Дроссели. Виды и устройство. Работа и применение

Радиоэлектронные компоненты под названием «дроссели», как правило, изготавливаются в виде катушки индуктивности, намотанной на сердечнике или из отдельных витков. Название этого элемента произошло от немецкого слова «drosseln», дословно переводимого как «гасить» или «ограничивать». Представленный перевод полностью соответствует основному функциональному назначению этого радиотехнического изделия, состоящему в сглаживании колебаний напряжения пульсирующего тока.

Как устроены и работают дроссели с физической точки зрения

Эти элементы электрических цепей способны накапливать электромагнитную энергию в своих обмотках, а затем «отдавать» ее во внешнюю нагрузку. Это их свойство проявляется только при работе в цепях переменного или пульсирующего тока, при наличии которого возможен эффект э/м индукции.

Процесс накопления электромагнитной энергии в витках катушки дросселя относится к обратимым явлениям. Последнее означает, что сразу по окончании действия пульсирующего или импульсного напряжения дроссельный элемент вновь возвращается в прежнее состояние. При этом вся накопленная им э/м энергия постепенно рассеивается на нагрузке, что позволяет «сглаживать» возникшие ранее скачки или пульсации питающего напряжения.

Разновидности

Согласно действующим нормативам дроссели классифицируются по следующим основным признакам:

Тип сердечника и особенности конструкции.
Габариты изделия.
Способ его установки в рабочую цепочку.

Кроме того, эти компоненты электронных и электрических цепей отличаются по номинальному значению индуктивности катушки, измеряемой в Генри (Гн). Представленная единица редко используется при расчетах и на практике, что объясняется ее слишком большой величиной. В реальности номиналы дроссельных элементов исчисляются более мелкими значениями (тысячными и миллионными долями Генри).

В соответствие с первым признаком существующие дроссели подразделяются на следующие разновидности:

В изделиях первого класса используются сердечники, изготовленные на основе мягкой стали.
В дросселях второго типа в качестве основания используется ферромагнетик.
В третьем случае в конструкции дросселя сердечник совсем отсутствует.

Наличие «мягкого» основания характерно для низкочастотных изделий с относительно большим количеством витков, а его ферромагнитный аналог используется в некоторых образцах ВЧ дросселей.

Drosseli 2

У работающих на высоких частотах дроссельных катушек возможно полное отсутствие сердечника (в этом случае витки наматываются на пластиковый каркас или при изготовлении обходятся совсем без него). Для SMD-монтажа используются миниатюрные дроссели с многослойной структурой, а на сверхвысоких частотах применяются изделия в виде полых ферритовых трубок, не имеющих намоточных деталей. В их внутренней полости расположен специальный проводник, выполняющий функцию индуктивного элемента.

Благодаря такой конструкции изделия этого класса применяются в устройствах, где требуется избавиться от СВЧ помех, находящихся в частотном диапазоне от 0,1 МГц до нескольких ГГц.

Области применения дросселей

Такие изделия широко применяются для следующих практических целей:

В качестве преобразователя напряжения.
С целью избавления от импульсных помех.
Для «сглаживания» опасных пульсаций и фильтрации сигнала.

При наличии дросселя с подходящими характеристиками при желании можно легко изготовить преобразующее устройство выбранного типа. Это могут быть понижающие, повышающие или даже инверсивные 2-х полярные преобразователи напряжения.

При их изготовлении всегда следует помнить об одном важном моменте. Поскольку катушка такого изделия изготавливается из цельного куска намоточного провода (она не разделена на отдельные обмотки) – сделанные на ее основе дроссели не содержат гальванической развязки входных и выходных цепей.

Преобразователи напряжения

Использование дросселей в качестве преобразователей напряжения возможно благодаря способности этих изделий накапливать электромагнитную энергию. Получить нужный результат удается за счет того, что на катушку преобразователя подается последовательность коротких импульсов. За счет явления индукции энергия в ней накапливается по мере их поступления. Это возможно за счет постоянной «подкачки» импульсов.

При достижении определенного уровня накопления энергии, определяемого характеристиками катушки, дроссель начинает «отдавать» в нагрузку то, что накопилось прежде.

В зависимости от того, какая поставлена задача, преобразователь может работать как на понижение, так и на повышение напряжения на выходных клеммах устройства. Величина выходного напряжения зависит от длительности подаваемых импульсов, регулировкой которой можно получить любое его значение.

Подавление помех

Основные источники питающих напряжений в электрических сетях – генераторы переменного напряжения 220/380В частотой 50Гц. При их генерации и передаче от трансформаторных подстанций нередко возникают помехи в виде кратковременных импульсов (всплесков или провалов) напряжения значительной по величине амплитуды.

Основные причины появления таких помех это:

Паразитные электромагнитные наводки.
Плохие контакты в местах сочленения участков линий и в соединителях.
Воздействие имеющихся в линии разрядников напряжения.
Наличие в цепи реактивных сопротивлений (емкостного или индуктивного).

Установка в такие цепи дросселей с нужными параметрами позволяет эффективно «бороться» со всеми перечисленными видами помех. Их установка в питающие линии не вносит никаких искажений, поскольку на сравнительно низких частотах (50 Гц) сопротивление этих изделий очень мало. Оно определяется омическим сопротивлением витков провода, из которого наматываются дроссели. Особую важность приобретает это свойство при небольших по величине напряжениях источников питания и при значительных токах в нагрузочных цепях.

Однако тот же элемент для высокочастотной составляющей представляет серьезное препятствие в виде высокого сопротивления, что исключает возможность ее попадания в нагрузку.

Фильтрующие полосовые схемы и элементы обратной связи (ОС)

Возможны ситуации, когда в электронных цепочках требуется «развязать» (разделить) несколько частотных составляющих, по возможности, исключив влияние одной из них на другую. Подобная задача решается с помощью тех же дросселей, которые не нуждаются в источнике для своей работы.

Помимо этого они нередко устанавливаются в цепях обратной связи (ОС) усилительных каскадов различного типа, включая интегральные схемные решения. Одно из наиболее интересных применений дросселя – использование его в цепях зажигания люминесцентных осветительных ламп.

Дроссели в люминесцентных лампах

В этом случае дроссель выполняет особую функцию, заключающуюся в формировании импульса запуска люминесцентной лампы, с которой он включается в последовательную цепочку. Одновременно с этим он сглаживает возникшие при этом колебания и перенапряжения. Для реализации дросселем своей функции вместе с ним в схему запуска включается вспомогательный элемент, называемый «стартером».

В том, как работают дроссели в составе пускорегулирующей аппаратуры (ПРА), проще всего разобраться, если предварительно ознакомиться со следующей последовательностью операций:

При подаче питания на находящуюся в холодном состоянии лампу она не включается, поскольку сопротивление пробойного промежутка слишком велико.
Переменный ток протекает только по элементам ПРА и стартеру, раскаляя катод лампы.
Имеющийся внутри стартерного элемента контакт также нагревается и замыкает рабочую цепь.
Все это время в дроссельной катушке накапливается энергия в виде высоковольтного напряжения, способного пробить газовый промежуток лампы.

После пробоя лавинообразный процесс из электронов и положительно заряженных частиц ионизирует газы, после чего лампа загорается.

Drosseli 3

Конструкция и принцип работы светильника

Внешне светильники представляют собой герметичные стеклянные трубки, внутренние поверхности которых обработаны специальным составом – люминофором, светящимся под воздействием УФ. Пространство между электродами из тугоплавкого металла (вольфрама) заполнено смесью инертных газов с добавлением ртути.

При подаче на них высокого напряжения с ПРА через ламповый промежуток начинает протекать ток. Отрицательно заряженные частицы (электроны) активируют атомы ртути, начинающие светиться в УФ спектре.

Drosseli 4

Ультрафиолетовое излучение мгновенно воздействует на люминофор, который начинает светиться в видимом диапазоне частот (обычно – в бело-голубоватом свете). Остатки энергии поглощаются материалом колбы и рассеиваются в виде небольшого количества тепла.