Катушка индуктивности (дроссель, индуктор) — это устройство, которое используется в электронике и электротехнике для накопления энергии в магнитном поле, когда через него протекает электрический ток. Состоит из проводника, обычно в виде проволоки, намотанной на сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью, такого как феррит.

Индуктивность – это основное свойство катушки, определяющее, насколько сильно она противостоит изменению тока через нее. Чем выше индуктивность, тем сильнее катушка препятствует изменению тока. Индуктивность измеряется в генри (Гн) и зависит от количества витков, материала сердечника и геометрических размеров катушки.

Благодаря подобному свойству, катушки находят широкое применение в различных областях: они используются в фильтрах для подавления помех, в колебательных контурах для настройки радиоприемников и передатчиков, а также в импульсных источниках питания для сглаживания пульсаций напряжения.

Катушка индуктивности

Содержание

История создания
Принцип работы и устройство
Основные характеристики

Индуктивность
Сопротивление
Магнитная проницаемость
Добротность
Импеданс
Емкость
Рабочая температура

Виды/типы

По конструкции

Катушки ферритовые (с сердечником)
Катушки воздушные (без сердечника)
Катушки однослойные
Катушки многослойные
Катушки каркасные
Катушки бескаркасные
Катушки экранированные
Катушки неэкранированные

По индуктивности

Катушки с постоянной индуктивностью
Катушки с переменной индуктивностью (вариометры)

По частоте

Катушки низкочастотные
Катушки высокочастотные

Соленоиды
Дроссели

Применение
Маркировка и система обозначений

История создания катушки индуктивности

История катушек индуктивности тесно связана с открытием электромагнитной индукции, сделанная Майклом Фарадеем в 1831 году. Это событие стало ключевым моментом в понимании природы электричества и магнетизма, а также в создании новых технологий и устройств.

Майкл Фарадей, основывался на результатах экспериментов датского ученого Ханса Эрстеда. Эрстед обнаружил, что, если по проводнику течет электрический ток, вокруг него образуется магнитное поле, и проводник приобретает магнитные свойства.

Фарадей, в свою очередь, открыл явление, обратное обнаруженному Эрстедом.

Ученый провел серию экспериментов, в которых обмотал двумя проводами противоположные стороны железного тора, тем самым создав первый прототип катушки. Основываясь на своей оценке недавно открытого свойства электромагнита, Фарадей ожидал, что при включении тока в одном проводе волна особого рода пройдет сквозь тор и вызовет электрическое воздействие на его противоположной стороне. Один из проводов он подключил к гальванометру и наблюдал за ним, пока другой провод подключал к батарее. И действительно, Фарадей увидел кратковременный всплеск тока (который он назвал «волной электричества»), когда подключал провод к батарее, и еще один такой же всплеск при отключении провода.

Первые экспериментальные катушки индуктивности, которые использовались в исследованиях, имели простую конструкцию, состоящую из проволочной обмотки на магнитном сердечнике. Они были созданы лишь для демонстрации индукции и в последствии стали основой для дальнейших исследований и разработок.

Одна из первых катушек индуктивности

Со временем конструкция катушек усложнилась. В конце XIX века были разработаны соленоиды — цилиндрические катушки с проволочной обмоткой, которая создает однородное магнитное поле внутри своего объема.

В начале XX века были разработан новый материал для сердечников катушек — феррит (оксид железа с высокой магнитной проницаемостью). Начали проводится исследования с мягкими сплавами, для того чтобы управлять формой сердечника и создавать катушки с заданными характеристиками.

Принцип работы и устройство катушки индуктивности

Принцип работы катушки основан на явлении электромагнитной индукции. Когда через катушку протекает переменный ток, он создает переменное магнитное поле вокруг катушки. Это переменное магнитное поле, в свою очередь, индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в самой катушке, противодействуя изменению тока, который ее создал. Таким образом, катушка индуктивности оказывает сопротивление изменению тока, протекающего через нее. Это свойство называется самоиндукцией.

Катушка индуктивности является пассивным электрическим компонентом.

