Характеристики связанных катушек индуктивности непосредственно влияют на проводимые и излучаемые излучения в силовых и сигнальных линиях.

В электромагнитных фильтрах часто используются соединенные катушки индуктивности. Наиболее распространенным типом связанной катушки индуктивности является синфазный дроссель, пассивный компонент, который обеспечивает значительную индуктивность для фильтрации синфазных сигналов при минимальной индуктивности дифференциального режима. Катушки индуктивности с дифференциальной связью встречаются реже, но для применений с низким током они могут обеспечить такую же индуктивность в меньшем объеме, как и две отдельные несвязанные катушки индуктивности.

В этой статье мы сосредоточимся в первую очередь на синфазных дросселях, но представленные принципы в равной степени применимы и к катушкам индуктивности с дифференциальной связью.

Связанный или несвязанный

Соединенные катушки индуктивности отличаются от стандартных катушек индуктивности несколькими способами. Стандартный индуктор представляет собой двухполюсное устройство, которое имеет один проводник, намотанный в катушку, обычно вокруг магнитопроницаемого сердечника. С другой стороны, связанный индуктор имеет два или более проводников, намотанных на один сердечник. Связанный индуктор чаще всего представляет собой четырехполюсное устройство, но синфазные дроссели могут иметь шесть выводов для трехфазных применений или больше для многожильных применений.

Соединенные катушки индуктивности обеспечивают высокую индуктивность в небольшом объеме. Синфазные дроссели обеспечивают высокую индуктивность за счет использования сердечника с высокой проницаемостью. Их индуктивность пропорциональна числу витков в квадрате на каждой обмотке. Индукторы дифференциального режима обеспечивают высокую индуктивность, поскольку их индуктивность пропорциональна квадрату всех витков обмотки на сердечнике.

Электрические характеристики связанных катушек индуктивности значительно различаются в зависимости от частот, представляющих интерес для фильтрации электромагнитных помех. Полезный диапазон частот большинства силовых дросселей составляет от нескольких килогерц до нескольких десятков мегагерц. Дроссели сигнальной линии работают на несколько более высоких частотах, превышающих около 100 МГц.

Идеальная модель в сравнении с неидеальной моделью

Синфазный дроссель может быть адекватно смоделирован как подсхема, состоящая из нескольких пассивных элементов сосредоточенной схемы. На приведенной ниже схеме показана одна модель, которая учитывает поведение связанных катушек индуктивности в зависимости от частоты.

Эта модель не только обеспечивает синфазную индуктивность дросселя, но и учитывает влияние трех важных паразитных элементов:

a. Сопротивление обмотки
b. Емкость перемычки
c. Индуктивность утечки

В нижеприведенных пунктах каждый из них обсуждается более подробно.

Индуктивность

Индуктивность зависит от проницаемости магнитного сердечника и количества витков провода на сердечнике. Индуктивность пропорциональна числу витков в квадрате. Проницаемость сердечника зависит от материала, температуры, смещения постоянного тока и частоты. Точное моделирование индуктора требует учета каждого из этих свойств. Однако для многих применений индуктивность рассеяния, емкость между обмотками и сопротивление обмотки являются доминирующими свойствами и достаточны для прогнозирования производительности фильтра электромагнитных помех.

Коэффициент сцепления

Коэффициент связи синфазного дросселя является мерой того, насколько полно магнитный поток от одной обмотки соединяется с другой обмоткой (обмотками). Например, коэффициент связи, равный 0,95, означает, что 95% магнитного потока связано, а 5% – нет.

Магнитный поток, который соединяет все обмотки на сердечнике, равен взаимной индуктивности между обмотками. Поток, который не связан, напрямую связан с индуктивностью утечки. Индуктивность утечки – это паразитный элемент, присутствующий во всех физических катушках индуктивности, который может оказывать глубокое влияние на производительность фильтра.

Для иллюстрации рассмотрим синфазный дроссель, который имеет гипотетический коэффициент связи, равный 100%. Обе обмотки идеально соединены. Ток, проходящий через любую из обмоток, индуцирует равный ток в другой обмотке. Если ток через обе обмотки равен, то магнитный поток в сердечнике равен нулю. Весь поток сердечника, генерируемый током в одном выводе, компенсирует поток сердечника, генерируемый током в другом выводе.

Однако, если коэффициент связи меньше 100%, скажем, 0,95, то 5% магнитного потока не связано. Ток в одной обмотке не индуцирует равный ток в другой обмотке, поэтому магнитный поток в сердечнике не равен нулю, и часть магнитного потока находится за пределами синфазного дросселя. Несвязанный поток имеет три эффекта:

1. Если магнитный поток в сердечнике достаточно силен, сердечник начнет насыщаться. Частичное насыщение уменьшает индуктивность устройства, делая дроссель менее эффективным.

2. Поток, которого нет в сердечнике, является потоком утечки. Для синфазного дросселя поток утечки создает индуктивность дифференциального режима. (Аналогично, для индуктивности с дифференциальной связью поток утечки создает синфазную индуктивность.) Эта дифференциальная индуктивность взаимодействует с другими компонентами фильтра, и хотя она помогает обеспечить дополнительную фильтрацию в дифференциальном режиме, она также создает новые резонансы, которые потенциально могут усиливать шум в цепи на вновь создаваемых резонансных частотах.

