Дроссель в электронике¶
Дроссель — пассивный элемент электрической цепи, предназначенный для создания индуктивного сопротивления. Основное свойство дросселя — препятствовать изменению тока, протекающего через него, накапливая энергию в магнитном поле катушки индуктивности. Дроссели широко применяются в блоках питания, фильтрах, осцилляторах, усилителях и иных электронных устройствах.
¶Принцип действия
Работа дросселя основана на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока через катушку вокруг неё формируется магнитное поле. Изменение тока приводит к изменению магнитного потока, а согласно закону Фарадея это вызывает появление ЭДС самоиндукции, направленной против изменения тока. В результате дроссель «сопротивляется» быстрым изменениям тока, сглаживая его пульсации.
Основная характеристика дросселя — индуктивность, измеряемая в генри (Гн). Индуктивность зависит от числа витков катушки, площади сечения, длины катушки и магнитной проницаемости сердечника. Для идеального дросселя выполняется соотношение:
U = L · (dI/dt),
где U — напряжение на дросселе, L — индуктивность, dI/dt — скорость изменения тока.
¶Устройство и конструкция
Типичный дроссель состоит из двух основных элементов:
- Катушки — витков изолированного провода (медного или алюминиевого), намотанного на каркас;
- Сердечника — ферромагнитного сердечника (ферритового, порошкового, пермаллоевого) либо воздушного зазора.
По типу сердечника дроссели делятся на:
| Тип | Особенности |
|---|---|
| С воздушным сердечником | Не имеют ферромагнитного материала; низкая индуктивность, отсутствие потерь на гистерезис и насыщение; применяются на высоких частотах |
| С ферритовым сердечником | Высокая индуктивность при малых габаритах; применяются в фильтрах и блоках питания |
| С порошковым сердечником | Изготовлены из ферромагнитного порошка в изолирующей матрице; устойчивы к насыщению, применяются в силовых цепях |
| Со стальным сердечником | Применяются в силовых низкочастотных цепях и дросселях дуговых печей |
¶Классификация по назначению
В электронике дроссели подразделяются в зависимости от выполняемой функции:
- Сглаживающие (фильтрующие) — уменьшают пульсации выпрямленного тока в блоках питания. Устанавливаются после выпрямителя в связке с конденсаторами, образуя LC-фильтры.
- Токоограничивающие — ограничивают ток в цепи, например, при включении нагрузки (пусковые дроссели).
- Разделительные (дроссели связи) — пропускают постоянный ток, но препятствуют прохождению переменного сигнала между каскадами усилителя (дросселирование).
- Дроссели помехоподавления — подавляют высокочастотные помехи в сети электропитания.
- Сдвигающие фазу — используются в осцилляторах и фазовращателях.
¶Основные параметры
При выборе дросселя учитывают следующие характеристики:
- Индуктивность (L) — определяет сопротивление изменениям тока;
- Номинальный ток — максимальный ток, который дроссель может пропускать длительно без перегрева;
- Ток насыщения — ток, при котором сердечник начинает насыщаться, и индуктивность резко падает;
- Сопротивление обмотки (DCR) — активное сопротивление провода, вызывающее потери;
- Добротность (Q) — отношение реактивного сопротивления к активному потерь;
- Рабочая частота — диапазон, в котором дроссель эффективно работает.
¶Применение
¶В блоках питания
Наиболее массовое применение дроссели нашли в импульсных и линейных блоках питания. В выпрямителях сглаживающие дроссели в сочетании с конденсаторами образуют фильтры, снижающие пульсации выпрямленного напряжения до долей вольта. В импульсных преобразователях (flyback, buck, boost) дроссель является ключевым накопителем энергии, передаваемой от источника к нагрузке.
¶В усилителях
Дроссели используются для развязки каскадов усилителя по постоянному току, пропуская полезный сигнал, но блокируя постоянную составляющую. В выходных каскадах аудиоусилителей применяются дроссели для компенсации ёмкости кабеля.
¶В радиосвязи и радиоприёмниках
В контурах настройки радиоприёмников дроссели (катушки индуктивности) в сочетании с конденсаторами образуют колебательные контуры, определяющие резонансную частоту приёма. В антенных вводах дроссели блокируют постоянное напряжение и низкочастотные помехи.
¶В промышленности
Специальные силовые дроссели применяются в дуговых печах для ограничения тока, в электроприводах для сглаживания тока и в системах освещения для стабилизации тока в газоразрядных лампах.
¶Потери и нелинейность
Реальный дроссель обладает рядом паразитных эффектов: активное сопротивление обмотки, потери в сердечнике (гистерезисные и вихревые), паразитная ёмкость между витками. На высоких частотах паразитная ёмкость приводит к саморезонансу дросселя, после которого элемент начинает вести себя как конденсатор. Насыщение сердечника при больших токах приводит к резкому снижению индуктивности и росту пульсаций.
¶См. также
- Конденсатор
- Индуктивность
- LC-фильтр
- Импульсный блок питания
¶Источники
- Дэвид Дж. Мьюс. «Трансформаторы и дроссели для электроники». — М.: Додэка, 2007.
- Шеховцов В. А., Шеховцов В. В. «Дроссели и трансформаторы: расчёт, проектирование, технология». — М.: Горячая линия — Телеком, 2005.
- Гуревич С. Г. «Дроссели для электроники». — Л.: Энергия, 1971.
- Справочник по расчёту и конструированию дросселей и трансформаторов / под ред. В. А. Шеховцова. — М.: Радио и связь, 1989.