2 Катушки индуктивности

Катушка индуктивности – это пассивный элемент РЭА, служащий для создания реактивного индуктивного сопротивления, которое позволяет регулировать процесс протекания токов по цепям и управлять распределением тока.

Из-за трудностей микроминиатюризации, значительных массогабаритных показателей, плохой повторяемости характеристик и параметров, повышенной трудоемкости изготовления область их применения ограничена. Однако при создании ряда устройств электроники без катушек индуктивности обойтись пока нельзя.

В настоящее время на долю катушек индуктивности приходится около 0,4% всех дискретных элементов, применяемых в РЭА вооружения и военной техники войсковой ПВО. Катушки индуктивности используются в колебательных контурах, фильтрах, кроме того, они входят в состав трансформаторов, реле, дросселей и некоторых других устройств.

Конструкционной основой катушки индуктивности является диэлектрический каркас, на который наматывается провод в виде спирали. Обмотка может быть как однослойной (рисунок 2, а), так и многослойной (рисунок 2, б). В некоторых случаях многослойная обмотка делается секционированной (рисунок 2, в). В интегральных схемах применяются плоские спиральные катушки индуктивности (рисунок 2, г).

Рисунок 2

Для увеличения индуктивности применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность. Перемещением сердечника внутри каркаса можно изменять индуктивность.

Рисунок 3

На рисунке 3 представлены три разновидности цилиндрических сердечников:

С – стержневой; Т – трубчатый; ПР – подстроечный резьбовой и две разновидности броневых. Броневые сердечники состоят из двух чашек (2, 3, 4), изготовленных из карбонильного железа или ферритов. Они могут иметь либо замкнутый магнитопровод (тип СБ – а), либо разомкнутый (тип СБ – б). Для изменения индуктивности служит подстроечный цилиндрический сердечник 1. Помимо цилиндрических и броневых сердечников применяют тороидальные (кольцевые) сердечники. На высоких частотах (десятки – сотни МГц) применяют подстроечные цилиндрические сердечники из диамагнетиков (латунь, медь). При введении этих сердечников внутрь катушки индуктивность уменьшается. В катушках индуктивности, работающих на низких частотах, в качестве материала сердечника используют пермаллои. При этом, сердечник набирается из тонких пластин толщиной 0,002 – 0,1 мм.

Для уменьшения влияния электромагнитного поля катушки на другие элементы схемы, а также для уменьшения влияния внешних полей на катушку индуктивности, ее располагают внутри металлического экрана, как это показано на рисунке 4.

Рисунок 4

Здесь: 1 – заглушка; 2 – экран; 3 – корпус; 4 – обмотка; 5 – каркас; 6 – подстроечный стержень; 7 – чашка сердечника; 8 – основание; 9 – заливка.

Катушки индуктивности не являются комплектующими изделиями, как, например, резисторы и конденсаторы. Они изготавливаются на сборочных заводах и имеют те параметры, которые нужны для конкретных видов изделий.

Основные параметры катушек индуктивности. Основными параметрами катушек индуктивности являются: номинальная индуктивность, допускаемое отклонение величины индуктивности от номинальной (допуск), добротность катушки, стабильность, собственная емкость.

Номинальная индуктивность L_ном – это индуктивность, значение которой обозначено на корпусе катушки или указано в сопроводительной документации.

В зависимости от рабочей частоты и назначения индуктивность катушек может принимать значения от нескольких наногенри до нескольких десятков миллигенри. Точный расчет значений индуктивности представляет сложную полевую задачу. Для тороидальной и длинной цилиндрической катушки индуктивность определяется

где µ - относительная магнитная проницаемость; S – сечение катушки; N – число витков; l – длина катушки.

Допуск – это максимально допустимое отклонение реальной индуктивности катушки от ее номинальной величины, выраженное в процентах.

Точность катушек, предназначенных для колебательных контуров, должна быть в пределах 0,3 – 5%; точность катушек связи, дросселей ВЧ и других, работающих на частотах, далеких от резонансных, может составлять 10 – 15%.

Добротность катушки – это отношение индуктивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению на данной частоте. Добротность является одним из важнейших параметров катушки индуктивности. Добротность катушки определяется формулой:

где ƒ – частота, Гц; L – величина индуктивности, Гн; R – величина активного сопротивления, Ом (при частоте ƒ).

При выборе конструкции катушки индуктивности, в особенности для колебательного контура, необходимо учитывать все условия, влияющие на величину активного сопротивления катушки в целях ее уменьшения.

Уменьшение активного сопротивления катушки достигается путем применения бескаркасных катушек, ребристых каркасов из материала с малым tgδ, шаговой намотки голым проводом, литцендрата – провода, состоящего из отдельных жил, изолированных друг от друга, скрученных в общий жгут и сплетенных шелковой изоляцией.

Стабильность катушки – это степень изменения величины индуктивности катушки в условиях эксплуатации под влиянием внешних факторов: температуры, влажности, механических воздействий.

Температурный коэффициент индуктивности α_L – это относительное изменение индуктивности при изменении температуры на один градус:

где ΔL – изменение индуктивности при изменении температуры на ΔT; L₀ – начальное значение величины индуктивности.

