В этой статье мы в доступной форме обсудим работу дросселей и их использование в цифровой электронике. В таких конструкторах, как Arduino, часто нет дросселей, но с этими компонентами все таки стоит познакомиться.
Использование дросселей можно найти в аналоговых схемах, особенно в тех, которые работают на высоких частотах.
Наблюдать за работой дросселей затруднительно. Но если вы имеете дело с цифровой электроникой, то вы столкнетесь с этими элементами, в основном, «вокруг» микроконтроллеров, но вы не будете уделять им слишком много внимания. В самой плате Arduino UNO есть дроссель, и наверное мало кто знает, что он там есть, и что именно он делает. Тем не менее, нашу статью, посвященную дросселям, стоит внимательно прочитать.
Дроссели играют очень важную роль во многих электронных схемах, ведь, если мы пропустим ток через дроссель, а затем внезапно отключим его, на выводах дросселя будет генерироваться напряжение. Это позволяет создавать действительно интересные схемы!
Основная информация о дросселях
Некоторые утверждают, что работа конденсатора похожа на работу дроселя, только принцип работы у них противоположный. На самом деле это не так, потому что конденсаторы и дроссели ведут себя совершенно по-разному, но оба используются для фильтрации напряжения.
Как вы, наверное, помните из предыдущей статьи, конденсаторы подключаются в цепь параллельно. В процессе работы, устройства заряжаются от источника питания и представляют собой вспомогательные фильтра для устраняния помех. Помните пример с диодом и большим конденсатором?
С дросселями дело обстоит иначе, т.к. их мы соединяем в цепи последовательно. Благодаря своим свойствам, дроссели обеспечивают отличную фильтрацию различных помех и без проблем пропускают постоянный ток.
| В сочетании с конденсаторами, катушки позволяют создать очень хороший фильтр. |
Если представить связь тока, сопротивления и напряжения в виде аналогии с водой, где резистор был регулируемым запорным клапаном, то конденсатор, в такой системе, можно представить как резервуар, в котором хранится запас воды, из которого восполняются временные нехватки воды. С другой стороны, дроссель можно было бы изобразить как рабочую турбину, которая после отключения насоса, вращаясь как маховик, по-прежнему вызывает поток воды (тока) к резервуару (целевому устройству).
| Переносим это в мир электроники — если мы пропустим ток через дроссель, а затем внезапно отключим ток, дроссель будет генерировать напряжение на своих выводах (но это будет длится очень короткое время). |
Дроссель
Дроссели бывают в разных корпусах. В цифровой технике чаще всего встречаются небольшие дроссели, похожие на резисторы. Дроссели этого типа отличаются от резисторов преимущественно светло-зеленым цветом.
Вообще, новички в области электротехники часто утверждают, что термины «катушка» и «дроссель» взаимозаменяемы. Но это не так, катушка обычно определяет индуктивный элемент, а дроссель используется для фильтрации шума. Не стоит путать эти два понятия.
Конструкция дросселя проста. Он состоит из отрезка проволоки, намотанной по спирали. Иногда внутри этой спирали могут быть:
- сердечник из магнитного материала,
- воздух, если проволока достаточно жесткая, чтобы спираль не раскрутилась,
- каркас из бумаги или пластика (материалы магнитоинертны).
| Корпус дросселя сделан из изоляционного материала. |
 |
 |
| Дроссель с сердечником | Воздушный дроссель |
Параметры дросселя
Дроссели имеют индуктивность, выраженную в генри [H]. В продаже имеются дроссели с индуктивностью наногенри [нГн], микрогенри [мкГн] и миллигенри [мГн]. Благодаря индуктивности, мы можем определить способность цепи генерировать магнитный поток в результате протекания электрического тока через цепь.
Сопротивление дросселя — измерение низкого сопротивления
Дроссели, в отличие от конденсаторов, подключаются последовательно с питаемым устройством. Это связано с тем, что дроссель имеет очень небольшое сопротивление для постоянного тока и гораздо большее сопротивление для переменного тока. Узнать сопротивление дросселей можно, проделав следующий эксперимент:
- установите мультиметр на измерение сопротивления и выберите минимально возможный диапазон,
- закоротите щупы мультиметра и обратите внимание на результат,
- измерьте сопротивление дросселя (так же, как мы делали с резистором) и снова посмотрите на результат,
- сопротивление дросселя — это разница между этими результатами.
