Диаметр провода для дросселя

Дроссели для импульсных источников питания на ферритовых кольцах

При повторении импульсных вторичных источников питания и стабилизаторов напряжения или самостоятельной их разработке радиолюбители испытывают трудности при подборе магнито-проводов и расчете индуктивных элементов устройств. Публикуемая статья может помочь в решении таких задач.

В однотактных импульсных источниках питания и стабилизаторах напряжения важнейшим элементом является дроссель или импульсный трансформатор, в котором происходит накопление энергии. Обычно их наматывают на броневых или Ш-образных феррито-вых магнитопроводах с зазором или кольцах из Мо-пермаллоя МП140 или МП160 [1 — 4]. Магнитопрово-ды из прессованного пермаллоя (Mo-пермаллоя) достаточно дороги и дефицитны. В то же время в большинстве случаев индуктивные элементы таких устройств можно выполнить на широко распространенных кольцах из феррита с проницаемостью 600. . .6000. если в них ввести зазор.

Индуктивность L катушки, намотанной на кольцевом магнитопроводе, как известно, можно найти по формуле [1]

где AL — так называемый коэффициент индуктивности, N — число витков катушки. Коэффициент AL соответствует индуктивности катушки в один виток и обычно приводится в справочных данных конкретных магнитопроводов [1 — 4], а для кольцевых магнитопроводов может быть легко рассчитан;

где μo = 1,257-10 -3 мкГн/мм — абсолютная магнитная проницаемость вакуума, μэфф — эффективная начальная магнитная проницаемость материала магнитопровода. Sэфф — эффективная площадь сечения магнитопровода в мм 2 , l эфф — эффективная длина магнито-провода в мм.
Зная величину AL, нетрудно определить число витков катушки для получения необходимой индуктивности:

Эффективное сечение и длина магнитопровода несколько меньше определяемых по его геометрическим параметрам и обычно приводятся в справочной литературе. В табл. 1 в первых пяти столбцах приведены геометрические размеры, эффективные сечение и длина l эфф Для ферритовых колец стандартного ряда с внешним диаметром D от 6 до 50 мм, внутренним d и высотой h [1].

В этой же таблице приведены расчетные значения площади окна магнитопроводов SОKH, периметра сечения р и коэффициента индуктивности AL для μэфф = 50. Данные позволяют рассчитать индуктивность любой катушки, намотанной на кольцевом магнитопроводе с табличными геометрическими размерами. Если μэфф используемого кольца отличается от 50, значение AL необходимо пропорционально изменить, например, для μэфф = 2000 коэффициент AL следует увеличить в 40 раз. Следует иметь ввиду, что значения μэфф , Sэфф и l эфф определяются с большой погрешностью, и в справочниках для кольцевых магнитопроводов указан обычно двукратный разброс значений АL[1]. Поэтому величины AL, взятые из Таблицы 1, следует принимать как ориентировочные и уточнять их при необходимости более точного расчета по результатам эксперимента.
Для этого следует намотать на магнитопроводе пробную катушку, например, из десяти витков и измерить ее индуктивность LПР. Здесь себя хорошо зарекомендовал прибор, описанный в [5]. Разделив LПР на 100 = 10 2 , определим значение AL. Расчетное значение N следует увеличить на несколько витков (до N1), по результату измерения L1 уточнить необходимое число витков , и отмотать лишние витки.

Описанным выше образом можно рассчитать индуктивность катушки или необходимое число витков. Однако, как только речь заходит о дросселях для импульсных источников питания, сразу возникает вопрос, какой ток может выдержать дроссель без насыщения магнитопровода?
Магнитная индукция В в магнитопроводе при токе I может быть рассчитана по формуле

Максимально допустимая индукция Втах для материалов магнитопроводов приводится в справочных данных и лежит в пределах 0, 25. ..0,5 Тл. Из этой формулы несложно получить выражение для максимального тока дросселя:

Если в нее подставить формулу для определения числа витков по заданной индуктивности, получим

где \/эфф = Sэфф lэфф— эффективный объем магнитопровода. Нетрудно видеть, что чем выше μэфф, тем меньший ток может пропустить дроссель при тех же геометрических размерах магнитопровода и заданной индуктивности. Более или менее приемлемые результаты при изготовлении дросселей для ИВЭП получаются при μэфф = 30. 50. Именно поэтому в Таблице 1 значение коэффициента AL приведено для μэфф = 50. В той же таблице приведено максимальное значение тока lmax через дроссель с одним витком при Вmax = 0,3 Тл. Для определения допустимого тока реального дросселя достаточно табличное значение lmax разделить на число витков N.

Однако в радиолюбительской практике более доступны кольцевые магнитопроводы с большими значениями эффективной магнитной проницаемости μэфф = 600. 6000. Понизить эффективную магнитную проницаемость таких магнитопроводов можно введением зазора, при этом

где μнач — начальная магнитная проницаемость материала магнитопровода, Δэфф — эффективная ширина зазора. При реальной ширине зазора μэфф = lэффэфф. Для того, чтобы снизить μэфф примерно до 50. . . 100 (это значение исходя из опыта расчета и изготовления дросселей близко к оптимальному), эффективная ширина зазора должна составлять Δэфф = lэфф/(50. 100) независимо от начальной магнитной проницаемости магнитопровода.
Если в вышеприведенную формулу для расчета AL подставить значение μэфф для магнитопровода с зазором,получим


Еще более простой получается формула для максимального тока через дроссель

т. е. допустимый ток определяется только эффективным зазором и числом витков.

Почти все приведенные выше формулы уже были опубликованы в журнале «Схемотехника» [4], однако ни в одной из известных автору статьи публикаций не отмечено, что эффективная ширина зазора, которую надо применять в расчетах, меньше геометрической. Это различие возникает из-за того, что магнитное поле, существующее рядом с зазором (Рис. 1), шунтирует зазор и уменьшает его эффективную ширину. Для того, чтобы рассчитать влияние этого поля, можно обратиться к аналогии между магнитным и электрическим полями. Воспользуемся формулой для емкости конденсатора из двух цилиндров с близко расположенными торцами [6]:

где С — емкость конденсатора в сантиметрах, D— диаметр цилиндров, b — их высота, d — зазор между их торцами.

