Індуктивні компоненти

Доброго здоров'я, шановний читачу. У цьому дописі розглянемо компоненти електронних схем основним діючим фактором яких є індуктивна складова.

Також у практичній частині продовжимо огляд паяння, цього разу про потрібні аматору флюси.

Індуктивність – це фізична величина, яка характеризує здатність провідника накопичувати енергію магнітного поля під час протікання у ньому електричного струму.

Позначається латинською літерою L та вимірюється одиницями, які називаються Генрі (Гн). Гадаю, ви уже починаєте звикати до того, що будь-яка основна розмірна величина має префікси. Тож і ця має свою частинні – мГн (мілі-генрі), та мкГн (мікро-генрі).

Найяскравішим представником компонентів, які використовуються в електроніці саме завдяки такому ефекту, є котушка індуктивності. Вона має спіральну намотку та здатна концентрувати магнітне поле. На відміну від резисторів і конденсаторів котушка індуктивності є елементом нестандартним, їхня конструкція визначається конкретним пристроєм де вона буде використовуватися. Хоча слід зауважити, що виробники пропонують і готові варіанти, які можна придбати у інтернет-магазині "Радіодеталі".

Основними параметрами котушок є: індуктивність, добротність, власна ємність і температурний коефіцієнт індуктивності (ТКІ).

Давайте коротко оглянемо кожен із цих параметрів і з'ясуємо для себе, що це таке.

Індуктивність – здатність провідника, по якому протікає електричний струм, створювати навколо себе магнітне поле.

Ще з часів свого навчання у школі, пам'ятаю досить простий, показовий дослід. Він доводить, що струм, який протікає у провіднику – взаємодіє таки з магнітним полем. Для цього потрібен компас. Стрілка цього приладу, як ви знаєте, чітко орієнтується відповідно до напрямку силових ліній магнітного поля. Також потрібен будь-який шматочок дроту, який у нас буде провідником електричного струму, та касета для двох елементів живлення АА.

Що робимо? Кладемо компас, даємо його стрілці заспокоїтися. Зверху на компасі розташовуємо наш шматочок дроту. Фіксуємо положення стрілки, а потім приєднуємо дріт до касети живлення і спостерігаємо за реакцією стрілки компасу. Вона відхилилася. До того ж кут відхилення буде залежати від напруги батарейок, тобто – струму у колі. Міняємо полюси приєднання касети живлення до дроту. Стрілка відхилилася в інший бік. Також вплине на кут відхилення стрілки і відстань від дроту, по якому протікає електричний струм, до самої стрілки.

У нас ціла купа інформації для роздумів. Тож давайте зробимо висновки. Струм, який протікає через провідник – взаємодіє з магнітним полем, концентруючи його енергію навколо себе. До того ж, енергія сконцентрованого магнітного поля безпосередньо залежить від ЕРС (Електрорушійної сили) струму у провіднику. А ще, не забуваймо – напрямок силових ліній концентрованого магнітного поля залежить від напрямку струму у провіднику.

Стосовно останнього зауваження – освіжіть у пам'яті правило свердлика, або правило правої руки зі шкільного курсу фізики.

Скажу більше. Максимальної концентрації поле провідника досягає не відразу, а через якийсь проміжок часу, так само і зникає це концентроване поле не відразу після вимкнення живлення, а знову ж таки через якийсь проміжок часу. Магнітне поле досить потужне, і для того, щоб вплинути на нього, перестроївши на свій лад, потрібен якийсь час. Так само і при вимкненні струму. Локально змінене магнітне поле не здатне миттєво повернутися до свого первинного вигляду, потрібен якийсь час. Саме завдяки такому ефекту і кажуть, що провідник здатен, так би мовити – накопичувати енергію магнітного поля. Саме цей ефект і цікавий для практичного застосування. Відбувається щось схоже на поведінку конденсатора, поступове накопичення енергії, а потім поступова її віддача. Тільки природа зовсім інша. І поведінка такого елементу кіл, теж інша. Все зовсім інше – це просто приклад для порівняння.

