2. Основные элементы катушек индуктивности

Каркасы и обмотки. Каркас служит для размещения на нем обмотки и соединения всех деталей катушки в единое целое. Каркасы катушек отличаются большим разнообразием. Наибольшее распространение получили трубчатые, стержневые (кадр 2), ребристые и торроидальные каркасы, изготовленные из керамики или других изоляционных материалов.

Применение ребристых каркасов (кадр 8) позволяет снизить диэлектрические потери в катушке, уменьшить ее собственную емкость в связи с уменьшением площади соприкосновения между каркасом и обмоткой, улучшить условия охлаждения катушки и благодаря насечкам на ребрах каркаса повысить жесткость обмотки.

Нередко обмотка катушки наматывается на основание из магнитодиэлектриков или ферритов, которое одновременно выполняет функции каркаса и сердечника.

В контурах ультракоротковолновых радиопередатчиков средней и большой мощности используются катушки с толстым проводом (кадр 7). В этом случае необходимость в каркасе отпадает. Такая катушка имеет высокую добротность Q, малую емкость C_L и ее закрепление к изоляционным деталям конструкции передатчика осуществляется лишь в нескольких точках.

Обмотки катушек могут быть однослойными и многослойными (кадр 2, 3).

Однослойные обмотки применяются в катушках коротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов (частоты 3...300 МГц). Такие катушки имеют повышенное значение добротности и небольшую собственную емкость.

На более низких частотах применяются многослойные обмотки. Катушки с простыми многослойными обмотками (рядовой и «в навал») из-за большой емкости и низкой добротности могут использоваться лишь в корректирующих цепях, где эти недостатки не играют существенной роли. Простые обмотки могут быть использованы при изготовлении дросселей. В этом случае часто прибегают

Для уменьшения величины C_L применяют специальные типы обмоток: секционированную и «универсаль» (кадр 3). При секционировании катушки, ее емкость C_L уменьшается, за счет последовательного соединения емкостей отдельных секций, число которых обычно составляет 2...6. Катушки обмоткой «универсаль» имеют малую C_L из-за малой площади «контакта» между соседними витками. Основное применение такие катушки нахо­дят в качестве дросселей высокой частоты, а также в качестве контурных катушек средневолнового и длинноволнового диапазонов.

Обмоточный провод. Благодаря своим высоким электрическим свойствам наибольшее применение в качестве провода обмотки катушек получил изолированный медный провод круглого сечения.

На частотах до 1 МГц для наилучшего использования сечения провода обмотки, как говорилось выше, может применяться «литцендрат» Но в любом сечении литцендрата всегда имеется некоторое напряже­ние между отдельными проводами вследствие их различного положения в сечении и различного сопротивления. При возрастании частоты эти различия будут еще более заметными и приведут к дальнейшему увеличению напряжения между проводниками и росту потерь в их изоляции. Поэтому преимущества литцендрата по срав­нению со сплошным проводом на частотах выше 1 МГц практически теряются.

На частотах выше 1 МГц при небольшой плотности тока вы­годно применять обмотку из плоского (ленточного) проводника, что повышает ее жесткость. Глубина проникновения тока в проводник на этих частотах незначительна, поэтому толщина проводника может быть небольшой. В качестве проводников используются также металли­ческие слои (серебряные, медные), полученные методом химического осаждения металла или методом его вжигания в керамический каркас с последующим усилением слоя путем гальванизации.

При повышении плотности тока в обмотках высокодобротных катушек, особенно на частотах 50...500 МГц, применяется посеребренный круглый медный провод без изоляции. В обмотках катушек выходных контуров мощных радиопередатчиков плотность тока достигает значительных величин, а поэтому возникает не­обходимость в отводе тепла от катушек. Проводники обмотки в этом случае выполняются трубчатыми, и через них пропускается охла­ждающая жидкость (например, вода).

Сердечники. Сердечники, применяемые в катушках индуктивности, могут быть магнитными и немагнитными.

