Лекция № 6 (2.3.) Катушки индуктивности

1. Классификация и основные технические параметры катушек индуктивности

2. Основные элементы катушек индуктивности

3. Расчет индуктивности и собственной емкости катушек индуктивности

1. Классификация и основные технические параметры катушек индуктивности

Как магнитное, так и электрическое поля создаются тем или иным элементом цепи. В случае статических полей, магнитное и электрическое поля могут существовать независимо друг от друга. Переменное же электрическое поле всегда неразрывно связано с беременным магнитным полем. Однако, несмотря на эту связь, можно выделить детали, назначение которых состоит в создании или в преимущественном использовании одного из этих полей. Применительно к электрическому полю такими деталями являются конденсаторы, а применительно к магнитному - детали, называемые катушками индуктивности.

Любой проводник с током создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Для концентрации поля в заданном локальном объеме проводник с током свертывается в цилиндрическую спираль, называемую в электротехнике соленоидом.

В радиоэлектронике вместо термина "соленоид" используется наименование «катушка индуктивности» (лат. inductio - наведение). Используя различное число вит­ков, изменяя их форму или помещая внутрь катушки сердечник с повышенным значением m, можно при одной и той же величине тока, протекающего через катушку, создавать магнитное поле различной интенсивности.

***

Таким образом, радиоэлемент, имеющий обмотку и способный концентрировать в своем объеме или на плоскости электромагнитное поле, называется катушкой индуктивности.

Функционирование катушки индуктивности определяется взаимодействием электрического тока и магнитного поля или эффектом перехода энергии электрического тока в энергию магнитного поля и обратно. Эти явления используются для:

• создания реактивного сопротивления переменному току при малом сопротивлении постоянному току;

• осуществления связи между электрическими цепями через магнитный поток;

• выделения сигналов с помощью колебательных контуров;

• формирование и задержка импульсных сигналов и т.д.

В РЭА катушки индуктивности составляют 10...20% от общего числа элементов схемы.

Классификация катушек индуктивности

Катушки индуктивности можно классифицировать по ряду при­знаков.

По назначению катушки индуктивности подразделяются на:

• контурные - определяют рабочую частоту аппаратуры;

• катушки связи - служат для передачи энергии от одних участков схемы к другим;

• дроссели высокой и низкой частоты - обладают высоким индуктивным сопротивлением;

• вариометры - катушки индуктивности или система катушек, величина индуктивности которых может регулироваться в широких пределах..

По конструкции они подразделяются на:

• однослойные и многослойные;

• на каркасах и бескаркасные;

• с сердечниками и без сердечников;

• на экранированные и неэкранированные;

• цилиндрические и торроидальные и т.д.

  По диапазону рабочих частот катушки индуктивности могут быть:

• низкочастотные (обладающие индуктивным характером полного сопротивления в диапазоне частот до 100 кГц);

• высокочастотные (обладающие индуктивным характером полного сопротивления в диапазоне частот от 100 кГц до 400 МГц).

Основные характеристики и параметры катушек индуктивности

Основными характеристиками катушек являются индуктивность, собственная емкость, активное сопротивление и добротность, температурная стабильность индуктивности. Рассмотрим эти параметры.

Индуктивность катушки L - основной параметр, определяющий реактивное сопротивление, которым обладает катушка в электрической цепи. При расчете индуктивности катушек различной конструкции пользуются полуэмпирическими формулами и вспомогательными графиками, приводимыми в справочной литературе. В отличие от конденсаторов и резисторов, номинальные значения индуктивности катушек (исключение составляют унифицированные ВЧ и НЧ дроссели) ГОСТами не нормируются, а определяются исходя из стандартов предприятий или технических условий на конкретную аппаратуру. В РЭА применяются катушки с индуктивностью от долей микрогенри (контурные высокочастотные) до десятков генри (дроссели фильтров выпрямителей). Контурные катушки по величине индуктивности изготовляются с точностью 0,2...0,5%, а для других катушек индуктивности допустима точность 10...15%.

Собственная емкость катушки C_L обусловлена существованием электрического поля между ее отдельными вит­ками, а также между отдельными витками и корпусом (и экраном, если он имеется) прибора. Обычно считают (кадр 1), что соб­ственная емкость катушки состоит из внутренней межвитковой емкости C _ВН = S C _ВН  i и монтажной емкости C_М = S C _М  i, т. е. C_L  = C _ВН  + C_М.

С увеличением диаметра намотки и уменьшением ее шага емкость C _ВН  возрастает. Существенное увеличение емкости C _ВН  происходит при использовании каркасов катушек из материалов с повышенным значением e.

