Дроссели

Назначение и конструкция дросселей

Что такое дроссель?

Электрический дроссель - устройство, представляющее собой катушку индуктивности и предназначенное для ограничения переменной составляющей электрического тока. Другими словами, если ток в электрической цепи содержит постоянную и переменную составляющие то дроссель, последовательно включенный в эту электрическую цепь, за счёт своей индуктивности и большого сопротивления для переменного тока, значительно его снижает, а на постоянную составляющую тока, влияет минимально, за счёт низкого сопротивления постоянному току.

Рис. 1 Типовая схема включения низкочастотного дросселя в фильтр анодного питания

Дроссели позволяют запасать электрическую энергию в магнитном поле. Типичное их применение - сглаживающие фильтры и различные селективные цепи. Их электрические характеристики определяются конструкцией, свойствами материала магнитопровода, его конфигурацией и числом витков катушки.
При выборе дросселя следует учитывать следующие характеристики:

• требуемое значение индуктивности (Гн, мГн, мкГн, нГн);
• максимальный ток катушки;
• допуск (величину отклонения от исходного значения) индуктивности;
• температурный коэффициент индуктивности (ТКИ);
• активное сопротивление провода катушки дросселя;
• добротность дросселя, которая определяется на рабочей частоте как отношение индуктивного и активного сопротивлений;
• частотный диапазон катушки.

В зависимости от диапазона частот технически различаются высокочастотные и низкочастотные дроссели

Высокочастотные дроссели подразделяются на два типа:

• с постоянным значением индуктивности;
• с переменным значением индуктивности, за счет подстраиваемого ферромагнитного сердечника.

Первый тип применяется, как правило, во входных цепях телефонных аппаратов, в сглаживающих фильтрах, в цепях питания ВЧ аппаратуры. Второй тип катушек используется в резонансных цепях – ВЧ, трактах приемных и передающих устройств.

В ламповых усилителях звуковой частоты высокочастотные дроссели, применяются крайне редко. Как правило их использование может быть предопределено схемотехникой выходных каскадов, построенных на высокочастотных пентодах большой мощности, предрасположенных к самовозбуждению на радиочастотах.

Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в виде однослойных или многослойных катушек. Конструкции дросселей высокой частоты показаны на рис. 2. Для дросселей длинных (а, б) и средних (б, в) волн применяется секционированная многослойная намотка. Дроссели для коротких (г) волн и для метровых (д) волн обычно имеют однослойную намотку - сплошную или с принудительным шагом. В качестве каркаса часто используются керамические стержни от сопротивлений ВС-0,5 и ВС-1,0.

Рис. 2 Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в виде однослойных или многослойных катушек

Высокочастотный дроссель можно изготовить самостоятельно, намотав необходимое количество витков, для получения нужной индуктивности на керамический или фторопластовый сердечник. Рассчитать необходимое количество витков можно по формулам, приведенным в разделе Индуктивности. Катушки с малой индуктивностью.

Лучше использовать, выпускаемые промышленностью ВЧ дроссели. Они имеют понятную яркую цветовую маркировку и отличаются высокой добротностью.

Рис. 2 Цветовая маркировка высокочастотных дросселей

Низкочастотные дроссели - предназначены для подавления низкочастотной составляющей переменного тока питающей сети и его гармоник. На рисунке 3, представлен низкочастотный дроссель, индуктивностью 3 Гн при токе подмагничивания 120 ma.

Рис. 3 Низкочастотный дроссель промышленного производства

Дроссели лучше, и проще всего использовать заводские, предпочтительнее от старых ламповых телевизоров Темп-6, Темп-6М, Темп-7, Рубин-102, Авангард, Беларусь, или других аналогичных по характеристикам старых телевизоров. Но если стоит задача изготовить ламповый усилитель высокого качества и надёжности своими руками, то дроссель придётся рассчитать, по приведенной ниже методике, и изготовить его самостоятельно. Принципиально новым подходом в современной ламповой схемотехнике, может оказаться требование обязательной настройки дросселей фильтра питания в резонанс на частоту 100 Гц. Это необходимо для повышения эффективности фильтрации выпрямленного напряжения.

Расчет низкочастотного дросселя для анодного источника питания

Дроссель - это важный элемент блока питания лампового усилителя. Совместно с электролитическими конденсаторами, он входит в состав П – образного низкочастотного фильтра и становится незаменимым элементом в цепи анодного питания усилителя класса Hi-End. В зависимости от мощностных характеристик усилителя и его качественных показателей, размеры дросселя могут сильно варьировать и доходить до половины размеров силового трансформатора.

