Bifilární cívka a její použití, bifilární vinutí

Bifilární cívka je cívka navinutá dvěma paralelními dráty umístěnými vedle sebe na jednom společném rámu a vzájemně izolovány po celé délce vinutí.

Samotné slovo „bifilar“ lze z angličtiny přeložit jako dvoupramenný nebo dvouvodičový, proto se bifilární drát obvykle nazývá drát vyrobený ve formě dvou žil izolovaných od sebe – běžné dvoužilové dráty lze také v zásadě klasifikovat jako bifilární. To znamená, že pojem „bifilární vinutí“ se týká vinutí vyrobených z bifilárního drátu.

V elektrotechnice je bifilární vinutí vinutí vyrobené s dvojitým vodičem (dvojice vodičů navinutých paralelně). Vodiče mohou být měděné, lakované (smaltované), páskové nebo odporové. Pokud spojíte oba vodiče na jednom konci, pak proud poteče v sousedních vodičích v opačném směru. Vzniklá magnetická pole se vzájemně ruší a jejich účinky se ruší.

Bifilární závěs je v mechanice chápán jako zavěšení kyvadla (závaží) ve dvou bodech. Takové kyvadlo se může kývat pouze v jedné rovině.

V závislosti na směru vinutí dvou vodičů a typu jejich vzájemného spojení v bifilární cívce lze získat čtyři možné možnosti implementace pro takové cívky:

• Vinutí je paralelní, zapojení je sériové;
• Vinutí je paralelní, připojení je paralelní;
• Protivinutí, sériové připojení;
• Protivinutí, paralelní zapojení.

A bez ohledu na to, jak je bifilární cívka navinuta, při připojení k obvodu bude realizována jedna ze dvou možností interakce proudů dvou vodičů, které ji tvoří.

První možností je, když proudy směřují jedním směrem, v tomto případě se magnetická pole proudů obou jader sčítají, což vede ke společnému magnetickému poli, které bude větší než magnetické pole každého z bifilárních jader zvlášť.

Druhá možnost je, když proudy směřují v opačných směrech, v tomto případě se magnetická pole proudů dvou jader navzájem vyruší, v důsledku toho bude celkové magnetické pole nulové, to znamená, že indukčnost cívky bude blízká nule.

V moderní technice se k vytvoření drátových rezistorů používají bifilární cívky paralelního vinutí sériového zapojení (proudy jsou stejné a směrované v opačných směrech), aby se snížila parazitní indukčnost prvku na minimum (celkové magnetické pole se blíží nule).

Ve vinutích některých transformátorů a duálních tlumivek pulzních zdrojů, stejně jako ve vinutích některých relé, se používají bifilární vinutí k potlačení nebezpečných spínacích rázů samoindukčního EMF.

Dvouvodičové vinutí plní dvojí funkci. První vodič slouží jako primární vinutí transformátoru nebo tlumivky a druhý je ochranné, omezující vinutí, jehož funkcí je zpracovat spínací ráz EMF.

Bifilární nebo dokonce vícevinuté transformátory se vyznačují zvláště dobrými vlastnostmi přenosu impulsů. Tyto vlastnosti se využívají např. při ovládání dvojic spínacích tranzistorů.

Vodiče takového transformátoru jsou navinuty paralelně nebo vzájemně zkroucené. Nevýhodou je však zvýšení výkonu takto úzce souvisejících vinutí.

U některých relé se druhý vodič sám zkratuje a rozptýlí zpětný ráz, když se relé rozepne.

U pulzních zdrojů není ochranné vinutí zkratováno, pouze omezuje spínací ráz EMF, směruje energii přes diodu zpět do zdroje nebo do tlumiče a obvod primárního vinutí je tak chráněn, napětí na klíči nepřeskočí nad bezpečnou úroveň a klíč (tranzistor) se nespálí.

Bifilární Tesla cívka

Za zmínku stojí zejména Teslova bifilární cívka, kterou si vědec patentoval v roce 1894, americký patent č. 512340. Sám Tesla v patentu poznamenává, že k tomu, aby cívka měla větší kapacitu, je nutné zapojit dva bifilární vodiče do série navzájem tak, aby proudy směřovaly jedním směrem, pak sice indukčnost zůstane stejná, ale kapacita takové cívky se zvýší. A čím vyšší je napětí, tím silnější bude účinek této mezizávitové kapacity.

Jde o to, že v bifilární Teslově cívce je napětí mezi dvěma sousedními závity větší než u běžného jednovodičového vinutí o polovinu napětí aplikovaného na cívku.

Nikola Tesla používal bifilární cívky, aby obvodům dodal větší vlastní kapacitu, čímž se vyhnul použití drahých kondenzátorů. Vědec ve svých přednáškách zmínil bifilární cívky právě jako nástroj pro zvýšení vlastní kapacity nabíjecích a pracovních obvodů různých vysokofrekvenčních, vysokonapěťových zařízení, které vyvinul jak pro napájení účinných světelných zdrojů, tak pro přenos energie na dálku bez drátů.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Bifilar je cívka navinutá bifilárním drátem, to znamená drát vyrobený ze dvou navzájem izolovaných drátů. Výsledkem jsou 4 výstupy (dva začátky a dva konce), které lze zapojit několika způsoby, díky čemuž vinutí získává různé vlastnosti. Pokud každým z vinutí prochází elektrický proud, pak lze magnetické toky vytvořené každým z vodičů v závislosti na směru proudu v nich sčítat nebo odečítat.

Bifilární a jednoduché cívky

Indukčnost bifilární cívky

Protože každé vinutí má začátek a konec a mohou být zapojeny sériově nebo paralelně, jsou kombinatoricky možné 4 možnosti připojení:

• vinutí jsou paralelní a zapojená do série;
• vinutí jsou protiproudá a zapojená do série;
• vinutí jsou paralelní a zapojená paralelně;
• Vinutí jsou protiproudá a zapojená paralelně.

