Дроссель

Дроссель — это электротехническое устройство, представляющее собой катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником (или без него), предназначенную для ограничения, сглаживания или фильтрации электрических токов и напряжений в цепях переменного и постоянного тока. Основным свойством дросселя является его индуктивное сопротивление, которое возрастает с увеличением частоты тока, что позволяет использовать его для подавления высокочастотных помех, ограничения пусковых токов, сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения и создания резонансных контуров.

История

Первые прототипы дросселей появились в середине XIX века в связи с развитием телеграфии и электрического освещения. В 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, которое легло в основу работы всех индуктивных элементов. Однако практическое применение катушек индуктивности для ограничения тока началось с изобретения дуговых ламп и трансформаторов.

В 1880-х годах, с внедрением систем переменного тока (Никола Тесла, Михаил Доливо-Добровольский), возникла необходимость в устройствах, способных ограничивать ток короткого замыкания и сглаживать пульсации. Первые дроссели представляли собой катушки без сердечников, намотанные медным проводом на деревянном или керамическом каркасе. В начале XX века, с развитием металлургии, начали применяться сердечники из листовой электротехнической стали, что позволило значительно уменьшить габариты устройств при той же индуктивности.

В 1920–1930-х годах дроссели стали ключевым элементом в радиотехнике и электросвязи для фильтрации помех и настройки колебательных контуров. В СССР массовое производство дросселей началось в 1930-е годы на заводах «Электросила» (Ленинград) и «Московский электрозавод». После Второй мировой войны, с развитием полупроводниковой техники, дроссели стали неотъемлемой частью блоков питания, преобразователей и инверторов. В 1970-х годах появились дроссели на ферритовых сердечниках, что позволило работать на частотах до десятков мегагерц.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Дроссель состоит из следующих основных элементов:

• Обмотка — один или несколько слоёв изолированного медного или алюминиевого провода, намотанного на каркас. Количество витков и сечение провода определяют индуктивность и допустимый ток.
• Сердечник (магнитопровод) — замкнутая или разомкнутая магнитная система, изготавливаемая из:
• Электротехнической стали (для низких частот, 50–400 Гц);
• Ферритов (для высоких частот, до нескольких МГц);
• Пермаллоя или аморфных сплавов (для специальных применений);
• Воздушный сердечник (для очень высоких частот, где ферромагнетики неэффективны).
• Каркас — изоляционная основа (пластмасса, керамика, текстолит), на которую наматывается провод.
• Пропитка — для защиты от влаги и вибраций обмотка может пропитываться лаком или компаундом.

Принцип действия

При протекании переменного тока через обмотку вокруг неё возникает переменное магнитное поле. Это поле индуцирует в самой обмотке ЭДС самоиндукции, направленную против изменения тока (правило Ленца). В результате дроссель оказывает переменному току сопротивление, которое называется индуктивным и вычисляется по формуле:

\[ X_L = 2\pi f L \]

где \( X_L \) — индуктивное сопротивление (Ом), \( f \) — частота тока (Гц), \( L \) — индуктивность (Гн).

Для постоянного тока индуктивное сопротивление равно нулю (при установившемся режиме), поэтому дроссель пропускает постоянный ток практически без потерь, но препятствует его резким изменениям.

Классификация

Дроссели классифицируются по нескольким признакам:

По назначению

• Сглаживающие дроссели — используются в выпрямителях и источниках питания для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Устанавливаются в фильтрах блоков питания.
• Токоограничивающие дроссели — ограничивают ток короткого замыкания или пусковые токи в электрических сетях и двигателях. Например, в цепях дуговых сталеплавильных печей.
• Фильтрующие дроссели — подавляют высокочастотные помехи в цепях питания и сигнальных линиях (дроссели ЭМС, помехоподавляющие).
• Дроссели переменного тока — используются в цепях переменного тока для регулировки реактивной мощности, в пускорегулирующей аппаратуре для люминесцентных ламп (ПРА).
• Дроссели насыщения — работают в режиме насыщения магнитопровода, используются в стабилизаторах напряжения и магнитных усилителях.
• Резонансные дроссели — часть колебательных контуров в радиопередатчиках, фильтрах и антенных согласующих устройствах.

