Зачем нужен дроссель, его разновидности и характеристики

Принцип работы

Что такое стабилизатор напряжения

Принцип работы электрического дросселя заключается в сдерживании резкого нарастания тока и сглаживании линии падения напряжения. Как работает электрический дроссель, видно на примере люминесцентного светильника. Чтобы газ в колбе не сгорел, а постепенно разогревался, катушка постепенно доводит ток до номинального значения.

Входящий ток «тратит» свою силу на индукцию магнитного поля вокруг катушки. Когда магнитный поток достигнет своего максимума, ток начнёт проходить беспрепятственно через катушку.

Принцип работы дросселя

Важно! Дроссели встречаются во всех электрических схемах. Сглаживание первоначального электрического напряжения защищает радио,- и электрические компоненты от критических перегрузок.

Эквивалентная схема дросселя

Для анализа работы реального дросселя создадим схему замещения, которая учитывает его основные и паразитные параметры.

Эквивалентная схема дросселя с учётом паразитных параметров.

Таким образом, на характеристики дросселя кроме собственной индуктивности дросселя L, являющейся основным параметром, так сказать полезным, присутствует паразитная индуктивность LS, обусловленная потоком рассеяния, активное сопротивление R обмоточного провода, межвитковая ёмкость С обмотки дросселя, а также проводимости gμ. Проводимость gμ характеризует мощность, которая затрачивается на перемагничивание сердечника, из-за наличие петли гистерезиса.

Уравнение соответствующее эквивалентной схеме будет иметь вид

Как видно на схеме ток в дросселе состоит из двух составляющих: Iμ – ток отвечающий за создание основного магнитного потока Φ0 и Iа – ток, учитывающий потери мощности при перемагничивании и нагрев сердечника

где РС – мощность потерь в сердечнике.

Основной параметр дросселя – индуктивность L определяется по выражениям для индуктивностей различных типов, например, индуктивность без сердечника, индуктивности на замкнутых сердечниках, индуктивности на сердечниках с зазором и индуктивности на разомкнутых сердечниках.

Остальные параметры определить несколько сложнее. Рассмотрим определение данных параметров.

Устройство индуктивной катушки

Плотность энергии магнитного поля

Прибор подавляет происходящие в переменном токе пульсации. В электрических цепях проходит электричество разной частоты, поэтому для подавления помех применяют низкочастотные и высокочастотные катушки.

Низкочастотные устройства

Катушки имеют большие размеры. Провод в них намотан вокруг сердечника из трансформаторной стали. В аппаратуре, питание которой обеспечивается мощным напряжением, устанавливают дроссельные блоки низкой частоты. Индуктивные катушки в каскадном исполнении противостоят резким изменениям характеристик тока.

Что такое электрическое дросселирование, знает каждый электрик. На промышленных предприятиях без этого не обходится ни одно электрооборудование.

Высокочастотные элементы

Высокочастотный электронный дроссель гораздо меньше низкочастотного собрата. Катушка может быть выполнена из однослойной или многослойной намотки. Для высокочастотных дросселей применяют ферритовые сердечники или стержни из магнитного диэлектрического материала.

Самостоятельное изготовление

Для самостоятельного изготовления дросселя необходимо правильно рассчитать его конструкцию. Для этого используется простая формула расчёта индуктивности: L=0,01*d*w 2 /(L/d+0,44), где d — диаметр основания (см), L — длина проволоки (см), w — количество витков. При этом если имеется мультиметр с возможностью изменения индуктивности, то точное количество витков можно подобрать, используя его.

Метод намотки при использовании этой формулы предполагает укладку виток к витку. Например, необходимо подобрать магнитопровод для дросселя с индуктивностью один мкГн, рассчитанный на ток I = 4A. Берется сердечник 2000 НМ типоразмера К 16 х 8 х 6. Согласно справочнику коэффициент начальной индуктивности — ALH = 1,36 мкГн, а длина магнитного пути — le= 34,84 мм. Соответственно, число витков будет N= (L/ALH)0,5= (1/1,36)0,5 = 0,86. Если принять N=1, то при заданном токе напряжённость магнитного поля в сердечнике будет равна Н= 4*1/(34,84*10−3)= 114 А/м.

