Kurs elektroniki – #5 – cewki, dławiki

Kurs elektroniki – #5 – cewki, dławiki

Kolejna część skrótowo omawia cewki oraz ich zastosowania w elektronice cyfrowej.

W układach analogowych, w szczególności tych, które pracują na wielkich częstotliwościach, można znaleźć ich znacznie więcej. Niemniej jednak, warto poznać te podzespoły.

Słowem wstępu

Lojalnie należy uprzedzić, że poniższa część kursu jest trochę mniej praktyczna od pozostałych. Niestety w przypadku cewek i dławików zaobserwowanie ich działania jest dość trudne. Jeśli będziesz zajmował się elektroniką cyfrową, to z elementami tymi spotkasz się głównie "w okolicy" mikrokontrolerów - o tym pod koniec tego artykułu.

Odcinek warto jednak wnikliwie przestudiować. Dzięki wiedzy zawartej w artykule poznasz kolejny zupełnie inny element elektroniczny oraz nie będziesz miał również problemów z pomiarem bardzo małych oporów.

Zestaw elementów do kursu

Gwarancja pomocy na forum Błyskawiczna wysyłka

Zestaw ponad 90 elementów do przeprowadzenia wszystkich ćwiczeń z kursu dostępny jest u naszych dystrybutorów już od 47zł!

Kup w Botland.com.pl

Podstawowe informacje o cewkach

Niektórzy elektronicy mówią, że z kondensatorem jest jak z cewką, tylko na odwrót. To prawda: kondensatory i cewki wykazują całkowicie odmienne zachowania. Oba elementy używane są do filtrowania napięcia.

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?

cewki

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

W przypadku cewek jest inaczej. Po pierwsze włączamy je do układu szeregowo. Dzięki właściwościom, o których przeczytasz dalej, stanowią one doskonałą filtrację dla zmiennych zakłóceń, a bez problemu “przepuszczają” stałe napięcie. W połączeniu z kondensatorami pozwalają one na stworzenie bardzo dobrego filtru.

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

Cewki występują w różnych obudowach. W technice cyfrowej najczęściej spotykać będziesz małe dławiki, które swoim wyglądem przypominają rezystory (przykład na powyższym zdjęciu). Dławiki takie od oporników, z wyglądu, odróżnia głównie kolor, który jest jasnozielony/turkusowy.

Pojęcia „cewka” i „dławik” są często stosowane zamiennie. Cewka określa w ogólności element indukcyjny, a dławik to cewka użyta do filtracji zakłóceń. Należy być przygotowanym na spotykanie tych określeń używanych zamiennie.

Budowa cewki powietrznej.

"Solenoid-1" autorstwa Zureks - Praca własna. Licencja Domena publiczna na podstawie Wikimedia Commons.
Budowa cewki powietrznej.

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

  • rdzeń z materiału magnetycznego (np. czarny, matowy ferryt jak w górnym dławiku na zdjęciu),
  • 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).

Dokładniej, budowa cewki widoczna jest na poniższym zdjęciu, gdzie wyraźnie widać czerwony drut, który został nawinięty spiralnie na czarny rdzeń ferrytowy.

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 zmierzyć zdolność obwodu do wytwarzania strumienia pola magnetycznego powstającego w wyniku przepływu przez obwód prądu elektrycznego.

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 zestawu, możesz przekonać się, wykonując następujące doświadczenie:

  • ustaw multimetr na pomiar rezystancji i wybierz najniższy możliwy zakres,
  • zewrzyj końcówki i zanotuj wynik,
  • zmierz rezystancję dławika, również zanotuj wynik,
  • rezystancja dławika to różnica między tymi wynikami.

Przykład ilustrują te zdjęcia:

Wynik: 24,5Ω – 0,3Ω = 24,2Ω

Po co takie zabiegi? Mianowicie, przewody łączące multimetr z cewką również mają swoją rezystancję. Jest ona niewielka, ponieważ wykonuje się je na ogół z miedzi.