Пример, на картинке ниже (для теста вы можете выбрать любой дроссель):
 |
 |
| Измерение сопротивления щупов мультиметра | Измерение сопротивления дросселя |
Результат: 16,1 Ом — 0,3 Ом = 15,8 Ом
Почему такой результат? Щупы, соединяющие мультиметр с дросселем, имеют собственное сопротивление. Сопротивление маленькое, поэтому и видно его только в самом маленьком диапазоне измерения тестера. Тем не менее, если мы хотим узнать сопротивление объекта, который, как мы знаем, имеет низкое сопротивление, то щупы значительно повлияют на результат измерения.
Это произойдет потому, что эти щупы подключены последовательно с тестируемым объектом. Чтобы избавиться от этого, вы можете провести два измерения, как в этом примере (формуле):
Проверьте, какое сопротивление покажет измерение на другом дросселе (с другой индуктивностью).
Максимальный ток дросселя
При покупке дросселей на сайтах в Интернете, вы найдете информацию об их максимальном токе. Обмотки этих элементов имеют определенное сопротивление, поэтому при протекании тока, на них накапливается напряжение (см. Закон Ома ). В свою очередь, сумма этого напряжения и тока определяет высвобождаемую энергию.
Если эта энергия будет слишком высокой, обмотка перегреется и сгорит, и этот элемент больше не сможет выполнять свою функцию. При поиске и покупке дросселей помните, что ток, протекающий через них, должен быть ниже максимально допустимого.
Внутри дросселя с большей индуктивностью намотана более тонкая проволока. Это связано с тем, что для более высокой индуктивности требуется больше витков, а размеры корпуса ограничены. Таким образом, чем больше индуктивность, тем меньше максимальный ток, и наоборот.
Дроссели, входящие в комплект Arduino, имеют наименьший максимальный ток. Они выдерживают ток в несколько десятков миллиампер. Дроссели, рассчитанные на большие токи, имеют гораздо большие габариты.
Ток насыщения дросселя
Ток насыщения дросселя — это максимальное значение тока, который может протекать через дроссель, чтобы не потерять его индуктивность. Возможная причина этих потерь довольно проста: магнитный материал, из которого сделан сердечник дросселя, может удерживать только определенное количество энергии. Если дроссель не может накапливать больше энергии, ему нечем «бороться» с изменениями тока, отсюда и уменьшение индуктивности.
Разделение источника питания от аналоговой (AVCC) и цифровой (VCC) части нужно, когда мы хотим использовать встроенный преобразователь АЦП .
| Элементы L2, C10 образуют LC-фильтр, подавляющий помехи при питании аналоговой части. |
Конденсатор С6, в свою очередь, фильтрует питание цифровой части. Запитать весь микроконтроллер, через дроссель, проблематично, потому что нужно учитывать максимальный ток, который он может потреблять. К счастью, приведенная выше схема не потребляет много тока, поэтому в ней можно использовать небольшой дроссель.
| Проще говоря: чем больше индуктивность, тем лучше фильтрация. За минимум можно принять 10 мкГн. |
Этот фильтр работает следующим образом: дроссель препятствует прохождению через него переменного (шумового) тока. То, что уже течет, сглаживается конденсаторами. В результате источник питания аналого-цифрового преобразователя свободен от помех, которые могут повлиять на результат преобразования. Благодаря этому при работе с Arduino можно точно измерить напряжение.
Дроссель: практическое упражнение
Трудно показать, как работают дроссели, но есть способ, который позволит нам буквально увидеть, как работает дроссель, входящий в комплект Arduino. Однако стоит помнить, что следующий эксперимент довольно необычен для этого элемента, и весь тест нужно проводить осторожно.
