Глава 16. Индуктивные цепи переменного тока

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Описать фазовое соотношение между током и напряжением в индуктивной цепи переменного тока.

• Дать определение индуктивного сопротивления в цепи переменного тока.

• Дать определение импеданса и рассказать о его влиянии на индуктивные цепи.

• Описать, как индуктивно-резистивная цепь может быть использована для фильтрации и сдвига фаз.

• Объяснить, как работают фильтры верхних и нижних частот на индуктивных цепях.

Катушки индуктивности, как и конденсаторы, препятствуют прохождению тока в цепях переменного тока. Большое количество электронных цепей состоит из катушек индуктивности и резисторов.

16-1. ИНДУКТИВНОСТЬ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Катушки индуктивности противодействуют протеканию тока в цепях переменного тока. Когда к катушке индуктивности приложено переменное напряжение, она создает магнитное поле. Изменение полярности приложенного напряжения приводит к расширению или сжатию магнитного поля. Магнитное поле в свою очередь индуцирует напряжение в витках катушки, которое называется электродвижущей силой (э.д.с.) самоиндукции. Чем больше индуктивность, тем больше э.д.с. самоиндукции. Э.д.с. самоиндукции сдвинута по фазе на 180 градусов относительно приложенного напряжения (рис. 16-1) и противодействует приложенному напряжению. Это противодействие так же эффективно уменьшает ток, как и резистор.

Рис. 16-1. В индуктивной цепи приложенное напряжение и индуцированное напряжение сдвинуты относительно друг друга по фазе на 180 градусов.

Величина напряжения, индуцируемого катушкой индуктивности, зависит от скорости изменения магнитного поля. Чем быстрее магнитное поле расширяется и сжимается, тем больше индуцируемое напряжение. Общее эффективное напряжение на катушке индуктивности равно разности приложенного и индуцированного напряжений.

Индуцированное напряжение всегда меньше, чем приложенное напряжение.

На рис. 16-2 показано фазовое соотношение между током и приложенным напряжением. Заметим, что в чисто индуктивной цепи ток отстает от приложенного напряжения на 90 градусов.

Рис. 16-2. В индуктивной цепи переменного тока ток отстает по фазе от приложенного напряжения.

Противодействие, которое оказывает катушка индуктивности току в цепи переменного тока, называется индуктивным сопротивлением. Индуктивное сопротивление измеряется в омах. Величина индуктивного сопротивления зависит от индуктивности и частоты приложенного напряжения. Чем больше индуктивность, тем больше создаваемое ею магнитное поле и тем больше противодействие току.

Аналогично, чем выше частота, тем больше противодействие току.

Индуктивное сопротивление обозначается символом X_L.

Индуктивное сопротивление определяется формулой:

Х_L = 2πfL

где π = 3,14, f — частота в герцах, L — индуктивность в генри.

_{ПРИМЕР: Чему равно индуктивное сопротивление катушки индуктивностью 0,15 генри на частоте 60 герц?}

_Дано: 

_{π = 3,14; f = 60 Гц; L = 0,15 Гн}

_{ХL =?} 

_{Решение:}

_{ХL = 2πfL}

_{ХL = (2)(3,14)(60)(0,15)}

_{ХL = 56,52 Ом.}

_{ПРИМЕР: Чему равно индуктивное сопротивление катушки индуктивностью 0,15 генри на частоте 400 герц?}

_Дано: 

_{π = 3,14; f = 400 Гц; L = 0,15 Гн}

_ХL =? 

_{Решение:}

_{ХL = 2πfL}

_{ХL = (2)(3,14)(400)(0,15)}

_{ХL = 376,80 Ом.}

Заметим, что индуктивное сопротивление увеличивается при увеличении частоты.

