ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

План

1 Классификация и основные параметры катушек

1 Классификация и основные параметры катушек

Катушками индуктивности называют электрорадиокомпоненты, работа которых основывается на взаимодействии магнитного поля и переменного тока.

В радиотехнике, как правило, применяются высокочастотные катушки индуктивности. Их сопротивление имеет индуктивный ха­рактер на частотах от 100 кГц до 400 МГц. Катушки используются в качестве элементов колебательных контуров, для перераспределе­ния переменного тока и создания индуктивной связи между цепями.

В зависимости от назначения высокочастотные катушки индуктивности подразделяют на четыре основные группы:

катушки колебательных контуров, определяющих частоту (гетеродинов, задающих генераторов);

катушки колебательных контуров, не определяющих частоту;

катушки связи;

дроссели высокой частоты.

Катушки контуров могут быть с постоянной индуктивностью и переменной индуктивностью (вариометры).

По конструктивному признаку катушки подразделяют на однослойные и многослойные, экранированные и неэкранированные, катушки без сердечников и катушки с магнитными и немагнитными сердечниками, цилиндрические, спиральные и плоские.

Свойства катушек характеризуются индуктивностью, допускаемым отклонением, добротностью, собственной емкостью и стабильностью.

Индуктивность - это величина, устанавливающая связь между э.д.с. самоиндукции катушки е и током I протекающим в ней

d I

e = - L –––––– .

d t

Индуктивность является основным фактором катушки. Она зависит от формы, размеров, числа витков катушки, а также от формы, размеров и материала сердечника. Индуктивность высокочастотных катушек может изменяться в пределах от нескольких наногенри до десятков милигенри.

Точность номинальной величины индуктивности определяется технологией изготовления катушки. Для катушек, используемых в контурах, требуется точность 0,2  0,5%, а для катушек связи, дросселей -15%  20%.

Добротность катушки Q - это отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь r_п:

Q = L / r_п

Сопротивление потерь складывается из нескольких составляющих:

r_п = r_f + r_q + r_c + r_э ,

где r_f - активное сопротивление провода обмотки переменному току;

r_q - сопротивление, обусловленное диэлектрическими потерями в материале каркаса и изоляции провода;

r_c - сопротивление вносимое сердечником;

r_э - сопротивление вносимое экраном.

В катушке индуктивности помимо основного эффекта - индуктивности - наблюдаются и паразитные, что нашло отражение в схеме замещения (рис .58).

Здесь Lэ - эквивалентная индуктивность катушки, учитывающая индуктивность выводов;

R₁ = r_f + r_q + r_э

R₂ - сопротивление, вносимое диэлектрическими потерями;

C_L - емкость катушки, учитывающая Рис.58

собственную емкость между витками ка-

тушки С₀, ее выводами С_ВЫВ, емкость вносимую немагнитным сердечником С_С, экраном - С_Э и т.д.

С_L = C₀ + C_ВЫВ + C_Э + C_C .

Оценим влияние паразитной емкости С_L на величину индуктивности L_Э. Пренебрегая потерями в цепи (рис. 58.) , можно записать:

1 1 1 - ²LC_L

–––––––– = ––––––––– -  ^. C_L = ––––––––––––

 ^. L_Э  ^. L  ^. L

Отсюда следует, что L_Э = L / (1 - ² / ₀²), где ₀ = 1 / (LC_L)^1/2 -собственная резонансная частота катушки.

Емкость C_L вызывает сильные изменения величины индуктивности катушки на частотах близких к собственной резонансной частоте катушки. Причиной появления собственной емкости является электрическое поле, которое возникает между витками, витками и экраном, шасси и т.д., имеющих разный потенциал. Чем больше катушки, ближе расположены витки со значительной разностью потенциалов, выше диэлектрическая проницаемость материала каркаса и изоляции проводов, тем больше собственная емкость. Наименьшей собственной емкостью обладают однослойные бескаркасные (C₀  1пФ) и намотанные на каркасе с шагом (C₀ - 1  2пФ) катушки.

Многослойные катушки обладают большей емкостью, величина которой зависит от способа намотки. Например, для обмоток типа "универсаль" C₀ = 5 10пФ, а для рядовой многослойной - C₀ = 50пФ. Собственная емкость уменьшается, если катушка намотана в виде отдельных секций.

