Общие сведения о катушках индуктивности и их классификации

Катушка индуктивности (КИ) представляет собой электрорадиокомпонент (ЭРК), обладающий значительной индуктивностью при относительно малой емкости, малым активным сопротивлением, предназначенным для накопления электромагнитной энергии, разделения или ограничения электрических сигналов различной частоты и других целей. Ток, протекающий по электрической цепи, создаёт магнитный поток, который при изменении величины тока изменяется, при этом возникает электродвижущая сила самоиндукции. Если электрическая цепь выполнена в виде катушки, то линии общего магнитного потока окружают все витки, замыкаясь вокруг них. При отсутствии магнитных материалов в цепи потокосцепление пропорционально протекающему току, умноженному на коэффициент, величина которого зависит от числа витков, размеров и формы электрической цепи. Этот коэффициент, называемый коэффициентом индуктивности, характеризует способность электрической цепи препятствовать изменению электрического тока, протекающего по цепи. Для всех индуктивных элементов величина индуктивности является обязательным нормируемым параметром. При наличии в цепи магнитного материала магнитный поток катушки замыкается через него и прямолинейная зависимость между потоком и намагничивающим током приобретает форму кривой намагничивания. В этом случае индуктивность катушки становится величиной, зависящей от намагничивающего тока.

КИ применяются для создания реактивного сопротивления переменному току при малом сопротивлении постоянному, в частотно-избирательных целях, для создания трансформаторов и линий задержки. Они являются, как правило, нестандартными элементами и для каждого конкретного применения их конструктивные параметры рассчитывают по заданным электрическим характеристикам.

КИ классифицируют по нескольким признакам:

- по характеру изменения индуктивности – постоянные, подстроечные, регулируемые;

- по назначению – на контурные, дроссельные, трансформаторные;

- по особенностям конструкции – на каркасные и бескаркасные, экранированные и неэкранированные, с сердечником и без него, однослойные и многослойные, объемные и плоские;

- по технологии изготовления – намотанные, вожженные, печатные, тонкопленочные;

- по частотному диапазону – на низкочастотные (от 0 до 1 кГц) и высокочастотные (от 1 кГц до сотен МГц).

 

Катушки индуктивности для аппаратуры связи классифицируют по конструктивным признакам на два типа: с магнитным сердечником и без него. В свою очередь, катушки индуктивности с магнитным сердечником подразделяются на броневые, кольцевые и цилиндрические. Катушки индуктивности без магнитного сердечника подразделяются на кольцевые, спиральные и цилиндрические.

КИ из ферритов и магнитодиэлектриков: сердечники, подстроечники, чашки, магниты и другие изделия различных конфигураций, подразделяют на подгруппы: из магнитомягких марганец-цинковых ферритов; из магнитомягких ферритов, кроме марганец-цинковых; из ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ); из сверхвысокочастотных ферритов; из магнитострикционных ферритов; из магнитотвердых ферритов. Изделия из магнитодиэлектриков подразделяются на три подгруппы: из прессованного порошкообразного альсифера; из прессованного порошкообразного карбонильного железа; из прессованного порошкообразного пермаллоя.

Основные параметры КИ

Номинальная индуктивность катушки зависит от диапазона волн, в котором ее применяют. Для катушек УКВ она составляет десятые – сотые доли микрогенри, для коротковолновых и средневолновых – соответственно единицы и сотни микрогенри, а для длинноволновых – единицы миллигенри. Индуктивность дросселей, предназначенных для уменьшения тока высокой частоты в какой-либо цепи, составляет десятки миллигенри.

Индуктивность (мкГн) бесконечно длинного соленоида (катушки) или тороидальной катушки рассчитывают по формуле:

L=(π²D²N²∙10^-3)/l,

где D – диаметр каркаса, см; l – длина намотки, см; N – число витков.

В действительности диаметр и длина намотки катушек индуктивности часто соизмеримы, в результате чего их магнитное поле оказывается не полностью замкнутым и часть магнитной энергии в пространстве рассеивается. Это учитывают, вводя в приведенную формулу коэффициент рассеивания:

L=(k π²D/l)DN²∙10^-3=L₀ DN²∙10^-3 ,

где L₀ – безразмерный коэффициент, зависящий от отношения D/l т.е. от формы катушки.