Když jsou 2 induktory zapojeny do série a je mezi nimi indukční vazba (společný magnetický tok), celková indukčnost L_celkový je:

Znaménko termínu závisí na typu spojení mezi jednotlivými vinutími. Cívka navinutá bifilárním drátem má velmi silnou vazbu, takže vazební koeficient lze považovat za rovný 1.

Pro první možnost (začátek druhého vinutí je připojen ke konci prvního) a rovnost L₁ =L₂ znaménko členu je kladné, celková indukčnost se zčtyřnásobí (což je logické, závislost indukčnosti na počtu závitů vinutí se silnou vazbou je kvadratická).

U druhé možnosti (konec prvního vinutí je spojen s koncem druhého) jsou magnetické toky vzájemně kompenzovány (ve velikosti a směrovaném čítači jsou stejné), takže celková indukčnost je 0. Znaménko členu je negativní. Tato vlastnost bifilárního vinutí je v praxi široce využívána a vytváří drátové rezistory s parazitní indukčností blízkou nule.

Bifilární vinutí pro vytváření drátových rezistorů

Pokud je pro vytvoření drátového odporu použita bifilární elektromagnetická cívka, pak celkový odpor rezistoru při sériovém zapojení jednotlivých vinutí nezávisí na typu jejich zapojení. Je roven dvojnásobku odporu každého z nich, pokud jsou shodné v počtu závitů a odporu.

Průřezové závity bifilární cívky

Ale takové parametry rezistoru, jako je indukčnost a kapacita (u rezistoru považovány za parazitní), se budou lišit, což lze v praxi použít.

Takové odpory s velmi vysokým odporem vznikají navinutím odporového drátu na tenké pláty izolačního materiálu (slída, micarta, bakelit nebo ebonit). Takové vinutí má ale i nevýhodu: při minimální parazitní indukčnosti se zvětšuje jeho parazitní kapacita, kvůli těsnému uspořádání vodičů.

Vinutí Ayrton-Perry

Pro snížení parazitní kapacity rezistorů pro vysokofrekvenční obvody, kde jsou parazitní indukčnosti a kapacity nežádoucí, se používá vinutí bifilární karty nebo vinutí Ayrton-Perry (podle Williama Edwarda Ayrtona a Johna Perryho).

V této verzi jsou vinutí protiproudá a zapojená paralelně. S minimální indukčností je také minimalizována vlastní kapacita, protože při protivinutí není mezi sousedními závity dvou vinutí žádné napětí. To je na rozdíl od jednovinuté cívky, kde se napětí aplikované na konce cívky dělí mezi závity a mezi sousedními závity je vždy napětí, což vede k přítomnosti rozptylové kapacity.

Bifilární v elektromagnetických relé a pulzních transformátorech

Dvě paralelní vinutí byla úspěšně použita k vytvoření elektromagnetických relé, která jsou součástí obvodů (obvykle polovodičových), které musí být chráněny před nebezpečným napětím, které se objeví ve vinutí relé, když je vypnuto. V důsledku fungování prvního zákona spínání v elektrických obvodech, který říká, že proud v obvodu s induktorem se nemůže náhle změnit, když je relé vypnuto, proud dále protéká obvodem, což způsobuje jiskření, když relé je kontaktován, nebo výskyt nebezpečného EMF, když je relé ovládající činnost uzamčeno polovodičovým spínačem, což může vést k poruše polovodičového přechodu.

Rozložení magnetických polí v bifilárním vinutí

Aby se tomu zabránilo, je obvykle obvyklé zapojit polovodičovou diodu paralelně s cívkou relé, ale je také možné použít dvě cívky relé izolované od sebe. Jedna cívka (hlavní) je řídicí cívka, druhá (pomocná) je zkratována. Když je hlavní vinutí vypnuto, magnetická energie je absorbována pomocným vinutím a rozptyluje se v něm ve formě tepla. Nevýhodou této metody je prodloužení doby sepnutí relé (z důvodu pomalejšího doznívání magnetického toku). Stejnou metodu lze použít u pulzních transformátorů.

Další možností je připojení polovodičové diody k pomocné cívce. Vzhledem k pevnému propojení obou cívek je takový obvod téměř ekvivalentní obvodu s diodou zapojenou paralelně k řídicí cívce relé a zároveň chrání elektronický spínač, který relé ovládá, před přepětím.

Někdy je kondenzátor připojen paralelně k vinutí relé s očekáváním fungování druhého zákona spínání v elektrickém obvodu: v okamžiku sepnutí se napětí na kondenzátoru nemůže okamžitě změnit, takže hodnota napětí, která byla zapnuta před přepnutím je po určitou dobu zachována.

Tesla a Mishinovy ​​cívky

Nikola Tesla využil tohoto bifilárního majetku a v roce 1894 pro sebe vydal americký patent. Tesla bifilar je navinutý v jedné rovině. Jeho vlastní kapacita již není nežádoucí parazitní, ale užitečná. Tesla navrhl využít této vlastnosti (absence vlastní indukce a zvýšené vlastní kapacity) k vytvoření elektromagnetů.

Bifilární plochá Tesla cívka se stala základem pro lékařskou cívku Mishin. Vinutí v něm nejsou vzájemně propojena.

Cívka Mishin může být plochá nebo toroidní. S jeho pomocí se vytváří elektrostatické pole, které negativně ovlivňuje smyčkové patogenní struktury v lidském těle. Takové struktury vznikají pouze tehdy, když je člověk nemocný. Mohou být zničeny pomocí Mishinovy ​​cívky naladěné na konkrétní rezonanční frekvenci.

Související videa