Конструкторский расчет катушки индуктивности (стр. 1 из 4)
ВВЕДЕНИЕ
Катушка индуктивности является элементом радиоэлектронных средств функционирование которой определяется эффектом перехода энергии электрического поля в энергию магнитного поля вследствие протекания по контуру катушки электрического тока. Величина индуктивности определяется конструкцией токопровода и его размерами.
Различают катушки постоянной и переменной индуктивности. Катушки с большими изменениями индуктивности являются вариометрами, а с малыми изменениями индуктивности (10-15%) – подстроенными.
По конструктивному исполнению катушки делятся на цилиндрические и плоские. Цилиндрические катушки индуктивности бывают каркасные и бескаркасные.
Различают катушки индуктивности с однослойной и многослойной намоткой. Многослойные катушки менее технологичны и менее надежны. Различают также экранированные и неэкранированные катушки индуктивности.
В катушках индуктивности применяют магнитные и немагнитные сердечники характер, которого влияет на добротность катушки и интервал варьирования величины индуктивности.
Возможности создания миниатюрных катушек индуктивности очень малы.
В катушках индуктивности потери, влияющие на добротность, складываются из потерь элементов конструкции и увеличиваются при уменьшении размеров конструкции.
В производстве интегральных схем наметилась тенденция замены катушек индуктивности специальными схемами на транзисторах. В производстве гибридно-пленочных интегральных схем катушку индуктивности выполняют в планарном исполнении.
Перспектива развития катушек индуктивности связаны с разработкой новых материалов, имеющие высокие магнитные проницаемости и стабильность на радиочастотах, превосходящие по своим свойствам ферриты, а также развитием конструкции и технологии изготовления таких изделий.
1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
Заданная величина индуктивности, равная 2 мкГн, подстройка величины индуктивности ±5% от указанного значения, интервал варьирования лежит от 1,65 мкГн до 2,35 мкГн, может быть выполнена однослойной намоткой на каркас, в качестве которого может служить немагнитный сердечник, изменяя положение немагнитного сердечника относительно намотки можно достичь указанных пределов изменения индуктивности.
Рабочая частота 29 МГц.
Для эксплуатации необходимо, максимальную надежность конструкции, жесткость, защиту от влияния внешних воздействий: механических и электромагнитных, также необходимо ограничить влияние на другие элементы магнитного поля данной катушки. Кроме этого необходимо обеспечить минимальные габариты изделия.
Для обеспечения годовой программы выпуска, равной 1000 штук, необходимо как можно большая технологичность, а именно количество операций по сборке катушки индуктивности должно быть минимальным.
Годовой выпуск разрабатываемого изделия ориентировано на выпуск 1000 изделий в год, что при количестве рабочих дней 250 в году и односменной работе на участке сборки составляет 4 изделий за рабочую смену.
Условия эксплуатации – следует принять общеклиматическую группу с наибольшим разбросом температур, а именно: О 2.1 по ГОСТ 15150-69.Для того чтобы индуктивность катушки не выходила за указанный интервал, необходимо чтобы температурный коэффициент индуктивности был минимален, это значит, что необходимо использовать материалы с малыми значениями температурного коэффициента линейного расширения.
В задание были поставлены довольно строгие требования к параметрам катушки индуктивности так, область использования катушки требует от нее малой массы и габаритов; программа выпуска требует максимальной технологичности и простоты конструкции; при этом необходимо обеспечить максимальную добротность катушки.
2. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В источнике [1, стр. 164] приведены конструкции типичных катушек индуктивности в миниатюризированном исполнении, эскиз такой конструкции приведен на рисунке 2.1.
1 - экран;
2- прокладка;
3- продстроечник;
4- каркас;
5- обмотка;
6- кольцо;
7- основание.
Рисунок 2.1 – Эскиз миниатюрного исполнения катушки индуктивности (диаметром 9 мм).
Для обеспечения заданной величины индуктивности намотку достаточно выполнить однослойной и с шагом, что облегчит сборку конструкции и уменьшит паразитную емкость.
Величина индуктивности таких катушек колеблется в пределах от сотых долей до сотен микрогенри. Должна обеспечиваться точность в пределах 0,3...0,5%. На практике применяются катушки индуктивности цилиндрические и кольцевые. Для обеспечения высокой добротности в качестве каркаса используются керамики. В настоящее время применяются катушки индуктивности с каркасами из вакуумплтной керамики. Для уменьшения ТКИ и потерь в собственной емкости каркасы имеют ребристую поверхность. Материалом для каркасов служит керамика. Используются каркасы диаметром от 4...30 мм.
Катушки на керамических каркасах изготавливают тремя способами:
на каркас наматывают с натяжением медный провод;
на горячий каркас наматывают с натяжением медную ленту;
на каркас наносят воженное серебро в виде витков обмотки и покрывают их гальвано способом слоем меди.
Для устранения паразитных связей, обусловленных внешним электромагнитным полем катушки, и для устранения влияния окружающего пространства катушка экранируется, т.е. располагается внутри замкнутого металлического заземлённого экрана. На практике материал для экрана используется из алюминиевого сплава. Под влиянием алюминиевого экрана уменьшается её индуктивность, увеличивается сопротивление и собственная ёмкость, но это приводит к снижению температурной стабильности индуктивности.
Практически величина добротности находится в пределах 10...1000, лучшая добротность однослойных цилиндрических катушек достигается при
. Величина добротности зависит от частоты, геометрических размеров и конструкции, числа витков и типа провода. Так, на частотах до 
3...4 МГц преимущественно следует использовать провод типа литцендрат (ЛЭШО, ЛЭЛО, ЛЭВ, ЛЭТ), так как это позволяет получить более высокую добротность. При более высоких частотах применяют одножильный провод (ПЭВ, ПЭМ, ПЭЛО, ПЭЛ)Добротность катушек на кольцевых каркасах относительно меньше, чем у таких же катушек на цилиндрических каркасах.
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И КОНСТРУКТОРСКИЙ РАСЧЕТ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
3.1 Выбор материала и обоснование конструкции
Материал, из которого изготовлена обмотка катушки индуктивности, должен обладать низким удельным сопротивлением во избежание влияния на протекающий электрический ток, и сравнительно не большой коэффициент линейного расширения – этим требованиям вполне удовлетворяют серебро и медь. Для большей доступности этот материал должен иметь не высокую стоимость. Наиболее всего этим требованиям удовлетворяет медь имея:
; 
.Намотку осуществим обычным проводом круглого диаметра. Примем к расчету следующий провод: ПЭЛ-0,5 ГОСТ 16186 – 74.
В качестве материала каркаса используем керамику для уменьшения потерь в диэлектрике каркаса и увеличения добротности. Для уменьшения собственной емкости, но достижения высокой добротности используем каркас диаметром 10 мм.
Для подстройки индуктивности катушек КВ и УКВ часто применяются немагнитные сердечники из меди или латуни . Проанализировав рабочие частоты мы примем немагнитный сердечник выполненный из меди .Это приведет к уменьшению индуктивности и понизит ее добротность .
Для упрощения расчёта сопротивления проводника переменному току вводят понятие "глубина проникновения тока", под которой понимают некоторую величину слоя xэ , на протяжении которой плотность тока уменьшается до 0,37 от его значения на поверхности проводника. Величину проникновения тока определяют по формуле (3.1)
, где (3.1)r -удельное сопротивление материала проводника, 0,017Ом.мм2/м;
f- частота тока. МГц.
Тогда конструкция экрана будет представлять достаточно прочную конструкцию с высокой проводимостью. В принципе для обеспечения большей жесткости экрана было бы лучше изготовить из материалов с высокой прочностью (большей, чем прочность бронзы, латуни), но это будет связано с дополнительными технологически операциями и затруднит обработку. Толщина стенок экрана на практике не превышает 2 мм.
Примем толщину стенок – 0,5 мм.
Диаметр экрана примем равный 8мм, тогда диаметр внутренней поверхности составит 7 мм.
Длину экрана примем равной 12мм.
Тип намотки выбирается сплошным с шагом – для уменьшения длины намотки и свести габариты к минимуму. Данный тип намотки выбран как наиболее простой, а значит для условий массового производства, наиболее подходящим.
Конструктивные элементы катушки (каркас, кольцо, прокладка и т.д. ) – должны обладать высоким омическим сопротивлением, высокой диэлектрической проницаемостью (малым тангенсом угла диэлектрических потерь) и слабой зависимостью диэлектрической проницаемости от частоты и температуры, малый коэффициент линейного расширения. Из курса материаловедения известно, что к таким материалам относятся: керамики, стекла и фторопласт. Для повышения технологичности необходимо использовать материал, выполняющий из керамики у которого e =4÷6;
.