10. Детали с катушками индуктивности

Проводник, намотанный на сердечник в виде катушки, приобретает новые свойства — его сопротивление оказывается разным в цепях постоянного и переменного тока. В цепях постоянного тока неважно, какую форму принимает проводник: вытянут он в прямую линию или намотан в виде катушки. В каждом случае сопротивление определяется длиной проводника, площадью поперечного сечения и материалом, из которого он изготовлен. В цепях же переменного тока один и тот же проводник имеет разное сопротивление в зависимости от числа витков, или, иначе, от геометрических характеристик проводника. Это новое свойство называется индуктивностью.

Индуктивность катушки меняется при внесении в нее сердечника из магнитного материала. Магнитными свойствами, например, обладают железо, сталь, а они отсутствуют у таких материалов, как, например, медь, алюминий. Катушка с током является электромагнитом, при внесении в нее стального сердечника притяжение магнита возрастает, так как увеличивается магнитное поле.

Единица индуктивности — генри, в радиолюбительской практике она используется сравнительно редко.

Катушка индуктивности как самостоятельный элемент электрической цепи используется редко, обычно она является составной частью более сложных устройств, таких, как электромагнитное реле, телефон, трансформатор и другие. Рассмотрим их назначение, электрические характеристики и конструкцию.

Электромагнитное реле широко используют в автоматике для дистанционного управления различными объектами. Оно состоит из катушки с магнитным сердечником, образующей электромагнит, притягивающейся к магниту пластинки — якоря, возвратной пружины и электрических контактов (рис. 28).

Работает электромагнитное реле следующим образом. Ток в катушке с сердечником создает магнитное поле, которое вызывает притяжение якоря к сердечнику. При этом якорь перемещает контакты, которые замыкаются или размыкаются в зависимости от конструкции реле. Электромагнитные реле отличаются размерами и формой сердечника, якоря, числом контактов и другими

особенностями. Например, в малогабаритных реле (рис. 28) роль возвратной пружины играют сами контакты.

В электромагнитных реле различают первичную цепь, в которую включена обмотка, и вторичную — с контактами. Важно понять, что электрически эти цепи не связаны, они могут иметь разные источники питания, токи и напряжения.

Более того, во вторичной цепи может использоваться источник переменного напряжения. Первым свойством электромагнитных реле является возможность с их помощью усиливать силу постоянного тока, напряжение и электрическую мощность. Эти электрические величины намного больше во вторичной цепи, чем в первичной, их отношение определяет чувствительность реле. Второе важное свойство состоит в возможности осуществлять дистанционное управление различными объектами. Например, можно изготовить пульт управления из электромагнитных реле для подключения и отключения напряжения к столам учащихся в кабинете физики или в учебных мастерских со стола учителя.

Рис. 28. Малогабаритное электромагнитное реле

Электромагнитное реле (рис. 28) называют также нейтральным. В нем якорь притягивается к сердечнику вне зависимости от направления тока в обмотке, т. е. оно «нейтрально» к этому параметру. Казалось бы, по этой причине реле должно работать как в цепях постоянного, так и переменного токов. Однако не надо забывать, что ток меняется не только по направлению, но и по величине, дважды за период он становится равным нулю. Поэтому у реле, включенного в цепь переменного тока, начинает вибрировать якорь, причем с частотой, в два раза большей частоты тока. Так, в сети с частотой 50 Гц реле будет колебаться с частотой 100 Гц. Именно с этой частотой иногда гудят электротехнические приборы, содержащие катушки индуктивности с сердечником, например люминесцентные светильники, счетчики электроэнергии, стабилизаторы напряжения и др. С их помощью, образно говоря, мы слышим «голос» электросети.

Существуют электромагнитные реле, специально предназначенные для работы в цепях переменного тока, но в дальнейшем рассматривать их мы не будем.

Оригинальным вариантом электромагнитного реле являются герконы (от «герметизированные контакты»). Геркон состоит из контактов, заключенных в стеклянный баллон с откачанным

Рис. 29. Геркон — новый тип электромагнитного реле

Рис. 30. Поляризованное реле со съемной панелью: 1-катушка; 2-сердечник; 3-якорь (средний контакт); 4 — левый и правый боковые контакты

воздухом или заполненный инертным газом, и катушки электромагнита (рис. 29). Контакты изготовляют из магнитных материалов, поэтому они притягиваются в магнитном поле обмотки. В одном герконе может быть несколько обмоток и несколько баллонов с контактами. В отличие от электромагнитных реле, между электромагнитом и контактами нет не только электрической, но и механической связи. Она осуществляется на расстоянии благодаря магнитному полю. Достоинством герконов является большая надежность работы контактов, защищенных от воздействия пыли и влаги. Благодаря откачке воздуха из баллона или заполнению его инертным газом резко уменьшается искрение контактов в момент размыкания. Герконы отличаются от других электромагнитных реле также высоким быстродействием из-за малой массы контактов.

