5.5. Реактивная мощность катушки индуктивности
5.5.1. Общие сведения
Когда катушка индуктивности подключена к переменному синусоидальному напряжению, в ней возникает синусоидальный ток, отстающий по фазе от напряжения на 90о(рис. 5.5.1).
Изменение во времени мгновенной мощности, потребляемой в катушке, может быть представлено на графике (рис. 5.5.1) путем перемножения мгновенных значений токаiи напряженияu. Положительная полуволна кривой мощности равнозначна подведению энергии к катушке. Во время отрицательной полуволны катушка отдает запасенную ранее энергию магнитного поля. В идеальной катушке потерь активной мощности нет. В действительности же возвращаемая энергия всегда меньше потребляемой из-за потерь энергии в активном сопротивлении катушки.
Рис. 5.5.1
В идеальной катушке (при R=0)
график мощностиp(t)представляет собой синусоиду двойной
частоты (см.
QL = ULm ILm/2 = UL IL.
Это значение является максимальной мощностью, потребляемой или отдаваемой идеальной катушкой индуктивности. Она называется индуктивной реактивной мощностью.
Средняя (активная) мощность, потребляемая такой катушкой, равна нулю.
5.5.2. Экспериментальная часть Задание
Выведите кривые тока и напряжения катушки на экран виртуального осциллографа, перенесите их на график и постройте кривую изменения мгновенных значений мощности перемножением мгновенных значений напряжения и тока.
Порядок выполнения эксперимента
Соберите цепь согласно схеме (рис. 5.5.2), подсоедините к ней регулируемый источник синусоидального напряжения с параметрами: U=5…7Bиf= 200 Гц. В качестве индуктивности с малым активным сопротивлением используйте катушку трансформатора 300 витков, вставив между подковами разъемного сердечника полоски бумаги в один слой (немагнитный зазор).
Рис. 5.5.2
Включите виртуальные приборы V0,A1 и осциллограф.
«Подключите» два входа осциллографа к приборам V0 иA1, а остальные отключите.
Установите параметры развёртки осциллографа так, чтобы на экране было изображение примерно одного-двух периодов напряжения и тока.
Включите блок дополнительных приборов, выберите из меню приборы «Активная мощность» и «Реактивная мощность» и подключите их к V1 иA1. Запишите значения реактивной мощностиQLи активнойP. Убедитесь, чтоP <<QL.
Занесите данные осциллографирования напряжения и тока в катушке в табл. 5.5.1 соответственно указанным в ней моментам времени, выполните вычисления мгновенных значений реактивной мощности.
Таблица 5.
5.1
Время t, мс | ТокiL, мА | Напряжение uL, В | p= uL iL, мВт |
0 | |||
0,1 | |||
0,2 | |||
0,3 | |||
0,4 | |||
0,5 | |||
0,6 | |||
0,7 | |||
0,8 | |||
0,9 | |||
1,0 |
Рис.
5.5.3
QL= …
Практическое руководство по катушкам индуктивности
Большинство проводящих материалов (металлов) является парамагнитными или ферромагнитными, в то время как большинство непроводящих материалов (неметаллов) является диамагнитными. Любой проводник обладает некоторой индуктивностью в ответ на изменение величины или направления протекания тока. Даже обычный прямой провод имеет индуктивность, хотя она достаточно мала, чтобы пренебрегать ею. Если провод свернуть в петлю – его индуктивность увеличится. Чем больше сделать таких одинаковых витков, тем большая индуктивность будет присуща проводу. Индуктивность одиночной петли или катушки из провода может быть многократно увеличена с помощью подходящего ферромагнитного сердечника.
Простейшими катушками индуктивности являются катушки с воздушным сердечником (рисунок 1).
Рис. 1. Пример катушки индуктивности с воздушным сердечником
Катушки с воздушным сердечником имеют небольшую индуктивность, которая может составлять максимум 1 мГн. Катушки с воздушным сердечником могут быть рассчитаны так, что будут пропускать через себя ток практически неограниченной величины при условии использования проводника большой длины, смотанного в катушку большого радиуса.
При использовании железных или ферритовых сердечников индуктивность может быть значительно увеличена. Однако порошкообразный, железный или ферритовый сердечник вносит значительные потери электрической энергии в виде тепла. Использование ферромагнитных сердечников также ограничивает максимальную величину рабочего тока катушек индуктивности. В ферромагнитных сердечниках насыщение происходит при протекании максимального рабочего тока. При увеличении тока сверх этого критического значения индуктивность может начать уменьшаться.
Соленоид против катушек индуктивности
Соленоиды часто путают с катушками индуктивности. Соленоиды – это катушки проводов, которые предназначены для использования в качестве электромагнитов. Многие индукторы также являются катушками проводов, но они предназначены для обеспечения индуктивности в электрической цепи. Катушки индуктивности цилиндрической формы также называют соленоидными катушками, но только из-за их конструкции, схожей с конструкцией соленоида. Тем не менее, они не предназначены для использования в качестве электромагнита. Соленоиды специально используются в качестве электромагнитов и обычно имеют подвижный или статический сердечник. Обычно соленоиды используются в качестве электромагнитов в электрических звонках, электродвигателях, работающих на постоянном токе, и в реле.