Розмірковуючи про котушки індуктивності, ми провели дослід з одним єдиним дротом. І ви побачили та власноруч переконалися, що звичайний шматочок дроту має усі ознаки індуктивності – він створює навколо себе магнітне поле. Проте, його індуктивність мізерна. А от для того щоб її збільшити, дріт намотують у вигляді котушок. Скручений у кільце провідник має утричі більшу індуктивність, при однаковій довжині, аніж розправлений. Найуживаніша форма – циліндрична. Такі котушки називаються соленоїд від грецького solen – трубка. Втім, зустрічаються і котушки індуктивності квадратної, багатокутної форми, як об'ємні, так і пласкі, високочастотні котушки навіть витравлюються на друкованих платах. Кожен вид для свого застосування.

------------------------

Стосовно соленоїда. Склалося так, що цей термін нам більш відомий як магнітомеханічний виконавчий механізм. Такі механізми широко застосовуються у промисловості, та й у побуті. Скажімо, для прикладу, електромагнітний механізм відкриття дверної засувки. І, знову ж таки, в основі роботи цього пристрою – індуктивність.

------------------------

Продовжимо стосовно котушок. Отже, індуктивність впливає на здатність котушки накопичувати енергію магнітного поля. А величина індуктивності прямо пропорційна розмірам котушки, кількості витків у ній. Залежить від наявності осердя, його матеріалу, а також кроку намотки. Давайте перевіримо деякі з цих залежностей.

Спочатку поміркуємо. Якщо взяти дві котушки з однаковою кількістю витків, але різної величини, тобто різного діаметру намотки, то логічно припустити, що котушка більшого розміру матиме більшу індуктивність. Це закономірно, адже у такій котушці більша довжина провідника, тож і створене нею магнітне поле буде ефективнішим. Такий самий варіант, залежності магнітного поля котушки від довжини провідника, спостерігаємо і у котушки з більшою кількістю витків, порівнюючи індуктивність котушок однакового діаметру намотки. Цілком логічним виглядатиме і припущення стосовно більшої індуктивності котушки зі щільнішою намоткою "виток до витка", аніж котушки з примусовим кроком (розрідженої намотки), адже чим щільніші витки – тим щільніше магнітне поле навколо котушки.

Правдивість таких припущень, які основані на цілком природних закономірностях, ви можете перевірити практично. Даю вам гарантію – ви отримаєте підтвердження.

Я ж хотів детальніше зупинитися на реакції індуктивності котушки на осердя із різноманітних матеріалів.

Перший вид осердя – магніточутливий матеріал (сталь). Таке осердя не надто суттєво збільшує індуктивність котушки, зате перетворює її на електромагніт. Воно набуває властивостей магніту. Використовується у комутаційних електромагнітних реле. Найширшого використання набуло в електротехніці, промисловості.

Другий вид осердя – діамагнітний матеріал (кольорові метали – алюміній, мідь, латунь). Зменшує індуктивність котушки немовби всотуючи у себе її магнітне поле. Широко використовуються у високочастотній схемотехніці для регулювання індуктивності різноманітних контурів.

Третій, найбільш вживаний вид осердя – ферити (штучний матеріал, отриманий методом спікання різноманітних подрібнених матеріалів). Збільшує індуктивність котушки у рази. Найбільш широко використовується в електроніці. Це ви можете зрозуміти з номенклатури таких виробів. Це і намистинки, і циліндри, і кільця, і різноманітні осердя: циліндричні, пласкі, Ш-подібні, підстроювальні зі спіральною нарізкою, броньовані. Безліч різних видів для різноманітних потреб.

 

Здатність феритового осердя збільшувати індуктивність котушки, дозволяє зменшувати кількість її витків для отримання потрібного значення. Вплив буде різним, в залежності від глибини занурення осердя до котушки.

 

------------------------

Усі виміри індуктивності робилися універсальним приладом LCR-T4, я про нього вже згадував у дописі стосовно конденсаторів. Чудова допомога аматору.

------------------------

Індуктивність котушки залежить також від наявності екрану. Екран її зменшує, і це зрозуміло, але у деяких випадках він буває конче необхідним. Скажімо у пристроях зі щільним монтажем де потрібно захистити вузлові контури від впливу один на одного, або від впливу зовнішніх наводок та перешкод.

Якість роботи котушки індуктивності у колах змінного струму визначається добротністю (Q).

Добротність Q котушки описують як: відношення її індуктивного опору до активного.

