Индуктивности и трансформаторы

Время: ~30 мин

Цели урока

понимать, что катушка препятствует быстрому изменению тока и запасает энергию в магнитном поле
знать, откуда берётся индуктивный выброс и как его гасят
различать силовой дроссель, ферритовую бусину и синфазный дроссель по назначению и параметрам
понимать принцип трансформатора и отношение витков

Что нужно знать заранее

2.2 Конденсаторы

Катушка индуктивности

Катушка индуктивности (inductor) — провод, свёрнутый в спираль, часто на магнитном сердечнике. Ток через неё создаёт магнитное поле, в котором запасается энергия.

Если конденсатор «не любит» быстрых изменений напряжения, то катушка — быстрых изменений тока:

U = L · dI/dt

L — индуктивность, единица — генри (Гн). На платах встречаются микрогенри (мкГн) и наногенри (нГн). Напряжение 1 В на катушке 1 Гн разгоняет ток со скоростью 1 А в секунду.

Энергия в магнитном поле: W = L·I² / 2.

Рис. 2.3. Слева: ток через катушку создаёт магнитное поле, в котором запасается энергия. Катушка «сопротивляется» быстрому изменению тока: U = L·dI/dt. Справа: трансформатор — две обмотки на общем сердечнике; напряжения относятся как числа витков, токи — наоборот.

Аналогия: катушка — тяжёлое водяное колесо или маховик в трубе. Разогнать поток сразу нельзя, но если он уже течёт, резко остановить его тоже не получится: инерция давит дальше.

Индуктивный выброс

Из инерции следует самая опасная особенность катушки. Если ток через неё резко разорвать (выключить транзистор или разомкнуть контакт), катушка попытается сохранить ток и поднимет напряжение настолько, насколько понадобится. Это могут быть сотни вольт — хватит, чтобы пробить транзистор или прожечь контакт дугой.

Лечится это диодом параллельно катушке, включённым в обратном направлении (схема в уроке 2.4). В момент выключения ток катушки замыкается через диод и спокойно затухает.

Из учебникагл. 1, §1.16–1.17, с. 35–36; §1.31, с. 59–60

Хоровиц подчёркивает симметрию: у конденсатора ток задаёт скорость изменения напряжения, у катушки напряжение задаёт скорость изменения тока. В §1.31 он показывает, что при размыкании цепи с катушкой реле выброс может достигать порядка 1000 В, и советует диод, а также RC-демпфер (рис. 1.96) или варистор. Трансформатор в §1.17 — два связанных магнитным полем витка: напряжения относятся как числа витков, а мощность почти сохраняется.

Какие индуктивности бывают на платах

Деталь	Зачем	На что смотреть
Силовой дроссель (power inductor)	накапливает энергию в импульсных DC-DC преобразователях	индуктивность L; ток насыщения Isat (при нём L падает); допустимый ток по нагреву Irms; сопротивление обмотки DCR
Ферритовая бусина (ferrite bead)	гасит высокочастотные помехи на линиях питания и сигналов, почти не мешая постоянному току	полное сопротивление Z на частоте 100 МГц, допустимый ток, DCR. Индуктивность в даташите обычно даже не указана
Синфазный дроссель (common-mode choke)	давит помехи, которые идут по обоим проводам пары в одну сторону (USB, Ethernet, CAN)	импеданс синфазной помехи, пропускание дифференциального сигнала
ВЧ-катушка	резонансные цепи и согласование антенн	точность L, добротность Q, частота собственного резонанса

Трансформатор

Трансформатор — две (или больше) обмотки на общем сердечнике. Переменный ток в первичной обмотке создаёт переменное магнитное поле, которое наводит напряжение во вторичной:

U₂ / U₁ = N₂ / N₁ — напряжения относятся как числа витков;
I₂ / I₁ = N₁ / N₂ — токи наоборот, потому что мощность почти сохраняется.

Две важные функции: преобразование напряжения и гальваническая развязка, то есть отсутствие электрического контакта между цепями. Именно поэтому от сетевого блока питания безопасно питать схему.

Трансформатор работает только на переменном токе: постоянный ток не создаёт меняющегося поля. В современных импульсных блоках питания трансформатор работает на десятках и сотнях килогерц, поэтому он маленький.

Практика

На катушку 10 мкГн подали 5 В. С какой скоростью растёт ток? (dI/dt = U/L = 5 / 10⁻⁵ = 500 000 А/с, то есть 0,5 А за 1 мкс. Поэтому в преобразователях ключи переключаются так часто.)
Трансформатор: первичная 1000 витков на 230 В, вторичная 50 витков. Вторичное напряжение? (230 · 50/1000 = 11,5 В.)
В даташите бусины указано «600 Ом при 100 МГц, 1 А, DCR 0,15 Ом». Сколько упадёт на ней при токе 0,5 А? (По постоянному току — 0,5 · 0,15 = 0,075 В. 600 Ом относятся только к высоким частотам.)

🧯 Типичные ошибки

Транзистор, управляющий реле или мотором, сгорает через несколько включений

Почему Нет диода параллельно индуктивной нагрузке, выброс при выключении пробивает транзистор.

Как исправить Всегда ставь обратный диод на катушку реле, мотор, соленоид.

Дроссель в DC-DC греется, преобразователь срывается при нагрузке

Почему Пиковый ток превысил ток насыщения Isat.

Как исправить Выбирай дроссель по пиковому току с запасом (смотри рекомендации в даташите микросхемы преобразователя).

Ферритовую бусину выбрали по «индуктивности»

Почему Бусина — не катушка для накопления энергии, она характеризуется импедансом на высоких частотах.

Как исправить Выбирай по Z@100 МГц, допустимому току и DCR.

Проверь себя

1. Что «не любит» катушка индуктивности?Быстрые изменения напряженияБыстрые изменения токаПостоянный ток
2. Почему при размыкании цепи с катушкой реле возникает большой выброс напряжения?Катушка пытается сохранить ток и поднимает напряжениеВ реле есть встроенный повышающий трансформаторЭто наводка от соседних проводов
3. Трансформатор понижает 230 В до 23 В. Каково отношение витков N₁ : N₂?1 : 1010 : 11 : 1
4. Главный параметр ферритовой бусины для подавления помех?Индуктивность в мкГнИмпеданс на 100 МГцТок насыщения

Практическое задание~20 мин

Найди даташит любого понижающего преобразователя (например, популярного MP1584 или из серии TPS62xxx) и в разделе выбора компонентов (Application Information) выпиши: рекомендуемую индуктивность, как рассчитывается пиковый ток дросселя и какой ток насыщения советуют. Затем подбери у дистрибьютора конкретный дроссель под эти требования.