Значение α_L зависит от типа намотки и конструктивных особенностей катушки и лежит в пределах от 10·10^-6 до 300·10^-6 К^-1. Во всех случаях α_L положительный, т.е. величина индуктивности с увеличением температуры возрастает.

Для уменьшения α_L , т.е. для увеличения термостабильности катушек, обмотку выполняют в виде плоской ленты, обмотку наносят на каркас слоем металла; увеличивают шаг намотки; диаметр витка выбирается значительно больше диаметра провода (практически рекомендуется выбирать отношение диаметра витка к диаметру провода больше 10).

Собственная емкость – это паразитный параметр катушки, который определяется межвитковой емкостью катушки. Величина собственной емкости зависит от конструктивных особенностей катушки индуктивности.

Уменьшение собственной емкости катушек индуктивности достигается применением бескаркасных катушек, выполнением намотки голым проводом, применением каркасов из материала с малым значением диэлектрической проницаемости, применением ребристых каркасов, секционированием обмотки многослойных катушек.

Классификация катушек индуктивности. Катушки индуктивности классифицируют по разным признакам:

По назначению:

• контурные – используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров;

• катушки связи – применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т.д.;

• вариометры – катушки, в которых предусмотрена возможность изменения индуктивности в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров;

• дроссели – катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым – постоянному. Предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов;

• катушки для ГИС – в ГИС предпочтительны миниатюрные тороидальные катушки на ферритовых сердечниках, индуктивность которых достигает десятков тысяч микрогенри.

По характеру изменения индуктивности:

• с неизменной индуктивностью;

• регулируемые. В зависимости от назначения регулируемые катушки индуктивности могут быть переменными (вариометрами), используемыми для изменения индуктивности в процессе работы РЭА, и подстроечными, используемыми для разовой или периодической регулировки индуктивности в цепях РЭА.

По типу намотки:

• бескаркасная. Обладают малой собственной емкостью, малыми потерями в диэлектрике, высоким качеством. Находят применение в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых волн, т.е. в диапазоне, где основными параметрами, определяющими качество, являются потери в диэлектрике. Для обеспечения жесткости катушка выполняется из толстого медного провода, медной шины или даже трубки. Поверхность провода серебрится для защиты меди от окисления и уменьшения потерь. Вследствие недостаточной механической прочности катушки выполняются не более чем с 5 – 10 витками с индуктивностью от 1 до 3 мкГн;

• однослойная. Применяются в диапазоне метровых волн (КВ, УКВ). Величина индуктивности у них лежит в пределах 10 – 500 мкГн;

• многослойная. Применяются в диапазоне средних и длинных волн, когда необходимо в допустимо малых габаритах получить большую величину индуктивности (> 500мкГн). Многослойные катушки имеют собственную емкость и потери, связанные с ней, обладают малой влаго-и термостабильностью. Для повышения влагостойкости многослойные катушки, как правило, пропитываются лаками и компаундами.

По конструкции:

• бескаркасные и с каркасом;

• цилиндрические, броневые, тороидальные и плоские;

• экранированные и неэкранированные;

• с сердечником, без сердечника и др.

Потери в катушках индуктивности. Потери в катушках индуктивности:

• в проводах. Вызваны тремя причинами: а)провода обмотки обладают омическим сопротивлением; б)сопротивлением провода переменному току, возрастающим с ростом частоты, что обусловлено поверхностным эффектом; в)в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого в том, что под воздействием вихревых токов и магнитного поля ток вытесняется к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому протекает ток, принимает серповидный характер, что ведет к дополнительному возрастанию сопротивления провода;

• в диэлектрике. Эти потери обусловлены тем, что между соседними витками катушки существует емкость, имеющая две составляющие: емкость через воздух (С_ов), емкость через диэлектрик (С_од);

• в сердечнике. Эти потери складываются из потерь на вихревые токи и потерь на гистерезис, а также начальных потерь. Сопротивление потерь определяется по формуле:

В справочниках приводятся значения tgδ_c для различных типов сердечников.

• в экране. Эти потери обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране. Потери, вносимые экраном, определяются по формуле:

Таким образом, суммарное сопротивление потерь в катушке индуктивности, определяющее ее добротность, равно

Маркировка и обозначение катушек индуктивности в конструкторской документации. На катушки индуктивности наносится буквенно-цифровая маркировка, определяемая заводом-изготовителем. Она, как правило, содержит значение номинальной индуктивности, допуск, число витков, диаметр провода и дату изготовления. В конструкторской документации на электрической схеме указываются условное графическое обозначение катушки индуктивности (рисунок 5) и позиционный номер.

Рисунок 5

На рисунке 5:

а) без сердечника;

б) с ферромагнитным сердечником;

в, г) подстроечный с ферритовым сердечником;

д) подстроечный с немагнитным (медным Cu) сердечником.

Позиционный номер катушки индуктивности обозначается латинской буквой L с числом, например, L22. Ферромагнитный сердечник и сердечник из магнитодиэлектрика обозначается сплошной и штриховой линиями соответственно у катушек, рассчитанных на большие постоянные составляющие токов – НЧ дросселей.

В перечне элементов отмечаются позиционный номер, номинальная индуктивность, допуск, категория климатических условий и ТУ.