Таким образом, дроссель представляет собой катушку, которая характеризуется индуктивностью. Благодаря своим свойствам он может накапливать магнитную мощность, после отдавая её в цепь в виде электрической энергии. При этом использование элемента позволяет также подавлять переменную составляющую тока в цепи.

Область применения

Катушки индуктивности используют, как:

• токоограничители;
• катушки насыщения;
• фильтры сглаживания;
• магнитные усилители (МУ);
• резонансные контуры;
• электронный дроссель в радио,- и компьютерных схемах.

Токоограничители

Расчет катушки индуктивности

Для чего нужны дроссели в качестве токоограничителей, можно узнать из следующего списка:

1. Катушки без сердечников имеют маленькое сопротивление, поэтому они эффективно ограничивают величину тока короткого замыкания. Даже малейшее уменьшение мощности дуги короткого замыкания имеет большое значение.
2. Во время пуска мощных электродвигателей включаются в работу катушки индуктивности. После набора максимальных оборотов аппаратом катушка отключается пусковым устройством.
3. В лампах дневного света электрические дроссели препятствуют резкому включению тока максимальной величины. В результате происходит постепенный разогрев ртути и переход её в парообразное состояние. У ламп ДРЛ 250 дроссели находятся внутри колбы. Дроссели ламп ДНАТ находятся внутри кожуха отдельно от колбы.

Обратите внимание! Аббревиатура ДРЛ означает Дуговая Ртутная Лампа. ДНАТ – Дуговая Натриевая Трубка.

Катушки насыщения

После насыщения магнитного поля величина сопротивления катушки перестаёт расти. Ранее катушки насыщения составляли основу стабилизаторов напряжения. Сегодня их заменили электронные системы.

Фильтры сглаживания

Что это такое в электронике дроссель? Это фильтры сглаживания, которые выпрямляют линию пульсации переменного напряжения. В результате обеспечивается стабильность работы электронной аппаратуры. Такой фильтр выглядит в виде бочонка на USB-кабеле. Внутри него находится одновитковая катушка. В электронных платах используют дроссели марки r68.

Магнитные усилители (МУ)

Они были включены в систему управления электромоторов. Магнитная индукция в сердечнике насыщалась намагничиванием стали сердечника. В пускателе использовалось сразу несколько обмоток. Сегодня вместо магнитных пускателей применяют тиристорные системы.

Схема магнитного пускателя

Резонансные контуры

Резонансную схему применяют в тюнерах. Индуктивная катушка параллельно с конденсатором объединена в единую систему, что составляет резонансный контур. Схема обеспечивает малое сопротивление с фиксированной частотой.

Электронный дроссель в радио,- и компьютерных схемах

Катушки индуктивности типа r68 применяют в монтажных платах с целью выделения токов определённой частоты. Также они исполняют роль защиты, как от внешних, так и внутренних помех частей схемы.

Основные понятия в электронике

Родоначальником открытия электричества считается английский физик Уильям Гилберт. В 1600 году он ввёл понятие «янтарность», что в переводе обозначает электричество. Ученым было обнаружено на опытах с янтарем, что если его потереть о шёлк, он приобретает свойства притягивать к себе другие физические тела. Так было открыто статическое электричество. Первая электрическая машина была создана немецким инженером Отто фон Герике. Агрегат выглядел в виде металлического шеста с надетым на его верхушку серным шаром.

Последующие годы ряд физиков и инженеров из различных стран исследовали свойства электричества, открывая новые явления и изобретая приборы. Наиболее выдающимися учёными, которые внесли весомый вклад в науку, считаются Гальвани, Вольт, Эстред, Ом, Фарадей, Герц, Ампер. Признавая важность их открытий, фундаментальные величины, характеризующие различные электрические явления, назывались их именами.

Итогом их экспериментов и теоретических догадок стал труд Максвелла, создавшего теорию электромагнитных явлений в 1873 году. А через двадцать лет англичанин Томсон обнаружил частицу, участвующую в образовании электричества (электрон), положение которой в атомной структуре тела после указал Резерфорд.

