Исследование катушек индуктивности

ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШЕК  ИНДУКТИВНОСТИ

Цель работы: изучение влияния конструкции катушек индуктивности на их электрические параметры.

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. В зависимости от назначения катушки индуктивности делятся на контурные (совместно с конденсатором они образуют колебательные контуры) и катушки связи (Здесь они способствуют передаче высокочастотных колебаний из одной цепи в другую).

 Основные параметры  катушки индуктивности: 

1. Индуктивность
2. Добротность катушки индуктивности
3. Собственная ёмкость катушки индуктивности
4. 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.

 

Ёмкость катушки  индуктивности.

Витки катушки, разделённые  слоем изоляции, образуют элементарный конденсатор. В многослойных катушках ёмкость возникает между отдельными слоями. Таки образом, катушка индуктивности  обладает не только индуктивностью, но и собственной ёмкостью. В большинстве  случаев собственная ёмкость  катушки индуктивности является вредной, и от неё стремятся избавиться. Для этого катушки индуктивности  выполняют со специальными формами  каркаса, а обмотки катушки также  выполняют специальными способами. Собственная ёмкость катушки  также увеличивается, если её намотка  выполнена рядами виток к витку.

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.

Сердечники катушек  индуктивности.

 

Для уменьшения потерь в  сердечниках катушек используются маг-нитодиэлектрики — материалы, у которых частицы размельченного фер-ритового вещества разделены между собой диэлектриком. К числу таких материалов относятся известные альсифер и карбонильное железо. В последнее время в качестве материала для сердечников широко применяют ферриты: никель-цинковые, марганец-никелевые, литий-цинко-вые. Условное обозначение ферритов: НН — никель-цинковые низкочастотные ферриты, НМ — марганец-цинковые, ВТ — ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса. Цифры, стоящие перед буквенными обозначениями, указывают среднее значение начальной магнитной проницаемости материала сердечника. Достоинства ферритов — стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи и простота изготовления ферритовых деталей. Ферриты почти не поддаются механической обработке, они обрабатываются только абразивами, такими как, например, корунд. Изделия из ферритов нельзя обрабатывать на станках, так как это может привести к утрате магнитных свойств — резкому увеличению потерь, снижению проницаемости. Благодаря высокому удельному сопротивлению, катушки с сердечниками из ферритов могут иметь очень большую добротность, на низких частотах свыше 500, а на частотах 500... 1000 кГц — 300.

Основной характеристикой  магнитного материала сердечника является магнитная проницаемость. На практике она оценивается относительной  величиной (по отношению к магнитной  проницаемости вакуума) и является безразмерной. Магнитную проницаемость  ферритов можно считать постоянной лишь при первом, грубом приближении.

Если к температурной  стабильности начальной магнитной  проницаемости ферритов не предъявляются  повышенные требования, то применяют  марганец-цинковые ферриты марок 6000НМ, 4000НМ, 3000НМ, 2000НМ, 1500НМ и 1000НМ. Эти ферриты используются в диапазоне частот до нескольких сотен килогерц как в слабых, так и в сильных полях. Ферриты марок 2000НМ1, 1500НМ1, 1500НМ2, 1500НМЗ, 1000НМЗ и 700НМ предназначены для частот до 3 МГц в слабых и средних полях. Им свойственны малые потери и малый температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости в широком интервале температур. Для магнитных антенн приемников выпускаются фер-ритовые стержни марок 700НМ (до 3 МГц), 150ВЧ (до 12 МГц), 100ВЧ (до 18 МГц), 50ВЧ2 (до 30 МГц) и 30ВЧ2 (до 100 МГц). Стержни изготовляются круглого и прямоугольного сечения. Ферритовые детали можно склеивать полистироловым, эпоксидным и другими клеями.

Стабильность катушек  индуктивности с сердечниками из никель-цинковых ферритов с начальной  магнитной проницаемостью 10...50 (ферриты  марок ВЧ) составляет 1 год, при этом индуктивность изменяется не более  ±5%, а катушки с сердечниками из того же материала, но марок НН —  до ±2%. Индуктивность катушек с  сердечниками из марга-нец-цинковых ферритов (марки НМ) за год изменяется до 5% и является менее стабильной, чем предыдущие. Катушки на альсиферовых кольцах изменяют свою индуктивность в течении года не более чем на ±1%.

Конструктивные  особенности катушек индуктивности

По различным конструктивным признакам катушки индуктивности  могут быть разделены на:

          - однослойные и многослойные;

          - экранированные и неэкранированные;

          - катушки без сердечника и  с сердечником (магнитным или  немагнитным);

          - цилиндрические, плоские и печатные (пленочные);

          - незащищенные (открытые), частично защищенные пропиткой, обволакиванием или опресовкой и защищенные герметичным или негерметичным кожухом.

          Конструкция катушек индуктивности  должна обеспечивать выполнение заданных технических и эксплуатационных требований, быть технологичной, иметь минимальную стоимость.

          К основным элементам конструкции  катушек относятся обмотка (обмотки), каркас и  выводы (контакты). Обмотка является обязательным элементом катушки, остальные могут отсутствовать. Кроме этого, в необходимых случаях катушки могут иметь экран и магнитный или немагнитный сердечник.

          Электрические параметры и стоимость  катушки в значительной степени  определяются ее каркасом. Каркас  должен обеспечивать удобство  намотки провода, распайку выводов  обмотки, надежную фиксацию подстроечного сердечника при его использовании. Материал каркаса выбирается из соображений технологичности и получения заданных характеристик катушки. Он должен быть достаточно механически прочным, влаго- и теплостойким, вносить малые потери, иметь небольшой температурный коэффициент линейного расширения.

          Каркасы катушек с не очень  высокими параметрами могут изготавливаться из дешевых органических материалов - полистирола, фенопластов, различных пресс-материалов. Каркасы катушек с повышенными показателями, в частности, с высокой стабильностью, изготавливаются из радиотехнической керамики типа В: на УКВ и КВ - из ультрафарфора и ВЧ стеатита, на ДВ и СВ - из радиофарфора.

          Размеры каркаса определяют из  общих конструктивных соображений и требуемой добротности, которая пропорциональна диаметру.

          Выводы в каркасах из пластмасс  запрессовывают непосредственно в тело каркаса. В керамических каркасах выводы выполняют в виде специальных хомутиков, штифтов или металлизированных полосок, к которым и присоединяется намоточный провод.

          Некоторые типовые формы каркасов  катушек индуктивности различного назначения приведены на рис. 2.

          Обмотки катушек индуктивности по виду укладки делятся на однослойные и многослойные (рис 3).

          К однослойным обмоткам относятся  сплошная однослойная и обмотка с шагом

(рис З,а,б).

          Однослойные катушки с шагом  отличаются высокой добротностью (150-400) и стабильностью и применяются  в контурах КВ и УКВ. Значения  предельной индуктивности для  обмоток с шагом зависят от  диаметра каркаса и приведены  в табл. 1.  

                                                                                                                                          Таблица 1

Предельная индуктивность  обмотки с шагом

Диаметр каркаса, мм	6	10	15	20	25
Предельная инд-сть, мкГн	1,8	4	10	20	30

 

Для повышения точности намотки  провода применяются нарезные, каркасы, у которых на поверхности имеется  неглубокая спиральная канавка, фиксирующая  провод при намотке. Однако погружение провода в диэлектрик каркаса несколько понижает добротность и увеличивает собственную емкость. Чтобы этого не происходило, применяют ребристые каркасы.

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Каркасы цилиндрических катушек:

а-в - типовые каркасы для  приемников длинных и средних  волн; г - для броневых сердечников;  д - ребристый каркас; е - каркас с канавкой (нарезной)

 

 

Рис. 3. Типы намоток катушек  индуктивности:

а - однослойная сплошная; б - однослойная с шагом; в - многослойная рядовая; г - многослойная "кучей" ("внавал"); д - универсальная с двумя переходами (перегибами провода) на виток (развертка) ; е - универсальная перекрестная с 4 витками на цикл (развертка); ж - пирамидальная

          Для высокостабильных катушек  применяются специальные способы намотки - тугая, горячая и осажденная - в сочетании с керамическим каркасом. Тугая намотка производится со значительным натяжением. При горячей намотке провод нагревается до 120-180 °С и незначительно натягивается. В катушках с осажденной (нанесенной) обмоткой витки образуются нанесением слоя металла на поверхность керамического каркаса методом вжигания и последующего гальванического наращивания.

          Катушки со сплошной однослойной  обмоткой отличаются высокой  добротностью (150-250) и стабильностью  при индуктивности не выше 200-500 мкГн (табл. 2) и применяются в контурах КВ и СВ.

                                                                                                                                          Таблица 2

Предельная индуктивность  сплошной однослойной обмотки

Диаметр каркаса, мм	10	15	20	30	50
Предельная инд-сть, мкГн	30	50	100	200	500

 

          Для изготовления катушек с  индуктивностью вше 200-500 мкГн применяются многослойные обмотки - простая рядовая, "внавал" ("кучей"), универсальные (обычная и перекрестная), пирамидальная (рис. 3,в-ж).