Cewki i dławiki indukcyjne – Jak to działa?

Najistotniejszą rolą każdego dławika indukcyjnego, zwanego także cewką, jest zapobieganie niepożądanym zmianom natężenia prądu. Element ten charakteryzuje się bardzo prostą i nieskomplikowaną budową, którą warto sobie przybliżyć. Mimo, iż w przypadku elektroniki cyfrowej nie trzeba stosować tych elementów, to w kwestii elektroniki analogowej jest zupełnie odwrotnie. Cewki są wówczas nie tylko niezbędną częścią konstrukcji, lecz także bardzo przydatną. Po odłączeniu prądu przechodzącego przez cewkę, na jej zaciskach stworzy się napięcie, które można wykorzystać do projektowania ciekawych konstrukcji. Tak naprawdę cech dławików jest jednak znacznie więcej i warto poznać je wszystkie.

Czym jest cewka i dławik indukcyjny

Cewka służy tylko i wyłącznie do filtrowania napięcia i zarazem do gromadzenia energii pola magnetycznego, a jej przydatność w danym układzie określa się przy pomocy parametru henr (H), który umożliwia pomiar pola magnetycznego możliwego do wytworzenia przez dany obwód. Siła elektromotoryczna powstała wskutek zaistnienia pola magnetycznego wytwarza prąd wsteczny, wywołany bezpośrednio przez zmiany prądu w danym obwodzie, co nosi miano samoindukcji. To właśnie dzięki temu zjawisku dławik zapobiega zmianom natężenia prądu. Jest to element całkowicie pasywny i stosunkowo niewielki, lecz bardzo często wymagany do działania niektórych układów. Cewki mogą dławić prąd lub pracować jako odbiornik fali radiowej w układzie LC. Co ciekawe, nawinięcie dwóch cewek na ten sam rdzeń wykazuje działanie podobne do transformatora.

Czym różni się cewka od dławika i kondensatora?

Cewka, którą często nazywa się dławikiem, służy do filtrowania napięcia, a różnica między tymi dwoma sformułowaniami jest dość płynna. Cewka to ogólnie określony element indukcyjny, zaś dławik jest przeznaczony bezpośrednio do filtracji zakłóceń natężenia prądu. Wiele osób traktuje cewkę jako element przeciwstawny do kondensatora, co ma duży sens. Kondensator podłącza się do układu równolegle, zaś cewkę – szeregowo. To bardzo duża różnica. Kondensator jest ładowany ze źródła zasilania i może być określany mianem zasilania awaryjnego w postaci akumulatora o bardzo niewielkiej “pojemności”. Cewki połączone są szeregowo, dlatego doskonale przepuszczają stałe napięcie, obcinając je jedynie ze zmiennych zakłóceń.

Kondensator jest zbudowany z pary przewodników, które zostały rozdzielone dielektrykiem. Ładunek elektryczny doprowadzony do okładek kondensatora powoduje jego gromadzenie się w urządzeniu za pomocą przyciągania elektrostatycznego. Po odłączeniu zasilania, ładunek pozostaje na okładkach. Na rynku znajduje się wiele rodzajów kondensatorów, które charakteryzują się zupełnie różnym sposobem działania i realizowania pracy.

Budowa cewki

Cewka ma dość prostą i nieskomplikowaną budowę. Element ten składa się z nawiniętego spiralnie odcinka drutu o różnej grubości, zależnej od rodzaju i typu cewki. Wewnątrz tej spirali, w zależności od modelu, mogą znajdować się różne rodzaje materiałów. Wśród nich warto wymienić między innymi rdzeń wykonany z materiału magnetycznego o wysokim poziomie właściwości magnetycznych. W przypadku dławików najczęściej stosuje się ferryt wykazujący duży opór elektryczny i małą indukcję nasycenia bądź karakas, czyli diamagnetyk wykonany z papieru lub tworzywa sztucznego. Występują również wersje cewek bez rdzenia – w tych modelach mamy do czynienia z wypełnieniem spiralnego drutu powietrzem. Jednak tutaj ważna jest jedna zasada – drut tworzący cewkę musi być na tyle sztywny, aby spirala nie miała możliwości na samoistne rozwinięcie. Niezależnie jednak od wybranego wariantu warto wiedzieć, że właściwości cewek z rdzeniem i powietrznych są takie same, gdyż materiały znajdujące się wewnątrz spirali są obojętne magnetycznie.

Na czym polega indukcja w cewce?

