Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Реферат по теме «Дроссели»

.pdf
Скачиваний:
121
Добавлен:
26.03.2015
Размер:
500.14 Кб
Скачать

Министерство образования и науки Российской федерации Балтийский Государственный Технический Университет «Военмех» им. Д.Ф.Устинова

Реферат по теме

«Дроссели»

Выполнил: студент гр. Н111 Макурова В.

Проверил: доцент кафедры Н7 Протченко В.М

.

Санкт-Петербург 2012г

Аннотация

Главной целью данного реферата является ознакомление с дросселями, их классификацией, свойствами и применением.

Соответствует курсу по дисциплине «Электрорадиоматериалы».

1

Введение

Основной задачей реферата являлось дать краткую характеристику дросселям.

Современная радиоэлектроника является мощным средством научно-технического прогресса. Методы и средства радиоэлектроники проникли во все отрасли науки и техники, они находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, в военном деле, в культуре и в быту. Современная радиоэлектроника – это комплекс областей науки и техники, включающий наряду с радиотехникой и электронной техникой оптоэлектронику, рентгеноэлектронику, гамма – электронику и другие.

ХХ столетие, и особенно его вторая половина, ознаменовалась для радиотехники бурным её развитием как по количеству, так и по качеству и сложности функций, выполняемых радиотехническими системами и средствами. Потребности развивающейся радиотехники способствовали развитию электронной техники, и напротив, появление новых электронных приборов, в особенности сверхвысокочастотных и квантовых электронных приборов: магнетронов и клистронов, ламп бегущей и обратной волны, лазеров, мазеров и др., привело к резкому расширению возможностей радиотехники, к освоению СВЧ – диапазонов электромагнитных волн. Всё шире применяются радиотехнические методы для задач, не связанных с излучением электромагнитных волн. Поэтому понятие "радиотехника" стало заменяться более широким понятием "радиоэлектроника".

2

1.Общие сведенья

Дросселями называют статические электромагнитные устройства, используемые в электрических цепях в качестве индуктивных сопротивлений

Дроссель электрический - катушка индуктивности, включаемая в электрическую цепь последовательно с нагрузкой для устранения (подавления) или ограничения переменной составляющей тока различной частоты. Реактивное сопротивление

где f - частота; w - циклическая частота; L - индуктивность;

Дроссели обычно имеют сердечник (электротехническая сталь). Применяются преимущественно в электрических фильтрах.

3

2.Классификация

Различают несколько разновидностей дросселей. Основными из них являются дроссели переменного тока, называемые также индуктивными катушками, сглаживающие дроссели электрических фильтров и дроссели насыщения.

Общим для них является то, что дроссель любого типа представляет собой катушку с ферромагнитным сердечником. Дроссели различают по числу обмоток и форме протекающего через них тока. Дроссель переменного тока имеет одну обмотку, обтекаемую переменным током. Сглаживающий дроссель также имеет одну обмотку, но обтекается пульсирующим током. Дроссель насыщения имеет две обмотки, одна из которых обтекается переменным, а вторая постоянным током.

Ниже будут рассматриваться только простые однофазные маломощные дроссели переменного тока (далее –д.).

Д., в зависимости от условий работы аппаратуры для которой они предназначены, могут быть разбиты на 3 группы:

a)Д. для аппаратуры, работающей в обычных условиях (температура , влажность

);

b)Д. для кратковременной работы в условиях, отличных от обычных;

c)Д. для радиоэлектронной аппаратуры, длительно работающей в тяжёлых условиях.

Д. переменного тока обычно делят по следующим признакам:

a)По мощности – маломощные (до 5КВт) и мощные (свыше 5КВт);

b)По частоте – промышленной (50гц), повышенной (400-1000гц), высокой (свыше 1000гц);

c)По конструкции магнитопровода – броневые, стержневые и тороидальные (в броневых сердечник обхватывает обмотку, а в др. – наоборот);

d)По конструкции обмоток – катушечные, галетные и др.;

e)По роду материала сердечника – из электротехнической стали или феррита;

f)По материалу обмотки – из провода или фольги;

g)По конструкции – открытые, открытые; но, влагозащищенные; закрытые;

h)По способу выполнения магнитопровода – с замкнутым ферромагнитным сердечником; с магнитопроводами, имеющими немагнитные зазоры; с разомкнутыми магнитопроводами.

