Защита транзистора от эдс самоиндукции: Методы защиты устройств (датчиков, приборов, контроллеров) с транзисторными выходами от токов самоиндукции |

Содержание

Методы защиты устройств (датчиков, приборов, контроллеров) с транзисторными выходами от токов самоиндукции

Содержание:

Введение
Техника безопасности
1. Электромагнитная индукция. Определение. Физический смысл
2. Теоретический расчет ЭДС самоиндукции
3. Практическое измерение ЭДС самоиндукции
4. Методы и средства защиты от ЭДС самоиндукции
Заключение

Введение

В данной статье будет рассмотрено явление самоиндукции, проявляющееся зачастую при коммутации индуктивных нагрузок. Также будут рассмотрены способы защиты и используемое для этого оборудование.

Техника безопасности

ВНИМАНИЕ! К работам по монтажу, наладке, ремонту и обслуживанию технологического оборудования допускаются лица, имеющие техническое образование и специальную подготовку (обучение и проверку знаний) по безопасному производству работ в электроустановках с группой не ниже 2 для ремонтного персонала, а также имеющие опыт работ по обслуживанию оборудования, в конструкцию которого вносятся изменения и дополнения, либо производится модернизация. За неисправность оборудования и безопасность работников при неквалифицированном монтаже и обслуживании ООО «КИП‑Сервис» ответственности не несет.

1. Электромагнитная индукция. Определение. Физический смысл

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока, при изменении во времени магнитного поля. Изменение магнитного поля, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в контуре
индуктивной электродвижущей силы (ЭДС). Процесс возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока называется самоиндукцией. Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию, а при убывании тока — препятствует убыванию. Величина ЭДС самоиндукции определяется уравнением:

E=−L×dI/dtE= -L times dI / dt

где:
E — ЭДС самоиндукции
L — индуктивность катушки
dI/dt — изменение тока во времени.

Знак «минус» означает, что ЭДС самоиндукции действует так, что индукционный ток препятствует изменению магнитного потока. Этот факт отражён в правиле Ленца:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Явление самоиндукции можно наблюдать при включении и последующем выключении катушек соленоидов, промежуточных реле, электромагнитных пускателей. При подаче напряжения на катушку создается электромагнитное
поле, в следствии чего образуется электродвижущая сила, которая препятствует мгновенному росту тока в катушке. Согласно принципу суперпозиции, основной ток в катушке можно представить в виде суммы токов, один из
которых вызван внешним напряжением и сонаправлен с основным током, а второй вызван ЭДС самоиндукции и имеет противоположное направление основному току. Скорость изменения тока через катушку ограничена и
определяется индуктивностью катушки. При протекании тока катушка «запасает» энергию в своём магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдает запасенную энергию, стремясь поддержать
величину тока в цепи. Это, в свою очередь, вызывает всплеск напряжения обратной полярности на катушке. Данный всплеск может достигать значений во много раз превышающих номинальное напряжение источника питания, что
может помешать нормальной работе электронных устройств, вплоть до их разрушения.

Разберем более подробно, почему скачок ЭДС самоиндукции будет иметь обратную полярность. На рисунке 1 изображены две схемы, на которых стрелками обозначено направление движения тока, а так же потенциалы на всех
элементах схемы при закрытом и открытом ключе.

а — закрытый ключб — открытый ключ

Рисунок 1 — Направление тока при закрытом и открытом ключе

При закрытом ключе потенциалы на всех элементах совпадают с потенциалом источника питания (рисунок 1, а). Во время размыкания ключа, из схемы исключается источник питания, и ЭДС самоиндукции стремится поддержать ток в катушке. Для того, что бы сохранить направление тока в катушке, ЭДС меняет свой потенциал на противоположный по знаку источнику питания (рисунок 1, б). Именно поэтому всплеск ЭДС самоиндукции будет иметь обратную полярность.

Более наглядно этот всплеск показан на рисунке 2. На графике изображено напряжение источника питания Uпит, ток возникающий в катушке I, ЭДС самоиндукции.