Niemniej jednak, jeżeli chcemy poznać rezystancję jakiegoś obiektu, o którym wiemy, że rezystancja ta jest niewielka, wówczas wpływ przewodów zawyży 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 zauważyłeś? Spostrzeżeniami podziel się w komentarzach!

Prąd maksymalny cewki

Kupując dławiki, spotkasz się z informacją o prądzie maksymalnym. Ponieważ ich uzwojenia mają pewną rezystancję (jak sprawdziliśmy to wcześniej), to przepływ prądu powoduje odkładanie się na niej pewnego napięcia (patrz: prawo Ohma). Z kolei, iloczyn tego napięcia i prądu określa wydzielaną moc.

Dławiki o większej indukcyjności są nawijane cieńszym drutem niż te, których indukcyjność jest mniejsza. Robi się tak, ponieważ większa indukcyjność wymaga większej ilości 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 – są one rzędu kilkudziesięciu miliamperów. Dławiki na większe prądy mają zdecydowanie większe gabaryty.

Filtracja zasilania

Na początku wspomniałem, że dławiki są używane do filtracji zasilania. Oto, jak taki układ wygląda na przykładzie mikrokontrolera ATmega8. Na ten moment nie musisz rozumieć całego schematu. Skupmy się na pinach (nóżkach układu) opisanych jako AVCC i GND.

Przykład odsprzęgania zasilania mikrokontrolera ATmega8.

Przykład odsprzęgania zasilania mikrokontrolera ATmega8.

Rozdzielenie zasilania części analogowej (nóżka AVCC) i cyfrowej (VCC) przydaje się, kiedy chcemy korzystać z wbudowanego w układ przetwornika ADC. Elementy L1, C1 i C2 tworzą filtr LC, który bardzo skutecznie tłumi zakłócenia rozchodzące się po obwodzie zawierającym układy cyfrowe.

Z kolei kondensatory C3 i C4 filtrują zasilanie części cyfrowej, jak opisano w poprzedniej części. Zasilanie całego mikrokontrolera przez dławik jest o tyle problematyczne, że 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 krytyczne. Do zestawu dołączony jest dławik o indukcyjności właśnie 1mH, zatem i taki znalazł się na schemacie.

Działanie tego filtru jest następujące: dławik stanowi przeszkodę dla prądu zmiennego, który przez niego przepływa. To, co przepłynie, jest wygładzane przez kondensatory. Dzięki temu, zasilanie przetwornika analogowo-cyfrowego pozbawione jest zakłóceń, które mogłyby mieć wpływ na wynik przetwarzania.

Podsumowanie

Dowiedziałeś się, do czego stosuje się dławiki i jaka jest ich rola w układach zawierających mikrokontrolery. Poznałeś podstawowe parametry, jak indukcyjność, rezystancja i dopuszczalny prąd maksymalny. Pamiętaj jednak, że elementy te są zdecydowanie bardziej popularne w układach wielkich częstotliwości (np.: radiowych, przetwornicach itd.). Są to jednak zagadnienia bardzo trudne i nie objęte kursem podstaw elektroniki. W następnej części będzie kolorowo i ciekawie, czyli o diodach LED.

Nawigacja kursu

Nie zapomnij również, że elektronikę trzeba sprawdzać w praktyce. Nie oszczędzaj czasu na eksperymenty. Wszystkie testy przeprowadzisz dzięki garstce tanich elementów. Gwarantuję Ci, że kilkanaście minut poświęcone na testy praktyczne zaowocuje lepszym poznaniem tematu! Nawet tak proste doświadczenie, jak pomiar małych rezystancji zaowocuje z czasem lepszym zrozumieniem elektroniki!

Autor: Michał Kurzela
Edycja: Damian (Treker) Szymański

P.S. Nie chcesz przeoczyć kolejnych części naszego darmowego kursu podstaw elektroniki? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych publikacjach!

cewki, dławiki, kursElektroniki, opór, rezystancja

Komentarze

Komentarze do tego wpisu są dostępne na forum: