Бифилярная катушка — это такая электромагнитная катушка, у которой есть в наличии две параллельных, близко расположенных обмотки. Также могут использоваться и три провода, изолированных друг от друга — такое устройство будет носить название «трифилярная катушка».
В электротехнике словом «бифиляр» описывают проводник или же провод, который изготовлен из нескольких (в частности, двух — от слова «би») жил, изолированных друг от друга. Этот термин часто используется для обозначения специальных типов проводов для обмоток трансформатора. Бифилярный провод в основном представляет собой два цветных соединенных вместе эмалированных и изолированных провода.
Бифилярная катушка- это устройство, которое нужно и можно классифицировать по способу применения. Всего существует четыре основных типа такого приспособления:
- Катушка с последовательным соединением и параллельной намоткой.
- Параллельные соединение и намотка.
- Катушка намотана встречно, а соединение последовательное.
- Обмотка катушки выполнена как и в предыдущем пункте (встречно), но соединение уже параллельное.
Бифилярная катушка обычно намотана так, что в обоих ее составляющих ток будет протекать по одному и тому же направлению. Создаваемое первой обмоткой магнитное поле будет складываться с полем, создаваемым другой катушкой. Этот эффект приводит к наложению полей и созданию общего большого магнитного потока.
Есть случаи, когда бифилярная катушка собирается чуть-чуть иначе. Например, когда витки обмоток расположены таким образом, чтобы электрический ток протекал в противоположных направлениях. Это так называемые катушки с нулевым коэффициентом самоиндукции (потому что магнитное поле, создаваемое одной обмоткой, будет по направлению противоположно полю, создаваемому второй обмоткой, однако будет равно ему по значению, что в случае наложения полей в сумме дает ноль).
Такие приспособления часто используют в современной электронной технике как один из способов создания резистора проволочного с маленькой индуктивностью.
Еще один тип таких устройств, как бифилярные катушки, можно увидеть в обмотках реле или трансформаторов. Их используют также в импульсных источниках электрического питания благодаря их способности подавлять обратную электродвижущую силу (ЭДС). Намотка катушек индуктивности в таком случае выполнена следующим образом. Две обмотки расположены очень близко друг к другу и намотаны параллельно друг другу, но эффективно изолированы. Основная обмотка будет управлять реле, а вот вспомогательная обмотка коротко замкнута внутри корпуса. Ток через первую обмотку прерывается (когда отключается реле), идет поглощение части магнитной энергии вспомогательной обмоткой. Такие бифилярные катушки, кроме того, вырабатывают тепло для повышения внутреннего сопротивления.
При применении такой катушки в импульсных трансформаторах одна обмотка используется в качестве рассеивателя энергии. Из-за близости намоток оба проводника улавливают один магнитный поток и компенсируют его.
Функционально можно выделить два особых типа бифилярных катушек параллельной намотки: у катушек первого типа токи в соседних витках направлены в одну и ту же сторону, тогда как у катушек второго типа токи соседних витков текут в противоположных направлениях. Яркой представительницей катушек первого типа является знаменитая бифилярная катушка Николы Тесла, пример катушки второго типа — бифилярная катушка Купера.
Оба типа катушек необычны тем, что вместо того чтобы быть намотанными виток к витку одним проводом, данные катушки наматываются одновременно двумя проводами, после чего эти провода соединяются последовательно: у катушки по типу «бифиляр Тесла» конец (условно) одной части катушки соединяется с началом другой ее части, при этом свободные выводы готовой катушки оказываются с разных ее сторон, а у бифиляра Купера концы двух частей катушки объединяются с одной стороны, свободные же выводы ее оказываются с другой стороны. Описанные способы намотки применяются как в цилиндрическом, так и в плоском исполнении бифилярных катушек.
В результате получаются катушки, ведущие себя принципиально по разному в цепях постоянного и переменного тока. Давайте рассмотрим, в чем же заключаются особенности данных намоток, и как данные катушки поведут себя при различных типах тока через них.
Бифиляр Тесла в цепи постоянного тока
При прохождении постоянного тока через катушку, вокруг каждого ее витка возникает постоянное магнитное поле, пропорциональное величине данного тока. И сложив магнитные поля (магнитные индукции B) каждого последующего витка с магнитными полями предыдущих витков, получим суммарное магнитное поле катушки.
В данном случае, для бифиляра Тесла на постоянном токе, не важно что две части катушки соединены друг с другом последовательно, а важно здесь то, что токи в каждом ее витке имеют одинаковые величину и направление, словно катушка намотана одним цельным проводом — индуктивность (коэффициент пропорциональности между током в катушке и порождаемым им магнитным потоком) получается точно такой же, магнитное поле будет аналогичной величины, что и у обычной катушки такой же формы, с таким же количеством витков.
Бифиляр Тесла в цепи переменного тока
При прохождении через катушку типа «бифиляр Тесла» переменного тока, характерная намотка начинает проявлять себя ярко выраженной межвитковой емкостью, которая даже в состоянии «нейтрализовать» индуктивность на резонансной частоте. Витки, расположенные по отношению друг к другу так, что разность потенциалов между ними в каждой паре максимальна, представляют собой аналог параллельно подключенного к катушке конденсатора.