Некоторые параметры, встречающиеся в расчетных формулах:
F - частота, Гц;
Sc - площадь сечения сердечника, кв. см;
Кс - коэффициент заполнения сердечника сталью;
Sok - площадь сечения окна, кв. см;
Кок - коэффициент заполнения окна медью;
Вт - максимальная индукция в сердечнике, Тл;
J - плотность тока в проводах, А/кв. мм.
I - постоянный ток в проводе обмотки дросселя, А.

Главный параметр дросселя - его постоянная времени, отношение индуктивности к сопротивлению обмотки L/R. Чем выше требуется эта величина, тем больше должны быть габариты магнитопровода, чтобы провод нужного диаметра и длины поместился в окне сердечника.

Индуктивность дросселя рассчитывается по уже известной формуле:

При неизменной степени постоянного подмагничивания индук­тивность получается максимальной при определенной длине немаг­нитного зазора lz. От величины этого зазора зависит эквивалентная магнитная проницаемость сердечника:

В присутствии постоянного подмагничивания lz уже не является независимой переменной. Ключевой величиной в расчете дросселей и трансформаторов является степень подмагничивания или количество погонных ампервитков (aw0).

Формула связи напряженности магнитного поля с инженерной величиной aw0, приведена ниже:

Предлагаемый алгоритм расчета основан на экспериментальном графике зависимости магнитной проницаемости от aw0 рисунок 4.

Рис. 4 Экспериментальный график зависимости начальной магнитной проницаемости от aw0

Эти графики соответствуют массовым маркам сталей. Высококачественная сталь имеет в несколько раз большую магнитную проницаемость, однако в большинстве случаев рассчитывать на это не приходится. На графике показана зависимость начальной (т. е. в Отсутствие переменного магнитного поля) магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, выраженного в ампервитках на сантиметр. В системе СИ напряженность измеряется в амперах на метр. Следует помнить, что точки на графике соответствуют разным зазорам. Более высокие напряженности требуют большего зазора. В начале расчета величины aw0 и, соответственно, μz не известны. Количество витков в обмотках может быть получено методом последовательных приближений по формуле:

Для этого в формулу подставляются параметры трансформатора, требуемая индуктивность и пробная величина μпроб, по полученному количеству витков вычисляется степень подмагничивания aw0. По графику μ(aw0) находится μz, вместо графиков при машинных расчетах можно использовать аппроксимирующие уравнения:

Пробная μпроб корректируется и снова просчитывается количество витков. Эта процедура проделывается несколько раз до тех пор, пока изменение количества витков от просчета к просчету не будет незначительным (несколько процентов). В большинстве случаев достаточно двух-трех проходов. Если новое значение больше старой μпроб, то μпроб следует увеличить так, чтобы она стала немного больше μz и наоборот. В конце расчета необходимо убедиться, что получившиеся L, N удовлетворяют требованию конструктивной реализуемости. Для этого вычисляется максимальное сечение провода S, которое можно разместить в окне:

Плотность тока в медном проводнике обмотки дросселя, рассчитывается по формуле:

Если плотность тока J не превышает обычных 1,5—2 А/кв. мм, то расчет можно считать оконченным, так как не требуется точного соответствия сопротивления оболочки заданному. Количество витков не должно превышать 3500—4000. При необходимости следует выбрать другой типоразмер магнитопровода и повторить расчет. При сборке намотанного дросселя необходимо уложить в зазор немагнитную прокладку нужной толщины. Точное соблюдение и подбор величины зазора необходимо только для выходных трансформаторов. Для дросселей вполне достаточно точности эмпирической формулы, приведенной ниже. Величина зазора рассчитывается в мм:

Намотка катушек дросселей не имеет особенностей. В большинстве случаев (для дросселей блоков питания) нет необходимости даже в межслоевой изоляции. Обмотка обычно находится под высоким потенциалом, поэтому она должна быть хорошо изолирована от сердечника. Пропитка дросселей, как правило, необходима, чтобы избежать гудения. Результаты расчета дросселя на очень распространенном и дешевом сердечнике от выходного трансформатора лампового телевизора Ш 16x25 с размером окна 16 х 40 мм, приведены в таблице №1:

Таблица №1