Что такое катушка индуктивности и для чего она нужна

Конструкция

Конструктивно выполняется в виде винтовых или винтоспиральных (диаметр намотки изменяется по длине катушки) катушек однослойных или многослойных намоток изолированного одножильного или многожильного (литцендрат) проводника на диэлектрическом каркасе круглого, прямоугольного или квадратного сечения, часто на тороидальном каркасе или, при использовании толстого провода и малом числе витков — без каркаса. Иногда, для снижения распределённой паразитной ёмкости, при использовании в качестве высокочастотного дросселя однослойные катушки индуктивности наматываются с «прогрессивным» шагом — шаг намотки плавно изменяется по длине катушки.
Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойной (рядовая, внавал, типа «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость. Часто, опять же, для снижения паразитной ёмкости, намотку выполняют секционированной, группы витков отделяются пространственно (обычно по длине) друг от друга.

Для увеличения индуктивности катушки часто снабжают замкнутым или разомкнутым ферромагнитным сердечником. Дроссели подавления высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа. Дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций промышленной и звуковой частот, имеют сердечники из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев). Также сердечники (в основном ферромагнитные, реже диамагнитные) используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах путём изменения положения сердечника относительно обмотки. На сверхвысоких частотах, когда ферродиэлектрики теряют свою магнитную проницаемость и резко увеличивают потери, применяются металлические (латунные) сердечники.

На печатных платах электронных устройств также иногда делают плоские «катушки» индуктивности: геометрия печатного проводника выполняется в виде круглой или прямоугольной спирали, волнистой линии или в виде меандра. Такие «катушки индуктивности» часто используются в сверхбыстродействующих цифровых устройствах для выравнивания времени распространения группы сигналов по разным печатным проводникам от источника до приемника, например, в шинах данных и адреса.

Устройство и принцип работы катушки индуктивности.

Как уже понятно из названия элемента – катушка индуктивности, в первую очередь, представляет из себя именно катушку То есть большое количество витков изолированного проводника. Причем наличие изоляции является важнейшим условием – витки катушки не должны замыкаться друг с другом. Чаще всего витки наматываются на цилиндрический или тороидальный каркас:

Важнейшей характеристикой катушки индуктивности является, естественно, индуктивность, иначе зачем бы ей дали такое название Индуктивность – это способность преобразовывать энергию электрического поля в энергию магнитного поля. Это свойство катушки связано с тем, что при протекании по проводнику тока вокруг него возникает магнитное поле:

А вот как выглядит магнитное поле, возникающее при прохождении тока через катушку:

В общем то, строго говоря, любой элемент в электрической цепи имеет индуктивность, даже обычный кусок провода. Но дело в том, что величина такой индуктивности является очень незначительной, в отличие от индуктивности катушек. Собственно, для того, чтобы охарактеризовать эту величину используется единица измерения Генри (Гн). 1 Генри – это на самом деле очень большая величина, поэтому чаще всего используются мкГн (микрогенри) и мГн (милигенри). Величину индуктивности катушки можно рассчитать по следующей формуле:

L = \frac{\mu_0\thinspace \mu S N^2}{l}

Давайте разберемся, что за величину входят в это выражение:

\mu_0 – магнитная проницаемость вакуума. Это табличная величина (константа) и равна она следующему значению: \mu_0 = 4 \pi \cdot 10^{-7}\medspace\frac{Гн}{м}
\mu – магнитная проницаемость магнитного материала сердечника. А что это за сердечник и для чего он нужен? Сейчас выясним. Дело все в том, что если катушку намотать не просто на каркас (внутри которого воздух), а на магнитный сердечник, то индуктивность возрастет многократно. Посудите сами – магнитная проницаемость воздуха равна 1, а для никеля она может достигать величины 1100. Вот мы и получаем увеличение индуктивности более чем в 1000 раз
S – площадь поперечного сечения катушки
N – количество витков
l – длина катушки

Из формулы следует, что при увеличении числа витков или, к примеру, диаметра (а соответственно и площади поперечного сечения) катушки, индуктивность будет увеличиваться. А при увеличении длины – уменьшаться. Таким образом, витки на катушке стоит располагать как можно ближе друг к другу, поскольку это приведет к уменьшению длины катушки.