Конструктивно катушка индуктивности состоит из следующих основных компонентов:

Проводник. Проводник, обычно в форме провода или ленты, является ключевым компонентом катушки индуктивности. Он может быть сделан из меди, алюминия или другого проводящего материала. Проводник наматывается на сердечник в форме витков, которые создают магнитное поле при протекании через них тока.
Сердечник. Сердечник является центральным компонентом катушки индуктивности, вокруг которого наматывается проводник. Он может быть сделан из ферромагнитного материала, такого как железо или сталь, или из немагнитного материала, такого как пластик. Также катушка может быть пустотелой, т.е. у нее будет воздушный сердечник.
Изоляция. Между витками проводника и между проводником и сердечником обычно используется изоляционный материал, такой как лак, бумага, пластик или воздух. Изоляция предотвращает короткое замыкание между витками и обеспечивает надежную работу катушки.
Терминалы. Катушка индуктивности имеет два терминала, через которые она подключается к электрической цепи. Терминалы могут быть в форме клемм, винтовых зажимов или других типов соединений, в зависимости от конкретного применения.

Основные характеристики катушки индуктивности

Катушки индуктивности имеют ряд важных свойств, которые влияют на их работу и применение.

При выборе катушки индуктивности необходимо учитывать конкретные требования к индуктивности, сопротивлению, магнитной проницаемости, добротности, импедансу, емкости и рабочей температуре, чтобы обеспечить оптимальную работу устройства.

Понимание этих характеристик позволяет эффективно использовать катушки индуктивности в различных устройствах и системах.

Индуктивность

Индуктивность (L) является одной из основных характеристик катушки индуктивности. Она измеряется в генри (Гн) и представляет собой количество энергии, хранимой в магнитном поле катушки. Индуктивность зависит от количества витков проводника, площади поперечного сечения сердечника и проницаемости материала сердечника. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергии она может хранить и тем сильнее магнитное поле, которое она создает.

Сопротивление

Сопротивление (R) является еще одной важной параметром. Оно измеряется в Омах (Ом) и представляет собой сопротивление, которое оказывает катушка протеканию электрического тока. Сопротивление зависит от длины и сечения проводника, а также от материала, из которого он сделан. Чем длиннее и тоньше проводник, и чем менее проводящим является материал, тем выше сопротивление.

Магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость (μ) является характеристикой материала сердечника катушки индуктивности. Она измеряется в генри на метр (Гн/м) и представляет собой способность материала усиливать магнитное поле. Чем выше магнитная проницаемость материала, тем сильнее магнитное поле, которое он может создать при том же токе.

Добротность

Добротность (Q) — это параметр, характеризующий качество катушки. Добротность показывает, насколько эффективно катушка может накапливать и отдавать магнитную энергию. Добротность измеряется безразмерным числом и зависит от индуктивности, сопротивления и паразитной емкости катушки. Чем выше добротность катушки, тем лучше она сохраняет энергию.

Импеданс

Импеданс (Z) является комплексной характеристикой катушки индуктивности, которая включает в себя как сопротивление, так и реактивное сопротивление, связанное с индуктивностью. Он измеряется в Омах (Ом) и представляет собой общее сопротивление, оказываемое катушкой переменному току. Импеданс зависит от частоты тока.

Емкость

Емкость (С) описывает способность катушки хранить электрический заряд. Она измеряется в фарадах (Ф) и представляет собой количество электрического заряда, которое может быть сохранено при заданном напряжении. Емкость катушки индуктивности обычно мала и не оказывает значительного влияния на ее работу.

Рабочая температура

Рабочая температура определяет диапазон температур, в котором катушка индуктивности может безопасно работать. Она зависит от материала проводника, изоляции и сердечника. При работе катушки за пределами рабочего диапазона температур ее характеристики могут измениться, что может повлиять на ее работу и надежность.

Виды катушек индуктивности

Катушки индуктивности имеют несколько типов, каждый из которых имеет свои особенности и области применения.

По конструкции

Катушки ферритовые (с сердечником)

Катушки ферритовые являются одним из наиболее распространенных типов катушек индуктивности. Они состоят из проводника, намотанного на сердечник из ферромагнитного материала. Ферритовый сердечник усиливает магнитное поле, создаваемое катушкой, и увеличивает ее индуктивность.

Ферритовые катушки имеют высокую индуктивность при относительно небольшом размере, что делает их идеальными для применения в фильтрах, дросселях и трансформаторах. Они также имеют хорошую стабильность и высокую добротность, что позволяет эффективно хранить энергию в магнитном поле.

Катушка с ферритовым сердечником

Катушки воздушные (без сердечника)

Катушки воздушные, или катушки без сердечника, состоят только из проводника, намотанного на каркас или изоляционную трубку. Они не имеют ферромагнитного сердечника, поэтому их индуктивность ниже, чем у катушек с сердечником. Однако они имеют более широкий диапазон частот, на которых они могут эффективно работать.

Воздушные катушки используются в высокочастотных приборах, где необходима низкая индуктивность и высокая стабильность. Они также могут быть более компактными и легкими, что делает их подходящими для использования в портативных устройствах и системах.

Катушка индуктивности без сердечника

Катушки однослойные

Катушки однослойные состоят из одного слоя проводника, намотанного на сердечник. Они являются наиболее простыми по конструкции и имеют относительно низкую индуктивность. Используются в устройствах, где не требуется высокая индуктивность, таких как фильтры для подавления высокочастотных помех.

Однослойные катушки также могут быть использованы в качестве вторичных обмоток трансформаторов, где они преобразуют высокое напряжение в низкое. Они имеют низкое рассеивание магнитного поля, что делает их безопасными для использования вблизи чувствительных электронных компонентов.

Катушки многослойные

Катушки многослойные состоят из нескольких слоев проводников, намотанных вокруг одного сердечника. Каждый слой может быть изолирован от других слоев, что позволяет использовать разные типы проводников или разные напряжения. Имеют более высокую индуктивность, чем однослойные катушки, при том же размере.

Многослойные катушки используются в приложениях, где требуется высокая индуктивность в компактном пространстве, таких как трансформаторы, дроссели и фильтры для источников питания. Они также могут быть использованы в антеннах для передачи и приема радиосигналов.

Катушки каркасные

Катушки каркасные состоят из проводника, намотанного на каркас, который обеспечивает механическую поддержку и форму катушки. Каркас может быть сделан из пластика, керамики или другого немагнитного материала. Подобные дроссели имеют более стабильную форму и могут быть более прочными, чем бескаркасные конструкции.

Каркасные катушки используются в устройствах, где требуется жесткая конструкция, таких как автомобильная электроника, промышленные устройства и системы управления.

Каркасная катушка индуктивности

Катушки бескаркасные

Бескаркасные катушки состоят только из проводника, намотанного в форме спирали или соленоида. Они не имеют каркаса или сердечника, что делает их более гибкими и легкими. Могут быть использованы в качестве первичных или вторичных обмоток трансформаторов, где они позволяют передавать энергию без прямого механического контакта между обмотками.

Бескаркасная катушка индуктивности

Катушки экранированные

Экранированные катушки имеют дополнительный слой изоляционного материала, который окружает проводник и сердечник. Этот слой, называемый экраном, защищает катушку от внешних электромагнитных помех и предотвращает излучение магнитного поля за пределы катушки.

Часть применяются в ситуациях, где необходима электромагнитная совместимость, таких как медицинское оборудование, системы связи и чувствительные электронные устройства.

Катушки неэкранированные

Неэкранированные катушки не имеют дополнительного слоя изоляционного материала, что делает их более чувствительными к внешним электромагнитным полям, но при этом и делает их более эффективными в преобразовании энергии (так как нет дополнительного сопротивления экрана). Они могут использоваться в устройствах, где не требуется защита от помех.

По индуктивности

Катушки с постоянной индуктивностью

Катушки с постоянной индуктивностью имеют индуктивность, которая остается неизменной в широком диапазоне условий. Это означает, что их индуктивность не зависит от тока, напряжения или температуры. Катушки с постоянной индуктивностью используются в приборах, где необходима стабильная и предсказуемая индуктивность, таких как трансформаторы.

Катушки с переменной индуктивностью (вариометры)

Катушки с переменной индуктивностью, также известные как вариометры, имеют индуктивность, которая может изменяться посредством механического или электрического воздействия. Это делает их идеальным выбором для устройств, где требуется регулируемая индуктивность, таких как тюнеры, датчики и измерительные устройства.

Вариометры могут иметь различные конструкции, но одним из наиболее распространенных типов является воздушная катушка с подвижным сердечником. При перемещении сердечника относительно проводников индуктивность катушки изменяется. Вариометры также могут иметь ферромагнитный сердечник, индуктивность которого изменяется в зависимости от магнитного потока, создаваемого внешним магнитным полем.

По частоте

Катушки низкочастотные

Катушки низкочастотные предназначены для работы на низких частотах. Они обладают высокой индуктивностью и низким сопротивлением, что позволяет им эффективно блокировать высокочастотные помехи и передавать низкочастотные сигналы. Поэтому они находят широкое применение в фильтрах и в колебательных контурах.

Конструкция низкочастотных катушек обычно включает в себя сердечник из материалов, которые могут обеспечить высокую магнитную проницаемость. При этом проводник наматывается на сердечник в форме большого количества витков, что увеличивает индуктивность катушки.

Катушки высокочастотные

Высокочастотные катушки, напротив, предназначены для работы на высоких частотах. Они имеют меньшую индуктивность и более высокое сопротивление, что позволяет им эффективно работать на высоких частотах.

Конструкция катушек обычно включает в себя сердечник из немагнитного материала (воздух или пластик), который имеет низкую магнитную проницаемость. Проводник наматывается на сердечник в форме небольшого количества витков, что дополнительно уменьшает индуктивность катушки.

Катушки высокочастотные используются в антеннах, телекоммуникационном оборудовании и других устройствах, требующих передачи и приема высокочастотных сигналов.

Соленоиды

Соленоид — это разновидность катушки индуктивности с сердечником, которая имеет цилиндрическую форму (причем длина значительно больше его диаметра). Благодаря такой конструкции, при пропускании электрического тока магнитное поле внутри катушки равномерно распределяется и многократно усиливается.

Катушка соленоид

Дроссели

Дроссель представляет собой катушку индуктивности, специально разработанную для ограничения переменного тока в цепи, разделения или предотвращения колебаний различной частоты.

Главной особенностью дросселя по сравнению с обычной катушкой индуктивности является то, что он предназначен для работы с большими постоянными токами. Это означает, что дроссель обычно имеет больший размер и вес, и способен выдерживать большие токи без насыщения сердечника.

Используются в стабилизаторах напряжения, выпрямителях, источниках питания и других устройствах, где необходима стабильность тока.

Применение

Фильтрация. Катушки индуктивности используются для подавления помех в электрических цепях, особенно в высокочастотных приложениях. Они могут быть настроены на определенную частоту, чтобы блокировать нежелательные сигналы, что делает их идеальными для использования в фильтрах и блокирующих устройствах. Кроме того, они могут использоваться для сглаживания биений в электрических цепях, уменьшая их влияние на работу устройств.

Накопление. Катушки также играют важную роль в схемах накопления энергии и ограничения переменного тока. В схемах накопления энергии, например, в импульсных стабилизаторах напряжения, катушка индуктивности накапливает энергию в магнитном поле при прохождении через нее переменного тока, а затем выдает эту энергию в виде импульсов при разрыве цепи. Это позволяет создавать стабильные источники питания с высоким напряжением.

Преобразование. Катушки применяются в электрических генераторах для преобразования механической энергии в электрическую. Они создают магнитное поле, которое взаимодействует с проводником, вращающимся внутри генератора, и индуцируют электрический ток.

Ограничение. Катушки используются в качестве дросселей для ограничения переменного тока в электрических цепях. Они стабилизируют работу электрических цепей, предотвращая колебания напряжения и тока. Дроссели на основе катушек индуктивности используются в стабилизаторах напряжения, источниках питания и системах управления.

Передача. Катушки индуктивности находят применение в антеннах для передачи и приема радиосигналов. Они преобразуют электрические сигналы в радиоволны и наоборот.

Переключение. Катушки используются в реле, которые являются электрическими переключателями, управляемыми электрическим током. Когда через катушку индуктивности протекает ток, она создает магнитное поле, которое может привлекать или отталкивать подвижную часть реле, переключая электрические цепи. Реле используются в системах управления, безопасности и автоматизации.