Elektryczna przepustnica - zasada działania i przykłady zastosowania

Cewka służąca do tłumienia zakłóceń, wygładzania fal prądu, magazynowania energii w polu magnetycznym cewki lub rdzenia, izolowania części obwodu od siebie przy wysokiej częstotliwości nazywana jest dławikiem lub dławikiem (z niemieckiego drosseln — do granica, klin).

Dlatego głównym celem dławika w obwodzie elektrycznym jest utrzymywanie na sobie prądu w określonym zakresie częstotliwości lub gromadzenie energii przez określony czas w polu magnetycznym.

Fizycznie prąd w cewce nie może zmienić się natychmiast, zajmuje to skończony czas — bezpośrednio podąża za tą pozycją z reguły Lenza.

Jeśli prąd przepływający przez cewkę można zmienić natychmiast, wówczas na cewce pojawi się nieskończone napięcie. Indukcyjność własna cewki, gdy zmienia się prąd, sama wytwarza napięcie — EMF samoindukcji… W ten sposób dławik spowalnia prąd.

Jeśli konieczne jest tłumienie zmiennej składowej prądu w obwodzie (a hałas lub wibracja to tylko przykład składowej zmiennej), wówczas w takim obwodzie instaluje się dławik — induktor, który ma znaczną rezystancję indukcyjną dla prądu o częstotliwości zakłócającej. Tętnienia w sieci zostaną znacznie zmniejszone, jeśli na ścieżce zostanie zainstalowany dławik. Podobnie sygnały o różnych częstotliwościach pracujące w obwodzie mogą być separowane lub izolowane od siebie.

W inżynierii radiowej, elektrotechnice, technologii mikrofalowej stosuje się prądy o wysokiej częstotliwości jednostek od herca do gigaherca. Niskie częstotliwości w zakresie 20 kHz odnoszą się do częstotliwości akustycznych, następnie zakres ultradźwiękowy — do 100 kHz i wreszcie zakres HF i mikrofalowy — powyżej 100 kHz, jednostek, dziesiątek i setek MHz.

Więc to przepustnica cewka indukcyjna, stosowany jako duża rezystancja indukcyjna dla niektórych prądów przemiennych.

W przypadku, gdy dławik ma mieć dużą rezystancję indukcyjną na prądy o niskiej częstotliwości, musi mieć dużą indukcyjność iw tym przypadku jest wykonany ze stalowym rdzeniem. Dławik wysokiej częstotliwości (o dużej odporności na prądy o wysokiej częstotliwości) jest zwykle wykonywany bez rdzenia.

Dławik niskiej częstotliwości Wygląda jak żelazny transformator, z tą różnicą, że ma tylko jedną cewkę. Uzwojenie nawinięte jest na stalowym rdzeniu transformatora, którego płyty są izolowane w celu zmniejszenia prądów wirowych.

Taka cewka ma dużą indukcyjność (ponad 1 N), ma znaczną odporność na wszelkie zmiany prądu w obwodzie elektrycznym, w którym jest zainstalowana: jeśli prąd zaczyna gwałtownie spadać, cewka go podtrzymuje, jeśli prąd zaczyna spadać gwałtownie wzrośnie, cewka będzie się ograniczać, nie będzie się gwałtownie gromadzić.

Jednym z najszerszych obszarów zastosowania dławików są obwody wysokiej częstotliwości... Cewki wielowarstwowe lub jednowarstwowe nawijane są na rdzeniach ferrytowych lub stalowych lub stosowane są w ogóle bez rdzeni ferromagnetycznych - tylko ramka z tworzywa sztucznego lub sam drut. obwód działa na falach średniego i dalekiego zasięgu, wtedy często możliwe jest uzwojenie przekrojowe.

Dławik z rdzeniem ferromagnetycznym jest mniejszy niż dławik bezrdzeniowy o tej samej indukcyjności. Do pracy przy wysokich częstotliwościach stosuje się rdzenie ferrytowe lub magneto-dielektryczne, które mają niską pojemność wewnętrzną. Takie dławiki mogą pracować w dość szerokim zakresie częstotliwości.

Jak wiadomo głównym parametrem dławika jest indukcyjność, jak każda cewka... Jednostką tego parametru jest henr, a oznaczenie Gn. Kolejnym parametrem jest rezystancja elektryczna (w prądzie stałym), mierzona w omach (omach).

Do tego dochodzą takie charakterystyki jak dopuszczalne napięcie, znamionowy prąd polaryzacji i oczywiście współczynnik jakości, który jest niezwykle ważnym parametrem, szczególnie dla obwodów oscylacyjnych. Różne typy dławików są dziś szeroko stosowane do rozwiązywania wielu różnych problemów inżynierskich.