Диэлектрические потери возникают в поле собственной емкости катушки C₀ через диэлектрик и зависят от величины этой емкости, качества материала каркаса (tg) и частоты. Оценим величину диэлектрических потерь. Полное сопротивление цепи, состоящее из индуктивности и параллельного сопротивления

(j ^.  ^. L + R₁) ^. R₂ j ^.  ^. L + R₁

Z = –––––––––––––––––– = ––––––––––––––––––

1 ^.  ^. L + R₁ + R₂ j ^.  ^. L R₁

1 + –––––––– + ––––

R₂ R₂

Обычно R₂ >> R₁ и  ^. L << R₂ тогда

Z = (j ^.  ^. L + R₁) ^. (1 - j ^.  ^. L / R₂) = j ^.  ^. L + R₁ + ^{2 .} L² / R₂ = j ^.  ^. L + R₁ + ^{3 .} L^{2 .} C_L ^. tg = j ^.  ^. L + R₁ + r_Д ,

где R₂ = 1 /  ^. С_L ^. tg - согласно параллельной схеме замещения диэлектрика. Из последнего выражения

r_Д = ^{3 .} L^{2 .} C_L ^. tg =0.25 ^. C_L ^. tg ^. L^{2 .} f^{3 .} 10^-3 , Ом ,

где C_L в пФ, L в мкГн, f в МГц.

Активное сопротивление провода обмотки току высокой частоты значительно больше сопротивления постоянному току из-за поверхностного эффекта и эффекта близости.

Поверхностный эффект заключается в концентрации тока в приповерхностных частях сечения прямолинейного проводника, что уменьшает его эффективное сечение. Величина проникновения тока в глубь проводника, выполненного из немагнитного материала, определяется по формуле

 = 0.5 ^. (p / f)^1/2, мм,

где р - удельное сопротивление материала, мкОм ^. м;

f - частота тока, МГц.

Для уменьшения сопротивления току высокой частоты r_f увеличивают диаметр провода, покрывают его слоем серебра или слоями родий - серебро - родий, для защиты серебра от окисления.

Эффект близости возникает при изгибе проводника и проявля­ется в концентрации тока в обращенных внутрь катушки частях се­чения проводника (рис.59.).Этот эффект вызывает дополнительное уменьшение сечения проводника и соответственно увеличение его сопротивления на величину г_.

Чем больше диаметр обмотки катушки и меньше диаметр провода (рис.60), тем меньше проявляется эффект близости.

Суммируя кривые зависимостей r_пов и г_ (рис.60), получим изменение полного активного Рис. 59

сопротивления провода катушки rf от его диаметра. При определенном диаметре провода сопротивление катушки имеет минимальное значение. При меньших диаметрах провода преобладает влияние поверхностного эффекта, при больших - эффекта близости.

Вклад той или иной составляющей в сопротивление потерь r_П определяется частотой, на которой работает катушка индуктивности. На частотах 100-500 кГц сопротивление потерь в основном определяется активным сопротивлением току высо­кой частоты , в диапазоне 3 - 30 МГц значительное влияние могут оказать диэлектрические потери, особенно, в катушках большого диаметра, намотанных на каркасе из низкочастотного диэлектрика. В катушках малого диаметра с каркасом из высокочастотного диэлектрика (полистирол, ультрафарфор) диэлектрические потери малы. В многослойных катушках поле концентрируется внутри обмоток, поэтому диэлектрические потери в изоляции проводов выше, чем в каркасе.

Стабильность характеризуется изменением параметров катушки индуктивности под воздействием температуры, влажности и во времени.

Изменения индуктивности под влиянием температуры вызывается следующими основными причинами: температурными изменениями линейных размеров (диаметра, длины), изменением эффективной площади сечения проводника вследствие перераспределения тока по сечению провода, изменением собственной емкости и потерь в каркасе, изменением влияния экрана.

Обратимые изменения индуктивности характеризуются температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ):

L₂ ^. L₁

ТКИ = ––––––––––– ,

L₁ (T₂ - T₁)

где L₁ и L₂ - индуктивность катушки при температуре T₁ и Т₂ соот­ветственно.

ТКИ определяется способом намотки и качеством диэлектрика каркаса.

При циклических изменениях температуры между поверхно­стью каркаса и проводником могут образоваться зазоры. Это вызы­вает необратимы изменения индуктивности. Катушки такого типа нестабильны. Для повышения стабильности обмотку выполняют методом горячей намотки или методами осаждения или вжигания металла в материал каркаса. Необратимые изменения индуктивно­сти характеризуются коэффициентом температурной нестабильности индуктивности (КТНИ).

Температурные изменения сопротивления провода, а так же  и tg каркаса обусловливают изменения добротности и собственной емкости C_L. Добротность катушки падает на 10% на каждые 30°С повышения температуры.

Влияние старения каркаса сильно проявляется при использовании органических диэлектриков и практически отсутствует у керамических каркасов из керамики.

Влага увеличивает собственную емкость катушки (возрастает величина  каркаса и воздуха) и диэлектрические потери, а также снижает добротность. Для защиты катушек от влаги применяют герметизацию или пропитку обмотки негигроскопичным составом. Это повышает стабильность параметров, но одновременно снижает добротность и увеличивает собственную емкость.