Сегодня дроссель можно встретить практически в любом электронном приборе. Форма его бывает самой разной — от колечка до «кубика» и цилиндра. Что это за прибор и для чего он нужен? Давайте попробуем разобраться в этом вопросе.
Конструкция
Конструктивно дроссель представляет собой катушку из медного провода, намотанную на магнитопроницаемом сердечнике. Сердечник, как было замечено выше, может иметь самую разную форму – от кольца (тора) до стержня и обычного Ш-образного набора пластин. Все зависит от назначения и желаемых характеристик.
На заметку. Как вы видите из фото, дроссель может и не иметь сердечника.
Принцип
Независимо от конструкции все дроссели обладают одним уникальным свойством. Они по-разному себя ведут в цепях постоянного и переменного тока той или иной частоты. Давайте рассмотрим его поведение в зависимости от рода тока.
Постоянный
Включаем дроссель в цепь постоянного тока. В начальный момент происходит создание магнитного поля вокруг прибора. Сейчас ток через дроссель практически не течет – вся энергия расходуется на образование этого поля.
Величина и время формирования этого поля зависит от индуктивности самого дросселя и приложенного к нему напряжения. Как только поле будет сформировано, через обмотку начнет течь ток как через обычный проводник с учетом его сопротивления, которое, как правило, минимально. Этот ток можно легко рассчитать по закону господина Ома: I = U/R, где:
- I – ток;
- U – приложенное напряжение;
- R – активное сопротивление обмотки дросселя.
Поле будет продолжать поддерживаться, но на протекание тока влияния практически не оказывать. Таким образом, при постоянном токе дроссель будет себя вести как обычный проводник с тем или иным активным сопротивлением (зависит от количества витков, диаметра провода и его материала). По сути – кусок провода.
Переменный
При включении дросселя в цепь переменного тока картина кардинально меняется. В первый момент происходит все так же, как и в цепи постоянного тока – идет формирование магнитного поля, тока в цепи нет.
Поле сформировано, ток потек, но тут напряжение меняет свою полярность – оно ведь переменное. Напряжение противоположной полярности, приложенное к выводам дросселя, начинает в буквальном смысле убивать созданное ранее поле и формировать другое, с обратным знаком. На все это требуется энергия. И пока поле с обратным знаком не будет сформировано, тока в цепи не будет. Вот она, главная «зарытая собака». При переменном токе поле будет постоянно «обновляться», меняя свой знак, и на время задерживая прохождение тока в цепи.
То есть средний ток в цепи переменного тока упадет, теряя время и энергию на «перезарядку» поля. Если частота низкая, то поле сформируется до начала смены полярности и какое-то время ток в цепи появится. Потом при смене полярности ток опять обратится в ноль – вся энергия пойдет на гашение существующего и формирование противоположного поля.
В результате средний ток через дроссель упадет. И величина этого падения будет зависеть от частоты напряжения в цепи и, что очень важно, от индуктивности (читай количества витков, марки материала сердечника или его наличия) самого дросселя. Делаем главный вывод: чем выше частота, тем меньше времени останется на протекание тока, а значит, при увеличении частоты будет падать ток.
Важно! Рассчитать такой ток по закону Ома уже не удастся, поскольку сопротивление дросселя переменному току является реактивным, которое, как было сказано выше, зависит от индуктивности дросселя и частоты приложенного напряжения.
Итак, мы выяснили, что любой дроссель имеет относительно малое активное и большое реактивное сопротивление. Но это еще не все.
Самоиндукция
Еще одно интересное свойство. В некоторых случаях оно бывает полезным, но чаще с этим явлением борются. Соберем схему из параллельно соединенных дросселя и лампы. Подадим на цепь постоянное напряжение. Лампа загорится, вокруг дросселя будет создано электромагнитное поле. Ток, протекающий через лампочку и дроссель, отмечены стрелками.
Размыкаем ключ, снимая с цепи напряжение. Магнитное поле, образованное дросселем, начинает превращаться обратно в ток, который течет через лампу, и она еще некоторое время будет гореть. Правда, ток через нее будет течь в обратном направлении. Этот эффект называется самоиндукцией. Причем величина напряжения при таком эффекте может превышать номинальное напряжение питания цепи в десятки раз и без проблем выведет из строя в нашем случае лампу.
Именно из-за этого эффекта вы можете увидеть на большинстве электрических схем обмотку реле, зашунтированную диодом. На фрагменте схемы, представленном ниже, диод спасает транзисторный ключ от пробоя напряжением самоиндукции обмотки электромагнитного реле в момент его отключения.
Сфера применения
Где же можно использовать такой прибор с достаточно уникальными свойствами – разными активным и реактивным сопротивлениями? Вариантов, где без дросселя не обойтись, множество. Кратенько рассмотрим основные, но не единственные.
Фильтр помех по питанию
Если мы возьмем дроссель с относительно небольшой индуктивностью, то на частоте сетевого напряжения (50 Гц) сопротивление его будет невелико. Включим прибор в цепь питания любого электронного устройства, и оно получит полноценное и достаточное для работы напряжение. Но вот появилась проблема.
К примеру, сосед включил мощный насос. В сети появился высоковольтный выброс. Короткий, но нашему прибору сгореть хватит. Но у нас на страже стоит дроссель. Он тут же начнет этот выброс преобразовывать в магнитное поле и не пропустит его к оборудованию. Так что выброс иссякнет, прежде чем дроссель «насытится» и пропустит его дальше. Такие фильтры сегодня, скорее правило, чем исключение.
