Что такое дроссель и для чего он нужен?

Принципы расчёта дросселей переменного тока

Расчёт дросселя переменного тока ведётся аналогично расчёту сглаживающего дросселя, но с учётом начальных условий. Так для дросселя переменного тока определяющими параметрами являются: требуемая индуктивность L, приложенное напряжение UL, частота переменного тока f, перегрев дросселя. Кроме этого необходимо определиться с материалом сердечника дросселя, который определят индукцию насыщения BS и максимальную индукцию в сердечнике Bm, которая для предотвращения насыщения сердечника выбирается из условия


В основе расчётов дросселя переменного тока лежит выражения для определения величина действующего напряжения падающего на дросселе UL

где f – частота переменного тока,

L – индуктивность дросселя,

I – действующее значение тока дросселя.

Тогда с учетом выражения для индуктивности дросселя с замкнутым сердечником и выражения для максимальной индукции в сердечнике напряжение на дросселе будет зависеть от следующих параметров

где μе – эквивалентная магнитная проницаемость сердечника,

μ – магнитная постоянная, μ = 4π•10-7 Гн/м,

ω – количество витков обмотки дросселя,

Se – эквивалентное сечение сердечника дросселя,

le – эквивалентная длина магнитного пути сердечника дросселя,

Bm – максимальное значение магнитной индукции сердечника,

ka – коэффициент амплитуды тока (напряжения) дросселя.

Получившееся выражение довольно часто можно встретить под названием основной формулы трансформаторной ЭДС, так как оно устанавливает однозначное соотношение, между ЭДС на зажимах обмотки и числом витков обмотки, при заданной величине магнитной индукции в сердечнике. Тогда при синусоидальном напряжении (коэффициент амплитуды ka ≈ 1,414) выражение принимает следующий вид

Вернёмся к исходному выражению для напряжения на дросселе UL, в котором неоднозначным является параметр – количество витков. Данный параметр кроме всего прочего (величины индуктивности L и магнитной проницаемости μе сердечника) зависит от размеров магнитопровода, а конкретнее от площади окна SO, которое можно вычислить по следующему выражению

где I – действующее значение тока дросселя,

ω – количество витков обмотки дросселя,

kИ – коэффициент использования окна сердечника,

j – плотность тока в проводе обмотки.

Параметры kИ и j выбирают аналогично, как и для дросселя сглаживающего фильтра, то есть коэффициент использования окна сердечника kИ ≈ 0,3, а плотность тока j = 5 А/мм2.

Тогда выражая из данного выражения количество витков провода ω, получим

Получившееся выражение определяет основное расчётное выражение для определения типоразмера сердечника – произведение площадей сердечника SeSO. После преобразования выражения для действующего напряжения на дросселе UL определяем количество витков обмотки ω и величину немагнитного зазора δ

где μе – эквивалентная магнитная проницаемость сердечника,

μ – магнитная постоянная, μ = 4π•10-7 Гн/м,

Se – эквивалентное сечение сердечника дросселя,

le – эквивалентная длина магнитного пути сердечника дросселя,


Bm – максимальное значение магнитной индукции сердечника,

ka – коэффициент амплитуды тока (напряжения) дросселя.

Вычисленное количество витков является ориентировочным, так как из-за уширения магнитного потока значение индуктивности оказывается несколько больше при данном количестве витков, что в некоторых случаях является нежелательным. Поэтому необходимо пересчитать витки с учётом коэффициента уширения магнитного потока F

Осталось выбрать сечение обмоточного провода SП

где SO – площадь окна используемого сердечника,

kИ – коэффициент использования окна сердечника,

ω – количество витков обмотки дросселя.

Выбор сечения провода необходимо производить, округлив полученное значение до ближайшего номинала, при этом необходимо учитывать, что на высоких частотах возрастают потери мощности в проводе. Поэтому при достаточно высокой частоте необходимо использовать обмоточный провод, состоящий из нескольких жил, при этом диаметр жилы выбирают исходя из глубины скин-слоя δ

где f – частота переменного тока, протекающего через дроссель,

δ – толщина скин-слоя,

dп – диаметр жилы в обмоточном проводе.

После конструктивного расчёта сердечника и обмотки необходимо проверить тепловой режим работы дросселя – нагрев и перегрев дросселя.

