Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 14 из 102)
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. 1.5.3а) 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. 1.5.3б.
Рисунок 1.5.3а – Схема замещения катушки
Рисунок 1.5.3б – 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 катушки индуктивности: 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 индуктивности применяются в качестве одного из основных элементов электрических фильтров и колебательных контуров, накопителя электрической энергии и др.
Рисунок 1.5.4а – Цилиндрическая однослойная катушка индуктивности
Рисунок 1.5.4б – Тороидальная многослойная катушка индуктивности с сечеием – квадрат
Рисунок 1.5.4в – Катушка индуктивности с цилиндрическим сердечником (броневая)
Рисунок 1.5.4г – Катушка индуктивности с П-образным сердечником
Рисунок 1.5.4д – Образцовая индуктивность на керамическом тороиде
Рисунок 1.5.4е – Вариометр – катушка с регулируемой индуктивностью и поступательным перемещением сердечника
1 - обмотка;
2 - каркас;
3 - сердечник;
Рисунок 1.5.4ж – Вариометр с вращающимся сердечником
1 – ротор;
2 – статор;
Индуктивность катушки, мкГн, может быть рассчитана по формулам:
L=L0W2D·10 -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 коэффициентом индуктивности αL, который определяется выражением
dL 1 αL = dT LОТ
Индуктивность при температуре T определяется выражением
L(T) = LОТ [1+ αL(T–T0 )
где T – температура;
LОТ – индуктивность при номинальной температуре; T0 – номинальная температура.
Изменение параметров во времени (старение) характеризуется коэффициентом старения
βL = (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+βL t)
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
χэф= 0,5√ ρ/f
где ρ=10-6 Ом·м – удельное сопротивление; f – частота, МГц;
χэф – глубина, на которой ток падает до 0,37 его значения на поверхности
проводника, мм.
Эффективный диаметр витка
Dэф ≈ Dк + 2χэф.
На рисунке 5 показана конструкция высокочастотной катушки (1 каркас из материала с малым температурным коэффициентом линейного расширения; 2 – виток).
Рисунок 1.5.5. – 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 Qс увеличится в √ μс раз:
Qс ≈ Qб/с √ μс
где Qб/с – добротность катушки без сердечника той же индуктивности; μс – 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):
Lc= 12,6 ·10-3ScW2μс / lc= 12,6 ScW2μн·10-3 / lc(1+μн l3/lc),