Дроссель схема: обозначение на схеме и принцип работы устройства

обозначение на схеме и принцип работы устройства

Перейти к содержанию

Search for:

Статьи об энергетике

На чтение 5 мин. Просмотров 2.9k. Опубликовано 10.05.2021

Содержание

1. Что такое дроссель?
2. Функционирование
3. Устройство
4. Виды
5. Обозначение дросселя на схеме

Дроссель — это разновидность катушки индуктивности. В электрических схемах элемент используется для снижения влияния токов в определенном диапазоне. Эта деталь применяется при создании аппаратуры, она пассивна, но при этом обеспечивает стабильность работы всей схемы. Электронный дроссель обладает простым механизмом, но подходит для постоянного и переменного тока.

Что такое дроссель?

Деталь используется при составлении электроцепи для предотвращения нагрева и перегрузки. Катушка индуктивности задерживает влияние тока, при этом резкие перепады исключаются из-за закона самоиндукции. Так создается дополнительное напряжение.

Дроссель состоит всего из 4 элементов:

• проволоки, которая закрепляется в изоляции;
• сердечника, материал для него подбирают отталкиваясь от применения устройства;
• заливочной массы, в которую входят вещества, не поддающиеся горению, так обеспечивается дополнительная изоляция;
• корпуса, его делают из термоустойчивого материала.

Электронный дроссель похож на железный трансформатор, отличается он  обмоткой. Сердечник состоит из стали, а пластины располагаются так, чтобы они не соприкасались друг с другом. Индуктивность достигает 1Гн, катушка ограничивает резкие скачки тока в цепи. Если уровень снижается, то деталь поддерживает его на минимальных показателях, а при сильном повышении дроссель в устройстве ограничивает скачок. Элемент также используется для сглаживания, отделения определенных участков схемы, накапливания энергии и устранения помех.

Разбираясь в том, что такое дроссель, стоит уточнить, что его в основном ставят для сбора энергии и задержки тока в выбранном диапазоне. Некоторые виды люминесцентных ламп неспособны работать без такой детали. Это относится к уличным фонарям и домашним светильникам. Дроссель в контакте с ними выступает ограничителем, который передает электроды на лампу.

Созданные по этому принципу механизмы формируют напряжение, оно нужно для получения разряда. После этого загорается лампа. Процесс протекает настолько быстро, что напряжение создается всего через несколько долей секунды, без детали невозможна стабильная работа и включение предмета.

Функционирование

Электропроводная катушка, ограничивающая ферромагнитный сердечник, работает по принципу самоиндукции. При детальном рассмотрении прибора становится понятно, что он функционирует как электрический трансформатор, но при этом оснащен дополнительной обмоткой. Сердечник специально изолируют, чтобы в электронике не создавались дополнительные помехи.

Катушка обладает высокой индуктивностью, но весь механизм считается низкочастотным. Диапазон колебания тока составляет от 20 до 100 кГц. По этому критерию дроссели делят на низкие, ультразвуковые и сверхвысокие. В последних отсутствует сердечник, вместо него используется обычный резистор или пластиковый каркас.

Устройство

Дроссель-трансформатор имеет вид проводника, который наматывается по спирали. В зависимости от сферы использования его делают одно- или многожильным. Иногда в устройство добавляют диэлектрический каркас или оставляют деталь без него. В некоторых элементах дополнительно используется основание с круглым, квадратным или прямоугольным сечением.

Деталь состоит из множества витков, во время создания используется прогрессивная или универсальная намотка. При использовании первого вида они плавно меняются по всей длине, второго — расстояние между витками остается одинаковым.

Прогрессивная намотка используется в электрике, когда требуется сконструировать высокочастотное устройство. Для достижения результата приходится уменьшать паразитную емкость. Намотку выполняют в один или несколько слоев, из материалов подходит только медь, поскольку она выступает проводником.

Чтобы повысить индуктивность, используют ферромагнитный сердечник. В зависимости от места применения используют разные виды материала, поскольку некоторые из них подходят для подавления сильных помех, а другие берут при фильтрации звука. Когда требуется дросселирование механизмов на сверхвысоких частотах, то используют в основном латунь.

Во время производства производитель учитывает требуемую индуктивность, способности к выдерживанию тока и особенности индукции, поскольку иначе произойдет насыщение. Сначала определяется размер зазора, количество витков и сила тока, а потом высчитывается диаметр проволоки. В мелких машинах или электронных устройствах дроссель делают плоским, тогда проводник располагают в виде круга или зигзага.

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.

Обозначение дросселя на схеме

Такие детали всегда изображают по единому принципу, поэтому достаточно один раз в нем разобраться, чтобы потом регулярно читать такие схемы. При этом число полуокружностей выбирают почти любым, чаще оно составляет 3 или 4 единицы для удобного сопряжения с остальными элементами. Выводы обмотки направляют в одну или разные стороны, здесь все зависит от конфигурации схемы. Если нужно изобразить отвод, то рисуют рядом друг с другом сочленения полуокружностей, точку между ними не ставят.

Также есть цветная маркировка деталей, которая соответствует показателям индуктивности. Первые несколько меток указывают на показатели индуктивности в мкГн. Третья — множитель, а последняя — имеющийся допуск. Дроссели маркируют, используя 3 или 4 полоски, иногда их меняют на точки. Если на детали есть три метки, то допуск по умолчанию составляет 20%.

Дроссели используются не только в разных видах лампочек, но и во время сбора импульсных блоков питания, в которых выступают фильтром. В электрических цепях его чаще называют реактором, но принцип устройства остается прежним. Деталь также ставят в сварочные аппараты и применяют в промышленных целях.

Adblock
detector

Принцип работы дросселя

Катушка индуктивности – устройство, основным компонентом которого является проводник скрученный в кольца или обвивающий сердечник. При прохождении тока, вокруг скрученного проводника (катушки), образуется магнитное поле (она может концентрировать переменное магнитное поле), что и используется в радио- и электротехнике.

• Как работает дроссель
• Устройство дросселя
• Как работает трансформатор
• Для чего нужен дроссель
• Как обозначается дроссель на схеме
• Из чего состоит дроссель
• Как подключить дроссель
• Как отличить резистор от дросселя

К точной и компьютерной технике технике больше близок дроссель (Drossel, регулятор, ограничитель), так как он чаще всего применяется в цепях питания процессоров, видеокарт, материнских плат, блоков питания. В последнее время применяются индукторы закрытые в корпуса из металлического сплава для уменьшения наводок, излучения, шумов и высокочастотного свиста при работе катушки.

Дроссель служит для уменьшения пульсаций напряжения, сглаживания или фильтрации частотной составляющей тока и устранения переменной составляющей тока. Сопротивление дросселя увеличивается с увеличением частоты, а для постоянного тока сопротивление очень мало. Характеристики дросселя получаются от толщины проводника, количества витков, сопротивления проводника, наличия или отсутствия сердечника и материала, из которого сердечник сделан. Особенно эффективными считаются дроссели с ферритовыми сердечниками (а также из альсифера, карбонильного железа, магнетита) с большой магнитной проницаемостью.

Используется в выпрямителях, сетевых фильтрах, радиотехнике, питающих фазах высокоточной аппаратуры и другой технике требующей стабильного и «правильного» питания. Многослойная катушка может выступать и в качестве простейшего конденсатора, так как имеет собственную ёмкость.

Правда, от данного эффекта пытаются больше избавиться, чем его усиливать и он считается паразитным.

Как работает дроссель

В цепях переменного тока, для ограничения тока нагрузки, очень часто применяют дроссели — индуктивные сопротивления. Перед обычными резисторами здесь у дросселей имеется серьезные преимущества — значительная экономия электроэнергии и отсутствие сильного нагрева.

Устройство дросселя

Устроен дроссель очень просто — это катушка из электрического провода, намотанная на сердечнике из ферромагнитного материала. Приставка ферро, говорит о присутствии железа в его составе (феррум — латинское название железа), в том или ином количестве.

Принцип работы дросселя основан на свойстве, присущем не только катушкам но и вообще, любым проводникам — индуктивности.

Это явление легче всего понять, поставив несложный опыт.

Для этого требуется собрать простейшую электрическую цепь, состоящую из низковольтного источника постоянного тока (батарейки), маленькой лампочки накаливания, на соответствующее напряжение и достаточно мощного дросселя (можно взять дроссель от лампы ДРЛ-400 ватт).

Без дросселя схема будет работать как обычно — цепь замыкается, лампа загорается. Но если добавить дроссель, подключив его последовательно нагрузке(лампочке), картина несколько изменится.

Присмотревшись, можно заметить, что, во-первых, лампа загорается не сразу, а с некоторой задержкой, во-вторых — при размыкании цепи возникает хорошо заметная искра, прежде не наблюдавшаяся. Так происходит, потому что в момент включения ток в цепи возрастает не сразу — этому препятствует дроссель, некоторое время поглощая электроэнергию и запасая ее в виде электромагнитного поля. Эту способность и называют — индуктивностью.

Чем больше величина индуктивности, тем большее количество энергии может запасти дроссель. Еденица величины индуктивности — 1 Генри В момент разрыва цепи запасеная энергия освобождается, причем напряжение при этом может превысить Э.Д.С. используемого источника в десятки раз, а ток направлен в противоположную сторону. Отсюда заметное искрение в месте разрыва. Это явление называется — Э. Д.С. самоиндукции.

Если установить источник переменного тока вместо постоянного, использовав например, понижающий трансформатор, можно обнаружить что та же лампочка, подключенная через дроссель — не горит вовсе. Дроссель оказывает переменному току гораздо большое сопротивление, нежели постояному. Это происходит из за того, что ток в полупериоде, отстает от напряжения.

Получается, что действующее напряжение на нагрузке падает во много раз(и ток соответственно), но энергия при этом не теряется — возвращается за счет самоиндукции обратно в цепь. Сопротивление оказываемое индуктивностью переменному току называется — реактивным. Его значение зависит от величины индуктивности и частоты переменного тока. Величина индуктивности в свою очередь, находится в зависимости от количества витков катушки и свойства материала сердечника, называемого — магнитной проницаемостью, а так же его формы.

Магнитная проницаемость — число, показывающее во сколько раз индуктивность катушки больше с сердечником из данного материала, нежели без него(в идеале — в вакууме. )Т. е — магнитная проницаемость вакуума принята за еденицу.

В радиочастотных катушках малой индуктивности, для точной подстройки применяются сердечники стержеобразной формы. Материалами для них могут являться ферриты с относительно небольшой магнитной проницаемостью, иногда немагнитные материалы с проницаемостью меньше 1.В электромагнитах реле — сердечники подковоообразной и цилиндрической формы из специальных сталей.

Для намотки дросселей и трансформаторов используют замкнутые сердечники — магнитопроводы Ш — образной и тороидальной формы. Материалом на частотах до 1000 гц служит специальная сталь, выше 1000 гц — различные ферросплавы. Магнитопроводы набираются из отдельных пластин, покрытых лаком.

У катушки, намотанной на сердечник, кроме реактивного(Xl) имеется и активное сопротивление(R). Таким образом, полное сопротивление катушки индуктивности равно сумме активной и реактивной составляющих.

Как работает трансформатор

Рассмотрим работу дросселя, собранного на замкнутом магнитопроводе и подключенного в виде нагрузки, к источнику переменного тока. Число витков и магнитная проницаемость сердечника подобраны таким образом, что его реактивное сопротивление велико, ток протекающий в цепи соответственно — нет.

Ток, переодически изменяя свое направление, будет возбуждать в обмотке катушки (назовем ее катушка номер 1) электромагнитное поле, направление которого будет также переодически меняться — перемагничивая сердечник. Если на этот же сердечник поместить дополнительную катушку(назовем ее — номер 2), то под действием переменного электромагнитного поля сердечника, в ней возникнет наведенная переменная Э.Д.С.

Если количество витков обеих катушек совпадает, то значение наведенной Э.Д.С. очень близко к значению напряжения источника питания, поданного на катушку номер 1. Если уменьшить количество витков катушки номер 2 вдвое, то значение наведенной Э.Д.С. уменьшится вдвое, если количество витков наоборот, увеличить — наведенная Э.Д.С. также, возрастет. Получается, что на каждый виток, приходится какая-то определенная часть напряжения.

Обмотку катушки на которую подается напряжение питания (номер 1) называют первичной. а обмотка, с которой трансформированое напряжение снимается — вторичной .

Отношение числа витков вторичной(Np ) и первичной (Ns ) обмоток равно отношению соответствующих им напряжений — Up (напряжение первичной обмотки) и Us (напряжение вторичной обмотки).

Таким образом, устройство, состоящее из замкнутого магнитопровода и двух обмоток в цепи переменного тока, можно использовать для изменения питающего напряжения — трансформации. Соответственно, оно так и называется — трансформатор.

Для чего нужен дроссель

Виды дросселей

Дроссель используется вместо последовательного резистора, потому что обеспечивает лучшую фильтрацию (меньше остаточной пульсации переменного тока на источнике питания, что означает меньшее гудение на выходе усилителя) и меньшее падение напряжения. «Идеальный» индуктор будет иметь нулевое сопротивление постоянному току.

При использовании резистора большего размера, вы быстро достигаете точки, где падение напряжения возрастает до пиковых величин, и, кроме того, «провал» питания становится значительным, потому что разность токов между полной выходной мощностью и холостым ходом может быть немалой, особенно в усилителе класса AB.

Существует две распространенные конфигурации источника питания: конденсаторный вход и дроссельный вход.

Входной фильтр конденсатора не обязательно должен иметь дроссель, но для дополнительной фильтрации тот необходим. Источник питания дросселя по определению обязан оснащаться дросселем.

Источник питания с дросселем

На входе конденсатора будет конденсатор фильтра, следующий непосредственно за выпрямителем. Тогда он может иметь или не иметь второго фильтра, состоящего из последовательного резистора или дросселя, за которым следует другой конденсатор. Сеть «колпачок – индуктор – колпачок» обычно называется сетью «пи-фильтр». Преимущество входного фильтра конденсатора заключается в более высоком выходном напряжении, но он имеет более низкое регулирование напряжения, чем входной фильтр дросселя.

Источник питания дросселя будет иметь дроссель, следующий сразу за выпрямителем. Основное преимущество входного питания дросселя – лучшее регулирование напряжения, но за счет гораздо более низкого выходного напряжения.

Входной фильтр дросселя должен иметь определенный минимальный ток, протекающий через него для поддержания регулирования.

Дроссель в собранном приборе

Пример:

Разница напряжений между двумя типами фильтров может быть довольно большой. Например, предположим, что у вас есть трансформатор 300-0-300 и двухполупериодный выпрямитель.

Если вы используете конденсаторный входной фильтр, вы получите максимальное напряжение постоянного тока без нагрузки в 424 вольт, которое снизится до напряжения, зависящего от тока нагрузки и сопротивления вторичных обмоток.

Если вы используете тот же трансформатор с входным фильтром дросселя, пиковое выходное напряжение постоянного тока будет составлять 270 В и будет гораздо более строго регулироваться, чем входной фильтр конденсатора (меньше перемен напряжения питания с изменениями тока нагрузки).

Как обозначается дроссель на схеме

Условные обозначения:

Условное графическое обозначение дросселей

Из чего состоит дроссель

Элементы:

• катушка;
• провод, намотанный на сердечник;
• магнитопровод.

Есть схожесть с трансформатором, но слой обмотки всего один. Такая конструкция помогает стабилизировать сеть, а также исключить шанс резкого скачка напряжения.

Как подключить дроссель

Схема подключения очень простая и представляет собой цепь последовательно соединённого дросселя и самого устройства ДРЛ 250. Подключение идёт через сеть 220 вольт и работает при обычной частоте. Поэтому их без труда можно поставить в домашнюю сеть. Дроссель работает как стабилизатор и корректировщик напряжения.

Схема подключения дросселя

Как отличить резистор от дросселя

По внешнему виду: от резисторов отличаются обычно толщиной (дроссели толще), от конденсаторов – неправильной формой «капельки».

Более точный способ – сопротивление. У дросселя оно почти нулевое.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 5 чел.

Средний рейтинг: 4.2 из 5.

Эквивалентная схема замещения дросселя, намотанного на феррите, в широком диапазоне частот (0 Гц – 500 МГц)

Полная версия научной статьи из журнала Физика волновых процессов и радиотехнические системы 2021. Т. 24, № 4. С. 25-45.

---

Аннотация: По измеренным частотным характеристикам сопротивлений дросселей, намотанных на различных ферритовых сердечниках и с разным количеством витков была построена эквивалентная схема замещения в широком диапазоне частот (0 Гц – 500 МГц). Данная схема замещения дросселя была синтезирована с учетом физических процессов, протекающих в дросселе: влияние сопротивление провода, влияние материала сердечника, взаимное влияние провода и материала сердечника. В статье была сделана попытка объяснить почему частотные характеристики (модуль и фаза) комплексного сопротивления дросселя имеют такой характер в широкой полосе частот (до 500 МГц). Показано, что для построения схемы замещения дросселя (структуры и параметров) измерения только модуля сопротивления дросселя недостаточно, необходимо измерять также фазу комплексного сопротивления дросселя, что во многих работах по синтезу схемы замещения дросселя игнорируется.

