Автор: Ковалев Николай
Аннотация: В статье рассматриваются некоторые возможные случаи применения индуктивностей в различных видах радиоэлектронной аппаратуры.
Введение
Невозможно себе представить многие виды радиоэлектронной аппаратуры без индуктивных компонентов-дросселей различного назначения и катушек индуктивности. Особенно широко они применяются в источниках вторичного электропитания и в устройствах для телекоммуникаций. Конечно, в некоторых случаях можно заменить индуктивные элементы другими (например, резисторами в качестве нагрузок усилительных каскадов или продольных элементов фильтров питания).
Однако ни один другой элемент в отличие от индуктивностей не обладает свойством оказывать сопротивление переменному току, причем тем большее, чем выше частота, обеспечивая при этом минимальное сопротивление постоянному току и, соответственно, минимальные потери энергии. В конце прошлого века существовала тенденция замены индуктивных компонентов другими, более дешевыми и малогабаритными. В ряде случаев эта задача с успехом была решена. Так, фильтры сосредоточенной селекции на LC-контурах удалось заменить электромеханическими фильтрами и фильтрами на ПАВ, стали применяться цифровые методы фильтрации при обработке сигналов. Но даже и в этом применении не потеряли своего значения перестраиваемые катушки индуктивности, особенно если частота настройки нестандартна. Кроме того, в последнее время индуктивности, не предназначенные для накопления энергии или обладающие небольшой энергоемкостью, имеют габариты и массу, сравнимые или такие же, как и другие чип-компоненты — резисторы, конденсаторы и т. д.
Весьма ценным свойством индуктивных элементов, часто используемым в различных преобразователях электрической энергии, является накопление энергии в магнитном поле при прохождении по ним тока. В качестве накопителей энергии они вне конкуренции.
Типовое применение в схемотехнике
Наиболее широко индуктивные компоненты представлены в импульсных источниках питания (ИИП).
В самых простых понижающих DC/DC-конверторах (рис. 1) может использоваться от одного до нескольких дросселей. Принципиально необходимым является дроссель L3, который служит сглаживающим элементом, выделяющим постоянную составляющую из последовательности импульсов. Он накапливает энергию при открытом ключевом транзисторе VT1, а во время паузы через диод VD1 отдает ее в нагрузку. Кроме того, могут дополнительно применяться: один или несколько дросселей во входном однозвенном или многозвенном фильтре (L1 на рис. 1); один или несколько дросселей в выходном однозвенном или многозвенном фильтре (L4 на рис. 1).
Эти дроссели работают без накопления энергии и служат для подавления шумов и помех на входе и на выходе. Дополнительно для ограничения «сквозных» токов при включении транзистора VT1, обусловленных конечным временем восстановления обратного сопротивления диода VD1, используется дроссель L2, выполняемый часто как насыщающийся.
В повышающем (рис. 2) и полярноинвертирующем DC/DC-конверторах также принципиально необходим накопительный дроссель L2. Дополнительно могут устанавливаться также дроссели L1 и L3 входных и выходных фильтров. Если к фильтрации входных или выходных помех предъявляются повышенные требования, могут быть применены двух- и многозвенные фильтры, но наиболее часто применяются все-таки одно- и двухзвенные.
В однотактных обратноходовых конверторах с гальванической развязкой (рис. 3) дроссели L1 и L2 не являются принципиально необходимыми, но, как правило, устанавливаются во входных и выходных фильтрах. Как и в предыдущих случаях, фильтры могут быть многозвенными. Функцию накопления энергии здесь выполняет трансформатор, осуществляющий также гальваническую развязку.
Однотактные или двухтактные прямоходовые DC/DC-конверторы (рис. 4 соответственно) обязательно содержат накопительный дроссель (L2 на рис. 4), а также могут содержать (и, как правило, содержат) дополнительно дроссели входных и выходных фильтров (L1 и L3) для улучшения фильтрации напряжения на входе и выходе.
AC/DC-преобразователи могут содержать корректор коэффициента мощности (ККМ).
Он используется преимущественно в устройствах средней и большой мощности. Структура и режим работы ККМ соответствует повышающему DC/DC-конвертору без гальванической развязки (рис. 2). В нем обязательно содержится дроссель-накопитель энергии (L2 на рис. 2). Отличие от повышающего конвертора состоит в том, что импульсы ККМ промодулированы по длительности по синусоидальному закону и на входе действует не постоянное напряжение, а выпрямленное синусоидальное. Дроссель ККМ часто имеет обмотку обратной связи. Входные и выходные дроссели в ККМ обычно не используются, фильтры шумов и помех переносятся на вход и выход AC/DC-преобразователя.
