Катушка индуктивности — это компонент электрической цепи, который представляет собой намотанный по спирали изолированный провод с воздушным, ферритовым или железным сердечником. Основной характеристикой такой катушки является индуктивность (при относительно очень низких величинах ёмкости и активного сопротивления), которая максимально проявляется при переменном токе, будь то от сетевого напряжения питания (синусоидальный периодический сигнал) или от резкого скачкообразного изменения напряжения (импульсный сигнал).
Иногда катушку индуктивности называют дросселем или соленоидом. Однако, это названия конкретных типов катушек, которые отличаются друг от друга назначением.
Типы катушек индуктивности
Соленоид — это однослойная (бывают и многослойные) катушка индуктивности, намотанная по спирали. Длина намотки значительно больше диаметра. При пропускании через эту катушку постоянного тока во внутренней её полости формируется однородное магнитное поле. Это поле превращает катушку в электромагнит.
Благодаря такому свойству катушку применяют в исполнительных механизмах, например, электропривод дверного замка.
Дроссель — разновидность катушки индуктивности, основным назначением которой является ограничение резко и скачкообразно изменяющегося тока, протекающего через неё. При этом в самой катушке возникновения ЭДС самоиндукции, которое и препятствует изменению тока. Дроссели используют для подавления помех, возникающих в сети напряжения питания электроприборов. Также дроссели применяются в блоках питания для сглаживания пульсаций тока.
В энергетике есть такое понятие как реактор. Это разновидность катушки индуктивности, которая применяется для компенсации емкостной составляющей тока в различных энергетических установках. Как правило, реактор – это катушка больших габаритов с большой индуктивностью. Она рассчитана на высокие напряжения и выдерживающая протекание больших токов.
Теоретическая база катушек индуктивности
Для всеобъемлющего понимания данного компонента сперва рассмотрим само понятие индуктивности. Индуктивность — это физическая величина, характеризующая способность проводника, через который протекает электрический ток, создавать магнитное поле. Единица измерения — генри (Гн).
Электрическая цепь имеет индуктивность 1 генри, если электрический ток изменяется со скоростью 1 ампер в секунду, и это изменение создаёт ЭДС индукции, которая равна 1 вольту.
При протекании постоянного тока через проводник вокруг него создаётся магнитное поле. Ниже представлено хрестоматийное изображение этого явления. Направление линий магнитного поля определяются по известному ещё со школы правилу «буравчика».
Если провод намотать по спирали в катушку, то индуктивность этого провода становится значительно больше. А если во внутрь намотанной катушки поместить ферритовый сердечник, то её индуктивность вырастает в разы. Это достигается за счёт того, что плотность линий магнитного поля значительно увеличивается.
Тут стоит заострить внимание на то, что у катушки образуются магнитное поле (магнитный поток) и, соответственно, свои магнитные полюса: северный (N) и южный (S). То есть при протекании тока через катушку образуется своего рода магнит.
Причина, по которой катушка индуктивности ограничивает резкое изменение тока, протекающего через эту катушку, заключается в том, что изменение магнитного потока вызывает появление вихревого электрического поля, которое порождает электрический ток обратной полярности. Возникновение электродвижущей силы индукции из-за изменения тока в катушке называется самоиндукцией.
В то же время катушка индуктивности как бы накапливает энергию магнитного поля, за счёт которой и старается поддерживать в течение некоторого времени (речь идёт буквально о нескольких долей секунды) электрический ток при резком его изменении. Именно поэтому, согласно первому закону коммутации, ток в цепи с индуктивностью не может мгновенно измениться.
Применение катушек индуктивности
Конструктивно катушки бывают воздушные (без магнитопроводов/сердечников) и с магнитопроводом. Воздушные катушки могут быть намотаны на картонную или пластиковую трубку (своеобразный каркас), а могут быть катушки и вовсе без каркаса.
Магнитопровод для катушки может иметь вид цилиндра, тороида (кольца), а также сборные конструкции для многосекционных катушек.
На принципиальных электрических схемах катушки индуктивности имеют следующие обозначения:
Воздушные катушки индуктивности, зачастую, применяются в резонансных контурах приёмо-передающих радио устройств, в колебательных контурах генераторных и измерительных приборов.
Катушки с сердечниками и с относительно небольшой индуктивностью в основном применяются в схемах импульсных преобразователей напряжения.
Дроссели зачастую используются в блоках питания электроприборов или в пусковых устройствах дуговых ламп.
Соленоиды применяются в электромеханических устройствах. Например, катушки электромагнитных реле, пускатели и контакторы, электропривод замка двери и так далее.
Для применения в маломощных блоках питания и преобразователях напряжения существуют катушки индуктивности, которые выглядят как выводные резисторы. Также есть и SMD исполнение.
Как правило, такие катушки имеют индуктивность от нескольких единиц наногенри до нескольких десятков милигенри. Рабочее напряжение, зачастую, не превышает сотни вольт. Маркировка выводных индуктивностей бывает цифровая и цветовая:
