Бобина

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Различни прости бобини

Бобината е пасивен индуктивен елемент, използван в електротехниката за съхраняване на енергия под формата на магнитно поле, създавано от протичащ през бобината електрически ток. Способността на бобината да съхранява енергия се измерва чрез нейната индуктивност.

Бобината представлява намотка от проводник - при протичането на ток по проводника във вътрешността на намотката възниква магнитно поле, съгласно закона на Ампер. Заради тяхното свойство да преобразуват променливия ток, бобините са сред основните елементи, използвани в електрически схеми, при които токът и напрежението се променят във времето.

Индуктивността е резултат от образуваното около проводника магнитно поле, което се противопоставя на измененията в протичащия през него ток. Токът през проводника създава магнитен поток, пропорционален на тока, а промените в тока предизвикват съответна промяна в магнитния поток, която от своя страна, съгласно закона на Фарадей, създава електродвижеща сила, противопоставяща се на промените в тока. Индуктивността е величина, съответстваща на размера на възникващата електродвижеща сила за единица промяна в тока. Например, бобина с индуктивност 1 H генерира електродвижеща сила от 1 V, когато протичащият ток се изменя с 1 A/s. Върху размера на индуктивността оказват влияние броят и размерите на навивките, както и материалът на сърцевината, около която са навити. Така магнитният поток може да бъде увеличен многократно, ако проводникът се навие около материал с висока магнитна проницаемост, като желязото.

Устройство[редактиране | edit source]

Различни видове бобини

Бобините обикновено се конструират като намотки проводник, най-често медна тел, навити около сърцевина от въздух или от твърд феромагнитен или феримагнитен материал. Сърцевината от материал с магнитна проницаемост, по-висока от тази на въздуха, усилва магнитното поле и го задържа близо до бобината, като по този начин чувствително увеличава нейната индуктивност. Нискочестотните бобини се конструират като трансформатори, със сърцевина от електротехническа стомана, ламинирана, за да се предотврати възникването на токове на Фуко. Меките ферити се използват за сърцевина при честоти над звуковите, тъй като имат по-малки загуби на енергия при високи честоти, отколкото железните сплави.

Бобините се произвеждат в различни форми. Повечето представляват видима покрита с лак тел, навита около феритна сърцевина. Бобините, при които проводникът е изцяло покрит с ферит се наричат екранирани. Някои бобини имат променлива сърцевина, която дава възможност за промяна на тяхната индуктивност. Бобините, предназначени за блокиране на много високи честоти, понякога се изготвят чрез нанизването на феритен цилиндър или зърно на проводника.

Малки бобини могат да бъдат изпълнени направо върху печатна платка чрез гравиране на отпечатък със спирална форма. Понякога такива равнинни бобини имат и магнитна сърцевина, монтирана допълнително върху платката. Бобини с малка индуктивност могат да се вградят в интегралните схеми с помощта на технология, подобна на тази за вграждане на транзистори, като обикновено се използва свързване с алуминий, положен в спирална форма. Малките размери на интегралните схеми силно ограничават индуктивността на такива елементи, поради което те се използват рядко. Техните функции обикновено се изпълняват от система от кондензатор и активни електронни компоненти.

Свойства[редактиране | edit source]

В теоретичната електротехника понякога се разглеждат идеализирани модели на бобини, които притежават индуктивност, но не и съпротивление или капацитет. Реалните бобини притежават и трите свойства. При определени честоти на тока, някои реални бобини имат поведението на трептящ кръг, поради своя паразитен капацитет, а при дадени честоти капацитивният компонент на импеданса става водещ за поведението им.

Реалните бобини губят енергия, поради съпротивлението на проводника и загуби в магнитната сърцевина, в резултат на хистерезис. При силни токове реалните бобини с желязна сърцевина постепенно се отклоняват от идеалното поведение и заради нелинейности, предизвикани от магнитното насищане. При по-високи честоти съпротивлението и загубите от него нарастват, заради скин-ефект в проводниците на намотката.

Реалните бобини действат като антени, излъчвайки част от обработваната енергия в околното пространство и приемайки електромагнитни излъчвания от други електрически схеми, което води до електромагнитна интерференция. Схеми и материали близки до бобината с близко поле могат да предизвикат допълнителни загуби на енергия. В много практически ситуации паразитните параметри могат да бъдат също толкова важни за поведението на бобините, колкото и индуктивността.

Видове[редактиране | edit source]

С въздушна сърцевина[редактиране | edit source]

При бобините с въздушна сърцевина намотката не е разположена около феромагнитен материал, а остава празна или е навита около немагнитен материал, като пластмаса или керамика. Тези бобини имат по-ниска индуктивност от аналогични бобини с феромагнитна сърцевина, но се използват често при високочестотни токове, тъй като при тях се избягват загубите на енергия в сърцевините, характерни за по-високите честоти. Страничен ефект, който може да възникне при намотките с въздушна сърцевина, които нямат твърдо фиксирана форма, са механичните вибрации на проводника, които предизвикват флуктуации в индуктивността.