В сетевых фильтрах при питании от сети переменного тока дроссели применяются очень широко. Фильтры бывают как встраиваемые в источник питания или аппаратуру, так и внешние, предназначенные для подключения одного или нескольких устройств. Наиболее широко такие фильтры используются для подключения компьютеров и офисной техники. В таких фильтрах (рис. 5) применяются дроссели двух видов. Для подавления синфазных помех служат так называемые тококомпенсированные дроссели, имеющие две одинаковые обмотки, которые включаются встречно по отношению к току питания низкой частоты (L1 на рис. 5). Благодаря этому сердечник дросселя не подмагничивается. Для подавления дифференциальных помех предназначен дроссель с согласно включенными обмотками (L2 на рис. 5). Этот дроссель подмагничивается током питания низкой частоты. Он может быть заменен одним или двумя однообмоточными дросселями.
Дроссели являются необходимыми элементами усилителей низкой частоты (УНЧ) класса D (рис. 6). Такие УНЧ обладают тем преимуществом, что их выходные транзисторы работают в ключевом режиме, обеспечивая высокий КПД при достаточно хорошем коэффициенте гармоник и вполне приличной выходной мощности — до десятков Вт. Это позволяет обходиться без радиаторов. Дроссель используется в выходном фильтре и является интегрирующим элементом — накопителем энергии.
В данном случае никакой другой элемент решить эту задачу не способен. УНЧ класса D могут с успехом применяться в домашних кинотеатрах, автомобильной и переносной радиоаппаратуре, ноутбуках и т. д. Поскольку речь зашла о звукоусилении, то необходимо вспомнить многополосные акустические системы, в которых применяются частотно-разделительные фильтры, совершенно невыполнимые без индуктивных компонентов.
Для примера на рис. 7 приведена схема трехнием, так как простейший емкостный фильтр не обеспечивает высокого уровня фильтрации шумов и помех, а на резисторе RC-фильтра возникает слишком заметное падение напряжения, что снижает уровень и точность питающих напряжений (а к этому особенно чувствительны микропроцессорные устройства).
Кроме того, с RC-фильтром при изменении режима работы устройства и связанном с этим изменении тока потребления возникает специфическая помеха по питанию из-за изменения падения напряжения на резисторе фильтра. Дроссель же, имея весьма малое активное сопротивление, почти не ухудшает качества питающего напряжения по уровню и стабильности, но оказывает весьма заметное сопротивление для переменной составляющей шумов и помех, образуя совместно с конденсатором фильтр нижних частот второго порядка, работающий значительно эффективнее C или RC-фильтра. Единственным условием является то, что собственная резонансная частота дросселя должна лежать выше рабочего диапазона частот. Фильтр может быть многозвенным. Для исключения нежелательных паразитных резонансов конденсатор фильтра должен состоять из электролитического и керамического конденсаторов. Применение LC-фильтров на вводе питания функциональных плат позволяет развязать платы по питанию между собой, снизить требования к источникам вторичного электропитания по шумам и пульсациям и применить более дешевые источники.
Также успешно дроссели могут использоваться и в цепях развязки по питанию внутри платы, отделяя друг от друга различные каскады и узлы устройства. Особенно эффективно их применение при низковольтном питании 3,3 В и менее, что достаточно часто встречается в современной аппаратуре.
В сигнальных цепях, особенно при работе на длинные соединительные линии, успешно используются тококомпенсированные дроссели (рис. 9), содержащие от двух до четырех и более одинаковых обмоток, включаемых по току сигнала встречно. Они являются почти идеальными подавителями синфазных (симметричных) шумов и помех (до 60–80 дБ), оказывая незначительное сопротивление полезному сигналу.
Рис. 9. Помежоподавляющие дроссели в линии связи
При дистанционном питании удаленных частей аппаратуры при помощи дросселей совместно с газовыми разрядниками и другими защитными элементами обеспечивается защита от воздействия грозы. Тококомпенсированные дроссели, установленные в сигнальных цепях, также помогают решать эту задачу.
Следует также упомянуть дроссели, используемые в качестве индуктивной нагрузки (или части нагрузки) усилительных каскадов, особенно широкополосных и видеоусилителей. Здесь дроссели, почти не снижая напряжения питания, обеспечивают необходимое сопротивление нагрузки по переменному току, а также частотную компенсацию на верхних частотах диапазона.
И, наконец, перестраиваемые или неперестраиваемые катушки индуктивности, используемые в резонансных LC-контурах (фильтрпробках, контурах LC-генераторов, гетеродинов, преселекторов и т. д.). Хотя LC-контуры в частотно-избирательных цепях в последние годы используются все реже (заменяются пьезокерамическими фильтрами, фильтрами на ПАВ, цифровыми устройствами фильтрации), катушки индуктивности все же не совсем потеряли свое значение. Они вполне успешно занимают свою нишу благодаря своей простоте, надежности, низкой стоимости, возможности легкого воспроизведения с нужными параметрами, что особенно важно при небольших тиражах аппаратуры. LC-контуры можно легко перестраивать на нужную частоту.