Применение сердечника из магнитодиэлектриков или ферритов позволяет уменьшить геометрические размеры катушек при реализации заданной величины индуктивности, так как такой сердечник концентрирует магнитное поле, и в некотором диапазоне частот повышает добротность катушек. Используя сердечник, который перемещается внутри каркаса, можно изменять индуктивность катушки.

На частотах до 30 МГц применяются катушки с цилиндрическими, броневыми и кольцевыми (тороидальными) магнитными сердечниками Конфигурация сердечника выбирается в зависимости от конкретных требований, предъявляемых к катушке (габариты, добротность, температурная стабильность и т.д.).

Индуктивность катушки с сердечником L _СЕРД = m _СЕРД  L, где L. - индуктивность катушки без сердечника, m _СЕРД   - действующая магнитная проницаемость сердечника. Величина m _СЕРД  - зависит от магнитной проницаемости материала сердечника m, разме­ров катушки и сердечника, их конструкции и частоты тока в обмотке катушки. Чем больше m, чем ближе к виткам катушки расположен сердечник, и чем ниже частота тока в обмотке, тем выше значение m _СЕРД, которое для каждой конкретной конструкции катушки определяется экспериментально.

Цилиндрические сердечники применяются на частотах до 100 МГц. Катушки с такими сердечниками могут иметь добротность до 500. Цилиндрические резьбовые сердечники могут использоваться как подстроечники для изменения индуктивности катушек на 10...15 %. Их введение практически не влияет на величину собственной емкости катушки. При использовании цилиндрических сердечников магнитопровод не замкнут, что не позволяет в полной мере использовать свойства магнитные материалов, т.е. для них величина m _СЕРД   сравнительно невелика.

Броневые сердечники позволяют более полно использовать магнитные свойства материалов. Катушки с такими сердечниками имеют слабое внешнее поле, что позволяет при необходимости экранирования катушки приблизить экран вплотную к сердечнику. Величина m _СЕРД   в броневых сердечниках с замкнутым магнитопроводом выше, чем в сердечниках с разомкнутым магнитопроводом. При разомкнутом магнитопроводе удается получить большее значение добротности катушки и меньшую зависимость ее параметров от частоты и напряженности поля, чем при замкнутом.

Индуктивность катушек с броневыми сердечниками с помощью цилиндрического подстроечника может изменяться до 20 %, однако такие катушки имеют повышенное значение собственной емкости (до десятков пикофарад при многослойной обмотке).

Катушки с кольцевыми (тороидальными) сердечниками могут работать на частоте до 10 МГц (и выше). В них наиболее полно используются магнитные свойства материала сердечника, т.е. для них m _{СЕРД  =} m.   Кольцевые сердечники применяются в тех случаях, когда необходимо получить максимальную индуктивность и высокую добротность катушки при минимальных ее габаритах и когда необходимо обеспечить почти полное отсутствие внешнего магнитного поля вокруг катушки. К недостаткам катушек с кольцевыми сердечниками относятся сложность намотки, относительно большой ТКИ, невозможность плавного изменения индуктивности, т.е. невозможность подстройки.

Введение в катушку магнитного сердечника, казалось бы, должно увеличить ее добротность Q_C в m _СЕРД  раз по сравнению с добротностью той же катушки Q без сердечника. Однако из-за наличия потерь в сердечнике, изменение добротности катушки с сердечником при увеличении частоты тока в ее обмотке получа­ется более значительным, чем катушки без сердечника. С ростом частоты добротности Q_C и Q вначале возрастают, так как индуктивное сопротивление катушки растет быстрее, чем увеличиваются в ней потери. При дальнейшем увеличении частоты потери, особенно вносимые сердечником, резко возрастают, проницаемость m _СЕРД   падает (при весьма вы­соких частотах m _СЕРД  ® 1) и до­бротности Q_C и Q (особенно Q_C) после перехода через максимум начинают уменьша­ться.

Частота f _ГР Q , при которой Q_C = Q, называется граничной частотой катушки по добротности. На частотах f > f _ГР Q сердечники становятся неэффективными.