Рисунок 2 — График изменения тока и напряжения при коммутации

2. Теоретический расчет ЭДС самоиндукции

Рассмотрим явление самоиндукции на примере работы электромагнитной катушки при пропускании через нее постоянного тока. Включение катушки происходит при помощи бесконтактного датчика. Катушку можно заменить на последовательно соединенные активное Rk и индуктивное Lk сопротивления (рисунок 3).

Рисунок 3 — Эквивалентная схема электромагнитной катушки

Тогда электрическая схема будет иметь вид, представленный на рисунке 4.

Рисунок 4 — Схема включения электромагнитной катушки

При сработавшем датчики падение напряжения U на катушке составляет 24 В. При коммутации индуктивной нагрузки в первый момент времени ток остается равным току до коммутации, а после изменяется по экспоненциальному закону. Таким образом, при переходе управляющего транзистора в закрытое состояние катушка начинает генерировать ЭДС самоиндукции, предотвращающую падение тока. Попробуем рассчитать величину генерируемого катушкой напряжения.

На рисунке 5 показано направление тока при открытом транзисторе. Переход транзистора в закрытое состояние фактически означает что цепь катушки с генерируемым ЭДС самоиндукции замыкается через подтягивающий резистор. Обозначим его Ro. По документации датчика это сопротивление составляет 5,1 кОм.

Рисунок 5 — Направление тока при открытом транзистореРисунок 6 — Направление тока после перехода транзистора в закрытое состояние

На рисунке 6 видно что ток на резисторе Ro поменял направление — это обусловлено возникновением ЭДС самоиндукции в катушке. Для полученного замкнутого контура выполняется следующее уравнение:

UR0+URk+ULk=0U_R0+U_Rk+U_Lk=0

Выражая напряжение через ток и сопротивление, получим:

I×R0+I×Rk+ULk=0I times R_0 + I times R_k +U_Lk=0

ULk=−I×(Rk+R0)U_Lk= -I times ( R_k + R_0 )

При этом ток в цепи стремится к значению тока при открытом транзисторе:

I=U/RkI= U / R_k

Подставим данное выражение в предыдущую формулу, получим величину генерируемого напряжения самоиндукции:

ULk=−U×(Rk+R0)/Rk=−U×(1+R0/Rk)U_Lk= -U times ( R_k + R_0 ) / R_k = -U times ( 1 + R_0 / R_k )

Все переменные из этой формулы известны:
U = 24В — напряжение питания
R_o = 5,1кОм — сопротивление подтягивающего резистора датчика
R_k = 900 Ом — активное сопротивление катушки (данные из документации).

Подставив значения в формулу, рассчитаем примерное значение напряжения самоиндукции:

ULk=−U×(1+R0/Rk)=−24×(1+5100/900)=−160ВU_Lk= -U times ( 1 + R_0/R_k ) = -24 times ( 1 + 5100 / 900 )=-160 В

Данный расчет упрощен и не учитывает индуктивность катушки, от которой так же зависит ЭДС самоиндукции. Но даже из упрощенного расчета видно, что величина генерируемого напряжения оказывается во много раз больше номинального напряжения 24В.

Воздействие ЭДС самоиндукции может повредить устройства, имеющие общие с индуктивной нагрузкой цепи питания. На рисунке 7 приведена некорректная схема, на которой от одного источника питания подключен бесконтактный датчик и катушка соленоидного клапана.

Рисунок 7 — Некорректная схема подключения

На первый взгляд, данная схема может работать без каких-либо сбоев. Однако, при выключении катушки клапана возникает всплеск напряжения в результате самоиндукции. Всплеск распространяется по цепи питания на клемму «минус» датчика. В результате, разница потенциалов между коллектором и эмиттером закрытого транзистора превышает максимальное значение, что приводит к его пробою.

3. Практическое измерение ЭДС самоиндукции

Чтобы проверить правдивость приведенных выше теоретических расчетов, проведем измерение ЭДС самоиндукции. Для проведения измерений необходимо собрать схему, для которой мы проводили расчеты. При помощи осциллографа на клеммах катушки произведем измерение напряжения (рисунок 8).

