1.3. Катушки индуктивности

Для создания катушек индуктивности используется эффект взаимодействия переменного тока с магнитным полем, наводимым этим током. Коэффициент пропорциональности между переменным напряжением и током с частотой  является реактивным сопротивлением jL, где L – индуктивность (коэффициент пропорциональности). Для уменьшения габаритов и увеличения индуктивности провод наматывается в виде катушки. При протекании переменного тока через катушку сказывается взаимоиндукция между витками катушки, что приводит к увеличению индуктивности.

Индуктивности классифицируются по различным признакам: наличие или отсутствие сердечника, однослойные (с шагом и без шага), многослойные (рядовая, универсальная, навал), количество обмоток, рабочая частота и т.д.

Индуктивности имеют значительные габариты, поэтому плохо согласуются с интегральными схемами, применение их ограничено. Однако в ряде устройств без них не обойтись.

К атушка индуктивности может быть представлена схемой замещения (рис. 1.11), где L – индуктивность катушки и выводов; C_L – емкость обмоток, выводов, сердечника, экрана;  – сопротивление потерь в емкости; R_L – сопротивление потерь в катушке.

Индуктивность катушки может быть рассчитана по формуле

, [мкГн].

Для однослойной катушки

L₀ = f(l_н/D_ср),

где l_н – длина намотки в см;  – средний диаметр витка (D_кар – диаметр каркаса, d – диаметр провода); W – количество витков. Для многослойной катушки

и ,

где D_ср – средний диаметр катушки, см; D_ос – наружный диаметр катушки, см; b – глубина намотки, см.

Точный расчет значения индуктивности катушки представляет собой сложную задачу.

Качество катушки, используемой в колебательном контуре, определяется добротностью, характеризующей относительные потери мощности в индуктивности. Добротность определяется отношением реактивного сопротивления к активному сопротивлению

.

Значение добротности зависит от частоты. При отсутствии ферромагнитного магнитопровода и малой емкости C, добротность зависит от соотношения между индуктивностью L и активным сопротивлением провода r_пр, в связи с этим добротность растет при увеличении частоты. Однако на высоких частотах порядка единиц МГц активное сопротивление за счет поверхностного эффекта увеличивается, поскольку ток протекает не по всему сечению провода, а по его поверхности, что приводит к уменьшению добротности.

Для снижения активного сопротивления провода r_пр обмотки катушек наматывают достаточно толстым проводом, применяя специальный многожильный провод, а на высоких частотах провод покрывают серебром. Магнитопроводы и сердечники выбирают с малыми потерями на гистерезис и вихревые токи.

Свойства катушки при изменении температуры характеризуются температурным коэффициентом индуктивности TKL, показывающим относительное изменение индуктивности L/L к интервалу температур, вызвавшему это изменение

.

Изменение индуктивности во времени (старение) характеризуется коэффициентом старения

.

Для увеличения индуктивности и повышения добротности применяют магнитопроводы с постоянными или регулируемыми параметрами.

Дроссели являются одной из разновидностью катушек индуктивности. Они предназначены обеспечить большое сопротивление для переменных токов и малое для постоянных или низкочастотных токов.

В зависимости от частотного диапазона использования дросселей, они бывают низкочастотными и высокочастотными. Дроссели низкой частоты используются в выпрямительных устройствах. В выпрямительных устройствах дроссели используются в качестве фильтра для получения малых пульсаций постоянного напряжения при большом токе нагрузки и включаются всегда последовательно с сопротивлением нагрузки. Для исключения насыщения магнитной цепи магнитопровода протекаемым постоянным током в магнитопроводе делается воздушный зазор толщиной 0,05…0,1 мм. При расчете индуктивности и активного сопротивления дросселя необходимо учитывать значение постоянного тока в нагрузке и параметры источника питания.

Дроссели высокой частоты предназначены для работы в высокочастотных электронных цепях. Они должны обладать минимально возможной емкостью, для обеспечения которой, катушки индуктивности наматываются на диэлектрический каркас внавал или с определенным шагом намотки.