Нетрудно заметить, что первое слагаемое соответствует емкости зазора между цилиндрами, а второе— емкости, вносимой боковыми поверхностями цилиндров. Будем считать, что высота цилиндров равна их удвоенному диаметру b = 2D. Это означает, что мы учтем только емкость ближайшей к зазору части боковой поверхности цилиндров, пренебрегая дальней. Расчеты при длине цилиндров в 3 или 4 диаметра дают практически тот же результат.
Для того, чтобы в дальнейшем перейти от емкости между цилиндрами к емкости между прямоугольными брусками (а это по форме ближе к сечению ферритового кольца), будем считать, что емкость, вносимая боковыми поверхностями, пропорциональна периметру зазора, и выразим в этой формуле диаметр цилиндров через периметр р их кругового сечения:

высота цилиндров b = 2D = 2р/тг.

Если в формулу для емкости подставить эти выражения, можно определить из нее отношение полной емкости к емкости между торцами в функции от отношения зазора к периметру цилиндров β = d/b. Формула эта, однако, получается довольно громоздкой и неудобной для применения.

Обозначим буквой а отношение эффективного зазора, обеспечивающего без емкости боковых поверхностей ту же емкость, что и емкость между торцами с учетом емкости боковых поверхностей, к геометрическому. На Рис. 2 приведена расчетная зависимость а от β. Из подобия уравнений, описывающих электрическое и магнитное поле, следует, что аналогично выглядит и зависимость отношения эффективного магнитного зазора к геометрическому от отношения геометрического магнитного зазора к периметру.

Из графика на Рис. 2 следует, что эффективная ширина зазора может существенно отличаться от геометрической. В реальном диапазоне β составляет от 0,01 до 0,1 эффективная ширина зазора меньше геометрической в 1,26. 2,66 раза.

В Таблице 1 приведены значения AL для кольцевых магнитопроводов с четырьмя различными зазорами, рассчитанные с учетом отличия эффективного зазора от геометрического.
Вышесказанное позволяет сделать вывод, что необходимые число витков и зазор практически не зависят от начальной магнитной проницаемости материала магнитопровода, и поэтому можно применить ферриты с любой проницаемостью, большей 600. Для любого имеющегося кольца с табличным зазором по значению AL нетрудно вычислить индуктивность или необходимое число витков и рассчитав β = Δ/р, по графику (рис. 2) определить значение а = Δэфф /р и Δэфф = ap. По найденному значению Δэфф и приведенной ранее формуле можно найти максимальный ток, не вызывающий насыщения сердечника.

Однако существует еще одно обстоятельство, влияющее на выбор магнитопровода — возможность намотки на него требуемого числа витков проводом соответствующего сечения. Необходимая площадь окна кольца составляет

Sокн = NSпровзап
где Sпров — сечение провода, а kзап — коэффициент заполнения окна. Расчет Sпров производят по формуле Sпров = l/j . где j — допустимая плотность тока. Типовое значение kзап по меди составляет 0,3, а для j при начальном расчете принимают значение 2,5 А/мм2.

Подставив в формулу для расчета площади окна выражения для N и АL, получим следующую формулу:
I 2 L = (Sокнjkзап) 2 μSэффэфф
Подобное выражение можно получить и из формулы для максимального тока, который можно пропустить через дроссель без насыщения сердечника:
I 2 L = Bmax 2 Sэфф lэфф ( μ μэфф )

Однозначного расчета конструктивных параметров дросселя по заданной индуктивности и току не существует. Однако при подборе кольца и определении данных обмотки могут помочь последние восемь колонок табл. 1 . В них приведены максимальные значения произведения l 2 L по насыщению и по заполнению, рассчитанные по приведенным выше формулам для Вmах = 0,3 Тл, kзan = 0,3, j = 2,5 А/мм 2 и четырех значений зазора.

Подбор колец и расчет конструктивных параметров дросселей продемонстрируем на двух примерах.
Пусть необходим дроссель индуктивностью 22 мкГн на рабочий ток 1,2 А. Для него значение l 2 L = 1,22х22 = 31,68. Среди колец минимального диаметра первым почти подходит кольцо К10x6x4,5. При введении в него зазора 0,25 мм имеем возможность намотать дроссель с большим запасом по току (Таблица 1, колонка «нас»), но с некоторым превышением плотности тока относительно 2,5 А/мм 2 (колонка «зап.»).

Определим параметры дросселя при зазоре 0,25 мм. Для него коэффициент индуктивности по Таблице 1 составит AL = 0,064, необходимое число витков

(округляем до 19), допустимый ток Для I = 1,2 А при j = 2,5 А/мм2 необходим провод сечением
Sпров = I/j = 1,2/2,5 = 0,48mm 2
При коэффициенте заполнения kзап = 0,3 необходимая площадь окна составит

Площадь окна по Таблице 1 составляет 28,3 мм 2 , что несколько меньше. Необходимо за счет увеличения плотности тока уменьшить сечение провода до
Sпров = Sокн kзап/N = 28,3×0,3/19 = 0,446 мм 2

Плотность тока составит j = I/Sпров = 1,2/0,446 = =2,68 А/мм 2 , что вполне допустимо. Диаметр провода указанного сечения (по меди) можно рассчитать по формуле:

Пусть необходим дроссель 88 мкГн на ток 1,25 А. Для него l 2 L = 137,5. Дроссель можно намотать на кольце К12x6x4,5 с тем же зазором, при этом насыщения магнитопровода происходить не будет, но плотность тока существенно превысит норму. Поэтому необходимо перейти к кольцу большего размера. В распоряжении автора были кольца К12x8x3 из феррита М4000НМ. На одном кольце невозможно намотать необходимый дроссель, ни по насыщению сердечника, ни по заполнению окна. Можно сложить два кольца вместе. В этом случае эффективное сечение магнитопровода увеличивается в два раза, а допустимые значения l 2 L вырастут по насыщению несколько более, а по заполнению несколько менее, чем в два раза. Поэтому необходимый дроссель при геометрическом зазоре 0,25 мм можно намотать с запасом по току насыщения и с небольшим превышением плотности тока.