Так было обнаружено, что электрический заряд — это способность физических тел создавать вокруг себя особое поле, оказывающее воздействие на другие вещества. Электричество связано с магнетизмом, который влияет на положение электронов, являющихся элементарными частицами тела. Каждая такая частица обладает определённой энергией (потенциалом) и может перемещаться по телу в хаотично.

Придание же электронам направленного движения приводит к возникновению тока. Работа, затраченная на перемещение элементарной частички, называется напряжением. Если ток течёт в замкнутой цепи, то он создаёт магнитное поле, то есть силу, действующую на электроны.

Все вещества разделяются на три типа:

• проводники — это тела, свободно пропускающие через себя ток;
• диэлектрики — в этих телах невозможно появление свободных электронов, а значит, ток через них протекать не может;
• полупроводники — материалы, свойство которых пропускать ток зависит от внешних факторов, например, температуры.

Характеристикой, обозначающей способность тела проводить ток, называется проводимость, а величина обратная ей — сопротивлением.

Активное сопротивление

На прохождение электрического тока в итоге оказывают влияние три физические величины: сопротивление, индуктивность и ёмкость. Каждый радиоэлемент (не исключение и дроссель) обладает ими в какой-то мере.

Активное сопротивление представляет собой величину, препятствующую прохождению тока и равную отношению разности потенциалов к силе тока (закон Ома). Его сущность объясняется тем, что в кристаллической решётке различных физических тел содержится разное число свободных носителей зарядов. Кроме этого, сама структура может быть неоднородной, то есть содержать примеси или дефекты. Электроны, перемещаясь под действием поля, сталкиваются с ними и отдают часть своей энергии кристаллам тела.

В результате таких столкновений частички теряют импульс, а сила тока уменьшается. Рассеиваемая электрическая энергия превращается в тепло. Элементом, использующим естественные свойства физического тела, является резистор.

Что же касается дросселя, то его активное сопротивление считается паразитным, вызывающим нагревание и ухудшение параметров. Зависит оно от типа материала и его физических размеров.

Определяется по формуле R = p * L / S, Ом, где:

• p — удельное сопротивление (справочная величина), Ом*см;
• L — длина проводника, см;
• S — площадь поперечного сечения, см2.

Ёмкостная составляющая

Любой проводник тока в разной мере имеет свойство накапливать электрический заряд. Эта способность называется ёмкостью элемента. Для одних радиодеталей она считается вредной составляющей (в частности, для дросселя), а для других — полезной (конденсатор). Относят это понятие к реактивному сопротивлению. Его величина зависит от вида подаваемого сигнала на элемент и ёмкости материала, из которой он сделан.

Вам это будет интересно Как пользоваться цифровым мультиметром: рекомендации по настройке

Математически реактивное сопротивление описывается выражением Xc = 1/w*C, где:

• w — циклическая частота, скалярная угловая величина, определяющаяся числом колебаний сигнала за единицу времени (2*p*f), Гц;
• C — ёмкость элемента, Ф.

Из формулы видно, что чем больше будет ёмкость и частота тока, тем выше сопротивление элемента, а значит, имеющий большое ёмкостное сопротивление дроссель будет нагреваться. Значение ёмкости в дросселе зависит от размеров проводника и способа его укладки. При спиралевидной намотке между рядом лежащими кольцами возникает ёмкость, также влияющая на протекающий ток.

Паразитная составляющая ёмкости проявляется и в образовании собственного резонанса изделия, так как дроссель на эквивалентной схеме можно представить в виде последовательной цепочки индуктивности и конденсатора. Такое включение создаёт колебательный контур, работающий на определённой частоте. Если частота сигнала будет ниже резонансного значения, то преобладать будет индуктивная составляющая, а если выше — ёмкостная.

Поэтому существенной задачей изготовления дросселя в электронике считается увеличение собственного резонанса конструкции.

