Катушки индуктивности, дроссели и трансформаторы (стр. 1 из 3)
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра ЭТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Катушки индуктивности, дроссели и трансформаторы»
МИНСК, 2008
Индуктивность – физическая величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи. Ток в проводящем контуре создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитный поток Φ, пронизывающий контур:
Ф= L · I
I - ток в контуре;
L - коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью, или коэффициентом самоиндукции контура.
Индуктивность зависит от геометрии, размеров контура, магнитной проницаемости среды и проводников, образующих электрическую цепь. Для неферромагнитных сред и проводников индуктивность жесткого (недеформируемого) контура постоянна.
Через индуктивность выражается Э.Д.С. самоиндукции ε в контуре, возникающая при изменив нем тока:
Единица индуктивности в СИ – Генри. (1 Генри (Гн) – такая индуктивность, при которой ток в 1 Ампер порождает потокосцепление φ в 1 Вебер).
Для катушки, состоящей из одного витка, потокосцепление φ определяется:
φ= L · I
Измерителем индуктивности называется прибор для измерения индуктивности катушек, дросселей, обмоток трансформаторов, а также сопротивления активных потерь катушек. Наиболее широкое применение находят измерители индуктивности, работа которых основана на резонансном и мостовом методах. В резонансных измерителях индуктивности (рис. 1) используются известные соотношения между параметрами L, C и R колебательного контура и его резонансной частотой. Резонансные измерители индуктивности работают на частотах от нескольких кГц до нескольких сотен МГц; диапазон измеряемых индуктивностей – от сотен долей мкГн до нескольких сотен мГн; погрешность измерений составляет обычно несколько процентов.
Рисунок 1 – Резонансный измеритель индуктивности
Lc – индукция витка связи;
Lx – измеряемая индуктивность;
Сk – собственная емкость катушки;
Сх – образцовая емкость;
ЛВ – ламповый вольтметр;
ГВЧ – генератор сигналов высокой частоты;
В мостовых измерителях индуктивности используются мостовые цепи; часто такие цепи входят в состав универсальных мостов, предназначенных для измерения индуктивности, емкости и активного сопротивления. Мостовые измерители индуктивности применяются на частотах до нескольких сотен МГц и обеспечивают измерение индуктивностей от десятых долей мкГн до нескольких тысяч Гн. Все шире применяются измерители индуктивности с самобалансирующимися мостами переменного тока с цифровым отсчетом (рис. 2), а также измерители индуктивности, в которых измеряемый параметр преобразуется в ток, напряжение или временной интервал с последующим измерением этих величин цифровыми измерителями.
Рисунок 2 – Мостовой измеритель индуктивности
Zx – полное сопротивление катушки индуктивности;
Z2 – образцовый резистор;
Z2,3 – переменные резисторы;
1 – генератор сигналов низкой частоты (ГСНЧ);
2 – блок сравнения;
3 – блок управления уравновешивания моста;
4 – устройство цифрового счета;
В современных измерителях индуктивности широко применяются микросхемы. Основной тенденцией в развитии измерители индуктивности является автоматизация процесса измерения в сочетании с дистанционным программным управлением, что позволяет использовать такие измерители индуктивности в автоматизированных системах контроля и информационно-измерительных системах.
Так как индуктивность зависит от магнитной пронтцаемости µ среды и проводников электрической цепи, напомним физическую сущность этой величины. Магнитная проницаемость µ - физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции B среды при воздействии магнитного поля H
μ = B /μ0H
μ0 - магнитная постоянная;
Магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума ) равна:
μ0 =4π ·10 -7 Гн/м=1,256637·10 -6 Гн/м
Магнитная проницаемость связана с магнитной восприимчивостью χ соотношением
μ = 1+ 4π χ (СГС)
μ = 1+ χ (СИ)
Для вакуума χ=0, μ=1.
В переменных магнитных полях, изменяющихся по закону синуса или косинуса магнитная проницаемость представляется в комплексной форме:
μ = μ1 + iμ2
μ1 - характеризует обратимые процессы намагничивания;
μ2 - процессы рассеяния энергии магнитного поля (потери на вихревые токи, магнитную вязкость и др.)