Смотрите так же:  Провода стартовые

Только табличными сведениями теперь не обойтись, необходим полный расчет. Для двух колец периметр сечения (при зазоре 0,25 мм):
р = D-d+4xh = 12-8+4×3 = 16 мм,
β=Δ/р = 0,25/16 = 0,0156.

По графику на Рис. 2 находим а = 0,73, откуда эффективный зазор
Δэфф = Δа = 0,25×0,73 = 0,183 мм.

Найденное значение
AL= μSэффэфф = 1,257х10 -3 х2х5,92/0,183 = 0,081

Необходимое число витков

округляем в большую сторону до 33 витков. Максимальный ток через дроссель
lmax = 240 Δэфф /N = 240×0,183/33 = 1,33 А.

Максимальное сечение провода
Sпров = Sокн kзап/N = 50,3×0,3/33 = 0,457 мм 2 ,
что соответствует плотности тока 1,25/0,457 = 2,74 А/мм 2 . Сечению Sпров = 0,457 мм 2 соответствует диаметр:

Иногда удобнее ввести два одинаковых зазора. В этом случае табличное значение AL для половинного зазора следует уменьшить в два раза, а табличное значение I 2 L для половинного зазора — удвоить.
Технология введения зазора такова. Небольшое кольцо перед намоткой разломить на две части, надпилив его надфилем, лучше алмазным. Половинки склеивают между собой эпоксидным клеем с наполнителем, в качестве которого удобно использовать тальк. При склеивании в один из зазоров или в оба на часть глубины вводят прокладку из гетинакса, текстолита или нескольких слоев бумаги. Можно считать, что толщина одного листа бумаги для ксероксов и лазерных принтеров составляет 0,1 мм. Для сохранения формы кольца в процессе полимеризации клея оно должно лежать на обрезке органического стекла, от которого затем легко отделяется при изгибе этого обрезка. Перед намоткой острые грани колец следует тщательно скруглить небольшим наждачным камнем.

У большого кольца зазор можно также выполнить ножовкой с алмазным полотном, однако его ширина при этом однозначно определяется толщиной полотна. В такой зазор для сохранения прочности кольца следует вклеить прокладку из жесткого диэлектрика.
Для экспериментальной проверки тока насыщения дросселей автором была изготовлена приставка к осциллографу, схема которой приведена на Рис. 3. Устройство представляет собой упрощенный вариант обратноходового преобразователя.

На микросхеме DD1 собран генератор импульсов положительной полярности длительностью, регулируемой в пределах 10. 300 мкс с периодом повторения около 10 мс. Импульсы с его выхода поданы на затвор мощного, но низковольтного и относительно недорогого полевого транзистора VT2. Транзистор открывается и через проверяемую катушку индуктивности L1 начинает течь линейно нарастающий ток. Когда импульс заканчивается, накопленная энергия передается через диод VD2 в нагрузку, которой служат стабилитроны VD3 и VD4. Напряжение с резистора R7, пропорциональное току через катушку L1, подается на осциллограф. Для синхронизации осциллографа лучше использовать сигнал с выхода DD1.4. Если ток превысит 6А, откроется транзистор VT1 и оборвет формирование импульса. Пока сердечник катушки не входит в насыщение, зависимость тока от времени, как указывалось выше, носит линейный характер. При плавном увеличении длительности импульсов и подходе максимального тока через дроссель к току насыщения на экране осциллографа хорошо видно резкое отклонение зависимости от линейной. Источник напряжением 20 В должен допускать выходной ток не менее 1 А. Для упрощения пользования приставкой можно цепь +6 В питать от цепи +20 В через микросхемный стабилизатор КР145ЕН5Б(Г), либо КР1157ЕН6 с любыми суффиксами (7806 или 78L06). Экспериментальная проверка изготовленных дросселей подтвердила точность расчета необходимого числа витков и тока насыщения порядка ±10 %, что можно считать неплохим результатом, учитывая ошибки установки ширины зазора и множество допущений при выводе формул

Литература:
1. И. Н. Сидоров, А. А. Христинин, С. В. Скорняков. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники. Справочник.— М.: Радио и связь, 1989, с. .384,
2. А. Миронов. Магнитные материалы и магнитопроводы для импульсных источников питания.— Радио, 2000, №6, с. 53, 54.
3. Ферритовые магнитопроводы серии RM фирмы EPCOS. — Радио, 2001, №3, с. 49—51, №10, с. 48—50.
4. А. Кузнецов. Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания. — Схемотехника, 2000, №1, с. 30—33, №2, с. 48, 49, 2001, №1, с. 32—34.
5. С. Бирюков. Цифровой измеритель RCL. — Радио, 1996, №3, с. 38—41, №7, с. 62, 1997, №7, с. 32, 1998, №5, с. 63, 2001, №5, с. 44.
6. Г. Г. Гинкин. Справочник по радиотехнике. Изд. 4-е, переработанное. — М.: Госэнергоиздат, 1948, с. 816.

Расчет дросселя, катушки индуктивности. Рассчитать, посчитать онлайн, online

Форма для онлайн расчета дросселя, катушки индуктивности. Для изготовления индуктора рассчитайте количество витков и зазор. (10+)

Расчет дросселя, катушки индуктивности

Дроссели обычно выполняют на Ш — образных, П — образных и броневых сердечниках. Предлагаемый скрипт рассчитан на Ш и П — образные сердечники.

Подробные советы по изготовлению катушек индуктивности (дросселей) можно найти тут.

Выбираем магнитопровод

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Если частота работы устройства до 3 кГц, то подойдет магнитопровод из трансформаторного железа. Если частота выше 7 кГц, то предпочтение следует отдать ферритам. На частотах 3 — 7 кГц можно использовать и железные и ферритовые сердечники. Но эффективность устройств на этих частотах обычно ниже, чем на других, так как тут железо уже теряет свою привлекательность, растут потери, а ферриты еще не могут раскрыть свой потенциал. До 150 кГц для дросселя с зазором (а подавляющее большинство дросселей делается с зазором), марка феррита значения не имеет. От магнитной проницаемости феррита в расчете ничего не зависит. На частотах свыше 150 кГц следует применять специальные высокочастотные марки ферритов.

