Обратноходовый дроссель: наглядная демонстрация

Когда через катушку индуктивности пропускают постоянный ток, в ней генерируется магнитное поле. Если этот ток мгновенно прервать, магнитное поле начинает стремительно убывать. Данный процесс способен вызвать скачок напряжения на клеммах катушки, достигающий сотен вольт. Ключевое слово здесь — «способен», и далее я подробно разъясню почему.

В классических трактовках подобных экспериментов основной упор обычно делают на переменное магнитное поле. Однако само по себе магнитное поле неспособно заставить электрические заряды двигаться упорядоченно и, следовательно, не порождает электрический ток. Оно также не способно разделять заряды для создания разности потенциалов.
Эту задачу решает исключительно электрическое поле, индуцированное изменяющимся во времени магнитным полем.
Общеизвестно, что переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, которое и приводит заряды в движение (рис. 1).

В представленном цикле экспериментов мы проследим, как накопленная катушкой энергия магнитного поля трансформируется в ток и напряжение, а также разберем физическую суть происходящих процессов через призму классической электродинамики.

Все опыты с индуктивностью базируются на исследовании переходных процессов при коммутации. Иными словами, после накопления энергии в магнитном поле транзистор резко запирается, а затухающее поле индуцирует на выводах катушки отклик в виде тока и напряжения.

На обмотку подается напряжение, и протекающий по ней ток формирует магнитное поле. Схема соединения приведена на (рис. 2). Базовые элементы конструкции: индуктивность, диод, силовой источник, транзистор и генератор сигналов. По ходу экспериментов конфигурация схемы будет дополняться.

Поскольку начало обмотки соединено с положительным полюсом питания, при резком закрытии транзистора на выводах фиксируется потенциал: плюс на конце и минус в начале катушки. В этот момент замкнутая цепь функционирует так, что индуктивность выступает в роли самостоятельного генератора тока.

До насыщения сердечника накопленную энергию можно эффективно передавать в нагрузку — именно так функционируют обратноходовые преобразователи, включая зарядные устройства для смартфонов и прочие импульсные блоки питания.
Тем не менее, утверждение о том, что любая катушка индуктивности в любой ситуации непременно формирует высокое напряжение на выводах, ошибочно.

Резкое запирание ключа на одной и той же катушке может дать импульс в сотни вольт, способный мгновенно пробить транзистор и диод, но в иных условиях на выводах фиксируются лишь десятки, единицы или даже доли вольт, что мы и увидим далее.

Опыт 1.
Подадим на стенд напряжение 9 вольт и откроем транзистор ровно на 200 микросекунд. За это время в силовой цепи установится ток и сформируется магнитное поле катушки. Начальную фазу мы опустим, сосредоточившись на финальном этапе — сразу после мгновенного закрытия ключа.
Как видно, на выводах индуктивности зафиксировано напряжение всего в 1 вольт (рис. 3).

Опыт 2.

Интегрируем в цепь после диода резистор номиналом 1 Ом. Питание и длительность импульса оставим прежними. В этом случае напряжение на клеммах катушки возросло до 9 вольт (рис. 4).

Опыт 3.

Увеличиваем сопротивление резистора до 10 Ом при сохранении остальных параметров неизменными. Как демонстрирует измерение, напряжение на выводах катушки подскочило до 77 вольт (рис. 5).

Логично предположить, что установка резистора с еще большим номиналом приведет к дальнейшему кратковременному росту напряжения на обмотке.

После размыкания цепи начинается спад магнитного поля, параметры которого меняются от максимума к нулю. Это динамическое поле порождает вихревое электрическое поле, выступающее источником ЭДС для свободных носителей заряда в проводнике. Вихревое поле пространственно разделяет заряды внутри витков: на одном конце концентрируется избыток электронов (отрицательный полюс), а на другом — их дефицит (положительный полюс). Данное явление и запускает электрический ток в контуре.

Опыт 4.
Аплитуда напряжения на клеммах обмотки в момент коммутации напрямую зависит от наличия и величины импеданса в цепи. При минимальном сопротивлении контура напряжение на концах катушки остается незначительным: практически все заряды, разделяемые ЭДС, моментально переходят в фазу электрического тока, не успевая скапливаться на выводах (рис. 6).