Закон Ома применяется к индуктивному сопротивлению в цепях переменного тока точно так же, как он применяется к резисторам. Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока прямо пропорционально приложенному напряжению и обратно пропорционально току. Это соотношение выражается следующей формулой:

I = E/X_L

_{ПРИМЕР: Какой ток течет через катушку индуктивности 250 миллигенри, когда к ней приложено напряжение 12 вольт с частотой 60 герц?}

_Дано:

_{π = 3,14; f = 60 Гц; L = 0,25 Гн; E = 12 B}

_{I =?; ХL =?}

_{Решение:}

_{Сначала найдем индуктивное сопротивление (XL)}

_{ХL = 2πfL}

_{ХL = (2)(3,14)(60)(0,25)}

_{ХL = 94,20 Ом}

_{Используя XL, найдем ток (I).}

_{I = E/ХL = 12/94,2}

_{I = 0,127 А или 127 мА.}

_{ПРИМЕР: Какое напряжение нужно приложить для того, чтобы через дроссель индуктивностью 15 миллигенри шел ток 10 миллиампер при частоте 400 герц?}

_Дано:

_{π = 3,14; f = 400 Гц; L = 0,015 Гн; I = 0,01 A}

_{E =?; ХL =?}

_{Решение:}

_{Сначала найдем индуктивное сопротивление (XL)}

_{ХL = 2πfL}

_{ХL = (2)(3,14)(400)(0,015)}

_{ХL = 37,68 Ом}

_{Используя XL, найдем напряжение (Е).}

_{I = E/ХL} 

_{0,01 = E/37,68} 

 _{E = 0,38 B} 

_{ПРИМЕР: Чему равно индуктивное сопротивление катушки, по которой течет ток 120 миллиампер при приложенном напряжении 120 вольт?}

_Дано:

_{I = 0,12 A; E = 120 В}

_ХL =?

_{Решение:}

_{I = E/ХL} 

_{0,12 = 120/ХL} 

 _{ХL = 1000 Ом} 

Импедансом цепи, содержащей индуктивность и сопротивление, называется общее противодействие току, оказываемое и индуктивностью, и резистором. Вследствие наличия сдвига фаз, обусловленного наличием индуктивности, индуктивное сопротивление и сопротивление резистора нельзя просто сложить. Импеданс является векторной суммой индуктивного сопротивления и сопротивления резистора в цепи. Импеданс измеряется в омах и обозначается буквой Z. Импеданс можно определить с помощью закона Ома следующим образом:

I = E/Z

Наиболее распространенная индуктивная цепь состоит из резистора и катушки индуктивности, соединенных последовательно. Такая цепь называется RL цепью. Импеданс последовательной RL цепи равен корню квадратному из суммы квадратов индуктивного сопротивления и сопротивления резистора:

_{ПРИМЕР: Чему равен импеданс цепи, состоящей из дросселя индуктивностью 100 миллигенри и соединенного последовательно резистора 470 ом, при приложенном к ним напряжении 12 вольт с частотой 60 герц?}

_Дано:

_{π = 3,14; f = 60 Гц; L = 100 мГн = 0,1 Гн; R = 400 Ом}

_{ХL =?; Z =?}

_{Решение:}

_{Сначала найдем индуктивное сопротивление (XL):}

_{XL = 2πfL}

_{XL = (2)(3,14)(60)(0,1)}

_{XL = 37,68 Ома.}

_{Используя XL, найдем импеданс (Z):}

_{Z = √(R² + XL²)}

_{Z = √[(470)² +(37,68)²]}

_{Z = 471,51 Ом.}

Когда катушки индуктивности соединены последова тельно, их общее индуктивное сопротивление равно сумме индуктивных сопротивлений отдельных катушек:

X_LT = X_L1 + X_L2 + X_L3 +… + X_Ln

Когда катушки индуктивности соединены параллельно, обратная величина их общего индуктивного сопротивления равна сумме обратных величин индуктивных сопротивлений отдельных катушек:

1/X_LT = 1/X_L1 + 1/X_L2 + 1/X_L3 +… + 1/X_Ln

16-1. Вопросы

1. Как катушки индуктивности реагируют на приложенное переменное напряжение?

2. Каково фазовое соотношение между током и напряжением в индуктивной цепи?

3. Что такое индуктивное сопротивление?

4. Чему равно индуктивное сопротивление катушки индуктивностью 200 миллигенри на частоте 10000 герц?

5. Как определяется импеданс для индуктивно-резистивной цепи?