Технические характеристики

Основным техническим параметром дросселя в электротехнике и электронике, полностью характеризующим его функциональность, является величина индуктивности. Этим он напоминает обычную катушку, применяемую в различных электрических схемах. И в том и другом случае за единицу измерения принимается Генри, обозначаемый как Гн.

Еще один параметр, описывающий поведение дросселя в различных цепях – его электрическое сопротивление, измеряемое в Омах. При желании его всегда удается проверить посредством обычного тестера (мультиметра). Для полноты описания работы этого элемента потребуется добавить такие показатели:

  • допустимое (предельное) напряжение;
  • номинальный ток подмагничивания;
  • добротность образуемого катушкой контура.

Указанные характеристики дросселей позволяют разнообразить их ассортимент и использовать для решения самых различных инженерных задач.

Самостоятельное изготовление

Для самостоятельного изготовления дросселя необходимо правильно рассчитать его конструкцию. Для этого используется простая формула расчёта индуктивности: L=0,01*d*w 2 /(L/d+0,44), где d — диаметр основания (см), L — длина проволоки (см), w — количество витков. При этом если имеется мультиметр с возможностью изменения индуктивности, то точное количество витков можно подобрать, используя его.

Метод намотки при использовании этой формулы предполагает укладку виток к витку. Например, необходимо подобрать магнитопровод для дросселя с индуктивностью один мкГн, рассчитанный на ток I = 4A. Берется сердечник 2000 НМ типоразмера К 16 х 8 х 6. Согласно справочнику коэффициент начальной индуктивности — ALH = 1,36 мкГн, а длина магнитного пути — le= 34,84 мм. Соответственно, число витков будет N= (L/ALH)0,5= (1/1,36)0,5 = 0,86. Если принять N=1, то при заданном токе напряжённость магнитного поля в сердечнике будет равна Н= 4*1/(34,84*10−3)= 114 А/м.

Таким образом, дроссель представляет собой катушку, которая характеризуется индуктивностью. Благодаря своим свойствам он может накапливать магнитную мощность, после отдавая её в цепь в виде электрической энергии. При этом использование элемента позволяет также подавлять переменную составляющую тока в цепи.

Виды и примеры использования

Чтобы более точно усвоить, что такое дроссель, поговорим о конкретном применении этого элемента в схемах. Его можно увидеть практически в любой схеме. Их ставят, если надо развязать (сделать независимыми друг от друга) участки, работающие на разной частоте. Они сглаживают резкие скачки тока (увеличение и падение), используются для подавления шумов. В некоторых схемах работают как стартовые, способствуя увеличению напряжения в момент старта. В зависимости от назначения, делятся на следующие виды:

  • Сглаживающие. В силу индуктивности, препятствуют резкому повышению или понижению тока.
  • Фильтрующие. Специально подобранные параметры отсекают (подавляют) выбросы на определённых частотах (или в целом диапазоне). Ставят их и на входе статических конденсаторов.
  • Сетевые. Ставят в приборах, питающихся от однофазной сети. Служат для предохранения аппаратуры от перенапряжения.
  • Моторные. Ставят на входе электроприводов, чтобы сгладить пусковые токи.

Читать также: Шины медные прямоугольные марки шмт

Практически в любой схеме есть этот элемент

Как видите, дроссели в электрике имеют широкое применение. Есть они в любой бытовой аппаратуре, даже в лампах. Не тех, которые работают с лампами накаливания, а тех, которые называют лампами дневного света, а так же в экономках и в светодиодных. Просто там они очень небольшого размера. Если разобрать плеер, проигрыватель, блок питания, — везде можно найти катушку индуктивности.

Дроссель в лампах дневного света


Для работы лампы дневного света необходим пуско-регулирующий аппарат. В более «старом» варианте он состоит из дросселя и стартера. Зачем дроссель в люминесцентной лампе? Он выполняет сразу две задачи:

  • При пуске накапливает заряд, необходимый для розжига лампы (пусковой).
  • Во время работы сглаживает возможные перепады тока, обеспечивая стабильное свечение лампы.

Как подключается дроссель в светильнике дневного света

В схеме люминесцентной лампы с электромагнитным ПРА, дроссель включается последовательно с лампой, стартер — параллельно. При неисправности одного из элементов или сгорании лампы, она просто не зажигается. Принцип работы этого узла такой. При включении напряжения в 220 В недостаточно для старта лампы. Пока она холодная, имеет очень большое сопротивление и ток течёт через постепенно разогревающиеся катоды лампы, затем через стартер.