Магнитная вязкость – задержка во времени изменения магнитных характеристик вещества (намагниченности, магнитной проницаемости) от изменения напряженности магнитного поля. Запаздывание от 10 -9с до часов. Магнитная восприимчивость – величина, характеризующая связь намагниченности вещества с магнитным полем в этом веществе
χ = J / H
χуд = χ / g
χ = χуд · M
M – молекулярная (атомная) магнитная восприимчивость;
Магнитная восприимчивость – положительная для парамагнетиков и ферромагнетиков (намагничиваются по полю); отрицательная – для диамагнетиков (намагничивается против поля).
Диамагнетики – He, Cu, Be, Zn, Ag, Au, Bi и другие, H2O, CO2, CH4 (метан), С6Р6 (бензол).
Парамагнетики – Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, W, Pt..
J – намагниченность – характеристика магнитного состояния макроскопического тела. Намагниченность J определяется как магнитный момент M единицы объема тела:
J = M / V,
или для однородного намагничивания
J = dM / dV.
Измеряется в A/м, 1 м3 вещества обладает магнитным моментом 1 А· м2 в системе СГС (Гс·см3).
Магнитная индукция B – основная характеристика магнитного поля, представляющая собой среднее значение суммарной напряженности микроскопических магнитных полей, созданных отдельными электронами и другими элементарными частицами.
B = H + 4πJ (1)
H – вектор напряженности магнитного поля;
J – вектор намагниченности;
J = χ H (2)
На основании (1) и (2) и с учетом ранее приведенных соотношений:
B = (1 + 4πχ)H = μH
μ = (1 + 4πχ)
μ – магнитная проницаемость;
χ – магнитная восприимчивость;
В системе СИ используются следующие соотношения:
B = μ0(H +J)
J = χH
B = μ0 μH
μ = 1 + χ
Магнитная индукция в СИ измеряется в Теслах (1 Тл - 104 Гс).
Природа индуктивности и классификация катушек индуктивности
Для создания катушек индуктивности используется эффект взаимодействия магнитного поля и переменного тока. Коэффициент пропорциональности между переменным напряжением и током с учетом частоты ω имеет смысл реактивного сопротивленияjωL, где L– коэффициент пропорциональности. Для увеличения индуктивности провод, по которому протекает ток, наматывают в виде катушки. При этом добавляется взаимная индуктивность между витками и индуктивное сопротивление, т. е. значение L увеличивается. Индуктивность является основным параметром катушки.
Катушки используются в РЭА как дроссели для перераспределения переменного тока по цепям и создания индуктивной связи между цепями. При их использовании вместе с конденсаторами образуются колебательные контуры, входящие в состав фильтров и генераторов высокочастотных колебаний. Следует подчеркнуть, что под катушками индуктивности будем понимать те индуктивные элементы, которые работают в диапазоне радиочастот примерно от 100 кГц и выше.
Для классификации радиочастотных индуктивных элементов можно использовать разные признаки: наличие или отсутствие сердечника, характер намотки – однослойная (с шагом или без шага) или многослойная (рядовая, универсальная, внавал), рабочую частоту, количество обмоток, наличие или отсутствие каркаса, наличие или отсутствие экрана и т.д.
Схема замещения, основные и паразитные параметры
В катушке индуктивности помимо основного эффекта – индуктивности – наблюдаются и паразитные. Схема замещения (рис. 3а) катушки отображает ее основные свойства и содержит не только основной параметр, индуктивность L, но и ряд дополнительных: индуктивность выводов (учтены в L); собственную емкость, обусловленную наличием обмотки, выводов, сердечника и экрана СL; сопротивление, отображающее потери в емкости RC; сопротивление, зависящее от потерь в катушке RL. СL с L образует параллельный резонансный контур. Его резонансная частота f0 = 1/2π (LC0)1/2, эквивалентная схема контура показана на рис. 3б.
Рисунок 3а – Схема замещения катушки
Рисунок 3б – Эквивалентная схема контура
Катушка индуктивности – катушка из провода с изолированными витками; обладает значительной индуктивностью при относительно малой емкости и малом активном сопротивлении. Предназначена для накопления магнитной энергии, разделения или ограничения электрических сигналов различной частоты и т. д. Индуктивность катушки индуктивности определяется линейными размерами катушки, числом витков обмотки и магнитной проницаемостью окружающей среды и проводников; изменяется от десятых долей мкГн до десятков Гн. Другие основные параметры катушки индуктивности: добротность Q(отношение индуктивного сопротивления к активному), собственная емкость, механическая прочность, габаритные размеры, масса.