Наибольший интерес для практических работ представляет поляризованное электромагнитное реле, принцип действия которого существенно отличается от ранее рассмотренного. Это чувствительное реле получило название поляризованного потому, что направление отклонения его якоря зависит от направления тока в обмотке. Его внешний вид показан на рисунке 30.

Плоские латунные выводы поляризованного реле имеют следующие обозначения контактов: якорь — Я, левый контакт — Л и правый контакт — П. Рядом с другими выводами, соединенными с обмотками реле (их может быть несколько), ставятся цифры.

Конструктивной особенностью поляризованного реле является также использование разъемного соединения, как например в

электронных лампах или в электронно-лучевой трубке. Для увеличения чувствительности обмотки реле соединяются последовательно, т. е. конец одной обмотки соединяют с началом другой и т. д. Если обмотки соединяются неправильно, то чувствительность, наоборот, уменьшается. Правильное соединение легко определить экспериментально. Поляризованное реле имеет такую высокую чувствительность, что оно срабатывает уже при измерении сопротивления обмоток омметром (в нем, напомним, имеется свой источник тока).

Основной характеристикой электромагнитных реле всех типов является сила тока срабатывания — это минимальная сила тока, при которой якорь притягивается к сердечнику и замыкает (размыкает) контакты. Сила этого тока зависит от числа витков обмотки, жесткости пружины и других конструктивных особенностей реле. К другим важным характеристикам относятся сопротивление обмотки (для постоянного тока), число витков, диаметр и марка медного провода, которые указываются на обмотке реле. На обмотке реле указывается также паспорт реле — шифр из букв и цифр.

На принципиальных схемах электромагнитное реле обозначают буквой

Электрический телефон также имеет в основе своей работы электромагнит. При прохождении по его обмотке переменного тока звуковой частоты начинает колебаться упругая металлическая пластинка — мембрана. Ее колебания, переданные по воздуху, воспринимаются ухом человека. В телефоне имеется еще одна важная деталь — постоянный магнит, назначение которого состоит в том, чтобы получить колебание мембраны нужной частоты. Основной электрической характеристикой телефона является сопротивление его обмотки. Например, у миниатюрного телефона типа ТМ-2, ТМ-4, используемого в слуховых аппаратах, сопротивление обмотки равно 140 Ом, а у телефонов типа ТОН-1, ТОН-2-1600 Ом.

Трансформатор является электротехническим устройством, состоящим из двух или более катушек индуктивности (обмоток), имеющих общий магнитный сердечник (рис. 31, а — в). Трансформатор служит для преобразования — «трансформации» — переменного напряжения по величине. Если в первичной обмотке протекает переменный ток, то он создает переменное магнитное поле, которое в основном сосредоточено в магнитном сердечнике. Меняющееся магнитное поле создает во вторичной обмотке переменное напряжение, величина которого зависит от числа витков в ней. Если во вторичной обмотке витков больше, чем в первичной, то трансформатор повышает напряжение и

Рис. 31. Трансформатор: а — внешний вид; упрощенное изображение; в — условное обозначение; высокочастотный с ферритовым кольцом

Рис. 32. Катушка индуктивности учебного набора и детекторного приемника

называется повышающим, если меньше, то понижает и называется понижающим. Явление возникновения напряжения в катушке, находящейся в переменном магнитном поле,— одно из наиболее важных в науке об электричестве.

Трансформаторы могут иметь несколько вторичных обмоток, причем как повышающих, так и понижающих. Трансформаторы, работающие в высокочастотных цепях, могут не иметь сердечника.

В цепях постоянного тока трансформатор не используется.

На принципиальных электрических схемах трансформатор обозначают буквой если он имеет сердечник, и буквами если сердечника нет.

Об устройстве трансформатора, в частности о расположении выводов повышающих и понижающих обмоток, можно узнать с помощью омметра. Обычно повышающие обмотки содержат большее число витков более тонкого провода, чем понижающие обмотки. Соответственно, повышающие обмотки имеют большие сопротивления.

Сердечники трансформаторов изготовляют из отдельных пластин, изолированных лаком, или из магнитных материалов, имеющих большое сопротивление. Делается это для уменьшения потерь, связанных с нагреванием сердечников, находящихся в переменном магнитном поле. В высокочастотных цепях используют трансформаторы с сердечником в виде ферритовых колец разного диаметра (рис. 31, г). Ферриты получают из оксидов различных металлов. От железа и стали они отличаются значительно большим сопротивлением.

Намотка катушек является довольно сложной операцией. Радиолюбители обычно выполняют ее вручную, применяя несложные механические приспособления. На производстве для быстрой и качественной намотки катушек используют специальные станки, для работы на которых нужно получить профессию намотчика катушек. Эта профессия, по сравнению с радиомонтажником, имеет меньшее распространение и более проста. Она имеет только два квалификационных разряда — второй и третий.

Рис. 33. Схема для определения тока срабатывания электромагнитного реле

(см. скан)

(см. скан)