Ключевые слова: дроссель; схема замещения; феррит; комплексное сопротивление; комплексная магнитная проницаемость.

Сведения об авторе: В.Ф. Дмитриков, Д.В. Шушпанов. Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций имени профессора М.А. Бонч-Бруевича (193232, Россия, г. Санкт-Петербург, пр. Большевиков, 22, к. 1)

---

 

Введение

Любая современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА) не обходится без реактивных элементов. Одними из важных и наиболее сложных (в расчете и производстве) реактивных элементов являются дроссели. Они являются частью сглаживающего фильтра и фильтра радиопомех (ФРП) в современных импульсных источниках электропитания. Поэтому при проектировании РЭА разработчикам необходимо знать частотные характеристики комплексных сопротивлений дросселей, а также их точные высокочастотные эквивалентные электрические структурно-параметрические схемы замещения (поведенческие модели) в широком диапазоне частот до 100 МГц и выше, хорошо адаптируемые к современным вычислительным программам схемотехнического моделирования.

К сожалению, ни разработчики РЭА, ни производители дросселей не понимают, что же на самом деле из себя представляет реальный дроссель, т. е. какой схемой замещения его можно представить. Производители магнитных материалов оперируют лишь физическими параметрами, по которым они сдают и проверяют поставляемую элементную базу. До сих пор отечественные производители радиокомпонентов в конструкторской документации не приводят ВЧ модели дросселей с учетом влияния свойств материалов на паразитные параметры дросселей, обусловленных нелинейными частотными зависимостями вещественной и мнимой составляющих магнитной проницаемости сердечников. Не приводят и значения «паразитных» элементов дросселей.

Не имея ВЧ поведенческие модели дросселей от производителей, разработчики РЭА вынуждены разрабатывать их сами осуществляя формализованный структурно-параметрический синтез в виде эквивалентных электрических схем замещения, используя экспериментально измеренные комплексные сопротивления дросселей [1–5].

Но, к сожалению, измерять комплексное сопротивление дросселя в широкой области частот (больше 10 МГц) стали сравнительно недавно [5], что связано как с появлением новой измерительной аппаратуры, так и, самое главное, – с пониманием необходимости данных измерений. Измерение частотных характеристик комплексного сопротивления реального дросселя в широком диапазоне частот (до 500 МГц) [1–4] позволило увидеть, что реальный дроссель в широкой области частот представляют из себя сложную схему замещения, и использование «старых» НЧ схем замещения не всегда корректно при проектировании РЭА.

Синтезировать схему замещения дросселя, используя измеренные частотные характеристики комплексного сопротивления дросселя, можно классическим методом, обеспечивая реализацию различных схем с комплексным сопротивлением идентичным или близким экспериментально измеренным характеристикам. Данный подход позволяет создать схему замещения физического элемента, но, к сожалению, он не может ответить на вопрос почему данная измеренная частотная характеристика комплексного сопротивления дросселя имеет такой характер и не может найти природу физических процессов, объясняющих именно такой характер.

В [5] была построена схема замещения дросселя, учитывающая влияние сопротивление провода, влияние материала сердечника, проявление эффекта длинных линий, потери, обусловленные вихревыми токами и эффектами близости и т. д. Но, к сожалению, схема замещения, описанная в [5], строилась до 100 МГц, и при ее расчете не рассматривалась фаза комплексного сопротивления дросселя, которая позволяет оценить близость предложенной модели и измерений. В схеме замещения дросселя, предложенной в [5], для описания влияния материала сердечника используется цепь четвертого порядка, что может являться избыточным (особенно для временного анализа). Из [5] не ясно как выбрать параметры для длинной линии в предложенной схеме замещения дросселя. Длинная линия, как элемент электрической цепи, к сожалению, имеет один существенный недостаток – ее наличие значительно увеличивает численный расчет переходных процессов и может не обеспечить достаточную точность расчетов, т. к. анализ переходных процессов для длинной линии производится с помощью интеграла свертки с импульсной характеристикой линии, которая вычисляется как преобразование Фурье коэффициента передач [6; 7]. Кроме того, длинная линия, используемая в [5], описывается частотно зависимыми первичными параметрами, что более усложняет расчет данной схемы замещения дросселя во временной области.

В статье производится синтез схемы замещения дросселя с учетом физических эффектов (влияние сопротивление провода, материала сердечника, взаимное влияние провода и материала сердечника), т. е. делается попытка объяснить почему частотные характеристики (модуль и фаза) комплексного сопротивления имеют такой характер в широкой полосе частот (до 500 МГц). Это позволит лучше понять физические процессы, протекающие в дросселе, а также позволит понять, как улучшить его частотные характеристики, что позволит построить РЭА с лучшими характеристиками. В качестве материала сердечника был выбран феррит из-за его наиболее частого использования в силовой электронике.

 

Измерения комплексного сопротивления дросселей

Были проведены измерения модуля и фазы полного (комплексного) сопротивления дросселей. Измерения проводились на анализаторах импеданса Keysight E4982A (в диапазоне частот от 1 МГц до 500 МГц) и Е728 (в диапазоне частот 1 кГц до 1 МГц). В качестве измеряемых образцов использовались дроссели, намотанные на кольцевых сердечниках – ферритах N87 (рис. 1) и Т38 (рис. 2) с различным количеством витков (1–3).

 

Рис. 1. Измеренные модуль (а) и фаза (б) комплексного сопротивления дросселя (сердечник N87) с различным количеством витков n: 1, 2, 3

Рис. 2. Измеренные модуль (а) и фаза (б) комплексного сопротивления дросселя (сердечник Т38) с различным количеством витков n: 1, 2, 3

 

Измеренные частотные характеристики комплексного сопротивления дросселя (рис. 1, 2) позволяют заключить, что комплексное сопротивление (модуль и фаза) имеет достаточно сложную схему замещения. Характер изменения модуля и фазы комплексного сопротивления дросселей, намотанных на различных сердечниках (рис. 1, 2), очень похож.

Это позволяет описать их схемой замещения одной структуры с различными параметрами. Для понимания методики составления схемы замещения реального дросселя модуль и фаза его измеренного комплексного сопротивления были разбиты на шесть принципиально отличающихся характерных участков (рис. 3), в которых проявляются различные физические явления реального дросселя.

 

Рис. 3. Разбивка на области модуля и фазы комплексного сопротивления дросселя

Рис.4. m’(jw) и m”(jw) для сердечника N87 (из справочника)

 

Низкочастотная область (участки 1 и 2 на рис. 3). Из измеренных частотных характеристик комплексного сопротивления дросселя можно сделать вывод, что реальный дроссель представляет из себя идеальную катушку индуктивности лишь в достаточно узком интервале частот: от 7–300 кГц для N87 и 1–30 кГц для Т38. Этот диапазон частот зависит от комплексной частотной характеристики вещественной и мнимой частей магнитной проницаемости (рис. 4), а также от количества витков и характеристики провода. Это соответствует участку 2 на рис. 3, что хорошо видно по фазе комплексного сопротивления (когда фаза близка 90°). В этом случае индуктивность дросселя, намотанного на тороидальном сердечнике, определяется классической формулой [8]:

где μ₀ = 4π×10^-7 Гн/м – магнитная постоянная; μ – относительная магнитная проницаемость сердечника; n – количество витков; h – высота тороидального сердечника; R – наружный радиус тороидального сердечника; r – внутренний радиус тороидального сердечника.

Для упрощения дальнейших расчетов выражение (1) перепишем:

На частотах значительно ниже 10 кГц (для дросселя, намотанного на сердечнике N87) начинает сказываться сопротивление провода, и реальный дроссель представляет из себя последовательное сопротивление резистора R_W (сопротивление провода) и идеальной катушки индуктивности L (рис. 5).

 

Рис. 5. Низкочастотная схема замещения дросселя

 

В этом случае комплексное сопротивление реального дросселя Z_L равно

Определим граничную частоту f_W (рис. 3), начиная с которой реальный дроссель можно считать идеальной катушкой индуктивности. Из выражения (3) следует, что это будет при условии

ωL>>R. Но лучше всего определить частоту f_W из требования по фазе – она должна быть больше 89°. Тогда из выражения (3) получаем arctg(ωL/R) > 89° или ω > 60R/L. И получаем условие, когда реальный дроссель можно считать идеальной катушкой индуктивности:

Для дросселя, намотанного на сердечнике N87 двумя витками, из измеренной частотной характеристики комплексного сопротивления дросселя (рис. 3) получаем индуктивность L = 9,05 мкГн и сопротивление провода R_W = 6,72 мОм. Используя (4), получаем граничную частоту f_W в районе 7 кГц (рис. 3). То есть это означает, что для корректного измерения индуктивности данного дросселя RLC-метром (или другим прибором) необходимо производить измерения на частотах не ниже 7 кГц. В случае же измерения на частоте 1 кГц получим L = 9,11 мкГн.

Эта ошибка во многих практических задачах не принципиальна, но для задачи синтеза важна. Так как, во-первых, она может быть больше или меньше в зависимости от количества витков и типа провода. Во-вторых, от этого параметра будут рассчитываться все остальные параметры схемы замещения, и небольшая ошибка (единицы процентов) в определении L может привести к существенной ошибке в определении других параметров схемы замещения дросселя. Поэтому для корректного определения индуктивности дросселя необходимо использовать модуль сопротивления дросселя при учете того, что его фаза близка к 90°. А для корректного определения сопротивления провода R_W необходимо использовать частотную зависимость фазы комплексного сопротивления дросселя, т. к. только она хорошо показывает насколько сильно сопротивление провода оказывает влияние на комплексное сопротивление дросселя.

 

Влияние сердечника дросселя (участок 3 на рис. 3). На частотах выше 300 кГц (для дросселя, намотанного на сердечнике N87 – рис. 3) характер комплексного сопротивления дросселя зависит от изменения магнитных свойств материала сердечника. Это связано с тем, что относительная магнитная проницаемость материала не является константой m, а является частотно-зависимой комплексной величиной μ(jω) [9–12], т. е.

На рис. 4 представлены частотные зависимости μ'(jω) и μ»(jω) для сердечника N87, взятые из справочника [12; 13], предоставленного производителем магнитного материала (Epcos). К сожалению, производитель не дает все характеристики во всей области частот (до ГГц): для μ'(jω) – до 4 МГц, а для μ»(jω) – до 1 ГГц (рис. 4). Но даже из них можно увидеть, что получившееся комплексное сопротивление дросселя с учетом выражений (2) и (5), равное

близко по форме к комплексному сопротивлению параллельного RLC-контура (рис. 6, а). Из графика фазы комплексного сопротивления дросселя (рис. 3) видно, что фаза двухполюсника на 3-м участке кривой (от f_C до f_K) меняется больше чем на 90°, что также позволяет считать, что на третьем участке в качестве схемы замещения можно использовать параллельный колебательный RLC контур. В [1–4] с физической точки зрения было показано почему из-за сердечника схема замещения дросселя представляется в виде цепи 2-го порядка (параллельный RLC-контур).

 

Рис. 6. Схема замещения дросселя, учитывающая влияния сердечника

 

В этом случае (для схемы замещения 2-го порядка – рис. 6, а) вместо выражения (5) можно записать комплексное сопротивление дросселя:

где ω₀ = 1/LC_C — резонансная частота контура; α = 1/2R_CC_C — коэффициент затухания контура.

При аппроксимации комплексного сопротивления дросселя (рис. 3) цепью низкого (второго) порядка (рис. 6, а) могут возникать значительные погрешности аппроксимации (рис. 7). Наилучшим приближением будем считать аппроксимацию, при которой выполняется близость фаз аппроксимирующей и аппроксимируемой функции, т. е. при приближении резонансной частоты RLC-контура к частоте, при которой фаза комплексного сопротивления дросселя близка нулю (рис. 7). Только в этом случае можно определить значение резонансной частоты сердечника (порядка 2 МГц – рис. 7), и мы получаем погрешность аппроксимации лишь только в одной области частот (от 0,1 до 1 МГц) для фазы сопротивления и незначительную ошибку аппроксимации для модуля сопротивления. Но, к сожалению, на частотах выше 2,5 МГц комплексное сопротивление (модуль и фаза) дросселя уже нельзя описать цепью второго порядка (рис. 7). Таким образом, влияние материала сердечника дросселя на его комплексное сопротивление можно описать цепью 2-го порядка, но необходимо определять резонансную частоту контура исключительно по фазе комплексного сопротивления (порядка 2 МГц – рис. 7), и данную схему замещения дросселя можно использовать только до частот, не существенно превышающих эту резонансную частоту контура (до 3 МГц – рис. 7).

Для лучшей аппроксимации комплексного сопротивления дросселя вместо RLC-контура (рис. 6, а) была предложена цепь 3-го порядка (рис. 6, б). В этом случае комплексное сопротивление дросселя определяется более сложной формулой:

которая значительно лучше по сравнению с выражением (6) аппроксимирует сопротивление дросселя (рис. 7) до 4–4,5 МГц. Частоты f₀₁, f₀₂ и f₁, определяемые по формулам (8), показаны на рис. 8. Как видно из рис. 8, центральная частота f₀, определяемая по формуле, f₀ = (f₀₁f₀₂)^0,5, близка к резонансной частоте RLC-контура (рис. 6, а), определяемой по формуле (6), а резонансная частота f₀₁ близка к частоте, на которой фаза RLC-контура (рис. 6, а) близка к измеренной фазе комплексного сопротивления дросселя. Таким образом, зная параметры схемы замещения 2-го порядка (рис. 6, а), можно определить параметры схемы замещения 3-го порядка (рис. 6, б) с небольшой последующей коррекцией. Но, как было сказано выше, для корректного определения резонансной частоты фаза комплексного сопротивления схемы замещения 2-го порядка (рис. 6, а) должна быть близка измеренной фазе комплексного сопротивления дросселя.

 

Рис. 7. Модуль (а) и фазы (б) комплексного сопротивления дросселя: измеренное значение в сравнении с различными схемами замещения: 1) рис. 6, а – С_С = 1,11 нФ;   2) рис. 6, а – С_С = 0,67 нФ;   3) рис. 6, б

Рис. 8. Модуль (а) и фазы (б) комплексного сопротивления дросселя: измеренное значение в сравнении с различными схемами замещения: 1) рис. 6, а;   2) рис. 6, б

 

Определим частоту f_С (рис. 8), начиная с которой необходимо учитывать влияние изменения магнитных свойств материала сердечника. Для этого, по аналогии с определением f_W, воспользуемся фазой комплексного сопротивления дросселя, т. е. arg(Z(jω_C)) < 89° или из (7) получаем

Так как угол маленький, то неравенство (9) можно упростить:

Мы ищем частоту ω_C, которая значительно меньше частот ω₀₁, ω₀₂, ω₁ (рис. 8), поэтому неравенство (10) можно упростить:

Решая (11), и заменяя ω₀₁, ω₀₂, ω₁ на выражения (8), определяем частоту f_С, с которой начинается влияние изменения магнитных свойств материала сердечника на комплексное сопротивление дросселя:

Из измеренной частотной характеристики комплексного сопротивления дросселя (рис. 8), намотанного на сердечнике N87 двумя витками, получаем следующие параметры схемы замещения дросселя (рис. 6, б), учитывающего влияние изменения магнитных свойств материала сердечника: L = 9,05 мкГн, C_C1 = 1,4 нФ, C_C2 = 0,2 нФ, R_C1 = 93 Ом, R_C2 = 70 Ом, R_C0 = 1,1 кОм. Используя (12), получаем граничную частоту f_C равную 338 кГц, начиная с которой необходимо учитывать влияние изменения комплексной магнитной проницаемости материала сердечника (рис. 8), что также хорошо видно на графике вещественной части комплексной магнитной проницаемости материала сердечника – когда μ’(jω) перестает быть константой и начинает расти (рис. 9).

Таким образом, для определения границы влияния комплексной магнитной проницаемости материала сердечника необходимо знать частотные зависимости μ’(jω) и μ’’(jω) во всей области частот (от 0 до 500 МГц). Так как производитель не дает все характеристики во всей области частот (рис. 5), то для дальнейшего рассмотрения комплексной магнитной проницаемости сердечника она была аппроксимирована характеристикой в диапазоне частот от 10 кГц до 1 ГГц (рис. 9). Аппроксимация производилась следующим образом: была подобрана цепь, в которой пересчитанная из комплексного сопротивления вещественная магнитная проницаемость до 4 МГц совпадала с вещественной магнитной проницаемости из справочника, а пересчитанная из комплексного сопротивления мнимая магнитная проницаемость до 1 ГГц совпадала с мнимой магнитной проницаемости из справочника. Как видно из рис. 9, характеристика, данная производителем, и аппроксимированная характеристика получились достаточно близкими, что позволяет использовать аппроксимирующую характеристику в качестве справочной.