С устройством катушки индуктивности мы разобрались, пришло время рассмотреть физические процессы, которые протекают в этом элементе при прохождении электрического тока. Для этого мы рассмотрим две схемы – в одной будем пропускать через катушку постоянный ток, а в другой -переменный!

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике: Эти катушки используются совместно с конденсаторами для организации резонансных контуров. Они должны иметь высокую термо- и долговременную стабильность, и добротность, требования к паразитной ёмкости обычно несущественны.

Катушки связи, или трансформаторы связи: Взаимодействующие магнитными полями пара и более катушек обычно включаются параллельно конденсаторам для организации колебательных контуров. Такие катушки применяются для обеспечения трансформаторной связи между отдельными цепями и каскадами, что позволяет разделить по постоянному току, например, цепь базы последующего усилительного каскада от коллектора предыдущего каскада и т. д. К нерезонансным разделительным трансформаторам не предъявляются жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи (коэффициент взаимоиндукции).

Вариометры: Это катушки, индуктивностью которых можно управлять (например, для перестройки частоты резонанса колебательных контуров) изменением взаимного расположения двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая обычно располагается внутри первой и вращается (ротор). Существуют и другие конструкции вариометров. При изменении положения ротора относительно статора изменяется степень взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника относительно обмотки, либо изменением длины воздушного зазора замкнутого магнитопровода.

Дроссели: Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Дроссели включаются последовательно с нагрузкой для ограничения переменного тока в цепи, они часто применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента, а также в качестве балласта для включения разрядных ламп в сеть переменного напряжения. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины или кольца), нанизанные на отдельные провода или группы проводов (кабели) для подавления синфазных высокочастотных помех.

Сдвоенный дроссель

Сдвоенные дроссели: Это две намотанных встречно или согласованно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. При согласной намотке эффективны для подавления дифференциальных помех. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике. Предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов из питающей сети, так и во избежание проникновения в питающую сеть электромагнитных помех, генерируемых устройством. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный сердечник (из трансформаторной стали). Для фильтрации высокочастотных помех — сердечник ферритовый.

Самоиндукция

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

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

где

I – сила тока в катушке , А

U – напряжение в катушке, В

R – сопротивление катушки, Ом

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

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

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

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

Основные технические параметры

Катушки индуктивности имеют следующие характеристики:

добротность отклонения;
эффективность;
начальная индуктивность;
температура;
стабильность;
предельная емкость;
номинальная индуктивность.

Стабильность демонстрирует свойства устройства при изменении условий использования. Температура фиксируется вследствие различных причин. Многое зависит от размера каркаса. Когда температура уменьшается, индуктивность также снижается. Современные параметры — это цикличность, которая является отношением температуры к линейному расширению. Учитывается изменение в керамической основе плюс показатель плотности.

Температура отслеживается на горячей намотке. В этом плане хорошо себя показали многослойные дроссели с сердечником, которые сделаны из карбонильного железа. Ёмкость отображает количество витков катушки, берется в расчет количество секций и контуров. Высокочастотные модели считаются более емкостными и стабильными.

Емкостные катушки

Номинальная индуктивность — это параметр, который учитывает изменение размеров волны. Измерение происходит в микрогенрах. Если смотреть на формулу, учитывается количество витков, длина намотки, плюс диаметр катушки.

Основные эксплуатационные характеристики безынерционок

Рыболов должен представлять, как выбрать подходящую безынерционную катушку, принимая во внимание ее основные эксплуатационные параметры. О большинстве из них, о самых важных, нас информирует маркировка безынерционных катушек, наносимая на ее корпус, барабан, а также указываемая в ее паспорте

В частности:

Передаточное число, о котором уже было сказано. Указывается в виде цифр: 5.3:1 или 4.7:1. Наиболее скоростные, с передаточным числом от 5.5:1 и выше, применяют для ловли рыбы на поплавочную снасть, а силовые, с числом, например, 4.2:1 – для ловли спиннингом.

