Знания об индукторах | Параметры, катушки, функции, модели, технические характеристики, названия, области применения, взаимосвязь и различия с ферритовыми бусинами, формулы расчета, измерения, меры предосторожности

1. Определение индукторов

1.1 Определение индуктивности:

Индуктивность — это свойство проводника, при котором переменный ток в проводнике создает изменяющийся магнитный поток внутри и вокруг проводника. Значение индуктивности — это отношение создаваемого магнитного потока к току, создающему этот поток.

Когда через индуктор протекает постоянный ток, он создает устойчивое магнитное поле. Однако, когда через индуктор протекает переменный ток, магнитное поле вокруг него со временем изменяется. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменяющееся магнитное поле генерирует индуцированную электродвижущую силу (ЭДС) на индукторе, которая противодействует изменению тока. Это явление аналогично инерции в механике, а в электротехнике оно известно как «самоиндукция».

1.2 Индуктор против трансформатора:

• Индуктор : катушка проволоки, которая при протекании через неё тока создаёт магнитное поле. Магнитный поток изменяется с изменением переменного тока, что приводит к явлению самоиндукции.

• Трансформатор : состоит из двух индуктивных катушек, которые магнитно связаны, но не соединены электрически. Трансформаторы используют взаимную индуктивность для индукции напряжения в соседних катушках.

1.3 Обозначение и единица измерения индуктивности:

• Символ: L

• Единицы измерения : Генри (H), миллигенри (mH), микрогенри (μH)

1.4 Классификация индуктивности:

• По типу конструкции : фиксированные индукторы, переменные индукторы.

• В зависимости от материала магнитного сердечника : индукторы с воздушным, ферритовым, железным и медным сердечником.

• По рабочим характеристикам : антенные катушки, колебательные катушки, дроссели, резонансные катушки, отклоняющие катушки.

• По типу намотки : однослойные, многослойные, сотовые катушки.

• По частоте : высокочастотные, низкочастотные индукторы.

• По конструктивным особенностям : индукторы с магнитным сердечником, переменные индукторы, индукторы с цветовой кодировкой и немагнитные индукторы.

2. Основные характеристики и параметры индукторов

2.1 Индуктивность (L):

Индуктивность — это свойство катушки, не зависящее от протекающего через неё тока. Индуктивность обычно не указывается на самом индукторе, а обозначается специальными названиями.

2.2 Реактивное сопротивление (XL):

Реактивное сопротивление — это сопротивление, которое индуктор оказывает переменному току. Оно измеряется в омах и рассчитывается следующим образом:
$XL = 2\pi f L$ XL=2πfL
где $f$ f — частота переменного тока, и $L$ L — индуктивность.

2.3 Коэффициент качества (Q):

Добротность (Q) представляет собой эффективность индуктора и определяется как отношение индуктивного сопротивления к эквивалентному сопротивлению катушки:
$Q = \frac{X_L}{R}$Q=RXL​​
Более высокое значение Q указывает на меньшие потери. Значения Q обычно варьируются от десятков до сотен.

2.4 Распределенная емкость:

Емкость между витками катушки, между катушкой и ее экраном или между катушкой и подложкой, которая снижает добротность и стабильность индуктора. Предпочтительнее меньшая распределенная емкость.

2.5 Допуск:

Допуск — это процентное отклонение между фактическим значением индуктивности и номинальным значением.

Номинальный ток 2,6:

Максимальный ток, который может пропускать индуктор, обычно обозначается буквами (A, B, C и т. д.), типичные значения — 50 мА, 150 мА, 300 мА и т. д.

3. Распространенные типы индукторов

3.1 Однослойная катушка:

Катушка, изготовленная путем намотки изолированной проволоки на бумажный или пластиковый сердечник. Она широко используется в антенных схемах AM-радиоприемников.

3.2 Сотовый рулон:

Катушка, в которой плоскость намотки пересекается под углом, уменьшая распределенную емкость и увеличивая индуктивность. Такие катушки компактны и широко используются в высокочастотных приложениях.

3.3 Катушка с ферритовым сердечником:

Индукторы с ферритовыми сердечниками увеличивают индуктивность и улучшают добротность. Обычно они используются в высокочастотных цепях.

3.4 Катушка с медным сердечником:

Катушки с медным сердечником используются в сверхкоротковолновых диапазонах частот. Положение медного сердечника можно регулировать для изменения индуктивности.

3.5 Индуктор с цветовой кодировкой:

Высокочастотный индуктор с фиксированным значением индуктивности, обозначенный цветовой кодировкой, аналогичной резисторам. Он работает в диапазоне частот от 10 кГц до 200 МГц.

3.6 Дроссель (индуктивный фильтр):

Индуктор, предназначенный для блокировки сигналов переменного тока при одновременном пропускании постоянного тока. Используется для подавления шума в источниках питания и сигнальных линиях.

3.7 Отклоняющая катушка:

Используется в выходном каскаде схем развертки телевизоров. Требует высокой чувствительности, однородного магнитного поля, высокого значения добротности (Q), малых размеров и низкой стоимости.

4. Роль индукторов в цепях

• Основные функции : фильтрация, осцилляция, задержка и режекторная фильтрация.