В стартере есть биметаллический контакт, который при прохождении тока нагревается, начинает изгибаться. В какой-то момент он касается второго неподвижного контакта, замыкая цепь. Тут в работу вступает дроссель, пока грелся контакт стартера, он накапливал энергию. В момент когда происходит разряд стартера, он выдаёт накопленную энергию, увеличивая напряжение. В момент старта оно может достигать 1000 В. Этот разряд провоцирует разгон электродов, вырывая их из катодов лампы. Высвобождённые электроды начинают движение, ударяются о люминесцентное покрытие лампы, она начинает светиться. Дальше ток протекает не через стартер, а через лампу, так как её сопротивление стало ниже. В этом режиме дроссель работает на сглаживание скачков тока. Как видим, катушка индуктивности работает и как стартовая, и как стабилизирующая.

Зачем нужен дроссель в блоке питания

Как уже говорили, дроссель сглаживает пульсации тока. Если он при этом обладает значительным сопротивлением, параметры можно подобрать так, чтобы подавить определённые частоты.

Дроссель для сглаживания пульсаций

Второе назначение дросселя в блоке питания — сглаживание тока. Для этого используют низкочастотные дросселя с сердечниками из магнитной стали. Пластины друг от друга изолированы слоем диэлектрика (могут быть залиты лаком). Это необходимо чтобы избавится от самоиндукции и токов Фуко. Катушки такого типа имеют индуктивность порядка 1 Гн, так что сглаживают любые колебания тока, гасят его выбросы.

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.

Маркировка малогабаритных устройств

Устройства для электронных плат имеют размеры не более 2-3 см. Нанести читаемую маркировку в цифровом или буквенном обозначении практически невозможно. Для этого применяют цветовую маркировку электронных дросселей. Дроссели на схемах изображают в виде спирали с параллельной чертой.

На цилиндрический корпус радиодетали наносят несколько цветных колец. Первые две полосы (слева направо) означают величину индуктивности, измеряемую в мГенри. Третья полоса указывает множитель, на который нужно умножить число индуктивности. Четвёртое кольцо выражает допустимое отклонение в % от номинала. Если его не окажется на корпусе детали, то принято считать допуск в пределах 20%.

Таблица цветовой маркировки

Например, цвета колец расположились в следующем порядке: коричневый, жёлтый, оранжевый и серебристый. Это означает величину индуктивности 14 mH, где допуск отклонения составляет 10%.

Технический прогресс не стоит на месте. С каждым годом появляются новые аналоги устаревших моделей. Разработка новых технологий во всех сферах деятельности человека требует совершенствования радиодеталей, в том числе дросселей.

Способы регулировки тока с помощью дросселя

Достоинства устройства несомненны. Практика это подтверждает полностью. Но есть три режима трансформатора, в которых он может находиться. При этом с помощью дросселя в некоторых из них можно регулировать силу сварочного тока. Кстати, дроссель подключается к вторичной обмотке трансформатора, при этом регулируется воздушный зазор в сердечнике.

  1. Холостой ход. Это режим, когда аппарат включен, а работа на нем не производится. Напряжение на трансформатор подано, электродвижущая сила во вторичной обмотке присутствует, а на выходе сварочного тока нет.
  2. Нагрузка. Зажигается дуга, которая замыкает электрическую входную цепочку. В нее входят обмотка дросселя и вторичная обмотка трансформатора. По цепи движется ток, значение которого определяется сопротивлениями двух обмоток. Если в цепь не установить дроссель, то на выходе получился бы ток максимального значения. А это большая вероятность получить прожог свариваемых металлов, залипание электрода. Степень настройки тока будет зависеть от воздушного зазора в стержне, на который наматывается обмотка дросселя.
  3. Короткое замыкание. КЗ образуется в тот момент, когда кончик электрода касается свариваемых металлических заготовок. При этом на сердечнике трансформатора образуется магнитный поток переменного типа, а на вторичной обмотке индуктируется электродвижущая сила. При этом сила тока будет зависеть от общего сопротивления обмотки дросселя и вторичной обмотки трансформатора.

