Лабораторная работа №3

Экспериментальное определение параметров процесса заряда и разряда катушки индуктивности

1. Целью лабораторной работы является:

1.1 Экспериментальное определение временных соотношений между токами и напряжениями в процессе заряда-разряда реальных катушек индуктивности

1.2. Экспериментальное определение соответствия экспериментальных осциллограмм теоретическим представлениям процесса заряда-разряда катушек индуктивности

2. Содержание работы

Содержанием практической части работы является экспериментальное определение временных соотношений между токами и напряжениями в процессе заряда-разряда реальных катушки индуктивности, а также экспериментальное определение соответствия экспериментальных осциллограмм теоретическим представлениям процесса заряда-разряда реальных катушек индуктивности

Выполнение лабораторной работы проводится на ПЭВМ с использованием прикладных программ «EWB5.12» или «Micro-CaP8».

Правила безопасности при выполнении лабораторной работы являются типовыми.

2 Краткие теоретические сведения

2.1 Определение катушки индуктивности

Невозможно себе представить многие виды радиоэлектронной аппаратуры без индуктивных компонентов - дросселей различного назначения и катушек индуктивности. Особенно ши­роко они применяются в источниках вторичного электропитания и в устройствах для телекоммуника­ций. Однако они гораздо реже применяются в радиоаппаратуре, чем резисторы и конденсаторы.

Катушка индуктивности - это индуктивная катушка, являющаяся элементом колебательного контура и предназначенная для использования её добротности согласно ГОСТ 20718-75 «Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения».

Согласно ГОСТ Р 52002-2003 предусмотрены следующие термины и определения, касающиеся индуктивных катушек.

Индуктивная катушка - это элемент электрической цепи, предназначенный для использования его собственной индуктив­ности и (или) его магнитного поля.

Элемент электрической цепи – это отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи, выполняющее в ней определен­ную функцию, например, проводник.

Собственная индуктивность - это скалярная величина, равная отношению потокосцепления самоиндукции элемента электрической цепи к электрическому току в нем

.

Потокосцепление – это сумма магнитных потоков , сцепленных с - ми элементами контура электрической цепи

,

например, сумма магнитных потоков от разных участков проводника.

_{Магнитный поток показывает, какое количество линий магнитной индукции пронизывает данный контур. Магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля и определяется как сила, с которой магнитное поле действует на движущийся положительный единичный заряд.}

Потокосцепление самоиндукции – это потокосцепление элемента электрической цепи, обусловленное электрическим током в этом элементе.

Основным элементом индуктивных катушек является токопровод. Величина индуктивности определяется конструкцией токопровода и его размерами. Прохождение тока по проводнику сопровож­дается образованием вокруг него магнитного поля. Магнитное поле в любой точке пространства характеризуется магнитной индукцией. Магнитная индукция на расстоянии от проводника с током, связана с величиной тока следующим соотношением

,

- относительная магнитная проницаемость среды;

- универсальная магнитная постоянная.

Если провод, по которому течет ток, свить в катушку с числом витков и площадью витка S, то магнитный поток Ф будет пере­секать все витки катушки, образуя потокосцепление

.

В соответствии с законом электромагнитной индукции из­менение магнитного потока Ф, пронизывающего замкнутый кон­тур, индуцирует в нем элект­родвижущую силу

.

Э.д.с, возникающая в зам­кнутом контуре, связана со скоростью изменения тока, коэффициентом пропорционально­сти L, который характеризует способность электрической це­пи препятствовать изменению тока в ней и является индуктивностью этой цепи

Сопоставив последние соотношения и выполнив интегрирование, определим индуктивность как отношение потокосцепления к току

Следовательно, для увеличения индуктивности конструкция токопровода должна обеспечивать наибольшее значение магнитного потока при заданном токе и наибольшее потокосцепление. Прос­тейшей конструкцией токопровода является отрезок прямолиней­ного проводника круглого или прямоугольного сечения. Влияние формы проводника на его индуктивность показаны на рисунке 2.1.

Если одиночный проводник длиной l_пр (рисунок 2.1а) согнуть в шлейф длиной 0,5 l_пр (рисунок 2.1г), то его индуктивность уменьшится из-за встречного направления токов в соседних ветвях шлейфа. При сворачивании провода (рисунок 2.1д) суммарный магнитный поток, а, следовательно, и индуктивность уменьшатся почти до нуля. При сворачивании проводника длиной l_пр в кольцо диа­метром D (рисунок 2.1в) его индуктивность также уменьшается по сравнению с индуктивностью одиночного провода. Однако индук­тивность кольца является наибольшей по сравнению с индуктивностями витка другой конфигурации, поскольку круглый виток охватывает наибольшую площадь, обеспечивая наибольшее потокосцепление.

