Дроссели, обычно, отличаются большими размерами от своих моточных «собратьев», хотя есть и SMD варианты, как и плёночные в составе микросборок. Впрочем, дроссель – это тоже катушка индуктивности, объединённая в отдельную группу, свойства которой нам предстоит разобрать. Катушки же индуктивности представляют сложность не так в намотке, как в последующей её настройке. В этом и есть их основное отличие, так как для дросселей точный параметр индуктивности некритичен.
Определение и свойства катушек индуктивности
Катушка индуктивности – это изолированный провод, намотанный на каркасе либо на оправе с последующим скреплением или проклейкой. Тип намотки может быть:
- Спиральным;
- Виток к витку в 1 ряд или в несколько рядов;
- В навал в 1 катушку или секциями.
В состав катушки индуктивности (и дросселя тоже) может входить сердечник, ось которого размещена почти перпендикулярно направлению намотки провода. Материал сердечников изготавливают из магнитных материалов для повышения основного их параметра – индуктивности. Если катушка не содержит сердечника, то считается, что она имеет его воздушным. Её расчёт можно сделать с помощью онлайн-калькулятора или по формулам.
Для точной подстройки индуктивности могут использоваться сердечники из немагнитных цветных металлов (алюминий, латунь, медь и др.). Введение такого сердечника в катушку снижает или увеличивает в незначительной степени индуктивность. Но пропорционально ей падает добротность. Этот параметр определяет отношение индуктивного сопротивления к активному. Он линейно увеличивается с ростом частоты и приходит к максимальному значению на частоте собственного резонанса.
Активное сопротивление провода, а значит и общая добротность катушки, повышается уменьшением удельного сопротивления проводника, путём увеличения толщины провода или использованием материала с лучшей проводимостью. Для медного провода это достигается покрытием его поверхности металлом с лучшей проводимостью, серебрением.
Влияние формы катушки на её параметры
Индуктивность пропорционально зависит от количества витков. Она ещё может быть различной из-за формы катушки и типа её намотки. Также индуктивность не зависит от толщины провода, насколько это позволяют геометрические размеры. На неё влияют такие факторы:
- Сжатие спиральной катушки – увеличивает индуктивность. Поэтому, катушка, намотанная виток к витку, имеет максимальное её значение;
- Увеличение радиуса окружности витков уменьшает их индуктивность;
- Увеличение длины намотки катушки снижает её индуктивность, но при многослойной намотке этот параметр ограничивается неизбежным увеличением радиуса витков.
А вот намотка виток к витку практически не влияет на итоговую индуктивность. Но снижает паразитную межвитковую ёмкость катушки. Если однослойная катушка имеет минимальную паразитную ёмкость, то многослойная за счёт межрядных ёмкостей – максимальную. Меньшей паразитной ёмкостью, в таком случае, будет обладать катушка с увеличенной толщиной межрядной изоляционной прослойки. Также незначительно уменьшит намотка в навал.
Впрочем, лучшими параметрами в этом плане обладает катушка, намотанная секциями, укладка проводов в которых ведётся в навал. В этом случае паразитные ёмкости получаются подключенными последовательно.
Катушка индуктивности с сердечником
Если магнитная проницаемость сердечника больше воздуха (1,25663753×10ˉ⁶ Гн/м), то его ввод во внутреннее отверстие катушки будет увеличивать её индуктивность. Некоторые материалы обладают значением этого параметра не на один порядок больше, чем у воздуха. Индуктивность L, в Генри, может примерно рассчитываться по формуле:
L=N²μₑS/ι,
Где:
- N – число витков;
- μₑ – абсолютная магнитная проницаемость μ/μ₀;
- S – площадь сечения, для круглых сердечников определяется по формуле πr², где r – радиус цилиндра сердечника, мм²;
- ι – длина катушки, мм.
При этом, сердечник должен быть максимально вставлен в катушку, т.е. его половина длины расположена на уровне середины катушки. Для некоторых материалов представлена таблица параметра μₑ (второй столбец).
Дроссели и их разновидности
Дросселями (от немецкого слова drosseln – означающего глушить или подавлять) называют катушки индуктивности, использующиеся для ослабления помех, также высокочастотных составляющих либо их выделения. Вообще-то, все они применяются для таких основных целей:
- Подавление помех;
- Сглаживание пульсаций;
- Развязка высокочастотных сигналов от низкочастотных или постоянного тока;
- Накопление энергии для последующего преобразования напряжения;
- Индукционные ограничители — изменяют индукционное сопротивление путём регулировки тока подмагничивания.
Безвитковой дроссель – это провод, вставленный в ферритовое кольцо или трубку из марганец-цинкового или никель-цинкового феррита. Индуктивность в этом случае рассчитывается при N=1(Исп. формулу L=N²μₑS/ι). Он представляет затухание 10 – 15 дБ на частотах выше 0,1 МГц.
