Как работает катушка индуктивности. На примере импульсной схемы с осциллограммой
«Катушка индуктивности – это
устройство, которое может воздействовать на трансцендентальную
пространственно-временную субстанцию, называемую магическое
магнитное поле, аккумулируя энергию в ней, а состоит всего лишь из
нескольких витков блестящей проволоки.»
Работа катушки индуктивности основана на явлении самоиндукции, описываемое формулой:
(1)
где: Ɛ – напряжение э.д.с индукции *,
Ф — полный магнитный поток,
t – время
* Что такое «напряжение э.д.с.» можете прочитать в моей предыдущей статье.
Формула 1 означает, что напряжение э.д.с индукции равно скорости изменения магнитного потока ко времени взятому с обратным знаком. Знак «минус» перед формулой означает, что индукционный ток (и следовательно, э.д.с.) имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле направлено так, чтобы препятствовать изменению магнитного потока (правило Ленца).
О физике явления электромагнитной индукции, откуда берётся это соотношение, порассуждаем в следующих статьях.
Полный магнитный поток обычно пропорционален силе тока, текущего по катушке индуктивности:
(2)
L – коэффициент пропорциональности, называемый для краткости
«индуктивность»
I – ток, текущий через катушку.
В более общем случае L может зависеть от I. В этой статье будем считать, L – постоянная величина, которая зависит только от формы и геометрии катушки.
Таким образом можем выразить напряжение э.д.с. индукции:
(3)
Давайте теперь посмотрим, как ведёт себя катушка индуктивности при замыкании и размыкании электрической цепи (импульсный режим). Для простоты будем считать, что катушка индуктивности идеальная, её сопротивление постоянному току пренебрежимо мало (R=0). Подключим её к источнику постоянного тока на короткое время.
Схема 1
L – исследуемая индуктивность
Bat1 – Источник постоянного тока с напряжением Ubat1
S1 – переключатель
VD1 – стабилитрон
I – ток (синяя стрелка)
E – напряжённость электрического поля (красная стрелка)
E-ind – напряжённость поля сил индукции в катушке (зелёная стрелка)
При подключении катушки индуктивности L к источнику тока Bat1 на ней устанавливается напряжение источника, что приводит к появлению электрического поля внутри проводника катушки с напряжённостью E и возникновению тока I. Но изменение тока влечёт изменение магнитного поля, а изменение поля вызывает согласно (1) э.д.с. индукции с напряжённостью E-ind. Когда E-ind и E уравновесятся, т. е. E-ind=E по модулю, а это может быть при равенстве напряжения питания и напряжения э.д.с. индукции Ubat1=Ɛ (измеряемое напряжение), то ток в схеме будет линейно нарастать со скоростью Ubat1/L, что соответствует левой половине осциллограммы 1 (до середины).
* Эти рассуждения верны при нашем допущении, что активное сопротивление катушки R=0. Полностью измеряемое напряжение равно U=I*R+Ɛ.
Осциллограмма 1. Работа схемы 1 и 2
красный график – напряжение
синий – ток
В данном примере: Напряжение Ubat1=12 вольт, t1=42 мкс, L=180 мкГн, t2=58 мкс, Ust=8.6 В.
Во второй части осциллограммы переключатель S1 переключается на стабилитрон VD1 с напряжением стабилизации ~8.6 вольт. (Стабилитрон – это такой полупроводниковый прибор, который начинает пропускать ток с определённого порогового напряжения на нём.) Как изображено на схеме 2:
Схема 2
Ust – напряжение стабилизации стабилитрона
При таком включении ток как бы «по инерции» продолжает течь через индуктивность, в результате индуктивность сама становится источником тока за счёт запасённой в магнитном поле энергии. Напряжение на катушке меняет знак и достигнув порогового напряжения стабилитрона, индуктивность «разряжается» через стабилитрон при Ɛ=Ust. Вместе с напряжением меняют знак и E-ind и E. Так как Ɛ сменила знак, то и ток теперь уменьшается со скоростью Ust/L, пока не станет равным нулю. Ток через индуктивность имеет то же направление, что на схеме 1.
При изменении порогового напряжения стабилитрона меняется и скорость уменьшения тока:
Осциллограмма 1. Работа схемы 1 и 2 при Ust=25.5 вольт.
* когда энергии становится мало, в схеме происходят затухающие колебания на колебательном контуре из индуктивности и емкости обратного перехода стабилитрона.
Выводы:
- На примере работы индуктивности в импульсных схемах подтверждено наличие э.д.с. индукции и её зависимость от изменения тока (3). Так явление самоиндукции используется в импульсных преобразователях напряжения – понижающих и повышающих.
- Во всех случаях э.д.с. индукции противоположна электрическому полю. Можно сравнить её с силами сопротивления, но в отличие сил сопротивления энергия переходит не в тепло, а в энергию магнитного поля. Можно сравнить силы индукции в катушке с сопротивлением тяжёлого маховика к которому необходимо приложить силу, чтобы его разогнать, и силу, чтобы его остановить.
- Ток в катушке индуктивности стремится сохранится, потому как стремится сохранится магнитное поле, с ним связанное.
- Напряжение э.д.с. индукции так или иначе равно напряжению на катушке индуктивности. (Пока не начнёт играть роль активное сопротивление катушки, которое пока приняли нуль R=0.)
Схема измерения:
* Пороговое напряжение стабилизации VD1 выбирается Ubat+Ust.
* Полярность сигналов в осциллограммах инвертирована.
Скачать pdf | Копия статьи на Дзене