Как катушка увеличивает напряжение

Катушка индуктивности

Что такое катушка индуктивности

Что вы себе представляете под словом «катушка» ? Ну… это, наверное, какая-нибудь «фиговинка», на которой намотаны нитки, леска, веревка, да что угодно! Катушка индуктивности представляет из себя точь-в-точь то же самое, но вместо нитки, лески или чего-нибудь еще там намотана обыкновенная медная проволока в изоляции.

Изоляция может быть из бесцветного лака, из ПВХ-изоляции и даже из матерчатой. Тут фишка такая, что хоть и провода в катушке индуктивности очень плотно прилегают к друг другу, они все равно изолированы друг от друга. Если будете мотать катушки индуктивности своими руками, ни в коем случае не вздумайте брать обычный медный голый провод!

Индуктивность

Любая катушка индуктивности обладает индуктивностью. Индуктивность катушки измеряется в Генри (Гн), обозначается буковкой L и замеряется с помощью LC — метра.

Что такое индуктивность? Если через провод пропустить электрический ток, то он вокруг себя создаст магнитное поле:

А давайте возьмем и намотаем в спиральку этот провод и подадим на его концы напряжение

И у нас получится вот такая картина с магнитными силовыми линиями:

Грубо говоря, чем больше линий магнитного поля пересекут площадь этого соленоида, в нашем случае площадь цилиндра, тем больше будет магнитный поток (Ф). Так как через катушку течет электрический ток, значит, через нее проходит ток с Силой тока (I), а коэффициент между магнитным потоком и силой тока называется индуктивностью и вычисляется по формуле:

С научной же точки зрения, индуктивность — это способность извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля. Если ток в катушке увеличивается, магнитное поле вокруг катушки расширяется, а если ток уменьшается , то магнитное поле сжимается.

Самоиндукция

Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение.

Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома:

I — сила тока в катушке , А

U — напряжение в катушке, В

R — сопротивление катушки, Ом

Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное.

И второй феномен в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности — источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы уже подали на катушку.

То есть как только мы разрываем цепь, на катушке напряжение в этот момент может быть в разы больше, чем было до размыкания цепи, а сила тока в цепи катушки будет тихонько падать, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать убывающее напряжение.

Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока будет плавно убывать до нуля. Короче говоря, сила тока в катушке мгновенно измениться не может.

Типы катушек индуктивности

Катушки индуктивности делятся в основном на два класса: с магнитным и немагнитным сердечником. Снизу на фото катушка с немагнитным сердечником.

Но где у нее сердечник? Воздух — это немагнитный сердечник :-). Такие катушки также могут быть намотаны на какой-нибудь цилиндрической бумажной трубочке. Индуктивность катушек с немагнитным сердечником используется, когда индуктивность не превышает 5 миллигенри.

А вот катушки индуктивности с сердечником:

В основном используют сердечники из феррита и железных пластин. Сердечники повышают индуктивность катушек в разы. Сердечники в виде кольца (тороидальные) позволяют получить большую индуктивность, нежели просто сердечники из цилиндра.

Для катушек средней индуктивности используются ферритовые сердечники:

Катушки с большой индуктивностью делают как трансформатор с железным сердечником, но с одной обмоткой, в отличие от трансформатора.

Дроссель

Также есть особый вид катушек индуктивностей. Это так называемые дроссели. Дроссель — это катушка индуктивности, задача которой состоит в том, чтобы создать в цепи большое сопротивление для переменного тока, чтобы подавить токи высоких частот.

Постоянный ток через дроссель проходит без проблем. Почему это происходит, можете прочитать в этой статье. Обычно дроссели включаются в цепях питания усилительных устройств. Дроссели предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов). На низких частотах (НЧ) они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники. Ниже на фото силовые дроссели:

Также существует еще один особый вид дросселей — это сдвоенный дроссель. Он представляет из себя две встречно намотанных катушки индуктивности. За счет встречной намотки и взаимной индукции он более эффективен. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания, а также в звуковой технике.

Что влияет на индуктивность?

От каких факторов зависит индуктивность катушки? Давайте проведем несколько опытов. Я намотал катушку с немагнитным сердечником. Ее индуктивность настолько мала, что LC — метр мне показывает ноль.

Имеется ферритовый сердечник

Начинаю вводить катушку в сердечник на самый край

LC-метр показывает 21 микрогенри.

Ввожу катушку на середину феррита

Продолжаю вводить катушку на правый край феррита

20 микрогенри. Делаем вывод, самая большая индуктивность на цилиндрическом феррите возникает в его середине. Поэтому, если будете мотать на цилиндрике, старайтесь мотать в середине феррита. Это свойство используется для плавного изменения индуктивности в переменных катушках индуктивности:

3 — сердечник, у которого сверху пазик под маленькую отвертку. Вкручивая или выкручивая сердечник, мы тем самым изменяем индуктивность катушки.