 

Рис. 9. μ’ и μ” для сердечника N87 (из справочника и аппроксимированная)

Рис. 10. μ’ (а) и μ” (б) сердечника N87: из справочника и рассчитанные из комплексных сопротивлений дросселей с различным количеством витков n: 1, 2, 3

 

На рис. 10 приведены частотные зависимости μ’(jω) и μ”(jω) сердечника N87, полученные из справочника, а также рассчитанные из измеренных комплексных сопротивлений дросселей с различным количеством витков. Частотные зависимости μ’(jω) и μ”(jω) для дросселей рассчитывались по формулам

 

Из рис. 11 видно, что пересчитанные по формулам (13), (14) частотные характеристики μ'(jω) и μ»(jω) для дросселей с разным количеством витков практически близки друг другу, что позволяет сделать вывод о том, что по частотной характеристике комплексной магнитной проницаемости сердечника можно построить схему замещения дросселя на этом сердечнике с различным количеством витков. На частоте 10 кГц μ»(jω) для каждого дросселя отличаются, т. к. на этой частоте нет измерений комплексного сопротивления дросселей (рис. 1), а на частоте 1 кГц на сопротивление дросселя оказывает влияние сопротивление провода. Из рис. 10 также видно, что частотные характеристики μ'(jω) и μ»(jω), полученные из справочника, и частотные характеристики μ'(jω) и μ»(jω), рассчитанные из измеренных характеристик сопротивления дросселя, различаются. Это говорит о том, что магнитная проницаемость материала может иметь разброс по сравнению со справочной, и для определения магнитной проницаемости конкретного материала требуются измерения этого материала. Только в этом случае можно из данных сердечника получить схему замещения дросселя. Аналогичные выводы были сделаны в [5].

 

Рис. 11. Модуль комплексного сопротивления дросселя на сердечнике N87 с различным количеством витков (взято из [5]):
а) 1-23 витка;   б) 58-108 витков

Рис. 12. Модуль (а) и фазы (б) комплексного сопротивления дросселя: измеренное значение в сравнении с рассчитанным по μ(jω) сердечника (рис. 9)

 

Таким образом, зная измеренные частотные характеристики μ'(jω) и μ»(jω) материала реального сердечника, можно определить схему замещения дросселя с конкретным количеством витков. К сожалению, у авторов данной статьи нет измерений комплексной магнитной проницаемости конкретных сердечников дросселей. Поэтому все расчеты проводились исходя из измеренных сопротивлений дросселей. Но даже из данных, полученных из измеренных сопротивлений (рис. 10), можно сделать предварительное заключение, что f₀₁ в схеме замещения близка к частоте, на которой μ’ = μ», а частоты f₀₂ и f₁ определяются из минимума μ’ (когда μ’ отрицательна). Более конкретная методика, как например в [5], определения комплексного сопротивления дросселя с использованием частотных характеристик комплексной магнитной проницаемости сердечника авторами будет рассмотрена в дальнейшем.

В [5] было показано, что резонансная частота сопротивления дросселя, определяемая материалом сердечником, вне зависимости от количества витков (индуктивности дросселя) остается постоянной (рис. 11, а). И только после определенного количества витков (больше 23) резонансная частота сопротивления дросселя начинает перемещаться в низкочастотную область (рис. 11, б), т. е. при большом количестве витков начинает сказываться межвитковая емкость. В этом случае в схеме замещения дросселя необходимо учесть эту емкость. Так как в данной работе измерялись дроссели с малым количеством витков (от 1-го до 3-х) специально, чтобы данный эффект не проявлялся, то в данной схеме замещения дросселя межвитковая емкость отсутствует.

Для определения границы влияния комплексной магнитной проницаемости сердечника на комплексное сопротивления дросселя вычислим комплексное сопротивление дросселя из μ'(jω) и μ»(jω) сердечника, преобразуя формулы (13) и (14), т. е.

и сравним с измеренными частотными характеристиками сопротивления дросселя (рис. 12).

Из рис. 12 по характеру изменения модуля и фазы комплексного сопротивления дросселя видно, что при учете только сердечника фаза комплексного сопротивления дросселя меняется от 90° до –90°, т. е. дроссель сначала имеет индуктивный характер, а потом приобретает емкостной характер. В случае измерения комплексного сопротивления реального дросселя его фаза падает от 90° до –15°, а потом начинает расти до 65° (рис. 12). Это может означать, что дальнейшее изменение характера модуля и фазы комплексного сопротивления дросселя после 4 МГц уже не определяется комплексной магнитной проницаемостью сердечника, поскольку комплексное сопротивление, посчитанное по μ'(jω) и μ»(jω) показывают емкостный характер (рис. 12).

 

Взаимодействие магнитных полей сердечника и провода дросселя (участок 4 на рис. 3). Поднятие модуля и фазы комплексного сопротивления дросселя чаще всего связывают с эффектом длинной линии [5]. Рассмотрим более строго можно ли это объяснить длинной линией. В общем случае длина волны электромагнитного колебания l равна

где C₀=1/(ε₀μ₀)^0,5 ≈ 3×10⁸ м / с – скорость света в вакууме; ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости материала.

Данный эффект начинает проявляться при частоте порядка 5 МГц (рис. 12), а для исследуемого материала (феррит N87) комплексная магнитная проницаемость на частоте 5,5 МГц равна μ = −+115 + j430 (рис. 10), тогда модуль комплексной магнитной проницаемости материала на этой частоте равен |μ| = 447. Тогда получаем длину волны λ = 3×10⁸ / 21 / 5,5×10⁶ = 2,6 м, что значительно больше длины провода (порядка 10–20 см). Данное предположение об эффекте длинной линии авторами статьи [5] было сделано потому, что они в своих исследованиях не учитывали фазу комплексного сопротивления, а учитывали только модуль комплексного сопротивления, по которому виден подъем (при малом количестве витков) на частотах выше 50–100 МГц (в зависимости от количества витков – рис. 11, б). Кроме того, заметный ВЧ резонанс они наблюдали лишь при большом количестве витков (рис. 11, б), т. к. не смотрели частоты выше 100 МГц (рис. 12). Так как данный эффект в статье [5] был обнаружен при большом количестве витков (больше 50) на частотах выше 10 МГц, то рассмотрим также и его. На частоте 10 МГц получаем |μ|=14 и длину волны λ = 2,1 м. При 100 витках получаем длину провода 2,5 м [5], что соизмеримо с длиной волны. В этом случае (при большом количестве витков) как раз очень хорошо видно проявление эффекта длинных линий (рис. 11, б): ярко выраженные минимумы и максимумы, повторяющиеся с четкой периодичностью, чего не наблюдается при малом количестве витков (рис. 1).

Таким образом объяснение подъема модуля и фазы комплексного сопротивления дросселя с малым количеством витков с помощью длинной линии с физической точки зрения некорректно. Оно может использоваться лишь для дросселя с большим количеством витков.

Для того, чтобы понять с физической точки зрения в чем причина поднятия модуля и фазы комплексного сопротивления дросселя, надо представить, что же из себя представляет дроссель. Дроссель – это провод, намотанный на сердечник. Провод, при протекании через него электрического тока, будет иметь магнитное поле, усиленное сердечником. Кроме того, сам сердечник будет иметь магнитное поле. Провод и сердечник – это два отдельных элемента, хоть и находящиеся вблизи друг от друга. То есть мы имеем магнитное поле, создаваемое проводом, и магнитное поле, создаваемое сердечником, которые взаимодействуют друг с другом. А это есть ни что иное, как воздушный трансформатор (две магнитно-связанные индуктивности), в котором магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой (проводом дросселя), взаимодействует с магнитным полем, создаваемым вторичной обмоткой (сердечник дросселя). Была предложена схема замещения на основе воздушного трансформатора (рис. 13, а), которая и позволила учесть влияние магнитных полей провода и сердечника. На рис. 13, б приведена схема замещения дросселя Т-образной схемой замещения трансформатора.

 

Рис. 13. Схема замещения дросселя для участка 4

 

Уменьшение коэффициента связи в схеме замещения дросселя (рис. 13, а) или увеличение индуктивности рассеивания в T-образной схеме замещения трансформатора в схеме замещения дросселя (рис. 13, б) позволяет переместить частоту, с которой начинается подъем модуля и фазы комплексного сопротивления дросселя, с высокой частоты на более низкую (рис. 14). Таким образом, изменяя коэффициент связи К, можно приблизить сопротивление схемы замещения к измеренному сопротивлению дросселя на участке 4 (для рассматриваемого случая К = 0,995 – рис. 14). Но приближение частоты, на которой возникает минимум фазы сопротивления дросселя (рис. 14, б), к частоте f₁ (рис. 8, б) искажает частотные характеристики сопротивления дросселя (рис. 14). Поэтому для приближения частотных характеристик сопротивления схемы замещения и измеренных частотных характеристик сопротивления дросселя требуется корректировка C_C1, C_C2, R_C1, R_C2 в схеме замещения. В нашем случае они равны: C_C1 = 1,36 нФ, C_C2 = 0,25 нФ, R_C1 = 100 Ом, R_C2 = 83 Ом. И расхождений в частотных характеристиках сопротивления схемы замещения и измеренных частотных характеристик сопротивления дросселя уже меньше (рис. 15). Это означает, что провод изменяет магнитное поле, создаваемое сердечником. Для того, чтобы оценить влияние магнитного потока, создаваемого проводом, на магнитный поток, создаваемый сердечником, надо измерить магнитную проницаемость сердечника, найти параметры схемы замещения (рис. 6, б) и сравнить с параметрами схемы замещения, созданной из измерения сопротивления дросселя.

 

Рис. 14. Модуль (а) и фазы (б) комплексного сопротивления дросселя: измеренное значение в сравнении с различным коэффициентом связи (рис. 13)

Рис. 15. Модуль (а) и фазы (б) комплексного сопротивления дросселя: измеренное значение в сравнении с различным коэффициентом связи (рис. 13)

 

Кроме того, дальнейшее уменьшение коэффициента связи в схеме замещения дросселя позволяет получить характеристику индуктивности в более высокой области частот (рис. 15). В этом случае упадет общая индуктивность из-за уменьшения коэффициента связи, но ее можно будет поднять дополнительными витками.

Как видно из рис. 14, 15 граница между участками 3 и 4 (рис. 3) может быть достаточна расплывчатой и, скорее всего, определяется лишь тем, каким образом намотан дроссель.

 

Рис. 16. Схема замещения дросселя для участка 5

 

Все сказанное выше является лишь пока математической моделью, и для подтверждения данной математической модели реальным физическим явлением, происходящим в дросселе, требуются дополнительные измерения и исследования.
Проходная емкость в системе взаимодействия магнитных полей сердечника и провода дросселя (участок 5 на рис. 3). При изменении переменного магнитного поля первичной обмотки (провод) по сравнению с переменным магнитным полем вторичной обмотки (сердечник) возникает переменное электрическое поле, т. е. появляется проходная емкость C_R воздушного трансформатора (рис. 16), описывающего взаимодействие провода с сердечником. Эта емкость и определяет высокочастотный резонанс (в районе 300–400 МГц – рис. 17) комплексного сопротивления дросселя. Так как частота этого резонанса на 2 порядка больше центральной частоты f0, определяемой материалом сердечника, то сопротивления конденсатов C_C1 и C_C2 на частоте резонанса значительно меньше сопротивлений R_C1 и R_C2 (рис. 13), и сердечник заменяется сопротивлением RE (рис. 16), равным параллельному соединению сопротивлений R_C1, R_C2, R_C0 (для данного случая оно равно 43,6 Ом).

 

Кроме того, добротность этого резонанса определяется сопротивлением резистора R_R, включенным параллельно этой емкости (рис. 16), который возникает в схеме замещения из-за конечности проводимости емкости C_R. В этом случае комплексное сопротивление схемы замещения (рис. 16) будет определяться формулой (7), но параметры f₀₁, f₀₂, f₁, α и α₁ в выражении (7) будут определяться по-другому. Так как нас интересует максимум модуля, то он определяется частотой f1 и равняется

Для рассматриваемого дросселя эта частота равна 357 МГц, а проходная емкость трансформатора C_R вычисляется из (18) и равняется 2,2 пФ. Сопротивление утечки R_R, определяющее добротность этого резонанса, равно 800 Ом (определяется на резонансной частоте).

 

Рис. 17. Модуль (а) и фазы (б) комплексного сопротивления дросселя: измеренное значение в сравнении с рассчитанным по схеме замещения (рис. 16)

Рис. 18. Измеренные частотные характеристики модуля и фазы комплексного сопротивления первичной обмотки трансформатора, работающего на холостой ход (взято из [14])

 

Наличие данного участка на частотных характеристиках сопротивления дросселя еще раз указывает на корректность использования трансформатора в схеме замещения дросселя. Похожие частотные характеристики (рис. 18) были получены в [14], в которой авторы измеряли сопротивление первичной обмотки трансформатора при ненагруженной вторичной обмотки, что еще раз подтверждает корректность использования трансформатора в схеме замещения дросселя.

Данный эффект (проявление резонанса) начинает проявляться на частотах выше 100 МГц (рис. 14, 17). На частоте 100 МГц комплексная магнитная проницаемость сердечника равна μ = 25,5 + j16 (рис. 10), а модуль комплексной магнитной проницаемости материала на этой частоте равен |μ| =30,1. Тогда получаем длину электромагнитной волны λ = 3×10⁸ / 5,5 / 10⁸ = 0,55 м, что в 4 раза больше длины провода (10–20 см). Таким образом в длину провода укладывается четверть волны электромагнитного колебания, и начинается проявляться эффект длинной линии, т. е. провод, начиная с 100 МГц, представляет уже короткозамкнутую длинную линию, и резонанс на частоте f_Cr – это первый резонанс входного сопротивления длинной линии.

 

Схема замещения

Таким образом была получена схема замещения дросселя (рис. 19), работающего в широкой области частот. Последний характерный участок на частотных характеристиках (участок 6 на рис. 3) в данной работе не рассмотрен, т. к. неизвестно как будет себя вести сопротивление дросселя: станет оно полностью емкостным или будут еще всплески частотных характеристик сопротивления или то и другое. Различные измеренные сопротивления дросселя при разных количествах витков (рис. 1, 2 и 11, б) и расчет длины волны электромагнитного колебания указывают на последний вариант (проявляется эффект длинной линии).

 

Рис. 19. Схема замещения дросселя

 

Но, чтобы быть полностью в этом уверенным необходимо произвести измерения модуля и фазы сопротивления дросселя до единиц, а то и десятков ГГц. Поэтому в данной работе была составлена схема замещения, имеющая 5 характерных участков на частотных характеристиках комплексного сопротивления дросселя. В таблице приведены параметры этой схемы замещения для измеренных дросселей (рис. 1, 2).

 

	N87, кол-во витков:			Т38, кол-во витков:
	1	2	3	1	2	3
L, мкГн	2,41	9,05	20,31	15,724	63,0	143,8
CC1, нФ	2,5	1,36	0,62	14,0	0,5	0,2
CC2, нФ	2,5	0,25	0,078	2,0	22,0	0,7
CR, пФ	2,1	2,2	3,2	1,7	2,2	2,7
К	0,977	0,995	0,998	0,994	0,999	0,995
RC0, Ом	120	1100	2000	40	1300	250
RC1, Ом	60	100	205	40	90	185
RC2, Ом	19	83	162	25	85	550
RR, Ом	3000	800	320	3700	800	340
RW, мОм	6,61	6,72	6,99	7	9,6	20

 

Заключение

В работе предложена электрическая структурно-параметрическая схема замещения дросселя (рис. 19), частотные характеристики которой близки с измеренными частотными характеристиками сопротивления дросселя в широкой полосе частот (от 0 до 500 МГц). Это позволяет использовать данную схему замещения дросселя для корректного проектирования высокочастотных фильтров радиопомех.

Показана не состоятельность использования длинной линии в схеме замещения дросселя с малым количеством витков обмотки дросселя, предложенная в [5]. Была показана целесообразность использования вместо длинной линии в схеме замещения индуктивно связанные катушки. Это позволило корректно обосновать частотные характеристики сопротивления дросселя.

Показано, что для построения схемы замещения (структуры и параметров) измерения только модуля сопротивления дросселя недостаточно, необходимо измерять также фазу комплексного сопротивления дросселя. Так как только фаза комплексного сопротивления дросселя позволяет сказать какой характер сопротивления (индуктивный, емкостной или резистивный) преобладает в конкретной области частот, т. е. только фаза показывает что оказывает наибольшее влияние: магнитное поле, электрическое поле или активные потери. Кроме того, фаза комплексного сопротивления показывает корректность выбора эквивалентной схемы замещения.

 

Благодарности

Авторы выражают благодарность:

• сотрудникам НТЦ СЗЛ (г. Санкт-Петербург) за предоставленные измерения дросселей,
• студентке Ларионовой А.К. за помощь в проведении расчетов на компьютере,
• начальнику БМА ПАО «Мстатор» (г. Боровичи) Фоченкову Э.А. за высказанные замечания в процессе подготовки статьи.