Важно! Выброс напряжения по питанию может произойти при включении и работе любого электроприбора. Кофейник, пылесос, холодильник и даже плойка. То есть выбросы напряжения по питающей сети дело постоянное, просто мы на это не обращаем внимания.
Еще один вариант — выход блока питания. Сегодня, как правило, используются импульсные блоки питания. Они работают на достаточно высокой частоте — порядка десятков и сотен килогерц. Все это дело выпрямляется высокочастотными диодами и сглаживается классически — электролитическими конденсаторами. Но на таких частотах весь этот тандем себя оправдывает не целиком. Часто высокие частоты «просачиваются» и поступают в электронику. Выход — дроссель, настроенный на частоту преобразования блока питания. Он погасит все, с чем не справился «электролит».
Фильтр помех
Все включения/переключения оборудования тоже вызывают выбросы напряжения. К примеру, активация жесткого диска в ПК или подключение тюнера к телевизору. Вариантов множество, эти не единственные. И тут нас спасает дроссель. Видели такое? Если нет, посмотрите.
Внутри этого цилиндрика ферритовое кольцо с катушкой — наш старый знакомый. Он настроен на подавление коротких импульсов, способных сбить с толку монитор, принтер и любое подобное чувствительное оборудование.
Фильтр НЧ
Практически каждый из нас владел или владеет акустическими системами (АС), в простонародье именуемыми колонками. Обычно в колонках высокого качества используется несколько громкоговорителей — низкой частоты (НЧ), средней (СЧ) и высокой (ВЧ). Это обеспечивает высокую верность воспроизведения и линейность звукового давления во всем звуковом диапазоне. Но для того чтобы низкочастотный динамик работал без искажений и не перегружался, на него нужно подавать только низкочастотную составляющую звукового сигнала. То же касается средне- и высокочастотных динамиков.
Обрезать низкие частоты достаточно просто при помощи обычного конденсатора соответствующей емкости. А вот конденсаторами с обрезкой ВЧ справиться сложно. Но у нас есть дроссель. Настраиваем его на нужную частоту среза, и дело сделано без особых затрат. На фото ниже приведена схема трехполосной АС:
Здесь, как мы видим, низкочастотный динамик питается через дроссель, который обрезает высокочастотную составляющую звукового сигнала, подавая на динамик только НЧ.
На заметку. СЧ и ВЧ динамики питаются через конденсаторные фильтры, срезающие низкие частоты.
Балласт
Все газоразрядные лампы тоже не обходятся без дросселя. Его задача — ограничить ток, чтобы разряд в колбе лампы не перешел в дуговой. Увидеть его можно как в люминесцентных лампах тлеющего разряда, так и в дуговых ртутных. Вы его наверняка видели сами, если разбирали такие светильники. Эти дроссели называют электромагнитным балластом.
Принцип работы такого балласта все тот же — использование его реактивного сопротивления. Проявляющегося в цепях переменного тока. Подбирая индуктивность дросселя, можно ограничить ток до величины, необходимой для работы лампы.
Важно! В настоящее время вместо электромагнитных пускорегулирующих аппаратов (ЭмПРА) — дросселей — используются их электронные аналоги – электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА). Они более сложны в схемотехнике, дороже своих электромагнитных собратьев, но имеют более высокий КПД и существенно уменьшают пульсации светового потока.
Можно, конечно, для этих целей использовать обычный резистор, но, во-первых, его мощность, а значит, и габариты, будут весьма внушительными. Во-вторых, на таком «токоограничителе» будет рассеиваться большая мощность, практически равная мощности лампы, а это лишняя трата энергии, существенно снижающая КПД светильника. Ну и, в-третьих, резистор будет сильно нагреваться, а это снижает пожаробезопасность.
Преобразователь напряжения
Очень часто бывает необходимым повышение или понижение постоянного напряжения. В обоих случаях используется принцип самоиндукции. Но в зависимости от поставленных задач дроссель включается по-разному.
Понижение
Взглянем на структурную схему понижающего преобразователя.
При замыкании ключа S1 начинается создание магнитного поля вокруг катушки дросселя L1. Диод VD1 при этом заперт. Размыкаем ключ — магнитная энергия, запасенная в дросселе, путем самоиндукции преобразуется обратно в электрическую и через открывшийся диод поступает в нагрузку, попутно проходя через сглаживающий фильтр, собранный на конденсаторе С1.
Регулируя время открытия ключа и индуктивность дросселя можно изменять величину выходного напряжения в очень широких пределах — от единиц до десятков и даже сотен вольт.
Повышение
Здесь дроссель и диод включены немного по-другому.
При замыкании ключа дроссель запасает энергию в магнитном поле. В это время диод VD1 заперт и не дает разрядиться накопительному конденсатору С1 через ключ. Как только мы разомкнем ключ, магнитное поле начнет превращаться в напряжение.
При этом напряжение самоиндукции сложится с питающим, и на накопительном конденсаторе появится напряжение, превышающее входное. Поскольку напряжение самоиндукции дросселя (об этом мы писали выше) может превышать питающее в разы, на выходе мы можем получить напряжение, существенно превышающее входное.
Вот вроде и все об этом интересном и очень полезном приборе. Теперь вы знаете, как он работает и где используется.
Автор — Владимир Остапенко.
23 апр в 8:33