Rodzaje dławików

Dławiki bez cewek są przeznaczone do tłumienia szumów o wysokiej częstotliwości w obwodach elektrycznych. Zwykle jest to rdzeń ferrytowy wykonany w postaci wydrążonego cylindra (lub O-ringu), przez który przechodzi drut.

Reaktywność takiego dławika przy niskich częstotliwościach (w tym częstotliwości przemysłowej) jest niewielka, a przy wysokich częstotliwościach (0,1 MHz ... 2,5 GHz) jest duża. Tak więc, jeśli w kablu występują zakłócenia o wysokiej częstotliwości, wówczas taki dławik tłumi go ze stratą wtrąceniową 10 ... 15 dB.Ferryty manganowo-cynkowe i niklowo-cynkowe służą do tworzenia rdzeni magnetycznych dławików bez zwojów.

Dławiki AC są szeroko stosowane jako rezystory (indukcyjne), elementy obwodów LR i LC, a także w filtrach wyjściowych przetwornic AC. Dławiki takie wykonywane są z indukcyjnościami od dziesiątych mikrohenriów do setek henrów dla prądów od ~1 mA do 10 A. Posiadają pojedynczą cewkę umieszczoną na rdzeniu magnetycznym wykonanym z materiału ferro- lub ferrimagnetycznego.

Podczas projektowania dławika AC należy wziąć pod uwagę następujące główne parametry nominalne: wymaganą moc (najbardziej dopuszczalną wartość prądu), częstotliwość prądu, godność i wagę.

Współczynnik jakości można zwiększyć różnymi metodami. Z punktu widzenia produkcji obwodów magnetycznych należy wziąć pod uwagę, że zasługę można zwiększyć dzięki:

• dobór materiału magnetycznego o wysokiej przenikalności magnetycznej i niskich stratach;

• zwiększenie pola przekroju poprzecznego obwodu magnetycznego;

• wprowadzenie szczeliny niemagnetycznej.

Dławiki wygładzające — elementy przekształtników przeznaczone do redukcji zmiennej składowej napięcia lub prądu na wejściu lub wyjściu przekształtnika. Dławiki takie posiadają jedno uzwojenie, w którego prądzie (w przeciwieństwie do dławików AC) występują zarówno składowe AC, jak i DC. Cewka dławika jest połączona szeregowo z obciążeniem.

Dławik musi mieć dużą indukcyjność (rezystancja indukcyjna). Na jego uzwojeniu obserwuje się spadek składowej przemiennej napięcia, podczas gdy składowa stała (ze względu na małą rezystancję czynną uzwojenia) jest uwalniana pod obciążeniem.

Składowe prądu wytwarzają bezpośredni strumień magnetyczny (który działa jak magnetyzer) i zmienny strumień w obwodzie magnetycznym dławika, sinusoidalny… Ze względu na składową stałą prądu strumień magnetyczny (indukcja) w obwodzie magnetycznym zmienia się zgodnie z krzywą magnesowania początkowego, natomiast ze względu na składową zmienną odwracanie magnesowania odbywa się w cyklach częściowych przy odpowiednich wartościach prądu.

Wraz ze wzrostem prądu składowa przemienna strumienia magnetycznego maleje (przy stałej składowej prądu przemiennego), co prowadzi do zmniejszenia różnicowej przenikalności magnetycznej i odpowiednio do zmniejszenia indukcyjności dławika. Fizycznie spadek indukcyjności wraz ze wzrostem prądu magnesującego wynika z faktu, że wraz ze wzrostem tego prądu obwód magnetyczny dławika staje się coraz bardziej nasycony.

Uduszenie od nasycenia są stosowane jako regulowane reaktancje indukcyjne w obwodach prądu przemiennego. Takie dławiki mają co najmniej dwa uzwojenia, z których jedno (robocze) jest włączone w obwód prądu przemiennego, a drugie (sterujące) - w obwód prądu stałego.Zasada działania dławików nasycenia polega na wykorzystaniu nieliniowości krzywej B (H) obwodów magnetycznych, kiedy są one namagnesowane prądami sterującymi i roboczymi.

Obwody magnetyczne takich dławików nie mają szczeliny niemagnetycznej. Główną cechą dławików nasycenia (w porównaniu z dławikami wygładzającymi) jest znacznie większa wartość zmiennej składowej strumienia magnetycznego w obwodzie magnetycznym oraz sinusoidalny charakter jej zmiany.

Rozwój sprzętu elektronicznego stawia przed dławikami różne wymagania, w szczególności wymaga zmniejszenia gabarytów oraz zmniejszenia poziomu zakłóceń elektromagnetycznych w warunkach dużej gęstości montażu elementów. Aby rozwiązać ten problem, opracowano wielowarstwowe ferrytowe filtry chipowe oparte na płytce do montażu powierzchniowego.