Чтобы зафиксировать и измерить напряжение, необходимо создать препятствие для движения зарядов, используя резистивный элемент. Чем выше сопротивление этого резистора, тем плотнее «затор» из локально скапливающихся поверхностных зарядов на его границах, и тем выше итоговая разность потенциалов на выводах индуктивности (рис. 7).

Однако включение резистора — далеко не единственный метод управления выходными характеристиками катушки.

Опыт 5.
Дополним схему конденсатором (рис. 8), который будет аккумулировать энергию в виде электрического поля на обкладках.

Хотя в предыдущих тестах напряжение на катушке достигало 77 вольт, теперь мы можем использовать конденсатор, рассчитанный всего на 10 вольт. В начальный момент разряженный элемент обладает минимальным сопротивлением зарядному току, поэтому энергия магнитного поля конвертируется в ток, который и восполняет емкость накопителя.

Подадим питание 9 вольт на 200 микросекунд, после чего мгновенно разомкнем ключ и замерим показатели на конденсаторе и катушке. За один управляющий цикл накопитель зарядился до 820 милливольт, а на выводах индуктивности зафиксировано 1,8 вольта.

Опыт 6.
Подадим на затвор транзистора серию из 5 импульсов длительностью по 200 микросекунд с паузами.
В результате напряжение на конденсаторе увеличилось до 2,3 вольт, а на клеммах катушки — до 3,6 вольт (рис. 9).

Очевидно, что по мере роста напряжения на конденсаторе увеличивается и отклик на выводах катушки. Это обусловлено взаимным процессом накопления и перераспределения зарядов.
Для индуктивности заряженные обкладки конденсатора служат барьером, препятствующим свободному протеканию тока, наведенного ЭДС после запирания ключа. Встречая сопротивление движению, заряды аккумулируются на концах обмотки, формируя измеряемый потенциал, величина которого прямо пропорциональна напряжению на накопителе.

Со стороны же конденсатора катушка ведет себя как источник направленного потока зарядов. Чем сильнее заряжен конденсатор, тем труднее индуктивности преодолевать кулоновское отталкивание одноименных зарядов, что ведет к еще большей их концентрации на выводах (рис. 10).

Следовательно, всплеск напряжения на катушке после отключения питания обусловлен локальным накоплением зарядов — независимо от того, чем именно (резистором или конденсатором) создается сопротивление в цепи.

При этом скорость затухания магнитной энергии напрямую определяется импедансом контура: малое сопротивление обеспечивает плавный спад, тогда как высокое — резкий и мгновенный.

Опыт 7.
Для наглядности изготовим трансформаторную конструкцию, намотав на сердечник две идентичные обмотки сдвоенным проводом в едином направлении. Первичная обмотка принимает ток от источника и создает магнитное поле, а вторичная — гальванически развязанная, но находящаяся в той же зоне влияния переменных магнитных и вихревых электрических полей — остается разомкнутой (рис. 11).

Поскольку контур вторичной цепи не замкнут, а воздух между выводами выступает отличным изолятором (для его пробоя требуются киловольты), вторичную обмотку можно рассматривать как цепь с колоссальным сопротивлением.
Следовательно, здесь должна наблюдаться максимальная концентрация зарядов и высокое напряжение. Тем не менее, обе обмотки погружены в единое электромагнитное поле, а токи в первичной цепи динамически влияют на вторичную. В результате потенциал на вторичной обмотке коррелирует с показателями в первичной контуре, составляя в нашем эксперименте всё тот же 1 вольт.

Выводы. Анализируя индуктивность как радиотехнический компонент, несложно убедиться, что в фазе коммутационного выброса она способна выступать как источником мощного тока при низком напряжении, так и источником высокого напряжения при малых токах. Сразу после размыкания ключа катушка трансформируется в генератор тока, а баланс между напряжением и силой тока в цепи определяется исключительно степенью сопротивления свободному перемещению зарядов.

Источник