Cewka to element inercyjny, czyli gromadzi energię w polu magnetycznym. W urządzeniu tym prąd chwilowy zależy nie tylko od napięcia aktualnego, lecz także od napięcia w przeszłości. Po połączeniu cewki z kondensatorem otrzymamy obwód rezonansowy. Obwód ten działa jako rezonator i może być odpowiednikiem układu drgań mechanicznych. Układ ten wykorzystuje się głównie w radiotechnice i do tej pory jest kluczowym komponentem setek rodzajów urządzeń elektrycznych i elektronicznych.

Zastosowanie dławika indukcyjnego

Dławiki indukcyjne mają szerokie zastosowanie, szczególnie w przemyśle elektronicznym, jak i elektrotechnicznym. Najczęściej są wykorzystywane w układach napędowych, w których współpracują z falownikami, czyli urządzeniami zmieniającymi prąd stały na zmienny z regulowaną wartością napięcia i częstotliwości. Ponadto dławiki indukcyjne stosuje się również w urządzeniach energoelektronicznych, w których mają za zadanie zmniejszać ilość występujących zakłóceń elektromagnetycznych podczas pracy. Dodatkowo elementy te wykorzystuje się w prostownikach zasilanych z sieci elektromagnetycznej. W tym przypadku są przeznaczone do tłumienia tętnień. W obwodach prądu zmiennego dławiki indukcyjne służą do zminimalizowania prądów zwarciowych. 

Co więcej, dławiki są doskonałym zabezpieczeniem przeciwzakłóceniowym w przypadku obwodów AC urządzeń powszechnie użytkowanych. Warto również wiedzieć, że dławik indukcyjny znajdzie zastosowanie w przypadku stabilizatorów impulsowych pracujących na wysokich częstotliwościach, czyli układów scalonych zasilających dany odbiornik. Stabilizatory te odpowiadają za wytworzenie stabilnego napięcia wyjściowego bazując na podstawie zjawiska samoindukcji. Równie częstym zastosowaniem dławika indukcyjnego jest użycie go w celu przerwania prądu sterującego tranzystorami w przetwornicach zbudowanych na tyrystorach. Oznacza to, iż dławik jest jednym z najbardziej uniwersalnych urządzeń elektrycznych i nie należy lekceważyć jego istoty w danym układzie.

Rezystancja dławików – co warto wiedzieć?

W przeciwieństwie do kondensatorów, dławiki włącza się z zasilanym urządzeniem w sposób szeregowy. To niezwykle istotne, gdyż cewka stanowi bardzo mały opór dla prądu stałego, a dla zmiennego dużo większy. Aby sprawdzić rezystancję dławików można wykonać pewne doświadczenie, które nie jest trudne, a jednocześnie jest bardzo skuteczne. Wystarczy ustawić multimetr, czyli zespolone urządzenie przeznaczone do pomiaru różnych wielkości fizycznych, na pomiar rezystancji i wybrać zakres najmniejszy z możliwych. Następnie należy połączyć ze sobą jego końcówki i zanotować otrzymany wynik. Kolejnym krokiem jest zmierzenie rezystancji samego dławika i również zapisanie rezultatu. W efekcie rezystancja dławika będzie różnicą między dwoma, spisanymi wynikami.

Jaki jest cel takiego doświadczenia? Otóż gdy wiemy, że rezystancja danego elementu jest niewielka, a jednocześnie chcemy dokładnie poznać jej wynik, to ten mógłby być zawyżony poprzez wpływ przewodów, przez co końcowe dane były zakłamane. Właśnie z tego powodu niewielka rezystancja jest widoczna tylko i wyłącznie na najmniejszym zakresie pomiarowym miernika, dlatego takie doświadczenie może w wielu przypadkach okazać się niezbędne.

Najważniejsze parametry cewki

Cewka cechuje się kilkoma parametrami, które są niezwykle istotne i mają bezpośredni wpływ na jej pracę. Najważniejszym z nich jest zdecydowanie indukcyjność, która wyrażana jest w Henrach. Oczywiście w zależności od zastosowania wybiera się różne wartości, a ich rozpiętość jest liczona od nanohenrów, aż po milihenry, z czego wynika, że zakres ten jest bardzo szeroki. Ponadto każda cewka charakteryzuje się również własną rezystancją, czyli oporem. Rezystancja jest wielkością wynikająca z reakcji między napięciem, a natężeniem prądu elektrycznego w obwodach prądu stałego. Kolejnym parametrem jest prąd maksymalny, który warto rozłożyć na czynniki pierwsze w jednym z kolejnych akapitów niniejszego poradnika.