Дроссель, в отличие от конденсатора, хочет поддерживать постоянный ток. Если бы через него не протекало электричество, он бы сделал все, что мог, чтобы так и было. Однако, если дроссель позволяет протекать определенному току, позже он попытается отреагировать на его изменения.
Вот простая схема, которая позволяет увидеть работу дросселя на практике. Пунктирная линия внизу — это выход, который не следует подключать в начале .
Расположения элементов на макетной плате может выглядеть так:
Соединение, показанное на схеме пунктирной линией, заменено на макетной плате двумя проводами, которые можно легко замкнуть вместе. Теперь вашей задачей будет подключить к цепи « минус » аккумулятора, то есть замкнуть эти два провода, но на очень короткое время. Это буквально короткое замыкание одного провода с другим достаточно, чтобы увидеть, как LED1 начинет светиться.
| Подключение аккумулятора на более длительное время может привести к повреждению компонентов! |
Делайте этот эксперимент при приглушенном свете. Если все подключено правильно, LED1 должен на мгновение загореться после подключения блока питания. LED2 должен мигать при отключении кабеля. Такое поведение схемы довольно удивительно, потому что второй диод заблокирован, и он загорается при отключении питания. Разберем, как ведет себя эта система, шаг за шагом.
Вначале, когда батарея не подключена, ток не течет ни через один из элементов цепи. Затем подключите аккумулятор. В этот момент через резистор R1 начинает идти ток. И каков его дальнейший путь? Давайте рассмотрим:
- диод LED2 вставлен с «препятствиями» в направлении тока, поэтому через него ничего не будет протекать,
- ток не прошел через дроссель, поэтому он будет пытаться поддерживать его таким образом, что LED1 загорится.
| Дроссель будет бездействовать. Через него не будет протекать электричество, даже если он сделан из куска проволоки. |
 |
 |
| Макет после сборки | Первый этап, на котором загорается LED1 |
Такая ситуация быстро изменится. Дроссель не сможет выдержать «тягу» тока, который хочет протекать через него в течение длительного времени. В конце концов, он «уступит» и возьмет на себя ток, который до сих пор протекал через диод. Это произойдет быстро, потому что у нашего дросселя небольшая индуктивность.
| Чем больше индуктивность, тем дольше дроссель может «противостоять». |
Ток протекает только через дроссель, который при зарядке дает очень хорошее короткое замыкание. Для LED1 ничего не остается (поэтому он гаснет). Такое положение вещей может длиться долго, но мы не можем себе этого позволить. На резисторе R1 выделяется много тепла, мы же не хотим его повредить, поэтому отключаем питание.
Ток через резистор R1 протекает мгновенно. Однако через дроссель течет ток, поэтому он должен поддерживать это состояние. Глядя на схему, можно сказать, что ток протекал через дроссель «сверху вниз». Итак, что необходимо, так это элемент, который закроет петлю, в которой ток может течь в том же направлении. Вот где LED2 отлично подойдет. Ток будет течь от дросселя, пройдет через светодиод 2, который загорится и вернется «вверх».
 |
 |
| Ток, протекающий через катушку | LED2 загорается при отключении питания |
Включение («загорание») LED2 будет коротким (может быть, даже трудноразличимой), потому что в дросселе хранится относительно мало энергии и она быстро рассеивается. После разрядки дросселя, система вернется в исходное состояние. Дроссель будет ждать, пока к нему подключится аккумулятор, чтобы цикл мог начаться заново.
Работа этой небольшой схемы не очень интуитивно понятна, и использование дросселя в такой схеме не является типичным применением. Так что не волнуйтесь, если вы здесь чего-то не поняли. Самое главное, что вы смогли на практике увидеть, что загорание второго диода — это визуальное свидетельство того, что дроссель пытается сохранить ток.
Вывод:
Вы узнали, для чего используются дроссели и какова их роль в более сложных системах, содержащих микроконтроллеры (например, Arduino). Также вы узнали об основных параметрах, таких как индуктивность, сопротивление и максимально допустимый ток. Однако помните, что этот элемент определенно более популярен в высокочастотных системах (например, радио, магнитофоны и т.д.).
С Уважением, МониторБанк