Принцип работы и обозначение электрических дросселей на схемах

Принцип работы дросселей в электрической схеме можно объяснить так:

  • при протекании переменного тока через индуктивный элемент скорость его нарастания замедляется, что приводит к аккумулированию энергии в магнитном поле катушки;
  • объясняется это действием закона Ленца, согласно которому ток в индуктивности не может изменяться мгновенно;
  • нарушение этого правила привело бы к недопустимому нарастанию напряжения, что физически невозможно.

Другой отличительной особенностью, поясняющей принцип работы индуктивности, является эффект самоиндукции, теоретически обоснованный Фарадеем. На практике он проявляется как наведение в катушке собственной ЭДС, имеющей противоположную полярность. За счет этого эффекта через индуктивность начинает течь ток, препятствующий нарастанию вызвавшего его полевого образования.

Указанное свойство позволяет применять индуктивные элементы в электротехнике для сглаживания низкочастотных пульсаций. Для них индуктивность представляется большим сопротивлением.

Использование в других технических областях (в высокочастотных устройствах, например) дроссель обеспечивает развязку основной электронной схемы от вспомогательных (низкочастотных) цепей.

Свойства, назначение и функции

Теперь разберём, что такое дроссель с точки зрения электрики. Если говорить коротко — это элемент, который сглаживает ток в цепи, что отлично видно на графике. Если подать на него переменный ток, увидим, что напряжение на катушке возрастает постепенно, с некоторой задержкой. После того, как напряжение убрали, в цепи еще какое-то время протекает ток. Это происходит так как поле катушки продолжает «толкать» электроны благодаря запасённой энергии. То есть, на дросселе ток не может появляться и исчезать мгновенно.

Ток на дросселе возрастает плавно и так же плавно снижается. Глядя на эти графики становится понятно, что дроссель — это элемент, сглаживающий ток

Это свойство и используют, когда надо ограничить ток, но есть ограничения по нагреву (желательно его избежать). То есть дроссель используют как индуктивное сопротивление, задерживающее или сглаживающее скачки тока. Как и резистор, катушка индуктивности имеет определённое сопротивление, что вызывает падение напряжение и ограничивает ток. Вот только греется намного меньше. Потому его часто используют как индуктивную нагрузку.

У дросселя есть два свойства, которые тоже используют в схемах.

  • так как это подвид катушки индуктивности, то он может запасать заряд;
  • отсекает ток определённой частоты (задерживаемая частота зависит от параметров катушки).

В некоторых устройствах (в люминесцентных лампах) дроссель ставят именно для накопления заряда. Во всякого рода фильтрах его используют для подавления нежелательных частот.

Люминесцентные лампы представлены на рынке большим ассортиментом. И у каждого вида ламп дневного света свой дроссель трансформатор. К примеру, лампа ДРЛ и ДНАТ не могут зажигаться от одного вида дросселя. Все дело в различных параметрах пуска и поддержания горения. Здесь и напряжение отличается, и сила тока.

А вот лампа МГЛ может работать и от дросселя лампы ДРЛ, и от ДНАТ. Но тут есть один момент. Яркость свечения данного источника света будет зависеть от подаваемого напряжения. Да и цветовая температура будет разной.

Внимание! Любой дроссель трансформатор по сроку эксплуатации «переживет» несколько ламп. Конечно, при оговорке, что эксплуатация светильника проводится правильно.

Но учитывать приходится тот факт, что лампа с годами «стареет». На вольфрамовые электроды люминесцентных ламп дневного света наносится специальная паста из щелочных металлов. Так вот эта паста постепенно испаряется, электроды оголяются, а, значит, повышается напряжение, что приводит к перегреву дросселя. Конечный результат может быть двух вариантов:

  1. Произойдет обрыв обмотки катушки, что приведет к отключению подачи напряжения на электроды.
  2. Произойдет замыкание катушки. А это подключение лампы напрямую к сети переменного тока. Лампа перегорит – это точно, а может и взорваться, что приведет к порче светильника в целом.

Поэтому совет – не стоит ждать, когда лампа сама перегорит. Есть специальный график замены, который определяет производитель, и которого необходимо строго придерживаться. Опытные электрики при проведении профилактических работ обязательно проверяют эти осветительные приборы на параметр напряжения. Если он подходит к пределу нормы, то лампу меняют еще до срока эксплуатации. Лучше заменить недорогую лампу, чем дорогой дроссель трансформатор.

Добавим, что производители сегодня предлагают усовершенствованные системы защиты люминесцентных светильников. В их конструкцию добавили предохранительные автоматы, которые срабатывают при повышении напряжения внутри газоразрядного источника света.

Разделение по назначению

По сути, все дроссели делятся на две основные группы, как и лампы, в которых они устанавливаются.

  1. Однофазные. Их используют в светильниках бытовых и офисных с подключением к сети в 220 вольт.
  2. Трехфазные. Подключаются к сети 380 вольт. К ним относятся лампы ДРЛ и ДНАТ.

По месту установки эти приборы делятся также на две группы:

  1. Встраиваемые. Их еще называют открытыми. Такие дроссели устанавливают в корпус светильника, который защищает его и от влаги, и от пыли, и от ветра.
  2. Закрытые (герметичные, влагозащищенные). У этих приборов есть специальный короб, защищающий их. Такие модели можно устанавливать на улице под открытым небом.

Электронный дроссель

Маркировка индуктивностей:

Кодовая маркировка:

Применяется 2 варианта кодовой маркировки:

1 Вариант: XYZ обозначает XY•10 Z мкГн, причем для индуктивностей менее 10 мкГн десятичным разделителем является буква «R», менее 1 мкГн – буква «N», и в этом случае значение индуктивности в нГн.

Иначе говоря, первые 2 цифры определяют число (мантиссу), а последняя цифра определяет количество нулей (десятичная степень).

2 Вариант: значение номинальной индуктивности непосредственно указано числом в мкГн.

После цифрового кода указывается буквенный код допуска, в случае его отсутствия – допуск 20%.

Например: 102 — это 10•10² мкГн = 1000 мкГн = 1 мГн, допуск — 20%; 6R8J – 6.8 мкГн, допуск — 5%; R68K – 0.68 мкГн, допуск — 10%; 22N – 22 нГн, допуск — 20%; 2N2D – 2.2 нГн, допуск — ±0,3 нГн.

Таблица 1 — Кодирование допуска индуктивности.

Цветовая маркировка:

Наиболее часто применяется кодировка 4 или 3 цветными кольцами или точками.

Первые две метки указывают на значение номинальной индуктивности (мантисса) в микрогенри (мкГн, uН), третья метка — множитель (десятичная степень), четвертая — допуск. В случае кодирования 3 метками подразумевается допуск 20%. Цветное кольцо, обозначающее первую цифру номинала, может быть шире, чем все остальные.

Рисунок 2 — Цветовое кодирование индуктивности.

Математическая модель катушки индуктивности. Обозначение.

Катушка индуктивности (дроссель) может иметь несколько выводов — отводов от частей обмотки и два вывода от начала и от конца обмотки. Работу катушки описывает следующее соотношение, которое и определяет ее применение в электронных схемах. [Сила тока через катушку в момент T] = [Сила тока через катушку в начальный момент T0] + интеграл от [T0] до [T] ([Напряжение на катушке] / [Индуктивность катушки]) по [Времени].

Более привычно эта формула выглядит так:

В случае, если к катушке приложено постоянное напряжение, то формула приобретает более простой вид: [Сила тока через катушку индуктивности в момент T] = [Сила тока через катушку индуктивности в начальный момент T0] + [Напряжение на катушке] * ([T1] — [T0]) / [Индуктивность катушки]

Читайте также  Как приваривать петли на ворота

Индуктивность измеряется в генри. Через дроссель индуктивностью 1 Гн за 1 с при напряжении 1 вольт пойдет ток 1 ампер. Обычно в схемах используются индуктивности от 1 микрогенри до 100 миллигенри.

Физически катушка индуктивности состоит из одного или нескольких витков провода, которые могут быть просто размещены в воздухе, а могут быть намотаны на сердечник из какого-либо материала. Сердечник намагничивается и, тем самым, накапливает в себе энергию.

Расчет индуктивности катушки в общем случае представляет серьезную сложность. С уверенностью можно утверждать только, что индуктивность пропорциональна квадрату числа витков. Это значит, что если Вы изготовили катушку индуктивности заданной геометрии с заданным сердечником с N витками провода и замерили ее индуктивность (пусть это будет L), то [Индуктивность катушки с N1 витками] = [L] * [N1]^2 / [N]^2

На идеальном дросселе тепловая энергия не выделяется, хотя через него может проходить ток. Дело в том, что сначала дроссель накапливает энергию, потом отдает ее в цепи питания, не рассеивая.

На схемах катушка индуктивности обозначается, как показано на рисунке.

Основные характеристики

К основным характеристикам относятся следующие показатели:

  • величина индукции;
  • потеря сопротивления;
  • потери сердечника;
  • потери из-за вихревых токов;
  • паразитная ёмкость;
  • ТКИ (температурный коэффициент индуктивности).

Дополнительная информация. Характеристики катушек индуктивности нужны для расчёта новых моделей устройств. Параметры также используются при проектировании печатных плат.

Устройство катушки индуктивности

Дроссель – это катушка, имеющая некоторое количество витков из изолированного провода. Изоляция необходима, чтобы ток шёл по всему проводу последовательно, создавая при этом магнитное поле.

Обмотка может быть намотана на магнитопроводе или без него. Это зависит от назначения устройства. Его форма может быть квадратной, Ш-образной или тороидальной. Материал зависит от частоты напряжения. Работающее устройство иногда издаёт гул с частотой напряжения питания.

На электронных платах такие элементы имеют корпус SMD. Так же устроен элемент R68.

Низкочастотные устройства

Обмотки этих приборов наматываются на сердечник, собранный из пластин, изготовленных из трансформаторной стали. Пластины покрываются лаком для изоляции друг от друга. Переменное магнитное поле наводит ЭДС в магнитопроводе, из-за чего потери на нагрев становятся неоправданно большими. Для того чтобы их уменьшить, голые пластины, а также сердечник из цельного металла не используются.

Внешне такое устройство похоже на трансформатор. Обмотка может быть намотана совсем без сердечника. Такие приборы используются для ограничения тока короткого замыкания.

Высокочастотные элементы

Катушки, предназначенные для работы в сетях высокой частоты, мотаются на стальные ферритовые сердечники, а также совсем без них.

Намотка встречаются однослойная и многослойная, одно,- и многосекционная. Внешне могут быть похожи на трансформатор, резистор или конденсатор с соответствующей маркировкой. Например, так выглядит элемент R68.

Типы проходных сечений дросселей

Рассмотрим наиболее распространенные типы регулируемых дросселей.

Игольчатый дроссель

Конический или игольчатый запорно-регулируемый элемент перекрывает отверстие. Дросселирующая щель в переставленной конструкции коротка, смоченный периметр — небольшой.

Главным достоинством игольчатого дросселя является незначительное влияние вязкости на характеристики, а недостатком — чувствительность к чистоте рабочей жидкости из=за возможности попадания засорений в малый зазор при небольших расходах.

Щелевой дроссель

Запорно-регулирующий элемент, перемещаясь в гильзе, полностью или частично перекрывает дросселирующие отверстие.

Как и игольчатый дроссель чувствителен к загрязнениям, при этом пригоден для работы в широком диапазоне вязкости рабочей жидкости.

Щелевой дроссель лучше использовать для регулирования больших расходов.

Дроссель с продольной канавкой

В запорно-регулирующем элементе выполнена наклонная лыска и канавка прямоугольного или треугольного сечения. Величина сопротивления дросселя определяется положением запорно-регулирующего элемента относительно отверстия, выполненного в гильзе.

Дросселирующая щель в аппаратах данного типа относительно короткая, смоченный периметр небольшой.

Дроссели с продольной канавкой хорошо приспособлены для работы на малых расходах.

Выводы.

Хоть схема и имеет полувековую историю, она до сих пор остается актуальной. ПРА необходим для работы люминесцентной лампы. Все компоненты производятся и стоят недорого. К достоинствам этой схемы можно отнести ее простоту и доступность компонентов. Обычно дроссель является самым долгоживущим компонентом схемы.

Из минусов отмечено, что при использовании классической схемы при включении освещения несколько секунд наблюдается мерцание. Это плохо отражается на сроке полезной эксплуатации самого источника света. Т.е. Лампа проработает меньше в такое схеме, чем при использовании электронного пускателя.

В плане экономической целесообразности, при частом включении и выключении света использовать такую элементную базу не выгодно, проще приобрести электронный пускатель, хоть его покупка и обойдется дороже, но это будут одномоментные затраты.