3. Рассеянные магнитные поля могут воздействовать на близлежащие цепи и могут излучаться устройством, содержащим синфазный дроссель. Для приложений, содержащих чувствительные магнитные компоненты, эти рассеянные магнитные поля могут быть проблематичными.

Для получения дополнительной информации о том, как работают синфазные катушки индуктивности, смотрите эту статью на веб-сайте Wurth Electronik.

Промежуточная емкость

Каждый виток провода на магнитопроводе обладает небольшой емкостью по отношению к соседним виткам, а также к проводу и сердечнику. Эта распределенная емкость для синфазных дросселей обычно составляет от 10 до 50 пФ, в зависимости от количества используемых витков провода, конструкции и физических размеров катушки индуктивности.

Несмотря на то, что межобмоточная емкость распределена по обмоткам катушки индуктивности, для большинства анализов фильтров обычно достаточно точной емкости сосредоточенного элемента от входного терминала до выходного терминала.

Емкость между обмотками, наряду с индуктивностью, задает частоту собственного резонанса катушки индуктивности (SRF), как показано красной линией на графике ниже. На частотах ниже SRF синфазный дроссель ведет себя как катушка индуктивности, при этом полное сопротивление увеличивается пропорционально увеличению частоты. Выше SRF дроссель ведет себя как последовательный конденсатор, и полное сопротивление уменьшается пропорционально увеличению частоты.

Второй SRF присутствует в реальных синфазных дросселях. Это вызвано параллельным резонансом индуктивности рассеяния и промежуточной емкости. Этот вторичный резонанс показан на графике выше зеленой линией.

Сопротивление обмотки

Сопротивление обмоток индуктора оказывает незначительное, но важное влияние на производительность фильтра. Сопротивление обмотки выгодно, поскольку оно увеличивает последовательный импеданс катушки индуктивности и обеспечивает некоторое демпфирование фильтра, особенно на высоких частотах. Поскольку катушка индуктивности будет резонировать с емкостью фильтра и емкостными элементами, подключенными к фильтру с помощью кабелей или других цепей, эффект демпфирования сопротивления обмотки является выгодным. Сопротивление обмотки уменьшает амплитуду сигналов, усиливаемых резонансами.

Недостатком сопротивления обмотки является тепловое. Ток, протекающий по проводам, выделяет тепло. Поскольку длина провода, используемого для изготовления катушки индуктивности, может достигать нескольких метров, а рассеиваемая мощность сосредоточена на относительно небольшой площади, повышение температуры может быть значительным. Сопротивление обмотки также вызывает падение напряжения между входной и выходной сторонами катушки индуктивности, которое может повлиять на работу цепи, если оно слишком велико.

Сопротивление обмоток переменному току имеет важное значение. С увеличением частоты сопротивление обмоток увеличивается из-за скин-эффекта. Например, обмотка индуктора, имеющая сопротивление 25 Мом при постоянном токе, может иметь сопротивление более 100 Мом при частоте 1 МГц. Увеличение сопротивления при заданном увеличении частоты зависит от калибра провода. По сравнению с сопротивлением постоянному току сопротивление переменному току увеличивается больше для проводов большего диаметра. Способ намотки

Рисунок ниже любезно предоставлен компанией Wurth Electronik (http://www.we-online.com ), показаны два различных способа намотки связанной катушки индуктивности. Схематически катушки индуктивности одинаковы, но их высокочастотные характеристики несколько отличаются.

Двое в одной руке

Индуктор слева наматывается методом, называемым “два в одной руке”. Оба провода намотаны вместе через сердечник. Этот метод обеспечивает очень близкое соответствие индуктивности для обоих проводов. Для синфазного дросселя это означает лучшую сбалансированность цепи и меньшую индуктивность утечки. Схема “два в одном” также обеспечивает меньшую межобмоточную емкость, поскольку расстояние между последовательными витками больше, чем у катушек индуктивности с намоткой в ряд, обсуждаемых ниже.

Намотка соединенного индуктора двумя руками обеспечивает превосходную производительность, но при более высоких затратах, поскольку индуктор необходимо наматывать вручную. Из-за своей изначально более высокой стоимости индукторы типа “два в одном” обычно используются в приложениях, где цена менее важна, чем производительность.

Трехфазные синфазные дроссели также можно намотать таким образом, обмотав три фазных провода последовательно через сердечник в виде триплета.

Рана на берегу

Катушка индуктивности справа на рисунке выше намотана на катушку. Провода наматываются на равное количество витков с противоположных сторон сердечника. Катушки индуктивности с намоткой в ряд могут быть изготовлены машинным способом и, следовательно, стоят дешевле, чем катушки индуктивности, намотанные двумя руками.

Электрически катушки индуктивности с намоткой в ряд имеют более высокую индуктивность рассеяния и более высокую межобмоточную емкость, чем катушки индуктивности, намотанные двумя руками. Однако для многих применений подходят индукторы с намоткой в виде банки.

Из-за их более низкой стоимости и механизированного производства катушки индуктивности с намоткой в ряд более доступны. Готовые синфазные катушки индуктивности почти всегда намотаны в ряд.

Вы должны войти в систему, чтобы оставить комментарий.