Допуск на индуктивность зависит от назначения катушки. Так, контурные катушки имеют допуск на индуктивность ±(0,2-0.5)%, а катушки связи и дроссели высокой частоты ±(10-15)%. Обеспечить такую точность контурных катушек, не приняв дополнительные меры при их изготовлении, не удается. Допустим, диаметр сплошной однослойной катушки равен 5 мм. Известно, что погрешность индуктивности зависит от погрешностей геометрических размеров катушки и числа витков следующим образом:

ΔL/L=2ΔD/D+2ΔN/N-Δ/l

Считая в первом приближении, что ΔL/L≈2ΔD/D , и приняв допуск на индуктивность ±0,5%, находим ΔD/D=±0,25%.В нашем примере абсолютная погрешность диаметра ΔD не должна превышать ±12,5мкм. Такой допуск весьма трудно обеспечить при изготовлении пластмассовых каркасов и невозможно при изготовлении керамических. Следовательно, контурные катушки должны иметь элементы подстройки. Таким элементом, позволяющим регулировать параметры катушки в пределах порядка ±15%, является вводимые в нее подстроечные сердечники. Сердечники выполняются различной формы из магнитных и диамагнитных материалов.

Индуктивность катушки с магнитным сердечником увеличивается в μ_c раз:

L_c= μ_cL,

где L – индуктивность катушки без сердечника, Гн; μ_c=(0,25-0,5)μ – действующая магнитная проницаемость сердечника, зависящая от магнитных свойств его материала и формы. Коэффициент 0,25 характерен для цилиндрических сердечников, а 0,5 – для броневых.

Применение сердечников из магнитных материалов (карбонильное железо, альсифер, магнетит, ферриты) позволяет уменьшить число витков катушки. Действительно, если применить броневой сердечник из карбонильного железа (μ=10), то при μ_c=5 индуктивность обмотки катушки с заданной индуктивностью L=50 мкГн может быть в 5 раз меньше (10 мкГн), что значительно уменьшает число витков намотки.

Магнитные сердечники в основном используют в длинно- и средневолновых катушках, в которых они выполняют не только роль подстроечника, но и уменьшают требуемое количество витков, а, следовательно, габариты и массу. В катушках диапазонов КВ и УКВ магнитные сердечники менее целесообразны, поскольку индуктивность и число витков их невелики, кроме того, с ростом частоты μ уменьшается. Поэтому для постройки таких катушек применяют латунные или алюминиевые сердечники, позволяющие регулировать их параметры в пределах ±5%.

Наконец, индуктивность катушек зависит от геометрии и материала экрана. Экраны, устраняющие паразитные связи между каскадами, выполняются в виде металлических колпаков круглой или прямоугольной формы, надеваемых на катушки. Сущность экранирования заключатся в следующем: магнитное поле катушки наводит в поверхностном слое экрана вихревые токи, которые создают поле обратного направления. Если толщина экрана больше поверхностного слоя проникновения вихревых токов (глубины проникновения), взаимодействие поля катушки с полями других источников и приемников наводимых связей исключается. Для устранения возможных емкостных связей экран тщательно заземляют. Чем выше проводимость материала экрана, тем больше вихревые токи и тем выше экранирующие свойства экрана. На длинных и средних волнах используют алюминиевые экраны, а на коротких – латунные и медные. Толщину экрана, которая обычно составляет 0,5 – 1 мм, выбирают по технологическим соображениям (возможности штамповки - вытяжки).

Индуктивность экранированной катушки Lэ меньше, чем неэкранированной L, вследствие встречного поля экрана: Lэ=L[1-η(D/Dэ)3] , где η - коэффициент, зависящий от соотношения длины и диаметра намотки; Dэ – внутренний диаметр экрана.

Добротность катушек при заданных индуктивности и рабочей частоте определяется суммарным сопротивлением (Ом) потерь в них:

Q=ωL/RΣ; RΣ= Rf +Rд +Rэ +Rс +RCL,

где Rf - сопротивление провода обмотки току высокой частоты; Rд – сопротивление диэлектрических потерь в каркасе и изоляции провода обмотки; Rэ – сопротивление потерь, вносимых экраном; Rс - сопротивление потерь в сердечнике; RCL - сопротивление потерь за счет резонансных свойств катушки. Добротность применяемых в радиоаппаратуре катушек индуктивности от 30 до 300. Чем выше добротность катушки, тем больше ее габариты. При заданной добротности существует оптимальный вариант конструкции катушки, при котором ее габариты не должны быть больше или меньше заданных.

Основная составляющая потерь определяется сопротивлением провода току высокой частоты, которое зависит от поверхностного эффекта и «эффекта близости». Напомним, что с увеличением частоты проходящего тока его распределение в прямолинейном проводе принимает вид приповерхностного «кольца» (т.е. проявляется поверхностный или скин-эффект). В этом случае сопротивление провода току высокой частоты:

R'f = Rп =ρl/SK,

где SK - площадь «кольца». При этом, чем выше частота, тем тоньше «кольцо», меньше его площадь и, следовательно, больше сопротивление Rп. Чем больше диаметр провода, тем меньше Rп при одной и той же глубине проникновения, определяемой рабочей частотой и электромагнитными параметрами провода.