Спочатку розберемося що таке активний опір. Цей опір є сумою фізичного опору провідника електричного струму (дроту) котушки, втрат електричної енергії у каркасі, осерді, екрані та ізоляції. Має загальновживане позначення – R.

Індуктивний опір, на відміну від активного, не є якоюсь фізичною характеристикою провідника. Такий опір повністю залежить від параметрів кола, зокрема частоти змінного струму (сигналу). Чим вища частота сигналу у колі, тим більший індуктивний опір. Визначається добутком 2πfL, де f – частота в Гц, а L – індуктивність в Гн.

Тож формула визначення добротності матиме вигляд:

        Q = 2πfL/R

З цієї формули можна зробити висновок – чим менший активний опір, тим вища добротність котушки та її якість.

Витки котушки, розділені шаром ізоляції, утворюють елементарний конденсатор, з притаманними йому властивостями ємності. У багатошарових котушках ємність, до того ж, утворюється між шарами намотки. Тож для котушки характерні не лише індуктивні а й ємнісні властивості. У більшості випадків ємність котушки є шкідливим чинником, і її намагаються зменшити. Для цього використовують спеціальні форми каркасу котушки – секційні, з різною кількістю витків у секціях. Спеціальні способи намотки – найменшу ємність мають намотки "навалом" та "універсаль".

Суттєвим параметром котушок індуктивності є їхній ТКІ (температурний коефіцієнт індуктивності) або температурна стабільність: Цей параметр обумовлений цілим рядом факторів: при нагріванні збільшується довжина дроту намотки, діаметр каркасу, як наслідок змінюється індуктивність. Суттєво впливає температура на характеристики феритового осердя. Щоб біль-менш стабілізувати ТКІ використовують керамічні каркаси, а намотку проводять нагрітим до високої температури дротом.

Це основні характеристики котушок індуктивності. Звісно, ця інформація не претендує на підручник, її призначення – дати початківцю розуміння того, що то таке котушка індуктивності.

Інші види індуктивних компонентів.

Слід розуміти, що індуктивні елементи працюють в колах змінного струму. Найуживаніші випадки використання котушок індуктивності, то антенні контури приймальної та передавальної апаратури, міжкаскадні контури зв'язку.

Досить поширеним індуктивним елементом є дросель.

Власне кажучи дросель це та ж сама котушка індуктивності, а от призначення її – створити у колі індуктивний опір. Ми вже знаємо, що такий опір залежить від частоти струму. Тож дросель з однією і тією ж самою індуктивністю чинитиме різний опір у колах з низькою та високою частотою струму.

Скажімо дроселі високої частоти чинитимуть суттєвий опір струмам високої частоти не завдаючи перешкод постійному струму або струму низької частоти.

Дроселі низької частоти, які найчастіше використовують у колах живлення, гарно відфільтровують змінну складову від постійного струму. Для збільшення їхньої індуктивності використовують осердя з листової електротехнічної сталі.

Наступною великою групою індуктивних елементів є трансформатори.

Трансформатор характерний тим, що має не менше двох котушок індуктивності, тобто двох обмоток і його робота базується на явищі взаємоіндукції. При цьому він може мати осердя, або не мати.

Призначаються трансформатори для зміни напруги змінного струму, узгодження електричних кіл, зв'язку між окремими каскадами електронних схем.

Найпоширеніший тип трансформатора має замкнутий магнітопровід (осердя) із розташованими на ньому обмотками довільної кількості. Осердя може бути Ш-подібне (набірне або феритове), тороїдальне (феритове, стрічкове) або стрічкове розрізне. Одна з обмоток є первинною, тобто такою до якої приєднується джерело змінної ЕРС, усі інші обмотки називаються вторинними, з яких знімається трансформований сигнал.

Змінний струм протікаючи через витки первинної обмотки утворює в ній та осерді змінне магнітне поле. Це магнітне поле перетинаючи витки вторинних обмоток продукує в них змінну ЕРС. Величини ЕРС у вторинних обмотках прямо пропорційні кількості їхніх витків. Тому для трансформатора основним параметром є коефіцієнт трансформації n:

        n = W2/W1 або n = U2/U1,

де W1 та U1 – відповідно кількість витків та напруга первинної обмотки; W2 та U2 – кількість витків та напруга вторинної обмотки.