Рисунок 8 — Измерение ЭДС самоиндукции

На рисунке 9 изображена осциллограмма значений напряжения самоиндукции катушки с питанием 24 В. На графике видно, что реальный всплеск напряжения при отключении катушки в несколько раз больше напряжения питания и составляет 128 В. Как следствие, транзисторный ключ выйдет из строя. Возникающий скачок ЭДС приводит к пробою транзисторных ключей, бесконтактных датчиков, слаботочных коммутирующих элементов и другим нежелательным эффектам в схемах управления.

Рисунок 9 — ЭДС самоиндукции при выключении катушки с питанием 24 В

4.

Методы и средства защиты от ЭДС самоиндукции

Для подавления ЭДС самоиндукции и предотвращения выхода из строя оборудования необходимо принимать специальные меры. Для подавления пиков напряжения на катушке во время выключения, необходимо параллельно катушке включить в схему диод (для постоянного напряжения) или варистор (для переменного напряжения). ЭДС самоиндукции будет ограничиваться этими элементами, тем самым они будут обеспечивать защиту схемы.

Диод включается параллельно катушке против напряжения питания (рисунок 10). Таким образом, в установившемся режиме он не оказывает никакого воздействия на работу схемы. Однако при отключении питания на катушке возникает ЭДС самоиндукции, имеющая полярность, противоположную рабочему напряжению. Диод открывается и шунтирует катушку индуктивности.

а — включение диода в схему PNPб — включение диода в схему NPN

Рисунок 10 — Схема включения диода для защиты от самоиндукции

Варистор также включается параллельно катушке (рисунок 11).

Рисунок 11 — Схема включения варистора для защиты от самоиндукции

При увеличении напряжения выше пороговой величины, сопротивление варистора резко уменьшается, шунтируя индуктивную нагрузку. Соответственно, при броске тока варистор быстро срабатывает и обеспечивает надежную защиту схемы.

На рисунке 12 изображен график напряжения во время включения и выключения индуктивной катушки с использованием защитного диода для напряжения 24 В.

Рисунок 12 — ЭДС самоиндукции с использованием диода

На графике видно, что использование защитных диодов сглаживает переходную характеристику напряжения.

Для защиты от ЭДС самоиндукции существует целый ряд готовых устройств. Их выбор зависит от применяемой катушки и типа напряжения питания. Для гашения ЭДС самоиндукции на катушках промежуточных реле используют модули FINDER серии 99 (рисунок 13):

Рисунок 13 — Защитный модуль Finder/99.02.9.024.99

99.02.0.230.98 Finder/ Модуль защитный(светодиод+варистор)~/=110…240

99.02.9. 024.99 Finder/ Модуль защитный(светодиод+диод), =6…24В

Модули устанавливаются непосредственно на колодку реле, не требуют дополнительного изменения схемы управления.

В случае подключения катушек пускателей, либо катушек соленоидных клапанов, необходимо использовать защитные клеммники Klemsan серии WG-EKI (рисунок 14):

Рисунок 14 – Защитный клеммник WG-EKI

110 220 Клеммник WG-EKI с варистором (0,5…2,5 мм2, рабочее напряжение до 30В, рабочий ток до 10А)

110 040 Клеммник WG-EKI с защитным диодом (0,5…2,5 мм2, рабочее напряжение до 1000В, рабочий ток до 10А, ток диода 1А)

Клеммники позволяют осуществить подключение индуктивной катушки без дополнительного изменения схемы. Клеммник имеет два яруса, соединенных между собой защитным диодом либо варистором. Для осуществления защиты необходимо провести провода питания катушки через этот клеммник. При использовании клеммника с защитным диодом необходимо соблюдать полярность при подключении (рисунок 15).

Рисунок 15 — Схема подключения клеммника WG-EKI с защитным диодом

Заключение

В рамках данной статьи было рассмотрено явление самоиндукции, приведен теоретический расчет ЭДС и практическое подтверждение этого расчета. Применяя модули Finder серии 99 и клеммники Klemsan серии WG-EKI, можно избавиться от пагубного воздействия самоиндукции и сохранить целостность коммутирующих элементов цепей управления.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Хоровец Г.Н.