Материалы
Рассмотрим кратко материалы, используемые в дросселях и катушках индуктивности. Поскольку речь идет, прежде всего, о повышенных частотах, то основными материалами для индуктивных компонентов являются ферриты и магнитодиэлектрики.
Для тококомпенсированных дросселей, в которых отсутствует подмагничивание, как для силовых цепей, так и для сигнальных, используются высокопроницаемые ферриты с начальной относительной магнитной проницаемостью от 4000 до 10 000. Сердечники применяются как тороидальные, так и U-образные, либо разновидности Ш-образных и броневых.
Для дросселей, работающих с подмагничиванием и являющихся накопителями энергии, обычно применяются ферритовые сердечники с зазором. Магнитная проницаемость сердечника не имеет решающего значения, так как величина индуктивности определяется преимущественно величиной немагнитного зазора. Для снижения потерь в сердечнике используются так называемые «силовые» марки ферритов, например, N87 фирмы Epcos или аналогичные. Кроме того, применяются сердечники без зазора из магнитодиэлектриков (в них имеется распределенный зазор).
Причем для изделий с наиболее высокими требованиями и характеристиками используются сердечники из молибденового пермаллоя (MPP, МП), а для изделий минимальной стоимости — из сендаста (Cool Mµ) или распыленного железа. Для дросселей фильтров, работающих с подмагничиванием и с небольшой величиной переменной составляющей напряжения, из магнитодиэлектриков наиболее подходит распыленное железо как наиболее дешевый материал, вполне удовлетворяющий данным требованиям. Кроме того, широко применяются незамкнутые сердечники из никель-цинковых ферритов различной конфигурации. Наиболее простые из них стержневые. Они лучше всего держат подмагничивание благодаря почти бесконечному воздушному зазору, но в то же время обладают и наибольшими полями рассеяния. Примером дросселей на таких сердечниках являются отечественные высокочастотные дроссели типа ДМ.
Дроссели на гантельных сердечниках компактнее, меньше излучают, но их индуктивность в большей степени зависит от тока подмагничивания. Такие гантели выпускаются как без выводов, так и с радиальными или аксиальными штыревыми выводами. И, наконец, экранированные гантельки, помещаемые в ферритовый экран. Они излучают еще меньше, но, соответственно, из-за уменьшения величины воздушного зазора еще хуже держат подмагничивание. В последнее время появились низкопрофильные гантельные сердечники, как экранированные, так и неэкранированные, используемые для поверхностного монтажа. Дроссели на таких сердечниках могут выполняться на токи до десятков ампер.
Следует упомянуть высокочастотные дроссели, выполненные в виде чипов. Они выпускаются разных типоразмеров и имеют несколько разновидностей — дроссели с ферритовыми сердечниками и намоткой проводом, многослойные дроссели с ферритовыми сердечниками и без них. Такие дроссели имеют те же типоразмеры, что и другие пассивные компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа — резисторы, конденсаторы. А поскольку индуктивные компоненты, имея одинаковые габаритные размеры с резисторами, имеют в ряде случаев определенные преимущества перед ними, то их весьма целесообразно применять вместо резисторов или вместе с резисторами в качестве фильтров питания, в цепях межкаскадной развязки, для частотной компенсации, в частотно-зависимых нагрузках, в качестве нагрузок усилительных каскадов, особенно при низковольтном питании.
Катушки индуктивности, предназначенные для работы в резонансных контурах, выполняются, как правило, с подстроечными сердечниками из ферритов или карбонильного железа как на цилиндрических каркасах, так и в броневых сердечниках с зазором конфигурации Б, КВ (RM) и т. п. Применение кольцевых сердечников для этих целей — нерациональное решение, так как ферритовые материалы имеют достаточно большой разброс по магнитной проницаемости, что приводит к разбросу индуктивности, а невозможность подстройки катушки в аппаратуре делает настройку контура в резонанс весьма затруднительной. Кроме того, кольцевые сердечники почти не выпускаются из термостабильных материалов ввиду малого их применения. Например, из термостабильного материала N48 фирма Epcos выпускает только броневые сердечники. Существует еще один вид контурных катушек индуктивности наиболее простые и дешевые бескаркасные катушки, которые выпускаются без сердечников и по виду напоминают спиральные пружинки. Такие катушки имеют небольшую индуктивность и применяются на высоких частотах, например в FM-диапазоне. Подстройка контуров в изделии осуществляется сдвиганием и раздвиганием витков, после чего витки фиксируются каким-либо высокочастотным диэлектриком, например парафином.
Итог
Таким образом, мы кратко рассмотрели применение индуктивных компонентов. Исторически они были одними из первых элементов радиоэлектронной аппаратуры, но широко применяются и в настоящее время. Индуктивные компоненты постоянно улучшаются и совершенствуются за счет применения новых материалов, конструкций и технологий. Они будут широко применяться и в будущем в самой разнообразной технике — от мобильных телефонов, радио-, телеприемников и другой аппаратуры связи до источников питания и других устройств силовой электроники.
