Электроника:Постоянный ток/Катушки индуктивности/Факторы, влияющие на индуктивность

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Факторы, влияющие на индуктивность[1]

Для индуктивных элементов существует четыре основных фактора, конструктивно определяющих величину создаваемой индуктивности. Все эти факторы влияют на величину магнитного потока, который развивается при заданной величине магнитодвижущей силы (коей выступает ток, проходящий по проволоке катушки):

Количество витков в катушке

При прочих равных условиях большее количество витков провода в катушке приводит к большей индуктивности; меньшее количество витков провода в катушке приводит к меньшей индуктивности.

Пояснение

Большее число витков приводит к тому, что катушка генерирует магнитное поле большей силы (измеряемое в ампер-витках!) для того же количества тока.

Рис. 1. Меньше витков (слева) – меньше индуктивность, больше витков (справа) – больше индуктивность.
Рис. 1. Меньше витков (слева) – меньше индуктивность, больше витков (справа) – больше индуктивность.

Площадь катушки

При прочих равных условиях бо́льшая площадь катушки (если мерять поперечное сечение сердечника вдоль катушки) приводит к большей индуктивности; меньшая площадь катушки приводит к меньшей индуктивности.

Пояснение

Бо́льшая площадь катушки обеспечивает меньшее сопротивление формированию потока магнитного поля для того же количества тока (являющегося магнитодвижущей силой, измеряемой в ампер-витках).

Рис. 2. Меньше площадь (слева) – меньше индуктивность, больше площадь (справа) – больше индуктивность.
Рис. 2. Меньше площадь (слева) – меньше индуктивность, больше площадь (справа) – больше индуктивность.

Длина катушки

При прочих равных условиях, чем больше длина катушки, тем меньше индуктивность; чем короче длина катушки, тем больше индуктивность.

Пояснение

Более длинный путь для потока магнитного поля приводит к большему сопротивлению среды при формировании этого потока для того же количества тока (являющегося магнитодвижущей силой, измеряемой в ампер-витках).

Рис. 3. Больше длина (слева) – меньше индуктивность, меньше длина (справа) – больше индуктивность.
Рис. 3. Больше длина (слева) – меньше индуктивность, меньше длина (справа) – больше индуктивность.

Материал сердечника катушки

При прочих равных условиях, чем больше магнитная проницаемость сердечника, вокруг которого намотана катушка, тем больше индуктивность; чем меньше проницаемость сердечника, тем меньше индуктивность.

Пояснение

Материал сердечника с большей магнитной проницаемостью приводит к большему потоку магнитного поля для того же количества тока (являющегося магнитодвижущей силой, измеряемой в ампер-витках).

Рис. 4. Материал с меньшей магнитной проницаемостью (слева) – меньше индуктивность, материал с большей магнитной проницаемостью (справа) – больше индуктивность.
Рис. 4. Материал с меньшей магнитной проницаемостью (слева) – меньше индуктивность, материал с большей магнитной проницаемостью (справа) – больше индуктивность.

Приблизительное значение индуктивности для любой проволочной катушки можно найти с помощью этой формулы:

Рис. 5. Формула для нахождения примерного значения индуктивности проволочной катушки.
Рис. 5. Формула для нахождения примерного значения индуктивности проволочной катушки.

Нужно понимать, что эта формула дает лишь приблизительные цифры. Одна из причин этого заключается в том, что проницаемость меняется при изменении напряжённости поля (вспомните нелинейные B-H-кривые для различных материалов из 14-й главы про электромагнетизм). Очевидно, что если проницаемость (µ) в уравнении нестабильна, то индуктивность (L) также будет в некоторой степени нестабильной, поскольку величина силы тока в катушке будет меняться.

Если у материала сердечника значительный гистерезис (запаздывание отклика), это также необычно скажется на индуктивности катушки. Разработчики индуктивных компонентов стараются минимизировать эти эффекты (проектируя сердечник таким образом, чтобы плотность его магнитного потока никогда не приближалась к уровням насыщения), в результате чего индуктор работает в пределах той части B-H кривой, которая более линейна.

Если индуктивный элемент спроектирован таким образом, что любой из этих факторов можно изменять, тогда можно управлять величиной индуктивности прибора. В переменных индукторах обычно можно менять количество витков. Или же используется скользящий (перемещаемый внутри катушки) сердечник, что позволяет на ходу изменять материал сердечника, регулируя его магнитную проницаемость. Пример старого устройства (сейчас такие уже не делают) показан на этой фотографии:

Рис. 6. Двойной переменный индуктор.
Рис. 6. Двойной переменный индуктор.

В этом устройстве используются скользящие медные контакты, что позволяет подключаться к катушке в разных точках по ее длине. Этот конкретный блок представляет собой индуктор с воздушным сердечником, такие когда-то использовались для радиоустройств.

На следующей фотографии – индуктор, на котором можно фиксировать определённые значения индуктивности. Это ещё один старинный блок с воздушным сердечником, созданный для радиоприёмников. Внизу видны клеммы подключения и несколько витков из относительно толстого провода:

Рис. 7. Клеммы подключения индуктора позволяют фиксировать то или иное значение индуктивности.
Рис. 7. Клеммы подключения индуктора позволяют фиксировать то или иное значение индуктивности.

А вот ещё один индуктор, работающий по схожему принципу (но с большей индуктивностью), также предназначенный для радиоустройств. Катушка с проволокой намотана на белую керамическую трубку для большей жёсткости:

Рис. 8. Фиксировать нужное значение индуктивности позволяют белые керамические соединительные клеммы.
Рис. 8. Фиксировать нужное значение индуктивности позволяют белые керамические соединительные клеммы.

До этого рассматриваемые катушки имели достаточно внушительные размеры. Для печатных плат используют мини-катушки индуктивности. Внимательно изучите следующую фотографию и посмотрите, сможете ли вы найти две катушки индуктивности, расположенные рядом друг с другом:

Рис. 9. Печатная плата, на которое есть два индуктивных элемента.
Рис. 9. Печатная плата, на которое есть два индуктивных элемента.

Два индуктора на этой печатной плате обозначены как L1 и L2, они расположены справа от центра платы. Рядом с ними соседствует резистор R3 и конденсаторы, у которых видны буквы C (на фото буквенные обозначения данных катушек и конденсаторов видны не полностью, но найти по указанным ориентирам можно). Эти катушки индуктивности называются «тороидальными», потому что их проволоки намотаны на сердечники, имеющих форму бубликааналитической геометрии такая поверхность называется «тор»).

Подобно резисторам и конденсаторам, катушки индуктивности также могут выступать в качестве устройств для поверхностного монтажа. На следующей фотографии видно, насколько миниатюрным может быть индуктивный элемент в такой ипостаси:

Рис. 10. Печатная плата с поверхностным монтажом элементов.
Рис. 10. Печатная плата с поверхностным монтажом элементов.

На этой печатной плате справа и в центре можно увидеть пару индукторов, которые выглядят как маленькие чёрные микросхемки, на которых напечатаны цифры «100». Также для верхнего индуктора можно разглядеть его обозначение L5. Конечно, эти катушки дают совсем небольшую индуктивность, но это демонстрирует, насколько крошечными они могут быть изготовлены для решения определённых задач при проектировании схем.

См.также

Внешние ссылки