Количество подшипников в механизме. Очень важный параметр. Чем больше подшипников, тем выше устойчивость и плавность работы механизма катушки, но тем больше ее масса и стоимость.Бюджетные безынерционные катушки редко оснащаются более чем тремя подшипниками, в то время как лучшая, дорогая безынерционная катушка, от известного производителя, может иметь механизм с 12 и более подшипниками

Поэтому всегда выбирайте компромиссное решение: катушка должна иметь большее количество подшипников за те деньги, которые вы готовы за нее отдать.
Старайтесь не брать во внимание дешевые китайские безынерционные катушки с большим количеством подшипников, их низкая цена, почти всегда, соответствует их низкому качеству.

Фрикцион. Фрикционный тормоз снижает высокую нагрузку с лески и с бланка при вываживании крупной рыбы

По месту расположения выделяют передний и задний фрикцион. Перед тем, как выбрать безынерционную катушку для спиннинга, определитесь с фрикционом. Для легкой оснастки обычно выбирают передний фрикцион, а для более тяжелой – задний. Также вы должны понимать, как можно отрегулировать катушку безынерционную с помощью фрикциона. Попрактикуйтесь.

Размер шпули. Кроме размера, о котором уже было сказано, важен материал, из которого изготовлен этот элемент. Шпули делают из пластика (самые дешевые), графита и металлических сплавов. Хорошие катушки часто комплектуются двумя шпулями из разных материалов.

Кроме того, можно заметить, что лучшие безынерционные катушки для спиннинга оснащаются очень удобными ручками, выполненными из приятных, эргономических материалов. Как правило, у всех безынерционок есть возможность переставлять ручки под удобную для рыболова сторону.

Характеристики спиннинговых катушек

Любая спиннинговая катушка обладает рядом характеристик, предназначенных в первую очередь для правильного ее подбора в соответствии с условиями рыбалки и предполагаемым размером трофея.

Передаточное число — характеристика показывающая соотношение оборота ручки катушки и количества оборотов шпули. Маркируется через знак двоеточия и, зачастую, имеет вид 5.2:1, 4.5:1 и тд. Стандартным передаточным числом считается соотношение от 5.0 до 5.5 за один оборот ручки. Катушки с меньшим передаточным числом считаются тяговыми и предназначены для ловли крупной и сильной рыбы. Катушки с повышенным передаточным числом используются в основном там, где совершаются дальние забросы. Существуют, также, модели мультипликаторных катушек, снабженных ручкой переключения скоростей, которая позволяет выбирать пониженную и нормальную передачу.

Емкость шпули — одна из важных характеристик, по которой можно судить о количестве лески определенного диаметра, которое можно намотать на шпулю конкретной модели. Стандартно обозначается через знак «/». Обычно производитель указывает для катушки несколько соотношений диаметров и длин лесок или же рыболовного шнура, которые поместятся на шпулю катушки. Вместе с тем, для расчетов длины намотки под другие диаметры лесок существуют специальные калькуляторы лесоемкости. С этим параметром напрямую связано такое понятие как «типоразмер катушки», которое служит для подбора катушки гармонично сочетающейся с остальной снастью. Существуют безынерционные катушки с типоразмером от 500 до 7000 и более (по возрастанию). В первом приближении эта характеристика обозначает диаметр лески длиной 100 метров, которая может быть намотана на шпулю катушки

Эта характеристика часто отличается у разных производителей и для более точного ориентирования опытные рыболовы дополнительно обращают внимание на вес катушки.

Количество подшипников — характеристика указывающая на то, какое количество подшипников используется в конструкции катушки. Как правило обозначается через знак «+». Например 5+1 или же 3+1 обозначает, что в механизме катушки используется пять или же три подшипника, плюс один подшипник в ролике лесоукладывателя. В настоящее время эта характеристика все больше и больше имеет скорее маркетинговое значение,чем отображает реальное качество катушки. Катушка от известного бренда вполне может обходится небольшим количеством качественных подшипников, в то время как для недорогой катушки может стоять маркировка с большим количеством подшипников использующихся в конструкции.