Соленоидные катушки как индуктивности
Простейшими и наиболее распространенными индуктивностями являются соленоидные катушки. Эти индуктивности представляют собой цилиндрические катушки, намотанные вокруг диамагнитного или ферромагнитного сердечника. Они являются самыми простыми с точки зрения проектирования и изготовления.
Соленоидная, или цилиндрическая катушка может быть легко использована для подстройки величины индуктивности, если в конструкцию интегрировать механизм перемещения ферромагнитного сердечника катушки внутрь и наружу. Путем перемещения сердечника внутрь катушки и обратно можно изменять ее эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности. Это называется настройкой магнитной проницаемости и используется для подстройки частот в радиочастотных схемах.
Сердечник можно сделать подвижным, прикрепив его к винтовому валу и закрепив гайкой на другом конце катушки.
Когда вал винта вращается по часовой стрелке – сердечник перемещается внутрь катушки, увеличивая эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности. Когда вал винта вращается против часовой стрелки – сердечник выдвигается, уменьшая эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности.
Тороиды как катушки индуктивности
Сегодня еще одной наиболее распространенной формой катушек индуктивности является тороид. Тороиды имеют кольцевой ферромагнитный сердечник, на который намотан провод. Тороиды нуждаются в меньшем числе витков и физически меньше при той же величине индуктивности и рабочей величине тока, по сравнению с соленоидными катушками (рисунок 2). Другим важным преимуществом тороидов является то, что магнитный поток находится внутри сердечника, что позволяет избежать нежелательной взаимной индуктивности.
Рис. 2. Сильноточные тороидальные катушки индуктивности
Однако намотать провод на тороид сложно.
Регулировать магнитную проницаемость тороида еще сложнее. Проектирование катушек с тороидальным сердечником и переменной величиной индуктивности требует реализации громоздкой и сложной конструкции. В цепях, где требуется взаимная индуктивность, катушки должны быть намотаны на один и тот же сердечник в случае, если тороид используется в качестве катушки индуктивности.
Индуктивности на основе чашеобразных Р-сердечников*
В типичных катушках индуктивности – соленоидных и тороидных – провод намотан вокруг ферромагнитного сердечника. Катушки индуктивности на основе чашеобразных сердечников – это другой тип индуктивностей, в котором обмотка катушки находится внутри ферромагнитного сердечника. Чашеобразный ферромагнитный сердечник имеет форму двух половин в виде чаш со специальным цилиндрическим выступом (керном) на дне одной из половин, на котором размещается обмотка. Обе половины имеют отверстия, из которых извлекается провод катушки. Вся сборка скрепляется болтом и гайкой.
Катушки данного типа, как и тороиды, обладают большой индуктивностью и электропроводностью при небольших габаритах и меньшем числе витков. Магнитный поток, как и в случае с тороидами, остается внутри. Таким образом, нет нежелательной взаимной индуктивности с сердечниками. Опять же, как и в случае с тороидами, очень трудно варьировать величину индуктивности катушек данного типа. Изменять величину индуктивности в катушках индуктивности на основе Р-сердечников возможно только путем изменения числа витков и при использовании отводов в разных точках катушки.
*- В литературе также встречается термин “Р-сердечник закрытого типа”. В ГОСТ 19197-73 данному типу сердечников присвоено название – “броневой”.
Линия передачи как индуктивность
В цепях постоянного тока катушки индуктивности ведут себя почти так же, как и обычный провод, обладая незначительным сопротивлением, но не более того. Таким образом, они находят применение преимущественно в электрических цепях переменного тока.
В аудиосхемах в качестве индуктивностей обычно используются тороиды, катушки на основе круглых чашеобразных сердечников или аудиотрансформаторы. Номинал индуктивности, применяемый в таких электрических цепях, варьируется от нескольких мГн до 1 Гн. Катушки индуктивности вместе с конденсаторами используются в аудиосхемах для подстройки. В настоящее время микросхемы практически полностью вытеснили катушки индуктивности и конденсаторы в аудиосистемах и других подобных областях применения.
При увеличении частоты должны использоваться индуктивности с сердечниками меньшей проницаемости. На нижнем конце радиочастотного спектра используются те же катушки индуктивности, что и в аудиоприложениях. На частотах до нескольких МГц весьма распространены катушки индуктивности с тороидальным сердечником. Для частот 30…100 МГц предпочтительны катушки с воздушным сердечником. Для частот более 100 МГц в линии передачи используются высокочастотные индуктивности и специальные трансформаторы.
Линии передачи малой длины (четверть длины волны сигнала или меньше) сами могут быть использованы в качестве индуктивности для подстройки частоты радиосигналов. Линия передачи, используемая в качестве подобной индуктивности, обычно представляет собой коаксиальный кабель.