Для изменения индуктивности однослойных катушек в диапазоне метровых волн применяют сердечник в виде диска, цилиндра или кольца из немагнитного проводящего материала (обычно из алюминия). Такой сердечник можно рассматривать как короткозамкнутый виток, обладающий магнитной связью с катушкой. Он "отбирает" энергию из катушки, т.е. вносит в нее дополнительное активное и реактивное сопротивление. Введение немагнитного сердечника уменьшает индуктивность и добротность катушки тем в большей степени, чем больше объем сердечника.

На (кадре 8) показана одна из возможных конструкций однослойной катушки для метрового диапазона волн с алюминиевым дисковым сердечником. Введение в катушку такого сердечника уменьшает ее индуктивность на 5...7 %, а добротность - в 2...5 раза. Потери, вносимые сердечником из немагнитного металла, будут тем выше, чем больше удельное электрическое сопротивление материала сердечника. Такие катушки, в частности, применяются в широкополосных усилителях метрового диапазона, где требуются катушки с невысокой добротностью, так как полоса пропускания колебательного контура 2 D f связана с его добротностью Q известной зависимостью Q = f₀ /2 D f, где f₀ - резонансная частота контура.

??????????????????? Далее ???????????????????????????????????

Катушки с переменной индуктивностью. Вариометры. В выходных и антенных контурах радиопередатчиков, в измерительной аппаратуре применяются катушки, индуктивность которых в процессе эксплуата­ции может изменяться в широких пределах. Такие катушки называются вариометрами. Их применение для перестройки колебательных контуров вместо конденсаторов переменной емкости часто является более предпочтительным, так как индуктив­ность вариометра меньше изменяется при воздействии влажности и вибраций, чем емкость переменного конденсатора с воздушным диэлектриком.

Схематическое изображение некоторых вариометров показано на рис.2.3.7. Индуктивность шарового вариометра зависит от взаимного положения двух его катушек - неподвижной (статорной) и подвижной (роторной), которая располагается внутри неподвижной и может поворачиваться оператором вокруг своей оси. Катушки между собой соединены последовательно.

Если направления магнитных полей двух катушек (статорной и роторной) совпадают, то их общая индуктивность будет мак­симальной:

L_MAX = L_Р + L_С + 2М, (2.3.2)

где  L_Р  и  L_С - индуктивности ротора и статора; М - взаимная индуктивность ротора и статора.

При повороте ротора на 180° поля катушек будут направле­ны встречно и индуктивность вариометра станет минимальной:

L_MIN = L_Р + L_С  - 2М. (2.3.3)

Использовав формулы (2.3.2) и (2.3.3), введем понятие коэффициента перекрытия вариометра по индуктивности

K_L=  L_MAX / L_MIN  = (L_Р + L_С + 2М) / ( L_Р + L_С  - 2М ) (2 .3.4)

Учтя, что М= К (L_Р  L_С) ^1/2 _,  где К - коэффициент связи между рото­ром и статором, и положив  L_Р = L_С  перепишем формулу (2.3.4) в виде

K_L=  (1+ К) / ( 1- К ).

Теоретически коэффициент K_L, может быть сколь угодно большим, однако на практике K_L < 10. Для его повышения, ротор шарового вариометра часто выполняют на ферритовом сердечнике или производят коммутацию обмоток ротора и статора с последовательного соединения на параллельное. При этом максимальное значение индуктивности вариометра достигается при последовательном и согласном, а минимальное - при параллельном и встречном соединении обмоток ротора и статора. Шаровая конструкция вариометра обеспечивает почти линейный закон изменения частоты контура, в который он включен, от угла поворота ротора.

Один из выводов изображенного на рис.2.3.7б цилиндрического вариометра выполнен в виде подвижного роликового контакта, который может перемещаться вдоль обмотки. Наличие подвижного контакта - недостаток данного вариометра. Неработающая часть обмотки может оставаться разомкнутой или замыкать­ся накоротко. В последнем случае возрастают потери в вариометре, однако увеличивается его коэффициент перекрытия.