По типу сердечника

• С воздушным сердечником — без магнитопровода, имеют малую индуктивность (единицы–сотни микрогенри), используются на высоких частотах (радиочастоты, СВЧ).
• С ферромагнитным сердечником — обеспечивают высокую индуктивность при малых габаритах. Подразделяются на:
• Броневые (Ш-образные);
• Стержневые;
• Тороидальные (кольцевые);
• Чашечные (для ферритов).

По частоте

• Низкочастотные (50–400 Гц) — на стальных сердечниках, применяются в силовой электронике.
• Высокочастотные (от 1 кГц до десятков МГц) — на ферритах или воздушные, используются в радиоаппаратуре и импульсных источниках питания.

Характеристики и параметры

Основные параметры дросселя:

• Индуктивность (L) — измеряется в генри (Гн), миллигенри (мГн) или микрогенри (мкГн). Определяет способность накапливать энергию магнитного поля.
• Номинальный ток (Iном) — максимальный длительно допустимый ток, при котором не происходит перегрева обмотки.
• Активное сопротивление обмотки (R) — сопротивление провода постоянному току, вызывает потери мощности и нагрев.
• Добротность (Q) — отношение индуктивного сопротивления к активному на заданной частоте. Чем выше добротность, тем меньше потерь.
• Рабочая частота (fраб) — диапазон частот, в котором дроссель сохраняет заданные параметры.
• Ток насыщения (Iнас) — ток, при котором магнитопровод входит в насыщение, и индуктивность резко падает.
• Электрическая прочность изоляции — напряжение пробоя между обмоткой и сердечником/корпусом.

Применение

Дроссели широко применяются в различных отраслях электротехники и электроники:

В энергетике

• В цепях распределительных устройств для ограничения токов короткого замыкания (реакторы).
• В фильтрах высших гармоник на подстанциях.
• В компенсаторах реактивной мощности (совместно с конденсаторами).

В промышленной электронике

• В блоках питания компьютеров, телевизоров, зарядных устройств — для сглаживания пульсаций и подавления помех.
• В преобразователях частоты и инверторах — для фильтрации выходного напряжения.
• В сварочных аппаратах — для стабилизации дуги.

В бытовой технике

• В пускорегулирующих аппаратах (ПРА) люминесцентных ламп и ДРЛ.
• В микроволновых печах — в высоковольтном блоке питания магнетрона.
• В стиральных машинах и холодильниках — для помехоподавления.

В радиотехнике и связи

• В колебательных контурах радиоприёмников и передатчиков.
• В фильтрах питания и антенных согласующих устройствах.
• В дросселях высокой частоты (ВЧ-дроссели) для развязки цепей.

В автомобильной электронике

• В системах зажигания (катушки зажигания — разновидность дросселя).
• В преобразователях напряжения для светодиодных фар.
• В фильтрах помех бортовой сети.

Примеры

• Дроссель ДП-50-0,5 (Россия) — сглаживающий дроссель для выпрямителей, индуктивность 50 мГн, ток 0,5 А, на стальном сердечнике.
• Дроссель помехоподавляющий DF-10 — для фильтрации ЭМС в импульсных блоках питания, индуктивность 10 мкГн, на ферритовом тороидальном сердечнике.
• Реактор РТ-10-0,4 — токоограничивающий реактор для сетей 0,4 кВ, индуктивность 10 мГн, номинальный ток 100 А.

Интересные факты

• Дроссели являются одним из самых надёжных электротехнических устройств: при правильной эксплуатации их срок службы может превышать 30 лет.
• В СССР дроссели для люминесцентных ламп (ПРА) выпускались миллионными тиражами и были обязательным элементом каждого светильника.
• В современных импульсных источниках питания дроссели работают на частотах 50–200 кГц, что позволяет уменьшить их размеры в десятки раз по сравнению с низкочастотными аналогами.
• Дроссели с насыщением (магнитные усилители) использовались в первых электронно-вычислительных машинах (например, в ЭВМ «Минск-1») для управления логическими схемами.

Источники

• Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. — М.: Высшая школа, 1996.
• Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 2000.
• ГОСТ 18624-73. Дроссели. Термины и определения.
• Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого. — М.: Энергия, 1974.
• «Дроссели и их применение» — статья в журнале «Радио», № 5, 1985.