Катушка индуктивности
Словосочетание «катушка ниток» знакомо всем, но вот что такое катушка индуктивности слышали, думаю, не все. Вот что вы себе представляете под словом «катушка» ? Ну… это, наверное, какая-нибудь фиговинка, на которой намотаны нитки, леска, веревка, да что угодно!
Катушка индуктивности представляет из себя точь-в-точь то же самое, но вместо нитки, лески или чего-нибудь еще там намотана обыкновенная медная проволока в изоляции. Изоляция может быть из бесцветного лака, из проводной изоляции, и даже из матерчатой. Тут фишка такая, что хоть и провода в катушке индуктивности очень плотно прилегают к друг другу, они все равно изолированы друг от друга. Если будете мотать катушки индуктивности сами, ни в коем случае не вздумайте брать обычный медный голый провод!
Немного теории
Любая катушка индуктивности, как ни странно, обладает индуктивностью ? Индуктивность катушки измеряется в Генри (Гн), обозначается буковкой L и замеряется LC — метром. Что такое индуктивность? Давайте разбираться. Если через проводок прогнать электрический ток, то он вокруг себя создаст магнитное поле:
где
В — магнитное поле, Вб
I — сила тока, А
А давайте возьмем и намотаем в спиральку этот провод и подадим на его концы электрический ток:
И у нас получится вот такая картина с магнитными силовыми линиями:
Грубо говоря, чем больше линий магнитного поля пересекут площадь этого соленоида, получается площадь цилиндра, тем больше будет магнитный поток (Ф). Так как по всей этой конструкции течет электрический ток, то значит в этот момент он обладает какой-то Силой тока (I). А коэффициент между магнитным потоком и силой тока называется индуктивностью, и вычисляется так:
С научной же точки зрения, индуктивность — это способность извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля. Если ток в катушке увеличивается, магнитное поле вокруг катушки расширяется, а если ток уменьшается — магнитное поле сжимается.
Катушка индуктивности обладает также очень интересными свойствами. При подаче на катушку электрического тока постоянного напряжения, в катушке возникает напряжение, противоположное напряжению электрического тока и оно потом исчезает через несколько долей секунд.
Это противоположное напряжение называется ЭлектроДвижущейСилой самоиндукции, или просто — ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение,в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения, согласно Закон Ома:
где
I — сила тока в катушке , А
U — напряжение в катушке, В
R — сопротивление катушки, Ом
Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки постоянное.
И второй прикол в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности — источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы подали на катушку. Следовательно, и ток будет в самом начале больше, а потом тихонько спадет до нуля. Время спада силы тока также зависит от индуктивности катушки.
Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока резко возрастет в катушке и плавно убавиться до нуля. Короче говоря,сила тока в катушке мгновенно измениться не может. Это в электронике называют первым законом коммутации. Уфф, ну все, самое тяжелое позади :-).
Типы катушек индуктивности
Катушки индуктивности делятся в основном на два класса: с магнитным и немагнитным сердечником. Снизу на фото катушка с немагнитным сердечником.
Но где у нее сердечник? Воздух — это немагнитный сердечник :-). Такие катушки также могут быть намотаны на какой-нибудь цилиндрической бумажной трубочке. Индуктивность катушек с немагнитным сердечником используется, когда индуктивность не превышает 5 миллигенри.
А вот катушки индуктивности с сердечником:
В основном используют сердечники из феррита и железных пластин. Сердечники повышают индуктивность катушек в разы. Сердечники в виде кольца (тороидальные) позволяют получить большую индуктивность, нежели просто сердечники из цилиндра.
Для катушек средней индуктивности используются ферритовые сердечники:
Катушки с большой индуктивностью делают как трансформатор с железным сердечником, но с одной обмоткой, в отличие от трансформатора.
Также есть особый вид катушек индуктивностей. Это так называемые дроссели. Дроссель — это катушка индуктивности, задача которой состоит в том, чтобы создать в цепи большое сопротивление для переменного тока, чтобы подавить токи высоких частот.
Постоянный ток через дроссель проходит без проблем. Почему это происходит, можете прочитать в этой статье. Обычно дроссели включаются в цепях питания усилительных устройств. Дроссели предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов). На низких частотах (НЧ) они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники. Ниже на фото силовые дроссели:
Также существует еще один особый вид дросселей — это сдвоенный дроссель. Он представляет из себя две встречно намотанных катушки индуктивности. За счет встречной намотки и взаимной индукции он более эффективен. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания, а также в звуковой технике.
Опыты с катушкой индуктивности
От каких факторов зависит индуктивность катушки? Давайте проведем несколько опытов. Я намотал катушку с немагнитным сердечником. Ее индуктивность настолько мала, что LC — метр мне показывает ноль.
Имеется ферритовый сердечник
Начинаю вводить катушку в сердечник на самый край
LC-метр показывает 21 микрогенри.
Ввожу катушку на середину феррита
35 микрогенри. Уже лучше.
Продолжаю вводить катушку на правый край феррита
20 микрогенри. Делаем вывод, самая большая индуктивность на цилиндрическом феррите возникает в его середине. Поэтому, если будете мотать на цилиндрике, старайтесь мотать в середине феррита. Это свойство используется для плавного изменения индуктивности в переменных катушках индуктивности:
где
1 — это каркас катушки
2 — это витки катушки
3 — сердечник, у которого сверху пазик под маленькую отвертку. Вкручивая или выкручивая сердечник, мы тем самым изменяем индуктивность катушки.
Экспериментируем дальше. Давайте попробуем сжимать и разжимать витки катушки. Для начала ставим ее в середину и начинаем сжимать витки
Индуктивность стала почти 50 микрогенри!
А давайте-ка попробуем расправим витки по всему ферриту
13 микрогенри. Делаем вывод: для максимальной индуктивности мотать катушку надо «виток к витку».
Убавим витки катушки в два раза. Было 24 витка, стало 12.
Совсем маленькая индуктивность. Убавил количество витков в 2 раза, индуктивность уменьшилась в 10 раз. Вывод: чем меньше количество витков — тем меньше индуктивность и наоборот. Индуктивность меняется не прямолинейно виткам.
Давайте поэкспериментируем с ферритовым кольцом.
Замеряем индуктивность
15 микрогенри
Отдалим витки катушки друг от друга
Замеряем снова
Хм, также 15 микрогенри. Делаем вывод: расстояние от витка до витка не играет никакой роли в катушке индуктивности тороидального исполнения.
Мотнем побольше витков. Было 3 витка, стало 9.
Замеряем
Офигеть! Увеличил количество витков в 3 раза, а индуктивность увеличилась в 12 раз! Вывод: индуктивность меняется не прямолинейно виткам.
Если верить формулам для расчета индуктивностей, индуктивность зависит от «витков в квадрате». Эти формулы я здесь выкладывать не буду, потому как не вижу надобности. Скажу только, что индуктивность зависит еще от таких параметров, как сердечник (из какого материала он сделан), площадь поперечного сечения сердечника, длина катушки. Остальные факторы мы разобрали в опытах. Более подробно про формулы расчета . Но лучше все таки изготовить катушку опытным путем с замером ее индуктивности на каждом этапе.
Обозначение на схемах
Последовательное и параллельное соединение катушек индуктивности
При последовательном соединении индуктивностей, их общая индуктивность будет равняться сумме индуктивностей.
А при параллельном соединении получаем вот так:
При соединении индуктивностей должно выполняться правило, чтобы они были пространственно разнесены на плате. Это связано с тем, что при близком расположении друг друга их магнитные поля будут влиять с друг другом, и поэтому показания индуктивностей будут неверны. Не ставьте на одну железную ось две и более тороидальных катушек. Это может привести к неправильным показаниям общей индуктивности.
Резюме
Катушка индуктивности играет в электронике очень большую роль, особенно в приемопередающей аппаратуре. На катушках индуктивности строятся также различные фильтры для электронной радиоаппаратуры, а в электротехнике ее используют также в качестве ограничителя скачка силы тока.
Ребята из Паяльника забабахали очень неплохой видос про катушку индуктивности. Советую посмотреть в обязательном порядке:
Katushka_induktivnosti (2)
План
1.Катушка индуктивности
2. Добротность катушки индуктивности
2.1 Определение индуктивного сопротивления
2.2 Определение добротности катушки индуктивности
2.3 Рисунок
3.Разновидности катушек индуктивности
3.1 Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике
3.2 Катушки связи, или трансформаторы связи
3.3 Вариометры
3.4 Дроссели
3.5 Сдвоенные дроссели
4. Применение катушек индуктивности
5.Список использованной литературы
Катушка индуктивности — деталь, которая имеет спиральную обмотку и может концентрировать переменное магнитное поле. В отличие от резисторов и конденсаторов катушки индуктивности являются нестандартными радиодеталями и их конструкция определяется назначением конкретного устройства.
Основные параметры катушки индуктивности:
-
Индуктивность
-
Добротность катушки индуктивности
-
Собственная ёмкость катушки индуктивности
-
Температурная стабильность (температурный коэффициент)
Величина индуктивности прямо пропорциональна размерам катушки и количеству витков. Индуктивность также зависит от материала сердечника, введённого в катушку и наличия экрана. Расчёт катушки индуктивности выполняется с учётом этих факторов.
При введении в катушку сердечника из магнитных материалов (феррит, альсифер, карбонильное железо, магнетит) её индуктивность увеличивается. Это свойство позволяет уменьшить количество витков в катушке для получения требуемой индуктивности и тем самым уменьшить её габариты. Это особенно важно на низкочастотных диапазонах, когда нужна большая индуктивность. Погружая сердечник в катушку на разную глубину изменяют её индуктивность. Это свойство использовалось в старых радиоприёмниках при настройке на радиостанцию. В современных приборах наиболее часто это свойство используется в индуктивных бесконтактных датчиках. Такие датчики реагируют на приближение металлических предметов.
Влиять на индуктивность катушки можно и при отсутствии в ней подвижного сердечника. В этом случае одну из двух последовательно соединённых катушек помещают внутри другой. Если затем изменять её положение, то индуктивность также будет изменяться. Такая конструкция катушек называется вариометр.
Добротность катушки индуктивности– это качество работы катушки в цепях переменного тока. Добротность катушки индуктивности определяют как отношение её индуктивного сопротивления к активному сопротивлению. Грубо говоря,индуктивное сопротивление – это сопротивление катушки переменному току, а активное сопротивление – это сопротивление катушки постоянному току и сопротивление, обусловленное потерями электрической мощности в каркасе, сердечнике, экране и изоляции катушки. Чем меньше активное сопротивление, тем выше добротность катушки и её качество. Таким образом, можно сказать, что чем выше добротность, тем меньше потери энергии в катушке индуктивности.
Индуктивное сопротивление определяется формулой:
XL = ωL = 2πfL
Где ω = 2πf – круговая частота (f – частота, Гц); L – индуктивность катушки, Гн.
Добротность катушки индуктивности определяется формулой:
Q = XL / R = ωL / R = 2πfL / R
Где R – активное сопротивление катушки индуктивности, Ом.
Конец формы
Для намотки катушки индуктивности обычно используют медный провод в эмалевой изоляции. Повысить добротность катушки можно с помощь специального вида провода, «жила» которого состоит из нескольких тонких проволок с волнистой шёлковой изоляцией (ЛЭШО).
Примеры исполнения катушек индуктивности приведении на рис. 1. Условные графические обозначения катушек индуктивности на электрических схемах приведены на рис. 2. На рис 2 точка у катушки L2 обозначает начало обмотки (в некоторых схемах это важно).
Рис. 1. Катушки индуктивности. Рис. 2. Условное графическое обозначение (УГО) катушек индуктивности.
Разновидности катушек индуктивности
Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике
Эти катушки используются совместно с конденсаторами для организации резонансных контуров. Они должны иметь высокую термо- и долговременную стабильность, и добротность, требования к паразитной ёмкости обычно несущественны.
Катушки связи, или трансформаторы связи
Взаимодействующие магнитными полями пара и более катушек обычно включаются параллельно конденсаторам для организации колебательных контуров. Такие катушки применяются для обеспечения трансформаторной связи между отдельными цепями и каскадами, что позволяет разделить по постоянному току, например, цепь базы последующего усилительного каскада от коллектора предыдущего каскада и т. д. К нерезонансным разделительным трансформаторам не предъявляются жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи (коэффициент взаимоиндукции).
Вариометры
Это катушки, индуктивностью которых можно управлять (например, для перестройки частоты резонанса колебательных контуров) изменением взаимного расположения двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая обычно располагается внутри первой и вращается (ротор). Существуют и другие конструкции вариометров. При изменении положения ротора относительно статора изменяется степень взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника относительно обмотки, либо изменением длины воздушного зазора замкнутого магнитопровода.
Дроссели
Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Дроссели включаются последовательно с нагрузкой для ограничения переменного тока в цепи, они часто применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента, а также в качестве балласта для включения разрядных ламп в сеть переменного напряжения. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющиеферритовые бочонки (бусины или кольца), нанизанные на отдельные провода или группы проводов (кабели) для подавления синфазных высокочастотных помех.
Сдвоенный дроссель
Сдвоенные дроссели
Это две намотанных встречно или согласованно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. При согласной намотке эффективны для подавления дифференциальных помех. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике. Предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов из питающей сети, так и во избежание проникновения в питающую сеть электромагнитных помех, генерируемых устройством. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный сердечник (из трансформаторной стали). Для фильтрации высокочастотных помех — сердечник ферритовый.
Применение котушек индуктивности
— Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/илирезисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепейобратной связи, колебательных контуров и т. п.
— Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.
— Две и более индуктивно связанные катушки образуюттрансформатор.
— Катушка индуктивности, питаемая импульсным током оттранзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.
— Катушки используются также в качестве электромагнитов — исполнительных механизмов.
— Катушки применяются в качестве источника энергии для нагреваиндуктивно-связанной плазмы, а также её диагностики.
— Для радиосвязи — приёма электромагнитных волн, редко — для излучения:
— Ферритовая антенна
— Рамочная антенна, кольцевая антенна
— DDRR
— Индукционная петля
— Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
— Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах при перемещении ферромагнитного сердечника относительно обмотки.
— Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля в индукционных магнитометрах
— Для создания магнитных полей в ускорителях элементарных частиц, магнитного удержания плазмы, в научных экспериментах, в ядерно-магнитной томографии. Мощные стационарные магнитные поля, как правило, создаются сверхпроводящими катушками.
— Для накопления энергии.
Измерителем индуктивности называется прибор для измерения индуктивности катушек, дросселей, обмоток трансформаторов, а также сопротивления активных потерь катушек. Наиболее широкое применение находят измерители индуктивности, работа которых основана на резонансном и мостовом методах. В резонансных измерителях индуктивности (рис. 1) используются известные соотношения между параметрами L, C и R колебательного контура и его резонансной частотой. Резонансные измерители индуктивности работают на частотах от нескольких кГц до нескольких сотен МГц; диапазон измеряемых индуктивностей – от сотен долей мкГн до нескольких сотен мГн; погрешность измерений составляет обычно несколько процентов.
Рисунок 1 – Резонансный измеритель индуктивности
Lc – индукция витка связи;
Lx – измеряемая индуктивность;
Сk – собственная емкость катушки;
Сх – образцовая емкость;
ЛВ – ламповый вольтметр;
ГВЧ – генератор сигналов высокой частоты;
В мостовых измерителях индуктивности используются мостовые цепи; часто такие цепи входят в состав универсальных мостов, предназначенных для измерения индуктивности, емкости и активного сопротивления. Мостовые измерители индуктивности применяются на частотах до нескольких сотен МГц и обеспечивают измерение индуктивностей от десятых долей мкГн до нескольких тысяч Гн. Все шире применяются измерители индуктивности с самобалансирующимися мостами переменного тока с цифровым отсчетом (рис. 2), а также измерители индуктивности, в которых измеряемый параметр преобразуется в ток, напряжение или временной интервал с последующим измерением этих величин цифровыми измерителями.
Рисунок 2 – Мостовой измеритель индуктивности
Zx – полное сопротивление катушки индуктивности;
Z2 – образцовый резистор;
Z2,3 – переменные резисторы;
1 – генератор сигналов низкой частоты (ГСНЧ);
2 – блок сравнения;
3 – блок управления уравновешивания моста;
4 – устройство цифрового счета;
В современных измерителях индуктивности широко применяются микросхемы. Основной тенденцией в развитии измерители индуктивности является автоматизация процесса измерения в сочетании с дистанционным программным управлением, что позволяет использовать такие измерители индуктивности в автоматизированных системах контроля и информационно-измерительных системах.
Так как индуктивность зависит от магнитной пронтцаемости µ среды и проводников электрической цепи, напомним физическую сущность этой величины. Магнитная проницаемость µ — физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции B среды при воздействии магнитного поля H
μ = B /μ0H
μ0 — магнитная постоянная;
Магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума ) равна:
μ0 =4π ·10 -7 Гн/м=1,256637·10 -6 Гн/м
Магнитная проницаемость связана с магнитной восприимчивостью χ соотношением
μ = 1+ 4π χ (СГС)
μ = 1+ χ (СИ)
Для вакуума χ=0, μ=1.
В переменных магнитных полях, изменяющихся по закону синуса или косинуса магнитная проницаемость представляется в комплексной форме:
μ = μ1 + iμ2
μ1 — характеризует обратимые процессы намагничивания;
μ2 — процессы рассеяния энергии магнитного поля (потери на вихревые токи, магнитную вязкость и др.)
Магнитная вязкость – задержка во времени изменения магнитных характеристик вещества (намагниченности, магнитной проницаемости) от изменения напряженности магнитного поля. Запаздывание от 10 -9с до часов. Магнитная восприимчивость – величина, характеризующая связь намагниченности вещества с магнитным полем в этом веществе
χ = J / H
χуд = χ / g
χ = χуд · M
M – молекулярная (атомная) магнитная восприимчивость;
Магнитная восприимчивость – положительная для парамагнетиков и ферромагнетиков (намагничиваются по полю); отрицательная – для диамагнетиков (намагничивается против поля).
Диамагнетики – He, Cu, Be, Zn, Ag, Au, Bi и другие, H2O, CO2, CH4 (метан), С6Р6 (бензол).
Парамагнетики – Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, W, Pt..
J – намагниченность – характеристика магнитного состояния макроскопического тела. Намагниченность J определяется как магнитный момент M единицы объема тела:
J = M / V,
или для однородного намагничивания
J = dM / dV.
Измеряется в A/м, 1 м3 вещества обладает магнитным моментом 1 А· м2 в системе СГС (Гс·см3).
Магнитная индукция B – основная характеристика магнитного поля, представляющая собой среднее значение суммарной напряженности микроскопических магнитных полей, созданных отдельными электронами и другими элементарными частицами.
B = H + 4πJ (1)
H – вектор напряженности магнитного поля;
J – вектор намагниченности;
J = χ H (2)
На основании (1) и (2) и с учетом ранее приведенных соотношений:
B = (1 + 4πχ)H = μH
μ = (1 + 4πχ)
μ – магнитная проницаемость;
χ – магнитная восприимчивость;
В системе СИ используются следующие соотношения:
B = μ0(H +J)
J = χH
B = μ0 μH
μ = 1 + χ
Магнитная индукция в СИ измеряется в Теслах (1 Тл — 104 Гс).
Природа индуктивности и классификация катушек индуктивности
Для создания катушек индуктивности используется эффект взаимодействия магнитного поля и переменного тока. Коэффициент пропорциональности между переменным напряжением и током с учетом частоты ω имеет смысл реактивного сопротивления jωL, где L – коэффициент пропорциональности. Для увеличения индуктивности провод, по которому протекает ток, наматывают в виде катушки. При этом добавляется взаимная индуктивность между витками и индуктивное сопротивление, т. е. значение L увеличивается. Индуктивность является основным параметром катушки.
Катушки используются в РЭА как дроссели для перераспределения переменного тока по цепям и создания индуктивной связи между цепями. При их использовании вместе с конденсаторами образуются колебательные контуры, входящие в состав фильтров и генераторов высокочастотных колебаний. Следует подчеркнуть, что под катушками индуктивности будем понимать те индуктивные элементы, которые работают в диапазоне радиочастот примерно от 100 кГц и выше.
Для классификации радиочастотных индуктивных элементов можно использовать разные признаки: наличие или отсутствие сердечника, характер намотки – однослойная (с шагом или без шага) или многослойная (рядовая, универсальная, внавал), рабочую частоту, количество обмоток, наличие или отсутствие каркаса, наличие или отсутствие экрана и т.д.
Схема замещения, основные и паразитные параметры
В катушке индуктивности помимо основного эффекта – индуктивности – наблюдаются и паразитные. Схема замещения (рис. 3а) катушки отображает ее основные свойства и содержит не только основной параметр, индуктивность L, но и ряд дополнительных: индуктивность выводов (учтены в L); собственную емкость, обусловленную наличием обмотки, выводов, сердечника и экрана СL; сопротивление, отображающее потери в емкости RC; сопротивление, зависящее от потерь в катушке RL. СL с L образует параллельный резонансный контур. Его резонансная частота f0 = 1/2π (LC0)1/2, эквивалентная схема контура показана на рис. 3б.
Рисунок 3а – Схема замещения катушки
Рисунок 3б – Эквивалентная схема контура
Катушка индуктивности – катушка из провода с изолированными витками; обладает значительной индуктивностью при относительно малой емкости и малом активном сопротивлении. Предназначена для накопления магнитной энергии, разделения или ограничения электрических сигналов различной частоты и т. д. Индуктивность катушки индуктивности определяется линейными размерами катушки, числом витков обмотки и магнитной проницаемостью окружающей среды и проводников; изменяется от десятых долей мкГн до десятков Гн. Другие основные параметры катушкииндуктивности: добротность Q(отношение индуктивного сопротивления к активному), собственная емкость, механическая прочность, габаритные размеры, масса.
В зависимости от конструкции катушки индуктивности делятся на каркасные и бескаркасные, одно- и многослойные, экранированные и неэкранированные, с магнитными сердечниками (с ферритовыми сердечниками) и без них (рис. 4). Важное достоинство катушек индуктивности с сердечниками – возможность подстройки (изменение индуктивности катушки индуктивности в определенных пределах путем изменения параметров сердечника). Катушки индуктивностиприменяются в качестве одного из основных элементов электрических фильтров и колебательных контуров, накопителя электрической энергии и др.
Рисунок 4а – Цилиндрическая однослойная катушка индуктивности
Рисунок 4б – Тороидальная многослойная катушка индуктивности с сечеием – квадрат
Рисунок 4в – Катушка индуктивности с цилиндрическим сердечником (броневая)
Рисунок 4г – Катушка индуктивности с П-образным сердечником
Рисунок 4д – Образцовая индуктивность на керамическом тороиде
Рисунок 4е – Вариометр – катушка с регулируемой индуктивностью и поступательным перемещением сердечника
1 — обмотка;
2 — каркас;
3 — сердечник;
Рисунок 4ж – Вариометр с вращающимся сердечником
1 – ротор;
2 – статор;
Индуктивность катушки, мкГн, может быть рассчитана по формулам:
L=L0W2D·10 -3 (3)
Для однослойной катушки L0 = f(lн /D),
где lн – длина намотки, см;
Dср = Dк + d – средний диаметр витка, см;
Dк – диаметр каркаса;
d – диаметр провода;
W – количество витков.
Для многослойной катушки:
L0 = f(lн /Dср ) и L0 = f(b /Dср),
где D – наружный диаметр катушки, см;
Dср – средний диаметр катушки, см;
Dк – диаметр каркаса, см;
b – глубина намотки, см;
Важным параметром катушки при ее применении в колебательных контурах является добротность, характеризующая относительных уровень активных потерь в ее обмотке, собственной емкости, сердечнике и экране:
Q =ωL / RL
Свойства катушки при изменении температуры описываются температурным коэффициентоминдуктивности αL, который определяется выражением
Индуктивность при температуре T определяется выражением
L(T) = LОТ = m(β0 )lg t/t0
где μн – начальная магнитная проницаемость материала;
∆μн (t) – отклонение магнитной проницаемости материала от начальной магнитной проницаемости;
β0 – случайный коэффициент, показывающий скорость изменения магнитной проницаемости материала для каждой реализации;
m(β0 ) – математическое ожидание коэффициента, показывающего скорость изменения магнитной проницаемости материала;
t – время, в течение которого отсутствуют заметные изменения магнитной проницаемости.
Значения ∆μн (t), β0, m(β0), t0 получают из результатов эксперимента. В рассматриваемом примере для тороидальных сердечников m(β0) = 0,14% и t0 = 50 ч.
Среднеквадратическое отклонение также можно рассматривать как изменяющееся по логарифмическому закону:
D 1/2(∆μн (t) / μн )= D1/2(β0 )lg t/t0.
Изменение стабильности при длительной эксплуатации катушек индуктивности в основном определяется изменением магнитной проницаемости сердечника μс . При небольших зазорах
μс
=
μн
(4)
1+μн(lз / lc)
где lc – длина магнитной силовой линии;
lз – «длина» зазора;
μн – номинальная магнитная проницаемость материала.
Следовательно, изменяя зазор, можно получить разные значения μс < μн, Относительное изменение индуктивности
∆ Lc(t)/Lc (t)/μc
где Lc и μc – начальное значение индуктивности проницаемости сердечника;
∆Lc(t) и ∆μc (t)– их отклонения во времени.
Для описания закономерностей отклонений ∆μc и ∆Lc также следует воспользоваться логарифмической аппроксимацией. Тогда
∆Lc(t) / Lc = ∆μc (t) / μc = βс lg t/t0
где βс – случайный коэффициент, показывающий скорость изменения магнитной проницаемости сердечника и индуктивности катушки.
Применение ферритовых сердечников позволяет значительно повысить индуктивность, а, следовательно, добротность катушки, при неплохих показателях по стабильности (например, при среднем уходе по индуктивности на 0,5% за три года). При этом необходимо так выбирать материал сердечника, чтобы потери при частоте, на которой работает катушка, были пренебрежительно малы. По полученной μc следует выбрать зазор, пользуясь (4).
Перспективы развития и использования катушек индуктивности в РЭА
Катушка индуктивности является элементом, сопряжение которого с интегральной схемой вызывает большие трудности. Основная причина состоит в сложности создания катушек малых габаритов с высокими индуктивностью и добротностью.
Все это объясняет наметившуюся тенденцию уменьшения количества катушек индуктивности в аппаратуре на интегральных схемах, не требующих катушек индуктивности, и замены их специальными схемами на транзисторах (гираторы).
Применительно к развитию катушек индуктивности общего назначения совершенствование их параметров в основном связано с новыми материалами, имеющими высокую магнитную проницаемость и стабильность на разных частотах, значительно превышающих по своим свойствам современные ферриты. Ферриты.
ЛИТЕРАТУРА 1. Рычина Т.А. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы 2. Ефимов А.В, Микроэлектроника 3. Свитенко В.И. Электрорадиоэлементы
4. И. Н. Сидоров, В. В. Мукосеев, А. А. Христинин
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК 1) Радиодетали, радиокомпоненты и их расчет. Под ред. А. В. Коваля. М.,»Сов. радио», 2007, 388с 2) Кжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. – Л.: Машиностроение, 2003. – 464с. 3) Рычина Т.А.Электрорадиоэлементы.Учебник для вузов.М.,»Сов.радио»,2006, 336с 4) Волглв В.А Детали и Узлы радиоэлектронной аппаратуры.М.,изд-во «Энергия»,1967,542с.