Индуктивности в цепях постоянного тока
Катушки индуктивности практически бесполезны в цепях постоянного тока. Однако можно предположить, что катушка индуктивности, подключенная к цепи постоянного тока, может быть полезна для понимания принципов ее работы и особенностей поведения пульсирующих напряжений постоянного тока. Предположим, что обычная катушка индуктивности подключена к источнику напряжения через ключ. При замыкании ключа на индуктивность подается напряжение, вызывающее быстрое изменение протекающего через нее тока. Когда приложенное напряжение увеличивается от нуля до пикового значения (за короткое время), индуктивность противодействует изменяющемуся через нее току, индуцируя напряжение, противоположное по полярности приложенному напряжению.
Индуцированное напряжение при подаче питания на катушку индуктивности называется обратной ЭДС и определяется по формуле 1:
VL = – L*(di/dt), (1)
где:
- VL – напряжение (обратная ЭДС), индуцированная на катушке;
- L – индуктивность катушки;
- di/dt – скорость изменения тока во времени.
Согласно приведенной формуле 1, внезапное изменение тока через катушку индуктивности дает бесконечное напряжение, что физически невозможно. Таким образом, ток через катушку индуктивности не может измениться мгновенно. Ток сталкивается с влиянием индуктивности при каждом небольшом изменении его величины и медленно возрастает до своего пикового постоянного значения. Итак, в начальный момент времени катушка индуктивности представляет собой разрыв цепи, когда переключатель замкнут. Обратная ЭДС наводится на катушку индуктивности до тех пор, пока изменяется значение протекающего через нее тока.
Индуцированная обратная ЭДС всегда остается равной и противоположной возрастающему приложенному напряжению. Когда напряжение и ток от источника приближаются к постоянному значению, обратная ЭДС падает до нуля, а катушка индуктивности начинает вести себя как обычный провод. При подаче напряжения на катушку индуктивности мощность, запасенная ею, определяется по формуле 2:
P = V * I = L*i*di/dt, (2)
где:
- P – электрическая мощность, запасенная в катушке;
- V – величина пикового напряжения на катушке индуктивности;
- I – величина пикового тока, протекающего через катушку индуктивности.
Энергия, запасенная индуктивностью при подаче напряжения, определяется по формуле 3:
W = ?P.dt = ?L*i*(di/dt)dt = (1/2)LI2, (3)
где:
- W – электрическая энергия, запасенная в катушке индуктивности в виде магнитного поля;
- I – максимальное значение тока, протекающего через катушку.
Когда происходит отключение источника напряжения (путем размыкания ключа), напряжение на индуктивности падает с постоянного пикового значения до нуля. В отличие от конденсаторов, при отключении источника напряжения напряжение на индуктивности не поддерживается. Фактически оно уже упало до нуля, тогда как ток, проходящий через него стал постоянным. Теперь, когда приложенное напряжение падает от пикового постоянного значения до нуля, ток, протекающий через катушку индуктивности, также падает с постоянного пикового значения до нуля. Катушка противодействует падению тока, вызывая прямую ЭДС в направлении приложенного напряжения. Из-за индуцированной прямой ЭДС ток, проходящий через катушку индуктивности, падает до нуля с более медленной скоростью. Как только ток уменьшается до нуля, прямая ЭДС также падает до нуля.
Таким образом, при подаче напряжения питания электрическая энергия преобразовывалась в магнитное поле в катушке индуктивности, что было очевидно по обратной ЭДС, индуцированной на ней.
При отключении напряжения питания та же самая электрическая энергия возвращается индуктором в цепь в форме прямой ЭДС. Всякий раз, когда напряжение на катушке индуктивности увеличивается, возникает обратная ЭДС, а всякий раз, когда напряжение на катушке уменьшается, возникает прямая ЭДС.
На практике обратная или прямая ЭДС, которая наводится на катушке индуктивности, во много раз больше приложенного напряжения. Если источник индуктивности подключен к источнику напряжения или катушка индуктивности подключена к цепи постоянного тока без какой-либо защиты, электрическая энергия, возвращаемая при размыкании переключателя, выделяется в виде скачка напряжения или искры на контактах переключателя. Если индуктивность или ток в цепи достигают достаточно больших значений, то энергия выделяется в форме дуги или искры на контакте переключателя и может даже сжечь или расплавить его. Этого можно избежать, используя резистор и конденсатор, соединенные в RC-цепь и включенные последовательно с контактом переключателя.
Такая RC-цепь называется снабберной и позволяет электрической энергии, выделяемой катушкой индуктивности, заряжать и разряжать конденсатор, поэтому она не повреждает другие компоненты. Во многих электрических цепях для сохранения компонентов схемы от обратной или прямой ЭДС катушек индуктивности или соленоидов используются защитные диоды.
Катушка индуктивности в цепи переменного тока
Катушка индуктивности противодействует любому изменению тока, который протекает через нее, а переменный ток, в свою очередь, отстает на 90° от напряжения. В начальный момент времени, когда напряжение источника подается на катушку, ток через нее протекает максимальный, но в противоположном направлении. При подаче напряжения ток протекает через катушку индуктивности из-за индуцированной обратной ЭДС, которая противоположна приложенному напряжению. Индуцированное на катушке напряжение всегда равно и противоположно по знаку приложенному напряжению в любой момент времени. Когда приложенное напряжение возрастает от нуля до пикового значения, ток через катушку падает от максимума до нуля.
Когда прикладываемое напряжение падает от максимального значения до нуля, то на катушке индуцируется прямая ЭДС, заставляя ток противоположного направления расти от нуля до пикового значения. Когда приложенное напряжение меняет полярность и возрастает до пикового значения, ЭДС снова индуцируется на катушке, вызывая падение обратного тока от пикового значения до нуля. Когда приложенное напряжение снова падает до нуля в обратном направлении, в катушке индуцируется прямая ЭДС, заставляющая ток снова расти от нуля до максимального значения в противоположном направлении. Это продолжается для каждого цикла протекания переменного тока.
Индуктивное сопротивление
Противодействие протекающему току из-за наличия индуктивности называется индуктивным сопротивлением. Амплитуда тока через катушку индуктивности обратно пропорциональна частоте приложенного напряжения. Поскольку напряжение на катушке (обратная или прямая ЭДС) пропорционально индуктивности, то амплитуда тока также обратно пропорциональна величине индуктивности.
Итак, противодействие току из-за наличия индуктивности в виде индуктивного сопротивления определяется по формуле 4:
XL = 2?fL= ?L (4)
Соответственно, пиковая амплитуда тока, проходящего через катушку индуктивности, определяется по формуле 5:
Ipeak = Vpeak/XL= Vpeak/ ?L, (5)
где:
- Ipeak – пиковое значение переменного тока, протекающего через катушку индуктивности;
- Vpeak – пиковое значение переменного напряжения, приложенного к катушке;
- XL – индуктивное сопротивление.
Как резистивное и емкостное сопротивление, так и единица индуктивного сопротивления измеряется в омах. Следует отметить, что в электрических цепях нет потерь энергии из-за наличия емкостного или индуктивного сопротивления, что нельзя сказать об обычном резистивном сопротивлении. Тем не менее, реактивное сопротивление может ограничивать уровни тока через конденсатор или катушку индуктивности.
Применение катушек индуктивности
Катушки индуктивности используются в электрических цепях переменного тока. Они обычно применяются в аналоговых схемах, схемах обработки сигналов и в системах телекоммуникаций, а также используются вместе с конденсаторами для создания фильтров различных топологий. В телекоммуникационных системах индуктивности применяются в составе специальных фильтров, которые нужны для подавления возможных бросков напряжения и предотвращения утечки информации через линии системы электропитания.
Трансформаторы, которые используются для повышения или понижения напряжения переменного тока, состоят из двух катушек индуктивности, объединенных в единую конструкцию определенным образом. Индуктивности также используются для временного хранения электрической энергии в цепях выборки-хранения и источниках бесперебойного питания. В цепях электропитания катушки индуктивности (где они называются фильтрующими дросселями) используются для сглаживания пульсирующих токов.
Поведение индуктивности при прохождении через нее сигнала можно определить следующим образом:
- Всякий раз, когда приложенное к катушке индуктивности напряжение увеличивается, катушка генерирует обратную ЭДС, в результате чего ток через нее падает с максимального значения до нуля или даже ниже этого уровня. Всякий раз, когда прикладываемое напряжение уменьшается, катушка создает прямую ЭДС, в результате чего ток через нее повышается с нуля или текущего уровня до максимального значения или даже до более высокого.
- Обратная или прямая ЭДС сохраняется на катушке индуктивности до тех пор, пока приложенное напряжение, а следовательно и ток через нее изменяются. Когда приложенное напряжение достигает определенного постоянного значения, обратная или прямая ЭДС падает до нуля, и постоянный ток протекает через катушку индуктивности без какого-либо противодействия, как в обычном соединительном проводе.
- Из-за наличия индуктивности скорость изменения тока в цепи замедляется. Если сигнал переменный, то ток всегда будет отставать от напряжения на 90° из-за наличия индуктивности.
- Благодаря индуктивному или емкостному сопротивлению потери энергии отсутствуют. Энергия, запасенная катушкой индуктивности в форме магнитного поля или конденсатором в форме электростатического поля, возвращается обратно в цепь, как только приложенное напряжение падает до нуля или меняет полярность. Однако из-за реактивного сопротивления пиковый уровень тока (амплитуда сигнала) ограничен.
Если сигнал переменный, то ток всегда будет отставать от напряжения на 90° из-за наличия индуктивности.
Источник: https://www.engineersgarage.com
Автор: Нихил Агнихотри Переводчик: Алексей Катков (г. Санкт-Петербург)
Разделы: Дроссели
Опубликовано: 30.01.2020
Понимание параметров силового индуктора | Артикул
Sven Spohr
ЗАГРУЗИТЬ PDF
Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц
Подписаться
Мы ценим вашу конфиденциальность потребительские приложения.
