Что такое электрический дроссель?

Дросселем, в общем случае, называют катушку индуктивности, чаще всего с сердечником, которая служит для устранения или уменьшения переменного (импульсного) тока, разделения или ограничения сигналов различной частоты. Исходя из этого, дроссели условно можно разделить на следующие типы:

— сглаживающие дроссели, предназначены для ослабления переменной составляющей постоянного тока или напряжения различной частоты, то есть сглаживания пульсаций, на выходе и входе силовых преобразователей или выпрямителей;

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

— дроссели переменного тока, предназначены для ограничения электрического тока, при резких изменениях нагрузки, например, при пуске электродвигателей или источников питания;

— дроссели насыщения, или управляемые дроссели, предназначенные для регулирования индуктивного сопротивления за счёт изменения тока подмагничивания.

Дроссели, как и любая другая катушка индуктивности, может быть без сердечника, с замкнутым сердечником, с сердечником, имеющим малый зазор и с сердечником, имеющим большой зазор или разомкнутым сердечником. Поэтому в независимости от назначения дросселя его принцип действия основан на электромагнитных свойствах катушки индуктивности и сердечника, на котором она выполнена.

Принцип работы идеального дросселя

Дроссель, как и любой другой элемент электрической цепи, содержит ряд параметров, которые определяются его физическими и конструктивными характеристиками. В зависимости от назначения дросселя одни его характеристики стараются улучшить, а значение других уменьшить. Но, несмотря на характер работы дросселя, его основным параметром является индуктивность, поэтому рассмотрим дроссель, содержащий только один параметр – индуктивность, такой дроссель называется идеальным и он характеризуется следующими допущениями:

— обмотка дросселя не имеет активного сопротивления;

— отсутствует межвитковая ёмкость проводников дросселя;

— магнитное поле в сердечнике однородно, то есть значение индукции и напряженности в различных его точках имеет одинаковое значение.

С учётом таких допущений, представим сердечник, на который намотана катушка.

Идеальный дроссель.

Подадим на катушку переменное напряжение U, в результате по катушке потечёт переменный ток I, создающий в сердечнике переменный магнитный поток Φ. Тогда в соответствии с законом самоиндукции в витках обмотки возникнет ЭДС самоиндукции Е. Так как у нас отсутствует активное сопротивление обмотки идеального дросселя, то ЭДС самоиндукции уравновесит напряжение, вызвавшее электрический ток

В тоже время индуктивность, как коэффициент самоиндукции можно определить по следующему выражению

где ω – количество витков катушки,

S – площадь поперечного сечения сердечника,

B – магнитная индукция,

I – величина электрического тока.

Тогда выражение для ЭДС самоиндукции будет иметь вид

Данное выражение показывает, что ЭДС самоиндукции зависит от конструкции и размеров дросселя, а также от скорости изменения магнитного поля (dB/dt).

Так как в идеальном дросселе отсутствуют активные нагрузки, а только индуктивная составляющая, то активная мощность будет равняться нулю. В индуктивном элементе расходуется только реактивная мощность на создание магнитного поля.

Принцип работы реального дросселя

В реальном дросселе, в отличие от идеального, кроме индуктивности имеется ещё рад параметров, вносящих активную составляющею мощности. Рассмотрим реальный дроссель

Магнитные силовые линии реальной катушки.

Поступающий в дроссель переменный ток возбуждает вокруг катушки переменное магнитное поле, определяемое магнитным потоком Φ. В идеальном дросселе он полностью замыкается через сердечник Φ₀, но в реальности к нему добавляется магнитный поток рассеяния, охватывающий как витки по отдельности, так и группы витков провода. Он зависит от расположения витков, сечения провода, плотности укладки витков провода и так далее. Поток рассеивания достаточно трудно выразить количественно, поэтому для его характеристики вводят понятие потокосцепление рассеяния Ψ_S, который можно выразить через индуктивность рассеяния L_S обмоток дросселя

В соответствии с законом электромагнитной индукции, поток рассеяния возбуждает ЭДС рассеяния

Поток рассеяния в дросселе негативно влияет на работу устройств, так как вызывает паразитные шумы, наводки и потери мощности в целом.

Кроме потерь реактивной мощности потоками рассеяния, в реальном дросселе происходят потери активной мощности в сопротивлении витков обмотки и потерях в сердечнике, обусловленных его ферромагнитными свойствами.

Эквивалентная схема дросселя

Для анализа работы реального дросселя создадим схему замещения, которая учитывает его основные и паразитные параметры.

Эквивалентная схема дросселя с учётом паразитных параметров.

