Катушки  индуктивности  (КИ;  индуктивность;  индуктор;  катушка)  используются в  электронных  схемах нечасто: обычное их место в схемах  преобразователей питания. Так называемые,  высокочастотные катушки  применяют в фильтрации напряжений питания чувствительных (аналоговых) компонентов.

Общее назначение КИ  (представлена на рисунке 1.27)  –  запасать энергию магнитного поля 

W_м= L_*I²/  2  при протекании электрического тока, где I  –  протекающий через катушку ток, а  L  -  основной параметр КИ  -  индуктивность.

Качественные рассуждения при анализе электрической схемы: «катушка индуктивности  хорошо  пропускает  постоянный  и  низкочастотные  токи  и  затрудняет прохождение высокочастотных токов  –  представляет собой разрыв цепи для таких токов».

Исторический образ  КИ –  катушка с проводом. Внешне она может не отличаться от проволочного резистора.  Чем больше витков, тем  выше  основной параметр  катушки  –  индуктивность.

Отличие  от  проволочного  резистора  заключается в том, что омическое сопротивление  провода в катушке индуктивности является паразитным параметром: чем оно больше, тем больше потери энергии в катушке индуктивности (это функция собственно резистора). Второе отличие заключается в наличие магнитного сердечника (показано на  рисунке  1.28): чем лучше магнитные свойства сердечника, тем выше индуктивность.

Точный расчёт индуктивности катушки зависит от особенностей её конструкции. Для относительно простого случая (показано на рисунке 1.29) индуктивность оценивается по формуле:

L ≈ µ_0*µ_*s_*N²/ l ,  (1.11)

где   µ₀ ≈1,26·10^-6Гн/м магнитная постоянная,

µ - относительная магнитная проницаемость,

s – площадь поперечного сечения катушки [м²],

N- число витков провода, l – длина намотки [м].

Значения  проницаемости  некоторых  магнитных  материалов  представлены в таблице 1.11.

Таблица  1.11 – Значения свойств некоторых магнитных материалов

Материал	µ	Относительная проницаемость, µ/ µ0
Пермаллой	1×10-2	до 50000
Электротехническая сталь	5×10-3	4000
Феррит (никель-цинк)	8,0×10-4 и более	до 640 и более
Никель	1,25×10-4	до 600
*Именно по этой характеристике оценивают магнитные качества магнитных материалов.

На  принципиальных  электрических  схемах  катушки индуктивности  обозначаются  графемой (показано на рисунке 1.30 слева):

Примечание   –   В  некоторых  случаях  общепринятую  в  принципиальных  схемах  графему  заменяют  более  сложной  моделью  (показано  на  рисунке  1.30  справа).  Такая  замена обоснована для КИ, которые имеют низкое значение добротности Q (см. определение далее).

Помимо индуктивности другими важными характеристиками катушек индуктивности являются:

• номинальный  рабочий  ток  в  амперах.  Это  паспортное  значение  не должно превышаться во время эксплуатации КИ;
• добротность. Это паспортное значение рассчитывают по формуле: Q = ω_*L / R_L ,  (1.12)

где  R_L – сопротивление катушки на постоянном токе,

ω=2πf – актуальная круговая частота переменного тока, протекающего в КИ.

Чем больше  Q, тем меньше потери энергии на выбранной частоте, тем качественнее изготовлена катушка.

Катушки индуктивности  также  как  резисторы  и  конденсаторы,  выпускаются в  трёх  функциональных разновидностях:  постоянные,  переменные  и  подстроечные. Подстроечные широко используются в радиотехнике, но практически не используются в измерительной технике  –  их рассматривать не будем. Постоянные  катушки индуктивности  имеют разнообразные конструктивные решения (показано на рисунке 1.31).

Наиболее  широкое  применение  в  настоящее  время  находят  КИ  для  поверхностного  монтажа  (показано  на  рисунке  1.32).  Они  снижают  габаритные размеры электронных узлов, повышают надёжность работы схем и удешевляют продукцию.

Типовые характеристики современных КИ представлены в таблицах 1.12 и 1.13.

Таблица   1.12 –  Типовые характеристики высокочастотных чип-индуктивностей MURATA LQG18HN размера 0603

Типовые расчётные соотношения

1. Последовательное соединение КИ: L_э=L₁+L₂.

Пример:

L1 = 3,3 нГн/910 мА, L2= 6,8 нГн/680 мА; Lэ = 3,3 + 6,8 = 10,1 нГн.

При этом следует иметь в виду, что результат справедлив для токов, не превышающих 680 мА  –  это максимальный рабочий ток который может быть пропущен через L2.

2. Параллельное соединение КИ возможно, но лучше не использовать, т.к. результат мало предсказуем: расположенные рядом КИ взаимодействуют через общее магнитное поле. Формула для расчёта в этом случае более сложная.

Пример использования катушек индуктивности

Катушки индуктивности широко применяются в преобразователях питания.  Схема подключения  понижающего  ключевого  преобразователя  показана  на    рисунке  1.33.  На его вход можно подавать постоянное напряжение в очень широком диапазоне значений  –  от  5до140 В,  на  выходе  поддерживается  стабильным  напряжение +5 В.

Указанные пассивные компоненты рекомендуются производителем в техническом описании. Особенно важно соблюдать рекомендации по выбору типа КИ.