Экспериментируем дальше. Давайте попробуем сжимать и разжимать витки катушки. Для начала ставим ее в середину и начинаем сжимать витки

Индуктивность стала почти 50 микрогенри!

А давайте-ка попробуем расправим витки по всему ферриту

13 микрогенри. Делаем вывод: для максимальной индуктивности мотать катушку надо «виток к витку».

Убавим витки катушки в два раза. Было 24 витка, стало 12.

Совсем маленькая индуктивность. Убавил количество витков в 2 раза, индуктивность уменьшилась в 10 раз. Вывод: чем меньше количество витков — тем меньше индуктивность и наоборот. Индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Давайте поэкспериментируем с ферритовым кольцом.

Отдалим витки катушки друг от друга

Хм, также 15 микрогенри. Делаем вывод: расстояние от витка до витка не играет никакой роли в катушке индуктивности тороидального исполнения.

Мотнем побольше витков. Было 3 витка, стало 9.

Офигеть! Увеличил количество витков в 3 раза, а индуктивность увеличилась в 12 раз! Вывод: индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Если верить формулам для расчета индуктивностей, индуктивность зависит от «витков в квадрате». Эти формулы я здесь выкладывать не буду, потому как не вижу надобности. Скажу только, что индуктивность зависит еще от таких параметров, как сердечник (из какого материала он сделан), площадь поперечного сечения сердечника, длина катушки.

Обозначение на схемах

Последовательное и параллельное соединение катушек индуктивности

При последовательном соединении индуктивностей, их общая индуктивность будет равняться сумме индуктивностей.

А при параллельном соединении получаем вот так:

При соединении индуктивностей должно выполняться правило, чтобы они были пространственно разнесены на плате. Это связано с тем, что при близком расположении друг друга их магнитные поля будут влиять с друг другом, и поэтому показания индуктивностей будут неверны. Не ставьте на одну железную ось две и более тороидальных катушек. Это может привести к неправильным показаниям общей индуктивности.

Резюме

Катушка индуктивности играет в электронике очень большую роль, особенно в приемопередающей аппаратуре. На катушках индуктивности строятся также различные фильтры для электронной радиоаппаратуры, а в электротехнике ее используют также в качестве ограничителя скачка силы тока.

Ребята из Паяльника забабахали очень неплохой видос про катушку индуктивности. Советую посмотреть в обязательном порядке:

Источник

На сколько сильно может увеличить напряжение простая катушка, питаемая от батарейки на 1,5 В.

В этой статье предлагаю выяснить, до какой степени способна увеличить электрическое напряжение обычная электрическая катушка, в зависимости от разновидности своей формы, наличия сердечника внутри себя и количества витков этой самой катушки. И так, прежде всего стоит начать с того, что новичкам может быть неведомо про такое явление как самоиндукция, возникающей в электрической катушке. Дело в том, что если на обычную катушку, состоящую даже всего и нескольких витков изолированного медного провода, приложить некоторую величину постоянного электрического напряжения, то через нее потечет ток. Ток представляет собой упорядоченное движение электрически заряженных частиц (в твердых телах это электроны). Вокруг любых движущихся электрических зарядов имеется электромагнитное поле.

Когда мы подали на катушку напряжение, то вокруг нее возникает это самое электромагнитное поле. Именно в нем запасается определенная часть электрической энергии. А вот когда мы убираем напряжение с катушки, это энергия, запасенная в магнитном поле резко стремится создать на концах данной катушки увеличенную разность потенциалов. То есть, при отключении питания от любой катушки на ее выводах кратковременно появляется электрический всплеск электрического напряжения, которое может даже в разы превышать то напряжение, что до этого подавалось на катушку. Это и есть явление ЭДС самоиндукции.

Для того, чтобы провести некоторые исследования и выяснить на сколько сильно может обычная электрическая катушка увеличивать напряжение соберем простую схему, которую можно увидеть на рисунке ниже.

Источником питания у нас будет обычная батарейка на 1,5 вольта. Сама схема состоит из катушки, которую мы и будем испытывать, и которых у нас будет несколько разновидностей. После катушки, параллельно источнику питания стоит переключатель, с нормально открытыми контактами. Им мы будем создавать импульсы, которые будут порождать на катушке процессы ЭДС самоиндукции. Далее в схеме стоит обычный диод, за которым электролитический конденсатор и вольтметр постоянного тока. Ну, а теперь более подробно о том, как именно работает эта схема.

В начальный момент переключатель B1 разомкнут. Напряжение батарейки в 1,5 вольта проходит через диод VD1, заряжает конденсатор до напряжения источника питания. А точнее поскольку при прямом включении на диоде, как известно, происходит падение напряжения около 0,6 В, то конденсатор C1 заряжается где-то до напряжения 0,9 В. Ну, и на вольтметре мы увидим именно это напряжение. Но как только мы кратковременно нажимаем на переключатель B1, то электрический ток пойдет уже через него, тем самым образовав на катушке электромагнитное поле, которое после отпускания переключателя B1 в исходное, разомкнутое состояние приведет к появлению ЭДС самоиндукции на концах катушки.