Для этих приложений требуются силовые катушки индуктивности, в основном для устройств с батарейным питанием, встроенных вычислений и мощных/частотных преобразователей постоянного тока в постоянный. Важно понимать электрические характеристики катушек индуктивности, чтобы проектировать компактные, экономичные, эффективные системы с превосходными тепловыми характеристиками.
Катушки индуктивности представляют собой относительно простые компоненты, состоящие из изолированного провода, намотанного на катушку. Сложность возникает, когда отдельные компоненты объединяются для создания катушки индуктивности с правильными размерами, весом, температурой, частотой и напряжением для удовлетворения целевого приложения.
При выборе индуктора важно понимать электрические характеристики, указанные в паспорте индуктора. В этой статье представлены рекомендации по выбору оптимальной катушки индуктивности для решения при прогнозировании характеристик катушки индуктивности при разработке нового преобразователя постоянного тока в постоянный.
Что такое индуктор?
Катушка индуктивности — это компонент электрической цепи, который накапливает энергию в своем магнитном поле. Катушки индуктивности преобразуют электрическую энергию в магнитную, накапливая, а затем подавая энергию в цепь для регулирования тока. Это означает, что если ток увеличивается, магнитное поле увеличивается. На рис. 1 показана модель индуктора.
Рис. 1: Электрическая модель индуктора
Катушки индуктивности состоят из изолированного провода, намотанного в виде катушки. Катушка может быть разных форм и размеров и может быть намотана с использованием различных материалов сердечника.
Индуктивность зависит от множества факторов, таких как количество витков, размеры сердечника и проницаемость. На рис. 2 показаны основные параметры индуктора.
Рисунок 2: Параметры катушки индуктивности
В таблице 1 показано, как рассчитать индуктивность (L).
Таблица 1: Расчет индуктивности (L)
| Уравнение | Параметр | Параметр Описание |
| $$L = \frac {µ_r µ_0 \times A_M}{I_M} \times N^2$$ | мк = мк r мк 0 | Проницаемость |
| µ р | Относительная проницаемость (керн) | |
| µ 0 = 4π10 -7 | Константа природы | |
| А М | Площадь катушки (площадь магнитного поля) | |
| И М | Длина катушки (длина магнитного поля) | |
| Н | Количество витков |
Общие параметры катушки индуктивности более подробно описаны ниже.
Магнитная проницаемость — это способность материала реагировать на магнитный поток, а также величина магнитного потока, который может пройти через индуктор в приложенном электромагнитном поле. В таблице 2 показано, как магнитная проницаемость может усиливаться плотностью магнитного потока (В).
Таблица 2: Расчет плотности магнитного потока (B)
| Уравнение | Параметр | Параметр Описание |
| $$B = µ \×H$$ | $$µ$$ | Проницаемость среды |
| $$H$$ | Магнитное поле (зависит от геометрии, числа витков и тока) |
Исходя из таблицы 2, концентрация магнитного потока зависит от проницаемости и размеров сердечника.
На рис. 3 показана катушка без сердечника.
Рисунок 3: Воздушный змеевик
Проницаемость воздушного змеевика представляет собой постоянную величину (µr воздуха), которая примерно равна 1.
На рис. 4 показан индуктор с сердечником. Обратите внимание, что при использовании сердечника магнитное поле усиливается.
Рис. 4: Катушка индуктивности с сердечником
Типичная проницаемость магнитного сердечника зависит от материалов сердечника. В таблице 3 приведены значения проницаемости трех различных материалов сердечника.
Таблица 3: Проницаемость магнитного сердечника
| Материал сердечника | Обозначение | Проницаемость |
| Железо | µ r FE ОСНОВА | от 50 до 150 |
| Никель-цинк | µ r NiZn | от 40 до 1500 |
| Марганец-цинк | µ r MnZn | от 300 до 20 000 |
Индуктивность (л)
Индуктивность — это способность катушки индуктивности накапливать наведенную электрическую энергию в виде магнитной энергии.
Катушка индуктивности должна подавать постоянный постоянный ток на выходную нагрузку, управляясь входным напряжением переключения.
В таблице 4 показано соотношение между током и напряжением катушки индуктивности. Обратите внимание, что напряжение на катушке индуктивности пропорционально изменению тока во времени.
Таблица 4: Расчет падения напряжения на дросселе
| Уравнение | Параметр | Параметр Описание |
| $$v = L \times \frac {di}{dt}$$ | $$v$$ | Падение напряжения на дросселе |
| $$\frac {di}{dt}$$ | Скорость изменения тока |
Сначала определите диапазон индуктивности для вашей конструкции, имея в виду, что индуктивность не является постоянной в зависимости от условий эксплуатации. Индуктивность может изменяться при увеличении частоты, что требует особого внимания для приложений с более высокими частотами переключения.