 

Список литературы

1. Синтез эквивалентных частотных схем замещения дросселя / В.Ф. Дмитриков [и др.] // Практическая силовая электроника. 2017. Вып. 66, № 2. С. 5–11.
2. Synthesis of equivalent circuits for chokes and capacitors in a wide range of frequencies taking into account dynamic processes in dielectric and magnetic materials / V.F. Dmitrikov [et al.] // 2019 20th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). 2019. P. 532–540. DOI: https://doi.org/10.1109/EDM.2019.8823489
3. Дмитриков В.Ф., Исаев В.М., Куневич А.В. Разработка поведенческих моделей конденсаторов и дросселей с учетом частотных свойств диэлектрической и магнитной проницаемости диэлектриков и магнетиков // Наноиндустрия. 2020. Т. 13, № S4 (99). С. 372–373. DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2020.13.4s.372.373
4. Разработка высокочастотных электрических схем замещения конденсаторов и дросселей с учетом частотных свойств диэлектрической и магнитной проницаемости диэлектриков и магнетиков / В.Ф. Дмитриков [и др.] // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2020. Т. 23, № 2. С. 55–69. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2020.23.2.55-69
5. Cuellar C., Idir N., Benabou A. High frequency behavioral ring core inductor model // IEEE Transactions on Power Electronics. 2016. Vol. 31, no. 5. P. 3763–3772. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2460374
6. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8. 0. М.: Солон-Р, 2000. 698 c.
7. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. М.: Горячая линия – Телеком, 2003. 368 с.
8. Немцов М.В., Шамаев Ю.М. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности. М.: Энергоиздат, 1981. 136 с.
9. Аркадьев В.К. Электромагнитные процессы в металлах. М.; Л.: Главная редакция энергетической литературы, 1936. 303 с.
10. Филиппов Б.Н., Жаков С.В. Теории динамических свойств ферромагнитных монокристальных пластин, обладающих доменной структурой // Физика металлов и металловедение. 1975. Т. 39, № 4. С. 705–717.
11. Brown J. Understanding How Ferrites Can Prevent and Eliminate RF Interference to Audio Systems. URL: http://k9yc.com/SAC0305Ferrites.pdf
12. EPCOS Data Book 2013. Ferrites and Accessories // TDK Electronics. URL: https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/519704/069c210d0363d7b4682d…
13. Ferrite Magnetic Design Tool // TDK Electronics. URL: https://www.tdk-electronics.tdk.com/en/180490/design-support/design-tool. ..
14. Kotny J.-L., Margueron X., Idir N. High-frequency model of the coupled inductors used in EMI filters // IEEE Transactions on Power Electronics. 2012. Vol. 27, no. 6. P. 2805–2812. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2175452

 

---

Информация об авторах

 

Дмитриков Владимир Федорович, 1939 г. р., доктор технических наук, профессор кафедры теории электрических цепей и связи Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций имени профессора М.А. Бонч-Бруевича, г. Санкт-Петербург, Россия. Заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии ОАО «Газпром», академик РАЭН, член-корр. АЭН, член-корр. МАН ВШ. Окончил в 1967 г. Ленинградский политехнический институт им. М.И. Калинина, радиофизический факультет. Член бюро совета «Научные проблемы систем электропитания» при отделении РАН «Электрофизика, энергетика, электротехника». Автор более 300 научных работ и изобретений, в том числе 6 учебников, 4 учебных пособий, 6 монографий и более 30 авторских свидетельств.

Область научных интересов: высокоэффективные ключевые режимы генерирования и усиления электрических колебаний и информационных сигналов, теория линейных и нелинейных электрических цепей, радиосвязь, радионавигация, преобразовательная техника.

E-mail: [email protected]

 

Шушпанов Дмитрий Викторович, 1980 г. р., кандидат технических наук, доцент кафедры теории электрических цепей и связи Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций имени профессора М.А. Бонч-Бруевича, г. Санкт-Петербург, Россия. Окончил в 2002 г. Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций имени профессора М.А. Бонч-Бруевича, факультет многоканальных телекоммуникационных систем. В 2005 г. окончил аспирантуру при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций имени профессора М.А. Бонч-Бруевича. Автор более 110 научных работ, в том числе 1 монографии.

Область научных интересов: энергетически высокоэффективные ключевые режимы генерирования и усиления электрических колебаний и информационных сигналов, теория линейных и нелинейных электрических цепей, устройства преобразовательной техники.

E-mail: [email protected]

 

​ Скачать статью.pdf

Ресурс: Журнал Физика волновых процессов и радиотехнические системы

 

 

Что такое дроссель в электрике: устройство, назначение, проверка

Чтобы понять, как работает схема, необходимо знать не только состав элементов, но и точно представлять, что делает конкретный элемент или их группа. В этой статье будем разбираться с тем, что такое дроссель, как он устроен и работает в различных устройствах и схемах.

Содержание статьи

• 1 Что такое дроссель, внешний вид и устройство
• 2 Свойства, назначение и функции
• 3 Виды и примеры использования
  • 3.1 Дроссель в лампах дневного света
  • 3.2 Зачем нужен дроссель в блоке питания
• 4 Как проверить дроссель мультиметром

Что такое дроссель, внешний вид и устройство

Дроссель — это один из видов катушки индуктивности, представляет собой специальную медную проволоку, намотанную на сердечник. Но не всё так просто, бывают они и без сердечника, называются бескаркасные или воздушные. Внешне некоторые похожи на трансформатор. Отличие в том, что дроссель имеет только одну обмотку, а у трансформатора их две или больше. Если вывода только два, то перед вами точно не трансформатор.

Дроссели без сердечника представляют собой намотанную спиралью проволоку. Как выглядит дроссель в электротехнике разобрались, теперь поговорим о его конструкции.

Что такое дроссель: это намотанная в виде спирали медная проводка с сердечником или без

Как уже говорили, сердечник у дросселя может быть, а может и не быть. Сердечник может быть из токопроводящего материала —  металла, а может из магнитного. Наличие или отсутствие сердечника, а также его тип (не только материал, но и форма) влияют на параметры катушки индуктивности.

Элементы без сердечников применяются для отсечения высоких частот, с сердечником чаще применяют для накопления энергии. Есть и ещё один момент: если сравнить дроссели с одинаковыми параметрами с сердечником  и без, то те которые его имеют, размером намного меньше. Чем лучше проводимость сердечника, тем меньше идёт проволоки и меньшие размеры имеет элемент.

Схематическое изображение дросселя с магнитным сердечником и без

Несколько слов о проволоке, которую используют для намотки дросселя. Это специальный изолированный провод. Изоляция — тонкий слой диэлектрического лака, он незаметен, но изолирует хорошо. Так что, при самостоятельной намотке катушки, не используйте обычную проволоку, только специальную, покрытую изоляцией.

Дроссель на схеме обозначается графическим изображением полуволны. Если он с магнитным сердечником, добавляется черта. Если требуется какой-то специальный металл это также указывается рядом со схематическим изображением. Также может быть указан диаметр провода (L1).

Свойства, назначение и функции

Теперь разберём, что такое дроссель с точки зрения электрики. Если говорить коротко — это элемент, который сглаживает ток в цепи, что отлично видно на графике. Если подать на него переменный ток, увидим, что напряжение на катушке возрастает постепенно, с некоторой задержкой. После того, как напряжение убрали, в цепи еще какое-то время протекает ток. Это происходит так как поле катушки продолжает «толкать» электроны благодаря запасённой энергии. То есть, на дросселе ток не может появляться и исчезать мгновенно.

Ток на дросселе возрастает плавно и так же плавно снижается. Глядя на эти графики становится понятно, что дроссель —  это элемент, сглаживающий ток

Это свойство и используют, когда надо ограничить ток, но есть ограничения по нагреву (желательно его избежать). То есть дроссель используют как индуктивное сопротивление, задерживающее или сглаживающее скачки тока. Как и резистор, катушка индуктивности имеет определённое сопротивление, что вызывает падение напряжение и ограничивает ток. Вот только греется намного меньше. Потому его часто используют как индуктивную нагрузку.

У дросселя есть два свойства, которые тоже используют в схемах.

• так как это подвид катушки индуктивности, то он может запасать заряд;
• отсекает ток определённой частоты (задерживаемая частота зависит от параметров катушки).

В некоторых устройствах (в люминесцентных лампах) дроссель ставят именно для накопления заряда. Во всякого рода фильтрах его используют для подавления нежелательных частот.

Виды и примеры использования

Чтобы более точно усвоить, что такое дроссель, поговорим о конкретном применении этого элемента в схемах. Его можно увидеть практически в любой схеме. Их ставят, если надо развязать (сделать независимыми друг от друга) участки, работающие на разной частоте. Они сглаживают резкие скачки тока (увеличение и падение), используются для подавления шумов. В некоторых схемах работают как стартовые, способствуя увеличению напряжения в момент старта. В зависимости от назначения, делятся на следующие виды:

Как видите, дроссели в электрике имеют широкое применение. Есть они в любой бытовой аппаратуре, даже в лампах. Не тех, которые работают с лампами накаливания, а тех, которые называют лампами дневного света, а так же в экономках и в светодиодных. Просто там они очень небольшого размера. Если разобрать плеер, проигрыватель, блок питания, — везде можно найти катушку индуктивности.

Дроссель в лампах дневного света

Для работы лампы дневного света необходим пуско-регулирующий аппарат. В более «старом» варианте он состоит из дросселя и стартера. Зачем дроссель в люминесцентной лампе? Он выполняет сразу две задачи:

• При пуске накапливает заряд, необходимый для розжига лампы (пусковой).
• Во время работы сглаживает возможные перепады тока, обеспечивая стабильное свечение лампы.

Как подключается дроссель в светильнике дневного света

В схеме люминесцентной лампы с электромагнитным ПРА, дроссель включается последовательно с лампой, стартер — параллельно. При неисправности одного из элементов или сгорании лампы, она просто не зажигается. Принцип работы этого узла такой. При включении напряжения в 220 В недостаточно для старта лампы. Пока она холодная, имеет очень большое сопротивление и ток течёт через постепенно разогревающиеся катоды лампы, затем через стартер.

В стартере есть биметаллический контакт, который при прохождении тока нагревается, начинает изгибаться. В какой-то момент он касается второго неподвижного контакта, замыкая цепь. Тут в работу вступает дроссель, пока грелся контакт стартера, он накапливал энергию. В момент когда происходит разряд стартера, он выдаёт накопленную энергию, увеличивая напряжение. В момент старта оно может достигать 1000 В. Этот разряд провоцирует разгон электродов, вырывая их из катодов лампы. Высвобождённые электроды начинают движение, ударяются о люминесцентное покрытие лампы, она начинает светиться. Дальше ток протекает не через стартер, а через лампу, так как её сопротивление стало ниже. В этом режиме дроссель работает на сглаживание скачков тока. Как видим, катушка индуктивности работает и как стартовая, и как стабилизирующая.

Зачем нужен дроссель в блоке питания

Как уже говорили, дроссель сглаживает пульсации тока. Если он при этом обладает значительным сопротивлением, параметры можно подобрать так, чтобы подавить определённые частоты.

Дроссель для сглаживания пульсаций

Второе назначение дросселя в блоке питания —  сглаживание тока. Для этого используют низкочастотные дросселя с сердечниками из магнитной стали. Пластины друг от друга изолированы слоем диэлектрика (могут быть залиты лаком). Это необходимо чтобы избавится от самоиндукции и токов Фуко. Катушки такого типа имеют индуктивность порядка 1 Гн, так что сглаживают любые колебания тока, гасят его выбросы.

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.

сферы применения, устройство и электронные аналоги

Дросселем называется катушка индуктивности определенной конструкции и номинала, предназначенная для установки в электротехнических и электронных схемах. Дроссель электрический требуется отличать от аналога, используемого в электронных устройствах с учетом их конструктивных особенностей. Для понимания, в чем состоят различия этих двух изделий, придется ознакомиться с принципом работы и существующими разновидностями.

Содержание

1. Принцип работы
2. Технические характеристики
3. Разновидности дросселей
4. Применение индуктивных элементов и их графическое обозначение

Принцип работы

Дроссель электрический

Принцип работы дросселей в электрической схеме можно объяснить так:

• при протекании переменного тока через индуктивный элемент скорость его нарастания замедляется, что приводит к аккумулированию энергии в магнитном поле катушки;
• объясняется это действием закона Ленца, согласно которому ток в индуктивности не может изменяться мгновенно;
• нарушение этого правила привело бы к недопустимому нарастанию напряжения, что физически невозможно.

Другой отличительной особенностью, поясняющей принцип работы индуктивности, является эффект самоиндукции, теоретически обоснованный Фарадеем. На практике он проявляется как наведение в катушке собственной ЭДС, имеющей противоположную полярность.  За счет этого эффекта через индуктивность начинает течь ток, препятствующий нарастанию вызвавшего его полевого образования.

Указанное свойство позволяет применять индуктивные элементы в электротехнике для сглаживания низкочастотных пульсаций. Для них индуктивность представляется большим сопротивлением.

Использование в других технических областях (в высокочастотных устройствах, например) дроссель обеспечивает развязку основной электронной схемы от вспомогательных (низкочастотных) цепей.

Технические характеристики

Технические характеристики компенсационных дросселей

Основным техническим параметром дросселя в электротехнике и электронике, полностью характеризующим его функциональность, является величина индуктивности. Этим он напоминает обычную катушку, применяемую в различных электрических схемах. И в том и другом случае за единицу измерения принимается Генри, обозначаемый как Гн.

Еще один параметр, описывающий поведение дросселя в различных цепях – его электрическое сопротивление, измеряемое в Омах. При желании его всегда удается проверить посредством обычного тестера (мультиметра). Для полноты описания работы этого элемента потребуется добавить такие показатели:

• допустимое (предельное) напряжение;
• номинальный ток подмагничивания;
• добротность образуемого катушкой контура.

Дроссель цепи постоянного тока СТА-ФТП-93 93 кВт

Указанные характеристики дросселей позволяют разнообразить их ассортимент и использовать для решения самых различных инженерных задач.

Разновидности дросселей

По виду электрических цепей, в которых устанавливаются дроссельные элементы, классификация следующая:

• низкочастотные индуктивности;
• высокочастотные катушки;
• дроссели в цепях постоянного тока.

Низкочастотные элементы внешне напоминают обычный трансформатор, у которого имеется всего лишь одна обмотка. Их катушка навита на пластиковом каркасе с размещенным внутри сердечником, изготовленным из трансформаторной стали.

Стальные пластины надежно изолированы одна от другой, что позволяет снизить уровень вихревых токов.

Катушка индуктивности для НЧ динамика, сабвуфера, низких частот, провод ПЭТВ 1,25мм

Дроссельные НЧ катушки обычно имеют большую индуктивность (более 1 Гн) и препятствуют прохождению токов сетевых частот 50-60 Герц через участки цепей, где они установлены.

Еще одна разновидность индуктивных изделий – высокочастотные дроссели, витки которых навиваются на ферритовом или стальном сердечнике. Существуют разновидности ВЧ изделий, которые работают без ферромагнитных оснований, а провода в них наматываются просто на пластмассовый каркас. При секционной намотке, применяемой в схемах среднечастотного диапазона, витки провода распределяются по отдельным секциям катушки.

Электротехнические изделия с ферромагнитным сердечником имеют меньшие габариты, чем простые дроссели той же индуктивности. Для работы на высоких частотах применяются сердечники ферритовые или из диэлектрических составов, отличающихся малой собственной емкостью. Такие дроссели используются в довольно широком диапазоне частот.

Некоторые из них изготавливаются в виде толстой витой проволоки, совсем не имеющей каркаса.

Дроссель постоянного тока в основном применяется для сглаживания пульсаций, появляющихся после его выпрямления в специальных схемах.

Применение индуктивных элементов и их графическое обозначение

Назначение дросселя в импульсных схемах питания — блокировать резкие всплески от трансформатора

Электрические дроссели, работающие в цепях переменного тока, традиционно применяются в следующих случаях:

• для развязки вторичных цепей импульсных источников питания;
• в обратноходовых преобразователях или бустерах;
• в балластных схемах люминесцентных ламп, обеспечивающих быстрый запуск;
• для запуска электрических двигателей.

В последнем случае они используются в качестве ограничителей пусковых и тормозных токов.

Электротехнические изделия, устанавливаемые в электрических приводах мощностью до 30 кВт, по своему виду напоминают классический трехфазный трансформатор.

Так называемые дроссели насыщения используются в типовых обратноходовых стабилизаторах напряжения, а также в феррорезонансных преобразователях и магнитных усилителях. В последнем случае возможность намагничивания сердечника позволяет изменять индуктивное сопротивление действующих цепей в широких пределах. Сглаживающие дроссели применяются для снижения уровня пульсаций в выпрямительных цепях.

Источники питания с такими элементами до сих пор встречаются в электротехнической практике. Для запуска люминесцентных ламп все чаще используется «электронный» балласт, постепенно вытесняющий намоточные изделия. Его применение объясняется следующими преимуществами:

• низкий вес;
• эксплуатационная надежность;
• отсутствие характерного для обычных дросселей гудения.