Дроссели фильтров переменного тока – это индуктивные сопротивления, состоящие из LR- или LC-контуров. Находятся в широком диапазоне индуктивности и максимального тока. Чаще всего эти устройства работают с постоянным напряжением. В этом случае, также если сердечник имеет замкнутое кольцо магнитной индукции, то требуется наличие в нем немагнитного зазора. Ещё дроссели фильтров переменной составляющей, обычно, имеют 1 катушку без отводов. Переменному току, скачкам и импульсам они оказывают большое сопротивление, которое растёт с увеличением частоты. А постоянному току и низкочастотной составляющей их сопротивление состоит, в основном, из резистивных параметров обмотки.
Сглаживающие дроссели – предназначаются для фильтрации постоянного напряжения от помех и составляющих выпрямленного напряжения. Это разновидность предыдущей категории, но имеющие более узкое направление. Они пользовались широким распространением в выпрямителях напряжения для ламповых каскадов, обладая лучшими свойствами, чем резисторы. Понятно, что применение немагнитного зазора в них обязательно.
В современных импульсных блоках питания сглаживающие дроссели выполняют почти незаменимую роль фильтров с высокой экономичностью. Они могут не только подавлять скачки тока, но и восполнять энергией систему во время его спада. Резисторы или активные элементы, в том числе и интегральные компоненты, не обладают подобными свойствами. Они расходуют погашенную энергию на тепловыделение. Это не только снижает экономичность подобной топологии, но и усугубляет проблемы с теплоотводом.
Синфазные дроссели – это 2 одинаковые обмотки, намотанные на общем магнитопроводе (сердечнике), которые используются для подавления помех в дифференциальных линиях передачи данных и цепях электропитания. О них подробнее рассказано в нашей прошлой публикации.
Дроссели насыщения – это, в основном, двухобмоточные приборы, сердечники которых не имеют магнитного зазора. Управляющая обмотка включается в цепь постоянного тока, которым регулируется индуктивное сопротивление рабочей обмотки. При этом изменения не могут быть резкими, они носят больше синусоидальный характер.
Дроссели для преобразователей напряжения – это экономичные конвертеры питания. С их помощью возможно изменение напряжения в сторону:
- Повышения;
- Понижения;
- Изменения полярности.
Дроссели, которые выполняют функции автотрансформаторов или трансформаторов ещё называют многообмоточными. Они могут создавать несколько линий или полюсов напряжения. Простой способ повышения напряжения для питания светодиода от 1 элемента гальванического реализован с помощью такого дросселя. Схема изображена на картинке, дроссель содержит от 20 до 200 витков провода 0,1 – 0,5 мм² в зависимости от типа сердечника. Настройку под имеющийся гальванический элемент и светодиод или матрицу делают экспериментально с измерениями параметров.
Впрочем, можно взять готовый дроссель. Подбором резистора R1 устанавливают оптимальный ток покоя транзисторов. С1 – от него и индуктивности дросселя зависит частота преобразования, с её повышением до определённого значения светодиод начинает греться и хуже светиться.
Зачем нужен немагнитный зазор в сердечнике?
В чашеобразных и сердечниках, также в прямоугольных или типа Е с замыкающей магнитный поток перекладиной часто применяют немагнитный зазор. Даже несмотря на то, что он в значительной степени уменьшает индуктивность, его всё равно используют в компактной аппаратуре.
В сердечниках с замкнутым магнитопроводом порог его насыщения с введением зазора значительно отодвигается. Таким образом, он не входит в насыщение от воздействия постоянного тока, которым сердечник намагничивается и становится постоянным магнитом. При этом импульсные токи могут быть намного большими.
А вот в работе с симметрично-противоположными токами зазор не просто не нужен, а даже вреден. Поэтому, в преобразователях напряжения, для увеличения компактности, лучше использовать трансформатор с двухплечевой первичной обмоткой. Введение дополнительного ключа, при определённой топологии, может меньше повлиять на габариты, чем использование дросселя с зазором в сердечнике. Чего не скажешь о себестоимости.
В этом, кстати и «халтурят» некоторые китайские фирмы. Они даже в кольцевые сердечники вводят зазор с помощью прорези и заполнения её клеем. Потом это «чучело» устанавливают в платы, разработанные для двухплечевых преобразователей. Таким образом им удаётся снизить стоимость и привлечь покупателей.
Впрочем, устанавливать вместо электронных компонентов перемычки, где потребуется, многие специалисты. Хорошо, если вместо синфазного дросселя не пожалеют резистора с конденсатором, это всё же лучше, чем полное их отсутствие.