Analizując parametry cewki należy wiedzieć, że im większa jej wartość indukcyjna, tym lepiej spełnia ona swoje zadanie polegające na funkcji filtracyjnej. W skrócie, wszystko to, co przepływa przez cewkę jest później wygładzane przez kondensatory. Jednak sama cewka jest elementem biernym, co oznacza, że nie wytwarza samodzielnie energii elektrycznej.

Maksymalna temperatura cewki

Na temperaturę cewki wpływa kilka czynników. Należą do nich między innymi budowa danego obwodu, w którym cewka znalazła swoje zastosowanie, a także rozmieszczenie poszczególnych elementów. Ponadto równie istotny jest rozmiar i grubość ścieżek na płytce drukowanej  PCB (z ang. Printed Circuit Board), a także przepływ powietrza oraz wszelkie inne czynniki, które mają bezpośredni wpływ na jakość i wydajność chłodzenia. Zatem maksymalna temperatura cewki nie mówi zbyt wiele, gdyż pozwala jedynie określić tę wartość w produkcie końcowym. Jednak warto pamiętać, że temperatura cewki nigdy nie powinna przekraczać granicy określonej dla najbardziej niekorzystnych warunków jej pracy.

Cewka nieekranowana i ekranowana

Cewki różnią się między innymi ekranowaniem lub jego brakiem, co zupełnie zmienia ich zastosowanie. Cewki bez ekranowania mają obwód magnetyczny otwarty, tym samym prąd przepływający uzwojeniem indukuje strumień magnetyczny w rdzeniu, który opuszcza go i dociera na jego drugą stronę, co oznacza zamknięcie drogi strumienia magnetycznego. Strumień magnetyczny oddziałuje w pewnym stopniu na obwody znajdujące się w bliskim pobliżu, dlatego może w efekcie zmienić ich charakterystykę.

Cewka ekranowana jest od niej zupełnie różna. Strumień magnetyczny powstały wskutek przepływu prądu przez uzwojenie nie może opuścić rdzenia, dzięki czemu strumień nie wpływa w żaden sposób na obwody znajdujące się w pobliżu tego elementu. Co ciekawe, cewka ekranowana ma znacznie mniejszy prąd nasycenia niż model ekranowany, lecz jest od niego zarazem zdecydowanie droższa. To oznacza, iż obie formy sprawdzą się najlepiej tylko w konkretnych przypadkach. Z zalet cewki ekranowanej warto wymienić możliwość znacznego ograniczenia niechcianych zakłóceń elektromagnetycznych, dlatego można je stosować zawsze wtedy, kiedy chcemy uniknąć zakłóceń. Zaleta ta jest bardzo istotna w przypadku stosowania przetworników charakteryzujących się dużą częstotliwością przełączania.

Cewka jako sposób filtracji zasilania na podstawie Arduino UNO

Arduino UNO to powszechnie lubiany i często stosowany układ, który charakteryzuje się stosunkowo dużą prostotą. Zawarte w nim elementy L2 oraz C10 wspólnie stanowią filtr LC, który ma za zadanie tłumienie i filtrację zakłóceń powstałych wskutek zasilania ich części analogowej. Kondensator C6 ma za zadanie filtrację zasilania cyfrowej części układu. Mimo, iż potrzeba uwzględnienia maksymalnego prądu pobieranego przez dławik powoduje, że sam w sobie nie stanowi zazwyczaj dobrego sposobu zasilenia układu, to do Arduino UNO ze względu na niewielki pobór mocy sprawdzi się doskonale. 

Dławik ze względu na swoją budowę stanowi dużą przeszkodę dla prądu zmiennego oraz zakłóceń powstałych wskutek nieprawidłowości. Prąd podczas pokonywania cewki zostaje w pewnym stopniu “wygładzony” z wszelkich zakłóceń przez kondensatory, co w efekcie wywołuje zasilanie przetwornika cyfrowo-analogowego czystym i niezakłóconym prądem.

Prąd maksymalny dławika

Prąd maksymalny to jeden z najistotniejszych parametrów opisujących cewki. Uzwojenia elementów ze względu na ich rezystancję wywołują efekt odkładania się na nich napięcia w myśl prawa Ohma podczas przepływu po nich prądu. Co to oznacza w praktyce dla kupującego? Iloczyn napięcia oraz prądu to wydzielana przez cewkę moc. Warto pamiętać, aby prąd, który ma przepływać przez rzeczoną cewkę powinien być znacznie mniejszy niż maksymalny dopuszczalny. Dzieje się tak dlatego, że zbyt duża moc powoduje przegrzanie i w efekcie przepalenie uzwojenia i tym samym całkowite upośledzenie pracy tego małego elementu elektrycznego.