Для обозначения дросселя на электротехнических и электронных схемах используются значки, представляющие собой отрезок витого проводника. Для катушек с сердечником внутри намотки дополнительно ставится черточка, а в бескаркасном варианте исполнения она отсутствует.

Электронный дроссель: типы, схемы, применение

Содержание

• 1 Общая информация
• 2 Параметрические стабилизаторы – электронные дроссели
• 3 Кратко об обычных дросселях
• 4 Схема электронного дросселя
• 5 Обоснование применения электронного дросселя
• 6 Стабилизаторы
  • 6.1 Классификация
  • 6.2 Простейшие схемы стабилизаторов

Электронный дроссель – это специализированное, употребляемое в среде профессионалов, жаргонное обозначение простейших твердотельных стабилизаторов.

Общая информация

Сложно, сказать, кто придумал это странное название, но оно периодически употребляется радиолюбителями.

Параметрические стабилизаторы – электронные дроссели

Идея использования стабилизаторов вместо фильтров основана не на пустом месте. Суть заключается в желании научиться фильтровать помехи, пока полезный сигнал проходит беспрепятственно. Известно, что дроссель хорошо пропускает низкие частоты. На этом основано его применение в виде фильтра в звукозаписи и воспроизведении мелодий. Слышимые ухом частоты обнаруживают верхний предел в области 15 кГц, хотя отдельные люди слышат до 20 кГц. Если сообщить колебания костям черепа, пределы слышимости распространяются до 220 кГц. Утверждается, что человек через пломбы в зубах способен принимать вещание в сверхнизком диапазоне. Но оставим для спецслужб их игры с разумом и вернёмся к аудиозаписи.

Дроссели здесь используются, чтобы срезать частоты выше 20 кГц. Их ставят перед динамиками для удаления известного радиолюбителям «белого шума». Простые люди звук называют шипением, он навязчив, легко различим даже на фоне громкой музыки. Меломаны стали думать, как избавиться от напасти. Среди них попадались радиолюбители, и кто-то предложил использовать амплитудно-частотную (передаточную) функцию каскада для срезания «белого шума». Эффект основывается на том, что полезного сигнала выше 20 кГц нет, а там лежит значительная часть спектра шипения.

Попробовали сделать и немедленно отметили частичное улучшение. Технологию пустили в ход, единственным недостатком оказались большие габариты дросселя. А среди меломанов ходит легенда – и авторы лично слышали – что в электронных блоках не предполагается твердотельной электроники (транзисторы, тиристоры и пр.). Даже диоды использовать нежелательно. Поэтому люди не согласились бы использовать параметрические стабилизаторы в аппаратуре. Но большой размер дросселя вызывает необходимость заменить его электроникой.

Твердотельный стабилизатор

Кратко об обычных дросселях

Дроссель аналогичен катушке индуктивности, но демонстрирует специфическое назначение и ряд обмоток. Без углубления в тему скажем, что предложил свернуть проволоку спиралью Лаплас, потом действие проделали Швейггер, Ампер, Фарадей и прочие учёные. Так на свет, предположительно, в 1820 году появилась катушка индуктивности.

Ключевым свойством, обнаруженным далеко не сразу, стало наличие реактивного сопротивления. Его называли – индуктивностью. Особенность: ток на таком элементе не способен повыситься сразу, значит, срезается и сглаживается его фронт, становится пологим. Это соответствует на уровне спектра фильтрации нижних частот, что применяется меломанами для уменьшения мощности шипения.

Колонка, как правило, включает ряд динамиков. К примеру, три. И шипит самый маленький, предназначенный для воспроизведения высоких частот, к примеру, тонкого пения скрипки. Если аккуратно прикрыть динамик ладонью, «белый шум» пропадает. Это сродни механической фильтрации при помощи руки.

Схема электронного дросселя

Хотим поблагодарить Евгения Карпова. Любой желающий вправе прочесть выложенную им статью «Электронный дроссель», где обсуждаются основные ошибки по конструированию аппаратуры, даются советы по улучшению качества.

Включение с общей базой называется сравнительной схемой. Транзистор оценивает разницу напряжений на базе и коллекторе. Сигнал снимается с эмиттера. Конденсатор С3 заряжается через резистор R5 служа параметрическим стабилизатором (вместо стабилитрона). Необычное решение требуется, чтобы отслеживать относительно медленно меняющийся звуковой сигнал. На конденсаторе неизменно находится его усреднённое значение, так происходит стабилизация. Транзистор следит, чтобы выходной сигнал равнялся (либо оставался пропорционален) напряжению на стабилизаторе.

Так вкратце действует простая схема электронного дросселя. Смысл использования частично раскрывается Евгением Карповым, но рядовым гражданам он неочевиден. Дроссель большой и тяжёлый, занимает много места, делает вдобавок две неполезных вещи:

1. Вносит в цепь значительное омическое (активное) сопротивление, применяемое в законе Ома для участка цепи.
2. Обладает индуктивным сопротивлением, сдвигающим фазу между током и напряжением. Специалисты склонны считать это дефектом.

Электронный дроссель позволяет убрать указанные недостатки, но Евгений Карпов отмечает, что размер радиатора для транзистора бывает значительным, что уничтожает преимущество. А необходимость точной настройки не каждому под силу. Тем не менее, электронный дроссель вправе использоваться как представитель простейших видов параметрических стабилизаторов.

Обоснование применения электронного дросселя

Считается, что задачей стабилизатора становится стабилизация напряжения, добиваясь постоянства. В действительности речь обычно идёт о действующем значении. Стабилизатор устроен так, чтобы пропускать медленные составляющие. Допустимо добавление обратной связи, эталонов напряжения, чтобы устранить этот «недостаток».

Радиолюбители намеренно в конструкции электронного дросселя упускают подобные навороты, полученное устройство спокойно плавает вдоль нужных частот. На выходе стоит фильтр из конденсатора C4, резисторы задают рабочую точку транзистору.

Стабилизаторы

Классификация

В глобальном смысле стабилизаторы напряжения делят на два класса:

• Параметрические.
• Компенсационные.

Первые обычно опираются на некий эталон. К примеру, простейшим параметрическим стабилизатором становится единственный стабилитрон. Но при этом нельзя добиться высокого выходного напряжения, и ток станет делиться, уходя впустую. Высокие потери, необходимость охлаждения… Это попытались преодолеть в компенсированных стабилизаторах, где в цепь заложена обратная связь. Смысл: сравнить с эталоном не входное напряжение, а выходное и по результатам «теста» провести корректировку коэффициента усилительного каскада.

Электронный дроссель намеренно сделан без обратной связи, чтобы параметры плавали и не мешали полезному сигналу проходить на выход. Электронный дроссель не является параметрическим стабилизатором непосредственно, но представляет намеренно ухудшенный его вариант. Ухудшенный с точки зрения стабильности. Выходной характеристикой идеального считается прямая, не подразумевающая музыки. Вывод:

Электронный дроссель – это параметрический стабилизатор напряжения с намеренно ухудшенными долговременными характеристиками, обеспечивающими постепенный уход напряжения в нужную сторону сообразно форме входного сигнала.

Простейшие схемы стабилизаторов

Выше приводилось упрощённое толкование вопроса – да простят нас истинные радиолюбители. В действительности электронный дроссель использует каскад сравнения из компенсационного стабилизатора. Причём наипростейший из имеющихся, из единственного транзистора. Изложим кратко теорию.

Итак, простейшим параметрическим стабилизатором становится разновидность твердотельного диода – стабилитрон. При превышении напряжением некого порога происходит резкое падение сопротивления p-n-перехода. Стабилитрон, вразрез с обычным диодом, всегда включается навстречу току. На катод нтребуется подать плюс. Значение порога легко изменяется включением между стабилитроном и схемной нейтралью диодов в прямом направлении. На каждом кремниевом p-n-переходе падает 0,5 В. Это порой бывает предпринято для температурной компенсации.

Усложнением схемы является транзисторная, где стабилитрон служит эталоном, а триод занимается стабилизацией. На выходе включается эмиттерный повторитель для улучшения согласования с нагрузкой, а включение по схеме с общей базой стабилизирует ток. Но пора посмотреть на схемы компенсационных стабилизаторов, откуда электронный дроссель кое-что взял.

На рисунке показаны регулирующие элементы из составных транзисторов. Это каскад, на который подаётся петля обратной связи для сравнения с эталоном. Одно из сравниваемых напряжений поступает на эмиттер – от стабилитрона, второе – на базу – из цепи обратной связи. С коллектора снимается сигнал. Транзистор считается симметричным, за исключением мелких деталей, описанных в соответствующей теме (см. биполярный транзистор), допустимо для сравнения использовать базу и коллектор, как в схеме электронного дросселя, приведённой выше.

Исключение – цепь обратной связи из конструкции выкушена. Зато включён вместо эталона конденсатор, заведомо не выдающий постоянное напряжение, радуя радиолюбителя. Постоянная времени берётся такой, чтобы успевал изменяться сигнал согласно полезной частоте (до 20 кГц), а повышенные частоты сглаживались. И хотя меломаны против твердотельной электроники, конструкция вправе существовать.

Для температурной компенсации и увеличения чувствительности возможно создавать сравнительные элементы из нескольких транзисторов и добиваться частичного усиления. В частности, это достигается применением дифференциальной пары (см. операционные усилители). Созданы прочие полезные схемы, читатели найдут примеры самостоятельно в поучительной книге под редакцией Г.С. Найвельта.

Осталось добавить, что электронный дроссель собирается и на полевом транзисторе (MOSFET). Тогда стабилизирующие свойства ухудшаются, а каскад добавляет в цепь тот шум, с которым борется. Карпов добавляет, что жёсткость электронного фильтра намного больше за счёт накопленной в конденсаторе энергии, допустимой к использованию в любой момент, и меньшего активного сопротивления. Электронный дроссель отлично фильтрует напряжение 50 Гц и применяется в маломощных источниках питания. Однако шум устройство подавляет хуже, нежели традиционный полосовой LC-фильтр. Следовательно, питаемая аппаратура не должна быть критична к уровню шумов.

Измерение индуктивности силовых дросселей — Советы по силовой электронике

Индуктивность силовых дросселей изменяется в зависимости от уровня тока. Обычные мосты для измерения слабого сигнала здесь не при чем!

Hubert Kreis, ed-k • Alan Lowne, Saelig Co. Inc.

Тестер силовых дросселей ed-k DP10.

За исключением катушек с воздушным сердечником, все силовые индуктивности демонстрируют поведение насыщения; их индуктивность падает с ростом тока. Материалы сердцевины могут потерять проницаемость и в крайних случаях вести себя как воздушное ядро. На этот предел поведения насыщения может влиять выбор материала сердечника, геометрия сердечника, количество витков и воздушный зазор.

Часто бывают отклонения между расчетной индуктивностью при определенном токе (например, номинальном токе) и реальной индуктивностью, возможно, из-за того, что геометрия дросселя вызывает неоднородное распределение поля, или информация о сердечниках в паспорте неполная. Часто заметны производственные отклонения допусков сердечника, а также влияние температуры. Таким образом, характеристика насыщения силовых дросселей должна измеряться во время разработки продукта, а также во время контроля качества.

Вверху, типичное применение фильтрующего дросселя в импульсном источнике питания. Ниже приведены типичные кривые напряжения и тока для фильтрующего дросселя. Силовые дроссели

используются во многих областях: сглаживающие дроссели для импульсных источников питания, фильтрующие дроссели для IGBT-преобразователей (синусоидальный фильтр), импеданс для преобразователей с линейной коммутацией, сглаживающий реактивный резистор для блоков цепей постоянного тока и т.д. Обычно используется в качестве сглаживающего дросселя во вторичной обмотке импульсного источника питания. Здесь выходное напряжение переключателя обычно имеет прямоугольную форму. Выходной ток в основном постоянный с наложенными пульсациями, напоминающими треугольную волну с частотой, соответствующей тактовой частоте схемы – от нескольких сотен герц до нескольких мегагерц.

Для проектировщика схемы значение катушки индуктивности в этой схеме обычно не очень полезно. Более значимой является индуктивность при наибольшем постоянном токе. Индуктивность на этом уровне влияет на наложенный ток пульсаций (и, следовательно, на остаточную пульсацию источника питания), а также на максимальный ток через силовой полупроводник переключения. Если эффект дросселя достигает насыщения до достижения желаемого максимального выходного тока, случаются плохие вещи. Силовые полупроводники могут выйти из строя или перегреться, выходной конденсатор может перегрузиться, а пульсации на выходе резко возрастут.

Проблема в основном та же, что и в других топологиях схем и приложениях, использующих силовые дроссели, например, синусоидальные фильтры для IGBT-преобразователей. Стандартные мосты для измерения слабого сигнала не дают информации о поведении катушки индуктивности при больших токах, поскольку они измеряют только начальную индуктивность при очень малых измерительных токах. Измерение режима насыщения требует подачи через дроссель соответствующего большого тока. Также важно понимать, что индуктивность каждого дросселя зависит от частоты.

Измерения с фиксированной частотой

Существует два основных метода измерения индуктивности: метод фиксированной частоты, используемый измерителями LCR, и метод измерения импульсов di/dt. В методах с фиксированной частотой к ИУ подается постоянный ток. Синусоидальное слабосигнальное измерительное напряжение (например, 10 кГц) накладывается на ток, а индуктивность рассчитывается по амплитуде и фазе измеряемого тока.

Вверху: Установка для измерения методом фиксированной частоты: Испытываемый объект находится в измерительном мосту и получает смещение от источника постоянного тока. C∞ изолирует компонент от измерительного моста. Далее: Настройка измерения с помощью процедуры измерения импульсов dt/di. Выходной ток гальванически не связан. Ниже расширенная эквивалентная схема измерительного устройства для процедуры dt/di.

Преимущество этого метода в том, что частота измерения устанавливается точно и воспроизводимо. Однако проблема здесь в том, что условия измерения имеют мало общего с реальными условиями применения. Силовые дроссели обычно не видят синусоиду низкого напряжения, а скорее прямоугольное напряжение, содержащее несколько гармоник. В реальных условиях требуется мощный источник постоянного тока, который может быть дорогим для больших токов (например, более 20 А). Более того, определение характеристик дросселя во всем диапазоне постоянного тока требует множества отдельных измерений, проводимых при различных уровнях тока.

В отличие от методов с фиксированной частотой, измерения импульсным методом di/dt подвергают объект испытаний прямоугольному импульсу напряжения, имитирующему таковой в реальном мире. К ИУ подается ток, в то время как для оценки индуктивности наблюдается как рост тока di/dt, так и поведение насыщения. Измерительный импульс прекращается, когда достигается заданный максимальный ток. Оценка скорости нарастания тока di/dt создает полную кривую индуктивности для тестируемого объекта с помощью одного импульса.

В идеале импульсное напряжение соответствует тому, что устройство видит в реальном мире, чтобы избежать подверженных ошибкам результатов измерения фиксированной частоты слабого сигнала. Дополнительным преимуществом измерения формы импульса является то, что источнику тока не нужно постоянно подавать испытательный ток; батарея конденсаторов может обеспечить испытательную энергию. Такой подход значительно экономит средства и уменьшает размер испытательного прибора.

Следует отметить, что напряжение U _ИУ измерительного импульса на ИУ никогда не бывает постоянным из-за паразитных падений напряжения на линиях питания. Активное сопротивление, R _L , самого ИУ также необходимо учитывать, хотя паразитной емкостью ИУ C _L почти всегда можно пренебречь. Тогда следующее уравнение дает индуктивность индуктора L _L :

L _L (i) = [U _DUT (i) – R _L × i] × dt/di           использует отдельные измерительные импульсы. Таким образом, для оценки формы кривой индуктивности необходимо регистрировать напряжение на ИУ и ток через него. Эта запись осуществляется с помощью быстрого и точного аналого-цифрового преобразователя с высоким разрешением.

На графиках измерения тока и напряжения с помощью этого метода часто можно с первого взгляда увидеть, где дроссель переходит в состояние жесткого насыщения, исходя из скорости нарастания измеряемого тока. Для получения более точного результата или создания кривой индуктивности необходима численная оценка. Оценка сигнала (расчет кривой индуктивности) основана на первом уравнении.

Приращения для Δi или Δt должны выбираться тщательно. Если размер шага слишком мал, даже небольшие ошибки оцифровки приведут к флуктуациям кривых индуктивности. Слишком большие размеры шага не будут точно воспроизводить явления внезапного насыщения. Поэтому необходим динамический контроль размера шага, при котором размер шага автоматически адаптируется в зависимости от результатов di/dt.