Takie urządzenia są produkowane przy użyciu technologii cienkowarstwowej. Cienkie warstwy ferrytu osadzają się na podłożu (np. tajwańska firma Chilisin Electronics stosuje ferryt Ni-Zn), pomiędzy którymi tworzy się półobrotowa struktura cewki.

Po osadzeniu warstw, których liczba może dochodzić do kilkuset, następuje spiekanie, podczas którego powstaje cewka objętościowa z ferrytowym rdzeniem magnetycznym. Dzięki tej konstrukcji pola rozproszone są zredukowane do minimum, a co za tym idzie, wzajemny wpływ elementów na siebie jest praktycznie wykluczony, ponieważ linie sił są głównie zamknięte wewnątrz obwodu magnetycznego.

Filtry wielowarstwowe z chipami ferrytowymi: a — technologia produkcji; b — wygląd nawiązujący do łuski z krokiem 1 mm

Wielowarstwowe ferrytowe filtry chipowe służą do filtrowania zakłóceń o wysokiej częstotliwości w obwodach zasilających i sygnałowych elektroniki użytkowej, zasilaczy itp. Głównymi producentami filtrów chipowych są Chilisin Electronics, TDK Corporation (Japonia), Murata Manufacturing Co., Ltd (Japonia), Vishay Intertechnology (USA) itp.

Dławiki z rdzeniem magnetycznym wykonane z magnetodielektryka na bazie żelaza karbonylowego stosowane są w urządzeniach radiowych pracujących w zakresie 0,5…100,0 MHz.

W dławikach można stosować rdzenie magnetyczne wykonane ze wszystkich znanych materiałów magnetycznie miękkich: stali elektrotechnicznych, ferrytów, magnetodielektryków, a także stopów precyzyjnych, amorficznych i nanokrystalicznych.

W przeciwieństwie do dławików w transformatorach, wzmacniaczach magnetycznych i podobnych urządzeniach obwód magnetyczny służy do koncentracji strumienia magnetycznego przy jednoczesnej minimalizacji strat magnetycznych. W tym przypadku główna funkcja wykonywana przez obwód magnetyczny praktycznie wyklucza jego wytwarzanie z materiału magneto-dielektrycznego, który ma niską względną przenikalność magnetyczną.

Szeroka gama ferrytów różnych gatunków przeznaczonych do pracy w zakresach częstotliwości zbliżonych do magneto-dielektryków zawęża zakres zastosowań magneto-dielektryków do produkcji obwody magnetyczne urządzeń elektromagnetycznych. 

Aplikacja do uduszenia

Tak więc celowo dławiki elektryczne dzielą się na:

Dławiki prądu przemiennego pracujące we wtórnych zasilaczach przełączających. Cewka przechowuje energię pierwotnego źródła zasilania w swoim polu magnetycznym, a następnie przekazuje ją do obciążenia. Przetwornice odwracające, wzmacniacze - wykorzystują dławiki, czasem z wieloma uzwojeniami, jak transformatory. Działa to w podobny sposób statecznik magnetyczny lampy fluorescencyjnej, służy do zapalania i utrzymywania prądu znamionowego.

Dławiki rozruchowe silnika — ograniczniki prądu rozruchu i hamowania. Jest to bardziej wydajne niż rozpraszanie mocy w postaci ciepła na rezystorach. W przypadku napędów elektrycznych o mocy do 30 kW taka przepustnica wygląda podobnie transformator trójfazowy (dławiki trójfazowe są stosowane w obwodach trójfazowych).

Dławiki nasycającestosowany jest w stabilizatorach napięcia i przetwornicach ferrorezonansowych (transformator jest częściowo przekształcony w dławik), a także we wzmacniaczach magnetycznych, gdzie rdzeń jest magnesowany w celu zmiany rezystancji indukcyjnej obwodu.

Dławiki wygładzającezastosowany w filtry aby usunąć wyprostowane tętnienie prądu. Wygładzające dławiki mocy były bardzo popularne w czasach świetności wzmacniaczy lampowych ze względu na brak bardzo dużych kondensatorów. Aby wygładzić falę za prostownikiem, trzeba było odpowiednio zastosować dławiki.

Będąc w obwodach mocy próżniowe lampy łukowe przyłączony wzmacniacze przepustnicy — były to specjalne wzmacniacze, w których dławiki służyły jako obciążenia anodowe dla lamp.

Zwiększone napięcie przemienne uwolnione na dławiku Dp jest podawane do siatki następnej lampy przez kondensator blokujący C. Konieczne jest wzmocnienie stosunkowo wąskiego zakresu częstotliwości i nie jest wymagana duża jednorodność wzmocnienia w tym paśmie.