В ідеальному трансформаторі (ККД = 100%) потужність, яка споживається первинною обмоткою дорівнює сумі потужностей, яку віддають вторинні обмотки. Позаяк P = UI, збільшення напруги у вторинних обмотках супроводжується пропорційним падінням їхніх струмів.

Якщо кількість витків вторинної обмотки буде більшою за кількість витків первинної, напруга на вторинній обмотці буде більшою ніж на первинній. Такі трансформатори називаються підвищувальними, якщо навпаки – знижувальними.

Трансформатори, які використовуються для зміни напруги побутової мережі з метою живлення електронних пристроїв називаються силовими. У таких трансформаторів часто можна зустріти, між первинною та вторинними намотками, екрануючу намотку – це або один шар тонкого дроту, або один незамкнений виток фольги по ширині каркасу. Екран зменшує перешкоди, які можуть проникати з електричної мережі живлення. Виготовляються такі трансформатори, як звичайні низькочастотні, із використанням осердя з електротехнічної сталі, яке може бути набірним, стрічковим тороїдальним або ж стрічковим розрізним. Інколи, при щільному монтажі електронного пристрою в одному корпусі, для зменшення впливів перешкод, такі трансформатори повністю ховають у екран.

Подекуди можна зустріти автотрансформатори. Це трансформатор у якого лише одна первинна обмотка з декількома проміжними виводами. І в залежності від того як, і куди приєднане джерело ЕРС, він може або підвищувати напругу, або знижувати її. Такі трансформатори мають вищий ККД (коефіцієнт корисної дії) бо відсутні втрати при передаванні енергії через осердя. Втім, вони мають і суттєвий недолік – фізично не відокремлюють побутову мережу від споживача.

Також існують і розділові трансформатори. Це трансформатори у яких первинна та вторинна обмотки мають однакову кількість витків, тобто їхній коефіцієнт трансформації дорівнює одиниці. Основне призначення таких трансформаторів – фізично відокремити побутову мережу живлення від споживача, що зменшує ризик враження електричним струмом.

Наступною ланкою трансформаторів є узгоджувальні трансформатори. Низькочастотні трансформатори найчастіше зустрічаються у лампових та напівпровідникових трансформаторних підсилювача НЧ (низької частоти) і використовуються для узгодження опорів між каскадами підсилення, навантаженням виходу. Ту ж саму функцію виконують і ВЧ (високо частотні) трансформатори, вони узгоджують вихідні та вхідні опори ВЧ каскадів.

Імпульсні трансформатори. Мають, як правило феромагнітні осердя. Основне призначення – робота з імпульсними струмами з тривалістю імпульсу до десятків мікросекунд з мінімальним спотворенням.

Резонансний трансформатор – трансформатор, який працює на резонансній частоті коливального контуру (пояснення цього терміну у наступних дописах) утвореного однією або декількома його обмотками з підключенням їх до електричного конденсатора. У резонансному трансформаторі зазвичай вторинна обмотка виконує роль індуктивності коливального контуру, який утворюється разом із конденсатором. Якщо на первинну обмотку подати послідовність прямокутних чи пилкоподібних імпульсів на резонансній частоті, це явище спрацює неначе насос, призводячи до накопичення індукованого струму у вторинній котушці, що врешті-решт призведе до високовольтного розряду на споживача. У зв'язку з резонансом можуть досягатись великі значення напруги, поки вона не буде обмежена якимось процесом, таким як, скажімо, електричний пробій. Яскравим прикладом такого трансформатора може бути звичайна котушка запалення у двигунах внутрішнього згорання, де накопичена енергія розряджається через повітряний проміжок свічки запалення у циліндрі. На явищах резонансу базується робота трансформаторів Тесла.

Маркування індуктивних компонентів.

Сучасна елементна база індуктивних компонентів теж не лишилася осторонь процесу переходу на поверхневий монтаж. Виробники пропонують цілу гаму таких SMD виробів для задоволення вимог розробників. Придбаваючи такі компоненти у розсип, бажано мати прилад для контролю номіналу, бо з визначенням індуктивності виникнуть проблеми, адже її на корпусі не вказано. Зате силові SMD дроселі вже мають позначення.

 

 

Також є позначення і у мікро-трансформаторів для поверхневого монтажу, правда з'ясувати їхні характеристики можна лише за допомогою Інтернету. Втім, гадаю, це не буде для вас проблемою. 

