Электроника:Переменный ток/Реактанс и импеданс – Индуктивность/Особенности катушек индуктивности

←Реактанс и импеданс – Индуктивность→

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Особенности катушек индуктивности

Идеальная катушка индуктивности действует сугубо реактивно. То есть противодействие переменному току строго основано на индуктивной реакции на изменения тока, а не на препятствии движению электронов, как в случае с резистивными компонентами.

Однако реальные катушки индуктивности не показывают чистого реактивного поведения. Начнём с того, что они сделаны из проволоки, а как известно, любой провод обладает некоторым сопротивлением (если материал провода не является сверхпроводником).

Это собственное сопротивление действует таким образом, как если бы оно было подключено последовательно с идеальной катушкой индуктивности:

Рис. 1. Эквивалентная схема для реального индуктивного элемента.

Следовательно, полное сопротивление любой реальной катушки индуктивности всегда будет комбинацией обычного сопротивления и индуктивного реактивного сопротивления.

Проблему усугубляет так называемый скин-эффект (это стремление переменного тока проходить по внешней области поперечного сечения проводника, а не по всей площади сечения – об этом будет подробнее в следующей лекции). Когда электроны движутся в одном направлении (при постоянном токе), они используют для движения всю площадь поперечного сечения проволоки.

С другой стороны, поток электронов, постоянно меняющий своё направление, стремится избегать прохождения через центр сечения провода, тем самым доступная эффективная площадь поперечного сечения оказывается в ограниченном виде. И этот скин-эффект с увеличением частоты становится всё более выраженным.

Кроме того, переменное магнитное поле индуктивного элемента, питаемого переменным током, может частично излучаться в окружающее пространство в виде электромагнитных волн, особенно если переменный ток высокочастотный. Эта излучаемая энергия не возвращается в катушку индуктивности и поэтому проявляется в виде сопротивления (так как происходит ненулевое рассеяние мощности).

Вихревые токи в катушках индуктивности

Помимо потерь на проводное сопротивление и электромагнитное излучение, в катушках с железным сердечником действуют и другие эффекты, которые проявляются как дополнительное сопротивление между выводами. Когда на индуктивный элемент подаётся переменный ток, создаваемые переменные магнитные поля имеют тенденцию индуцировать циркулирующие токи внутри самого железного сердечника. Это так называемые вихревые токи.

Эти электрические токи в железном сердечнике вынуждены преодолевать электрическое сопротивление, обеспечиваемое железом (при этом железо сердечника не настолько хорошо в качестве проводника, по сравнению с медью проволочной обмотки). Потери, к которым приводят вихревые токи, минимизируют, разделяя железный сердечник на множество тонких листов (пластин), каждый из которых отделён от остальных тонким слоем электроизоляционного лака.

Поскольку поперечное сечение сердечника разделено на множество электрически изолированных участков, ток не имеет возможности циркулировать в пределах общей площади поперечного сечения сердечника, благодаря чему резистивные потери из-за вихревых токов сводятся к минимуму.

Как и следовало ожидать, потери от вихревых токов в металлических сердечниках катушек проявляются в виде выделенного тепла.

Эффект сильно выражен при высокочастотных токах и ​​может быть настолько ощутимым, что иногда его используют в производственных процессах для нагрева металлических предметов!

Фактически, данный процесс «индукционного нагрева» часто используется при литье металлов высокой чистоты, когда металлические элементы и сплавы должны нагреваться в вакууме, чтобы избежать загрязнения от воздуха. То есть в той ситуации, где обычная технология нагрева была бы бесполезной.

Это «бесконтактная» технология, когда нагретое вещество непосредственно не касается катушки (или катушек), создающей (создающих) магнитное поле.

В высокочастотной среде вихревые токи могут возникать даже в поперечном сечении самой проволочной обмотки, что способствует возникновению дополнительных резистивных эффектов. Чтобы воспрепятствовать этому, можно использовать специальный лицевой провод, сделанный из очень тонких, индивидуально изолированных жил.

Изоляция, отделяющая отдельные жилы друг от друга, предотвращает циркуляцию вихревых токов по всей площади поперечного сечения.

Помимо этого, любой магнитный гистерезис, который необходимо преодолевать при каждом изменении направления магнитного поля индуктора, представляет собой дополнительный расход энергии, который тоже проявляется как сопротивление в цепи.

У некоторые материалов, из которых делают сердечники (например, феррит), гистерезис особенно выражен. Противодействовать этому эффекту лучше всего за счёт правильного выбора материала сердечника и посредством ограничения пиковой напряжённости магнитного поля, генерируемой в каждом цикле.

В целом паразитные резистивные свойства реального индуктора (сопротивление провода, электромагнитное излучение, вихревые токи и гистерезисные потери) выражаются единым термином эффективное сопротивление:

Рис. 2. Эквивалентная схема реального индуктивного элемента со скин-эффектом, электромагнитным излучением, вихревыми токами и гистерезисными потерями.

Стоит отметить, что скин-эффект и прочие виды потерь для прямых участков провода в цепи проявляются примерно в той же степени, что и для проволоки, скрученной в спираль. Обычно совокупный эффект достаточно мал, чтобы быть заметным, но, для радиочастот как раз его пытаются максимизировать.

В частности, антенну радиопередатчика проектируют так, чтобы специально рассеивалось наибольшее количества энергии в виде электромагнитного излучения.

Добротность (Q-фактор)

Эффективное сопротивление в катушке индуктивности может быть ключевым фактором при проектировании цепей переменного тока. Чтобы количественно оценить относительную величину эффективного сопротивления в катушке индуктивности, существует такое понятие как Q-фактор или добротность. Рассчитывается пресловутая добротность следующим образом:

Рис. 3. Уравнение для вычисления добротности.

Символ «Q» не имеет ничего общего с электрическим зарядом (измеряемым в кулонах и тоже обозначаемым буквой «q», только не большой, а маленькой). Это само по себе может сбивать с толку. По какой-то причине, те, кто имели соответствующие полномочия, решили использовать одну и ту же букву алфавита для разных, в общем-то, явлений.

Чем выше значение «Q», тем более «чисто» работает индуктивный элемент. При проектировании индуктор с высокой добротностью лучше, чем индуктор с низкой добротностью, так как дополнительное сопротивление всегда можно добавить при необходимости. Идеальная катушка индуктивности имеет бесконечную добротность при нулевом эффективном сопротивлении.

Так как индуктивное реактивное сопротивление (X) зависит от частоты тока, то же самое можно сказать и про Q-фактор. Однако, поскольку резистивные эффекты (скин-эффект провода, электромагнитное излучение, вихревые токи и гистерезис) также зависят от частоты, Q не изменяется строго пропорционально реактивному сопротивлению. Чтобы точно определить значение Q, необходимо провести испытания при соответствующей частоте переменного тока.

Внешние ссылки

←Реактанс и импеданс – Индуктивность→