Тип фрикционного тормоза безынерционной катушки — характеристика которая обозначает переднее «FD» или же заднее «RD» расположение регулятора фрикциона. Данная характеристика влияет лишь на удобство использования катушкой конкретным пользователем

Как правило, спиннинговые катушки с задним расположением фрикциона несколько тяжелее.
При выборе безынерционной катушки следует обращать внимание на прочный ролик лесоукладки и наличие в нём шарикоподшипника. Остальные характеристики — маркетинговый ход

Количество подшипников, система укладки лески или металлический корпус менее важны, чем вышесказанное.
Любая, и особенно дорогая, катушка требует должного ухода. Хорошая катушка служит долго, если не допускать её пребывания в воде и грязи без должной профилактики.

Инерционная катушка может служить очень долго без сложного ухода.
В СССР выпускалась безынерционно-инерционная катушка «Оболонь», её корпус перед забросом мог быть развёрнут на 90° (ось барабана параллельно удилищу). Заброс производился как с безынерционной катушки, а после заброса корпус разворачивался в прежнее положение и управление снастью производилось как инерционной катушкой.

Для чего нужны и какие бывают

В зависимости от того, где применяется катушка индуктивности и её функциональных особенностей, она может называться по-разному: дроссели, соленоиды и прочее. Давайте рассмотрим, какие бывают катушки индуктивности и их сферу применения.

Дроссели. Обычно так называются устройства для ограничения тока, область применения:

В пускорегулирующей аппаратуре для розжига и питания газоразрядных ламп.
Для фильтрации помех. В блоках питания — фильтр электромагнитных помех со сдвоенным дросселем на входе компьютерного БП, изображен на фото ниже. Также используется в акустической аппаратуре и прочем.
Для фильтрации определенных частот или полосы частот, например, в акустических системах (для разделения частот по соответствующим динамикам).
Основа в импульсных преобразователях — накопитель энергии.

Токоограничивающие реакторы — используются для ограничения токов короткого замыкания на ЛЭП.

Примечание: у дросселей и реакторов должно быть низкое активное сопротивление для уменьшения их нагрева и потерь.

Контурные катушки индуктивности. Используются в паре с конденсатором в колебательном контуре. Резонансная частота подбирается под частоту приема или передачи в радиосвязи. У них должна быть высокая добротность.

Вариометры. Как было сказано — это настраиваемые или переменные катушки индуктивности. Чаще всего используются в тех же колебательных контурах для точной настройки частоты резонанса.

Соленоид — так называется катушка, длина которой значительно больше диаметра. Таким образом внутри соленоида образуется равномерное магнитное поле. Чаще всего соленоиды используются для совершения механической работы — поступательного движения. Такие изделия называют еще электромагнитами.

Рассмотрим, где используются соленоиды.

Это может быть активатор замка в автомобиле, шток которого втягивается после подачи на соленоид напряжения, и звонок, и различные исполнительные электромеханические устройства типа клапанов, грузоподъёмные магниты на металлургических производствах.

В реле, контакторах и пускателях соленоид также выполняет функцию электромагнита для привода силовых контактов. Но в этом случае его чаще называют просто катушка или обмотка реле (пускателя, контактора соответственно), как выглядит, на примере малогабаритного реле вы видите ниже.

Рамочные и кольцевые антенны. Их назначение — передача радиосигнала. Используются в иммобилайзерах автомобилей, металлодетекторах и для беспроводной связи.

Индукционные нагреватели, тогда она называется индуктором, вместо сердечника помещают нагреваемое тело (обычно металл).

Элементы

Классическая инерционная катушка имеет достаточно непростое устройство, соединяющее в себе множество небольших деталей. Также необходимо учитывать, что модели разных производителей имеют различную конструкцию, поскольку при производстве каждой катушки используются собственные разработки и ноу-хау. Однако основные узлы на всех безынерционках, как правило, одинаковы и представлены следующими элементами:

корпус;
ножка;
привод;
ротор;
фрикционный тормоз;
стопор обратного хода;
шток шпули;
дужка лесоукладывателя;
ролик лесоукладывателя;
зубчатое колесо;
крышка корпуса;
шпуля.

