Особенности катушки индуктивности

Любая электрическая цепь включает в себя несколько компонентов – пассивных (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) и активных (транзисторы, диоды, электронные лампы). Каждый из пассивных элементов обладает основными и паразитными параметрами, и разработчики всегда стремятся свести их к минимуму.

Что такое катушка индуктивности

Элемент электрической цепи, основной характеристикой которого является индуктивность, называется катушкой индуктивности.  Представляет собой несколько изолированных друг от друга витков провода.

Для чего она нужна и где используется

Подобные элементы находят множество применений, но наиболее часто они используются в качестве:

• Элементов индуктивности в слаботочных электрических цепях;
• Реакторов в силовой электронике, в качестве элементов компенсации реактивного характера нагрузки;
• Дросселей для сглаживания пульсаций выпрямленного или переменного тока;
• Электромагнитов в качестве источников магнитного поля в электромагнитных реле или органах управления различных устройств;
• Индукторов в установках индукционного нагрева;
• Накопителя энергии в источниках преобразования напряжения;
• Датчиков магнитных полей (магнитные головки в накопителях на жестких магнитных дисках);
• Линий задержки сигнала;
• Антенн для приема и передачи электромагнитных волн.

Свойства катушки

Устройства, которые состоят и витков провода, обладают рядом специфических свойств, среди которых можно отметить следующие:

• Ограничение скорости изменения тока, определяемое индуктивностью;
• Рост сопротивления при увеличении частоты протекающего тока;
• Накапливание энергии в собственном магнитном поле;
• Наличие ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения тока;
• Сдвиг фазы тока в витках от напряжения (90° в цепях синусоидального тока).

Конструкция катушки

Катушки индуктивности имеют множество разновидностей по конструктивным особенностям. В основе любой конструкции лежит от одного и более витков изолированного провода.

Различают следующие конструкции по типу обмоток:

• Соленоидальная – длина намотки многократно превышает диаметр;
• Тороидальная – когда соленоид свернут в форме тора.
• Многослойная – разновидность соленоида при наличии нескольких рядов обмоток;
• Секционированная – обмотки состоят из нескольких частей – секций;
• С намоткой «Универсал».

Две последних разновидности используются при необходимости снижения собственной паразитной емкости.

Регулировка (изменение) индуктивности производится путем:

• Сдвига части витков в однослойных катушках;
• Изменением положения ферромагнитного сердечника;
• Переключением части витков;
• Изменение взаимного расположения обмоток, соединенных последовательно (вариометры).

Принцип действия

Принцип действия катушки индуктивности заключается в создании и взаимодействии магнитного потока витками обмотки.

Если взять в упрощенном случае единичный виток, то при прохождении через него электрического тока, создается магнитный поток, движущийся вдоль поверхности контура, пропорциональный величине тока и значению индуктивности:

Ф=L·I, где

Ф – магнитный поток;

L – индуктивность;

I – сила тока.

Образование магнитного потока каждым из витков и взаимодействие его с остальными (магнитная индукция) приводит к возникновению ЭДС самоиндукции, которая заключается в том, что, при изменении величины протекающего тока в катушке, образуется ЭДС и, соответственно, ток, направленный, чтобы противодействовать изменениям.

В случае переменного тока это приводит к тому, что фаза тока отстает от фазы напряжения на 90°. Данное свойство используется в компенсаторах реактивного сопротивления (реакторах), дросселях, линиях задержки.

Сопротивление катушки индуктивности включает две составляющих:

• Индуктивное сопротивление;
• Сопротивление потерь.

Индуктивное сопротивление (реактивное сопротивление, импеданс) зависит от частоты протекающего тока:

XL = 2·π·f·L, где

π – 3.14;

f – частота;

L – индуктивность.

Сопротивление потерь включает в себя:

• Потери в проводах (активное сопротивление катушки);
• Потери на вихревые токи;
• Потери в сердечнике;
• Потери в диэлектрике.

Основную долю потерь вносит активное сопротивление.

Активное сопротивление катушки

Активное сопротивление обуславливается омической характеристикой проводов обмотки. При работе на низких частотах, омическое сопротивление не зависит от частоты. В мощных устройствах необходимо учитывать эффект близости, который заключается в том, что токи и образуемое ими магнитное поле вызывают вытеснение тока в проводах соседних витков. В результате, снижается эффективное используемое сечение провода и растет его омическое сопротивление.

В мощных электромагнитных системах (ускорители частиц) для снижения активного сопротивления, используется свойство сверхпроводимости – полное исчезновение сопротивления при охлаждении некоторых материалов ниже критической температуры.

Во многих случаях применения катушек индуктивности следует учитывать влияние активного сопротивления обмоток. Данный параметр может отрицательно влиять не только путем снижения добротности, но и вызывать повышенный нагрев проводников обмоток в том случае, когда устройство работает с большими токами.