Дросселем называется катушка индуктивности, применяемая в цепях переменного тока для регулирования (ограничения) значения силы тока путём изменения индуктивного сопротивления ХL
ХL = ωL,
где ω = const, а индуктивность L – изменяется
Если для регулирования в электрические цепи включается резистор, то возникают большие потери энергии, а это экономически невыгодно.
Дроссель, если пренебречь активным сопротивлением проводов катушки и потерями на вихревые токи в магнитопроводе, будет являться реактивным элементом цепи. При этом индуктивное сопротивление ХL влияет на величину тока в цепи, но активной мощности от генератора (источника энергии) не потребляет. Сравнительно большая индуктивность дросселя L позволяет эффективно ограничивать или регулировать значение переменного тока в цепи.
Дроссель состоит из катушки и магнитопровода, который, в отдельных случаях, может иметь воздушный зазор lз (рисунок 1).
Рисунок 1 – Устройство дросселя
Наличие магнитопровода значительно повышает индуктивность дросселя. Магнитопроводы изготавливаются из высоколегированных горячекатаных сталей и повышеннолегированных холоднокатаных сталей. При использовании горячекатаной стали магнитопроводы собираются из отдельных пластин, изолированных друг от друга слоем лака, окалины или бумаги для уменьшения потерь на вихревые токи.
Принцип работы дросселя заключается в следующем. При подключении катушки (обмотки) дросселя к источнику переменного напряжения возникающий в ней переменный ток создает в сердечнике переменный магнитный поток Ф:
Ф = ФСТ + Фб,
где ФСТ – основная часть магнитного потока, замыкающаяся по магнитопроводу; Фб – часть магнитного потока, замыкающаяся вне ферромагнитной среды (поток рассеивания).
В свою очередь магнитный поток определяется по формуле:
Ф = ВSкcosφк
или выражением
Ф = L÷Iк,
где Sк – площадь контура; φк – угол между вектором В и перпендикуляром к поверхности контура; Iк – ток, протекающий в контуре; L – индуктивность, которая характеризует свойство контура накапливать энергию магнитного поля.
Магнитную индукцию дросселя можно найти, используя выражение для соленоида длиной l
В = μ0μмwI÷lс,
где μ0 – магнитная постоянная (4π×10–7 Гн/м); μм – относительная магнитная проницаемость ферромагнитного материала сердечника; w – число витков; lс – длина катушки (соленоида).
Известно, что магнитный поток Ф индуктирует в обмотке ЭДС самоиндукции, направленную в соответствии с законом Ленца навстречу току и препятствующую его изменению, т. е. в контуре возникает реактивное сопротивление ХL.
При рассмотрении режимов работы дросселя для упрощения анализа его работы считаем, что активное сопротивление обмотки, межвитковая ёмкость и поток рассеяния ничтожно малы. Пренебрегая потерями на перемагничивание сердечника, принимаем зависимость Вm(Н) или ψ(I) однозначной.
Известно, что индуктивность L катушки пропорциональна потокосцеплению или магнитному потоку, пронизывающему её витки, и обратно пропорциональна току, следовательно имеем
L=ψ÷I=wФ÷I.
Полагая, что магнитный поток равномерно распределён по сечению сердечника, а воздушные зазоры малы запишем эту формулу в следующем виде:
где μас – абсолютная магнитная проницаемость сердечника (μ0·μм); μав – абсолютная магнитная проницаемость воздуха (μ0·μв); lст – средняя длина магнитной линии сердечника; lз – длина воздушного зазора; S – площадь поперечного сечения магнитопровода.
При отсутствии воздушного зазора можно не учитывать значение отношения длины воздушного зазора к абсолютной магнитной проницаемости воздуха. При наличии зазора можно не учитывать значение отношения средней длины магнитной линии сердечника к абсолютной магнитной проницаемости сердечника, т. к. μас>>μав. С учётом допущений имеем
Из этих выражений следует, что для получения значительных индуктивностей при минимальных габаритах дросселя необходимо выбирать материал сердечника с большим значением магнитной проницаемости, а его конфигурацию – с минимальным значением длины l. Однако для получения не менее важных показателей дросселя, таких как: линейность, малые потери в сердечнике, помехозащищенность, необходимо принимать компромиссные решения. Например, введение воздушного зазора в магнитопровод, использование в качестве сердечников ферритов и магнитодиэлектриков, экранирование и др. Всё это сказывается на конструктивных особенностях исполнения катушек и сердечников дросселей.
На графиках на рисунке 2 наглядно показано, что с увеличением воздушного зазора индуктивность дросселя уменьшается. Однако при этом уменьшается насыщение магнитопровода. В результате индуктивность дросселя меньше зависит от величины протекающего в нём тока и имеет более линейную характеристику.
Рисунок 2 – Зависимость индуктивности дросселя от величины зазора и величины тока, протекающего через дроссель
Дроссели с воздушным зазором используются в индуктивных сглаживающих фильтрах источников электропитания и других устройствах, где требуется постоянство значения индуктивности дросселя независимо от величины протекающего тока. В дросселе с подмагничиванием на одном магнитопроводе располагаются две обмотки (рисунок 3). Но в отличие от простейшего трансформатора в одной обмотке – обмотке подмагничивания, протекает постоянный ток.
Рисунок 3 – Конструкция дросселя с подмагничиванием
Условное графическое обозначение дросселя с подмагничиванием показано на рисунке 4.
Рисунок 4 – УГО дросселя с подмагничиванием
Влияние постоянного подмагничивания на свойства дросселя с магнитопроводом оценивается качественно, по кривой намагничивания (рисунок 5).
Рисунок 5 – Кривая намагничивания дросселя
Анализ кривой насагничивания (рисунок 5) показывает, что постоянное подмагничивание приводит к увеличению насыщения сердечника и уменьшению его магнитной проницаемости μср. В результате этого уменьшаются значения многих параметров: амплитуды магнитного потока Фm, индуктивности дросселя L, индуктивного XL и комплексного Zк сопротивлений.
Дроссели с подмагничиванием широко используются в магнитных усилителях систем автоматического управления и в устройствах электропитания радиоэлектронной аппаратуры для регулирования и стабилизации напряжения переменного тока.