Внутреннее устройство безынерционной спиннинговой катушки.

Очевидно, что в данном случае рассмотрены лишь основные элементы, которые можно встретить в каждой катушке. Более того, на разных моделях устройство даже этих элементов может иметь ощутимые различия. Например, существуют конструкции как с фрикционным тормозом, расположенным впереди шпули, так и с задним фрикционом, как на изображении выше.

Расклейщик объявлений

Что влияет на индуктивность?

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

Имеется ферритовый сердечник

Начинаю вводить катушку в сердечник на самый край

LC-метр показывает 21 микрогенри.

Ввожу катушку на середину феррита

35 микрогенри. Уже лучше.

Продолжаю вводить катушку на правый край феррита

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

где

1 – это каркас катушки

2 – это витки катушки

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

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

Индуктивность стала почти 50 микрогенри!

А давайте-ка попробуем расправим витки по всему ферриту

13 микрогенри. Делаем вывод: для максимальной индуктивности мотать катушку надо “виток к витку”.

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

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

Давайте поэкспериментируем с ферритовым кольцом.

Замеряем индуктивность

15 микрогенри

Отдалим витки катушки друг от друга

Замеряем снова

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

Мотнем побольше витков. Было 3 витка, стало 9.

Замеряем

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

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

Советы по эксплуатации

Каждому рыбаку стоит знать, что во время использования и транспортировки катушек надо руководствоваться определенными правилами. Чтобы данное рыболовное приспособление прослужило длительный период времени, владельцу следует выполнять следующие рекомендации:

предотвращать проникновение песка и воды внутрь катушки;
беречь оснащение от падений и механических повреждений;
крепить катушку необходимо к удилищу плотно, в противном случае изделие может повредиться;
стоит пользоваться надежным чехлом для катушки во время перевозки приспособления;
при необходимости длительного хранения нужно ослабить силу фрикционного тормоза.

В следующем видео вас ждут виды рыболовных катушек, а также их преимущества и недостатки.

Выбираем передаточное число для своей катушки

Для того, чтобы понять, как передаточное число влияет на рыбалку, рассмотрим катушки с минимальным и максимальным значением передаточного числа. Как мы уже выяснили, чем меньше цифра на катушке, тем более медленно крутится ротор, а при большом значении передаточного числа катушки — соответственно быстрее. Это означает, что катушки могут быть скоростными или тяговыми (у которых медленная проводка).

Если вам нужна катушка для ловли хищника, ловля которого осуществляется с медленной проводкой с плавным движением приманки, рассматривайте катушки с передаточным числом 4.0-4.5. Такие катушки могут быть полезны при ловле щуки или окуня, которые чаще предпочитают медленное движение приманки. Катушки с небольшим передаточным числом не только обладает медленной скоростью, но и обладают большей тяговитостью, поэтому они являются предпочтительными при ловле больших трофейных экземпляров.

Под универсальными катушками подразумевают варианты, у которых передаточное число имеет средние значения. Передаточное число универсальных катушек лежит в диапазоне 4.6-5.2. Такие катушки подойдут для тех рыбаков, которые ловят рыбу в разных условиях и на среднюю проводку, и на быструю. Подобный вариант их устраивает больше всего.

Катушка с передаточным числом 5.3-6.2, будет оптимальным вариантом для скоростной ловли. Высокая скорость проводки нужна при ловле жереха на поверхностные приманки или для ловли голавля стоящего под кустами, когда рыба берет на первых 2-3 метрах проводки или не берет совсем. Скоростная катушка позволяет осуществить быструю подмотку лески после пустой поклевки. Выбирая скоростную катушку, нужно учитывать тот факт, что при вываживании крупной рыбы, нужно выкачивать рыбу удилищем, а не катушкой. Скоростная катушка обладает меньшими тяговыми возможностями.

Понимая значение передаточного числа рыболовной катушки, опытный рыбак может подобрать оптимальный вариант для себя

Очень важно ответственно и сознательно подходить к выбору передаточного числа для своей катушки, ведь от этого будет зависеть комфорт ловли и размер вашего улова