Расчет для железа и ферритов на разных частотах имеет только одно отличие. Для железа максимальная индукция выбирается в районе 1 Тл. Для ферритов: при частоте до 100 кГц — 0.3 Тл, при частоте выше 100 кГц — 0.1 Тл. При желании снизить потери на перемагничивание магнитопровода максимальная индукция выбирается еще меньше.

Провод выбирается, исходя из плотности тока 5А / 1 кв. мм сечения. Это хуже европейских стандартов, но, как показала практика, вполне приемлемо. Если сила тока небольшая (менее 0.25 А), то дроссель мотается одним проводом нужного диаметра, если более 0.25 А, то жгутом из проводов 0.25 мм (для исключения скин — эффекта). Один такой провод хорошо работает при токе до 0.25 А.

Проверяя, хватит ли места для обмотки в окне магнитопровода, мы полагаем, что плотность заполнения окна не превысит 50%. Плотнее уложить провод удается только на станке. Вручную получить лучшую плотность нам не удавалось никогда.

Считаем по формулам

[число витков] = 1000 * [индуктивность, мГн] * [максимально возможная сила тока, А] / [площадь сечения магнитопровода, кв. мм] / [максимально допустимая индукция, Тл]

[зазор в сердечнике, мм ] = [1.257E-3] * [максимально возможная сила тока, А] * [число витков] / [максимальное значение индукции, Тл]

[максимально возможная сила тока, А] = [рабочий ток дросселя, А] + [Амплитуда пульсаций тока, А] / 2

[количество проводов в жгуте] = [рабочий ток дросселя, А] / 0.25

На рисунке слева — Ш-образный сердечник, справа — П-образный. A — толщина сердечника, B — высота окна сердечника, C — ширина окна сердечника, D — ширина зуба.

Делая прокладку в сердечнике, не забудьте, что ее толщина должна быть вдвое меньше расчетного зазора, так как магнитная линия в Ш и П — образных сердечниках пересекает ее дважды.

Диаметр провода для дросселя

Первое знакомство с дросселем было при создании высоковольтного источника питания. Успешно тормозил ток при зарядке конденсаторов в момент пуска. Катушки стали интересны как таковые — и материала накопилось достаточно для маленькой статьи.

Поведение: тормозит изменение тока в любую сторону, увеличивает напряжение в несколько раз (вплоть до десятков) на короткое время. Примеры назначения: увеличить напряжение с 12В до киловольт в момент пуска ДВС или поджига люминесцентных ламп. Дополнительные назначения, исходя из поведения: сглаживать пульсации, преобразовывать импульсное высоковольтное напряжение в сглаженное низковольтное и т.д.

ЭДС самоиндукции на катушке не существует без изменения тока: L = dI/dt. ЭДС самоиндукции имеет знак, обратный источнику питания: E = -L∙dI/dt = -(dI/dt) 2 . Если ток изменяется быстро, E приобретает номинал напряжения выше напряжения на момент начала изменения тока (например, включение/выключение источника питания). L — индуктивность, коэффициент самоиндукции, коэффициент пропорциональности.

В случае с постоянным напряжением ситуация примерно следующая. Включается источник 10В с нагрузкой 1Ом, но между ними притаилась индуктивность. Индуктивность ударяет по току 10А и полностью блокирует, т.к. ее ЭДС становится равной источнику, и она направлена против источника. Блокировка тока приводит к его исчезновению (в источнике питания еще и диод стоит), ЭДС пропадает — ток снова ринулся к нагрузке с прежней скоростью. ЭДС опять выросла и дала току по башке. Процесс повторяется в цикле с бесконечно высокой частотой, а т.к. итерации занимают хоть какое-то время — в итоге источник успевает пропустить немного тока при каждом цикле, причем с каждым — чуть больше; а ЭДС — становится все чуть меньше. Весь этот процесс напоминает какой-то бешеный интеграл из матана; в конечном итоге завершающийся тем, что ток перестает изменяться и достигает величины 10А, ЭДС самоиндукции равно 0 — и нагрузка успешно получает почти все напряжение источника питания. Почти — потому что в реальности индуктивность имеет еще и внутреннее сопротивление; поэтому дроссели и греются на платах.

При переменном напряжении 50Гц ситуация иная:
— в момент пуска ЭДС самоиндукции возрастает на первом полупериоде и успешно тормозит ток. Сильнее, чем при постоянном за счет именно непрерывного изменения мгновенного значения напряжения в синусоиде;
— как только наступает второй полупериод, отрицательный ток дает ЭДС по башке, что приводит к уменьшению номинала ЭДС, а потом и вообще к изменению ее полярности. Что не приводит к увеличению ЭДС самоиндукции в десятки раз относительно источника питания;
— когда изменение тока становится «нулевым», с точки зрения P=UI за период, ток начинает всегда отставать от напряжения на 90 градусов;
— в момент отключения источника питания и направление ЭДС, и ее номинал хаотичны. Синусоида — не полукруг, изменение силы тока в ней нелинейно. Источник перестал подавать ток, ЭДС пытается его поддерживать путем повышения собственного напряжения. Чем выше L, тем выше будет это напряжение. В итоге, при размыкании выключателя, возможна даже электрическая дуга.

С высокочастотным импульсным положительным напряжением еще хлеще, на примере поджига люминесцентных ламп (пробития газов высоким напряжением). Учитывая направление ЭДС, оно повышенным U лупит в направлении U источника питания (т.е. по нагрузке, а не источнику) — именно при выключении. То есть, нужно создать высокочастотное напряжение, чтобы на момент пропажи импульса ЭДС всем номиналом било по лампе. Это транзисторы в схеме, скорее всего, так и делают: порождают высокочастотное импульсное положительное напряжение (наверняка с высокой скважностью).

