Сглаживающий дроссель¶

Сглаживающий дроссель — это электрический аппарат (катушка индуктивности), предназначенный для уменьшения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения или тока в цепях вторичных источников питания. Основное свойство дросселя — высокое индуктивное сопротивление для переменной составляющей тока и малое активное сопротивление для постоянной составляющей, что позволяет эффективно подавлять гармоники пульсаций, не создавая значительных потерь энергии.

¶Принцип действия

Работа сглаживающего дросселя основана на явлении самоиндукции. При протекании через катушку пульсирующего тока в ней возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая изменению тока. Согласно закону Ленца, эта ЭДС направлена так, чтобы поддерживать ток при его уменьшении и ограничивать его при возрастании. В результате амплитуда переменной составляющей тока снижается, а постоянная составляющая проходит практически без изменений.

Эффективность сглаживания определяется индуктивностью дросселя (L) и частотой пульсаций (f). Чем выше индуктивность и частота, тем больше индуктивное сопротивление (XL = 2πfL) для переменной составляющей и тем сильнее подавление пульсаций. В реальных схемах дроссель включается последовательно с нагрузкой после выпрямителя, образуя индуктивный фильтр.

¶Устройство и конструкция

Конструктивно сглаживающий дроссель представляет собой катушку, намотанную на замкнутом магнитопроводе (сердечнике). Основные элементы:

• Магнитопровод (сердечник) — изготавливается из листовой электротехнической стали (трансформаторной стали) для работы на частотах 50–400 Гц или из ферритов, аморфных сплавов для высокочастотных применений. Для снижения потерь на вихревые токи сердечник набирается из изолированных пластин (шихтованный сердечник) или используется ленточный разрезной сердечник. В мощных промышленных дросселях часто применяют броневые или стержневые магнитопроводы.
• Обмотка — выполняется из медного или алюминиевого изолированного провода (обычно круглого или прямоугольного сечения). Количество витков и сечение провода рассчитываются исходя из требуемой индуктивности и номинального тока. Обмотка может быть однослойной или многослойной, с прокладками из изоляционного материала между слоями.
• Воздушный зазор — в сердечник часто вводится немагнитный зазор (из бумаги, пластика или другого диэлектрика). Зазор предотвращает насыщение магнитопровода постоянным током, что позволяет дросселю работать с большими постоянными токами без потери индуктивности. Величина зазора критически важна: слишком малый зазор приводит к насыщению, слишком большой — к снижению индуктивности и росту габаритов.
• Каркас и изоляция — обмотка обычно наматывается на изоляционный каркас, который затем помещается на сердечник. Для изоляции между витками, слоями и от сердечника используются лакоткани, эмали, стеклоткани, пропиточные составы.
• Крепёжные элементы — дроссели оснащаются металлическими скобами, хомутами или фланцами для монтажа на шасси или печатную плату. В мощных дросселях предусматриваются клеммные колодки или болтовые соединения для подключения внешних цепей.

¶Классификация

Сглаживающие дроссели классифицируются по нескольким признакам.

¶По типу магнитопровода

• Сердечниковые (с магнитопроводом) — наиболее распространённые. Обеспечивают высокую индуктивность при относительно малых габаритах за счёт ферромагнитного материала. Используются в цепях постоянного и пульсирующего тока.
• Без сердечника (воздушные) — катушка без ферромагнитного сердечника. Применяются в высокочастотных цепях (например, в импульсных источниках питания) или при малых токах, где насыщение недопустимо, а габариты не критичны. Индуктивность таких дросселей нелинейно зависит от тока, но они не подвержены насыщению.

¶По конструктивному исполнению

• Однофазные — для однофазных выпрямителей.
• Трёхфазные — для трёхфазных выпрямителей, часто имеют три обмотки на общем сердечнике.
• Дроссели с подмагничиванием — содержат дополнительную обмотку, через которую пропускается постоянный ток для изменения индуктивности (регулируемые дроссели).

¶По области применения

• Сетевые (фильтровые) дроссели — устанавливаются на входе или выходе выпрямителя, сглаживают пульсации основной частоты (50/100 Гц для однофазной сети, 300 Гц для трёхфазной).
• Дроссели вторичных цепей — используются в цепях после преобразователей напряжения (например, в импульсных блоках питания) для сглаживания высокочастотных пульсаций.
• Дроссели для электроприводов — устанавливаются в цепях якоря или возбуждения электродвигателей постоянного тока для уменьшения пульсаций тока, вызывающих искрение щёток и нагрев.