Также д. могут быть подразделены по виду вольт-амперной характеристики (ВАХ): линеаризированные – с зазором в магнитопроводе или с ненасыщенным замкнутым сердечником, и нелинейные – без зазора в насыщенном магнитопроводе или с сильно насыщенным сердечником с зазором.

Дроссель высокой частоты - это катушка индуктивности, включаемая в цепь тока высокой частоты для увеличения ее сопротивления. При этом значение постоянного тока или тока низкой частоты не изменяется. Д. применяются в цепях фильтрации питания усилителей высокой частоты. Для повышения заградительных свойств, дроссель должен обладать значительной по сравнению с контурной катушкой индуктивностью и весьма малой емкостью. Резонансная частота дросселя должна быть гораздо больше частоты выделяемого в контуре рабочего сигнала. В этом случае при индуктивности порядка сотен микрогенри дроссель должен быть эффективен в развязывающих цепях контуров УВЧ (ультравысокой частоты). Конструктивно дроссели высокой частоты выполняют намоткой на любой каркас, например, на основания непроволочных резисторов, в виде однослойных сплошных катушек либо катушек типа "универсаль". Дроссели, выпускаемые промышленностью, намотаны на ферритовые стержни и опрессованы пластмассой, их индуктивность сотни микрогенри -единицы миллигенри.

4

Низкочастотные дроссели, в большинстве случаев, предназначенные для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения в телевизорах, радиоприемниках, передатчиках и других устройствах, входят в состав сглаживающих и низкочастотных LC-фильтров. Сопротивление дросселя постоянному току весьма мало и равно омическому сопротивлению провода обмотки. Сопротивление дросселя переменному току

Z = 2рfL

(где f - частота питающей сети 50 или 400 Гц или пульсаций 100 или 800;

L - индуктивность дросселя в Гн) составляет несколько единиц - десятков кOм и зависит от требуемого уровня допустимых пульсаций.

В управляемых дросселях, наоборот, используется свойство магнитного материала изменять свое сопротивление переменному току при изменении рабочей точки магнитной характеристики.

5

3.

Свойства

Все характеристики дросселя обусловливаются свойствами его ферромагнитного сердечника. Вольтамперные характеристики, как уже говорилось выше, при этом могут быть близкими к линейным, а могут быть и существенно нелинейными.

Одной из важнейших характеристик реального дросселя является величина рассеяния магнитного потока. Любой магнитный поток, не замкнутый внутри дросселя, представляет собой потенциальный источник электромагнитных помех. Дроссели бывают экранированными и неэкранированными. Неэкраниро-ванный дроссель может иметь магнитный сердечник или быть намотанным без сердечника. Дроссели без сердечника применяются только на очень высоких частотах вследствие очень малых значений индуктивности, которые можно получить при приемлемых габаритах. Для большинства неэкранированных дросселей требуется магнитный сердечник. Сердечник снижает величину рассеяния магнитного потока, концентрируя большую его часть внутри себя и непосредственно снаружи провода, но всё же существует значительный магнитный поток и за пределами сердечника. На Рис.1 изображены две основные формы, используемые для неэкранированного магнитного сердечника. Сердечник в форме бобины может быть частично экранирован с помощью магнитной втулки, которая закрывает катушку снаружи, но не замыкает магнитный контур. Такие сердечники, а также сердечники, имеющие форму стержня, обычно применяются в неэкранированных дросселях для поверхностного монтажа.