Производители дросселей обычно проверяют индуктивность на частотах от 100 кГц до 500 кГц, поскольку большинство преобразователей постоянного тока работают в этом диапазоне.
Сопротивление катушки индуктивности по току приводит к рассеиванию тепла, что влияет на КПД. Общие потери в меди состоят из потерь R DC и R AC . R DC является постоянным независимо от частоты, тогда как R AC зависит от частоты. В таблице 5 показано, как рассчитать R DC .
Таблица 5: Расчет Cooper R DC
| Уравнение | Параметр | Параметр Описание |
| $$R_{DC} = ρ \times \frac {I}{A}$$ | $$ρ$$ | Удельное сопротивление |
| $$I$$ | Длина | |
| $$A$$ | Площадь поперечного сечения |
Единственный способ уменьшить потери в меди — увеличить сечение провода либо путем перехода на более толстый провод, либо с помощью плоского провода.
При использовании плоского провода окно обмотки используется полностью, что приводит к снижению RDC. Таблица 6 показывает площадь поперечного сечения круглого провода по сравнению с плоским проводом. 92$$
В таблице 7 сравниваются преимущества круглой и плоской проволоки.
Таблица 7: Круглые и плоские проволоки
| Круглая проволока | Плоский провод |
|
|
Оцените потери в меди постоянного тока катушки индуктивности (P DC ) с помощью уравнения (1):
92_{DC} \times R_{DC}$$ Потери в меди (P AC ) основаны на R AC и вызваны близостью и скин-эффектом, который зависит от частоты.
Чем выше частота, тем выше потери в меди P AC .
Как правило, магнитные свойства, необходимые для катушек индуктивности на основе сердечника, могут быть достигнуты с помощью ферромагнитного материала. В зависимости от материала сердечника относительная магнитная проницаемость этого индуктора колеблется от 50 до 20000.
Доменная структура этого материала реагирует на воздействие магнитного поля; без магнитного поля ориентация случайна. Потери в сердечнике возникают при изменении магнитной энергии. Домены ориентируют магнитный момент вдоль направления магнитного поля. По мере расширения и сжатия доменов некоторые из них застревают в кристаллической структуре. Как только застрявшие домены могут вращаться, энергия рассеивается в виде тепла.
Пульсирующий ток (∆I L )Пульсирующий ток (∆I L ) — это величина, на которую ток изменяется во время цикла переключения.
Катушка индуктивности может работать неправильно, если она работает за пределами диапазона пикового тока.
Пульсирующий ток катушки индуктивности обычно проектируется так, чтобы он находился в пределах от 30% до 40% от IRMS.
На рис. 5 показана кривая тока катушки индуктивности.
Рис. 5. Форма кривой тока дросселя
Номинальный ток (I DC , I RMS )Номинальный ток относится к постоянному току, необходимому для повышения температуры индуктора на указанную величину. Повышение температуры (ΔT) не является стандартным значением, хотя обычно оно составляет от 20 до 40 К.
Номинальный ток измеряется при температуре окружающей среды. Этот ток указан в техническом описании индуктора и является значением, ожидаемым для окончательного применения. Для приложений с более высокими температурами окружающей среды проектировщики должны выбирать индуктор с более высокой температурой самонагрева.
На рис. 6 показано повышение температуры по отношению к номинальному току. Эту кривую можно использовать для определения тока при любом повышении температуры.
Рис. 6. Кривая номинального тока дросселя
Рабочая температура (T OP ) в приложении определяется температурой окружающей среды (T AMB ) и значением самонагрева дросселя (ΔT). T OP можно рассчитать по уравнению (2):
$$T_{OP} = T_{АМБ} + ΔT$$
Данный номинальный ток является хорошим способом оценки повышения температуры катушки индуктивности. На повышение температуры также влияет конструкция схемы, компоновка печатной платы, близость к другим компонентам, а также размеры и толщина дорожек. Дополнительный нагрев также может быть вызван избыточными потерями переменного тока, возникающими в корпусе сердечника индуктора и обмотках.
Используйте индуктор большего размера, если требуется меньший самонагрев.
Ток насыщения (I SAT ) Номинальные значения тока насыщения относятся к постоянному току, который индуктор может поддерживать до того, как номинальная индуктивность упадет на определенный процент.
Эталонное падение в процентах уникально для каждого индуктора. Как правило, производители устанавливают это значение в диапазоне от 20% до 35%, что может затруднить сравнение катушек индуктивности. В таблицах данных обычно можно найти кривую, показывающую, как изменяется индуктивность по отношению к постоянному току. Эту кривую можно использовать для оценки всего диапазона индуктивности и того, как он соответствует постоянному току.
Постоянный ток насыщения зависит от температуры, магнитного материала индуктора и структуры его сердечника. Различные конструкции и магнитные сердечники могут влиять на I SAT .
Ферритовые барабанные сердечники являются наиболее распространенными и характеризуются жесткой кривой насыщения (см. рис. 7). Критично ли гарантировать, что индуктор не работает за пределами точки сброса, так как индуктивность значительно падает, а функциональность снижается после этой точки?