¶Характеристики и параметры

Основные параметры сглаживающего дросселя:

• Индуктивность (L) — измеряется в генри (Гн) или миллигенри (мГн). Определяет способность запасать энергию магнитного поля и подавлять пульсации. Для сглаживания пульсаций сетевой частоты (50 Гц) типичные значения индуктивности составляют от единиц до десятков генри. Для высокочастотных цепей — от микро- до миллигенри.
• Номинальный постоянный ток (Iном) — максимальный ток, который дроссель может пропускать длительно без перегрева и насыщения сердечника. При превышении этого тока магнитопровод входит в насыщение, индуктивность резко падает, и дроссель перестаёт выполнять свою функцию.
• Активное сопротивление обмотки (R) — сопротивление медного или алюминиевого провода постоянному току. Влияет на потери мощности (нагрев) и падение напряжения на дросселе. Обычно составляет от долей ома до нескольких ом.
• Коэффициент сглаживания (Kсгл) — отношение амплитуды переменной составляющей на входе дросселя к амплитуде на выходе. Характеризует эффективность фильтрации.
• Рабочее напряжение — максимальное напряжение, при котором обеспечивается надёжная изоляция обмотки и сердечника. Обычно указывается для изоляции между обмоткой и сердечником, а также между витками.
• Частота пульсаций — частота переменной составляющей тока, которую дроссель должен подавлять. Для сетевых выпрямителей это частота 100 Гц (двухполупериодное выпрямление однофазного тока) или 300 Гц (трёхфазное выпрямление). Для импульсных источников — десятки и сотни килогерц.
• Температура окружающей среды — диапазон температур, при которых дроссель сохраняет работоспособность. Обычно от -40 до +85 °C, для специальных исполнений — до +125 °C и выше.

¶Применение

Сглаживающие дроссели широко используются в различных областях электротехники и электроники:

• Источники вторичного электропитания — в выпрямителях (сетевых блоках питания) для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. В простейших схемах дроссель может быть единственным фильтрующим элементом, в более сложных — частью LC-фильтра (дроссель + конденсатор).
• Импульсные источники питания (ИИП) — в выходных цепях ИИП для подавления высокочастотных пульсаций (частоты переключения транзисторов). Здесь применяются дроссели с ферритовыми сердечниками, работающие на частотах от 20 кГц до нескольких мегагерц.
• Электроприводы постоянного тока — в цепях якоря и возбуждения двигателей для уменьшения пульсаций тока, вызывающих вибрации, шум и повышенный износ щёток. Особенно важно в тяговых электроприводах (электровозы, трамваи, троллейбусы).
• Преобразователи частоты — в промежуточных цепях постоянного тока (звеньях постоянного тока) частотных преобразователей для сглаживания пульсаций после выпрямителя.
• Сварочные аппараты — в выпрямителях сварочных источников для стабилизации дуги и уменьшения разбрызгивания металла.
• Электрофильтры — в установках электростатической очистки газов для сглаживания пульсаций высокого напряжения.
• Радиоэлектронная аппаратура — в фильтрах питания усилителей, приёмников, передатчиков для снижения фона переменного тока и помех.

¶Особенности выбора и расчёта

При выборе или проектировании сглаживающего дросселя учитываются:

• Требуемая индуктивность — рассчитывается, исходя из допустимого уровня пульсаций тока в нагрузке. Для LC-фильтра индуктивность выбирается такой, чтобы обеспечить режим непрерывного тока (ток через дроссель не падает до нуля).
• Ток нагрузки — определяет сечение провода обмотки и размеры магнитопровода. При больших токах (десятки-сотни ампер) применяются шинные обмотки или несколько параллельных проводов.
• Насыщение сердечника — для предотвращения насыщения в сердечник вводится воздушный зазор. Величина зазора рассчитывается так, чтобы при максимальном токе магнитная индукция в сердечнике не превышала допустимого значения (обычно 0,8–1,2 Тл для электротехнической стали).
• Потери мощности — складываются из потерь в меди (нагрев обмотки) и потерь в стали (гистерезис и вихревые токи). Для снижения потерь применяются шихтованные сердечники из тонкой стали (0,35–0,5 мм) и провода с большим сечением.
• Габариты и масса — в мощных промышленных дросселях (сотни киловатт) масса может достигать десятков и сотен килограммов. В бытовой электронике дроссели миниатюризируются за счёт применения ферритов и высоких частот.

¶Интересные факты

• В первых радиоприёмниках начала XX века сглаживающие дроссели (дроссели фильтра) были одними из самых массивных и дорогих компонентов, так как их изготавливали на железных сердечниках с большим числом витков. Для снижения массы иногда применяли воздушные дроссели, но они имели низкую индуктивность.
• В мощных выпрямителях для электролиза (например, в алюминиевой промышленности) используются сглаживающие дроссели с током в десятки тысяч ампер. Такие дроссели охлаждаются водой и имеют массу более тонны.
• В современных импульсных источниках питания дроссели часто выполняют функцию не только сглаживания, но и накопления энергии (дроссель-накопитель). В таких схемах (например, в обратноходовых преобразователях) дроссель работает в режиме прерывистого тока, запасая энергию в магнитном поле и отдавая её в нагрузку.
• Для снижения уровня электромагнитных помех сглаживающие дроссели могут быть выполнены в виде тороидальных (кольцевых) сердечников. Тороидальная конструкция обеспечивает минимальное внешнее магнитное поле и высокую помехоустойчивость.

¶Источники

• Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Гардарики, 2007.
• Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 2000.
• Москатов Е. А. Источники питания. — М.: Радио и связь, 2005.
• Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого. — М.: Энергоатомиздат, 1987.
• ГОСТ 18624-73. Дроссели сглаживающие. Общие технические условия.