Катушки индуктивности
Катушка индуктивности – это простой компонент, представляющий собой накрученный на катушку электрический провод. С точки зрения электрического тока катушки индуктивности ведут себя противоположным образом по сравнению с конденсаторами. В то время как конденсаторы останавливают постоянный ток, пропуская переменный, катушки индуктивности пропускают постоянные токи, но противостоят переменным. По мере увеличения частоты тока катушка индуктивности ведет себя подобно резистору, сопротивление которого возрастает с ростом частоты тока. Ток, циркулирующий в катушке, создает электромагнитное поле, которое влияет на силу того же тока, препятствуя любому его изменению. Катушки накапливают энергию при помощи созданного ими электромагнитного поля и могут высвобождать ее для поддержания величины тока в цепи, если он больше не поступает.
Катушки индуктивности можно купить или сделать самостоятельно: достаточно обернуть эмалированный медный провод вокруг бумажного цилиндра, который может содержать или не содержать металлический либо ферритовый сердечник. Для построения катушек можно следовать некоторым правилам, указывающим должный размер компонента. Типичными параметрами являются: сечение проволоки, диаметр катушки, длина катушки, число витков, интервал и форма обмотки.
Рис. 2.36. Катушка индуктивности и ее обозначение, напоминающее закрученный провод. Катушку можно сравнить со скрученным шлангом
Такая способность противостоять электрическому току характеризуется индуктивностью и измеряется в генри (Гн), в честь американскогоученого-физика XIX века Джозефа Генри. Нам чаще придется иметь дело с долями генри (мили- и микро-). Наличие сердечника повышает индуктивность катушки и ее уровень качества: параметр, обозначенный буквой Q, полезен для определения, насколько эффективна катушка. Высокое значение Q указывает на то, что катушка будет медленнее приглушать колебания.
В этом случае мы также можем применить аналогию с водой: очень длинный резиновый шланг, закрученный несколько раз. Прежде чем вода пройдет через весь шланг, необходимо подождать определенное время, затем жидкость протечет без проблем, но любое изменение потока воды будет сопровождаться определенным сопротивлением из-за скрученного шланга.
Катушки индуктивности, через которые протекает переменный ток, создают для него сопротивление, называемое реактивным сопротивлением, что зависит от частоты (F) и значения индуктивности (L). Реактивное сопротивление обозначается буквой X и вычисляется по следующей формуле:
XL = 2π · F · L
Для катушки со значением индуктивности 10 мкГн (10 · 10−6) при частоте 0 Гц, то есть при постоянном токе, реактивное сопротивление совпадает с сопротивлением и равно 0 Ом.
При 10 Гц мы будем иметь:
XL = 2π · 10 (10 · 10−6) = 6,28 · 10−4 = 0,000628 (Ом)
Если частота увеличивается до 1 МГц, мы будем иметь:
XL = 2π · 106 (10 · 10−6) = 6,28 · 10 = 62,8 (Ом)
Катушки индуктивности также могут быть соединены последовательно и параллельно. Формулы расчета общей индуктивности похожи на формулы для резисторов. Индуктивность последовательных катушек индуктивности вычисляется простым суммированием:
Lобщ = L1 + L2 + L3 + …
Для параллельных катушек индуктивности мы будем использовать ту же формулу, но «перевернутую»:
Для катушек индуктивности трудно найти общие правила и стандарты для маркировки. Во многих случаях они изготовлены по размеру, и поэтому трудно определить их значения. В продаже существуют мультиметры, позволяющие измерять индуктивность. Для тех, кто много работает с катушками индуктивности, индуктометр является важным инструментом.
Некоторые катушки индуктивности имеют сердечник из металлического материала (феррита), который может быть перемещен с помощью отвертки. Изменяя положение сердечника, вы изменяете значение индуктивности элемента. Катушки такого типа схожи с триммерами, которые мы рассмотрели раньше.
Свойство уменьшать частоту сигнала привело к тому, что катушки индуктивности использовались в качестве супрессоров на линиях электропередач. Этот особый тип элементов, который также называют дросселем, обычно имеет индуктивность в несколько миллигенри. Катушки индуктивности используются для создания фильтров и в радио.
Трансформаторы
Катушки индуктивности очень широко применяются для создания трансформаторов, в которых две катушки намотаны на один сердечник или просто накручены одна на другую. Трансформатор представляет собой устройство, которое способно преобразовывать входное напряжение в более высокое или более низкое напряжение. Две обмотки называются первичная и вторичная, а соотношение между числом витков одной и второй обмотки определяет, каким будет выходное напряжение. Если первичная обмотка имеет больше витков, чем вторичная, то выходное напряжение будет уменьшено. Этот тип трансформаторов очень широко распространен, поскольку он используется в источниках питания для снижения напряжения в сети. Современные источники питания, однако, используют другие методы для преобразования напряжения в сети, более эффективные и менее громоздкие по сравнению с трансформаторами.
Трансформаторы также используются в аудиосхемах или там, где необходимо адаптировать импеданс, то есть сопротивление, которым обладает цепь на одном из двух каскадов. Вторичная обмотка может иметь несколько «разъемов» для подачи различных выходных напряжений или сигналов с различным импедансом.
Рис. 2.37. Символ трансформатора и изображение различных его моделей: для электропитания, радио и для аудиосистем
Кнопки и переключатели
Кнопки и переключатели могут обеспечить самую простую обратную связь с пользователем. Кнопки для печатных плат стоят копейки, а их разнообразие огромно. Существует множество разных типов и моделей кнопок, с колпачками, крышками и даже с подсветкой, оснащенных лампочками и индикаторами. Но классифицируют их не по форме, а по назначению.
Кнопки представляют собой механические устройства с пружиной, которая противодействует давлению на кнопку. Пружина может быть более или менее жесткой, чтобы избежать нежелательных нажатий, вызванных случайными вибрациями. Самый популярный тип кнопки называется нормально разомкнутый контакт (NO): при нажатии на кнопку два вывода образуют электрический контакт. В нормально замкнутом контакте (NC) выводы всегда находятся в контакте и, нажав на кнопку, мы прерываем контакт.
