Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Катушка индуктивности, которую также называют индуктором или дросселем, представляет собой элемент электрической цепи, состоящий из витков изолированного провода или обмотки, через которую протекает электрический ток. Она создает магнитное поле вокруг себя. Индуктивность катушки определяет ее способность создавать электромагнитное поле при изменении тока.

Разнообразие КИ
Разнообразие КИ

Как работает катушка

Принцип действия катушки индуктивности заключается в следующем: когда переменный ток протекает через нее, магнитное поле внутри изменяется. Это приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС), противодействующей изменению тока. Сам принцип работы основывается на способности катушки индуктивности извлекать энергию из источника электротока и накапливать ее в виде магнитного поля. Такое поле расширяется, если значение тока в индукторе увеличивается, и сжимается, если оно уменьшается. При отключении источника катушка отдает накопленную энергию, стремясь поддержать стабильность тока в электроцепи.

Обозначение катушки на схеме выглядит так:

Обозначение КИ на схемах
Обозначение КИ на схемах

Определение индуктивности

Расчет индуктивности любой катушки можно выполнить с помощью довольно простой формулы:

Вычисление индуктивности
Вычисление индуктивности

Данная формула показывает, от чего зависит индуктивность катушки. Она пропорциональна изменению магнитного потока при изменении тока. Этой формулой можно воспользоваться, если нужно, например, определить индуктивность катушки, через которую проходит поток величиной 5 Вб при силе тока 100 мА. Рассчитанное значение в данном случае будет равно 50 Гн.

КИ с силовыми линиями магнитного поля
КИ с силовыми линиями магнитного поля

Если известны характеристики используемого провода, то есть, его длина, диаметр, количество витков, рассчитать значение индуктивности можно с помощью такого выражения:

Базовая формула индуктивности
Базовая формула индуктивности

Индуктивность измеряется в единицах, называемых генри (Гн). Он является основной единицей измерения этого явления в Международной системе единиц (СИ). Один генри (1 Гн) определяется как индуктивность, при которой изменение тока на один ампер в течение одной секунды вызывает электромагнитную индукцию силой один вебер (1 Вб).

Кроме генри, индуктивность может быть выражена в миллигенри (мГн) или микрогенри (мкГн), что соответствует тысячным или миллионным долям генри. Это удобно при работе с инструментами небольших размеров.

Использование при измерениях специализированных приборов, таких как мультиметры, позволяет определить точное значение в указанных единицах (Гн, мГн, мкГн) в зависимости от конкретных потребностей и требуемой точности измерения.

Катушка и переменный ток

Протекание переменного тока способствует образованию изменяющегося магнитного поля, под влиянием которого возникает электродвижущая сила (ЭДС) в самой катушке. Она пропорциональна скорости изменения тока, но направлена в сторону, противоположную вектору скорости:

Формула ЭДС
Формула ЭДС

Как видим, катушка индуктивности в цепи переменного тока оказывает сопротивление прохождению этого тока. Оно получило название индуктивного или реактивного. Вычислить его можно по формуле:

Расчет сопротивления
Расчет сопротивления

Следовательно, с увеличением частоты тока индуктивное сопротивление также будет увеличиваться. При использовании постоянного тока f = 0, поэтому индуктивное сопротивление катушки индуктивности равняется нулю и индуктор не оказывает никакого влияния на протекающий ток. Переменный ток при включении катушки в электроцепь начинает отставать по фазе от напряжения на 1/4 периода.

Ток и напряжение на КИ
Ток и напряжение на КИ

Типы катушек

Классификация катушек индуктивности выделяет в основном два виды — с магнитным сердечником и немагнитным. В качестве последнего используется обычный воздух. Витки проводника могут также наматываться на какую-нибудь бумажную трубочку. Такая катушка обеспечивает значение индуктивности не более 5 мГн.

КИ без сердечника
КИ без сердечника

Магнитные сердечники многократно увеличивают индуктивность катушек. Их делают из феррита или железных пластин. Тип сердечника катушки индуктивности также может быть разным. Обычно они имеют форму цилиндра или кольца (тороида).

КИ с сердечником
КИ с сердечником

Наиболее распространенными являются следующие виды катушек:

  • Воздушная. Представляет собой простейшее устройство, когда провод обмотки размещается на воздушном или керамическом каркасе. Катушки этой разновидности обладают хорошей стабильностью параметров, но физически крупные и занимают много места.
  • Ферритовая, содержащая сердечник из ферритового материала, который позволяет получить более компактные размеры.
  • Тороидальная. Так называется катушка с сердечником в форме тороида, который обеспечивает компактность и улучшенные электромагнитные свойства.
  • Многопоточная имеет несколько проводов или обмоток. Такой тип позволяет реализовывать различные комбинации и сочетания индуктивностей.
  • Спиральная, в которой провод обмотки намотан в форме спирали. Обладает небольшими размерами и хорошей стабильностью работы на высоких частотах.
  • Соленоидная. В таких катушках провод обмотки намотан в виде спирали с постоянным расстоянием между витками.
  • Печатные, изготавливаемые путем печати проводящего материала на специальной подложке, как правило, на основе керамики или полимера. Они обеспечивают компактность, низкие потери и хорошую стабильность параметров.
Виды катушек
Виды катушек

Особый вид индукторов — это сдвоенные дроссели. Они представляют собой две катушки со встречной или согласованной намоткой. В основном такой тип дросселей находит применение в качестве входных фильтров, предназначенных для различных блоков питания.

