оборудования помните об этих важных отличительных особенностях, чтобы оборудование прослужило долго и работало без сбоев.
Как катушки применяют в сфере электроники
Катушки индуктивности широко используются в следующих случаях:
- при необходимости блокировки переменных электротоков в цепях;
- при закорачивании постоянных электротоков (напряжений);
- при производстве замеров прохождений времени на основаниях исчезновений прохождения электротоков;
- при соединении каскада усилителя;
- при необходимости понижения или понижения уровней напряжений;
- как электромагниты в исполнительном механизме;
- как энергетический источник разогрева и диагностирования индкутивно-связанных плазм;
- в радиоприборах (прием электромагнитной волны);
- при разогреве проводящего электричество материала в конструкциях индукционных печей;
- в индукционном датчике (индукционном магнитометре);
- для генерирования энергии;
- для проведения научных экспериментов;
- в ядерно-магнитных томографах и многом другом.
Ряд данных приспособлений применяется аналогично с конденсаторами. Как было рассказано выше, они начинают работать как конденсаторы при повышении уровня резонансных частот, но из этого нельзя сделать вывод, что данные приборы используются в системах как взаимозаменяемые.
Не рекомендуется экспериментировать с заменой одного приспособления на другое. Каждое устройство должно быть на своем месте и выполнять присущие ему функции, иначе это чревато прочей дорогостоящей аппаратуры.
CW1008-100 Катушка индуктивности; SMD; 1008; 100нГн; 1000мА; 0,18Ом; ±5%
CW1008-1200 Катушка индуктивности; SMD; 1008; 1200нГн; 230мА; 1,3Ом; ±5%
