Расчет катушки индуктивности
Содержание
При построении электронных устройств часто приходится сталкиваться с индуктивным элементом схемы. Когда на чертеже указано только значение индуктивности L, то расчет катушки индуктивности приходится выполнять самостоятельно. В интернете есть множество программ, позволяющих выполнять расчёт индуктивности катушек онлайн при помощи специального калькулятора. Зная то, как устроен элемент, можно вручную произвести все вычисления.
Внешний вид катушки
Что такое катушка индуктивности
Данный элемент ещё называют дросселем. Это свёрнутый в спираль изолированный провод. Для такой спирали характерны большие индуктивные и маленькие ёмкостные параметры.
В связи с этим данные элементы применяют в электротехнике для осуществления:
- токоограничения;
- ослабления биений;
- помехоподавления;
- формирования магнитного поля;
- изготовления датчиков движения.
Дроссель входит в систему колебательного контура в цепях резонанса и применяется в линиях задержки.
Применение L в колебательном контуре
Какие параметры есть у катушки
От того, где будет применяться индуктивный элемент и на какой частоте работать, зависит его исполнение. Имеются общие параметры:
- L – индуктивность;
- R пот – сопротивление потерь;
- Q – добротность;
- свой резонанс и паразитарная ёмкость;
- коэффициенты ТКИ и ТКД.
Индуктивность (коэффициент самоиндукции) L – это главная электрическая характеристика элемента, которая показывает количество накапливаемой дросселем энергии при передвижении тока. Величина энергии в катушки тем выше, чем больше её индуктивность. Единица измерений L – 1 Гн.
При взаимодействии тока и магнитного поля в обмотке возникают вредные явления. Они способствуют возникновению потерь, которые обозначают R пот. Формула потерь имеет вид:
R пот = rω + rd + rs + re.
Слагаемые формулы – это потери:
- rω – в проводах;
- rd – в диэлектрике;
- rs – в сердечнике;
- re – на вихревые токи.
В результате таких потерь импеданс индуктивного двухполюсника нельзя назвать целиком реактивным.
Добротность двухполюсника определяется по формуле:
Q = ω*L/R пот,
где ω*L = 2π*L – реактивное сопротивление.
При наматывании витков элемента между ними возникает ненужная ёмкость. Из-за этого дроссель превращается в колебательный контур с собственным резонансом.
ТКИ – показатель, описывающий зависимость L от Т0С.
ТКД – показатель, описывающий зависимость добротности от Т0С.
Конструкция катушки
По конструктивному исполнению индуктивные элементы различаются:
- видом намотки: винтоспиральная, винтовая; кольцевая;
- количеством слоёв: однослойные или многослойные;
- типом изолированного провода: одножильный, многожильный;
- наличием каркаса: каркасные или бескаркасные (при небольшом количестве витков толстого провода);
- геометрией каркаса: прямоугольный, квадратный, тороидальный;
- наличием сердечника: ферритовый, из карбонильного железа, электротехнической стали, пермаллоевый (магнитомягкий сплав), металлический (латунный);
- геометрией сердечника: стержневой (разомкнутый), кольцо-образный или ш-образный (замкнутый);
- возможностью изменять L в узких интервалах (движение сердечника по отношению к обмотке).
Существуют плоские катушки, в печатном исполнении устанавливаемые на платах цифровых устройств.
Конструкция катушек
Зачем нужен расчёт индуктивности
Расчет индуктивности нужен, потому что конструктивно это могут быть по-разному выполненные катушки. Применение дросселей в разных отраслях электрики и электроники, их работа под влиянием постоянного и переменного тока требуют тщательного подбора индуктивности, добротности и стабильности работы. При выполнении своими руками дросселей заданного параметра L нужно выполнить расчёт. Для каждого типа индуктивного двухполюсника используется своя формула.
Расчет параметров катушки
Приходится при расчётах рассматривать разные варианты. Расчет индуктивности зависит от исходных данных и заданных конечных параметров.
Расчет L в зависимости от заданной конструкции
Если исходными параметрами являются: w, D каркаса и длина намотанного провода, то формула для расчёта имеет вид:
L = 0,01*D*w2/(l/D) + 0,46,
где:
- D – диаметр каркаса, см;
- w – число витков;
- l – длина намотки, см;
- L – индуктивность, мкГн.
Подставляя численные значения в формулу, получают значение L.
Расчет количества витков по индуктивности
Зная D каркаса и L, рассчитывают количество витков в катушке, формула имеет вид:
w = 32*√(L*D),
где:
- L – индуктивность, мкГн;
- D – диаметр каркаса, мм.
Если в качестве исходных параметров берутся длина навитого в ряд проводника и его диаметр, то количество витков находят, используя формулу:
w = l/d,
где:
- l – длина намотки, мм;
- d – диаметр провода, мм.
Измерения диаметра провода проводят линейкой или штангенциркулем.
Расчёт индуктивности прямого провода
Собираясь найти L круглого прямого проводника, обращаются к приближённой формуле:
L = (μ0/2π)*l*( μe*ln(l/r) + 1/4* μi,
где:
- μ0 – магнитная постоянная;
- μe – относительная магнитная проницаемость (ОМП) среды (для вакуума – 1);
- μi – ОМП проводника;
- l – длина провода;
- r – радиус провода.
Формула справедлива для длинного проводника.
Расчёт однослойной намотки
Однослойные дроссели без сердечника легко и быстро можно рассчитать при помощи онлайн-калькулятора, в окно которого можно забить все известные характеристики, и программа выдаст значение L.
Вычисления проводятся и вручную, с использованием математического выражения. Оно имеет вид:
L = D2*n2/45D + 100*l,
где:
- D – диаметр катушки, см;
- l – длина намотанного провода, см;
- n – количество витков.
Формула подходит для вычислений L дросселей без ферритовых сердечников.
Однослойная катушка виток к витку
Дроссель с сердечником
При наличии сердечника следует учесть его размеры и форму. В случае одинаковых катушках индуктивность больше у той, которая располагается на сердечнике.
Расчёт однослойной намотки с сердечником
Многослойная намотка
Особенности расчёта при подобном способе наматывания провода заключаются в том, что нужно учитывать его толщину. Формула для дросселя без сердечника имеет вид:
N²=(L*(3Dk+9l+10t))/0.008Dk²,
где:
- Dk – общий диаметр (диаметр каркаса и намотки);
- t – толщина слоя;
- l – длина накрученного провода.
Все значения подставляют в мм, величину L – в мкГн.
Многослойная намотка
Факторы, влияющие на индуктивность катушки
Коэффициент самоиндукции зависит от следующих параметров:
- геометрических особенностей каркаса;
- формы оправки;
- числа витков;
- марки и диаметра провода;
- свойств магнитопровода.
Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности
Каждый дроссель можно представить в виде эквивалентной схемы.
Данная схема состоит из элементов:
- Rw – сопротивление обмотки с выводами;
- L – индуктивность;
- Cw – паразитная ёмкость;
- Rl – сопротивление потерь.
Изготавливая индуктивный элемент, стремятся снизить величину сопротивления потерь, паразитную ёмкость. При работе катушки на низкой частоте учитывают сопротивление её обмотки Rw. На таких частотах действуют токи большой величины.
Эквивалентная схема дросселя
Правильно рассчитанная катушка индуктивности будет иметь высокую добротность (180-300) и стабильность работы при влиянии внешних условий (температуры и влажности). Зная способы различной намотки и манипуляции с шагом, можно уменьшить влияние паразитных факторов.
Видео
https://www.youtube.com/watch?v=RwdUzWulkcs