Сдвоенный дроссель
Сдвоенный дроссель

Каждый тип индукторов имеет свои особенности и применение. Выбор зависит от требований и условий конкретной системы или устройства, в котором катушка будет применяться.

Параметры индуктора или катушки индуктивности зависят от нескольких факторов:

  • Количество витков. Чем больше витков, тем выше индуктивность. Это объясняется тем, что каждый виток создает свое магнитное поле и суммарное магнитное поле от всех витков усиливается.
  • Геометрия. Форма, размеры и расположение витков также влияют на магнитные свойства. Например, элемент с длинным и тонким проводом и элемент с коротким и толстым будут иметь совершенно разные магнитные свойства.
  • Физические свойства. Различные материалы имеют разные уровни магнитной проницаемости, что влияет на индуктивность.

Маркировка катушек

Маркировка существующих видов катушек индуктивности может варьироваться в зависимости от производителя и стандартов, однако она обязательно включает следующие элементы:

  • Индуктивность обозначается буквой L и цифрами. Например, L10 означает 10 генри.
  • Класс точности. Используются буквы A, B, C и т. д. A — наиболее высокая точность. Например, L10A означает индуктивность 10 генри с высокой точностью.
  • Ток нагрузки выражается соответствующей цифрой. Например, L10-5A означает максимальный ток нагрузки 5 ампер.

Энергия катушки

Данный параметр связан со способностью устройства хранить энергию в магнитном поле, которое оно создаёт при протекании тока через него. При изменении тока в катушке происходит изменение магнитного поля, следовательно, и изменение энергии.

Энергия (W) может быть вычислена с использованием следующей формулы:

Энергия КИ
Энергия КИ

Энергия, содержащаяся в катушке, позволяет оценить потенциальные энергетические потери или эффективность работы системы, где она применяется. Также энергия катушки играет важную роль при проектировании и оптимизации электрических цепей и устройств, где необходимо учитывать и управлять магнитной энергией.

Формула показывает, что энергия пропорциональна квадрату тока и индуктивности. Чем больше ток и индуктивность, тем большая энергия может храниться в катушке.

Измерение мультиметром

Индуктивность может быть измерена с использованием различных методов и приборов. Один из простых способов — использование мультиметра. Алгоритм измерения следующий:

  1. Установить мультиметр в режим измерения L.
  2. Отключить катушку от питания и подключить ее к мультиметру.
  3. Убедиться, что все подключения выполнены правильно.
  4. Если это возможно, то нужно постепенно увеличивать частоту сигнала. Если нет — использовать стандартную.
  5. Приложить измерительные щупы к соответствующим выводам катушки. Их у нее два: один для подключения к источнику питания, а другой для подключения к нагрузке или земле. Обязательно нужно убедиться, что положительный и отрицательный выводы подключены к правильным клеммам мультиметра.
  6. Сделать измерения, нажав кнопку на мультиметре. Найти нужное значение.
  7. Оценить результаты измерения. Определяемая индуктивность высветится на экране в соответствующих единицах (генри, миллигенри или микрогенри), в зависимости от диапазона настроек.
Измерение индуктивности
Измерение индуктивности

Применение катушек

Они находят применение в различных областях и сферах, в числе которых электроника, электротехника, телекоммуникации, автоматизация и пр. Катушки используются для:

  • Фильтрации сигналов. Например, для подавления нежелательных частотных составляющих сигнала.
  • Создания резонанса и усиления определенных частот сигнала.
  • Хранения энергии. Используются в цепях хранения энергии, таких как индуктивные аккумуляторы и системы бесперебойного питания (ИБП).
  • Трансформаторов. Применяются в трансформаторах для передачи и преобразования электрической энергии между различными цепями и уровнями напряжения.
  • Управления током и напряжением. Применяются в цепях управления для стабилизации и регулировки тока и напряжения.

Одним из самых известных применений индуктивных катушек является использование в системах зажигания транспортных средств. В них индуктор играет роль импульсного трансформатора. Его назначение — преобразовывать аккумуляторное напряжение 12 В в высокое напряжение, достигающее нескольких десятков тысяч вольт, необходимое для создания искры в свече зажигания.

Схема системы зажигания
Схема системы зажигания

Импульсный трансформатор, который состоит из катушек индуктивности, является основой такого устройства, как электрошокер. Здесь он также преобразовывает низкое напряжение от батарейки в импульс слабого тока, но довольно высокого напряжения.

Видео по теме

Adblock
detector