Практические измерения

Вверху, измеренные кривые тока и напряжения на дросселе с аморфным ленточным сердечником и воздушным зазором (L _{номинал} = 190 мкГн, I _{номинал} = 135 А) для активной коррекции коэффициента мощности. Дроссель входит в насыщение при токе около 200-250 А. Здесь напряжение измерительного импульса составляет около 100 В. Когда ток измерения достигает 500 А, импульс прекращается. Судя по скорости нарастания измерительного тока, на первый взгляд видно, что этот дроссель переходит в состояние жесткого насыщения при токе от 200 до 250 А. Ниже приведена кривая индуктивности в зависимости от насыщения для того же дросселя с ККМ. Этот дроссель при пиковом номинальном токе 135 А × 1,41 = 190 А и имеет индуктивность 156 мкГн. Однако реальный пиковый ток в приложении примерно на 30 А выше из-за наложенных пульсаций тока. Тогда индуктивность при 220 А составляет всего 127 мкГн, что на 33% ниже указанного номинального значения 190 мкГн.

Неотъемлемые преимущества процедуры измерения импульсов сделали ее стандартом для оценки истинной индуктивности силовых дросселей во всем мире. Тестер силовых дросселей DPG10 от немецкой компании ed-k реализует метод измерения импульсов для токов от 0,1 до 4000 А, позволяя измерять характеристики насыщения даже для больших силовых индуктивностей. Напряжение измерительного импульса может быть установлено в диапазоне от 10 до 400 В, поэтому любая индуктивность может видеть напряжение, присутствующее в реальном приложении (например, индуктор фильтра для синусоидального инвертора на выходе около 400 В или сглаживающий дроссель для выхода 5 В). преобразователя переменного/постоянного тока около 20 В). Длительность измерительного импульса может быть предварительно установлена ​​от 3 мкс до 70 мс. Максимально возможная энергия импульса ограничена внутренней батареей конденсаторов, обеспечивающей измерительный ток. При максимальном измерительном напряжении она составляет до 8 кДж. Этого достаточно даже для дросселей большой мощности.

Тестер силовых дросселей DPG10 с быстродействующей конструкцией переключателя IGBT работает практически со всеми типами индуктивных компонентов, от небольших дросселей SMD до силовых дросселей в диапазоне МВА весом в несколько тонн. Подключенный ПК позволяет DPG10 выполнять автоматические измерения индуктивности, отображая результаты, включающие омическое сопротивление. Результаты доступны быстро, а процедуры испытаний не нагревают испытуемый образец.

Протокол измерений определяет кривую индуктивности как функцию тока как в виде графика, так и в виде таблицы. Нет ничего необычного в том, что номинальное значение индуктивности значительно ниже номинального значения индуктивности при реальном пиковом токе после того, как учтены наложенные пульсации тока. возмущения и потери.

Вход дросселя или конденсатора?

Значение двух систем в источниках питания Среди запросов, полученных от читателей, есть запрос на объяснение того, почему и зачем качающиеся дроссели. Не поддаваясь искушению придумать аналогию между ними и качающимися кошками (или даже пиратами), я перейду сразу к сравнению двух представленных ниже диаграмм. Два альтернативных типа схемы двухполупериодного выпрямителя (а) вход конденсатора и (б) вход дросселя. В течение 15 секунд делается вывод о том, что обе они представляют собой схемы двухполупериодного выпрямителя, и что (b) точно такое же, как (a), за исключением того, что C R отсутствует. Те, кто не очень разбирается в разработке таких схем, могут предположить, что единственное реальное отличие заключалось в том, что выход постоянного тока из (b) был менее сглажен; недостаток, который, вероятно, можно было бы восполнить, увеличив емкость конденсатора С и, конечно же, добавив еще одну ступень фильтра с дросселем и конденсатором. Однако на самом деле эти две схемы работают на совершенно разных принципах и имеют разные характеристики. В частности, дроссель L в (b) должен быть особого типа, широко известного как качающийся дроссель, совершенно отличный от дросселя в (а). Цепь (а) — это устройство, обычно используемое для подачи высоковольтного тока на небольшие усилители мощности и т. д. от источника переменного тока. C R действует как резервуар. Если ток не потребляется, он заряжается в течение первых нескольких циклов до пикового напряжения каждой половины вторичной обмотки трансформатора. Это состояние показано на рисунке (а) ниже, который охватывает один полный цикл переменного тока. Ток не может быть показан на этой диаграмме, потому что он не входит ни внутрь, ни наружу. Диаграммы, показывающие условия работы цепи конденсаторного ввода, когда (а) ток отсутствует и (б) ток нагрузки принимается. Когда ток потребляется нагрузкой, он начинает разряжаться C R , на что указывает наклон вниз от A к B в (b). C R может заряжаться только тогда, когда напряжение трансформатора превышает его собственное напряжение, тем самым обеспечивая небольшой баланс для подачи тока через ту половину выпрямителя, которая его получает. На этом этапе отмечены от B до C, C R должен получать ток, достаточный для непрерывного питания нагрузки в течение половины цикла. Здесь дизайнер сталкивается с дилеммой. Если он сделает C R маленьким, напряжение между пиками переменного тока будет быстро теряться, в результате чего среднее выходное напряжение при полной нагрузке будет намного ниже, чем при холостом ходе. Говоря техническим языком, у него плохое регулирование. Из этого также следует, что на выходном напряжении наблюдаются очень большие пульсации, что требует значительного сглаживания. Если, с другой стороны, он сделает C R достаточно большой, чтобы поддерживать выходное напряжение на высоком уровне, B приближается почти к пику напряжения, поэтому период, представленный BC, составляет лишь небольшую часть полупериода (AC), и пиковый ток через выпрямитель, следовательно, много раз превышает установившийся ток нагрузки. Это плохо для выпрямителя, если только не используется аномально большой размер. Это также плохо для трансформатора, если только не используется большая и дорогая модель, потому что импульсная форма волны имеет гораздо большее среднеквадратичное значение, которое имеет значение при нагреве обмоток, чем среднее значение, которое является полезной выходной мощностью. С этими неудобствами можно мириться, когда количество подаваемой мощности настолько мало, что дополнительные затраты на компоненты не стоят серьезного беспокойства, и особенно когда ток нагрузки достаточно постоянен, как, например, когда он состоит усилителя класса А. Пик тока можно при необходимости удерживать в разумных пределах с помощью резистора, включенного последовательно с выпрямителем. И система имеет то преимущество, что выходное напряжение может составлять довольно высокий процент от пикового входного напряжения. Но для больших усилителей мощности, скажем, 50 Вт или более, дополнительные затраты на выпрямители и трансформаторы из-за сильно пиковой формы тока являются серьезными. Что, возможно, более серьезно, так это то, что мощные усилители часто работают в классе B (или C), поэтому потребляемый ток может колебаться в широких пределах. Резкий спад выходного напряжения при увеличении потребляемого тока, короче говоря, плохая регулировка является наиболее нежелательной особенностью этой системы питания с емкостным входом. Сравните систему дроссельной заслонки (b) на верхней диаграмме. Предположим, что индуктивность дросселя L достаточно велика, чтобы поддерживать ток через него практически постоянным. Тогда выходное напряжение на сглаживающем конденсаторе С должно быть практически постоянным и может быть представлено горизонтальной прямой линией. На стороне выпрямителя дросселя напряжение (без учета потери вольт в выпрямителе, когда он проводит) состоит из полупериодов, показанных на второй диаграмме. Таким образом, напряжение на дросселе должно быть разностью между этими полусинусоидами и постоянным напряжением. Вопрос в том, как высоко на диаграмме ниже мы должны провести горизонтальную линию, чтобы представить постоянное выходное напряжение? Приблизительные соотношения напряжений в цепи дроссель-вход с очень большой индуктивностью дросселя при протекании некоторого тока. Если пренебречь сопротивлением дросселя и считать его чисто индуктивным, то напряжение на нем должно быть полностью переменным, без постоянной составляющей. Это означает, что его среднее значение по обе стороны от нулевой линии равно. Горизонтальную линию выходного напряжения можно рассматривать как нулевую линию для дроссельного напряжения, которое затем представлено формой волны полупериода выше и ниже нее. Чтобы быть чисто чередующимся, заштрихованные области ниже линии должны быть равны тем, что выше. Это то же самое, что сказать, что высота горизонтальной линии должна быть равна средней высоте формы полупериода. Книги показывают нам, что эта высота в 2/π или 0,64 раза больше высоты пика, который мы называем V макс. . Поскольку мы знаем, что напряжение на индуктивности L равно L, умноженной на скорость изменения тока через нее, мы можем найти форму волны тока. Его наклон в любой точке должен быть пропорционален заштрихованному напряжению, что-то вроде диаграммы ниже. Форма волны пульсаций тока соответствует форме волны напряжения на предыдущей диаграмме. На этом этапе вы можете возразить, что мы должны были принять постоянный выходной ток, а здесь я показываю, что он меняется. Я хотел бы отметить, однако, что мы предполагали, что это было практически константа, а это означает, что любые отклонения малы. Итак, на диаграмме представлены небольшие пульсации при относительно большом постоянном токе. Там должно быть с некоторой пульсацией , чтобы генерировать заштрихованное напряжение на L. При наших упрощающих допущениях выходное напряжение такое, как показано выше, независимо от количества постоянного тока, потребляемого нагрузкой. Таким образом, напряжение дросселя и, следовательно, пульсации тока, необходимые для его возбуждения, одинаковы при всех токах нагрузки. На практике увеличение тока нагрузки немного снижает выходное напряжение, потому что оно должно проходить через пренебрегаемые сопротивления дросселя, выпрямителя и трансформатора. При условии, что они остаются низкими, выходное напряжение остается стабильным, примерно в 0,64 раза превышающим пиковое значение в широком диапазоне выходного тока, вместо того, чтобы резко меняться, как в системе конденсатор-вход. На практике L не может быть настолько большим, чтобы пульсирующий ток был пренебрежимо мал. Он может быть довольно маленьким по сравнению с полным током нагрузки, но если ток нагрузки достаточно уменьшить, будет достигнута точка, в которой он не будет таким большим, как пульсации, поэтому ток полностью прекратится в области впадин пульсаций. В течение этих периодов прерывания тока (дважды за цикл переменного тока) L, очевидно, не может вызвать никакого напряжения, и наша теория не работает. В пределе, когда тока нагрузки вообще нет, L может и не быть, а C стремится занять место C R на первой диаграмме (а), так что напряжение на нем достигает пикового уровня. Соотношения между выходным напряжением и током нагрузки, таким образом, работают, как показано на следующей диаграмме, где (a) — кривая входа конденсатора, а (b) — вход дросселя. «Критическая нагрузка» для (b) — это ток нагрузки, которого ровно столько, чтобы он оставался непрерывным, несмотря на пульсации. При меньших токах нагрузки выходное напряжение резко возрастает до пикового значения, а при больших токах оно постепенно падает из-за сопротивления выпрямителя и т. д. Более крутое падение (а) связано с эффектом, объясненным в связи со второй диаграммой. Одной из нежелательных особенностей (а) является то, что если ток не потребляется, например, во время прогрева клапанов, напряжение возрастает примерно на 40% по сравнению с уровнем полной нагрузки, поэтому все соответствующие компоненты должны быть оценены соответствующим образом. . Система с дроссельным вводом может быть избавлена ​​от этого недостатка, если ее ток нагрузки никогда не будет падать ниже критической точки. Это может быть обеспечено с помощью подходящего резистора, подключенного параллельно C и довольно неприятно известного как прокачка. Такое устройство было бы расточительным, если бы потребляемый им ток, хотя бы равный критическому току нагрузки, не был мал по сравнению с полным током нагрузки; скажем, самое большее одну десятую, а лучше меньше. Таким образом, требование к L состоит в том, что оно должно быть достаточно большим, чтобы критический ток нагрузки имел этот порядок. Сравнение кривых выходного напряжения/тока для систем (а) с конденсаторным входом и (б) с дроссельным входом. Приблизительный расчет, приведенный в конце, если кому интересно, показывает, что критическая индуктивность, минимальная индуктивность, необходимая для обеспечения непрерывности тока, которую мы будем называть L c , равна сопротивление критической нагрузки (R c ), деленное на 6π f , где f — частота питания двухполупериодного выпрямителя. При f = 50 это сводится к L c = R c /940. В качестве примера предположим, что выходное напряжение (при критической нагрузке) равно 500, и никто не хочет, чтобы критическая нагрузка превышала 10 мА. Тогда R c = 500/10 = 50кОм. Предполагая, что f = 50 Гц, L c = 50 000/940 = 53 Генри. Если ток полной нагрузки составляет что-то вроде 150 или 200 мА, это огромная индуктивность, особенно если (чтобы реализовать преимущества системы) ее сопротивление должно быть низким. Однако, к счастью, нет необходимости, чтобы его индуктивность равнялась 53 Гн при полной нагрузке. 5H будет более чем достаточно для обеспечения непрерывности тока. В системе с конденсаторным вводом важно обеспечить достаточную сглаживающую индуктивность при полном токе нагрузки, а во избежание насыщения сердечника дросселя в нем должен быть оставлен зазор, что требует большего количества витков для поддержания индуктивности и, следовательно, большего сопротивления. или более высокая стоимость. Но дроссель в системе дроссель-вход можно допустить довольно сильное насыщение при полной нагрузке, если он дает высокую индуктивность при критической нагрузке. Я не уверен в происхождении описания «качающийся» для этого типа дросселя, который использовался, по крайней мере, еще в 1929, но, по-видимому, это относится к изменению индуктивности при изменении постоянного тока через нее. Это не единственное отличие его от обычного сглаживающего дросселя. На третьей диаграмме видно, что пиковое напряжение на нем при всех токах рабочей нагрузки примерно равно полному выходному напряжению. Поэтому изоляция обмоток должна быть адекватной. Одним из способов снижения критического тока (или, в качестве альтернативы, уменьшения критической индуктивности) является настройка дросселя на основную частоту пульсаций, которая в два раза превышает частоту питающей сети. Это делается путем подключения подходящего конденсатора к L. По общему признанию, он пропускает более высокие частоты пульсаций, но с ними можно легко справиться с помощью последующего сглаживающего фильтра. Допустим, в предыдущем примере мы урезали индуктивность дросселя 10 мА до 20Гн. Это само по себе не обеспечило бы достаточного импеданса на частоте 100 Гц, чтобы поддерживать основной ток пульсаций ниже пикового значения 10 мА, но это можно было бы сделать с помощью около 0,127 мкФ параллельно с ним. Выпрямитель, используемый вместе с дроссельным входом, обычно представляет собой газонаполненный выпрямитель, поскольку он имеет незначительное сопротивление нарастания и, таким образом, способствует постоянству выходного напряжения. Отсутствие пиков тока, намного превышающих ток полной нагрузки, означает, что довольно небольшой выпрямитель может работать со значительной мощностью. Если какой-либо историк не сможет доказать обратное, можно предположить, что входной дроссель был введен специально для того, чтобы наилучшим образом использовать тогдашний новый газонаполненный выпрямитель. Подведение итогов Система с конденсаторным вводом дает плохую стабилизацию и требует более мощных трансформаторов, выпрямителей и сглаживающих конденсаторов, чем дроссель. В маломощных аппаратах, особенно при более или менее постоянном токе нагрузки, эти недостатки, будучи небольшими, могут перевешиваться преимуществом более высокого выходного напряжения. Чем больше подаваемая мощность, тем больше вероятность того, что система с дроссельным вводом продемонстрирует общую экономичность, а для класса B и аналогичных требований она намного лучше. Дроссель должен иметь низкое сопротивление и высокую индуктивность при малом токе и выдерживать пиковые напряжения того же порядка, что и максимальное выходное напряжение. Полезно настроить его параллельной емкостью, чтобы минимизировать критический ток нагрузки, ниже которого выходное напряжение возрастает очень круто. Основные пульсации и токи нагрузки в критической точке. Наконец, вот вывод формулы L c = R c /6π f . На приведенной выше диаграмме I d представляет собой постоянный ток или ток нагрузки, а I a представляет собой пик пульсаций тока на его основной частоте, который равен 2 f . При критическом значении I d он равен I и . Обозначим пиковое переменное напряжение как V max , предполагая синусоидальную форму волны, его среднее значение равно 2V max /π. Ток нагрузки I d равен этому делению на общее сопротивление постоянному току нагрузки плюс дроссель, выпрямитель и трансформатор. При критическом I d эти добавки обычно достаточно малы, чтобы ими можно было пренебречь по сравнению с сопротивлением критической нагрузки R c , поэтому критический I d ≈ V макс /πR c . Теперь пиковая переменная составляющая двухполупериодного выпрямленного «входного напряжения на L» на диаграмме 3 при самой низкой частоте (которая равна 2 f , основной частоте пульсаций) составляет 4 В макс. /3π. Снова пренебрегая сопротивлением выпрямителя и т. д., а также импедансом C на этой частоте, мы имеем I a ≈ 4V max /3πX L , где X L — реактивное сопротивление дросселя на частоте 2 f , значит, 4π f L. Pult I D = I A , который является критическим условием: (4V MAX )/(3π x 4π F L C ) = 2V L C ) = 2V = 2V 77777777 гг. /πR c , что упрощается до L c = R c /6π ф .