16-2. ПРИМЕНЕНИЯ ИНДУКТИВНЫХ ЦЕПЕЙ

Индуктивные цепи широко используются в электронике. Катушки индуктивности дополняют конденсаторы в цепях фильтрации и фазового сдвига. Поскольку катушки индуктивности больше, тяжелее и дороже, чем конденсаторы, они применяются реже. Однако преимущество катушек индуктивности в том, что они обеспечивают реактивное сопротивление и пропускают постоянный ток. Конденсаторы могут обеспечивать реактивное сопротивление, но при этом они блокируют прохождение постоянного тока.

Катушки индуктивности иногда комбинируют с конденсаторами для улучшения характеристик цепи. В этом случае реактивный эффект конденсатора противоположен реактивному эффекту катушки индуктивности. Конечный результат состоит в том, что они взаимно дополняют друг друга в цепи.

Последовательные RL цепочки используются в качестве фильтров нижних и верхних частот. На рис. 16-3 показаны два основных типа фильтров. По существу эти цепи являются резистивно-индуктивными делителями напряжения. На рис. 16-3(А) изображен фильтр нижних частот.

Входное напряжение приложено к катушке индуктивности и резистору. Выходное напряжение снимается с резистора. На низких частотах реактивное сопротивление катушки низкое. Следовательно, она слабо противодействует току, и основная часть напряжения падает на резисторе.

При увеличении частоты входного напряжения индуктивное сопротивление увеличивается и оказывает большее противодействие току, так что большая часть приложенного напряжения падает на индуктивности. Чем больше падение напряжения на катушке индуктивности, тем меньше падение напряжения на резисторе, т. к. сумма падений напряжения в цепи равна приложенному напряжению. Увеличение частоты входного напряжения уменьшает выходное напряжение. Низкие частоты фильтр пропускает с небольшим уменьшением амплитуды, тогда как амплитуда напряжений высоких частот уменьшается значительно.

На рис. 16-3(Б) изображен фильтр верхних частот. Входное напряжение приложено к катушке индуктивности и резистору, а выходное напряжение снимается с катушки индуктивности. На высоких частотах индуктивное сопротивление катушки высокое, и большая часть приложенного напряжения падает на катушке. При уменьшении частоты индуктивное сопротивление уменьшается, оказывая меньшее противодействие току. Это приводит к уменьшению падения напряжения на катушке, и к увеличению падения напряжения на резисторе.

Рис. 16-3. RL фильтры.

Частота, выше или ниже которой фильтр пропускает или ослабляет сигналы, называется частотой среза. Частота среза обозначается символом f_с. Частоту среза можно определить по формуле:

f_c = R/2πfL

где f_c — частота среза в герцах, R — сопротивление в омах, π = 3,14, f — частота в герцах, L — индуктивность в генри.

16-2. Вопросы

1. В чем неудобство использования катушек индуктивности в цепях?

2. В чем преимущество использования катушек индуктивности в цепях?

3. Нарисуйте амплитудно-частотную характеристику RL фильтра нижних частот и объясните, как он работает.

4. Нарисуйте амплитудно-частотную характеристику RL фильтра верхних частот и объясните, как он работает.

5. Как можно определить частоту среза RL цепи?

РЕЗЮМЕ

• В чисто индуктивной цепи ток отстает от приложенного напряжения на 90 градусов.

• Индуктивное сопротивление — это противодействие току, оказываемое катушкой индуктивности в цепи переменного тока.

• Индуктивное сопротивление обозначается символом X_L.

• Индуктивное сопротивление измеряется в омах.

• Индуктивное сопротивление можно вычислить по формуле:

X_L = 2πfL

• Импеданс — это векторная сумма индуктивного сопротивления и сопротивления резистора в цепи.

• Последовательные RL цепи используются в качестве фильтров верхних и нижних частот.

Глава 16. САМОПРОВЕРКА

1. Каково фазовое соотношение между током и приложенным напряжением в индуктивной цепи?

2. Какой фактор влияет на индуктивное сопротивление цепи?

3. Чему равно индуктивное сопротивление катушки индуктивностью 100 миллигенри на частоте 60 герц?

4. Какой ток будет течь через катушку, описанную в вопросе 3, если к ней приложить напряжение 24 вольта?

5. Как используются в цепях катушки индуктивности?

6. Что такое частота среза индуктивной цепи?