Список использованной литературы:

Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Электричество. Том III / Сивухин Д.В — М.: Наука, 1977. — 724.с.
Калашников, С.Г. Электричество / Калашников С.Г. — 6-е изд., стереот. — М.: Физматлит, 2003.-624.с.
Алексеев Н.И., Кравцов А.В. Лабораторный практикум по общей физике (электричество и магнетизм). Самоиндукция / Лицей No1580 при МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2012. — 16 с.

Методы защиты устройств (датчиков, приборов, контроллеров) с транзисторными выходами от токов самоиндукции

Содержание:

Введение
Техника безопасности
1. Электромагнитная индукция. Определение. Физический смысл
2. Теоретический расчет ЭДС самоиндукции
3. Практическое измерение ЭДС самоиндукции
4. Методы и средства защиты от ЭДС самоиндукции
Заключение

Введение

Техника безопасности

1. Электромагнитная индукция.

Определение. Физический смысл

E=−L×dI/dtE= -L times dI / dt

где:
E — ЭДС самоиндукции
L — индуктивность катушки
dI/dt — изменение тока во времени.

а — закрытый ключб — открытый ключ

Рисунок 1 — Направление тока при закрытом и открытом ключе

Рисунок 2 — График изменения тока и напряжения при коммутации

2.

Теоретический расчет ЭДС самоиндукции

Рисунок 3 — Эквивалентная схема электромагнитной катушки

Тогда электрическая схема будет иметь вид, представленный на рисунке 4.

Рисунок 4 — Схема включения электромагнитной катушки

UR0+URk+ULk=0U_R0+U_Rk+U_Lk=0

Выражая напряжение через ток и сопротивление, получим:

I×R0+I×Rk+ULk=0I times R_0 + I times R_k +U_Lk=0

ULk=−I×(Rk+R0)U_Lk= -I times ( R_k + R_0 )

При этом ток в цепи стремится к значению тока при открытом транзисторе:

I=U/RkI= U / R_k

Подставим данное выражение в предыдущую формулу, получим величину генерируемого напряжения самоиндукции:

ULk=−U×(Rk+R0)/Rk=−U×(1+R0/Rk)U_Lk= -U times ( R_k + R_0 ) / R_k = -U times ( 1 + R_0 / R_k )

Подставив значения в формулу, рассчитаем примерное значение напряжения самоиндукции:

ULk=−U×(1+R0/Rk)=−24×(1+5100/900)=−160ВU_Lk= -U times ( 1 + R_0/R_k ) = -24 times ( 1 + 5100 / 900 )=-160 В

Рисунок 7 — Некорректная схема подключения

3. Практическое измерение ЭДС самоиндукции

Рисунок 8 — Измерение ЭДС самоиндукции

Рисунок 9 — ЭДС самоиндукции при выключении катушки с питанием 24 В

4.

Методы и средства защиты от ЭДС самоиндукции

а — включение диода в схему PNPб — включение диода в схему NPN

Рисунок 10 — Схема включения диода для защиты от самоиндукции

Варистор также включается параллельно катушке (рисунок 11).

Рисунок 11 — Схема включения варистора для защиты от самоиндукции

Рисунок 12 — ЭДС самоиндукции с использованием диода

На графике видно, что использование защитных диодов сглаживает переходную характеристику напряжения.

Рисунок 13 — Защитный модуль Finder/99.02.9.024.99

99.02.0.230.98 Finder/ Модуль защитный(светодиод+варистор)~/=110…240

99.02.9. 024.99 Finder/ Модуль защитный(светодиод+диод), =6…24В

Рисунок 14 – Защитный клеммник WG-EKI

110 220 Клеммник WG-EKI с варистором (0,5…2,5 мм2, рабочее напряжение до 30В, рабочий ток до 10А)

110 040 Клеммник WG-EKI с защитным диодом (0,5…2,5 мм2, рабочее напряжение до 1000В, рабочий ток до 10А, ток диода 1А)

Рисунок 15 — Схема подключения клеммника WG-EKI с защитным диодом

Заключение

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Хоровец Г.Н.

