Trwa promocja na setki książek o elektronice i programowaniu! Zamawiasz 2 tytuły, a płacisz za 1 + darmowa dostawa. Sprawdź listę tytułów »

Kurs elektroniki – #5 – cewki, dławiki

Kurs elektroniki – #5 – cewki, dławiki

W kolejnej części przystępnie omawiamy cewki oraz ich zastosowanie w elektronice cyfrowej. Projekty takie często pozbawione są cewek, warto jednak poznać te podzespoły.

W układach analogowych, zwłaszcza pracujących na wielkich częstotliwościach, można znaleźć znacznie więcej tych elementów.

W przypadku cewek i dławików zaobserwowanie ich działania jest trudne. Jeśli będziesz zajmował się elektroniką cyfrową, to z elementami tymi spotkasz się głównie „w okolicy” mikrokontrolerów, ale nie będziesz zwracał na nie zbytnio uwagi. W samym Arduino UNO znajduje się dławik, a pewnie mało kto wie, że on tam jest i co dokładnie robi.

Kurs podstaw Arduino – spis treści, wstęp
Kurs podstaw Arduino – spis treści, wstęp

Jak najłatwiej rozpocząć przygodę z elektroniką, robotyką i budową programowalnych urządzeń?Oczywiście od Arduino! Tania, prosta platforma,... Czytaj dalej »

Część kursu elektroniki na temat cewek i dławików warto jednak wnikliwie przeczytać. Dzięki wiedzy zawartej w tym artykule poznasz kolejny, zupełnie inny element elektroniczny. Nie będziesz miał też problemów z pomiarem bardzo małych oporów.

Co więcej, cewki odgrywają bardzo ważną rolę w wielu układach elektronicznych, ponieważ jeżeli przez cewkę przepuścimy prąd, a potem nagle go odłączymy, to wygeneruje ona na swoich zaciskach napięcie. Pozwala to na stworzenie naprawdę interesujących układów, takich jak np. impulsowe przetwornice DC/DC, które potrafią zwiększyć napięcie (do czego wrócimy w dalszej części kursu)!

Podstawowe informacje o cewkach

Niektórzy elektronicy mówią, że z kondensatorem jest jak z cewką, tylko na odwrót. Właściwie jest to prawda, bo kondensatory i cewki wykazują całkowicie odmienne zachowania, jednak oba elementy używane są do filtrowania napięcia.

Dławik oraz dwa symbole, którymi można przedstawiać go na schematach ideowych

Przykładowy dławik oraz dwa
(używane zamiennie) symbole

Jak już pewnie wiesz z poprzedniej części kursu, kondensatory podłączane są do układu równolegle. Podczas pracy urządzenia ładują się ze źródła zasilania i stanowią takie pomocnicze „akumulatorki”, które niwelują zakłócenia. Pamiętasz przykład z diodą i dużym kondensatorem?

W przypadku cewek jest inaczej. Po pierwsze włączamy je do układu szeregowo. Dzięki właściwościom, o których przeczytasz dalej, stanowią doskonałą filtrację dla zmiennych zakłóceń i bez problemu „przepuszczają” stały prąd.

Dławiki małej i dużej mocy w różnych obudowach

Na dole: dławik dużej mocy, na górze: mała cewka w obudowie przypominającej rezystor

W pierwszej części kursu zależność prądu, oporu oraz napięcia została przedstawiona w formie analogii wodnej, gdzie rezystor był regulowanym zaworem w tamie. Kondensator w takim układzie można by było przedstawić jako zbiornik magazynujący zapas wody, z którego uzupełniane są chwilowe braki. Natomiast dławik można by zobrazować jako rozpędzoną turbinę, która po odcięciu pompy, kręcąc się niczym koło zamachowe, nadal powoduje jej przepływ do urządzenia docelowego.

Cewka vs. dławik

Cewki występują w różnych obudowach. W technice cyfrowej najczęściej spotykać będziesz małe dławiki, które swoim wyglądem przypominają rezystory. Dławiki tego typu odróżnia od oporników głównie jasnozielony kolor.

Dławik osiowy, który wyglądem przypomina rezystor

Popularny mały dławik osiowy

Pojęcia „cewka” i „dławik” są stosowane zamiennie. Cewka określa w sposób ogólny element indukcyjny, a dławik to cewka użyta do filtracji zakłóceń, ale należy być przygotowanym na to, że określenia te są używane właśnie wymiennie.