Таким образом, на характеристики дросселя кроме собственной индуктивности дросселя L, являющейся основным параметром, так сказать полезным, присутствует паразитная индуктивность L_S, обусловленная потоком рассеяния, активное сопротивление R обмоточного провода, межвитковая ёмкость С обмотки дросселя, а также проводимости g_μ. Проводимость g_μ характеризует мощность, которая затрачивается на перемагничивание сердечника, из-за наличие петли гистерезиса.

Уравнение соответствующее эквивалентной схеме будет иметь вид

Как видно на схеме ток в дросселе состоит из двух составляющих: I_μ – ток отвечающий за создание основного магнитного потока Φ₀ и I_а – ток, учитывающий потери мощности при перемагничивании и нагрев сердечника

где Р_С – мощность потерь в сердечнике.

Основной параметр дросселя – индуктивность L определяется по выражениям для индуктивностей различных типов, например, индуктивность без сердечника, индуктивности на замкнутых сердечниках, индуктивности на сердечниках с зазором и индуктивности на разомкнутых сердечниках.

Остальные параметры определить несколько сложнее. Рассмотрим определение данных параметров.

Как рассчитать межвитковую ёмкость обмотки дросселя?

В дросселе, между витками, слоями и металлическими предметами вокруг дросселя существует некоторая разность потенциалов, создающих электрическое поле. Для оценки влияния данного поля вводят понятие межвитковой ёмкости или собственной ёмкости дросселя, величина которой зависит от размеров и конструктивных особенностей дросселя.

Межвитковая ёмкость C обмотки, являясь паразитным параметром, совместно с индуктивностью рассеивания и собственной индуктивностью дросселя образуют различные виды фильтров и колебательных контуров. Хотя данный параметр имеет небольшое значение, тем не менее, в определённых условиях его приходится учитывать, однако точный расчёт затруднён в связи с большим влиянием различных конструктивных параметров, в первую очередь, взаимного расположения витков провода между собой. Так наибольшей межвитковой ёмкостью обладают катушки намотанные «внавал», а наименьшей – катушки с намоткой типа «Универсаль» или секционные катушки.

Межвитковую емкость С_общ дросселя можно представить в виде суммы емкостей между внутренним слоем обмотки и магнитопроводом С₁ и межслоевой емкости внутри обмотки С₂

Ёмкость между внутренним слоем обмотки и магнитопроводом можно определить из эмпирической формулы

где ε_а – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды вокруг проводника, ε_а = ε₀ε_r,

ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость,

ε₀ – электрическая постоянная, ε₀ = 8,85 * 10^-12 Ф/м,

r – радиус поперечного сечения провода,

а – расстояние между магнитопроводом и осью провода,

n – число витков в слое,

р₁ – периметр витка внутреннего слоя обмотки.

Относительная диэлектрическая проницаемость берётся для материала каркаса дросселя, если бескаркасное исполнение, то соответственно проницаемость воздуха либо изоляции проводника, в зависимости от необходимой точности.

Емкость между слоя обмотки так же вычисляется по эмпирической формуле

где р_ср – периметр среднего витка обмотки,

b – расстояние между осями витков в соседних слоях,

m – число слоёв.

В данном случае диэлектрическая проницаемость берётся для материала межслоевой изоляции.

Во всех случаях необходимо добиваться уменьшения межвитковой ёмкости обмотки. Для этого применяют различные виды намоток и материалов для каркасов и межслоевой изоляции с малым значением диэлектрической проницаемости.

Как рассчитать индуктивность рассеяния дросселя?

Индуктивность рассеяния L_S, также как и межвитковая ёмкость, является паразитным параметром и негативно влияет на индуктивные элементы, в частности на дроссель. Индуктивность рассеяния вместе с межвитковой емкостью образуют фильтр нижних частот, вызывающий уменьшение амплитуды переменного напряжения и тока на высоких частотах. Данное обстоятельство приводит к тому, что увеличиваются активные потери мощности и происходит нагрев дросселя.

Индуктивность рассеяния зависит от типа конструкции дросселя и его размеров и может быть определена по следующему выражению

где μ₀ – относительная магнитная проницаемость, μ₀ = 4π*10^-8,

р_ср – периметр среднего витка обмотки,

w – количество витков провода в дросселе,

l – длина намотки,

h – толщина намотки.

В большинстве случаев необходимо добиваться уменьшения индуктивности рассеяния, для чего стараются как можно плотнее уложить провод в намотке, уменьшения количества слоёв обмотки дросселя и увеличения длины намотки. В идеале стремятся использовать однослойные обмотки, если это возможно.

Стоит отметить, что приведённые выражения для определения паразитных параметров межвитковой ёмкости С и индуктивности рассеяния L_S являются ориентировочными и могут в различных случаях давать погрешность порядка 20 %. Поэтому при необходимости знать точное значение их определяют экспериментальным путём различными способами.

На сегодня всё, а в следующей статье я расскажу о потерях мощности и нагреве дросселей при работе.