Как я сказал выше, ЭДС (электродвижущая сила) самоиндукции катушек может в разы превышать напряжение, что на них было подано изначально от источника питания. Это увеличенное напряжение будет совпадать по своей полярности с батарейкой, тем самым происходит суммирования напряжений этой батарейки и ЭДС самоиндукции катушки. Увеличенное напряжение, пройдя через диод, на котором осядет все те же 0,6 В, пойдут на заряд конденсатора C1. Это увеличенное напряжение мы увидим на вольтметре V1. Причем, поскольку при заряде конденсатора теряется часть электрической энергии, то с каждым последующим нажатием на переключатель B1 мы будем получать на конденсаторе все большее значение напряжения, до какого-то своего предела.

Естественно может возникнуть вопрос. А зависит ли напряжение ЭДС самоиндукции от формы катушки, наличия сердечника в ней и от количества витков? Ответ, да. Кроме этого поскольку заряд конденсатора до максимального напряжения происходит ступенчато, то еще стоит учесть, что чем больше емкость мы поставим в данную схему, тем больше энергии мы должны передать конденсатору от катушки для максимально быстрого его полного заряда. Ну, и обязательно сам конденсатор должен быть рассчитан на напряжение процентов так на 25-50 больше, чем те напряжение, которое к нему прикладывается. В противном случае конденсатор может выйти из строя, или даже взорваться от перенапряжения.

Что касается диода, так для схемы подойдет любой диод, лишь бы он был рассчитан на прямой ток более того, что будет через него проходить, и его обратное напряжение также должно быть больше где-то на 25-50% того напряжение, что будет на нем оседать при обратной полярности. То есть, когда конденсатор зарядится до какого-то своего максимального значения, то уже получится что его напряжение будет подключено к диоду обратным образом. И все напряжение конденсатора уже осядет на диоде, когда он находится в закрытом состоянии. И если это напряжение будет больше того, на какое рассчитан диод, то большая вероятность его пробоя. Что касается роли этого диода в схеме, так тут все просто. Он нужен чтобы заряженный конденсатор не разряжался обратно через катушку и батарейку. Этот диод ЭДС самоиндукции пропускает только в одном направлении, в сторону конденсатора.

И теперь о самом тестировании различных катушек:

1 » катушка без сердечника, 36 витков, диаметр провода около 0,4 мм, диаметр самой катушки около 8 мм, вольтметр показал напряжение на конденсаторе 10 вольт.

2 » такая же катушка что и в первом случае, но уже содержащая небольшой кусок ферритового стержня, на вольтметре напряжение уже было около 18 вольт.

3 » катушка намотанная на круглом сердечнике, ферритовом кольце, содержащая все тот же провод и то же количество витков (36 вит.), выдает напряжение, что показывается вольтметром, около 28 вольт, и более.

4 » катушка на ферритовой гантели, количество витков около 50, выдает напряжение около 23 вольта.

5 » катушка на ферритовой гантели, содержащая около 80 витков, размер гантели чуть больше первой, на вольтметре напряжение уже 70 вольт.

6 » катушка на ферритовой гантели, с еще чуть большим размером, содержащая около 120 витков, напряжение на вольтметре уже выросло аж до 105 вольт.

7 » ну и ради интереса взял свой ранее намотанный повышающий трансформатор на Ш-образном сердечнике из феррита, вторичная обмотка которая была намотана проводом 0,1 мм, и содержала около 1200 витков, после проверки этой вторичной катушки на нашей схеме вольтметр показал напряжение около 65 вольт. То есть, даже не смотря на относительно большое количество витков на трансформаторе, относительно предыдущих катушке на гантелях, напряжение на вольтметре было меньше чем у катушки, содержащая меньшее количество витков.

В итоге этих тестов стало понятно, какие формы катушке, и с каким сердечником, и каким количеством витков выдают максимальное значение ЭДС самоиндукции, что можно использовать для простых схем DC-DC повышающих преобразователей по подобным схемам. Разве что вместо обычного переключателя нужно будет поставить электронный ключ на транзисторе, управляемой генератором импульсов. Ну и для получения стабильного значения выходного напряжения в схему также стоит добавить узел стабилизатора постоянного напряжения.

У новичка может возникнуть мысль, будто из обычной батарейки на 1,5 вольт можно получить бесконечно большое количество электроэнергии. К сожалению это не так. В физике существует закон сохранения энергии. То есть, сам источник питания, в нашем случае это батарейка, может выдать определенное количество электрической энергии, и не больше. Мы же повышая напряжение жертвует величиной тока. Чем больше будет напряжение получено схемой, тем либо быстрее разрядится наша батарейка, либо придется при этом большом напряжении использовать очень малый ток. Так что это обязательно учтите.

Видео по этой теме:

Источник