Индуктивность и самоиндукция

Электрическое поле неразрывно связано с магнитным. Там, где существует одно, неизменно появляется и второе. Индуктивность — это физическая величина, характеризующаяся накоплением энергии, но в отличие от ёмкости эта энергия является магнитной. Её величина зависит от магнитного потока, образованного силой тока, протекающего через радиоэлемент. Чем больше ток, тем сильнее магнитный поток пронизывает изделие. Интенсивность накопления элементом энергии зависит от этого потока.

Математическая формула нахождения индуктивности — L = Ф/ I, где:

• Ф — магнитный поток, Вб;
• I — сила тока, текущая через элемент, А.

Индуктивность измеряется в генри (Гн). Таким образом, катушка индуктивности в момент протекания через неё тока создаёт магнитный поток равный одному веберу (Вб).

Сопротивление, оказываемое индуктивностью, во многом зависит от частоты приложенного сигнала. Для его расчёта используется выражение XL = w*L. То есть для постоянного тока она равна нулю, а для переменного — зависит от его частоты. Иными словами, для высокочастотного сигнала элемент будет обладать большим сопротивлением.

Физический процесс, наблюдаемый при прохождении переменного тока через индуктивность, можно описать следующим образом: в течение первой декады сигнала (ток возрастает) магнитное поле усиленно потребляет энергию из электрической цепи, а в последней декаде (ток убывает) отдаёт её обратно, поэтому за период прохождения тока мощность не потребляется.

Но эта модель подходит к идеальному элементу, на самом же деле некоторая часть энергии превращается в тепло. То есть происходят потери, характеризующиеся добротностью Q, определяемую отношением получаемой энергии к отдаваемой.

При изменении тока, текущего через проводник в контуре, возникает электродвижущая сила индукции (ЭДСИ) — самоиндукция. Другими словами, переменный ток изменяет величину магнитного потока, который приводит в итоге к появлению ЭДСИ. Проявляется этот эффект в замедлении процессов появления и спадания тока. Амплитуда самоиндукции пропорциональна величине тока, частоте сигнала и индуктивности. Её отставание по фазе от сигнала составляет 90 градусов.

Основные характеристики

К основным характеристикам относятся следующие показатели:

• величина индукции;
• потеря сопротивления;
• потери сердечника;
• потери из-за вихревых токов;
• паразитная ёмкость;
• ТКИ (температурный коэффициент индуктивности).

Дополнительная информация. Характеристики катушек индуктивности нужны для расчёта новых моделей устройств. Параметры также используются при проектировании печатных плат.

Что такое электрический дроссель?

Дросселем, в общем случае, называют катушку индуктивности, чаще всего с сердечником, которая служит для устранения или уменьшения переменного (импульсного) тока, разделения или ограничения сигналов различной частоты. Исходя из этого, дроссели условно можно разделить на следующие типы:
— сглаживающие дроссели, предназначены для ослабления переменной составляющей постоянного тока или напряжения различной частоты, то есть сглаживания пульсаций, на выходе и входе силовых преобразователей или выпрямителей;

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

— дроссели переменного тока, предназначены для ограничения электрического тока, при резких изменениях нагрузки, например, при пуске электродвигателей или источников питания;

— дроссели насыщения, или управляемые дроссели, предназначенные для регулирования индуктивного сопротивления за счёт изменения тока подмагничивания.

Дроссели, как и любая другая катушка индуктивности, может быть без сердечника, с замкнутым сердечником, с сердечником, имеющим малый зазор и с сердечником, имеющим большой зазор или разомкнутым сердечником. Поэтому в независимости от назначения дросселя его принцип действия основан на электромагнитных свойствах катушки индуктивности и сердечника, на котором она выполнена.

Маркировка малогабаритных устройств

Устройства для электронных плат имеют размеры не более 2-3 см. Нанести читаемую маркировку в цифровом или буквенном обозначении практически невозможно. Для этого применяют цветовую маркировку электронных дросселей. Дроссели на схемах изображают в виде спирали с параллельной чертой.