Что касается воздушного зазора, то его увеличение приводит к тому, что сопротивление цепочки увеличивается. А это в свою очередь приводит к уменьшению магнитного потока, соответственно уменьшается индуктивное сопротивление обмоток трансформатора и дросселя. Уменьшилось сопротивление, увеличился ток на выходе. Все по закону Ома. Поэтому ток дуги увеличивается. Именно таким образом с помощью дросселя можно регулировать ток сварочной дуги.

В этой системе с дросселем есть один недостаток. Любой аппарат для сварки в процессе работы вибрирует. Это негативно сказывается на прохождении тока по катушке дросселя. Поэтому можно отказаться от плавной настройки и регулирования тока, а перейти на ступенчатую настройку. Для этого в сердечнике дросселя не надо устанавливать воздушный зазор. Для этого обмотка прибора делается с отводами (через определенное количество витков), к которым припаиваются контакты. Правда, необходимо учитывать тот момент, что через эти контакты будет проходить ток в несколько сот ампер. Поэтому нужно подобрать такие, которые ток такой силы смогут выдерживать.

И еще одна причина, по которой дроссель для сварочного аппарата нужно включить, чтобы процесс сварки проходил в «мягких» условиях. Есть такая характеристика зависимости напряжения сварочной дуги от силы тока на конце электрода, которая носит название падающая. Это очень полезная зависимость, особенно в тех случаях, когда сложно или трудно выдержать расстояние между электродом и свариваемыми металлическими заготовками.

Обеспечить падающую характеристику одним трансформатором практически невозможно, потому что сопротивление его обмоток здесь недостаточно. Обмотка дросселя практически в два раза увеличивает общее сопротивления электрической цепи, что позволяет обеспечить падающую зависимость напряжения от тока. То есть, это еще один плюс в копилку дросселя. Теперь становится понятным, зачем нужен этот прибор.

Как проверить дроссель мультиметром

Что такое дроссель и для чего его применяют разобрались, теперь ещё стоит научиться определять его работоспособность. Если мультиметр может измерять индуктивность, всё несложно. Просто проводим измерение. Если параметры дросселя нам неизвестны, выставляем самый большой предел измерений. Обычно это несколько сотен Генри. На шакале обозначаются русскими Гн или латинской буквой H.

Установив переключатель мультиметра в нужное положение, щупами касаемся выводов катушки. На экране высвечивается какое-то число. Если цифры малы, переводим переключатель в одно из следующих положений, ориентируясь по предыдущим показателям.

Функция измерения индуктивности есть далеко не во всех мультиметрах

Например, если высветилось 10 мГн, выставляем предел измерения ближайший больший. После этого повторно проводим измерения. В этом случае на экране высветится индуктивность измеряемого дросселя. Имея паспортные данные, можно сравнить реальные показатели с заявленными. Они не должны сильно отличаться. Если разница велика, надо дроссель менять.

Если мультиметр простой, функции измерения индуктивности в нём нет, но есть режим измерения сопротивлений, также можно проверить его работоспособность. Но в данном случае мы будем измерять не индуктивность, а сопротивление. Измерив сопротивление обмотки мы просто сможем понять, работает дроссель или он в обрыве.

Так можно проверить исправность дросселя для ламп дневного света

Для прозвонки дросселя тестером переводим переключатель мультиметра в положение измерения сопротивлений. Выставляем предел измерений, лучше выставить нижний,чтобы видеть сопротивление обмотки. Далее щупами прикасаемся к концам обмотки. Должно высветиться какое-то сопротивление. Оно не должно быть бесконечно большим (обрыв) и не должно быть нулевым (короткое). В обоих случаях дроссель нерабочий, все остальные значения — признак работоспособности.


Чтобы убедиться в отсутствии короткого замыкания на витках дросселя, можно перевести мультиметр в режим прозвонки и прикоснуться щупами к выводам. Если звенит — короткое есть, где-то есть пробой, а это значит, что нужен другой дроссель.

Читать также: Заземление электрощита в частном доме

Дроссель – это катушка индуктивности, которая обладает большим сопротивлением по отношению к переменному току. В схеме постоянного тока дроссель оказывает гораздо меньшее сопротивление. Название электрического компонента имеет немецкое происхождение – Drossel, что означает сглаживание, торможение.

Расчёт дросселя переменного тока

В качестве примера рассчитаем дроссель переменного тока со следующими исходными данными: индуктивность дросселя L = 20 мкГн, частота переменного тока f = 50 кГц, действующее значение тока дросселя Iд = 5 А, температура перегрева ∆Т = 50 °C. Ток, протекающий через дроссель, имеет форму прямоугольных импульсов с коэффициентом заполнения D = 0,5.