 

 

Також позначають номінали елементів для друкованого монтажу: аксіальних (виводи яких дивляться в різні боки) – кольоровими смужками, радіальних (виводи яких дивляться в один бік) – літерно-цифровим кодом.

Перші дві цифри вказують величину індуктивності у мікрогенрі (мкГн), остання – кількість нулів, які до неї слід дописати. Наступна за цифрами літера позначає допуск.

Наприклад, код 272J означає 2700 мкГн ±5%. Якщо остання літера відсутня, допуск вважається 20%.

УВАГА!: для індуктивностей менших за 10 мкГн замість коми використовують літеру R, а для індуктивностей менших за 1 мкГн – літеру N.

Перегляньте таблицю і все зрозумієте.

Наведу також таблицю смужкового кодування. Вона проста і зрозуміла:

 

На компоненті, як правило присутні усі чотири смужки. Втім, зустрічаються і позначені трьома. У такому випадку відсутня остання смужка і цей компонент вважається таким, який має допуск 20%.

З'єднання індуктивних елементів.

Як і раніш розглянуті нами пасивні компоненти, індуктивні також допускають як послідовне так і паралельне з'єднання.

Формули розрахунку сумарної індуктивності нагадують формули для опорів, тобто вони, за виключенням літер, однакові. У цих формулах слід просто змінити літеру R (опір) на літеру L (індуктивність). Адже при послідовному з'єднанні додаються індуктивності і загальна індуктивність буде сумою поєднаних. А при паралельному з'єднанні сумарна індуктивність буде меншою за меншу з групи, бо додаються величини обернені їхнім значенням.

Так же само, за допомогою індуктивностей, можна створити подільник напруги. Потрібно лише не забувати, що працює він лише зі змінними струмами.

Підійшла черга розглянути символи позначення індуктивних компонентів на схемах.

Для позначення на схемах котушок індуктивності, дроселів використовують літеру L.

На малюнку наведені основні типи позначень. Позначення звичайної котушки малюємо декількома дугами, як правило – чотирма (L1). L2 – котушка, яка має відводи. L3 – котушка намотана на осерді. До речі, інколи можна поруч з котушкою вказати її індуктивність, особливо при використанні готових дроселів, але найчастіше це робиться у тексті технічного опису. Там конкретизуємо тип використаного осердя, тип використаного дроту, його параметри та необхідні технологічні деталі. Ви уже мабуть здогадалися, що котушка L4 має підстроювальне осердя для налагодження її індуктивності.

На малюнку зображені деякі види позначень трансформаторів. Силові, низькочастотні та високочастотні трансформатори кіл живлення, позначаємо літерами Тр. Високочастотні трансформатори, трансформатори кіл міжкаскадних зв'язків, тощо, позначаються так само, як і котушки літерою L.

Тр1 – звичайний силовий або розділовий трансформатор з однією первинною та однією вторинною обмотками. Якщо вторинних обмоток декілька – лінію осердя малюємо довшою і зображуємо необхідну кількість вторинних обмоток, при цьому їх можна малювати меншою кількістю дуг, але не менше двох.

Тр2 – силовий або розділовий трансформатор з екраном між обмотками. Тр3 – автотрансформатор.

L1 – ВЧ трансформатор з позначками, які вказують на початок намотки. У деяких конструкціях слід дотримуватися правильного приєднання, бо інакше вони не будуть працювати.

L2 – ВЧ трансформатор який намотаний на одному каркасі з можливістю підстроювання. L3 – ВЧ трансформатор, кожна з обмоток якого має власне осердя.

Знову ж таки – це не всі можливі варіанти позначень, їх існує більше, розглянуті застосовуються найчастіше.

На практиці можна зустріти дроселі, трансформатори, котушки зв'язку закриті зовнішніми екранами. У такому разі, малюємо навколо захищеного елементу індуктивності екран за допомогою пунктирної лінії. Екрани, як правило, "заземлюються", тобто мають електричний контакт із загальною шиною.

 

-------------------------------------------------------------------

ВІДСТУП

про флюс для паяння

 

Для якісного паяння використовують флюс.

Що таке флюс? Це реагент, який містить активні речовини здатні руйнувати плівку окислу на поверхні матеріалів для спаювання.