Литые индукторы из композитного материала имеют стабильное падение индуктивности при изменении температуры с плавным насыщением. Мягкое насыщение дает разработчикам большую гибкость и более широкий рабочий диапазон благодаря постепенному падению индуктивности.
На рис. 7 показаны две кривые насыщения. Синяя кривая показывает пример мягкого насыщения с типичным литым индуктором из композитного материала. Красная кривая показывает пример жесткого насыщения с типичным сердечником барабана NiZn/MnZn.
Рисунок 7: Кривая тока насыщения дросселя
Меньшая индуктивность (или больший размер корпуса) позволяет катушкам индуктивности выдерживать более высокие токи насыщения.
Собственная резонансная частота и импедансСобственная резонансная частота (f R ) катушки индуктивности – это самая низкая частота, при которой катушка индуктивности резонирует со своей собственной емкостью. На резонансной частоте полное сопротивление максимально, а эффективная индуктивность равна нулю. На рис. 8 показана схема схемы катушки индуктивности.
Рис. 8. Схема индуктора, модель
Катушка индуктивности имеет индуктивную характеристику (показана синей кривой на рис. 9) вплоть до резонансной частоты (f R ), так как увеличение частоты соответствует более высокому импедансу. На резонансной частоте отрицательное емкостное сопротивление (X C ) равно положительному индуктивному сопротивлению (X L ), оцениваемому по условию уравнения (3):
$$X_L = X_C \to jωL = \frac {1}{jωC}$$
За пределами резонансной частоты (показана красной кривой Рис. 9) катушка индуктивности имеет емкостные характеристики, соответствующие уменьшению импеданса. После этого индуктор не работает должным образом.
На рис. 9 показано соотношение между индуктивностью и частотой.
Рис. 9. Индуктивность в зависимости от частоты
Выбор экономичных и компактных катушек индуктивности
Разработчику несложно выбрать подходящую катушку индуктивности, если он понимает основное значение каждого параметра в техническом описании катушки индуктивности. Однако, если разработчик знает детали каждого параметра, он может выбрать оптимальную катушку индуктивности для преобразователя постоянного тока и предсказать, как система будет работать в различных условиях.
Monolithic Power Systems поставляет широкий спектр силовых катушек индуктивности для различных применений, от источников питания до преобразователей мощности. В частности, индукторы серии MPL-SE представляют собой полуэкранированные индукторы, покрытые внешним магнитным эпоксидным покрытием для улучшения магнитных характеристик.
Серия литых индукторов обеспечивает мягкое насыщение, обеспечивая стабильное поведение при высоких рабочих температурах. Эти литые катушки индуктивности имеют низкое сопротивление постоянному и переменному току и могут выдерживать большие токи. Кроме того, литая конструкция снижает слышимый шум, создаваемый переменным током и частотой пульсовой волны. Выберите оптимальный индуктор, исходя из следующих критериев:
- Выберите низкопрофильную литой серию MPL-AT, если высота является конструктивным ограничением.
- Выберите литые серии MPL-AY, если в приложении требуется высокая сила тока
- Выберите литой ряд MPL-AL для высокоэффективных применений. Катушки индуктивности
Monolithic Power Systems и силовые преобразователи DC/DC представляют собой простое комплексное решение для электропитания вашей конструкции.
Заключение
На рынке представлен широкий выбор катушек индуктивности для различных применений, и выбор оптимальной катушки индуктивности может быть затруднен. Например, катушки индуктивности большего номинала уменьшают потери постоянного тока и повышают эффективность, но они физически больше и сохраняют больше тепла.
Поскольку универсального индуктора не существует, очень важно понимать параметры каждого индуктора, а также взаимосвязь между различными параметрами. Это может помочь разработчикам определить, как индуктор будет работать в конкретном приложении постоянного/постоянного тока, а также помочь в выборе индуктора при рассмотрении полуэкранированных индукторов MPS и формованных индукторов.
_______________________ Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц!Технический форум
Получить техническую поддержку
Понимание роли катушек индуктивности в силовой электронике
- Новостная рассылка
- Белая бумага
- Вебинары
Откройте для себя PCIM Europe
- Продукты и приложения
- Новости отрасли
- Исследования и разработки
- Инструменты и программное обеспечение
- Эксперты
- Услуги
Обновлено 21.04.2023 От Люк Джеймс
Связанные поставщики
Koki Deutschland Niederlassung KOKI Europe A/S EA Elektro-Automatik GmbH & Co. KG Диотек Полупроводник АГ РОМ Полупроводник ГмбХОдним из самых малоизвестных компонентов силовой электроники является индуктор: подобная катушке структура, которую вы найдете в большинстве схем. Именно благодаря этим и их свойствам работают трансформаторы и другие схемы силовой электроники.