В общем случае расчёт сводится к выбору параметров магнитопровода и обмотки, при этом режим работы дросселя должен отвечать заданным условиям, в данном случае, температуре перегрева ∆Т.

1.Выберем типоразмер сердечника соответствующего произведению площадей SeSO. Для этого необходимо дополнительно определить действующее напряжение на дросселе UL, коэффициент амплитуды тока дросселя ka, коэффициент использования окна сердечника kИ, значение максимальной индукции тока дросселя Bm и плотность тока j.

Так как частота тока достаточно высокая, то в качестве материала магнитопровода выберем феррит марки N87, следовательно, Bm = 0,3. Коэффициент использования окна сердечника и плотность тока выберем соответственно kИ = 0,3 и j = 5 А/мм2.

Таким образом, выберем магнитопровод, состоящий из двух половинок типа E 20/10/6 со следующими параметрами: le = 93мм, Se = 32 мм2, SO = 57 мм2, Ve = 2980 мм3, SeSO = 1824 мм4.

L = 20,4 мм, H = 20,2 мм, B = 5,9 мм, h = 14 мм, l = 5,9 мм, l1 = 4,1 мм.

2.Определим предварительное число витков обмотки дросселя без учёта эффекта уширения магнитного потока

Полученный результат округлим до ближайшего целого, таким образом, количество витков примем ω = 15. С учетом этого определим величину немагнитного зазора сердечника δ

В связи с тем, что прокладка для создания немагнитного зазора прокладывается как между центральными кернами, так и между боковыми, то соответственно толщина прокладки необходимо уменьшить вдвое по сравнению с рассчитанным значением. То есть толщина прокладки должна составлять 0,1…0,12 мм.

В связи с наличием немагнитного зазора происходит уширение магнитного потока и как следствие увеличение индуктивности. Для того чтобы индуктивность дросселя L соответствовала заданной, необходимо пересчитать число витков обмотки ω с учётом коэффициента уширения F

Таким образом, количество витков примем равным ω = 14. Для окончательного расчёта параметров дросселя определим сечение провода с учётом плотности тока j = 5 А/мм2.

Как видно сечение провода составляет SП = 1 мм2, данному сечению соответствует провод диаметром dП = 1,12 мм. Так как частота переменного тока дросселя достаточно высокая, то для снижения потерь мощности вследствие скин-эффекта необходимо использовать литцендрат – провод состоящий из нескольких жил. Диаметр жилы dЖ не должен превышать удвоенной толщины скин-слоя ∆

В связи с этим для обмотки можно использовать провод, скрученный из 9 жил диаметром 0,38 мм, имеющего суммарное сечение SП = 1,02 мм2.

4.Для завершения расчётов необходимо рассчитать температуру перегрева дросселя ∆Т. Для этого необходимо определить потери мощности в обмотке ∆Р1 и в сердечнике ∆Р2, также суммарную площадь охлаждения дросселя.

Мощность потерь в обмотке ∆P1, зависит от удельного сопротивления проводника (qCu = 0,0171 (Ом•мм2)/м), длины обмоточного провода lпр.об и температурного коэффициента сопротивления меди αCu = 0,0038 °C-1.

где lв.ср. – средняя длина витка обмотки дросселя,

RT – сопротивление провода при температуре перегрева.

Для определения потерь мощности в сердечнике ∆P2 необходимо определить удельные объёмные потери PV при заданной частоте f, рабочей температуре T и максимальной индукции, создаваемой переменным током в дросселе Bm.

По справочным данным для феррита марки N87, при Bm = 300 мТл, f = 50 кГц и T = 70 °C, объемные потери составляют PV ≈ 250 кВт/м3 = 0,25•10-3 Вт/мм3, тогда потери мощности в сердечнике объемом Ve = 2980 мм3 составят

Рассчитаем площади охлаждения сердечника SС и площадь охлаждения обмотки SO.

Таким образом, перегрев составляет ∆Т = 48 °С соответствует требуемым условиям, но находится на пределе, поэтому можно порекомендовать снизить максимальное значение индукции Bm путём увеличения количества витков обмотки, или использовать сердечник большего размера.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.


С этим читают