Меню

Ток подмагничивания дросселя фильтра

Дроссели

Назначение и конструкция дросселей

Что такое дроссель?

Электрический дроссель — устройство, представляющее собой катушку индуктивности и предназначенное для ограничения переменной составляющей электрического тока. Другими словами, если ток в электрической цепи содержит постоянную и переменную составляющие то дроссель, последовательно включенный в эту электрическую цепь, за счёт своей индуктивности и большого сопротивления для переменного тока, значительно его снижает, а на постоянную составляющую тока, влияет минимально, за счёт низкого сопротивления постоянному току.

Типовая схема включения низкочастотного дросселя в фильтр анодного питания

Рис. 1 Типовая схема включения низкочастотного дросселя в фильтр анодного питания

Дроссели позволяют запасать электрическую энергию в магнитном поле. Типичное их применение — сглаживающие фильтры и различные селективные цепи. Их электрические характеристики определяются конструкцией, свойствами материала магнитопровода, его конфигурацией и числом витков катушки.
При выборе дросселя следует учитывать следующие характеристики:

  • требуемое значение индуктивности (Гн, мГн, мкГн, нГн);
  • максимальный ток катушки;
  • допуск (величину отклонения от исходного значения) индуктивности;
  • температурный коэффициент индуктивности (ТКИ);
  • активное сопротивление провода катушки дросселя;
  • добротность дросселя, которая определяется на рабочей частоте как отношение индуктивного и активного сопротивлений;
  • частотный диапазон катушки.

В зависимости от диапазона частот технически различаются высокочастотные и низкочастотные дроссели

Высокочастотные дроссели подразделяются на два типа:

  • с постоянным значением индуктивности;
  • с переменным значением индуктивности, за счет подстраиваемого ферромагнитного сердечника.

Первый тип применяется, как правило, во входных цепях телефонных аппаратов, в сглаживающих фильтрах, в цепях питания ВЧ аппаратуры. Второй тип катушек используется в резонансных цепях – ВЧ, трактах приемных и передающих устройств.

В ламповых усилителях звуковой частоты высокочастотные дроссели, применяются крайне редко. Как правило их использование может быть предопределено схемотехникой выходных каскадов, построенных на высокочастотных пентодах большой мощности, предрасположенных к самовозбуждению на радиочастотах.

Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в виде однослойных или многослойных катушек. Конструкции дросселей высокой частоты показаны на рис. 2. Для дросселей длинных (а, б) и средних (б, в) волн применяется секционированная многослойная намотка. Дроссели для коротких (г) волн и для метровых (д) волн обычно имеют однослойную намотку — сплошную или с принудительным шагом. В качестве каркаса часто используются керамические стержни от сопротивлений ВС-0,5 и ВС-1,0.

Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в виде однослойных или многослойных катушек

Рис. 2 Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в виде однослойных или многослойных катушек

Высокочастотный дроссель можно изготовить самостоятельно, намотав необходимое количество витков, для получения нужной индуктивности на керамический или фторопластовый сердечник. Рассчитать необходимое количество витков можно по формулам, приведенным в разделе Индуктивности. Катушки с малой индуктивностью.

Лучше использовать, выпускаемые промышленностью ВЧ дроссели. Они имеют понятную яркую цветовую маркировку и отличаются высокой добротностью.

Цветовая маркировка высокочастотных дросселей

Рис. 2 Цветовая маркировка высокочастотных дросселей

Низкочастотные дроссели — предназначены для подавления низкочастотной составляющей переменного тока питающей сети и его гармоник. На рисунке 3, представлен низкочастотный дроссель, индуктивностью 3 Гн при токе подмагничивания 120 ma.

Рис. 3 Низкочастотный дроссель промышленного производства

Дроссели лучше, и проще всего использовать заводские, предпочтительнее от старых ламповых телевизоров Темп-6, Темп-6М, Темп-7, Рубин-102, Авангард, Беларусь, или других аналогичных по характеристикам старых телевизоров. Но если стоит задача изготовить ламповый усилитель высокого качества и надёжности своими руками, то дроссель придётся рассчитать, по приведенной ниже методике, и изготовить его самостоятельно. Принципиально новым подходом в современной ламповой схемотехнике, может оказаться требование обязательной настройки дросселей фильтра питания в резонанс на частоту 100 Гц. Это необходимо для повышения эффективности фильтрации выпрямленного напряжения.

Расчет низкочастотного дросселя для анодного источника питания

Дроссель — это важный элемент блока питания лампового усилителя. Совместно с электролитическими конденсаторами, он входит в состав П – образного низкочастотного фильтра и становится незаменимым элементом в цепи анодного питания усилителя класса Hi-End. В зависимости от мощностных характеристик усилителя и его качественных показателей, размеры дросселя могут сильно варьировать и доходить до половины размеров силового трансформатора.

Некоторые параметры, встречающиеся в расчетных формулах:
F — частота, Гц;
Sc — площадь сечения сердечника, кв. см;
Кс — коэффициент заполнения сердечника сталью;
Sok — площадь сечения окна, кв. см;
Кок — коэффициент заполнения окна медью;
Вт — максимальная индукция в сердечнике, Тл;
J — плотность тока в проводах, А/кв. мм.
I — постоянный ток в проводе обмотки дросселя, А.

Главный параметр дросселя — его постоянная времени, отношение индуктивности к сопротивлению обмотки L/R. Чем выше требуется эта величина, тем больше должны быть габариты магнитопровода, чтобы провод нужного диаметра и длины поместился в окне сердечника.

