Основные параметры катушек индуктивности



Любой компонент электрической цепи выполняет определённые присущие ему функции и обладает набором присущих ему параметров. Катушка индуктивности не является исключением. Основными параметрами, характеризующими катушкии индуктивности, являются:

  • Индуктивность
  • Добротность
  • Сопротивление потерь
  • Потери в проводах
  • Потери в диэлектрике
  • Потери в сердечнике
  • Потери на вихревые токи
  • Паразитная ёмкость
  • Реактивное (индуктивное) сопротивление
  • Темпиратурный коэффициент индуктивности (ТКИ)

Рассмотрим каждый параметр подробнее.

Основным параметром, характеризующим катушку индуктивности является индуктивность. Индуктивность - это коэффициент пропорциональности между магнитным потоком, пронизывающим катушку индуктивности при протекании через неё тока к величине самого тока. Индуктивность (как физическая величина) обозначается буквой L, точно так же как и сама катушка индуктивности (или индуктивность, как компонент электрической цепи при использовании идеализированных элементов). Другое название индуктивности, выражающее физический смысл данной величины - это коэффициент самоиндукции. Таким образом индуктивность L=Ф/I, где Ф - магнитный поток, пронизывающий катушку индуктивности, Вб (Вебер); I - ток, протекающий через катушку индуктивности, А (Ампер). Величиной измерения индуктивности явгяется Генри (Гн). 1 Гн=1Вб/1А.

Реактивное (индуктивное) сопротивление. Если к катушке индуктивности приложено переменное напряжение, оно создает магнитное поле. Магнитное поле в свою очередь индуцирует напряжение в витках катушки, которое называется электродвижущей силой (э.д.с) самоиндукции. Э.д.с. самоиндукции сдвинута по фазе на 180° относительно приложенного напряжения и противодействует приложенному напряжению. Таким образом в цепи возникает реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление катушки индуктивности (индуктивное сопротивление) вычисляется по формуле: XL = j*2*П*f*L, где j - означает поворот вектора по часовой стрелке на 90°, L - индуктивность (Гн), f - частота (Гц). Индуктивное сопротивление является функцией частоты приложенного переменного напряжения и индуктивности. Рост частоты увеличивает индуктивное сопротивление и вызывает увеличение противодействия току. Уменьшение частоты уменьшает индуктивное сопротивление и снижает противодействие току.

Сопротивление потерь. При протекании электрического тока по катушке индуктивности в ней помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного потока (индуктивности) наблюдаются паразитные явления, вследствие которых импеданс (комплексное полное сопротивление) катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь. Потери складываются из потерь в проводах (в витках самой катушки индуктивности и её выводах), диэлектрике и сердечнике.

Потери в проводах. Потери в проводах являются одной из составляющих сопротивления потерь. 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. Все потери в диэлектрике можно отнести к двум категориям:

  • Потери от ёмкости межвиткового (межслойного) конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери);
  • Потери, обусловленные магнитными свойствами диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике, но относятся к материалу каркаса катушки).

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

Потери в сердечнике. Все потери в сердечнике (материале сердечника) складываются из 2-ух составляющих: потери на вихревые токи и потери на гистерезис (перемагничивание материала сердечника).

Потери на вихревые токи. Переменное магнитное поле, возникающее при протекании электрического тока через катушку индуктивности, индуцирует вихревые ЭДС в окружающих проводниках (сердечнике, экране и в проводах соседних витков). Возникающие при этом вихревые токи (токи Фуко) становятся источником потерь из-за активного (омического) сопротивления проводников.

Темпиратурный коэффициент индуктивности (ТКИ). Темпиратурный коэффициент индуктивности (ТКИ) — это параметр катушки индуктивности, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры окружающей среды. Температурная нестабильность индуктивности обусловлена разными факторами: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков. Кроме того при изменении температуры изменяются диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведёт к изменению собственной ёмкости катушки. Очень существенное влияние оказывает температура на магнитную проницаемость сердечника.

Паразитная ёмкость. Межвитковая паразитная ёмкость проводника в составе катушки индуктивности превращает катушку в сложную цепь с распределёнными параметрами. Грубо можно сказать, что реальная катушка индуктивности эквивалентна идеальной индуктивности, включенной последовательно с резистором активного сопротивления обмотки и присоединенной параллельно этой цепочке паразитной ёмкостью. В результате этого катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. Эта резонансная частота легко может быть измерена и называется собственной частотой резонанса катушки индуктивности. Для увеличения частоты собственного резонанса используют сложные схемы намотки катушек (Например, разбиение одной обмотки на разнесённые секции, намотка типа "Универсаль", намотка с переменным шагом и т.д)

Добротность. Добротность катушки индуктивности определяет соотношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки и равна отношению реактивного сопротивления к активному (суммарному сопротивлению потерь). Практически добротность большинства катушек индуктивности лежит в пределах от 20 до 300. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями, намоткой вида «универсаль», применением посеребрёного провода, применением многожильного провода вида «литцендрат» для снижения потерь, вызванных скин-эффектом и т.д.



Список использованной литературы


1. Эрл Д.Гейтс. Введение в электронику: Учебник. - Ростов-на-Дону.: Издательство "Феникс", 1998 год, 640 стр.
2. Котенёв С. В., Евсеев А. Н. Расчет и оптимизация тороидальных трансформаторов и дросселей. — М.: Горячая линия - Телеком, 2013. — 360 с.
3. ГОСТ 20718-75. Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения.

Поиск по сайту