Смотрите так же:  Проводка в квартире своими руками от щитка

Теория без практики ничего не стоит, т.к. является неуточненной и недоказанной. Примеры:
— на практике мультиметр на нагрузке хаотично зашкаливало за отметку 1000В при отключении источника питания с индуктивностью на 300В — и это при наличии выпрямителя с конденсатором на пути к нагрузке (в той статье все подробно описано). Все напряжение, казалось бы, должно упасть на выключателе (как на наиболее высоком по сопротивлению участке цепи) — ан нет, мультиметру тоже досталось. Это потом стало ясно, что нужно было варистор на катушку ставить, чтобы повышенную ЭДС гасил на себя;
— намотка дросселей — отдельная тема, о которой и пойдет речь ниже.

Т.к. дроссели, измеряемые в мГн, встречались редко (а мкГн и нГн- полная коробка, хоть солить) — это стало поводом к наматыванию высокоиндуктивных дросселей самостоятельно, а не пайке 50-100 дросселей последовательно.

В момент подачи напряжения на разряженный конденсатор через индуктивность возникает ситуация, сравнимая с КЗ, — значит, все напряжение падает на дросселе. В это мгновение работает формула Uмежду витками = Uпит / Nвитков, как в трансформаторе. Зная заявленное производителем напряжение изоляции эмальпровода — рассчитывается минимальное количество витков дросселя или минимальное расстояние между ними. 1мм воздуха сопротивляется напряжению 1кВ, но с учетом влажности и прочих факторов считать 500В (на практике единичная прорезь канцелярского ножа выдерживала без проблем 260В AC, т.е. пик в 367В).

Стоит ли рассеивать все напряжение на дросселе в момент пуска? Нужно последовательно дросселю впаять высокомощный низкоомный резистор с целью перераспределения напряжения в момент пуска — если дроссель на него не рассчитан. К номиналу резистора нужно подойти аккуратно, т.к. он является паразитным — выходное напряжение может быть понижено + дополнительный нагрев в корпусе. Резисторы, к слову, даже ОМЛТ (военной приемки) тоже пробиваются 220В AC на ура; если встраивать в цепь высокого напряжения резистор — то только составной последовательно. Резисторы SQP же выдерживают 350В DC — его можно поставить одним.

С самостоятельной намоткой дросселя всплыли некоторые закономерности, но и добавилось вопросов:
— если мотать эмаль-провод по штырям стали, железа, нержавейки — толку 0: прибор не показывал даже 0.01мГн — огромный расход цветного металла впустую. Имеется четкий смысл тратиться на феррит или брать его из существующих дросселей (например, закороченных или оборванных). Не зафиксировано еще ни одного ферритового кольца, которое бы пропускало сигнал «пищалки» мультиметра;
— на ферритовом кольце уже первые 50см провода дали результат 0.01мГн. Эта величина есть минимально возможная, что прибор может измерить, — поэтому следующие 50см дали результат 0.04мГц, следующие — 0.07мГн, следующие — 0.1мГн. 2м провода заняли почти 1 виток ферритового кольца;
— чем плотнее витки, тем больше конечная индуктивность. Феррит электрически изолирован — незначительные повреждения эмаль-провода не критичны, если нет соприкосновения неизолированных витков друг с другом;
— непонятна зависимость между диаметром кольцевого ферритового сердечника. Так же как преимущества и недостатки кольцевого, стержневого и Ш-образного относительно друг друга. Очень хотелось бы иметь преимущества у стержневого, т.к. в этом случае очень удобно наматывать эмаль-провод шуруповертом прям на сердечник с катушки;
— и уж совсем чудеса были с эмаль-проводом от какого-то трансформатора. Кольцевой дроссель 0.1мГн получился на феррите, а Ш-образный дроссель 81.1мГн — без металла вообще! В кольцевом дросселе 2м проволоки соответствует величине 0.4Ом и номиналу 0.1мГн. Сечение проволоки в Ш-образном дросселе в

6-8 раз меньше, сопротивление — 172.2Ом при 81.1мГн. Пока так и не ясно, какая правильная формула расчета для дросселей;
— если мотать не эмаль-провод, а тонкий провод в изоляции — не нужно беспокоиться, что будет межвитковое замыкание в случае накладывания витков слоями друг на друга. Проблема в том, что эмаль-провод нужной толщины закончился — и не удалось посмотреть, по какому закону изменяется индуктивность с изменением количества слоев.

По ходу дела, сечение провода не влияет на повышение индуктивности. Намотал в итоге 3 слоя провода — возможно небольшое увеличение индуктивности на виток с каждым новым витком. Толстый провод мотать замучился; не представляю, как трансформаторы высокоамперные мотают руками.

Ну вот как выявить зависимости у таких вот дросселей.

(добавлено 13.08.2017) Программа Coil32 v.11.4.1.491 сильно глючит — но она дала ответ на вопрос индуктивностей на картинке без помощи формул. Дроссель 81мГн имеет наитончайший провод и пребольшой диаметр намотки. Эти величины влияют именно на увеличение индуктивности (возможно, в квадрате); и совместно с огромным количеством витков (почти линейная зависимость) — это и дало 81мГн; даже несмотря на отсутствие сердечника. Дроссель 0.1мГн — обратная ситуация: провод толстый, диаметр витков мал, витков мало. Дроссель 0.01мГн имеет совсем мало витков и гигантский по толщине провод — увеличенный диаметр не спасает. Дроссель 3.7мГн имеет тонкий провод, большое число витков и самую большую разницу «внешний диаметр — внутренний» и высоту (большой диаметр намотки).

Итоги:
— квадратичная зависимость от диаметра витка (шире — выше);
— квадратичная зависимость от сечения провода (тоньше — выше);
— линейная зависимость от количества витков (больше — выше);
— зависимость от формы сердечника, круглости витка (круглее — выше). На работе мотал тороидальный сердечник и сердечник в виде широкой пластины одним и тем же проводом. 2м на круглом сердечнике (1 слой) дали 4.17мГн, с пластинчатым (3 слоя) — 1м: — 0.02мГн, 2м — 0.09мГн, 3м — 0.15мГн, 4м — 0.29мГн, 5м — 0.43мГн. Когда провод идет по широкой части сердечника, он не участвует в создании индуктивности — индуктивность создается именно на витке, на тонких гранях пластины;
— зависимость от магнитной проницаемости феррита (больше — выше). Если феррит просто найден без названия — этот параметр остается неизвестен; а отличаться он может в несколько раз — и индуктивность будет отличаться в несколько раз при одинаковой форме и размерах феррита.