Рисунок 2.1 - Формы тоководов

При этом круглый виток имеет минимальные размеры из всех возможных форм проводника. Дальнейшее уменьшение размеров катушки получают при сворачивании проводника длиной l_пр в несколько витков N одинакового диаметра, индуктивность которой можно определить как суммарную индуктивность витков с учетом взаимной индуктивности М между ними

Индексы при М указывают на взаимную индуктивность между первым и вторым, вторым и третьим, первым и третьим витками и т. д

При прохождении тока через индуктивную катушку, она запасает энергию в виде магнитного поля

.

До недавнего времени индуктивные катушки относились к радиокомпонентам частного применения, то есть не покупались, а проектировались и производились на тех же предприятиях, где они применялись в изделиях, производимых этими предприятиями. В конце про­шлого века существовала тенденция замены индук­тивных компонентов другими, более дешевыми и малогабаритными. В ряде случаев эта задача с ус­пехом была решена. Так, фильтры сосредоточенной селекции на LC-контурах удалось заменить электро­механическими фильтрами и фильтрами на ПАВ, стали применяться цифровые методы фильтрации при обработке сигналов. Но даже и в этом примене­нии не потеряли своего значения индуктивные катушки, особенно если частота наст­ройки нестандартна.

Кроме того, в последнее время индуктивные катушки, обладающие небольшой энергоемкос­тью, имеют габариты и массу, сравнимые или такие же, как резисторы и кон­денсаторы и производятся как изделия общего потребления с целью реализации на рынке.

Конечно, в некоторых случаях можно заменить индуктивные элементы другими (например, резис­торами в качестве нагрузок усилительных каскадов или продольных элементов фильтров питания). Однако, ни один другой элемент в отличие от индуктивных катушек не обладает свойством оказывать сопро­тивление переменному току, причем тем большее, чем выше частота, обеспечивая при этом минималь­ное сопротивление постоянному току и, соответст­венно, минимальные потери энергии.

Весьма ценным свойством индуктивных элемен­тов, часто используемым в различных преобразова­телях электрической энергии, является накопление энергии в магнитном поле при прохождении по ним тока. В качестве накопителей магнитной энергии они вне кон­куренции.

2.2 Классификация катушек индуктивности

Номенклатура существующих на сегодняшний день катушек индуктивностей широка и разнообразна. Однако существуют критерии, по которым производится классификации этих радиокомпонентов. Катушки индуктивности классифицируются по нескольким признакам.

2.2.1 Классификация катушек индуктивности по функциональному назначению:

- контурные катушки, предназначенные для работы в узкополосных и широкополосных фильтрах, в колебательных контурах вход­­­ных и выходных приемопередающих устройств, в задающих генера­торах (рисунок 2.2);

- катушки связи, используемые для связи и согласования отдельных каскадов РЭА (рисунок 2.2) .

L1 – контурная катушка; L2 – катушка связи

Рисунок 2.2 - Магнитная антенна

- вариометры – это катушки переменной индуктивности (рисунок 2.3);

в

а б

а - с изменяющимся коэффициентом взаимоиндукции между роторной и статорной катушками;

б – ползунковый с плавно изменяющимся числом витков; в – ферровариометр.

Рисунок 2.3 - Вариометры

- индуктивные сопротивления – это дроссели высокой частоты (рисунок 2.4);

а б в г

а – дроссель на ферритовом стержневом сердечнике несекционированный; б – дроссель на керамическом каркасе секционированный; в - дроссель на керамическом каркасе секционированный с разным числом витков в секциях; г – дроссель со спиральной обмоткой

Рисунок 2.4 - Дроссели высокой частоты

- накопители магнитной энергии– дроссели DC-DC преобразователей (рисунок 2.5);

д

а – на Н-образном сердечнике из магнитодиэлектрика для монтажа на поверхность; б - на Н-образном сердечнике из магнитодиэлектрика для монтажа в отверстия; в – на кольцевом сердечнике из магнитодиэлектрика; г – на Ш-образном сердечнике из феррита с немагнитным зазором; д – многообмоточный дроссель обратно-ходовой схемы на броневом сердечнике из магнитодиэлектрика; е – на ферритовом стержне

Рисунок 2.5 - Дроссели DC-DC преобразователей