Большая часть того, что вы хотели бы знать о катушках проволоки, но боялись спросить

Если вы начинающий электронный конструктор, вы познакомитесь с распространенными электронными компонентами. Резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды, светодиоды, интегральные схемы. Они служат основой для бесчисленных учебных проектов и станут источником вдохновения для макетов многих владельцев Raspberry Pi или Arduino.

В этом списке есть явное упущение — индуктор. Действительно, этот компонент не имеет большого применения в простых аналоговых или логических схемах, а также он немного дороже, чем другие пассивные компоненты. Но это упущение создает пробел в знаниях относительно индукторов, тенденцию к тому, что их использование рассматривают как нечто вроде черного искусства, и трепет вокруг их использования в комплектах и ​​проектах.

Мы считаем, что это позор, поэтому ниже следует введение в индукторы для новичков, попытка прояснить их тайну и побудить вас взглянуть на них заново, если вы всегда избегали их.

Если вы рассмотрите электрический проводник, по которому течет ток, закон Эрстеда говорит нам, что ток создаст магнитное поле вокруг проводника. Если ток, текущий через проводник, изменяется, закон Ленца говорит нам, что, поскольку он вызывает изменение магнитного поля, это, в свою очередь, индуцирует ток в проводнике, который противодействует току, текущему в него. Это свойство называется индуктивностью.

Индуктивность измеряется в генри, что лучше всего описать в виде простого вырезания и вставки из энциклопедии, которую вам не обязательно запоминать: «Индуктивность электрической цепи равна одному генри, когда электрический ток, изменяющийся со скоростью один ампер в секунду, приводит к в электродвижущей силе в один вольт на индукторе». На практике генри — это довольно большая единица, поэтому с большей вероятностью вы встретите миллигенри, микрогенри или даже наногенри.

Конечно, отдельный проводник или кусок провода не обладает большой способностью создавать магнитное поле, поэтому не имеет большой индуктивности. Вы можете увеличить индуктивность, увеличив длину проводника, но, поскольку вскоре вам не хватит места для очень длинных отрезков провода, для всех индукторов, кроме самых маленьких, нормально иметь провод такой длины, намотанный в катушку, и вокруг сердечника, изготовленного из материала с более высокой магнитной проницаемостью, чем у воздуха. Таким образом, схематический символ индуктора представляет собой катушку с проводом.

Вот мы и разобрались с тем, что такое индуктор. Как насчет того, что он делает? Где вы будете его использовать и как он будет использоваться?

Если вы экспериментатор или конструктор электроники, вы, скорее всего, встретите катушку индуктивности в фильтре постоянного тока, повышающем/понижающем инверторе в качестве трансформатора или, если вас интересует радио, в настроенной цепи или радиочастотном фильтре. Они не ограничиваются этим выбором, но рассмотрение этих случаев должно помочь прояснить индукторы и побудить вас взглянуть на них еще раз.

Вы когда-нибудь вскрывали импульсный блок питания, например, модели ATX от ПК? Конечно да, вы читатель Hackaday! Если вы исследовали компоненты, вы заметили кучу индукторов с катушками из толстого медного провода, покрытого эмалью, рядом с тем местом, где выходят кабели постоянного тока для питания вашего компьютера. Вместе со сглаживающими конденсаторами они служат фильтром, удаляющим высокие частоты и оставляющим на выходе блока питания только постоянный ток.

Если вы помните предыдущий абзац, в котором мы упоминали, что быстро меняющийся ток вызывает изменение магнитного поля, которое, в свою очередь, индуцирует противоположный ток, вы можете начать понимать теорию того, как работают эти фильтры: эти индуцированные противоположные высокочастотные токи нейтрализуют входной ток. токи, ответственные за них, в то время как стабильная составляющая постоянного тока не вызывает изменений в магнитном поле и, следовательно, не имеет обратного тока и проходит беспрепятственно.

Для сравнения, понижающие и повышающие инверторы используют способность индуктора сохранять энергию в виде магнитного поля для эффективного преобразования мощности постоянного тока из одного напряжения в другое. Если вы пропускаете ток через индуктор, вы сохраняете энергию в магнитном поле, которое вы создали вокруг него. Когда вы останавливаете ток, это поле разрушается и высвобождает свою энергию, вызывая обратный ток в индукторе. Этот процесс происходит очень быстро, поэтому значительное количество энергии может быть высвобождено за очень короткое время в виде очень высокого скачка напряжения. Иногда этот всплеск доставляет неудобства, например, в драйверах реле имеется диод для безопасного отвода его от транзисторов, но в повышающем преобразователе на катушку индуктивности постоянно подаются импульсы, и возникающие всплески перенаправляются через диод в резервуарный конденсатор, из которого можно получить более высокое выходное напряжение.