Индуктивность дросселя рассчитывается по уже известной формуле:

Индуктивность дросселя

При неизменной степени постоянного подмагничивания индук­тивность получается максимальной при определенной длине немаг­нитного зазора lz. От величины этого зазора зависит эквивалентная магнитная проницаемость сердечника:

От величины немагнитного зазора зависит эквивалентная магнитная проницаемость сердечника

В присутствии постоянного подмагничивания lz уже не является независимой переменной. Ключевой величиной в расчете дросселей и трансформаторов является степень подмагничивания или количество погонных ампервитков (aw0).

Количество погонных ампер - витков

Формула связи напряженности магнитного поля с инженерной величиной aw0, приведена ниже:

Формула связи напряженности магнитного поля с инженерной величиной aw0

Предлагаемый алгоритм расчета основан на экспериментальном графике зависимости магнитной проницаемости от aw0 рисунок 4.

Экспериментальный график зависимости начальной магнитной проницаемости от степени подмагничивания

Рис. 4 Экспериментальный график зависимости начальной магнитной проницаемости от aw0

Эти графики соответствуют массовым маркам сталей. Высококачественная сталь имеет в несколько раз большую магнитную проницаемость, однако в большинстве случаев рассчитывать на это не приходится. На графике показана зависимость начальной (т. е. в Отсутствие переменного магнитного поля) магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, выраженного в ампервитках на сантиметр. В системе СИ напряженность измеряется в амперах на метр. Следует помнить, что точки на графике соответствуют разным зазорам. Более высокие напряженности требуют большего зазора. В начале расчета величины aw0 и, соответственно, μ z не известны. Количество витков в обмотках может быть получено методом последовательных приближений по формуле:

Количество витков в обмотке дросселя

Для этого в формулу подставляются параметры трансформатора, требуемая индуктивность и пробная величина μ проб, по полученному количеству витков вычисляется степень подмагничивания aw0. По графику μ (aw0) находится μ z, вместо графиков при машинных расчетах можно использовать аппроксимирующие уравнения:

Для горячекатанной стали

Аппроксимирующее уравнение для определения действующей магнитной проницаемости для горячекатанной стали

Для холоднокатанной стали

Аппроксимирующее уравнение для определения действующей магнитной проницаемости для холоднокатанной стали

Пробная μ проб корректируется и снова просчитывается количество витков. Эта процедура проделывается несколько раз до тех пор, пока изменение количества витков от просчета к просчету не будет незначительным (несколько процентов). В большинстве случаев достаточно двух-трех проходов. Если новое значение больше старой μ проб, то μ проб следует увеличить так, чтобы она стала немного больше μ z и наоборот. В конце расчета необходимо убедиться, что получившиеся L, N удовлетворяют требованию конструктивной реализуемости. Для этого вычисляется максимальное сечение провода S, которое можно разместить в окне:

Максимальное сечение медного провода, которое можно разместить в окне стального магнитопровода

Плотность тока в медном проводнике обмотки дросселя, рассчитывается по формуле:

Плотность тока в медном проводнике обмотки дросселя

Если плотность тока J не превышает обычных 1,5—2 А/кв. мм, то расчет можно считать оконченным, так как не требуется точного соответствия сопротивления оболочки заданному. Количество витков не должно превышать 3500—4000. При необходимости следует выбрать другой типоразмер магнитопровода и повторить расчет. При сборке намотанного дросселя необходимо уложить в зазор немагнитную прокладку нужной толщины. Точное соблюдение и подбор величины зазора необходимо только для выходных трансформаторов. Для дросселей вполне достаточно точности эмпирической формулы, приведенной ниже. Величина зазора рассчитывается в мм:

Эмпирическоая формула для приблизительного рассчета толщины немагнитного зазора в миллиметрах

Намотка катушек дросселей не имеет особенностей. В большинстве случаев (для дросселей блоков питания) нет необходимости даже в межслоевой изоляции. Обмотка обычно находится под высоким потенциалом, поэтому она должна быть хорошо изолирована от сердечника. Пропитка дросселей, как правило, необходима, чтобы избежать гудения. Результаты расчета дросселя на очень распространенном и дешевом сердечнике от выходного трансформатора лампового телевизора Ш 16×25 с размером окна 16 х 40 мм, приведены в таблице №1:

Источник

Принцип работы дросселя

Катушка индуктивности, дроссель — принцип работы

Катушка индуктивности – устройство, основным компонентом которого является проводник скрученный в кольца или обвивающий сердечник.

При прохождении тока, вокруг скрученного проводника (катушки), образуется магнитное поле (она может концентрировать переменное магнитное поле), что и используется в радио- и электротехнике.

К точной и компьютерной технике технике больше близок дроссель (Drossel, регулятор, ограничитель), так как он чаще всего применяется в цепях питания процессоров, видеокарт, материнских плат, блоков питания.

В последнее время применяются индукторы закрытые в корпуса из металлического сплава для уменьшения наводок, излучения, шумов и высокочастотного свиста при работе катушки.

Дроссель служит для уменьшения пульсаций напряжения, сглаживания или фильтрации частотной составляющей тока и устранения переменной составляющей тока. Сопротивление дросселя увеличивается с увеличением частоты, а для постоянного тока сопротивление очень мало. Характеристики дросселя получаются от толщины проводника, количества витков, сопротивления проводника, наличия или отсутствия сердечника и материала, из которого сердечник сделан. Особенно эффективными считаются дроссели с ферритовыми сердечниками (а также из альсифера, карбонильного железа, магнетита) с большой магнитной проницаемостью.

Используется в выпрямителях, сетевых фильтрах, радиотехнике, питающих фазах высокоточной аппаратуры и другой технике требующей стабильного и «правильного» питания. Многослойная катушка может выступать и в качестве простейшего конденсатора, так как имеет собственную ёмкость. Правда, от данного эффекта пытаются больше избавиться, чем его усиливать и он считается паразитным.

Как работает дроссель

В цепях переменного тока, для ограничения тока нагрузки, очень часто применяют дроссели — индуктивные сопротивления. Перед обычными резисторами здесь у дросселей имеется серьезные преимущества — значительная экономия электроэнергии и отсутствие сильного нагрева.

Устройство дросселя

Устроен дроссель очень просто — это катушка из электрического провода, намотанная на сердечнике из ферромагнитного материала. Приставка ферро, говорит о присутствии железа в его составе (феррум — латинское название железа), в том или ином количестве.

Принцип работы дросселя основан на свойстве, присущем не только катушкам но и вообще, любым проводникам — индуктивности.

Это явление легче всего понять, поставив несложный опыт.

Читайте также:  Перевести действующие значения в комплексные токов

Для этого требуется собрать простейшую электрическую цепь, состоящую из низковольтного источника постоянного тока (батарейки), маленькой лампочки накаливания, на соответствующее напряжение и достаточно мощного дросселя (можно взять дроссель от лампы ДРЛ-400 ватт).

Без дросселя схема будет работать как обычно — цепь замыкается, лампа загорается. Но если добавить дроссель, подключив его последовательно нагрузке(лампочке), картина несколько изменится.

Присмотревшись, можно заметить, что, во-первых, лампа загорается не сразу, а с некоторой задержкой, во-вторых — при размыкании цепи возникает хорошо заметная искра, прежде не наблюдавшаяся. Так происходит, потому что в момент включения ток в цепи возрастает не сразу — этому препятствует дроссель, некоторое время поглощая электроэнергию и запасая ее в виде электромагнитного поля. Эту способность и называют — индуктивностью.

Чем больше величина индуктивности, тем большее количество энергии может запасти дроссель. Еденица величины индуктивности — 1 Генри В момент разрыва цепи запасеная энергия освобождается, причем напряжение при этом может превысить Э.Д.С. используемого источника в десятки раз, а ток направлен в противоположную сторону. Отсюда заметное искрение в месте разрыва. Это явление называется — Э.Д.С. самоиндукции.

Если установить источник переменного тока вместо постоянного, использовав например, понижающий трансформатор, можно обнаружить что та же лампочка, подключенная через дроссель — не горит вовсе. Дроссель оказывает переменному току гораздо большое сопротивление, нежели постояному. Это происходит из за того, что ток в полупериоде, отстает от напряжения.

Получается, что действующее напряжение на нагрузке падает во много раз(и ток соответственно), но энергия при этом не теряется — возвращается за счет самоиндукции обратно в цепь. Сопротивление оказываемое индуктивностью переменному току называется — реактивным. Его значение зависит от величины индуктивности и частоты переменного тока. Величина индуктивности в свою очередь, находится в зависимости от количества витков катушки и свойства материала сердечника, называемого — магнитной проницаемостью, а так же его формы.

Магнитная проницаемость — число, показывающее во сколько раз индуктивность катушки больше с сердечником из данного материала, нежели без него(в идеале — в вакууме.)Т. е — магнитная проницаемость вакуума принята за еденицу.

В радиочастотных катушках малой индуктивности, для точной подстройки применяются сердечники стержеобразной формы. Материалами для них могут являться ферриты с относительно небольшой магнитной проницаемостью, иногда немагнитные материалы с проницаемостью меньше 1.В электромагнитах реле — сердечники подковоообразной и цилиндрической формы из специальных сталей.

Для намотки дросселей и трансформаторов используют замкнутые сердечники — магнитопроводы Ш — образной и тороидальной формы. Материалом на частотах до 1000 гц служит специальная сталь, выше 1000 гц — различные ферросплавы. Магнитопроводы набираются из отдельных пластин, покрытых лаком.

У катушки, намотанной на сердечник, кроме реактивного(Xl) имеется и активное сопротивление(R). Таким образом, полное сопротивление катушки индуктивности равно сумме активной и реактивной составляющих.

Как работает трансформатор

Рассмотрим работу дросселя, собранного на замкнутом магнитопроводе и подключенного в виде нагрузки, к источнику переменного тока. Число витков и магнитная проницаемость сердечника подобраны таким образом, что его реактивное сопротивление велико, ток протекающий в цепи соответственно — нет.

Ток, переодически изменяя свое направление, будет возбуждать в обмотке катушки (назовем ее катушка номер 1) электромагнитное поле, направление которого будет также переодически меняться — перемагничивая сердечник. Если на этот же сердечник поместить дополнительную катушку(назовем ее — номер 2), то под действием переменного электромагнитного поля сердечника, в ней возникнет наведенная переменная Э.Д.С.

Если количество витков обеих катушек совпадает, то значение наведенной Э.Д.С. очень близко к значению напряжения источника питания, поданного на катушку номер 1. Если уменьшить количество витков катушки номер 2 вдвое, то значение наведенной Э.Д.С. уменьшится вдвое, если количество витков наоборот, увеличить — наведенная Э.Д.С. также, возрастет. Получается, что на каждый виток, приходится какая-то определенная часть напряжения.

Обмотку катушки на которую подается напряжение питания (номер 1) называют первичной. а обмотка, с которой трансформированое напряжение снимается — вторичной .

Отношение числа витков вторичной(Np ) и первичной (Ns ) обмоток равно отношению соответствующих им напряжений — Up (напряжение первичной обмотки) и Us (напряжение вторичной обмотки).

Таким образом, устройство, состоящее из замкнутого магнитопровода и двух обмоток в цепи переменного тока, можно использовать для изменения питающего напряжения — трансформации. Соответственно, оно так и называется — трансформатор.

Для чего нужен дроссель

Дроссель используется вместо последовательного резистора, потому что обеспечивает лучшую фильтрацию (меньше остаточной пульсации переменного тока на источнике питания, что означает меньшее гудение на выходе усилителя) и меньшее падение напряжения. «Идеальный» индуктор будет иметь нулевое сопротивление постоянному току.

При использовании резистора большего размера, вы быстро достигаете точки, где падение напряжения возрастает до пиковых величин, и, кроме того, «провал» питания становится значительным, потому что разность токов между полной выходной мощностью и холостым ходом может быть немалой, особенно в усилителе класса AB.

Существует две распространенные конфигурации источника питания: конденсаторный вход и дроссельный вход.

Входной фильтр конденсатора не обязательно должен иметь дроссель, но для дополнительной фильтрации тот необходим. Источник питания дросселя по определению обязан оснащаться дросселем.

Источник питания с дросселем

На входе конденсатора будет конденсатор фильтра, следующий непосредственно за выпрямителем. Тогда он может иметь или не иметь второго фильтра, состоящего из последовательного резистора или дросселя, за которым следует другой конденсатор. Сеть «колпачок – индуктор – колпачок» обычно называется сетью «пи-фильтр». Преимущество входного фильтра конденсатора заключается в более высоком выходном напряжении, но он имеет более низкое регулирование напряжения, чем входной фильтр дросселя.

Источник питания дросселя будет иметь дроссель, следующий сразу за выпрямителем. Основное преимущество входного питания дросселя – лучшее регулирование напряжения, но за счет гораздо более низкого выходного напряжения. Входной фильтр дросселя должен иметь определенный минимальный ток, протекающий через него для поддержания регулирования.

Дроссель в собранном приборе

Пример:

Разница напряжений между двумя типами фильтров может быть довольно большой. Например, предположим, что у вас есть трансформатор 300-0-300 и двухполупериодный выпрямитель.

Если вы используете конденсаторный входной фильтр, вы получите максимальное напряжение постоянного тока без нагрузки в 424 вольт, которое снизится до напряжения, зависящего от тока нагрузки и сопротивления вторичных обмоток.

Если вы используете тот же трансформатор с входным фильтром дросселя, пиковое выходное напряжение постоянного тока будет составлять 270 В и будет гораздо более строго регулироваться, чем входной фильтр конденсатора (меньше перемен напряжения питания с изменениями тока нагрузки).

Как обозначается дроссель на схеме

Условные обозначения:

Условное графическое обозначение дросселей

Из чего состоит дроссель

  • катушка;
  • провод, намотанный на сердечник;
  • магнитопровод.

Есть схожесть с трансформатором, но слой обмотки всего один. Такая конструкция помогает стабилизировать сеть, а также исключить шанс резкого скачка напряжения.

Как подключить дроссель

Схема подключения очень простая и представляет собой цепь последовательно соединённого дросселя и самого устройства ДРЛ 250. Подключение идёт через сеть 220 вольт и работает при обычной частоте. Поэтому их без труда можно поставить в домашнюю сеть. Дроссель работает как стабилизатор и корректировщик напряжения.

Схема подключения дросселя

Как отличить резистор от дросселя

По внешнему виду: от резисторов отличаются обычно толщиной (дроссели толще), от конденсаторов – неправильной формой «капельки».

Более точный способ – сопротивление. У дросселя оно почти нулевое.

Источник



Дроссели насыщения

Стабилизаторы с дросселем насыщения

Для получения большой индуктивности в фильтрах применяются дроссели со стальным сердечником.

Особенностью работы такого дросселя в качестве последовательного элемента фильтра является то, что по его обмотке протекает постоянная составляющая тока, вызывающая намагничивание сердечника.

Дросселем насыщения называется электромагнит­ный регулирующий аппарат перемен­ного тока, индуктивное сопротивление которого изменяется посредством управ­ляемого подмагничивающего постоян­ного тока.

Дроссель насыщения имеет рабочую обмотку (обмотку переменного тока) и одну или несколько обмоток подмагничивания. Магнитная цепь представляет собой стальной замкнутый сердечник.

На рис. 32 показано схематическое изображение однофаз­ного и трехфазного дросселей насыщения на электрических схе­мах. Рабочие обмотки обычно изображаются жирной линией.

Рисунок 32 — Изображение однофаз­ного и трехфазного дросселей насыщения на электрических схе­мах

Если сердечник дросселя не имеет воздушного зазора, то он намагничивается до насыщения. При этом изменения напряженности магнитного поля (Н), пропорциональные изменениям протекающего тока, вызывают незначительные изменения индукции (рис. 33, кривая 1 намагничивания стали участок а-б-1).

Отношение приращения индукции к приращению напряженности магнитного поля является динамической магнитной проницаемостью на частном цикле намагничивания:

На участке а-б кривой 1, соответствующем насыщению сердечника, магнитная проницаемость очень мала, так как мало приращение индукции: а-б = В2 — В1.

Индуктивность дросселя, а, следовательно, и коэффициент фильтрации фильтра пропорционален магнитной проницаемости и при насыщении тоже будут иметь очень малую величину. Чтобы сердечник не был насыщен, в магнитную цепь вводится воздушный зазор (рис. 33). Магнитное сопротивление цепи увеличивается, и насыщение наступает при большей величине напряженности магнитного поля, т. е. при больших значениях постоянного тока (см. рис. 33, кривая II). Тогда при той же величине постоянной составляющей тока кривая намагничивания будет еще достаточно крутой и магнитная проницаемость на участке а-б увеличится (велико а-б = В4—В), а, следовательно, возрастет коэффициент фильтрации звена фильтра.

При чрезмерно большой величине воздушного зазора (см. рис. 65, кривая III) магнитное сопротивление станет очень большим и наклон кривой намагничивания уменьшится, что вызовет уменьшение магнитной проницаемости и приведет к уменьшению коэффициента фильтрации. Таким образом, имеется какое-то наивыгоднейшее (оптимальное) значение величины воздушного зазора, при котором индуктивность и коэффициент фильтрации получаются наибольшими.

Рисунок 33

Величина оптимального воздушного зазора зависит от величин постоянной и переменной составляющих тока, числа витков и размеров дросселя.

Конструктивно дроссель фильтра представляет собой катушку медного изолированного провода, намотанного на каркас, который помещается на среднем стержне сердечника, собранного из Ш — образных пластик трансформаторной стали. Пластины изолируются друг от друга лаком или бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи и собираются встык, а величина зазора регулируется специальной изоляционной прокладкой.

Читайте также:  Комплексное значение тока нагрузки

Принцип действия дросселя насыщенияоснован на изменении магнитной проницаемости ферромагнитных материалов при подмагничивании сердечника постоянным током. При насыщении ферромагнитных материалов увеличивается их магнитное сопро­тивление. Это приводит к уменьшению величины магнитного по­тока, создаваемого ампер-витками переменного тока, а следова­тельно, и к уменьшению э. д. с. самоиндукции, наводимой в этих обмотках. Таким образом, индуктивное сопротивление рабочих обмоток дросселя насыщения при увеличении тока подмагничивания уменьшается. Уменьшение тока в обмотке подмагничивания приводит к увеличению индуктивного сопротивления рабо­чих обмоток.

На рис. 34 изображена схема включения дросселя насыщения для ручного регулирования напряжения и тока на потребителе Z.

Рабочая обмотка дросселя насыщения включена последовательно с потребителем. Для регулирования величины индуктивного сопротивления этой обмотки служит цепь подмагничивания, включающая в себя источ­ник постоянного тока Е, реостат R и обмотку управления wу.

Рисунок 34 — Схема включения дросселя насыщения

Изменением величины сопротивления R можно регулировать величину тока, проходящего через обмотку управления. Если, например, напряжение на потребителе по какой-либо причине стало меньше, то для увеличения этого напряжения до нужной величины необходимо увеличить

ток подмагничивания, что достигается изменением вели­чины сопротивления R. Увеличение тока в обмотке w приведет к насыщению сердечника дросселя насыщения, и индуктивное сопротивление его рабочей обмотки станет меньше. Произойдет перераспределение напряжений между дросселем и потребителем, в результате которого напряжение на дросселе станет меньше, а на потребителе возрастет. Для контроля за величиной напряже­ния на потребителе служит вольтметр.

Дроссели насыщения, применяемые в качестве регулирующих устройств, имеют ряд преимуществ перед другими ви­дами регуляторов. Укажем на некоторые из них:

1) плавность регулирования;

2) широкий диапазон регулирования величины индуктивного сопротивления дросселя;

3) регулирование можно производить под нагрузкой;

4) дроссели насыщения не имеют сильно нагревающихся частей и искрящих контактов и потому безопасны в пожарном отношении;

5) благодаря малым потерям активной мощности установки с дросселями насыщения имеют высокий КПД;

6) мощность, расходуемая на нагрев обмотки подмагничивания, незначительна (составляет 2—5% от регулируемой мощности;

7) возможность автоматического регулирования при сравни­тельной простоте регулирующих устройств.

Благодаря перечисленным свойствам дроссели насыщения широко применяются как для ручного, так и для автоматического регулирования напряжения и тока.

Недостаткамидросселей насыщения явля­ются:

— необходимость источника постоянного тока;

— поглощение реактивной мощности при работе в качестве аппарата, регулирующего ток или напряжение, и уменьшение величины коэффициента мощности;

— искажение формы кривой тока и напряжения в цепи, в ко­торую включен дроссель.

Однако применение специальных схем значительно уменьшает искажения, а для трехфазных дросселей искажения этого вида могут быть практически полностью устра­нены.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Дроссель фильтра и его расчёт

Всем доброго времени суток! Большинству электронных схем для правильной работы необходим постоянный ток. Однако выпрямительные устройства различных конструкций выдают напряжения, имеющие пульсирующую составляющую. Для уменьшения пульсаций между выпрямителем и нагрузкой ставят сглаживающий фильтр. В современных схемах роль такого фильтра выполняет электролитический конденсатор большой ёмкости, параллельный нагрузке. Во многих случаях его вполне достаточно, особенно при питании цифровых схем. Но при питании от емкостных фильтров аналоговых устройств или устройств с большим потребляемым током, импульсные помехи оказывают существенное влияние на работу устройства, а в особых случаях и выводит их из строя. Поэтому в дополнение к конденсатору ставят дроссель, последовательно с нагрузкой, что значительно улучшает режим работы устройства. Данная статья посвящена расчёту дросселей сглаживающих фильтров.

Принцип работы дросселя фильтра

Сглаживающим дросселем или дросселем фильтра называется компонент электронной схемы, предназначенный для уменьшения переменной составляющей напряжения или тока на входе или выходе схемы. Он, как правило, состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) и одной обмотки. Обмотка дросселя включается последовательно с нагрузкой

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Схема включения дросселя фильтра

Схема включения дросселя фильтра.

Данный тип дросселя чаще всего входит в состав сложных многозвенных фильтров. Его действие основано на том, что активное сопротивление обмотки rдр намного меньше сопротивления нагрузки RН, а индуктивное сопротивление Хдр на частоте пульсаций f – намного больше, чем сопротивление нагрузки

Таким образом, представляя напряжение на входе дросселя Uвх как сумму постоянной U и переменной составляющей U

, можно сделать вывод, что практически вся постоянная составляющая будет приложена к нагрузке, а переменная составляющая – к дросселю.

Качество любого фильтра оценивают с помощью коэффициента сглаживания, который для сглаживающего дросселя определяется по выражению

Из данного выражения, по необходимой величине коэффициента сглаживания q можно определить требуемое значение индуктивности дросселя L.

Физические процессы в сердечнике дросселя

Как уже говорилось, сглаживающий дроссель представляет собой катушку с ферромагнитным сердечником, который значительно увеличивает магнитное поля, поэтому все характеристики дросселя определяются свойствами сердечника. В тоже время свойства сердечника зависят от тока IL, протекающего через дроссель. Данный ток можно представить в виде суммы постоянной составляющую I и переменной составляющей I

Ток, протекающий через сглаживающий дроссель

Ток, протекающий через дроссель фильтра.

В связи с этим можно выделить два параметра пульсирующего тока: амплитудное значение тока Imax и действующее значение тока I, которые определяются следующими выражениями

– соответственно амплитуда постоянной и переменной составляющей импульсного тока, протекающего через сглаживающий дроссель,

kф – коэффициент формы тока переменной составляющей.

Рассмотрим влияние пульсирующего тока на параметры сердечника. На рисунке ниже приведены кривые намагничивания сердечника для двух режимов: при отсутствии подмагничивания (I = 0) и с подмагничиванием постоянным током (I > 0).

Работа сглаживающего дросселя при подмагничивании

Работа дросселя при подмагничивании.

На рисунке изображены кривые изменения индукции магнитного поля в сердечнике при его намагничивании синусоидальным током при двух режимах работы: без подмагничивания (кривая 1) и с подмагничиванием постоянным током I (кривая 2). Как известно, при периодическом намагничивании сердечника магнитная индукция В изменяется не по основной кривой намагничивания, а по замкнутым кривым, называемым петлями перемагничивания (выделены красным цветом). В первом случае, когда отсутствует подмагничивание, петля симметрична относительно основной кривой намагничивания (петля 1). В случае наличия тока подмагничивания I, перемагничивание сердечника идёт по так называемым частным петлям перемагничивания (петля 2). Частные петли перемагничивания характеризуются увеличенной площадью, что означает увеличение потерь в сердечнике (площадь ограниченная петлёй равна мощности потерь в сердечнике).

Кроме увеличения потерь при насыщении сердечника, происходит уменьшение магнитной проницаемости материала сердечника. Так как индуктивность дросселя L имеет прямую зависимость от магнитной проницаемости, то следовательно происходит снижение индуктивности.

Эквивалентная проницаемость вещества μе определяется из отношения между создаваемой магнитным полем индукцией В и напряженностью Н данного магнитного поля

где ω – количество витков провода в обмотке,

I – ток через дроссель.

Индуктивность дросселя может быть определена по следующему выражению

где ω – количество витков провода в обмотке,

μ – магнитная постоянная, μ = 4π*10 -7 Гн/м,

μе – эквивалентная (относительная) магнитная проницаемость сердечника,

Sе – эквивалентная площадь поперечного сечения сердечника,

lе – эквивалентная длина магнитной линии сердечника.

lM – длина магнитной линии в сердечнике.

Дроссель фильтра с зазором в сердечнике

Для уменьшения падения магнитной проницаемости и индуктивности дросселя при увеличении подмагничивающего тока в сердечник дросселя вводят немагнитный зазор. Ниже представлены кривые намагничивания сердечника с зазором и без зазора.


Кривые намагничивания материала сердечника: без зазора (1) и с зазором (2).

Как видно из рисунка петля гистерезиса сердечника без зазора – это линия 1, а петля гистерезиса сердечника, имеющего немагнитный зазор – это линия 2. То есть кривая 2 растягивается и поворачивается относительно нулевой координаты. Таким образом сердечник дросселя при наличии зазора, характеристика намагничивания которого линейна, насыщается при относительно больших токах в обмотке, чем сердечник без зазора.

Отсюда можно сделать вывод, что при увеличении тока подмагничивания необходимо выбирать большую величину немагнитного зазора для увеличения индуктивности дросселя.

Возникает вопрос выбора длины немагнитного зазора в сердечнике. В одной из статей я рассказывал, как рассчитать эквивалентную магнитную проницаемость при наличии зазора. Здесь стоит обратная задача – рассчитать длину зазора по некоторой заданной проницаемости, выражение будет иметь вид

где δ – длина немагнитного зазора, мм,

le – эффективная длина магнитной силовой линии, мм,

μe – эффективная магнитная проницаемость сердечника с зазором,

μr – относительная магнитная проницаемость материала сердечника. Так как величина магнитной проницаемости материала сердечника, значительно больше, чем требуемая проницаемость μe -7 ,

μе – эффективная магнитная проницаемость сердечника,

Se – эффективная площадь поперечного сечения сердечника,

le – эффективная длина магнитной линии сердечника,

Bm – максимальное значение индукции магнитного поля в сердечнике.

Здесь необходимо дать некоторые пояснения:

— во-первых, все размерности необходимо приводить к общему виду, например, Se и le в справочниках приводятся в миллиметрах и квадратных миллиметрах, соответственно, их необходимо переводить в метры и квадратные метры;

— во-вторых, максимальное значение индукции Bm магнитного поля зависит от типа применяемого материала сердечника. В свою очередь тип применяемого материала зависит от частоты, например, при частотах 50 Гц – 10 кГц, применяют электротехнические стали, на частотах 5 – 30 кГц – электротехнические сплавы (например, аморфные), от 10 кГц и выше – ферриты и магнитодиэлектрики. Однако данное разделение в некоторой степени условно, так как применение конкретного материала ограниченно потерями в нем на гистерезис (перемагничивание) и вихревые токи;

— в-третьих, максимальное значение индукции в сердечнике Bm следует выбирать исходя из следующего ограничения

где BS – индукция насыщения материала магнитопровода.

Данное ограничение связано с возможными бросками тока в цепи и другими негативными факторами, например изменение температуры и влажности сердечника.

Читайте также:  В раковину идет ток

Для определения параметров обмотки введём понятие коэффициента использования окна сердечника kИ, который определяет количество меди, появляющееся в площади окна дросселя. На данный коэффициент влияют следующие факторы:

— толщина изоляции обмоточного провода, так в зависимости от диаметра провода площадь изоляции занимает от 5 до 30 % от площади сечения провода;

— способ укладки провода в окне (рядовая обмотка или внавал);

— толщина межслоевой изоляции в многослойных и многообмоточных конструкциях;

— качеством намотки обмотки.

С учётом данных факторов коэффициент использования окна сердечника kИ превышает 30 % или 0,3, что необходимо учитывать при выборе сердечника. Поэтому ещё одним ограничением для размеров сердечника является площадь окна SO и зависимость от данного параметра плотности тока j, площади сечения провода SP и количества витков провода ω, которые объединены следующим выражением

где kи – коэффициент использования окна сердечника,

SO – площадь окна сердечника,

ω – количество витков провода в обмотке.

С помощью данного выражения можно определить требуемую эквивалентную магнитную проницаемость сердечника

Подставив полученное выражение в формулу для максимальной энергии получим

Отсюда можно выразить произведение SeSO, которое определяет геометрию сердечника дросселя

После выбора сердечника необходимо определить эквивалентную магнитную проницаемость сердечника согласно выражению

Далее определяют длину немагнитного зазора и параметры обмотки: количество витков ω, диаметр провода dp, средняя длина витка lср.вит. и сопротивление обмотки R.

По окончанию расчёта необходимо провести проверку не величину перегрева дросселя ∆T и в случае необходимости скорректировать размер сердечника: при слишком большом перегреве необходимо выбрать больший размер сердечника.

Потери мощности в дросселе фильтра

Несколько слов необходимо сказать об особенностях учёта потерь мощности в дросселе фильтра, так как они определяют температуру нагрева и перегрева дросселя. Для упрощения расчётов можно выделить два случая:

— в первом случае, переменная составляющая тока I

αCu – температурный коэффициент сопротивления меди, αCu = 0,0038 °С -1 .

— во втором случае, когда переменная составляющая тока дросселя I

Далее по полученному значению амплитуды магнитной индукции необходимо определить удельные объемные потери на перемагничивание PV и в зависимости от объёма сердечника Ve определить потери мощности в сердечнике.

Расчёт дросселя фильтра

В качестве примера рассчитаем дроссель, имеющий индуктивность L = 70 мкГн, ток подмагничивания I = 12 А, амплитуда переменной составляющей I

= 1 А, частота пульсаций f = 100 кГц, температура перегрева ∆Т = 50°С, форма тока имеет вид представленный ниже, поэтому коэффициент формы тока kф ≈ 1,732

Ток в обмотке дросселя

Ток в обмотке дросселя.

1. Вначале определяем размер сердечника, который может накапливать необходимую энергию Wm. В качестве материла магнитопровода используем материал N87, поэтому максимальную индукцию примем равной Bm = 0,3 Тл, коэффициент использования окна сердечника kИ = 0,3 и плотность тока j = 5 А/мм 2

По итогам расчётов, выберем сердечник EE40/16/12 фирмы Epcos, имеющего следующие параметры le = 154 мм, Se = 149 мм 2 , SO = 169 мм 2 , Ve = 22946 мм 3 материал сердечника N87 (μe = 1710).

2. Теперь необходимо рассчитать параметры обмотки: сечение провода «по меди» SP и количество витков обмотки ω. Сечение провода выбирается исходя из допустимой плотности тока j

Сечение провода получилось равным SП = 2,4 мм 2 , так как частота переменной составляющей f = 100 кГц, то для снижения потерь мощности на скин-эффект применим литцендрат типа ЛЭШО 615х0,071, имеющий общее сечение SП = 2,43 мм 2 . Литцендрат можно изготовить самостоятельно, для этого провод составляют из нескольких жил провода типа ПЭВ-2 или ПЭТВ-2. При этом максимальный диаметр жилы dП зависит от глубины скин-слоя δ

В качестве жил выберем провод ПЭВ-2 0,3, при этом площадь сечения одной жилы Sж и количество жил N составит

3. Рассчитаем требуемую эквивалентную магнитную проницаемость μe и толщину немагнитного зазора в сердечнике δ

Следовательно, эквивалентная проницаемость сердечника составит μe = 131, а длина немагнитного зазора δ=1,18 мм. Прокладка между кернами сердечника должна быть вдвое меньше длины зазора, так как она прокладывается, как между центральными, так и между боковыми кернами.

Теперь необходимо проверить правильность расчётов по параметру допустимого перегрева. Для этого необходимо рассчитать мощность потерь в обмотке и в сердечнике, а также площади поверхностей обмотки и сердечника.