Список использованной литературы:

Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Электричество. Том III / Сивухин Д.В — М.: Наука, 1977. — 724.с.
Калашников, С.Г. Электричество / Калашников С.Г. — 6-е изд., стереот. — М.: Физматлит, 2003.-624.с.
Алексеев Н.И., Кравцов А.В. Лабораторный практикум по общей физике (электричество и магнетизм). Самоиндукция / Лицей No1580 при МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2012. — 16 с.

Индуктивность

Google Ads

Изучив этот раздел, вы сможете описать:
• Единица индуктивности.
• Факторы, влияющие на индуктивность.
• Напряжение и ЭДС.
• Самоиндукция.
• Обратная э.д.с. и его последствия.

Индуктивность

Ток, создаваемый в проводнике изменяющимся магнитным полем, пропорционален скорости изменения магнитного поля. Этот эффект называется ИНДУКТИВНОСТЬЮ и обозначается символом L. Он измеряется в единицах, называемых генри (H), названных в честь американского физика Джозефа Генри (179 г.).7-1878). Один генри — это величина индуктивности, необходимая для создания ЭДС в 1 вольт в проводнике, когда сила тока в проводнике изменяется со скоростью 1 ампер в секунду.
Генри — это довольно большая единица измерения для использования в электронике, причем более распространены миллигенри (мГн) и микрогенри (мкГн). Эти единицы описывают одну тысячную и одну миллионную долю генри соответственно.

Хотя генри обозначается символом (заглавной)H, в имени генри для единицы индуктивности используется строчная буква h. Форма множественного числа от henry может быть henries или henrys; Американский национальный институт стандартов и технологий рекомендует использовать в публикациях США генри.

Факторы, влияющие на индуктивность.

Величина индуктивности катушки индуктивности зависит от:

a. Количество витков провода в катушке индуктивности.
б. Материал ядра.
в. Форма и размер ядра.
д. Форма, размер и расположение проволоки, из которой состоят катушки.

Поскольку индуктивность (в генри) зависит от очень многих переменных величин, ее точное вычисление довольно сложно; было разработано множество формул, учитывающих различные конструктивные особенности. Также в этих формулах часто необходимо использовать специальные константы и таблицы преобразования данных для работы с требуемой степенью точности. Использование компьютерных программ и автоматизированного проектирования несколько облегчило ситуацию. Однако внешние воздействия, вызванные другими компонентами и проводкой рядом с индуктором, также могут повлиять на значение его индуктивности после его сборки в цепи, поэтому, когда требуется точное значение индуктивности, одним из подходов является расчет приблизительного значения и проектирование. индуктор, чтобы он был регулируемым.

Типичная формула для приблизительного определения значения индуктивности катушки индуктивности приведена ниже. Эта конкретная версия предназначена для расчета индуктивности «соленоида, намотанного одним слоем витков бесконечно тонкой ленты, а не проволоки, и с витками, расположенными равномерно и близко друг к другу».

Рис. 3.2.1 Миниатюрный дроссель переменной индуктивности.

Где:

L — индуктивность в генри.
d диаметр рулона в метрах.
n количество витков в катушке.
l – длина рулона в метрах.

Для катушек, не соответствующих указанным выше спецификациям, необходимо учитывать дополнительные коэффициенты. На рис. 3.2.1 показан один из способов получения достаточно точной индуктивности, используемый в некоторых ВЧ и ВЧ цепях. Миниатюрная катушка индуктивности намотана на пластиковый каркас, в который ввинчен сердечник из феррита (железной пыли) в достаточной степени, чтобы получился сердечник, обеспечивающий необходимую индуктивность.

Напряжение и ЭДС

Напряжение , индуцированное в проводнике, называется Э.Д.С. (электродвижущая сила), потому что ее источником является изменяющееся магнитное поле вокруг проводника и вне его. Любое внешнее напряжение (включая напряжение, создаваемое внешней батареей или источником питания) называется ЭДС, а напряжение (разность потенциалов или pd) на внутреннем компоненте цепи называется напряжением.