«дроссель» | Определение и родственные слова

дроссель

Существительное

1. Катушка с низким сопротивлением и высокой индуктивностью, используемая в электрических цепях для пропускания постоянного тока и ослабления переменного тока (синсет 103028201)

   гипероним : катушка-реактор, состоящий из спирали изолированного провода, который вводит индуктивность в цепь.

   часть мероним : цепь, электрическая цепь, электрическая цепь — электрическое устройство, обеспечивающее путь для прохождения электрического тока

   синоним : дроссельная катушка, дроссельная катушка

2. Клапан, регулирующий подачу воздуха в карбюратор бензинового двигателя (синсет 103028016)

   гипероним : регулирующий клапан, состоящий из механического устройства для управления потоком жидкости

   гипоним : автоматическая воздушная заслонка — воздушная заслонка, которая автоматически регулирует подачу воздуха в карбюратор.

   часть меронима : топливная система — оборудование в автомобиле или самолете, которое подает топливо в двигатель

Глагол

1. Дышите с большим трудом, как при сильном волнении (синсет 200002724)

   «Она задыхалась от эмоций, когда говорила о своем покойном муже»

   гипероним : дышать, вдыхать, вдыхать, вдыхать — втягивать воздух в легкие и выдыхать из них.

2. Будьте слишком тугими;
   руб или пресс (синсет 201573390)

   «Этот шейный ободок душит кошку»

   гипероним : сжимать, сжимать, сжимать, сжимать, сжимать, сжимать — сжимать или сжимать вместе

   синоним : лад, кляп

3. Свернуть шею (синсет 201573572)

   «Человек душил соперника»

   гипероним : сжимать, сжимать, сжимать, сжимать, сжимать, сжимать — сжимать или сжимать вместе

   синоним : скрэг

4. Сжать (чье-то) горло и не дышать (синсет 200077703)

   причина : задыхаться — дышать с большим трудом, как при сильном волнении

   гипероним : сжимать, сжимать, сжимать, сжимать, сжимать, сжимать — сжимать или сжимать вместе

   синоним : задушить

5. Борьба за дыхание;
   Недостаточное потребление кислорода (синсет 200077451)

   «он проглотил рыбью кость и заткнул рот»

   гипероним : больно, страдать — чувствовать боль или быть в боли

   синоним : кляп, душить, душить

6. Неспособность работать должным образом из-за напряжения или волнения (синсет 202535335)

   «Команда должна была выиграть безоговорочно, но подавилась, разочаровав тренера и зрителей»

   гипероним : неудача, пренебрежение — не сделать что-либо; оставить что-то несделанным

7. Проверка или замедление действия или эффекта (синтаксис 202428846)

   «Она подавила свой гнев»

   гипероним : закупоривать, подавлять, подавлять — сознательно воздерживаться от показа; эмоций, желаний, импульсов или поведения

8. Становиться или создавать препятствия (синсет 201481233)

   «Осенью листья засоряют канализацию»; «Водопровод заделан»

   гипероним : блокировать, закрывать, препятствовать, заклинивать, препятствовать, запирать, закупоривать — блокировать проход через

   синоним : подпирать, заглушать, забивать, засорять, перегружать, фол

9. Нарушать дыхание или препятствовать проходу воздуха (синсет 201478810)

   «Зловонный воздух медленно душил детей»

   гипероним : блокировать, закрывать, препятствовать, заклинивать, препятствовать, запирать, закупоривать — блокировать проход через

   синоним : задыхаться, душить, задыхаться

10. Стать тупым, подавленным или подавленным (синсет 200391905)

    «Он задыхается — живет дома с престарелыми родителями в маленькой деревне»

    гипероним : стать, превратиться — подвергнуться изменению или развитию

    синоним : задохнуться

    группа глаголов : задыхаться, душить — подавлять развитие, творчество или воображение

11. Подавить развитие, творчество или воображение (синсет 200391723)

    «Его работа душила его»

    гипероним : глушить, душить — подавлять или сдерживать, чтобы уменьшить интенсивность

    синоним : задохнуться

    группа глаголов : задохнуться, задохнуться — отупеть, подавить или задушить

12. Уйти из физической жизни и потерять все телесные атрибуты и функции, необходимые для поддержания жизни (синсет 200359085)

    «Умерла от рака»; «Дети погибли в огне»; «Больной ушел мирно»; «Старик сдох в 102 года»

    гипероним : изменить состояние, повернуть — претерпеть трансформацию или изменение положения или действия

    синоним : купить ферму, обналичить свои фишки, конк, каркнуть, умереть, умереть, офигеть, выйти, истечь, отказаться от призрака, уйти, сдохнуть, пройти, скончаться, погибнуть, выскочить, понюхать это

13. Уменьшите подачу воздуха (синсет 200173172)

    «Дроссель карбюратора»

    гипероним : обогатить — сделать лучше или улучшить качество

    синоним : дроссельная заслонка

14. Вызывает рвоту или удушье (синсет 200077359)

    гипероним : Sicken — сделать больным или больным

    синоним : кляп

Найдено в списках слов

Найдите слова похожего характера в этих списках:

• Существительные, обозначающие искусственные объекты
• Глаголы ухода, одевания и ухода за телом
• Глаголы политической и общественной деятельности и событий
• Глаголы размера, изменения температуры, усиления и т. д.
• Глаголы прикосновения, удара, связывания, копания

Другие запросы

• Рифма : Лягушка-укроп, RhymeZone
• Определение : Викисловарь, словарь.com, Википедия, Мерриам-Вебстер, Ворднет
• Изображение : Google, Фликр, Бинг

Что такое дроссельная катушка? (с картинками)

`;

Джессика Рид

Дата последнего изменения: 26 августа 2022 г.

Дроссельная катушка — это деталь, используемая в электрических цепях для пропускания постоянного тока и блокирования прохождения переменного тока. Эти катушки используются в ряде электрических устройств. Когда он используется как часть схемы радио, он попадает в один из двух частотных классов: аудио или радио. Те, которые используются в цепях с более высокими частотами, используют другие материалы сердечника, чем те, которые используются в цепях с более низкими частотами.

В процессе передачи сигнала по цепи идея состоит в том, чтобы пропустить нужный сигнал и отфильтровать другие нежелательные сигналы. Одним из типов нежелательных сигналов является синфазный шум, который отфильтровывается синфазным дросселем. Линии электропередач являются примером источника синфазного шума. Без катушки линия электропередач создавала бы сильный электрический шум на пути к месту назначения, который затем был бы получен на другом конце и, возможно, вызвал бы помехи для сигнала.

Дроссельная катушка работает, потому что действует как индуктор. Когда проходящий ток изменяется, как это происходит с переменным током, он обычно создает магнитное поле в катушке, которое работает против этого тока. Это свойство, известное как индуктивность, блокирует прохождение большей части переменного тока. В результате токи, которые не меняются, например, постоянные токи, могут продолжаться, в то время как те, которые меняются, блокируются тем самым магнитным полем, которое они создали.

В основе этой детали лежит материал, используемый для создания магнитного поля. Катушки, используемые для фильтрации более высоких частот, могут использовать сердечник с воздушным или ферритовым сердечником, в то время как катушки с более низкой частотой могут использовать железный сердечник. Материал сердечника определяет силу магнитного поля и коэффициент индуктивности катушки.

Катушки индуктивности

похожи на конденсаторы с одним ключевым отличием в том, как они работают. Оба накапливают электрические заряды, которые проходят через них, но конденсаторы хранят заряд внутри изолятора, расположенного между двумя проводниками на конденсаторе. Дроссельная катушка накапливает электрический заряд в магнитном поле, создаваемом вокруг нее, а не в какой-либо конкретной части самой катушки. Обе части используются в электронных схемах, но конденсаторы обычно накапливают электрические заряды, а эти катушки фильтруют их.

При выборе наилучшего типа для использования в цепи инженер будет смотреть на напряжение, сопротивление катушки постоянному току и уровень индуктивности. Эти факторы определяют, какая катушка будет наиболее эффективно пропускать правильные токи, блокируя нежелательные. Частота, через которую необходимо пройти, определяет наилучшие типы для использования.

ВЧ-дроссель и индуктор — база данных запчастей EEE

Компоненты EEE, ПАССИВНЫЕ, ВЧ и СВЧ

Катушки индуктивности и ВЧ дроссели в основном представляют собой электрические компоненты одного типа. Разница в конструкции связана с функцией, которую устройство будет выполнять в цепи. Большинство инженеров больше знакомы с катушками индуктивности — некоторые считают, что оба устройства могут использоваться взаимозаменяемо, — которые преобладают в частотно-селективных системах, таких как тюнер для радиоприемников или фильтры.

Катушки индуктивности

Стандартная катушка индуктивности создается путем плотной намотки проводов (катушек) вокруг твердого стержня или цилиндрического кольца, называемого сердечником катушки индуктивности. Когда ток циркулирует по проводам, создается магнитный поток, противоположный изменению тока (сопротивляющийся любому изменению электрического тока), но пропорциональный величине тока. Кроме того, в катушке индуцируется напряжение из-за движения магнитного потока. Сила магнитного потока зависит от типа сердечника.

Катушки индуктивности классифицируются по типу сердечника, на который намотана катушка. На рис. 1 показаны символы, используемые для различения некоторых типов.

Рисунок 1: Символы индуктора. Источник: www.electronics-tutorials.ws

Единицы

Как мы видели, катушки индуктивности сопротивляются изменению тока (AC), но легко пропускают постоянный ток. Эта способность противодействовать изменениям тока и взаимосвязи между током и магнитным потоком в индукторе измеряется добротностью, называемой индуктивностью, с символом L и единицами измерения Генри (H) в честь американского ученого и первого секретаря Смитсоновского института. , Джозеф Генри.

ВЧ-дроссели

ВЧ-дроссели можно рассматривать как применение катушек индуктивности. Они разработаны как фиксированные катушки индуктивности с целью блокировки или подавления высокочастотных сигналов переменного тока (AC), включая сигналы от радиочастотных (RF) устройств, и обеспечения прохождения низкочастотных сигналов и сигналов постоянного тока. Строго говоря, в идеале ВЧ-дроссель представляет собой дроссель, который отбрасывает все частоты и пропускает только постоянный ток. Для этого дроссель (или индуктор) должен иметь высокий импеданс в диапазоне частот, который он предназначен для подавления, в чем мы можем убедиться, изучив формулу для значения импеданса XL: 9.0015

XL = 6,283*f*L

Где f — частота сигнала, а L — индуктивность. Мы видим, что чем выше частота, тем выше импеданс, поэтому сигнал с высокой частотой встретит эквивалентное сопротивление (импеданс), которое заблокирует его прохождение через дроссель. Низкочастотные сигналы и сигналы постоянного тока будут проходить с небольшими потерями мощности.

Дроссели обычно состоят из катушки изолированного провода, намотанной на магнитный сердечник, или круглой «бусины» из ферритового материала, нанизанной на провод. Их часто наматывают по сложной схеме, чтобы уменьшить собственную емкость.

Обычно ВЧ-дроссели можно увидеть на компьютерных кабелях. Они известны как ферритовые бусины и используются для устранения цифрового радиочастотного шума. Как показано на рис. 2, ферритовые кольца имеют форму цилиндра или тора и обычно надеваются на проволоку.

Рис. 2. Ферритовая втулка. Источник: Wuerth Elektronik

Self-Resonance

Катушки индуктивности и дроссели в реальном мире не являются индуктивными на 100%. При подаче питания появляются паразитные элементы, которые изменяют поведение устройства и импедансы. Провода катушки, используемые для изготовления индуктора, всегда вносят последовательное сопротивление, а расстояние между витками катушки (обычно разделенное изоляцией) создает паразитную емкость. Этот элемент появляется как параллельный компонент последовательной комбинации паразитного резистора и идеальной катушки индуктивности. Типовая эквивалентная схема катушки индуктивности показана на рис. 3.9.0015

Рис. 3: Эквивалентная схема катушки индуктивности

Реактивные сопротивления идеальной катушки индуктивности и паразитного конденсатора находятся по известным формулам:

XL = wL = 6,283*f*L (1)

XC = 1/( wC) = 1/(6,283*f*C) (2)

Из-за наличия реактивных сопротивлений значение полного импеданса цепи зависит от частоты. С увеличением частоты реактивное сопротивление конденсатора падает, а емкость катушки индуктивности увеличивается. Существует частота, при которой реактивное сопротивление идеального индуктора и паразитного конденсатора равны. Это называется собственной резонансной частотой параллельной резонансной системы. В параллельном резонансном контуре полное сопротивление на резонансной частоте максимально и чисто резистивно. На рис. 4 показаны графики импеданса в зависимости от частоты, заданные уравнениями 1 (красный) и 2 (синий). Общий импеданс (черный) показывает резонансную частоту в точке, где оба импеданса равны. Импеданс в этой точке является чисто резистивным и имеет максимальное значение.

Рис. 4. Импеданс в зависимости от частоты. Источник: Texas Instruments

Источник: Electronics 360 статья Эйба Мишлена

• Автор
• Последние сообщения

doEEEt Media Group

doEEEt media — группа, стоящая за каждым сообщением в этом блоге.
Команда экспертов, которая сообщает вам последние и самые важные новости о рынке EEE Part and Space.

Последние сообщения doEEEt Media Group (посмотреть все)

• Bourns расширяет семейство мощных предохранителей для электромобилей — 16 сентября 2022 г.
• Диэлектрическая проницаемость и ее влияние на свойства конденсатора — 12 сентября 2022 г.
• Тороидальные дроссели, дроссели с компенсацией тока, синфазные дроссели и шарики — 12 сентября 2022 г.

0 0 голосов

Рейтинг статьи

Предыдущий пост

Как рассчитать выходной конденсатор для микросхемы контроллера постоянного тока

Следующий пост

Vishay представила первые резисторы большой мощности

Патент США на ферритовый синфазный дроссель, адаптированный для монтажа на печатной плате.

Патент (Патент № 5,455,552, выдан 3 октября 1995 г.) режим дросселя.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Дроссели обычно используются в электронных схемах для блокирования частот сигналов выше желаемого диапазона, в то же время позволяя пропускать сигналы постоянного тока или низкочастотные сигналы. Таким образом, дроссели использовались для предотвращения воздействия электромагнитных помех (ЭМП) на работу различных электронных устройств. Электромагнитные помехи генерируются, например, как побочный продукт импульсных регуляторов, которые имеют формы сигналов тока и напряжения с быстрым временем нарастания и спада. Поскольку импульсные стабилизаторы обычно содержатся в источниках питания, электромагнитные помехи могут передаваться по всему электронному устройству через проводники источника питания. Чрезмерные электромагнитные помехи могут привести к логическим ошибкам в компьютере и вызвать помехи в других соседних электронных компонентах.

Дроссель обычно представляет собой магнитный сердечник, через который или вокруг которого расположены проводники или обмотки. Таким образом, типичный дроссель определяет первый и второй взаимно связанные магнитные пути. Дроссель можно схематически представить как фильтр нижних частот. Чтобы любой дроссель функционировал должным образом, его индуктивность или индуктивное реактивное сопротивление не должны падать ниже определенного минимума, даже если ток в обмотке возрастает до максимального значения. За пределами максимального значения тока реактивное сопротивление заметно падает. Таким образом, способность дросселя препятствовать сигналам помех падает, тем самым обеспечивая прохождение этих сигналов. Поэтому желательно предотвратить насыщение дросселя.

Ферритовые материалы обычно используются в качестве материала сердечника для многих дросселей, поскольку, среди прочего, ферриты имеют чувствительные магнитно-частотные соотношения. Ферритовый материал, из которого изготовлен дроссель, определяет, какие частоты сигнала будет подавлять дроссель. Большинство ферритов, имеющих подходящие значения индуктивности для применения в дросселях, насыщаются при менее чем примерно 4000 Гаусс. Соответственно, при дифференциальной конфигурации ферриты имеют относительно низкую пропускную способность по току на низких частотах до того, как дроссель перейдет в состояние насыщения, и уровень его импеданса ухудшится на желаемой частоте.

Методы, обычно используемые для предотвращения этого насыщения, заключаются в обеспечении воздушного зазора в сердечнике, использовании сердечника большего поперечного сечения или просто ограничении допустимого тока. Пример дросселя с воздушным зазором в сердечнике показан в патенте США No. № 5115059 Covi et al. Дроссель, описанный Covi et al. используется для подавления как дифференциальных, так и синфазных помех в проводниках источника питания постоянного тока. Дроссель состоит из двух комплементарных ферритовых половинок Е-образной формы, образующих между собой пару пазов, через которые проходят проводники.

Один тип ферритового шумоподавителя включает в себя отдельные электрические проводники, проходящие через соответствующие отдельные отверстия в ферритовом теле, как показано, например, в патенте США No. № 4758808 на имя Sasaki et al. патент США. В US-A-4785273, выданном Doty, описан трансформатор с обычно цилиндрическим ферритовым корпусом, имеющим пару противоположных пазов, проходящих через него. Через щели проходит полосковая линия, образованная парой плоских проводников.