4. Рассчитаем мощность потерь в обмотке ∆P1. Для этого необходимо определить среднюю длину витка lв.ср, длину провода обмотки lпр.об и сопротивление провода при перегреве ∆T = 50 °С. В данных расчётах необходимо учитывать удельное сопротивление меди qCu = 0,0171 (Ом•мм 2 )/м и температурный коэффициент сопротивления меди αCu = 0,0038 °C -1

5. Рассчитаем мощность потерь в сердечнике ∆P2. Для этого необходимо определить удельные объёмные потери в сердечнике на данной частоте, температуре и индукции

Для нахождения удельных объёмных потерь PV обратимся к справочным данным на феррит марки N87, для которого при B

= 11 мТл, f = 100 кГц и T = 100 °C, объемные потери составляют PV ≈ 0,4 кВт/м 3 = 4•10 -7 Вт/мм 3 , тогда потери мощности в сердечнике, объемом Ve = 22946 мм 3 составят

6. Осталось рассчитать площадь охлаждения дросселя SД и определить расчётный перегрев дросселя ∆TP. Для этого воспользуемся значением коэффициента теплопередачи α = 1,2*10 -3 Вт/(°С см 2 ) и переведём значение площадей охлаждения в квадратные сантиметры

Таким образом, перегрев дросселя составляет ∆T = 18 °C, что соответствует требованиям начальных условий. Так как величина перегрева почти в 3 раза меньше требуемой, то размер сердечника можно уменьшить, а его параметры пересчитать задавшись большей плотностью тока, например, 6-7 А/мм 2 . И заново рассчитать параметры дросселя и проверить по величине перегрева.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник

О явлении подмагничивания сердечника трансформатора БП постоянным током

Давайте разбираться!

Содержание / Contents

Общение на радиолюбительских форумах показало, что все сводится (я немного упрощаю) к двум позициям:

1. Постоянка присутствует исключительно в схеме выпрямителя со средней точкой:

то никакого подмагничивания не случится.

2. Применять тороидальные трансформаторы опасно, т.к. из-за отсутствия зазора в сердечнике подмагничивание сказывается на них очень сильно. Поэтому мощность трансформатора надо выбирать раза в два больше, чем нужно.

Я проанализировал работу трансформатора в таком режиме (теоретически и экспериментально), но несколько сомневался в своих результатах. Поэтому я связался по электронной почте с автором статьи Константином Никитиным, доктором технических наук, профессором, заведующим кафедрой Силовой электроники в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. Бонч-Бруевича.

И получил полное одобрение следующих «пяти положений о подмагничивании»:

1. При усилении синусоидального сигнала частотой 25 Гц возникает подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, вызывающим насыщение сердечника. Физическая причина подмагничивания при работе выпрямительно-трансформаторной схемы на усилитель проста: усилитель потребляет не постоянный ток, а сигнал с частотой, равной удвоенной частоте усиления. Следовательно, вполне возможны ситуации, когда условия работы трансформатора от периода к периоду сетевой частоты будут существенно разниться. Так как в штатной ситуации трансформатор подводится к насыщению исключительно током холостого хода (рабочие токи обмоток создают равные и противоположные потоки), то достаточно минимального, соизмеримого с током холостого хода (в пересчете на первичную обмотку), тока подмагничивания – и авария обеспечена.

2. Такое подмагничивание характерно для усилителей, выходной каскад которых работает в классе В или АВ и отсутствует у усилителей, выходной каскад которых работает в классе А.

3. На практике частота сигнала не обязательно должна быть именно 25 Гц – трансформатору для насыщения хватает и не нулевой (но достаточно малой) частоты подмагничивания.

4. Подмагничивание происходит как в схеме выпрямителя со средней точкой и одним общим диодным мостом, так и в схеме с отдельными обмотками трансформатора и отдельными мостами в каждом плече. С точки зрения подмагничивания схемы не эквивалентны, но оно есть везде.

5. В силу того, что в реальном звуковом сигнале составляющие «критических» частот имеют малую амплитуду и продолжительность, указанная опасность невелика, но вот на спецсигналах может быть спровоцирована ситуация, когда всё будет плохо.

↑ Что плохого в этом подмагничивании?

Плохо то, что трансформатор работает на переменном токе и не работает на постоянном. Поэтому, если на переменном токе ток вторичной обмотки компенсируется током первичной, то на постоянном такой компенсации не происходит. И постоянный ток дополнительно намагничивает сердечник трансформатора, который и без того уже намагничен под завязку. Ток первичной обмотки при этом сильно повышается, обмотка сильно нагревается. Хорошо, если сгорит предохранитель в первичной обмотке, а не сама обмотка.

↑ Теперь по поводу тороидальных трансформаторов

Мощность трансформатора никак не связана с сопротивляемостью подмагничиванию, поэтому увеличение мощности практически ничего не даст. Как и величина сопротивления обмоток. Отсутствие зазора в сердечнике ситуацию ухудшает, но не так сильно, как обычно считают – в броневых и стержневых трансформаторах зазор достаточно мал, и в реальности разница между таким маленьким зазором и его полным отсутствием малозаметна.
Гораздо лучшие результаты дает снижение рабочей индукции трансформатора, правда это тоже не выход.

Но на самом деле со всем этим можно не заморачиваться – на реальном сигнале если подмагничивание и произойдет, то несильно и кратковременно, так что ничего плохого не случится.
Так же, как и кратковременное наличие частоты 25 Гц при тестировании колонок свип-синусом.

↑ Выводы:

Для меня здесь важны только 2 вещи:
1. Подмагничивание постоянным током реально существует
2. В реальной работе по воспроизведению звукового сигнала об этом подмагничивании можно не беспокоиться.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌻 Купон до 1000₽ для новичка на Aliexpress

Никогда не затаривался у китайцев? Пришло время начать!
Камрад, регистрируйся на Али по нашей ссылке. Ты получишь скидочный купон на первый заказ. Не тяни, условия акции меняются.

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Куплено и опробовано читателями или в лаборатории редакции.

Источник