Іншими словами – флюс потрібен для того, щоб очистити місце паяння від шару окислів та мікроскопічного бруду, який перешкоджає повній дифузії припою у поверхневий шар металу, тобто якісному спаюванню поверхонь.

Флюси існують активні і неактивні. До неактивних флюсів відносять каніфоль. Та це досить відносно, адже каніфоль виготовляється із соснової живиці і містить значну кількість природних лугів.

Каніфоль – найуживаніший флюс для паяння. Вона використовується як у твердому вигляді, так і у вигляді різноманітних розчинів, які називаються рідкими флюсами. Досить зручним виглядом каніфольного флюсу є – паста.

Каніфоль здатна очистити поверхню від залишків бруду, видалити легкий поверхневий шар окислу. Це цілком придатний флюс для паяння електронних компонентів, друкованих плат, дротів.

У масі твердої каніфолі лудять жала паяльників, дроти та виводи деталей. Рідку каніфоль, як і пасту,  зручно наносити на місце припаювання компонентів, скажімо маленьким пензликом чи просто зубочисткою.

Каніфоль застосовуйте скрізь. Навіть при розпаюванні чи випаюванні, адже у такому випадку вона руйнує шар окислу на поверхні припою і суттєво поліпшує тепловий контакт жала паяльника з місцем розпаювання.

Хай вас не турбують надлишки каніфолі на місці паяння, це не страшно. Набагато гірше, коли намагання зекономити флюс призводить до неякісної пайки. Існує термін "холодна пайка" це наслідок як низької температури жала паяльника, так і неповного видалення плівки окислів. Неякісно припаяні ділянки, які ховаються під шаром припою, з часом збільшуються і призводять до втрати електричного контакту. Робота пристрою порушується.

Надлишки каніфолі видаляються рідиною для змивання флюсів, спиртом чи просто чистим бензином за допомогою жорсткої щіточки, можна застосувати навіть непотрібну зубну. Привчіть себе видаляти залишки каніфолі навіть з поодиноких місць паяння. Це, по-перше – культура паяння, по-друге – запобіжний захід від утворення додаткових зв'язків між доріжками друкованої плати. Каніфоль буває різною за складом і, що б не казали про її діелектричні властивості, вона має певний опір, хай невеличкий, втім здатний інколи завдати клопоту. Особливо у ВЧ імпульсних колах.

Тож за допомогою каніфолі паяють, в основному, мідні поверхні. Її можна застосовувати для паяння луджених поверхонь та деяких інших матеріалів. Правда слід зауважити, що існують активовані розчини каніфолі, які діють на окисли активніше. Відповідно у них з'явилася здатність паяти різноманітні матеріали: сталь, свинець, цинк, нікель, рідкоземельні метали і т. ін. Втім, не забувайте, їхні залишки після роботи необхідно обов'язково видаляти!

На практиці у аматора інколи виникає потреба спаяти залізо, нержавіючу сталь, алюміній. Для цього використовують спеціалізовані активні флюси, залишки яких необхідно з м и в а т и після роботи водою. Робота з такими флюсами проводиться на відкритому повітрі, адже до їхнього складу входять активні компоненти, а випари цих речовин досить шкідливі. Такі флюси, як правило, рідкі. Вони складаються із розчинів кислот чи лугів, різноманітних добавок, присадок.

Якщо вам необхідно терміново спаяти щось таке, чого не бере каніфоль, а потрібний флюс відсутній, спробуйте використати таблетки "Аспірин". Це – ацетилсаліцилова кислота, тож вона також чудово розправляється з окислами таких матеріалів як сталь, нікель, хром. Відламайте крихту таблетки і поводьтеся з нею неначе з флюсом на місці для паяння. Не забувайте його потім промити! Найкраще слабким розчином харчової соди, для нейтралізації залишків кислоти.

А от для паяння алюмінію існують спеціальні флюси такі як: Флюс ФНА (для пайки алюминия). Алюміній та його сплави, надто швидко утворюють окисну плівку, тому для їхнього спаювання потрібен флюс який би не лише руйнував таку плівку, а й захищав місце паяння від окислення до нанесення припою.

 

На сьогодні все, до наступної зустрічі.

У наступному дописі – комутаційні пристрої.

Продовження огляду про паяння.

 

Автор статті: Володимир Пустовіт