Противоэдс

Обратная ЭДС (также называемая ЭДС противодействия) — это ЭДС, создаваемая на индукторе изменяющимся магнитным потоком вокруг проводника, вызванным изменением тока в индукторе. Его значение можно рассчитать по формуле:

Где:

E – противоэ.д.с. в вольтах
L — индуктивность катушки в генри.
ΔI — изменение тока в амперах.
Δt – время изменения тока в секундах.

Примечания:

Δ (греч. D – дельта) обозначает различие или изменение свойства.

Таким образом, формула описывает противоЭДС как зависимость от индуктивности (в генри), умноженной на скорость изменения тока (в амперах в секунду).

Знак минус перед L указывает на то, что полярность индуцированной обратной ЭДС будет обратной по сравнению с изменением напряжения на проводнике, которое первоначально вызвало изменение тока и, как следствие, изменение магнитного поля.

Помните, что при работе с практическими значениями милли- или микрогенри все значения, используемые в формуле, должны быть преобразованы в стандартные значения генри, ампер и секунды, как описано в нашей брошюре «Советы по математике».

Пример

Поскольку значение противоЭДС зависит от скорости изменения тока, она будет наибольшей, когда произойдет самое быстрое изменение. Например, скорость изменения чрезвычайно высока всякий раз, когда ток через катушку индуктивности отключается; тогда изменение может быть от максимума до нуля всего за несколько миллисекунд.

Представьте, что катушка индуктивности 200 мГн, подключенная к источнику питания 9 В, пропускает ток силой 2 ампера. Когда ток отключается, он падает до нуля за 10 мс, какой будет противо-ЭДС, создаваемая на катушке?

e = 200mh x 2a / 10ms

или

e = 200 x 10 ^-3 x 2/10 x 10 ^-3

= 40 -вольт

, так ЭДС, возникающая при выключении, более чем в 4 раза превышает напряжение питания!

Эти импульсы высокого напряжения, возникающие при отключении индуктивного компонента, такого как двигатель или катушка реле, потенциально могут привести к повреждению выходного транзистора или интегральной схемы, переключающей устройство. Поэтому необходимая защита обеспечивается включением диода в выходной каскад, как показано на рис. 3.2.2 и 3.2.3

Защита от противо-ЭДС

Рис. 3.2.2 Противо-Э.Д.С. Защитный диод.

Защитный диод на рис. 3.2.2, подключенный к катушке индуктивности, обычно смещен в обратном направлении, так как напряжение на его катоде, подключенном к шине питания +V, будет более положительным, чем на его аноде на коллекторе транзистора. Однако при выключении на катушке индуктивности появляется большой всплеск напряжения противоположной полярности из-за коллапса магнитного поля. Во время этого всплеска напряжения коллектор транзистора может находиться под более высоким потенциалом, чем источник питания, за исключением того, что если это произойдет, диод станет смещенным в прямом направлении и предотвратит повышение напряжения коллектора выше, чем на шине питания.

Рис. 3.2.3 Защитные диоды в ULN2803.

На рис. 3.2.3 показан популярный I.C. (ULN2803) для переключения индуктивных нагрузок. Выходы восьми инвертирующих усилителей защищены диодом, а их общие катоды подключены к положительной шине питания +V на контакте 10. одновременно, и на каждое из этих действий в зависимости от другого.

Действие 1.

Любой проводник, в котором изменяется ток, создаст вокруг себя изменяющееся магнитное поле.

Действие 2.

В любом проводнике в ИЗМЕНЯЮЩЕМСЯ магнитном поле будет индуцироваться изменяющаяся ЭДС. Величина этой ЭДС индукции и величина индуцированного тока, который она производит в проводнике, будут зависеть от скорости изменения магнитного поля; чем быстрее изменяется поток поля, тем больше будет ЭДС индукции. и его последующее течение.

Эффект индуктивности, индуцирующей ЭДС внутри себя, называется самоиндукцией (но часто упоминается просто как индукция). Когда индуктор индуцирует ЭДС в отдельном соседнем индукторе, это называется взаимной индукцией и является свойством, используемым трансформаторами.

