Катушки индуктивности

Катушка индуктивности – катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Такая система способна накапливать магнитную энергию при протекании электрического тока.

Условное обозначение катушки индуктивности представлено на рис. 3.

Рис. 3. Условное обозначение катушки индуктивности

Конструктивно катушка индуктивности обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки.

Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах.

Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением, величина которого равна

X_L = ω∙L,

где L– индуктивность катушки, ω– циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её реактивное сопротивление.

При протекании тока катушка запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока I. Величина этой энергии равна

E = L∙I²/2.

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой определяется следующим выражением:

.

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь R_П. Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране.

С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика – добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна

Q = ω∙L/ R_П.

Практически величина добротности лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями, намоткой вида «универсал», применением посеребрёного провода, применением многожильного провода вида «литцендрат».

2. Полупроводниковые приборы с p–n-переходом: диоды, стабилитроны, варикапы, фото- и светодиоды Диоды

Диоды – полупроводники, которые пропускают ток в одном направлении. Выводы диода называются анодом А и катодом К. На рис. 4 показано условное обозначение диода. Если приложено положительное напряжение U_АК > 0, то диод работает в прямом направлении. При отрицательном напряжении U_АК < 0, диод заперт. Обратный ток всегда на несколько порядков меньше, чем прямой.

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ) I(U_АК). Типовая характеристика диода представлена на рис. 5.

Рис. 4. Условное обозначение диода

Рис. 5. Типовая ВАХ диода

Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях U_АК. Однако он не должен превышать определенного максимального значенияI_макс, так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя. Приближенно ход характеристики может быть описан значениями прямого напряжения U_Dпри токах порядка0,1I_макс. Для германия U_Dнаходится в пределах от 0,2 до 0,4 В, для кремния – от 0,5 до 0,8 В.

Из рис. 5 видно, что обратный ток при напряжениях | U_АК | >U_{обр.макс}возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. Обычные диоды в этой области не могут работать, так как в них происходит локальный перегрев, приводящий к выходу их из строя. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в пределах U_{обр.макс} = (10÷10⁴) В.

Характеристику диода можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции [3]:

, (2.1)

где – теоретический обратный ток, Т – абсолютная температураp–n-пере­хода,– термический потенциал. При комнатной температуре

Поправочный коэффициент m учитывает отклонение от теории диода Шокли. Он находится в пределах 1÷2.

Уравнение (2.1) описывает характеристику реального диода только в прямом направлении и для небольших токов. Реальный обратный ток диода значительно превосходит теоретическую величину .

Величина (рис. 5)часто определяется как прямое напряжение диода в точке перегиба прямой ветви характеристики. Но в действительности перегиб прямой ветви характеристики является кажущимся. Перегиб появляется вследствие отображения экспоненциальной функции (2.1) в линейном масштабе по оси абсцисс. При отображении в логарифмическом масштабе точка перегиба отсутствует.

С помощью формулы (2.1) несложно рассчитать, что при увеличении прямого напряжения на 60 мВ прямой ток возрастает в 10 раз.

Поскольку и зависят от температуры, то прямое напряжение для фиксированного значения тока также зависит от температуры. Эта зависимость описывается приближенным соотношением:

,

т. е. при увеличении температуры на 1К прямое напряжение на диоде уменьшается примерно на 2 мВ. Это свойство позволяет использовать диод в качестве датчика температуры.

Пропорциональное уменьшение прямого напряжения с температурой при постоянной величине тока означает, что с увеличением температуры ток возрастает по экспоненциальному закону, если приложенное напряжение постоянно.

Экспоненциальную температурную зависимость имеет и обратный ток. Он удваивается при увеличении температуры на 10К. При изменении температуры на 100 К обратный ток соответственно возрастет в тысячу раз.

В динамическом режиме работы переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, так как при этом р–n-переход должен освободиться от накопленного заряда.

Для уменьшения времени переключения можно использовать диоды Шоттки. Эти диоды имеют переход металл-полупроводник, который тоже обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа весьма мало. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значений порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В.