Монтажная емкость C_М зависит от расположения катушки по отношению к шасси устройства, другим деталям, от размеров и формы экрана, если катушка экранирована. Из-за сложной конфигурации электрических полей точный расчет емкости C_L практически невозможен и ее величину обычно определяют экспериментально. У применяемых в РЭА катушек индук­тивности величина C_L обычно составляет от единиц до десятков и (при многослойной намотке) пикофарад.

Сопротивление потерь. Добротность катушки индуктивности. На низких частотах активное сопротивление катушки индуктивности можно считать равным сопротивлению провода ее обмотки на постоянном токе. С переходом на более высокие частоты начинает проявляться поверхностный эффект и активное сопротивление катушки возрастает. Кроме то­го, при сворачивании провода в спираль, т.е. при его намотке на катушку, магнитное поле проводника искажается вследствие появления магнитной связи между отдельными витками, и оно оказывается несимметричным относительно сечения провода. Это, в свою очередь, приводит к неравномерному распределению тока по периметру сечения проводника: внутри витка плотность тока будет выше. Смещение тока высокой частоты к оси обмотки катушки носит название эффекта близости. Его влияние также уве­личивает активное сопротивление катушки.

Таким образом, можно считать, что активное сопротивление провода обмотки на переменном токе R_~= R_ПЭ +R_Б, где R_ПЭ - составляющая сопротивления, зависящая от поверхностного эффекта, R_Б.- составляющая, показывающая дополнительное возрастание сопротивления провода обмотки вследствие эффекта близости.

При фиксированном значении частоты переменного тока величина R _ПЭ будет тем меньше, чем больше диаметр провода d.

Эф­фект близости, наоборот, проявляется более заметно с возрастанием диаметра провода d , т.е. с увеличением диаметра величина R _Б возрастает. На рис.2.3.1 показаны кривые этих зависимостей и зависимость полного сопротивления провода обмотки R_~ = R _ПЭ +R _Б  = f(d) от его диаметра. Для каждого значения частоты переменного тока существует оптимальный диаметр провода d_ОПТ, при котором активное сопротивление катушки R_~ = R _MIN, т.е. оно минимально.

Сопротивление провода R_~  на частотах до 1 МГц можно уменьшить на 30...40%, если вместо провода круглого сечения для намотки катушки применить литцендрат - многожильный провод, состоящий из отдельных перевитых друг с другом проводников малого сечения, изолированных друг от друга. Это объясняется тем, что поверхность литцендрата оказывается намного больше поверхности монолитного провода, имеющего ту же площадь поперечного сече­ния.

Величину R_~  как параметр катушки для сравнения между собой различных катушек обычно не используют. Ею пользуются лишь для теплового расчета катушек индуктивности в выходных каскадах мощных радиопередатчиков.

Для сравнения между собой отдельных катушек удобнее использовать параметр, определяющий активные потери как относительную величину, определяемую сравнением энергии W _R , которая затрачивается в сопротивлении R_~  за период гармонического колебания, с максимальной энергией W _L, запасаемой в магнитном поле катушки. Отношение

W _L, / W _R =  w L / 2pR_~ 

и характеризует качество катушки. Однако для упрощения расчетов параметром катушки принято считать величину в 2p раз большую W _L, / W _R:

Q = w L / R_~  (2.3.1)

Эта величина называется добротностью катушки индуктивности.

Чем выше добротность, тем меньше величина потерь в катушке и выше ее качество. Значение Q определяется выбором типа обмотки, материала каркаса, конструкцией катушки и влиянием окружающих катушку других деталей при ее монтаже в аппаратуре.

В зависимости от влияния перечисленных факторов добротность применяемых в РЭА катушек обычно лежит в пределах 50...600. Использование сердечников может приводит как к увеличению так и к уменьшению добротности.

Температурный коэффициент индуктивности. Изменение температуры окружающей среды приводит к тому, что меняются длина и диаметр провода обмотки, размеры каркаса катушки, диэлектрическая проницаемость материала каркаса и изоляции и т.д. Это приводит к изменению индуктивности катушки и ее добротности. Мерой зависимости индуктивности катушки от температуры является температурный коэффициент индуктивности (ТКИ), определяемый аналогично другим температурным коэффициентам. Для катушек с многослойной обмоткой ТКИ = (50...500)10 ^- 6 К, для катушек с однослойной обмоткой ТКИ существенно ниже.

Для повышения температурной стабильности катушек приме­няют пропитку их каркасов и изоляции, используют керамические каркасы с обмоткой, выполненной методом вжигания серебра, и герметизацию катушек. можно считать, что добротность катушек снижается в среднем на 1 % на каждые 3°с приращения температуры по отношению к их добротности при 20°с. воздействие влаги может привести к существенному изменению (до 30 %) собственной емкости и добротности катушек. Обычно это изменение носит обратимый характер, и после сушки величины q  и c_l принимают практически прежние значения.