Рисунок 1. Формы неэкранированных магнитных сердечников: бобина с втулкой или стержень

В экранированном дросселе магнитный сердечник должен полностью закрывать обмоточный провод. На Рис.2 изображены конфигурации сердечников, обеспечивающие различные степени экранирования. Сердечник в форме бобины можно также полностью экранировать, установив втулку так, чтобы она полностью закрывала бобину. Такая конфигурация применяется во многих экранированных дросселях для поверхностного монтажа.

Рисунок 2. Различные конфигурации сердечников для экранированных дросселей

6

Все дроссели имеют паразитную ёмкость, возникающую вследствие близкого расположения соседних витков. Обычно она очень мала (так как дроссель с сердечником имеет небольшое число витков), и на рабочих частотах импульсных источников питания её влиянием можно пренебречь.

В случае, когда через дроссель течёт довольно большой постоянный ток, необходимо учитывать величину сопротивления обмоточного провода. В дросселе для источника питания с выходным током 10 А для требуемых 10...20 витков может быть использовано 60 см провода. Если выбрать толщину провода №20 по американскому стандарту AWG (American Wire Gauge), его сопротивление будет всего лишь 0.02 Ом, что, казалось бы, совсем немного. Однако на этих 0.02 Ом будет рассеиваться 2 Вт тепла (см. Табл. 8.1). Суммарная площадь поверхности 60 см провода №20 составит всего лишь 15 см2, поэтому он будет довольно сильно нагреваться. Ещё одна проблема состоит в том, что сопротивление 0.02 Ом при токе 10 А создаёт на дросселе падение напряжения 0.2 В. Такое напряжение весьма значительно для большинства источников питания постоянного тока. В Табл. 1 приведён пример зависимости предельно допустимого тока через дроссель от толщины провода и плотности тока. Величина нагрева в этой таблице приведена для однослойных катушек. В многослойных катушках нагрев будет больше.

Некоторые производители сердечников, например Micrometals, для представленных в своих каталогах порошковых сердечников из карбонильного железа сообщают данные о зависимости рабочей температуры от диаметра провода.

Таблица 1. Зависимость предельно допустимого тока от диаметра провода

Диаметр провода

200 А/см2

400 А/см2

600 А/см2

800 А/см2

Нагрев на

Нагрев на

Нагрев на

Нагрев на

noAWG[MM]

5°С

15°С

30°С

45°С

 

 

 

 

 

 

8

16,5

33,0

49,5

66,0

 

 

 

 

 

10

10,4

20,8

31,2

41,6

 

 

 

 

 

12

6,53

13,1

19,6

26,1

 

 

 

 

 

14

1,11

8,22

12,3

16,4

 

 

 

 

 

15

3,26

6,52

9,78

13,0

 

 

 

 

 

16

2,58

5,16

7,74

10,3

 

 

 

 

 

17

2,05

4,10

6,15

8,20

 

 

 

 

 

18

1,62

3,25

4,88

6,50

 

 

 

 

 

20

1,02

2,05

3,08

4,10

 

 

 

 

 

Встандартных таблицах проводов обычно даётся единственное значение предельно допустимого тока

свзятой за основу плотностью тока 300 А/см2 для катушек и трансформаторов или 600 А/см2 для электропроводки. Это единственное значение задаёт отправную точку для лабораторных измерений. Никто из производителей проводов не даёт подробной информации о взаимозависимостях между плотностью тока, предельно допустимым током, нагревом и диаметром провода. Проще всего взять сердечник, намотать на нём катушку и измерить нагрев, пропуская через неё заданный постоянный ток.

Сопротивление провода текущему в катушке переменному току обусловлено в первую очередь скинэффектом. Сопротивление проводника увеличивается с ростом частоты. Граничная частота, при которой в

проводе с круглым сечением имеет место скин-эффект, рассчитывается по формуле f = 124 / d2

где f измеряется в МГц, a d — в милах (1 мил = 0.025 мм).