То есть:
— тороидальный ферритовый сердечник — наилучший, несмотря на свою дороговизну и неудобство намотки;
— если нужно получить большую индуктивность — выбирается сердечник с большим витком (высота, разность внешнего и внутреннего диаметра);
— выбирается самый тонкий провод из доступных для протекающего тока через дроссель;
— витки должны быть максимально близки друг к другу;
— если мотается несколько слоев — их нужно изолировать пластырем или малярным скотчем. Например, разница потенциалов между витком №1 и №10 при 10 слоях и напряжении 220В AC составит пик 31В. Заявленное меньшее пробивное напряжение для эмаль-провода составляет трехзначные-четырехзначные числа и зависит от диаметра провода. Например, ПЭЛ — 200В, ПЭВ-1 — 100В, ПЭВ-2 — 400В, ПЭВТЛ-1 (2) — 350В. Однако добавим к этому повреждение эмали при намотке или ее высыхание со временем — напряжение может упасть до двузначных чисел.

Отрицательная индуктивность существует. Для ее изготовления и установки используется какой-то извращенный способ с положительной индуктивностью.

Правильно — ферритовый, а не ферритный сердечник.

Точный теоретический расчет индуктивности невозможен из-за наличия в формулах магнитной проницаемости феррита. Мало того, что для конкретного сердечника измерить нереально, так еще и теоретический ее диапазон составляет [0.2∙10 -4 ;0.8∙10 -4 ]Гн/м — в 4 раза. Однако данный параметр обычно пишется при продаже сердечника.

(добавлено 14.08.2017) Для люминесцентных ламп иногда применяют пускатели, когда стандартная схема их не зажигает: маленькие бочонки с дросселем внутри. Как дополнительная индуктивность идет, получается.

На фото — тороидальный дроссель размером 20x10x5 и плоский размером 40x20x2; намотаны одинаковым проводом. Они описывались ранее — фото как дополнение идет. Сердечник можно назвать тороидальным, а можно и кольцевым.

(добавлено 01.11.2017) Действительно, магнитная проницаемость влияет на значение индуктивности (больше — больше). Но не простым перемножением: при прочих равных индуктивность с магнитной проницаемостью 2200Гн/м получилась 3.06мГн, а с 10000Гн/м — 3.85мГн. Сердечники с большей магнитной проницаемостью дороже на 5-10%.

Расчет дросселей с магнитопроводом при произвольной форме тока

Юрий Черкашин

Рассматриваются закономерности работы катушек индуктивности (дросселей) с магнитопроводом для следующих условий работы: в режиме запаса заданного количества энергии без учета и с учетом заданного значения потерь или добротности при произвольной форме тока. Выведены зависимости массы дросселей и удельной энергии от энергии дросселя и приведены формулы и таблицы коэффициентов для практических расчетов.

Расчету дросселей (индуктивных катушек, реакторов) 1 посвящено много работ, например [1-4]. Однако в этих работах описываются рас-четы реакторов, работающих либо при переменном, либо при постоянном токе. Для катушек, работающих при произвольной форме тока, методика расчета отсутствует. Нет методики расчета дросселей, работающих с заданной постоянной времени или с заданными потерями в обмотке.

Основным требованием для расчета дросселей является получение заданной индуктивности намагничивания при заданном токе. Оптимальные размеры дросселя получаются при введении в магнитопровод немагнитного зазора.

При расчете трансформатора задачей является получение заданной индуктивности рассеивания при заданных напряжении и токе. Наличие же немагнитного зазора лишь ухудшает качество трансформатора.

В дросселе закон изменения индукции задается током, в трансформаторе — напряжением. Другими словами, в дросселе сердечник намагничивается током, в трансформаторе — напряжением.

Можно выделить несколько типичных несинусоидальных режимов работы дросселя.

  1. Минимальное и максимальное значения тока близки между собой (например, отличие не превышает 5-10%, рис. 1а, 1б). Такой режим называют работой дросселя при пульсирующем или постоянном токе. В этом режиме работают дроссели фильтров, дроссель в цепи размагничивания импульсных трансформаторов, линейный зарядный дроссель и др.

Разность между максимальным и минимальным значением называют перепадом (иногда — размахом), а половину этого значения — амплитудой переменной составляющей тока. Постоянная составляющая тока I= близка к максимальному и минимальному значениям, и при несимметричной форме кривой тока не равна среднеарифметическому максимального и минимального значений.

  1. Минимальное и максимальное значения тока намного отличаются друг от друга (например, одно равно 5-10% другого, рис. 1в). Режим принято называть импульсным. В этом режиме работает резонансный зарядный дроссель. Постоянная составляющая заметно меньше максимального значения тока.
  2. Минимальное и максимальное значения тока близки по абсолютному значению, но имеют противоположные знаки; постоянная составляющая значительно меньше каждого из них (рис. 1г). Режим принято называть знакопеременным или смешанным.
  3. Минимальное и максимальное значения тока близки по абсолютному значению, имеют противоположные знаки, причем постоянная составляющая равна нулю (рис. 1д). Имеет место режим переменного тока. В этом режиме работают дроссели, реакторы в цепях переменного и синусоидального тока.

При всех режимах постоянная составляющая индуктированного на дросселе напряжения равна нулю. В противном случае индукция в магнитопроводе стала бы непрерывно нарастать.

Смотрите так же:  Армирование провода неразборной арматурой

Изменения индукции повторяют изменения тока, постоянная составляющая тока обуславливает постоянную составляющую индукции. Постоянные составляющие тока и индукции не вызывают потерь энергии в магнитопроводе (хотя могут влиять на потери, вызванные переменной составляющей [5]).