На цилиндрический корпус радиодетали наносят несколько цветных колец. Первые две полосы (слева направо) означают величину индуктивности, измеряемую в мГенри. Третья полоса указывает множитель, на который нужно умножить число индуктивности. Четвёртое кольцо выражает допустимое отклонение в % от номинала. Если его не окажется на корпусе детали, то принято считать допуск в пределах 20%.

Таблица цветовой маркировки

Например, цвета колец расположились в следующем порядке: коричневый, жёлтый, оранжевый и серебристый. Это означает величину индуктивности 14 mH, где допуск отклонения составляет 10%.

Технический прогресс не стоит на месте. С каждым годом появляются новые аналоги устаревших моделей. Разработка новых технологий во всех сферах деятельности человека требует совершенствования радиодеталей, в том числе дросселей.

Как проверить дроссель мультиметром

Что такое дроссель и для чего его применяют разобрались, теперь ещё стоит научиться определять его работоспособность. Если мультиметр может измерять индуктивность, всё несложно. Просто проводим измерение. Если параметры дросселя нам неизвестны, выставляем самый большой предел измерений. Обычно это несколько сотен Генри. На шакале обозначаются русскими Гн или латинской буквой H.

Установив переключатель мультиметра в нужное положение, щупами касаемся выводов катушки. На экране высвечивается какое-то число. Если цифры малы, переводим переключатель в одно из следующих положений, ориентируясь по предыдущим показателям.

Функция измерения индуктивности есть далеко не во всех мультиметрах

Например, если высветилось 10 мГн, выставляем предел измерения ближайший больший. После этого повторно проводим измерения. В этом случае на экране высветится индуктивность измеряемого дросселя. Имея паспортные данные, можно сравнить реальные показатели с заявленными. Они не должны сильно отличаться. Если разница велика, надо дроссель менять.

Если мультиметр простой, функции измерения индуктивности в нём нет, но есть режим измерения сопротивлений, также можно проверить его работоспособность. Но в данном случае мы будем измерять не индуктивность, а сопротивление. Измерив сопротивление обмотки мы просто сможем понять, работает дроссель или он в обрыве.

Так можно проверить исправность дросселя для ламп дневного света

Для прозвонки дросселя тестером переводим переключатель мультиметра в положение измерения сопротивлений. Выставляем предел измерений, лучше выставить нижний,чтобы видеть сопротивление обмотки. Далее щупами прикасаемся к концам обмотки. Должно высветиться какое-то сопротивление. Оно не должно быть бесконечно большим (обрыв) и не должно быть нулевым (короткое). В обоих случаях дроссель нерабочий, все остальные значения — признак работоспособности.

Чтобы убедиться в отсутствии короткого замыкания на витках дросселя, можно перевести мультиметр в режим прозвонки и прикоснуться щупами к выводам. Если звенит — короткое есть, где-то есть пробой, а это значит, что нужен другой дроссель.

Виды

Дроссель-трансформаторы выпускают в двух вариациях:

• Низкочастотные. Они почти не отличаются от железного трансформатора, просто дополнительно имеют одну обмотку. Катушка является стабилизатором, поэтому при понижении тока она сохраняет требуемый уровень, а при повышении снижает до нормальных показателей.
• Высокочастотные. Больше распространены из-за своей стабильной долговечной работы. Для них используется сердечник из стали или феррита, в дешевых аналогах применяют пластик. При работе с длинными или средними волнами используется секционная намотка.

Детали с сердечниками занимают меньше места, поэтому подходят для малогабаритных приборов.

Также элементы классифицируют по назначению:

• Для запуска двигателей. Его используют как ограничитель для пускового и тормозного тока. Иногда деталь меняют на трехфазный трансформатор, поскольку он выполняет те же функции.
• Для насыщения. Ставится в преобразователях или стабилизирующих устройствах. Подходит для магнитных усилителей, поскольку сердечник меняет сопротивление.
• Для сглаживания. Ставится для устранения резких пульсаций, часто встречается в ламповых усилителях.

Помимо этого, есть модели, которые работают на вторичных импульсных источниках. Для этого устройство сначала накапливает энергию в своем поле, а потом переводит ее в нагрузку.

