5.3 Катушки индуктивности и дроссели

Катушки индуктивности – это пассивные компоненты, предназначенные для накопления энергии в магнитном поле, и состоящие из проводов, уложенных в обмотки, внутрь которых обычно помещен магнитопровод.

Магнитопроводы, выполненные из ферромагнетиков, используют для увеличения индуктивности катушек, а выполненные из диамагнетиков уменьшают их индуктивность.

Обмотки катушек индуктивности выполняют проводами круглого или прямоугольного сечений, а обмотки некоторых мощных высокочастотных катушек – медными или посеребрёнными лентами. Катушки индуктивности без магнитопроводов и с магнитопроводами из диамагнетиков применяют только при протекании по обмоткам токов высокой частоты.

Рисунок 17 – Катушки индуктивности

Для расчёта индуктивности однослойной катушки цилиндрической формы без магнитопровода при укладке провода виток к витку можно применить следующую формулу:

где d – внешний диаметр обмотки, мм;

W – число витков обмотки;

ℓ – длина обмотки, мм.

Число витков такой катушки индуктивности определим согласно выражению:

Индуктивность тороидальной катушки без магнитопровода найдём по формуле:

где b – диаметр одного полного витка (или, то же самое, диаметр поперечного сечения катушки), мм;

D – усреднённый диаметр тора, мм.

Дроссели пульсирующего тока – это катушки индуктивности, предназначенные для пропускания постоянной составляющей тока и задерживания его переменной составляющей. Такие дроссели используют, например, в фильтрах постоянного напряжения источников питания.

Рисунок 18 – Дроссели

Дроссели переменного тока нужны для создания индуктивного сопротивления в цепях, по которым протекает сугубо переменный ток. Эти дроссели применяют, например, в качестве компонентов колебательных систем резонансных и квазирезонансных импульсных источников питания. На пути протекания магнитных потоков в сердечники описываемых дросселей часто вводят немагнитные зазоры, благодаря которым по обмоткам дросселей можно пропускать большие токи без вхождения магнитопроводов в насыщение.

5.4 Трансформаторы и пьезотрансформаторы

Трансформаторами называют статические компоненты, предназначенные для преобразования электрической энергии одной величины в электрическую энергию другой величины. Трансформация возможна только переменного напряжения. Конструктивно трансформаторы имеют магнитопроводы, на которые укладывают провода обмоток. Типы и марки магнитопроводов выбирают в зависимости от частоты, заданного температурного диапазона, скважности и прочего.

Магнитопроводы высокочастотных трансформаторов изготавливают обычно из ферритов, низкочастотных – из трансформаторных сталей и пермаллоев. Для обеспечения высокого напряжения пробоя между обмотками прокладывают изоляцию. Ту обмотку двухобмоточного трансформатора, на которую подают напряжение, называют первичной, а ту, с которой снимают напряжение, – вторичной. Если переменное напряжение на первичной обмотке меньше, чем напряжение на вторичной обмотке, то такой трансформатор называют повышающим. А если наоборот – то называют понижающим. Если часть энергии из первичной обмотки поступает во вторичную обмотку не через магнитную цепь, а по электрическому соединению, то имеем дело с автотрансформатором.

Рисунок 19 – Типовой трансформатор питания

Различают сигнальные трансформаторы и трансформаторы питания. Сигнальные трансформаторы предназначены для передачи сигналов с минимальными искажениями. Бывает, что сигнальные трансформаторы задействуют для гальванической развязки цепей. Трансформаторы питания нужны в устройствах, обеспечивающих электропитание аппаратуры, которая по каким-либо причинам не может быть подключена непосредственно к питающей сети, например, ввиду несоответствия величин напряжений.

Рисунок 20 – Принцип работы трансформатора и схема электрическая

Промышленность также выпускает пьезотрансформаторы. Эти компоненты не имеют обмоток, а их принцип действия основан на использовании пьезоэффекта.

Схематически устройство пьезотрансформатора изображено на рисунке21, поясняющем, что он представляет собой пьезоэлектрический преобразователь в виде четырехполюсника, имеющего только электрические вход и выход.

Рисунок 21 - Пьезоэлектрический трансформатор. Принцип действия

Действие пьезотрансформатора основано на использовании как прямого, так и обратного пьезоэффектов. Электрическое напряжение, приложенное к входным электродам пьезотрансформатора, в результате обратного пьезоэффекта вызывает деформацию всего объёма пьезоэлектрика и на выходных электродах возникает электрическое (вторичное) напряжение как следствие прямого пьезоэффекта. В пьезотрансформаторе происходит как бы двойное преобразование энергии - электрической в механическую, а затем механической в электрическую. Как и электромагнитный трансформатор, пьезотрансформатор используют для преобразования электрического напряжения. Подбором размеров электродов и их расположения можно получать различные значения коэффициента трансформации. Пьезотрансформаторы обычно используют в резонансном режиме, при котором достигаются большие значения коэффициента трансформации (порядка нескольких сотен). Пьезотрансформаторы используют в высоковольтных источниках вторичного электропитания.

Пьезотрансформатор состоит из кристалла вещества обладающего пьезоэффектом, в который вожжены серебряные электроды, способные к обратимым механическим деформациям под влиянием на него электрического поля. К таким веществам относят титанат бария, кварц, турмалин и прочие. Пьезотрансформаторы могут функционировать в узкой полосе частот, на которой можно наблюдать резонансные явления. Крепление пьезотрансформаторов осуществляют мягкими кронштейнами или скобами в тех местах, в которых амплитуда изгиба пьезопластин минимальна. Наибольшая мощность пьезотрансформаторов обычно не велика и часто составляет всего от 5Вт до 30Вт.