Ток, протекающий по обмотке, вызывает потери энергии и нагрев обмотки, и это явля-ется определяющим фактором в режиме работы и расчете дросселя. Заметим попутно, что в отличие от дросселя с постоянным током сохранение энергии в конденсаторе при постоянном напряжении не сопровождается практически заметными потерями.

Переменная составляющая индукции вы-зывает потери энергии в магнитопроводе. В режимах а) и б) имеется большая постоянная составляющая В=, пропорциональная I=, не вызывающая потерь энергии в сердечнике, и небольшая переменная составляющая Bпm, пропорциональная ΔI / 2, вызывающая небольшие потери. В режиме в) переменная составляющая Bпm значительна (пропорцио-нальна Im/2), она сопоставима с постоянной составляющей. В режимах г) и д) имеется только переменная составляющая Bпm, она сопоставима с переменной составляющей режима в). Надо отличать максимальное значение переменной составляющей индукции Bпm от максимального значения переменной состовляющей индукции Bm сердечнике (см. режимы а, б и в).

Дроссель и трансформатор имеют одинаковые составные части: магнитопровод и обмотки. Задачей конструктивного расчета и дросселя, и трансформатора является определение основных геометрических размеров магнитопровода, числа витков обмоток, сечения проводов обмоток. Для дросселя требуется найти еще величину воздушного зазора.

Исходными данными для расчета дросселя являются: L — индуктивность дросселя; закон изменения тока i (t) с известными параметрами: амплитудой Im, коэффициентом амплитуды импульса тока ka= Im/I, где I — действующее значение тока за время импульса, частотой и скважностью импульсов ν = Tu / T (рис. 1в); R — сопротивление обмотки постоянному току или τ = L / R — постоянная времени, или добротности цепи Q = ωτ, или потери в обмотке Р = I 2 × R.

Если ток переменный, то потери энергии в магнитопроводе могут быть сопоставимыми с омическими потерями в обмотке дросселя, то есть потери в обмотке составляют часть разрешенных потерь в дросселе, значит расчет дросселя надо производить с постоянной времени обмотки τ = L / R больше заданной общей постоянной времени.

Далее будут рассмотрены броневые и стерж-невые типы дросселей. Самые невыгодные условия охлаждения, ввиду закрытости маг-нитопровода катушками, является стержне-вой тип с катушками на обоих стержнях. Удельные потери для этих магнитопроводов, как правило, должны составлять 3-5 Вт/кг, для остальных 7-10 Вт/кг.

Предварительно по принятому значению удельных потерь в магнитопроводе при известном законе изменения индукции определяют допустимую амплитуду переменной составляющей индукции и ее максимальное значение Bпm или перепад индукций ΔBu.

Кратко рассмотрим выбор режима работы магнитопроводов.

Самым простым является выбор рабочей ин-дукции для работы на очень низких частотах — 0-20 Гц. Здесь могут быть применены шихтованные, витые магнитопроводы из обычных трансформаторных сталей толщиной 0,3-0,5 мм.

На частотах десятки и сотни герц должен быть проведен традиционный выбор матери-алов и режимов работы.

На частотах в несколько десятков килогерц потери в магнитопроводе являются определяющими при выборе марки и толщины магнитного материала. На высоких частотах вихревые потери могут регулироваться выбором толщины материала. Особо тонкими выпускаются ленты из пермолоев (10-20 мк) и аморфных или нанокристаллических материалов (25 мк). Гистерезисные потери не зависят от толщины материала и на высоких частотах становятся определяющими. Должны выбираться материалы с узкой петлей гистерезиса или с высокой начальной магнитной проницаемостью. Здесь аморфные сплавы практически не имеют преимуществ по сравнению с тонкими высоколе-гированными сплавами (пермолоями).

Радикальным способом уменьшения потерь всегда является уменьшение переменной со-ставляющей индукции вплоть до десятых долей Тесла т. е. сотен мТл. В режимах а) и б) это уменьшение выполняется автоматически; при необходимости дальнейшее уменьшение должно производиться вместе с выбором небольшого значения постоянной составляющей.

При малой рабочей индукции размеры магнитопровода и дросселя сильно возрастают.

Для повышения индукции и уменьшения размеров дросселя может быть применен интенсивный обдув или масляное охлаждение, повышающие теплосъем с поверхностей в 1,5-2 раза. Ферритовые сердечники при естественном охлаждении позволяют работать с индукцией 0,3-0,4 Тл.

Выше 10-15 кГц — область работы ферритовых сердечников или обычных сплавов с очень низкими значениями рабочей индукции. К сожалению, изготовление ферритовых сердечников больших размеров встречает серьезные технологические трудности.

Выбор рабочей индукции производится расчетным путем или по графикам в справочных материалах [6].

Объективным способом контроля качества расчета является экспериментальная проверка теплового режима магнитопровода при выбранном значении переменной составляющей индукции на опытном сердечнике или его модели (рис. 2). На сердечник наматывается контрольная обмотка из тонкого провода с числом витков, подходящим под амплитуду импульса контрольного генератора w = Uг × τu / (s × ΔBu). Такой генератор имеет относительно небольшую мощность, так как обеспечивает намагничивание сердечника на холостом ходу.

Те участки сердечника, на которых будет располагаться обмотка, могут быть закрыты теплоизоляционным материалом.

Проверка теплового режима магнитопровода при намагничивании сердечника одновременно и постоянным, и переменным током встречает значительные трудности. Выбором магнитного материала и величины рабочей индукции заканчивается первый этап расчета дросселя.

В последующих выводах принято допущение, что тепловой режим магнитопровода не влияет на тепловой режим катушки. При тепловом расчете поверхности охлаждения катушки, соприкасающиеся с сердечником, не учитываются. Аналогично, при тепловом расчете магнитопровода не должны учитываться поверхности, соприкасающиеся с сердечником.

Второй этап — это расчет обмоток.