Что такое катушки индуктивности, как они устроены и какие бывают типы?(Источник: gemeinfrei / Pixabay)
Катушки индуктивности обычно используются в качестве накопителей энергии в импульсных силовых устройствах для получения постоянного тока. Катушка индуктивности, которая накапливает энергию, подает энергию в цепь для поддержания протекания тока в периоды «выключения», тем самым обеспечивая топографии, в которых выходное напряжение превышает входное напряжение.
Из-за того, как они работают — изменяя не только электрическое поле, но и окружающее его магнитное поле — многим людям трудно их понять.
Что такое индуктор?
Катушка индуктивности, также известная как дроссель или катушка, возможно, является самым простым из всех электронных компонентов. Это пассивный двухконтактный электрический компонент, который накапливает энергию в магнитном поле, когда через него протекает электрический ток. Как правило, катушка индуктивности состоит из изолированного провода, намотанного на катушку, как резистор. Этот дизайн был основан на обширных методах проб и ошибок, в которых учитывались такие методы, как кривые Ханны и произведение площади.
Когда ток, протекающий через катушку, изменяется, изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует напряжение в проводнике с полярностью, противодействующей изменению тока, который его создал. Таким образом, катушки индуктивности противодействуют любым изменениям тока, проходящего через них.
Индуцированное магнитное поле также индуцирует электрическое свойство, известное как индуктивность — отношение напряжения к скорости изменения тока. Индуктивность определяет количество энергии, которую катушка индуктивности способна хранить.
Конструкция индуктора и основные компоненты
Конструкция индуктора определяется электрическими, механическими и тепловыми требованиями данного приложения. Как правило, это включает:
- Выбор материала сердечника
- Выбор формы и размера сердечника
- Выбор провода обмотки
затем покрываются слоями изоляционного полимерного материала. Обмотка может иметь различную форму, в том числе круглую, прямоугольную фольгу и квадратное сечение. Магнитный провод выбран для ограничения и направления магнитных полей, и он изолирован, чтобы предотвратить такие проблемы, как короткие замыкания и поломки.
Символ катушки индуктивности
При разработке схемы электронной цепи очень важно использовать соответствующие электронные символы, которые указывают точное расположение соответствующего электронного компонента и поясняют, как электрическая цепь взаимосвязана.
Стандартный схематический символ катушки индуктивности показан на рис. 1. В дополнение к представлению с помощью символов электронных схем также существует возможность четкой идентификации электронных компонентов с помощью условных обозначений. Катушка индуктивности обозначается буквой «L».
Рисунок 1. Схематическое обозначение катушки индуктивности.
(Источник: Akilaa — Wikimedia Commons)
Различные типы катушек индуктивности
Различные приложения требуют разных типов катушек индуктивности. Почти во всех случаях вы обнаружите, что индуктор в системе формируется вокруг материала сердечника — обычно железа или соединений железа — для поддержки создания сильного магнитного поля.
Катушки индуктивности с железным сердечником
Рис. 2. Катушка индуктивности с железным сердечником производства Jantzen Audio для аудиоприложений.
(Источник: Hifi Collective)
Железо является классическим и наиболее узнаваемым магнитным материалом, что делает его идеальным выбором для использования в индукторах.
Как и выше, железо в индукторах имеет форму железного сердечника. Они обычно используются для фильтрации низкочастотных линий из-за их относительно больших индуктивностей. Они также широко используются в звуковом оборудовании. Однако катушки индуктивности не всегда должны иметь железный сердечник.
Катушки индуктивности с воздушным сердечником
Рис. 3. Катушка индуктивности с воздушным сердечником производства Wurth Elektronik.
(Источник: Farnell)
Как следует из названия, индукторы с воздушным сердечником не имеют сердечника — сердечник находится на открытом воздухе. Поскольку воздух имеет низкую проницаемость, индуктивность индукторов с воздушным сердечником очень мала. Это означает, что скорость нарастания тока относительно высока для приложенного напряжения, что делает их способными работать с высокими частотами, характерными для таких приложений, как радиочастотные цепи.
Катушки индуктивности с ферритовым сердечником
Рис.
4. Катушка индуктивности с ферритовым сердечником производства Wurth Elektronik.
(Источник: RS Components)
Феррит представляет собой керамический материал, изготовленный путем смешивания и обжига оксида железа (III) с добавлением небольшого количества одного или нескольких дополнительных металлических элементов, таких как никель и цинк. При использовании в катушках индуктивности ферритовый порошок смешивают с эпоксидной смолой и формуют, чтобы сформировать сердечник, вокруг которого можно намотать магнитный провод. Ферритовые индукторы являются наиболее широко используемым типом, поскольку их проницаемость можно точно контролировать, регулируя соотношение феррита и эпоксидной смолы.
Практическое применение катушек индуктивности
Катушки индуктивности из-за того, что для их изготовления используются материалы из меди и железа, как правило, дороги. Это относит большинство их вариантов использования к приложениям в областях, где такие расходы могут быть оправданы, например, к телекоммуникационному оборудованию, радио и источникам питания.