«Эффект близости» заключается в следующем. При намотке провода в результате взаимодействия возникающих в нем вихревых токов и магнитного поля основной ток вытесняется к его периферии, прилежащей к каркасу катушки. В этом случае сопротивление провода току высокой частоты:

R''_f = R_c =ρl/S_c,

где S_c – площадь «серпа». Площадь «серпа» при этом становится меньше площади кольца или R''_f,- R'_f >0, т.е. сопротивление R_f провода току высокой частоты еще более возрастает. «Эффект близости» зависит как от диаметра каркаса, так и от диаметра провода. Чем больше диаметра каркаса, тем меньше действие «эффекта близости» и сопротивление току высокой частоты, а, следовательно, выше добротность катушки. Чем больше диаметр провода, тем сильнее «серповидность» распределения тока, выше сопротивления потерь в нем и меньше добротность катушки.

Суммируя действие поверхностного эффекта и «эффекта близости» в зависимости от диаметра провода обмотки, можно прийти к выводу, что для получения минимального сопротивления провода току высокой частоты R_fmin (максимальной добротности катушки) при заданных габаритах надо выбирать оптимальный диаметр провода намотки.

Температурная стабильность катушек индуктивности определяется изменением индуктивности L и добротности Q под действием температуры. В зависимости от температуры изменяются длина и диаметр каркаса катушки, рост температуры увеличивает индуктивность, а снижение уменьшает ее. Температурная стабильность катушек количественно оценивается температурным коэффициентом индуктивности ТКИ и коэффициентом температурной нестабильности индуктивности (нецикличности) КТНИ:

ТКИ = ΔL/(L₀ ΔL_t); КТНИ = 100%(L'₀- L₀)/ L₀,

где L₀ - индуктивность при 20^оС, Гн; ΔL - изменение индуктивности при изменении температуры Δt, Гн; L'₀ - индуктивность при 20^оС, получаемая после проведения нескольких циклов изменения температуры в заданном рабочем диапазоне, Гн.

Нецикличность обусловлена необратимыми изменениями геометрических параметров катушки под действием температуры, в частности сдвигом и деформацией витков катушки.

Однослойные катушки с керамическим либо полистироловым каркасом или каркасом из пресс порошка имеют ТКИ (50-100)∙10^-6 1/^оС, а ТКИ многослойных катушке равен (100-200)∙10^-6 1/^оС.

Значение коэффициента нецикличности составляет от десятых долей до единиц процента. Катушки с магнитными сердечниками имеют

ТКИс =ТКИ + ТКμc,

где ТКμc – температурный коэффициент действующей магнитной проницаемости сердечника. Так как второе слагаемое в этой формуле часто превышает первое, температурная стабильность катушек с сердечником всегда хуже, чем без него. Стабильность индуктивности малогабаритных и миниатюрных катушек, в которых используются ферритовые сердечники, как правило, низкая. Причем чем выше μc сердечника, тем ниже стабильность.

Для увеличения температурной стабильности индуктивности в общем случае следует выполнять каркас с малым КТЛР (керамика), обеспечивать плотное сцепление провода с каркасом («горячая» намотка или вжигание серебряной дорожки в керамический каркас). При этом можно получить ТКИ=(5-10)∙10^-6 1/^оС, что, однако, возможно лишь в КВ- и УКВ-катушках, т.е. выполненных чаще всего с шагом и имеющих индуктивность не более 10 мкГн. В многослойных катушках желательно применять сердечники из карбонильного железа или альсифера (а не из феррита), либо вовсе отказаться от них.

Под действием температуры добротность меняется в результате изменения как действующего диаметра провода, определяемого поверхностным эффектом и «эффектом близости», так и диаметра каркаса. При росте температуры добротность, как правило, падает, а при снижении – растет.

Собственная емкость катушек складывается из емкости СLд между витками через диэлектрик каркаса или изоляцией провода и емкости СLв между витками через воздух,

СL = СLд + СLв

Соотношение между емкостью СLд и СLв зависит от вида намотки и формы каркаса. Для однослойных катушек с гладким каркасом:

СLд= (0,3-0,4) СL;

с нарезным каркасом (спиральной канавкой):

СLд= (0,6-0,8) СL;

с ребристым (провод касается только торцов ребер каркаса):

СLд= (0,2-0,3) СL;

для бескаркасных катушек:

СL = СLв;

многослойные катушки имеют СLд= СL.

Соответственная емкость катушек определяется также видом намотки и числом витков. Так, СL однослойных шаговых катушек 0,5 – 1,5 пФ, однослойных сплошных 3 – 5 пФ, универсального типа 5 – 9 пФ, а многослойных рядовых 20 – 30 пФ.

⇐ Предыдущая16171819202122232425Следующая ⇒

Поделиться: