Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

20-03-2013_10-45-00 / 5Катушки индуктивности

.doc
Скачиваний:
15
Добавлен:
10.06.2015
Размер:
66.05 Кб
Скачать

Катушки индуктивности.

Катушки индуктивности (L) обладают свойством оказывать реактивное сопротивление переменному току при незначительном сопротивлении постоянному току. В цепи переменного тока на индуктивном элементе напряжение опережает по фазе ток на 900 (рис.1) . При последовательном соединении катушек их индуктивность складывается (ф. на рис.11 А). При параллельном включении определяется формулой Б. При последовательном соединении катушки и резистора, их общий импеданс Z определяется ф. на рис.11. УГО катушек изображено на рис.13: без сердечника, без сердечника с отводами, с ферромагнитным сердечником, с сердечником, имеющим зазоры и с сердечником –подстроечником.

Маркировка L содержит номинал (мкГн- основная единица) и допуск (если его нет, то 20%). (рис.21).

Функционирование L основано на взаимодействии I и магнитного потока Ф(ф.6 и 7). Известно, что при изменении магнитного потока Ф в проводнике, находящемся в МП, возникает ЭДС, определяемая скоростью изменения магнитного потока dФ/dt (формула на рис.2). Поэтому при подключении к проводнику источник U= ток в нем устанавливается не сразу, т. к. в момент включения изменяется Ф и в проводе индуцируется ЭДС, препятствующая нарастанию I, а спустя некоторое t, когда Ф перестает изменяться. Если же к проводнику подключен ИП переменного U, то ток и Ф будут изменяться непрерывно и наводимая в проводнике ЭДС (рис.2 и 5) будет препятствовать протеканию I~, что эквивалентно увеличению R проводника. Чем выше ω изменения U, приложенного к проводнику, тем больше величина ЭДС, наводимая в нем, следовательно, тем больше сопротивление, оказываемое проводником протекающему I. Это сопротивление XL не связано с потерями энергии, поэтому является реактивнымL=ωL рис.1). При изменении I по синусоидальному закону наводимая ЭДС будет опр. формулой на рис.5.

Энергия МП, запасаемая катушкой определяется ф.8. Индуктивность короткого проводника определяется его размерами (ф. 16), здесь l -длина провода в см, d - диаметр провода в см. Если провод намотан на каркас, то образуется катушка индуктивности. В этом случае магнитный поток концентрируется и величина индуктивности возрастает (ф.7(1) и 17). где w - число витков, D - диаметр катушки в см, L0 - коэффициент, зависящий от отношения длины катушки l к ее диаметру D.

Для увеличения L применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует МП и тем самым увеличивает ее индуктивность (ф.7(2)). ЭДС катушки с сердечником описывается ф.3. Применение сердечников из магнитных материалов позволяет уменьшить число витков L и соответственно ее габариты. Перемещением сердечника внутри каркаса можно изменять индуктивность. На рис.12 представлены  разновидности сердечников: кольцевой (тороидальный- индуктивность определяется ф.18) (А), стержневой (Б) , броневой (Г), Ш-образный (В). Броневые сердечники состоят из двух чашек, изготовленных из карбонильного железа или ферритов. На высоких частотах (десятки-сотни МГц) применяют подстроечные цилиндрические сердечники из диамагнетиков (латунь, медь), при их введении индуктивность уменьшается.

Для уменьшения влияния ЭМП катушки на другие элементы схемы, а также для уменьшения влияния внешних полей на L, ее располагают внутри металлического экрана. При помещении катушки в экран индуктивность катушки уменьшается и тем больше, чем меньше диаметр экрана.

Влияние температуры оценивают температурным коэффициентом (ф.10). Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается l и D каркаса, в результате чего изменяются шаг и d витков; кроме того, при изменении t изменяются ε материала каркаса, что ведет к изменению собственной емкости катушки.

Наличие паразитных эффектов ведет к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь r , которое определяет добротность катушки Q индуктивности (от 30 до 200) (рис.9). Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране. Потери в проводах: т.к. они обладают омическим сопротивлением; rп обмотки I~ возрастает с ростом f, что обусловлено поверхностным эффектом, суть которого состоит в том, что I протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения; в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и МП к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому протекает I, принимает серповидный характер, что ведет к дополнительному возрастанию rп провода. Потери в диэлектрике обусловлены тем, что между соседними витками катушки существует емкость. Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые I, потерь на гистерезис и начальных потерь. Для ↓ потерь на вихревые токи стальные сердечники электрических машин выполняются не из массивной стали, а из стальных листов толщиной 0,35-0,5 мм, изолируемых друг от друга или слоем лака, или тонкими бумажными листами.. С целью↓потерь на гистерезис для изготовления сердечников электрических машин применяется специальная электротехническая сталь. Потери в экране обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране. Т.о. суммарное r в L, определяющее ее Q, равно r= rп+ rд +r+ rэ (рис.9). Повышение Q достигается оптимальным выбором d провода, увеличением размеров L и применением сердечников с высокой μ и малым r.

Контурные L-  используются с C для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и Q (рис.20 и 26).

Катушки связи. (рис.28) Эти катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т.д. К таким катушкам не предъявляются жесткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и  коэффициент связи (ф.19), где Lи L- индуктивность связанных катушек, М - взаимная индуктивность между ними. Величина коэффициента связи зависит от расстояния между катушками, чем оно меньше, тем больше k.

Вариометры. (рис.27) Это такие катушки, в которых предусмотрена возможность изменения индуктивности в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединенных последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра.

Дроссели(рис.25). Это L, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Обычно включаются в цепях питания усилительных устройств. Предназначены для защиты ИП от попадания в них ВЧ-сигналов. На НЧ они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические сердечники.

Трансформаторами называются электромагнитные устройства, имеющие 2 или более индуктивно-связанных обмоток и предназначенные для изменения величины переменного напряжения (тока)(рис.14 и15). Состоит из ферромагнитного магнитопровода (сердечника) (рис.14А) и расположенных на нем обмоток. Обмотка, подключаемая к источнику преобразуемого напряжения, называется первичной, а обмотки, к которым подключены потребители электрической энергии, - вторичными (рис.15). Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.(ф. 4) При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i 1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь на магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуктирует в них э. д. с. При подключении нагрузки Z н к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием Э.Д.С. ξ2 в цепи этой обмотки создается ток i 2 , а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U 2. В повышающих трансформаторах U 2 > U 1, а в понижающих — U 1 < U 2.

Величина ЭДС (В) первичной и вторичной обмоток определяются выражением на рис.3. Они связаны соотношением на рис.15, где величина k называется коэффициентом трансформации.

По назначению подразделяются на трансформаторы питания, согласующие и импульсные. Тр-ры питания применяются в блоках питания радиоустройств и служат для получения переменных напряжений, необходимых для нормального функционирования аппаратуры. Согласующие тр-ры предназначены для изменения уровня U (I) электрических сигналов, несущих полезную информацию. Они позволяют согласовать источник сигналов с нагрузкой при минимальном искажении сигнала. Различают входные, межкаскадные и выходные трансформаторы. Входные трансформаторы включаются на входе усилительного устройства и согласуют выходное сопротивление источника сигналов, например микрофона, с входным сопротивлением усилителя. Межкаскадные трансформаторы согласуют выходное сопротивление предыдущего каскада с входным сопротивлением последующего. Выходные трансформаторы согласуют выходное сопротивление усилителя с внешней нагрузкой. Эти трансформаторы должны обеспечивать передачу большой мощности от усилителя в нагрузку.

Импульсные тр-ры предназначены для формирования и трансформации импульсов малой длительности. Основное требование- малые искажения формы трансформируемого импульса.

Трансформаторы разделяют на следующие основные виды:

1) силовые, применяемые в системах передачи и распределения электроэнергии; для установок со статическими преобразователями (ионными или полупроводниковыми) при преобразовании I~ в I=(выпрямители) или постоянного в переменный (инверторы); для получения требуемых U в цепях управления электроприводами и в целях местного освещения;

2) силовые специального назначения — печные, сварочные т. п.;

3) измерительные — для включения электрических измерительных приборов в сети высокого U или сильного I;

4) испытательные — для получения высоких и сверхвысоких U, необходимых при испытаниях на Епр электроизоляционных изделий;

5) радио трансформаторы — применяемые в устройствах радио- и проводной связи, в системах автоматики и телемеханики для получения требуемых напряжений, согласования сопротивлений электрических цепей, гальванического разделения цепей и др.

Трансформаторы одного и того же назначения могут различаться: по виду охлаждения — с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением; по числу трансформируемых фаз — однофазные и многофазные; по форме магнитопровода — стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные; по числу обмоток — двухобмоточные и многообмоточные (одна первичная и две или более вторичных обмоток); по конструкции обмоток — с концентрическими и чередующимися обмотками.

Измерительные трансформаторы делятся на трансформаторы тока и напряжения. Используются для подключения измерительных приборов в цепи высокого напряжения и больших токов. Выполняются двухобмоточными. Трансформатор напряжения – понижающий. К нему подключают вольтметры, цепи напряжения счетчиков и ваттметры, защитную аппаратуру, сопротивление которых во много раз превышает R обмоток трансформатора. Работает в режиме, близком ХХ.(рис. 23 б). Трансформатор тока –повышающий (рис.23а). Сопротивление амперметра мало, трансформатор работает в режиме КЗ. Размыкание цепи вторичной обмотки не допустимо, т.к. резко увеличивается магнитный поток в сердечнике, возрастают потери в нем, трансформатор может выйти из строя.

Трансформатор гальванической развязки (рис.24) пропускает сигнал неизменным. Используется для предотвращения поражения электрическим I. Без трансформатора один вывод источника тока соединяется с шасси прибора. Когда шасси удаляется из корпуса, появляется опасность поражения I. Трансформатор предотвращает эл. контакт с землей.

Автотрансформатор (рис.22) не обеспечивает гальванической развязки, используется для повышения и понижения напряжения. Недостаток – вторичная обмотка не изолирована от первичной (имеет лишь одну обмотку – обмотку высшего напряжения, а обмоткой низшего напряжения служит часть обмотки высшего напряжения), преимущество – дешевле и проще в изготовлении, выгодно использовать в тех случаях, когда k ≈ 1. При одной и той же полной мощности в сопротивлении нагрузки получается следующее соотношение между расчетными полными мощностями автотрансформатора РАТ и электротрансформатора РЭТ(см. ф. на рис.22) , то есть чем меньше различаются числа витков, тем выгоднее применять автотрансформатор.