Если электрические проводники сконфигурированы для работы в синфазном режиме, то проблемы насыщения можно смягчить или предотвратить. Другими словами, прохождение высокой стороны и возврата земли через одно и то же кольцевое пространство сердечника создает противоположные поля в сердечнике, которые имеют тенденцию к нейтрализации. Например, большие ферритовые втулки были установлены вокруг параллельных входных/выходных проводников и могут работать таким образом, чтобы подавлять электромагнитные помехи, входящие или выходящие из электронного устройства. Параллельные проводники создают электрические поля в ферритовой гильзе, которые стремятся компенсировать друг друга. Другими словами, конфигурация синфазного дросселя позволяет дросселю работать с большими токами, которые могут насытить дифференциальный дроссель.

Дроссели обычно устанавливаются непосредственно на печатные платы. Однако невозможно использовать дроссели с большими сердечниками или секциями с зазором для печатных плат, вместо этого обычно можно использовать ферритовые шайбы на отдельных проводниках. Аналогичным образом, патент США No. В патенте США № 4656451, выданном Pomponio, описаны две уложенные друг на друга ферритовые бусины, при этом феррит для каждой бусинки выбран так, чтобы препятствовать разной частоте сигнала. Два параллельных прохода проходят в продольном направлении через обе бусины, и в эти два прохода вставлен U-образный проводник. Такие ферритовые шарики очень эффективны в приложениях для печатных плат, если ток не превышает уровень насыщения. Это условие часто имеет место в источниках питания или преобразователях, где отдельные проводники (по-разному) могут выдерживать несколько ампер.

В приложениях, где требуется синфазная фильтрация высокоскоростных сигналов, как, например, в сетевых сигналах Ethernet по витой паре, последовательные ферритовые кольца не имеют возможности фильтровать сигналы в зависимости от режима прохождения сигнала по паре проводников. Предполагаемые сигнальные токи обычно определяются как в дифференциальном режиме, когда сигнальные токи равны по величине и противоположны по направлению на паре проводников. Непреднамеренные или шумовые токи обычно являются синфазными, то есть токи равны по величине и текут в одном направлении. Из-за своей конструкции серийные ферритовые кольца не могут отличить эти преднамеренные и непреднамеренные сигналы. Вместо этого как предполагаемый ток сигнала дифференциального режима, так и непреднамеренный шумовой ток синфазного режима сталкиваются с импедансом.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ввиду предшествующего уровня техники целью настоящего изобретения является создание монтируемого на плате ферритового синфазного дросселя для больших сигнальных токов, компактного по объему и занимаемого места. .

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание синфазного дросселя для высокоскоростных сигналов, который уменьшает сигналы синфазного шума, позволяя при этом проходить через него предполагаемым дифференциальным сигналам.

Эти и другие цели, особенности и преимущества настоящего изобретения обеспечиваются синфазным дросселем, включающим ферритовый корпус, для поверхностного монтажа на печатной плате и включающим по меньшей мере одну пару проводников, проходящих через одну или несколько прорезей. отверстия в ферритовом корпусе. Ферритовое тело предпочтительно имеет прямоугольную форму, имеющую верхнюю поверхность, нижнюю поверхность и первую и вторую пары противоположных боковых сторон. По меньшей мере одно щелевое отверстие проходит через ферритовое тело. Предпочтительно, чтобы первое и второе отверстия с прорезями, расположенные на расстоянии друг от друга, проходили вертикально между верхней поверхностью и нижней поверхностью, причем нижняя поверхность приспособлена для размещения рядом с печатной платой. Отверстия с прорезями предпочтительно проходят рядом с соответствующими отверстиями на противоположных боковых поверхностях и имеют однородное, по существу, прямоугольное поперечное сечение.

Электрические проводники разнесены по бокам друг от друга и проходят по параллельным путям от нижней поверхности через первое щелевое отверстие к верхней поверхности, вдоль участка верхней поверхности между первым и вторым щелевыми отверстиями и обратно вниз через второе щелевое отверстие на нижней грани. Таким образом, проводники взаимодействуют с ферритовым корпусом, образуя синфазный дроссель. В одном варианте осуществления концевые части электрических проводников могут выходить наружу от нижней поверхности ферритового корпуса для электрического соединения через соответствующие отверстия печатной платы.

Вторая пара противоположных боковых поверхностей может иметь нижние части, выступающие наружу за плоскость нижней поверхности, чтобы тем самым служить в качестве опоры для установки нижней поверхности ферритового корпуса на расстоянии от печатной платы. Соответственно, в другом варианте осуществления электрические проводники могут проходить в поперечном направлении наружу от пары противоположных боковых поверхностей для электрического соединения с соответствующими соседними частями печатной платы в конфигурации «крыло чайки».

Синфазный дроссель предпочтительно включает в себя непрерывный вертикальный выступ, образованный по периферии верхней поверхности ферритового корпуса. Вертикальный гребень проходит наружу, по меньшей мере, до верхней поверхности электрических проводников и образует углубление на верхней поверхности ферритового тела. Уплотнитель предпочтительно заполняет выемку, образованную вертикальным гребнем, чтобы сформировать гладкую и непрерывную верхнюю поверхность для облегчения автоматизированного обращения с синфазным дросселем.

Способ изготовления синфазного дросселя в соответствии с изобретением включает следующие этапы: формирование ферритового корпуса, имеющего верхнюю поверхность и нижнюю поверхность с щелевым отверстием, проходящим через ферритовый корпус, и размещение по меньшей мере одной пары электрических проводников. на расстоянии друг от друга вдоль параллельных путей от нижней поверхности через прорезь и обратно вниз к нижней поверхности, так что электрические проводники взаимодействуют с ферритовым корпусом, образуя синфазный дроссель.

Формование ферритового корпуса предпочтительно включает этап формирования нижних частей ферритового корпуса так, чтобы они выходили наружу за плоскость нижней поверхности, чтобы тем самым служить в качестве опоры и приспосабливали нижнюю поверхность ферритового корпуса к монтажу на расстоянии друг от друга. из печатной платы. Соответственно, способ может также включать этап сгибания концевых частей проводников так, чтобы они проходили в поперечном направлении наружу от пары противоположных боковых поверхностей, чтобы приспособить электрические проводники для электрического соединения с соответствующими частями печатной платы в конфигурации «крыло чайки».

Способ может также включать формирование второго щелевого отверстия, которое проходит через ферритовое тело и находится на расстоянии от первого щелевого отверстия. Соответственно, этап позиционирования проводников, таким образом, предпочтительно включает размещение электрических проводников на расстоянии друг от друга вдоль параллельных путей от нижней поверхности через первое отверстие с прорезью, вдоль участка ферритового тела между первым и вторым отверстиями с прорезью и обратно через второе щелевое отверстие на нижней грани.

Способ также предпочтительно включает стадию формирования непрерывного выступающего выступа, который простирается наружу, по крайней мере, до верхней поверхности электрических проводников и вокруг периферии верхней поверхности ферритового корпуса, образуя углубление на верхней поверхности ферритового корпуса. ферритовый корпус. Следовательно, этап размещения герметика в выемке, образованной выступающим гребнем, приводит к формированию непрерывной верхней поверхности, что облегчает автоматизированное обращение с синфазным дросселем.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

РИС. 1 представляет собой частичный вид в перспективе синфазного дросселя согласно изобретению, установленного на печатной плате.

РИС. 2 представляет собой схематическое изображение синфазного дросселя, показанного на фиг. 1 в электронной схеме.

РИС. 3 представляет собой вид сверху синфазного дросселя, показанного на фиг. 1 с удаленной частью герметика для ясности.

РИС. 4 представляет собой вид в разрезе по линиям 4-4 на фиг. 1.

РИС. 5 представляет собой вид сверху второго варианта синфазного дросселя в соответствии с изобретением, на котором для ясности удалена часть герметика.

РИС. 6 представляет собой вид в разрезе по линиям 6-6 на фиг. 5.

РИС. 7 представляет собой вид в перспективе второго варианта синфазного дросселя, позиционируемого с помощью автоматического сборочного инструмента.

РИС. 8 представляет собой график зависимости импеданса от частоты для синфазного дросселя согласно изобретению.

РИС. 9представляет собой график зависимости импеданса от частоты с добавленным смещением постоянного тока.

РИС. 10 представляет собой график зависимости частоты от импеданса для другого синфазного дросселя, в котором используется низкочастотный феррит.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

Далее настоящее изобретение будет описано более полно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны предпочтительные варианты осуществления изобретения. Однако это изобретение может быть реализовано во многих различных формах, и его не следует рассматривать как ограниченное вариантами осуществления, изложенными в настоящем документе; скорее, эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы это раскрытие было исчерпывающим и полным и полностью передало объем изобретения специалистам в данной области техники. Подобные числа относятся к одинаковым элементам повсюду. Обозначение штрихом используется для обозначения аналогичных элементов в альтернативных вариантах осуществления.

Обратимся сначала к ФИГ. 1-4, первый вариант синфазного дросселя в соответствии с изобретением, обозначенный в целом позицией 10, включает в себя, как правило, прямоугольный монолитный ферритовый корпус, имеющий верхнюю поверхность 11, нижнюю поверхность 12 и две пары противоположных боковых сторон. 13а и 13б, 14а и 14б соответственно. Обычно прямоугольная форма образует параллельные плоскости между верхней поверхностью 11 и нижней поверхностью 12 и облегчает автоматизированное обращение с дросселем 10 и его монтаж, например, на печатной плате 15. Дроссель 10 имеет предпочтительно прямоугольную форму, а более предпочтительно квадратную. для обеспечения большей гибкости при размещении на печатной плате 15. Ферритовый материал выбирается таким образом, чтобы обеспечить конкретные характеристики импеданса для конкретных рабочих частот, что легко оценят специалисты в данной области техники.

РИС. 2 представляет собой схематическое изображение синфазного дросселя 10, показанного на фиг. 1. Генератор сигналов 30 подключен к нагрузке 31 проводами 32, 33 обратной стороны высокого напряжения и заземления соответственно. Как показывают токи I 1 и I 2 , проводники 18а, 18b, которые проходят через ферритовый корпус синфазного дросселя 10, создают магнитные поля, которые имеют тенденцию к нейтрализации.

В проиллюстрированном варианте осуществления пара щелевых отверстий 16, 17 проходит вертикально между верхней поверхностью 11 и нижней поверхностью 12 и соответственно примыкает к противоположным боковым сторонам 13a, 13b корпуса. В качестве альтернативы также может быть использовано одно щелевое отверстие, проходящее либо вертикально, либо горизонтально через ферритовый корпус. Проиллюстрированный вариант осуществления включает в себя два щелевых отверстия 16, 17 для обеспечения более длинного пути проводника через ферритовый материал, чем одиночный путь. В других вариантах осуществления может быть предусмотрено больше щелевых отверстий. Отверстия 16, 17 с прорезями желательно имеют одинаковое поперечное сечение и проходят перпендикулярно между нижней поверхностью 12 и верхней поверхностью 11 для облегчения изготовления.

Пара электрических проводников 18а, 18b, таких как плоские или круглые провода, проходят по параллельным путям от нижней поверхности 12 через первое отверстие 16 с прорезями к верхней поверхности 11 вдоль участка верхней поверхности 11 между первыми и вторые щелевые отверстия, и обратно вниз через второе щелевое отверстие 17 к нижней поверхности 12. Первое и второе щелевые отверстия 16, 17, расположенные на расстоянии друг от друга, имеют ширину, по существу равную соответствующему размеру электрических проводников 18а, 18b, чтобы удерживать электрические проводники внутри щелевых отверстий. Проводники 18а, 18b отстоят друг от друга в поперечном направлении в каждом из пазов и проходят наружу от нижней поверхности 12 дросселя 10. Таким образом, пара электрических проводников 18а, 18b работает в синфазной конфигурации с ферритовым материалом корпуса. выступающей в качестве ядра.

Кратко обратимся теперь к ФИГ. 5 и 6 показан второй вариант дросселя 10′, имеющий две пары проводников 18а, 18b, 19а и 19b и приспособленный для монтажа на крыле чайки. Нижние боковые части 20 ферритового корпуса предпочтительно проходят наружу за плоскость нижней поверхности 12 и тем самым служат в качестве опор 20 для установки нижней поверхности 12 ферритового корпуса на расстоянии от печатной платы 15. Концы электрических проводников 18а, 18b, 19а и 19b проходят в поперечном направлении наружу от соответствующих сторон ферритового корпуса 10, чтобы быть приспособленными для электрического соединения с соответствующими частями печатной платы 15 в конфигурации крыла чайки. В другой конфигурации, как показано на фиг. 4, проводники проходят прямо наружу от нижней поверхности 12 для сквозного монтажа.

Другой особенностью синфазного дросселя 10 является непрерывный вертикальный выступ 21, который выполнен за одно целое по периферии верхней поверхности 11 ферритового корпуса. Гребень 21 проходит вертикально, по меньшей мере, до верхней поверхности электрических проводников. Гребень 21 защищает проводники и, кроме того, определяет углубление, в которое, например, можно залить и затвердеть герметик, такой как эпоксидная смола 22. Таким образом, проводники закреплены в ферритовом корпусе 10 с помощью эпоксидной смолы 22. Кроме того, герметизированная верхняя поверхность 11 позволяет использовать вакуумное автоматическое установочное оборудование 23 для размещения синфазного дросселя на печатной плате 15, как показано на рис. ИНЖИР. 7.

На фиг. 8 показано графическое сравнение двух дросселей, изготовленных из одного и того же ферритового материала одинакового физического размера, один из которых представляет собой дифференциальный дроссель, а другой — синфазный дроссель 10 в соответствии с изобретением. Сравнение импеданса с частотой, показанное на фиг. 8 показано, что синфазный дроссель 10 является превосходным фильтром нижних частот. Ниже 100 МГц синфазный дроссель 10 более плоский, чем его дифференциальный аналог. На частотах выше 100 МГц синфазный дроссель 10 обеспечивает более крутой рост импеданса, чем дифференциальный дроссель.

РИС. 9 иллюстрирует эффект добавления смещения постоянного тока к двум дросселям, обсуждаемым в связи с фиг. 8 в диапазоне частот 10 МГц-200 МГц. По мере увеличения тока импеданс дифференциального дросселя падает, в то время как импеданс синфазного дросселя 10 становится более однородным. Этот эффект особенно заметен в диапазоне частот 10–50 МГц при использовании специального ферритового материала.

Использование низкочастотных ферритов для двух дросселей приводит к дополнительному контрасту между дифференциальным дросселем и синфазным дросселем 10, как показано на РИС. 10. На частотах выше 10 МГц значение импеданса дифференциального дросселя фактически падает, когда дифференциальный дроссель входит в режим насыщения, в то время как импеданс синфазного дросселя 10 увеличивается относительно равномерно.

В приложениях, где требуется синфазная фильтрация высокочастотных сигналов, синфазный ферритовый дроссель 10 может обеспечить модовую фильтрацию, то есть функцию фильтрации, основанную на режиме сигнала, проходящего по проводникам цепи. В силу своей конструкции синфазный дроссель 10 может различать преднамеренные и непреднамеренные сигналы на основе их суммарного направления тока. Дроссель 10, по существу, не оказывает влияния на преднамеренные токи сигналов дифференциального режима, которые имеют одинаковую величину и противоположное направление. Токи непреднамеренных шумовых сигналов синфазного режима, которые имеют одинаковую величину и одинаковое направление, сталкиваются с импедансом синфазного режима. Таким образом, синфазным дросселем 10 ослабляется только энергия шума.0015

Предпочтительный способ изготовления синфазного дросселя 10 в соответствии с изобретением включает этап формирования ферритового корпуса, который имеет по меньшей мере одно отверстие с прорезью, проходящее через него, и имеет нижнюю поверхность, приспособленную для размещения рядом с печатной платой. Последующий этап включает размещение по меньшей мере одной пары электрических проводников с разнесением в поперечном направлении вдоль параллельных путей от нижней поверхности 12 через отверстие с прорезью и обратно вниз к нижней поверхности 12 таким образом, чтобы электрические проводники взаимодействовали с ферритовым телом, образуя общую режим дросселя.

Этап формирования ферритового корпуса предпочтительно включает формирование в целом прямоугольного ферритового корпуса, имеющего верхнюю поверхность 11, нижнюю поверхность 12 и первую и вторую пары противоположных боковых поверхностей 13а, 13b, 14а и 14b, при этом первая и вторая щелевые отверстия 16, 17, проходящие вертикально между верхней поверхностью 11 и нижней поверхностью 12. Этап формования также предпочтительно включает формирование нижних частей 20 второй пары противоположных боковых поверхностей 14а, 14b, которые проходят наружу за плоскость нижней поверхности. 12, чтобы тем самым служить в качестве опоры для установки ферритового корпуса с нижней поверхностью 12 на расстоянии от печатной платы 15. Соответственно, этап позиционирования предпочтительно включает выдвижение концевых частей электрических проводников в поперечном направлении наружу от первой пары противоположной стороны. поверхности 13а, 13b для электрического соединения с соответствующими смежными частями печатной платы 15 в конфигурации крыла чайки.