• Простым языком : «Пропустить постоянный ток, заблокировать переменный».

• Подробное объяснение : Индукторы противодействуют изменениям переменного тока и могут использоваться в сочетании с конденсаторами для формирования фильтров верхних или нижних частот, фазосдвигающих цепей и резонансных цепей. Трансформаторы могут обеспечивать связь по переменному току, преобразование напряжения, преобразование тока и согласование импедансов.

Энергия, запасенная в индукторе, пропорциональна его индуктивности и квадрату силы тока:
$W_L = \frac{1}{2} L i^2$ WL​=21​Li2

5. Модели, характеристики и названия индукторов

5.1 Чип-индукторы:

• Диапазон индуктивности: 10 нГн – 1 мГн

• Материалы: феррит и керамика.

• Точность: J = ±5%, K = ±10%, M = ±20%

• Размеры: 0402, 0603 и т. д.

5.2 Силовые индукторы:

• Диапазон индуктивности: 1 нГн – 20 мГн

• Размеры: SMD43, SMD54, SMD73, SMD75 и т. д.

5.3 Бисеринки из феррита:

• Диапазон импеданса: 5 Ом – 3 кОм

• Размеры: 0402, 0603 и т. д.

5.4 Ферритовые бусины для сквозных отверстий:

• Технические характеристики: RH3.5

5.5 Индукторы с цветовой кодировкой:

• Диапазон индуктивности: 0,1 мкГн – 22 мГн

• Размеры: 0204, 0307, ​​0410, 0512

• Точность: J = ±5%, K = ±10%, M = ±20%

5.6 Вертикальные индукторы:

• Диапазон индуктивности: 0,1 мкГн – 3 мГн

• Технические характеристики: PK0455, PK0608, PK0810 и др.

5.7 Осевые фильтрующие индукторы:

• Диапазон индуктивности: 0,1 мкГн – 10 мГн

• Номинальный ток: от 65 мА до 10 А

• Высокое значение добротности (Q) и относительно низкая стоимость.

5.8 Магнитные кольцевые индукторы:

• Технические характеристики: TC3026, TC3726, TC4426 и др.

• Размеры: от 3,25 мм до 15,88 мм

5.9 Индукторы с воздушным сердечником:

• Используется для достижения больших значений индуктивности при меньшем весе.

6. Применение индукторов в цепях

Индукторы обычно используются в LC-фильтрах , где они работают вместе с конденсаторами, отфильтровывая нежелательные переменные сигналы от постоянных.

• Фильтрация мощности : LC-цепи устраняют высокочастотные помехи в источниках постоянного тока.

• Фильтрация сигнала : Индукторы блокируют высокочастотный шум и пропускают чистые сигналы постоянного тока или сигналы более низких частот.

7. Распространенные магнитные сердечники и кольца

• Сердечники из железного порошка : широко используются в компьютерах, источниках питания, системах бесперебойного питания и схемах управления бытовой техникой. Доступны в различных размерах и из разных материалов.

• Ферритовые сердечники : используются для ослабления и фильтрации высокочастотных сигналов в цепях.

8. Взаимосвязь и различия между индукторами и ферритовыми бусинами

1. Накопление энергии против преобразования энергии :

   • Индукторы накапливают энергию, а ферритовые бусины рассеивают её.

2. Приложения :

   • Индукторы используются в фильтрах источников питания, а ферритовые бусины — в сигнальных цепях для подавления электромагнитной совместимости (ЭМС).

3. Диапазон частот :

   • Индукторы используются в цепях низкой и средней частоты, тогда как ферритовые бусины в основном применяются для ослабления высокочастотных сигналов.

9. Формулы расчета индуктора

9.1 Индуктивность кольцевого сердечника:

Индуктивность кольцевого сердечника можно рассчитать следующим образом:
$L = N^2 \times AL$ L=N2×AL
где $N$ N — количество оборотов, и $AL$AL — это коэффициент индуктивности.

9.2 Общая формула расчета индуктивности:

$L = \frac{k \times \mu_0 \times \mu_s \times N^2 \times S}{l}$ L = lk × μ0 × μs × N2 × S
где:

• $\mu_0$ μ0​ — магнитная проницаемость свободного пространства (4π × 10⁻⁷ Гн/м),

• $\mu_s$ μs — относительная проницаемость материала сердечника.

• $N$ N — количество оборотов.

• $S$ S — площадь поперечного сечения керна.

• $l$ l — это длина катушки.

10. Измерение индуктивности

Индуктивность можно измерить с помощью RLC-измерителя или специализированного измерителя индуктивности.
Этапы измерения индуктивности:

1. Выберите режим измерения индуктивности (L) на измерительном приборе.

2. Подключите щупы к выводам индуктора.

3. Запишите прочитанное.

4. Проведите несколько измерений и усредните результаты.

11. Меры предосторожности при использовании индукторов

1. Условия эксплуатации : Учитывайте такие факторы, как температура, влажность и физические нагрузки.

2. Частотные характеристики : Индукторы ведут себя по-разному на высоких и низких частотах. Например, индуктивность имеет тенденцию увеличиваться с повышением частоты.

3. Максимальный ток и нагрев : Убедитесь, что ток индуктора не превышает номинальный, чтобы предотвратить перегрев.