Изменяющееся магнитное поле, создаваемое вокруг проводника изменяющимся током в проводнике, приводит к возникновению в этом проводнике переменной ЭДС. Эта переменная ЭДС, в свою очередь, создает переменный ток, текущий в направлении, противоположном первоначальному току. Таким образом, изменения в этом токе противоречат изменениям в первоначальном токе.

Эффект действия 2, таким образом, заключается в ограничении изменений, происходящих из-за действия 1.
Если первоначальный ток увеличивается, индуцированный ток будет замедлять скорость увеличения. Точно так же, если первоначальный ток уменьшается, индуцированный ток будет замедлять скорость уменьшения. Общий результат этого заключается в уменьшении амплитуды переменного тока через индуктор и, таким образом, уменьшении амплитуды переменного напряжения на индукторе.

Поскольку сила магнитного поля, создаваемого первоначальным током, зависит от скорости (скорости) изменения тока, катушка индуктивности больше уменьшает поток переменного тока (AC) на высоких частотах, чем на низких. Этот ограничивающий эффект, создаваемый ЭДС индукции, будет больше на более высоких частотах, потому что на высоких частотах ток и, следовательно, поток изменяются быстрее. Название, данное этому эффекту, — индуктивное реактивное сопротивление.

Индуктивное реактивное сопротивление.

Реактивность создает сопротивление потоку переменного тока. Как и сопротивление, оно измеряется в Омах, но, поскольку сопротивление имеет одинаковое значение на любой частоте, а сопротивление переменному току в катушках индуктивности зависит от частоты, его нельзя назвать сопротивлением. Вместо этого он называется реактивным сопротивлением (X). Конденсаторы также обладают свойством реактивного сопротивления, но они по-разному реагируют на частоту, поэтому существует два типа реактивного сопротивления; катушки индуктивности имеют индуктивное реактивное сопротивление (X _L), а конденсаторы имеют емкостное реактивное сопротивление (X _C).

Самоиндукция: определение, формула, практическое применение

«Самоиндукция останавливает рост напряжения в индуктивных цепях». Если ваша работа или хобби связаны с электричеством, вы наверняка слышали подобные высказывания. На самом деле это явление присуще индуктивным цепям как в явном виде, например катушки, так и в неявном, например паразитные параметры кабеля. В этой статье мы простыми словами расскажем, что такое самоиндукция и где она используется.

Определение
Индуктивность
Трансформатор взаимной индукции
Польза и вред
Заключение

Определение

Самоиндукция – это появление в проводнике электродвижущей силы (ЭДС), направленной в противоположном направлении относительно напряжения источника питания при протекании тока. Причем возникает в момент изменения силы тока в цепи. Изменяющийся электрический ток создает изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ЭДС в проводнике.

Это похоже на формулировку закона электромагнитной индукции Фарадея, где сказано:

При прохождении магнитного потока через проводник в последнем возникает ЭДС. Она пропорциональна скорости изменения магнитного потока (мат. производной по времени).

Т.е.:

E = dF/dt ,

Где E — ЭДС самоиндукции, измеряемая в вольтах, F — магнитный поток, единица измерения Wb (веберовская, она же равна V / с)

Индуктивность

Мы уже говорили, что индуктивным цепям присуща самоиндукция, поэтому рассмотрим явление самоиндукции на примере индуктора.

Катушка индуктивности представляет собой катушку изолированного проводника. Для увеличения индуктивности увеличивают число витков или помещают внутрь катушки сердечник из магнитомягкого или другого материала.

Единицей индуктивности является Генри (Гн). Индуктивность характеризует, насколько сильно проводник противодействует электрическому току. Так как вокруг каждого проводника, по которому течет ток, образуется магнитное поле, и если поместить проводник в переменное поле, то в нем появится ток. В свою очередь, магнитные поля каждого витка катушки складываются. Тогда вокруг катушки, по которой течет ток, возникнет сильное магнитное поле. При изменении его силы в катушке будет изменяться и магнитный поток вокруг нее.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, если катушку пронизать переменным магнитным потоком, то в ней возникнет ток и ЭДС самоиндукции. Они будут препятствовать протеканию тока в индуктивности от источника питания к нагрузке. Их еще называют экстратоками ЭДС самоиндукции.