Z reguły im cieńszy drut, tym większa indukcyjność i odwrotnie – gruby drut charakteryzuje się znacznie mniejszą indukcyjnością. Karkas ma ograniczoną ilość miejsca, dlatego większa indukcyjność wymusza zastosowanie większej ilości zwojów. W skrócie oznacza to, że im większa indukcyjność, tym mniejszy prąd maksymalny.

Zastosowanie cewek – ogólne informacje

Cewki, lub innymi słowy dławiki, są stosowanie przede wszystkim w obwodach układów elektrycznych, które zasilane są z sieci elektroenergetycznej. Dodatkowo mogą również magazynować energię w układach zasilających i różnego rodzaju przetwornikach napięcia. Co więcej, sprawdzą się także w roli stateczników, zatem dobrze jest stosować je w układach zasilających świetlówki i lampy.

Cewka po połączeniu z falownikiem jest również wykorzystywana bardzo często w elektrycznych układach napędowych i obwodach elektrycznych, gdyż dławiki minimalizują zakłócenia i przepięcia komutacyjne sieci. Co ciekawe, dławiki silnikowe znajdą swoje zastosowanie w układach napędowych prądu stałego i przemiennego, gdyż są instalowane  na obwodach, które łączą kable silnika z przekształtnikiem. Na czym polega ich praca w tych przypadku? Otóż cewki mają tu spełniać niezwykle ważną rolę, a mianowicie są odpowiedzialne za zagwarantowanie ciągłości silnika oraz wygładzenie jego pulsacji. Ponadto dławiki przyczyniają się również do zminimalizowania prądu zwarciowego w danym obwodzie.

Zastosowanie cewek w filtrach strojonych

Obwody rezonansowe, zwane także filtrami strojonymi, wykazują bardzo istotne działanie w praktycznie każdym urządzeniu elektrycznym. Służą do wybiórczego tłumienia częstotliwości, tym samym warto w ich przypadku zastosować modele cewek charakteryzujących się wysokim parametrem Q (dobroć). Jak wiemy, dobroć to wielkość w układzie rezonansowym i służy do określenia ilokrotnie amplituda drgań rezonansowych jest większa niż ta sama amplituda, lecz w obszarze nierezonansowym. Cewki w przypadku filtrów strojonych zazwyczaj występują w formie bez rdzenia, rzadziej zaś z rdzeniem ferrytowym lub karbonylowym ze szczeliną powietrzną. Czasami do niektórych konstrukcji wykorzystuje się również cewki z regulowaną indukcyjnością oraz ekranowane i bez ekranu, a także cewki toroidalne. 

Dławiki w filtrach RFI – przeciwzakłóceniowych

Tłumienie niepożądanych zakłóceń i sygnałów warto powierzyć filtrom przeciwzakłóceniowym RFI, które charakteryzują się znakomitym działaniem. W ich przypadku stosuje się cewki o stosunkowo wysokim poziomie impedancji i w dużym zakresie częstotliwości co oznacza, iż powinien mieć niski poziom dobroci Q. Większość osób decyduje się na zastosowanie cewek z rdzeniem ferrytowym lub z rdzeniem toroidalnym, lecz tylko w przypadku konstrukcji związanych z bardzo małym prądem. Sprawdzają się głównie ze względu na fakt, iż mają zamknięty obwód magnetyczny oraz bardzo niewielkie pole rozproszenia. Czasami zachodzi potrzeba zastosowania szczeliny, szczególnie przy wyższych lub bardzo wysokich prądach, a także rdzeniem z ferrytowym prętem z otwartym obwodem magnetycznym.

Filtracja prądu i magazynowanie napięcia

W niektórych impulsowych zasilaczach sieciowych mogą zdarzać się zakłócenia o wysokich częstotliwościach. Do ich filtracji bardzo często wykorzystuje się cewki, co minimalizuje ryzyko ich powstawania. Natomiast w przetwornikach typu DC/DC, które stosowane są do zasilania dwóch niezależnych źródeł, np. w przypadku dwóch baterii, cewki magazynują energię. W takich sytuacjach największe zastosowanie znajdują rdzenie ferrytowe.

Dodaj komentarz