За основную переменную величину принимаем сечение магнитопровода (первая строка таблицы). Сечение является единственным геометрическим параметром, входящим в формулу закона электромагнитной индукции. Закон инвариантен по отношению к форме сечения. Через сечение при выбранной конфигурации дросселя могут быть определены все его остальные размеры, например, а = 0,5 × s 1/2 (вторая строка таблицы, первый столбец), в = 2а, h = 4,6а, длина средней силовой линии lс= (4,6 + 4,6 + 2 + 2 + 3,14) × а = k2 × s 1/2 (третья строка таблицы), длина витка lм = k4 × s 1/2 , сечение окна sок = k6 × s.

Выбор в качестве аргумента сечения s удобен тем, что после определения основных геометрических размеров трансформатора стержень с прямоугольным сечением может быть заменен стержнем любой формы с равновеликим сечением (например, круглым, ступенчатым) при сохранении основных электрических параметров дросселя. В таблице представлен ряд типовых конструкций дросселей броневого и стержневого типов. Два первых — броневые с квадратным и прямоугольным сечением магнитопровода, два следующих — стержневые с квадратным и прямоугольным сечением магнитопровода с катушками на каждом стержне.

Проблема рассматривается без учета нелинейности веберамперных характеристик и в предположении отсутствия в обмотках дополнительных каналов охлаждения.

Для увеличения энергоемкости дросселя в его магнитопровод вводится немагнитный зазор, называемый обычно воздушным зазором. Площадь зазора s с учетом коэффициента заполнения сечения магнитным материалом и выпучивания связана с сечением стали соотношением s × kc= sc.

Поскольку вдоль магнитной цепи проходит один и тот же магнитный поток, индукция в зазоре В будет близка к индукции в магнитопроводе Bc:

где μ = 1,26 × 10 -6 Гн/м магнитная постоянная, kс = 0,75-0,95 — отношение активного сечения магнитопровода к сечению зазора с учетом выпучивания [1].

Магнитодвижущая сила (МДС) обмотки распределяется между магнитопроводом и зазором:

По определению, индуктивностью называется коэффициент пропорциональности между потокосцеплением и током, то есть

Если в магнитопровод введен значительный воздушный зазор, то есть

Отсутствие в формуле для определения индуктивности в явном виде размеров сердечника говорит о том, что индуктивность дросселя определяется, прежде всего, размерами воздушного зазора. Физически это означает, что энергия дросселя определяется энергией магнитного поля зазора.

Строго говоря, дроссель с магнитным сердечником представляет собой нелинейный элемент электрической цепи, но нелинейность его обычно не превышает нескольких процентов. Пренебрежение первым членом суммы в знаменателе формулы (5) при зазоре 1% и μ=10 000 дает ошибку при расчете тоже около 1%. Большая точность расчета дросселей не требуется, так как с такой точностью практически невозможно установить даже размер воздушного зазора.

Максимальная энергия, запасенная в дросселе при заданной индукции Bmc, оказывается пропорциональной магнитодвижущей силе (МДС) (Iw), развиваемой обмоткой:

где Bm=Bmckc — максимальное значение индукции в зазоре; Вmc — максимальное значение индукции в материале сердечника.

Максимальное значение тока связано с эффективным соотношением:

Покажем, что МДС катушек каждого магнитопровода имеет некоторое предельное значение, ограниченное степенью нагрева катушек. Пусть в окне сердечника площадью Sок размещается w витков обмотки, коэффициент заполнения окна проводниковым материалом kм = 0,4, тогда

где ρ = 1,85 × 10 -8 Ом.м — удельное сопротивление проводникового материала; lм1 — средняя длина витка обмотки.

Для того чтобы сопротивление обмотки и выделяющаяся мощность не увеличивались с ростом рабочей частоты тока, обмотки дросселя должны быть намотаны проводом типа литцендрат. Жила провода литцендрат состоит из многих изолированных проводников. Диаметр одного проводника не должен превышать значения [7]:

Мощность, выделяемая в катушке и рассеиваемая ее поверхностью

где Sохл — поверхность охлаждения обмотки, то есть поверхность обмотки за исключением частей, обращенных к стержню; q — допустимая плотность теплового потока (при перегреве поверхности обмотки по сравнению с окружающим воздухом, равным 55 °С, q = 650 Вт/м2).

Если дроссель высоковольтный и обмотка будет залита высоковольтным компаундом или будет применен каркас с толстыми стенками, окно окажется использованным не полностью. Такая же ситуация возникает, если реальный сердечник имеет окно меньших размеров, чем при пропорциях, принятых в таблице. Введение коэффициента использования окна β 2

Похожие статьи:

  • Сварочный аппарат в 220 вольт Как выбрать сварочный аппарат для дачи Многие домохозяева и дачники приобретают сварочный аппарат для разового применения, а потом понимают, что без него не обойтись — нужно и забор подварить, и ворота, и починить что-нибудь в гараже. […]
  • 3 фазное напряжение 220 вольт подскажите как подключить шиномонтаж 380в на 220в у меня автомойка и шиномонтаж но в съемном помещение вот и решился поставить все в своем помещение но нет документов на него(списано) и по этому не могу провезти 380в а есть только […]
  • Реле тока рт-40 технические характеристики Реле тока РТ-40, РТ-140 Реле тока РТ-140 применяется в схемах релейной защиты и автоматики энергетических систем в качестве органа, реагирующего на повышение тока. Условия эксплуатации реле РТ40, РТ-140 Высота над уровнем моря до […]
  • Нету 220 вольт Низкое или пониженное напряжение. Как повысить напряжение в сети Низкое и пониженное напряжение. Причины Почему в наших электрических сетях низкое или пониженное напряжение хорошо известно. Основные причины — старение электрических сетей, […]
  • Преобразователь 12 в 220 2000вт схема Автомобильный преобразователь 12-220 на 2500 ватт Недавно коллеги с сайта попросили нарисовать схему мощного автомобильного инвертора на 1500 ватт и вот сегодня решил выложить принцип строения мощных автомобильных инверторов. Для более […]
  • Кабель и провода журнал Онлайн журнал электрика Статьи по электроремонту и электромонтажу Навигация по записям Провода и кабели в системах автоматики В системах автоматики используют огромное количество кабелей и проводов различных по предназначению и […]