Назначение

Многих интересует, что такое дроссель и как он выглядит. Устройство выполнено в виде железного трансформатора, единственным отличием является наличие одной обмотки. Катушка накручена на сердечник из трансформаторной стали, при этом пластины разделены и не контактируют друг с другом с целью снижения вихревого тока.

Электронный дроссель характеризуется высоким уровнем индуктивности до 1Гн, катушка эффективно противодействует изменениям тока в электроцепи. При снижении силы тока катушка его поддерживает, а в случае резкого повышения катушка обеспечивает ограничение и предотвращение резкого скачка.

Рассматривая, для чего нужен дроссель, следует назвать такие цели:

• снижение помех;
• сглаживание пульсаций электрического тока;
• накапливание энергии в магнитном поле;
• отделение частей схемы по высокой частоте.

Зачем же нужен дроссель? Основным его назначением в электросхеме является задержка на себе тока конкретного частотного диапазона или накопление энергии в магнитном поле.

Важность дросселя объясняется тем фактом, что люминесцентные газоразрядные лампы (к примеру, бытовые светильники, фонари на улицах) не функционируют без дросселя. Он выступает в роли ограничителя напряжения, подающегося на электроды газоразрядной лампы

Также дроссельные устройства формируют пусковое напряжение, требуемое для создания электрического разряда между электродами. Благодаря этому обеспечивается включение люминесцентной лампы. Пусковое напряжение рассчитано всего на доли секунды. Таким образом, дроссель – это устройство, отвечающее за включение лампы и ее стабильное функционирование.

Предназначение

В инверторе для сварки дроссель необходим, чтобы создать на электроде электрическую дугу. Поджиг происходит при достижении определенного уровня напряжения.

Сварочный дроссель увеличивает сопротивление, что смещает фазы между током и напряжением и позволяет производить более плавный поджиг. Сам по себе этот факт часто позволяет избежать прожигания заготовки, особенно если сварке подвергаются детали из тонкого листового металла.

Плавное изменение силы тока позволяет не испортить заготовку резкой подачей завышенной мощности, оптимально установить температуру дуги и, соответственно, не допустить разбрызгивания металла при сохранении нужной глубины обработки.

Другое ценное его свойство — это частичная защита от нестабильного напряжения в сети.

Дроссель для сварочного инвертора существенно облегчает поджиг электрода, который должен загораться при более высоком напряжении, чем выдает инвертор.

Примером может служить электрод MP-3, вольтаж для возгорания которого должен составлять 70 В. Выходной дроссель для сварки может существенно облегчить работу с этим электродом для инвертора, который выдает всего 48 В в режиме холостого хода.

Это происходит благодаря явлению самоиндукции. Устройство индуцирует ЭДС (электродвижущую силу), которая вызывает пробой воздуха и вспыхивание сварочной дуги, стоит только поднести присадку на расстояние в несколько миллиметров от поверхности металла.

Дроссель для сварки подключается ко вторичной обмотке трансформатора в аппарате. Его можно использовать в аппаратах любого типа — как в самодельных, так и заводского изготовления, работающих по любому принципу — инверторных, с понижающим трансформатором и тому подобное.

Включение и проверка

Дроссель для сварки подключается к системе между диодным мостом и массой — контактом, который идет на соединение со свариваемым материалом. Выход диодного моста соединяется со входом дросселя, к выходу собранной катушки индуктивности — соответственно контакт массы.

Всю конструкцию для сварки в сборе необходимо протестировать на кусочке металла того же химического состава и толщины, с каким в дальнейшем планируется вести большую часть сварочных работ. Показателями качества являются:

• легкий электроподжиг;
• стабильность дуги;
• относительно слабый треск;
• плавное горение без сильных брызг расплава.

Учтите, что введение этого элемента в конструкцию сварочного аппарата приводит не только к стабилизации работы, но и к некоторому падению силы тока. Если инвертор или полуавтомат начал варить хуже, то значит — упала сила тока.

Дроссель нужно отсоединить и снять несколько витков с каждой катушки. Точное количество витков в каждом конкретном случае подбирается эмпирическим путем.