Типично приложение на бобините с въздушна сърцевина е радиотехниката, където те често служат за обработка на радиочестотни сигнали. При този вид бобини загубите на енергия не са в сърцевината, а главно в резултат на съпротивлението на проводника. Освен загубата на мощност, те могат да предизвикат и намаляване на общия Q-фактор на схемата, поради което се използват специални техники за тяхното избягване. Основните причини за такива загуби са:

  • Скин-ефект: Съпротивлението на проводниците при високочестотни токове е по-голямо, отколкото при прав ток. Радиочестотните променливи токове не проникват в дълбочината на проводника, а се разпространяват само по неговата повърхност. По тази причина в дебел проводник през голяма част от напречното сечение не преминава ток. Този ефект увеличава съпротивлението на проводника, което е от особено значение при бобините, където се използват проводници с относително малко сечение и голяма дължина.
  • Ефект на близост: Друг подобен ефект, който също увеличава съпротивлението на проводника при високи честоти на тока, се проявява при успоредни проводници, разположени близо един до друг. Индивидуалните магнитни полета на съседните проводници индуцират токове на Фуко, в резултат на които токът в проводника се концентрира в частта от сечението, близка до съседния проводник. Както и при скин-ефекта, това намалява ефективната площ на напречното сечение на проводника и увеличава неговото съпротивление.
  • Паразитен капацитет: Капацитетът между отделните навивки в бобината не води до преки загуби на енергия, но променя нейното цялостно поведение. Всяка навивка в намотката има малко по-различен потенциал от съседните, поради което електрическото поле между тях задържа електрически заряд. Така намотката действа, като че ли успоредно с нея е разположен кондензатор. При достатъчно висока честота този капацитет може да влезе в резонанс с индуктивността на бобината, образувайки трептящ кръг.

За да се ограничат паразитния капацитет и ефектът на близост, радиочестотните бобини се конструират така, че да се избегне наличието на множество успоредни близки навивки. Намотките на тези бобини често се ограничават до само един пласт, а между навивките се оставя празно пространство. За да се ограничи съпротивлението, дължащо се на скин-ефекта, при по-мощни бобини, като използваните в предавателите, намотките понякога се правят от метална лента или тръба, които имат по-голяма специфична повърхнина, или повърхността на проводника се посребрява.

С феромагнитна сърцевина[редактиране | edit source]

Функции в електрическите схеми[редактиране | edit source]

Използва се в някои опити, като този на Никола Тесла в който той доказва съществуването на „електрическа дъга“. Тя служи за повишаване на напрежението.

Приложение[редактиране | edit source]

Бобина с две намотки с индуктивност по 47 mH, предназначена за използване в захранващи блокове на електронни устройства

Бобините намират широко приложение в аналоговите схеми и обработката на сигнали. Съвместно с кондензатори и други компоненти те се използват за усилване или филтриране на определени сигнални честоти. Приложенията на бобините варират от големи устройства в силовите захранвания, които заедно с филтърни кондензатори отстраняват остатъчен шум и други флуктуации от правотоковия изход, до елементи с малка индуктивност, като феритните пръстени, монтирани около кабелите, за да предотвратят предаването по тях на радиочестотна интерференция. По-малки съчетания на бобини и кондензатори образуват трептящите кръгове, използвани в радиотехниката.

Две или повече бобини с взаимодействащ си магнитен поток образуват трансформатор, основен елемент във всички електроразпространителни мрежи. Ефективността на трансформаторите може да намалее при нарастване на честотата на тока, заради токовете на Фуко в сърцевината и скин-ефекта в проводника. Размерът на сърцевината може да бъде по-малък при по-високи честоти, поради което в авиацията обикновено се използва променлив ток с честота 400 Hz, вместо обичайните 50-60 Hz, за да се спести тегло.[1].

Бобините се използват за съхранение на енергия в някои импулсни стабилизатори на напрежението. При тях бобината се в от определена част от цикъла и се разрежда през останалата част. Съотношението между двете части определя съотношението между входното и изходното напрежение. В такива системи бобините се използват съвместно с активни полупроводникови устройства за постигане на прецизен контрол върху напрежението.

Друго важно приложение на бобините е разделянето на постоянния от променливия ток. При подобно приложение те се наричат най-често дросели.

Бележки[редактиране | edit source]

  1. ((en))  Aircraft electrical systems. // Wonderquest.com. Посетен на 24 септември 2010.