Budowa cewki jest prosta. Składa się ona z odcinka drutu nawiniętego spiralnie. Niekiedy wewnątrz tej spirali może znajdować się:

  • rdzeń z materiału magnetycznego,
  • powietrze, jeżeli drut jest na tyle sztywny, aby spirala się nie rozwinęła,
  • karkas z papieru lub tworzywa sztucznego (to też jest cewka powietrzna, ponieważ te materiały są magnetycznie obojętne).

Parametry cewek

Cewki charakteryzują się indukcyjnością, wyrażaną w henrach [H]. W sprzedaży dostępne są cewki o indukcyjnościach rzędu nanohenrów [nH], mikrohenrów [μH] i milihenrów [mH]. Dzięki indukcyjności możemy określić zdolność obwodu do wytwarzania strumienia pola magnetycznego, powstającego w wyniku przepływu przez obwód prądu elektrycznego.

Zestaw elementów do kursu

 999+ pozytywnych opinii  Gwarancja pomocy  Wysyłka w 24h

Chcesz zrozumieć elektronikę? Zamów zestaw elementów do wykonania wszystkich ćwiczeń z kursu i przejdź do praktyki!

Zamów w Botland.com.pl »

Taniej w pakiecie: Mistrz ElektronikiMistrz Majsterkowania

Rezystancja dławików – pomiar małego oporu

Dławiki, w przeciwieństwie do kondensatorów, włącza się szeregowo z zasilanym urządzeniem. Dzieje się tak, ponieważ dla prądu stałego cewka stanowi bardzo mały opór, a dla zmiennego – znacznie większy. O tym, jaka jest rezystancja dławików dołączonych do naszego zestawu, możesz przekonać się, wykonując następujące doświadczenie:

  • ustaw multimetr na pomiar rezystancji i wybierz najmniejszy możliwy zakres,
  • zewrzyj końcówki i zanotuj wynik,
  • zmierz rezystancję dławika (tak samo, jak robiliśmy to z rezystorem) i znów zanotuj wynik,
  • rezystancja dławika to różnica między tymi wynikami.

Przykład ilustrują poniższe grafiki (dla testu możesz wybrać dowolny z dławików):

Wynik: 16,1 Ω – 0,3 Ω = 15,8 Ω

Po co takie zabiegi? Przewody łączące multimetr z cewką mają swoją rezystancję. Jest ona niewielka i widoczna tylko na najmniejszym zakresie pomiarowym miernika. Niemniej jednak, jeśli chcemy poznać rezystancję jakiegoś obiektu, o którym wiemy, że jego rezystancja jest niewielka, to wpływ przewodów zawyżyłby znacznie wynik pomiaru.

Stanie się tak, gdyż przewody te włączone są szeregowo z badanym obiektem. Aby się tego pozbyć, można wykonać dwa pomiary, jak w tym przykładzie. Opisuje to wzór:

rezystancja_dlawika

Sprawdź, jaki opór wskaże pomiar na drugim dławiku (o innej indukcyjności). Jaką zależność można zaobserwować? Spostrzeżeniami podziel się w komentarzach!

Prąd maksymalny cewki

Kupując dławiki, spotkasz się z informacją o ich prądzie maksymalnym. Uzwojenia tych elementów mają pewną rezystancję, przepływ prądu powoduje więc odkładanie się na nich napięcia (patrz: prawo Ohma). Z kolei iloczyn tego napięcia i prądu określa wydzielaną moc.

Gdyby ta moc była zbyt duża, uzwojenie uległoby przegrzaniu i przepaleniu, element ten przestałby zatem spełniać swoje zadanie. Szukając dławików, pamiętaj o tym, aby prąd przez nie płynący był mniejszy od maksymalnie dopuszczalnego.

Czym jest moc? Jak dobrać odpowiednie elementy?
Czym jest moc? Jak dobrać odpowiednie elementy?

Każdy kojarzy takie pojęcie jak moc. Informacje na jej temat widzimy na wielu produktach między innymi na żarówkach i odkurzaczach.…... Czytaj dalej »

Dławiki o większej indukcyjności są nawijane cieńszym drutem niż te, których indukcyjność jest mniejsza. Robi się tak, ponieważ większa indukcyjność wymaga większej liczby zwojów, a rozmiary karkasu są ograniczone. Zatem prąd maksymalny jest tym mniejszy, im większa jest indukcyjność.

Najmniejszym prądem maksymalnym cechują się takie dławiki jak ten dołączony do zestawu. Mogą one wytrzymać prąd rzędu kilkudziesięciu miliamperów. Dławiki na większe prądy mają zdecydowanie większe gabaryty.

Dławiki przystosowane do pracy z różnym prądem

Pomarańczowe elementy przystosowane do współpracy z wyższym prądem

Prąd nasycenia cewki

Prąd nasycenia cewki to maksymalna wartość prądu, jaki może płynąć przez cewkę, aby nie straciła ona swojej indukcyjności. Ewentualny powód tej utraty jest dość prosty: materiał magnetyczny, z którego wykonany jest rdzeń cewki może pomieścić tylko określoną ilość energii. Jeżeli cewka nie może zgromadzić więcej energii to nie ma czym „walczyć” ze zmianami prądu, stąd spadek indukcyjności.

Filtracja zasilania za pomocą cewki

Na początku wspomniano, że dławiki są używane do filtracji zasilania. Oto jak taki układ wygląda na przykładzie popularnego Arduino UNO. Nie musisz teraz rozumieć tego schematu. Skupmy się na pinach (nóżkach układu) opisanych jako AVCC i GND.

Schemat Arduino UNO z zaznaczoną sekcją zasilania, w której znajduje się dławik

Filtrowanie zasilania Arduino UNO

Rozdzielenie zasilania części analogowej (nóżka AVCC) i cyfrowej (VCC) przydaje się, kiedy chcemy korzystać z wbudowanego w układ przetwornika ADC.

Z kolei kondensator C6 filtruje zasilanie części cyfrowej (zgodnie z informacjami z poprzednich artykułów kursu). Zasilanie całego mikrokontrolera przez dławik jest problematyczne, bo trzeba uwzględnić maksymalny prąd, jaki ten może pobierać. Na szczęście powyższy układ nie pobiera dużego prądu, dlatego spokojnie zastosowanie znajdzie tam mały dławik. Wartości elementów (w tym indukcyjność dławika) nie są tu krytyczne.

Działanie tego filtru jest następujące: dławik stanowi przeszkodę dla prądu zmiennego (zakłóceń), który przez niego przepływa. To, co już przepłynie, jest wygładzane przez kondensatory. Dzięki temu zasilanie przetwornika analogowo-cyfrowego pozbawione jest zakłóceń, które mogłyby mieć wpływ na wynik przetwarzania. Dzięki temu podczas pracy z Arduino można precyzyjnie mierzyć napięcie. Więcej o filtrach LC w poniższym artykule:

Czym jest filtr LC? Jak działa i kiedy może się przydać?
Czym jest filtr LC? Jak działa i kiedy może się przydać?

Filtr LC to kolejny z układów (zaraz po filtrze RC), który można spotkać w wielu urządzeniach. Takie połączenie dławika i…... Czytaj dalej »

Ćwiczenie: dławik w praktyce (na później)

Ciężko przedstawić działanie cewek, ale jest sposób, który pozwoli nam dosłownie zobaczyć, jak działa dołączony do zestawy dławik. Warto jednak pamiętać, że poniższy eksperyment to dość nietypowe zastosowanie dla tego elementu, a cały test trzeba wykonywać ostrożnie.

Cewka, w przeciwieństwie do kondensatora, chce utrzymać stałe natężenie prądu. Jeżeli nie płynął przez nią prąd, to ona zrobi wszystko, co tylko może, aby nadal tak było. Jeżeli jednak dopuści do przepływu prądu o określonym natężeniu to później będzie się starała reagować na jego zmiany.

Oto schemat prostego układu, który pozwala zaobserwować to w praktyce. Przerywana linia na dole to połączenie, którego nie należy na początku wykonywać.

Demonstracja działania dławików

Schemat układu testowego z dławikiem

Przykładowe ułożenie elementów na płytce stykowej może wyglądać następująco:

Układ pozwalający na sprawdzenie działania dławików

Przykładowy sposób montażu elementów

Połączenie narysowane na schemacie przerywaną linią zostało zastąpione na płytce stykowej dwoma przewodami, które można łatwo ze sobą zewrzeć. Teraz Twoim zadaniem będzie dołączanie minusabaterii do układu, czyli właśnie zwieranie tych dwóch przewodów, ale na bardzo krótki czas. Chodzi dosłownie o krótkie pstrykanie jednym przewodem o drugi (wystarczające, aby zaobserwować, że dioda LED1 zaczyna świecić).

Ćwiczenia warto wykonać przy przygaszonym świetle. Jeśli wszystko zostało podłączone poprawnie, to po dołączeniu zasilania powinna na chwilę włączać się dioda LED1. Kiedy przewód zostanie odłączony, powinna błysnąć dioda LED2. Takie zachowanie układu jest dość zaskakujące, ponieważ druga dioda jest wpięta zaporowo, a do tego zaczyna świecić, gdy zasilanie jest odłączone. Przeanalizujmy krok po kroku zachowanie tego układu.

Na początku, gdy bateria nie jest podłączona, to przez żaden z elementów tego układu nie płynie prąd. Następnie podłączamy baterię. W tym momencie przez rezystor R1 zaczyna płynąć prąd. A jaka jest jego dalsza droga? Zastanówmy się:

  • dioda LED2 jest wstawiona zaporowo do kierunku przepływu tego prądu, więc przez nią na pewno nic nie popłynie,
  • przez cewkę prąd dotychczas nie płynął, więc ona będzie się starała, aby nadal tak było,
  • pozostaje zatem dioda LED1, która zacznie świecić.

Taki stan rzeczy szybko się zmieni. Cewka nie da rady długo przeciwstawiać się „naporowi” prądu, który chce przez nią płynąć. W końcu „ulegnie” i przejmie prąd, który do tej pory płynął przez diodę. Stanie się to szybko, ponieważ nasza cewka ma niewielką indukcyjność.

Prąd płynie teraz wyłącznie przez cewkę, która – po naładowaniu – stanowi bardzo dobre zwarcie. Dla diody LED1 nie pozostaje już nic (dlatego gaśnie). Taki stan rzeczy może trwać bardzo długo, jednak my nie możemy sobie na to pozwolić. Na rezystorze R1 wydziela się dużo ciepła, nie chcemy go uszkodzić więc odłączamy zasilanie. Czym to skutkuje?

Prąd płynący przez rezystor R1 zanika momentalnie. Jednak przez cewkę dotychczas płynął prąd, zatem będzie ona chciała podtrzymać ten stan. Prądowe prawo Kirchhoffa wymusza na cewce, aby znalazła drogę dla tkwiącej w niej energii. Patrząc na schemat, można powiedzieć, że prąd płynął przez cewkę „z góry na dół”. Potrzebny jest więc element, który pozwoli zamknąć pętlę, w której prąd będzie mógł płynąć w tym samym kierunku. Tutaj świetnie sprawdzi się LED2. Prąd wypłynie z cewki, przejdzie przez diodę LED2, która się zaświeci i wróci „do góry”. 

Rozbłysk LED2 będzie krótki (może nawet będzie ciężko go zobaczyć), ponieważ w cewce zgromadzona jest relatywnie niewielka energia, która zostanie szybko rozproszona. Po rozładowaniu cewki układ wróci do swojego pierwotnego stanu. Będzie czekał na podłączenie do niego baterii, aby cały cykl mógł rozpocząć się na nowo.

Działanie dławika w praktyce - animacja demonstrująca działanie układu

Animacja demonstrująca działanie układu

Działanie tego małego układu nie jest zbyt intuicyjne, a wykorzystanie cewki w takim układzie nie jest jej typowym zastosowaniem. Nie przejmuj się więc, jeśli czegoś tutaj nie zrozumiałeś. Najważniejsze, aby zapamiętać sam fakt świecenia drugiej diody – jest to naoczny dowód na to, że cewka próbuje podtrzymać przepływ prądu.

Podsumowanie

Dowiedziałeś się, do czego stosuje się dławiki i jaka jest ich rola w bardziej rozbudowanych układach zawierających mikrokontrolery (np. Arduino). Poznałeś podstawowe parametry, takie jak indukcyjność, rezystancja i dopuszczalny prąd maksymalny. Pamiętaj jednak, że elementy te są zdecydowanie bardziej popularne w układach wielkich częstotliwości (np. radiowych, przetwornicach itd.).

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.7 / 5. Głosów łącznie: 754

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Pamiętaj, że elektronikę należy poznawać w praktyce. Nie oszczędzaj czasu na eksperymentach. Wszystkie testy przeprowadzisz, mając do dyspozycji dedykowany zestaw elementów. Nawet tak prosta rzecz jak pomiar małych rezystancji zaowocuje z czasem lepszym zrozumieniem elektroniki!

Nawigacja kursu

Aktualna wersja kursu: Damian Szymański, ilustracje: Piotr Adamczyk. Pierwsza wersja: Michał Kurzela. Schematy montażowe zostały wykonane przy częściowym wykorzystaniu oprogramowania Fritzing (oraz własnych bibliotek elementów). Zakaz kopiowania treści kursów oraz grafik bez zgody FORBOT.pl

Data ostatniego sprawdzenia lub aktualizacji tego wpisu: 15.06.2020.

cewki, dławiki, kursElektroniki, opór, rezystancja

Trwa ładowanie komentarzy...