Выходит, что переменный ток определенной (резонансной) частоты такая бифилярная катушка пропустит беспрепятственно, оказав лишь активное сопротивление, словно это параллельный колебательный контур высокой добротности, а не катушка. Будучи включена в цепь параллельно источнику переменной ЭДС, такая катушка в состоянии накапливать энергию на резонансной частоте как параллельный колебательный контур, где энергия пропорциональна квадрату разности потенциалов между соседними витками.
Бифиляр Купера в цепи постоянного тока
У бифилярной катушки, где постоянные токи в соседних витках имеют противоположные направления и одинаковую величину (а именно такая картина наблюдается при постоянном токе в катушке, выполненной по типу «бифиляр Купера»), суммарное магнитное поле катушки окажется равно нулю, так как магнитные поля в каждой паре витков друг друга нейтрализуют. В итоге катушка данного типа будет вести себя по отношению к постоянному току как проводник с чисто активным сопротивлением, и никакой индуктивности не проявит. Так наматывают проволочные резисторы.
Бифиляр Купера в цепи переменного тока
При подаче переменного тока через катушку, витки которой расположены по отношению друг к другу по типу «бифиляра Купера», картина магнитного поля будет зависеть главным образом от частоты тока. И если длина провода в такой катушке окажется соизмерима с длиной волны пропускаемого через нее переменного тока, то и внешнее магнитное поле на такой катушке может быть реально получено как на длинной линии или антенне.
Бифилярной называется катушка, намотанная двумя параллельными проводами, расположенными рядом друг с другом на одном общем каркасе, и изолированными друг от друга на всем протяжении намотки.
Само же слово «bifilar» можно перевести с английского как двухнитевой или двухпроводной, поэтому бифилярным проводом обычно называют провод, изготовленный в виде двух жил, изолированных друг от друга, — обычные двухжильные провода тоже можно в принципе отнести к бифилярным. То есть понятие «бифилярная намотка» относится к обмоткам , выполненным бифилярным проводом.
Так, в зависимости от направления намотки двух проводов и типу их соединения между собой в бифилярной катушке, можно получить четыре возможных варианта реализации таких катушек:
Намотка параллельная, соединение последовательное;
Намотка параллельная, соединение параллельное;
Намотка встречная, соединение последовательное;
Намотка встречная, соединение параллельное.
И как бы ни была намотана бифилярная катушка, при включении в цепь будет реализован один из двух вариантов взаимодействия токов двух образующих ее проводов.
Первый вариант — когда токи направлены в одну сторону, в этом случае магнитные поля токов обеих жил складываются, приводя к общему магнитному полю, которое будет больше магнитного поля каждой из жил бифиляра в отдельности.
Второй вариант — когда токи направлены в противоположные стороны, в этом случае магнитные поля токов двух жил будут гасить друг друга, в итоге общее магнитное поле будет нулевым, то есть индуктивность катушки будет близка к нулю.
В современной технике для создания проволочных резисторов используют бифилярные катушки параллельной намотки последовательного соединения (токи равны и направлены в противоположные стороны), чтобы свести паразитную индуктивность элемента к минимуму (суммарное магнитное поле близко к нулю).
В обмотках некоторых трансформаторов и сдвоенных дросселей импульсных источников питания, а также в обмотках некоторых реле, для подавления опасных коммутационных выбросов ЭДС самоиндукции применяют бифилярные обмотки.
Обмотка в два провода выполняет двойную функцию. Первый провод служит первичной обмоткой трансформатора или дросселя, а второй — защитной, ограничительной обмоткой, функция которой отработать коммутационный выброс ЭДС. В некоторых реле второй провод замыкается накоротко сам на себя, и рассеивает на себе обратный выброс в момент размыкания реле.
В импульсных источниках питания защитная обмотка накоротко не замыкается, она только ограничивает коммутационный выброс ЭДС, направляя энергию через диод обратно в источник питания или на снаббер, а цепь первичной обмотки оказывается таким образом защищена, напряжение на ключе не подскакивает выше безопасного, и ключ (транзистор) не перегорает.
Особого внимания заслуживает бифилярная катушка Тесла, которую ученый запатентовал в 1894 году, это патент США №512340. Сам Тесла в патенте отмечает, что для придания катушке большей собственной емкости, нужно соединить два провода бифиляра последовательно между собой так, чтобы токи были направлены в одну сторону, тогда хоть индуктивность и останется прежней, собственная емкость такой катушки возрастет. И чем выше напряжение, тем сильнее будет эффект этой межвитковой емкости.
Суть в том, что в бифилярной катушке Тесла напряжение между двумя соседними витками оказывается больше, чем при обычной однопроводной намотке на величину половины приложенного к катушке напряжения.
Никола Тесла использовал бифилярные катушки с целью придания цепям большей собственной емкости, и таким путем избегал применения дорогостоящих конденсаторов. В своих лекциях ученый упоминал бифилярные катушки именно как инструмент повышения собственной емкости зарядных и рабочих цепей различного высокочастотного оборудования высокого напряжения, которое он разрабатывал как для питания эффективных источников света, так и для передачи энергии на расстояние без проводов.