Катушки индуктивности, дроссели и трансформаторы (стр. 2 из 3)

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 индуктивности применяются 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(l_н /D),

где l_н – длина намотки, см;

D_ср = D_к + d– средний диаметр витка, см;

D_к – диаметр каркаса;

d – диаметр провода;

W – количество витков.

Для многослойной катушки:

L₀ = f(l_н /D_ср ) и L₀ = f(b/D_ср),

где D – наружный диаметр катушки, см;

D_ср– средний диаметр катушки, см;

D_к – 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 / R_L

Свойства катушки при изменении температуры описываются температурным коэффициентом индуктивности α_L, который определяется выражением

Индуктивность при температуре T определяется выражением

L(T) = L_ОТ [1+ α_L(T–T₀ )

где T – температура;

L_ОТ – индуктивность при номинальной температуре;

T₀ – номинальная температура.

Изменение параметров во времени (старение) характеризуется коэффициентом старения

β_L = (dL / dt) (1 / L₀),

где t – время;

L₀ – индуктивность непосредственно после изготовления катушки.

Индуктивность после длительной работы быть определена из выражения

L(t) = L₀ (1+β_Lt)

Большое значение имеют также конструктивные параметры: надежность, габариты, масса, диапазон температур, влагостойкость, устойчивость против механических воздействий, а также технологичность катушки, возможность ее изготовления с использованием высокопроизводительных методов, стоимость, согласованность ее конструкции с ИС и возможность изготовления катушек методами микроэлектроника. Конструкция и параметры катушки существенно зависят от использования в ней сердечника с высокой магнитной проницаемостью.

Стабильность катушек без сердечника

При применении катушек в контурах большое значение имеет стабильность индуктивности. Наиболее высокой стабильностью обладают однослойные катушки без сердечников. Рассмотрим, чем она определяется.

Из (3) следует, что стабильность индуктивности однослойной катушки зависит от изменения диаметра каркаса при воздействии температуры. Однако при оценке температурной стабильности необходимо учитывать также то, что в высокочастотных катушках в результате поверхностного эффекта ток протекает не по всему сечению провода, а по той части, которая примыкает к каркасу. Положим, что толщина слоя, используемая током, будет взята такой же, как толщина поверхностного (скин-) слоя в проводе

где ρ=10-6 Ом·м – удельное сопротивление;

– частота, МГц;

χ_эф – глубина, на которой ток падает до 0,37 его значения на поверхности проводника, мм.

Эффективный диаметр витка

D_эф ≈ D_к + 2χ_эф.

На рисунке 5 показана конструкция высокочастотной катушки (1 каркас из материала с малым температурным коэффициентом линейного расширения; 2 – виток).

Рисунок 5 – Конструкция высокочастотной катушки

Катушки индуктивности с сердечниками

Катушки без сердечников мало пригодны для микроминиатюризации, так как уменьшение диаметра каркаса катушки приводит к необходимости увеличения количества витков. Поэтому для улучшения характеристик катушки используют сердечники с высокой проницаемостью и малыми потерями на радиочастоте.

Первоначально в качестве материала для таких сердечников использовалось карбонильное железо, затем альсифер, а в настоящее время все шире применяются ферриты. Введение сердечника позволяет уменьшить количество витков при той же индуктивности.

Если предположить, что в сердечнике нет потерь, то добротность катушки с сердечником Q_с увеличится в √ μ_сраз:

Qс≈ Qб/с √

μс

где Q_б/с – добротность катушки без сердечника той же индуктивности;

μ_с – действующая магнитная проницаемость.

Основным методом повышения проницаемости сердечника является придание ему такой формы, при которой магнитные силовые линии практически полностью проходят путь по магнитному материалу с высокой проницаемостью. Это, например, броневой сердечник (Рисунок 4в).

Индуктивность катушки с сердечником с зазором (Рисунок 4г):

L_c= 12,6 ·10^-3S_cW²μ_с/ l_c= 12,6 S_cW²μ_н·10^-3/ l_c(1+μ_н l₃/l_c),

где S_c – площадь сечения сердечника.

Свойства катушек индуктивности при длительном функционировании

При длительном функционировании катушек индуктивности с сердечниками наиболее существенное влияние на их параметры оказывает сердечник.

Старение материала сердечника обычно описывается логарифмическим законом:

∆μ_н (t) / μ_н = β₀ lgt/t₀.

Тогда для среднего значения

m[∆μ_н (t) / μ_н ] = m(β₀)lgt/t₀

где μ_н – начальная магнитная проницаемость материала;

∆μ_н (t) – отклонение магнитной проницаемости материала от начальной магнитной проницаемости;

β₀– случайный коэффициент, показывающийскорость 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 ∆μ_н (t), β_0, m(β₀), t₀получают 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(∆μ_н (t) / μ_н )= D^1/2(β₀)lgt/t₀.

Изменение стабильности при длительной эксплуатации катушек индуктивности в основном определяется изменением магнитной проницаемости сердечника μ_{с .} При небольших зазорах