Формула ЭДС самоиндукции на индуктивности:

То есть чем больше индуктивность, и чем больше и быстрее меняется ток, тем сильнее будет всплеск ЭДС.

При увеличении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая направлена против напряжения источника питания, соответственно рост тока будет замедляться. То же самое происходит при уменьшении — самоиндукция приведет к появление ЭДС, которая будет поддерживать ток в катушке в том же направлении, что и раньше. Отсюда следует, что напряжение на выводах катушки будет противоположно полярности источника питания.

На рисунке ниже вы видите, что при включении/выключении индуктивной цепи ток резко не возникает, а изменяется постепенно. На это указывают и законы переключения.

Другое определение индуктивности таково: магнитный поток пропорционален току, но в его формуле индуктивность выступает как коэффициент пропорциональности.

F = L * I

Трансформатор и взаимоиндукция

Если разместить две катушки в непосредственной близости, например, на одном сердечнике, то будет наблюдаться явление взаимной индукции. Пропустим переменный ток в первом, тогда его переменный поток проникнет в витки второго и на его выводах появится ЭДС.

Эта ЭДС будет зависеть от длины провода, соответственно количества витков, а также от величины магнитной проницаемости среды. Если их просто поставить рядом друг с другом, ЭДС будет низкой, а если взять сердечник из магнитомягкой стали, то ЭДС будет гораздо больше. Собственно, так устроен трансформатор.

Интересно: это взаимное влияние катушек друг на друга называется индуктивной связью.

Польза и вред

Если разобраться в теоретической части, стоит рассмотреть, где явление самоиндукции применяется на практике. Рассмотрим примеры того, что мы видим в быту и технике. Одним из самых полезных приложений является трансформатор, принцип его работы мы уже рассмотрели. Сейчас все реже и реже, но раньше в светильниках использовались дневные люминесцентные лампы. Принцип их работы основан на явлении самоиндукции. Вы можете увидеть ее схемы ниже.

После подачи напряжения ток протекает по цепи: фаза — дроссель — спираль — стартер — спираль — ноль.

Или наоборот (фаза и ноль). После срабатывания стартера его контакты размыкаются, затем дроссель (катушка с большой индуктивностью) стремится поддерживать ток в том же направлении, наводит ЭДС самоиндукции большой величины и происходит зажигание ламп.

Аналогичным образом это явление относится к цепи зажигания автомобиля или мотоцикла, работающего на бензине. В них в разрыв между дросселем и минусом (землей) устанавливается механический (прерыватель) или полупроводниковый ключ (транзистор в компьютере). Этот ключ в момент, когда в цилиндре должна образоваться искра для воспламенения топлива, разрывает цепь питания катушки. Тогда энергия, запасенная в сердечнике катушки, вызывает увеличение ЭДС самоиндукции и напряжение на электроде свечи увеличивается до тех пор, пока не произойдет пробой разрядника, или пока катушка не перегорит.

В источниках питания и звуковом оборудовании часто необходимо удалить из сигнала лишние пульсации, шумы или частоты. Для этого используются фильтры разной конфигурации. Один из вариантов — фильтры LC, LR. За счет препятствия нарастанию тока и сопротивления переменного тока соответственно удается достичь поставленных целей.

ЭДС самоиндукции вредно для контактов выключателей, автоматических выключателей, розеток, автоматов и прочего. Вы могли заметить, что когда выдергиваешь вилку работающего пылесоса из розетки, очень часто заметна вспышка внутри него. Это сопротивление изменению тока в катушке (в данном случае обмотке двигателя).

В полупроводниковых ключах ситуация более критическая — даже малая индуктивность в цепи может привести к их пробою при достижении пиковых значений Uке или Usi. Для их защиты устанавливаются снабберные цепи, на которых рассеивается энергия индуктивных всплесков.

Заключение

Подведем итоги. Условиями возникновения ЭДС самоиндукции является: наличие индуктивности в цепи и изменение тока в нагрузке. Это может происходить как в процессе эксплуатации, при изменении режимов или возмущающих воздействиях, так и при переключении устройств.