Величину сопротивления, обусловленного скин-эффектом выше граничной частоты, можно снизить, используя несколько параллельных проводов, лит-цендрат или плоские проводники. Намотка в несколько

7

параллельных проводов снижает сопротивление, вызванное скин-эффектом, но дополнительные витки увеличивают величину ёмкости между обмотками. Литцендрат состоит из нескольких проводников, переплетённых таким образом, чтобы минимизировать ёмкость между ними. Литцендрат наиболее эффективен до частоты 500 кГц. На частотах выше 3 МГц он теряет эффективность вследствие влияния ёмкости между жилами. Плоские проводники (ленты или полоски) для дросселей практически не применяются из-за трудностей в получении требуемого числа витков. Кроме того, использование плоских проводников в дросселе существенно повышает его паразитную ёмкость.

8

4.

Потери

В настоящее время существует несколько методов оценки потерь в дросселе, причем, большинство из них могут только качественно оценить потери в дросселе. Для реализации количественной оценки потерь было необходимо большое количество элементов, несколько источников питания. Но, благодаря появлению новой технологической базы, стало возможным использование схем измерения, позволяющих использовать меньшее количество элементов при оценке электрических потерь, возникающих в дросселе при наличии в нем активного сопротивления.

Существуют два принципиально разных вида потерь в дросселях: потери в сердечнике и потери в обмотках. Первые обусловлены вихревыми токами внутри самого сердечника и магнитными свойствами материала — потерями на перемагничивание, отображаемыми в виде петли гистерезиса. Причина потерь в обмотках — это сопротивление самих проводов, обычно медных.

Дроссели, используемые в импульсных силовых приборах, подвержены воздействию ВЧ-пульсаций тока, что может привести к существенному росту эффективного сопротивления обмотки и связанных с ним потерь в медных проводниках. Сопротивление обмотки силовых дросселей включает в себя две составляющие: сопротивление постоянному и переменному току, возникающее в результате действия скин-эффекта и эффекта близости.

Изменение тока в проводе индуцирует магнитный поток, который, в свою очередь, приводит к снижению тока в центральной части провода до очень малых величин. Это ведет к уменьшению эффективного поперечного сечения проводника и увеличению его сопротивления с ростом частоты. Поэтому чем выше частота и ток, тем больше потери мощности.

На рабочих частотах той цепи, в которую включен дроссель, сопротивление переменному току может становиться очень большим, часто намного превышающим сопротивление по постоянному току, что ведет к существенному росту потерь в медных проводниках. Кроме того, в силовых дросселях, оснащенных сердечниками с зазором, магнитное поле в зоне воздушного промежутка создает сильный локальный эффект близости, способный значительно увеличить сопротивление медных проводников по переменному току, а, значит, привести к росту соответствующих потерь и даже выходу дросселя из строя.

Все описанные явления влияют на величину потерь мощности в любом электромагнитном устройстве. Взаимосвязь этих явлений значительно усложняет процесс разработки дросселей. Например, один из распространенных способов уменьшения сопротивления по переменному току — применение литцендрата. Однако при этом значительно снижается поперечное сечение проводника, что ведет к резкому росту сопротивления постоянному току.

Рассмотрим другой пример. Для снижения потерь в обмотках при работе в режимах высоких постоянных токов часто применяются дроссели с обмотками из фольги, позволяющие эффективно использовать пространство внутри сердечника. Однако появление даже очень небольшого переменного тока может привести к возникновению в таких обмотках существенных потерь. Все это неприемлемо для большинства современных силовых систем. Многие преобразователи постоянного тока требуют использования дросселей, способных работать в режиме пульсирующих токов с большой постоянной составляющей. Даже при условии того, что переменная составляющая тока будет всегда намного меньше постоянной составляющей, сопротивление переменному току может стать на порядок больше сопротивления постоянному току. Проблема становится все более острой по мере того, как в современных установках повышается плотность тока и рабочая частота.

К счастью, уже найдены способы снижения потерь по переменному току в медных проводниках. Например, эти потери существенно уменьшаются при применении однослойных обмоток. При использовании порошковых сердечников без зазора удается значительно ослабить влияние эффекта близости, что также ведет к снижению потерь по переменному току в медных проводниках.

9