Разберём одно устройство, физические свойства которого не перестают постоянно меня удивлять. Рассмотрим, как работает дроссель или катушка индуктивности. Также разберём её области применения.
При чём здесь трубопровод?
Большинство учебников описывают работу катушки индуктивности с позиций электротехники. Разумеется, что такое изложение будет вызывать некоторые трудности у читателя, который мало знаком с этим предметом. Поэтому мы будем использовать более понятный и наглядный пример.
Рассмотрим работу дросселя на примере насоса, который качает воду в замкнутом трубопроводе. Насос будет эквивалентен источнику тока (гальваническому элементу) в электрической цепи.
Теперь, допустим, что трубопровод разделён на две ветки. На одной из этих веток установлен редуктор, который будет затруднять движение воды. Он будет эквивалентен электрическому сопротивлению в цепи.
На другой ветке трубопровода установлено массивное водяное колесо. Вода, проходя через колесо, будет стараться его раскрутить, однако, колесо массивное и, конечно же, будет этому препятствовать.
Потребуется некоторое время, необходимое для набора колесом скорости. Это колесо будет эквивалентно индуктору в электрической цепи.
Разумеется, что поступление воды должно быть постоянным. По мере движения вода достигнет развилки и пойдёт по пути наименьшего сопротивления, то есть через редуктор.
Через колесо вода также пойдёт, но для раскручивания колеса потребуется больше времени. После того как колесо раскрутится и достигнет максимально возможной скорости, оно не почти будет оказывать сопротивление потоку воды. Значит, через колесо вода будет протекать намного легче, чем через редуктор.
Теперь, допустим, что насос отключился. Хотя насос не будет качать воду, водяное колесо продолжит вращаться по инерции. Таким образом, колесо будет выполнять функцию насоса некоторое время.
Получается, что при кратковременном включении и отключении подачи воды, колесо будет придерживать поток воды в течение некоторого времени.
Электрическая цепь
Похожая ситуация наблюдается, если в электрическую цепь будет параллельно резистивной нагрузке, например, электрической лампе накаливания, будет подключён индуктивность или дроссель (индуктор).
Дроссель, по сути, представляет самую обычную медную катушку, которая намотана вокруг ферритового или стального сердечника. Также дроссель может и не иметь сердечника.
Электрический ток, в данном случае, также будет проходить по пути наименьшего сопротивления. То есть, почти весь ток пройдёт через лампу.
Через индуктивность также будет проходить ток, но его сила будет намного меньше. Это объясняется тем, что сопротивление катушки индуктивности вначале будет большим.
После некоторого периода времени сопротивление индуктора уменьшится настолько, что почти весь ток, будет протекать через катушку. Соответственно, лампа накаливания почти перестанет светиться.
Допустим, что электрическая цепь внезапно разрывается. Индуктивная катушка продолжит выдавать ток некоторое время. При этом лампа будет светиться.
Откуда берётся ток?
Почему же так происходит? Когда через проводник протекает электрический ток, он создаёт магнитное поле. Разумеется, что для создания магнитного поля требуется энергия.
Если проводник намотать на катушку, то каждый виток будет создавать своё магнитное поле.
В катушке индуктивности эти поля объединяются и создают одно общее, более мощное поле.
Во время нарастания магнитного поля, течение электрического тока несколько приостанавливается. После того как, магнитное поле создано и достигло своего максимального значения, сопротивление снижается, и ток продолжает течь дальше.
Получается, что магнитное поле в катушке накапливается. Если подача электричества прерывается, то накопленное магнитное поле некоторое время будет продолжать толкать электроны.
Применение индуктивности
Когда происходит резкое увеличение напряжения на входе в дроссель, сила тока в нём также увеличивается. Это приводит к увеличению магнитного поля, которое, в свою очередь, приводит к запаздыванию увеличения напряжения, так как энергия будет тратиться на создание более мощного магнитного поля.
При непродолжительном, импульсном скачке, происходит его полное поглощение дросселем. На выходе мы получаем ровное напряжение. Это свойство используется в сетевых фильтрах или в фильтрах питания.
Дроссель подавляет высокочастотные скачки напряжения или как принято говорить – помехи.
Величина магнитного поля дросселя к протекающей по нему силе тока называется индуктивностью. Данная величина измеряется в Генри (Гн). То есть, чем выше индуктивность, тем больше требуется времени для насыщения дросселя при одинаковой величине тока.
Величина индуктивности зависит от числа витков в катушке. При этом если в катушку добавить сердечник, что величина индуктивности резко возрастёт.
Кстати говоря, при достаточно большой индуктивности и высокой частоте переменного тока, не будет происходить насыщения магнитного поля. В этом случае дроссель не будет пропускать такой ток.
Область применения дросселя очень велика:
- Дроссели используются в повышающих и понижающих преобразователях.
- Дроссели применяют для ограничения переменного тока.
- Дроссели используют для разделения различных частот.
Работа понижающего преобразователя
Как работает понижающий DC-DC преобразователь?
На дроссель поступают импульсы от транзистора линии питания. Разберём движение одного импульса.
Проходящий импульс будет настолько коротким, что магнитное поле дросселя не успеет насытиться до максимального значения. После подачи импульса электрическая цепь будет перестроена и дроссель уже будет выступать в роли источника тока.
Таким образом, поскольку дроссель не был намагничен полностью, то на выходе мы получим импульс меньшего напряжения, чем он был на входе.
Увеличивая и уменьшая продолжительность импульса, можно регулировать выходное напряжение. Такой цикл может многократно повторяться, например, тысячи или миллионы раз в секунду. Затем пульсирующий ток сглаживается и поступает на нагрузку.
Повышение напряжения
Что же может произойти, если насыщенный дроссель будет резко отключён от электрической цепи? В таком случае он будет стремиться отдать свой заряд настолько, что при размыкании цепи, на концах такого коммутационного аппарата будет появляться повышенное напряжение.
Если электрическую цепь размыкать и замыкать в такой момент, например, при помощи транзистора, то можно снимать высокое напряжение.
Заключение
В этой статье автор попытался наиболее простым способом объяснить принцип работы дросселя и некоторых устройств, которые в своей работе его используют. Разумеется, что написать понятно для всех весьма непросто, поэтому, если будут вопросы, прошу задавать их в комментариях.