Катушки индуктивности

Катушки индуктивности, за исключением дросселей, пред­назначенных для использования в цепях питания, не являются комплектующими изделиями, как, например, резисторы и кон­денсаторы. Они изготовляются на сборочных заводах и имеют те параметры, которые необходимы для конкретных изделий.

Из-за трудностей микроминиатюризации, значительных мас-согабаритных показателей, плохой повторяемости характери­стик и параметров, повышенной трудоемкости изготовления область их применения ограничена. Однако при создании ряда устройств электроники обойтись без них пока нельзя. При этом важным является то, что индуктивные компоненты с использованием существующей изоляции могут успешно работать при температуре до 200—500 °С.

Катушки индуктивности, как правило, имеют цилиндричес­кую или спиральную форму витков и выполняются как однослойными, так и многослойными. Характер намотки зависит от назначения катушки индуктивности. Так, для уменьшения межвитковых емкостей витки укладывают на каркас с определенным шагом или применяют специальные способы намотки, когда витки укладываются не параллельно, а под некоторымрым углом друг к другу (универсальная намотка).

Рис. 1.13. Магнитопроводы катушек ин­дуктивности:

а—броневой; б- тороидальный; 1, 2- чашки броне­вого магнитопровода;3- подстроенный сердечник

Для увеличения значений индуктивности и повышения их добротности широко применяют магнитопроводы с постоянными или ре­гулируемыми параметрами.

Наиболее распространенные формы магнитопроводов—броне­вая и тороидальная (рис. 1.13, а, б). Регулирование параметров магнитопровода осуществляют с помощью подвижного сер­дечника 3 (рис. 1.13, а), который выполняют из ферромагнит­ного материала. При его перемещении меняются параметры магнитопровода и индуктивность катушки. В ряде случаев для подстройки катушек индуктивности внутрь их вводят только один подстроечный сердечник из ферромагнетика или диамагнетика. Диамагнетики (латунь, медь) используют только на высоких частотах (десятки—сотни МГц). В отличие от ферромагнетика при их введении индуктивность катушки уменьшается.

В катушках индуктивности, работающих на низких частотах (до 1 кГц), в качестве магнитопроводов обычно используют пермаллои (железо-никелевые сплавы). При этом магнитопровод, как правило, тороидаль­ный, собранный из тонких колец (h = 0,002 — 0,1 мм) или навитый из ленты тех же толщин. На более высоких частотах (до нескольких МГц) широко применяют ферриты, причем их марка зависит от диапазона рабочих частот. На частотах свыше нескольких МГц используют катушки индуктивности, имеющие только подстроечные сердечники или вообще не имеющие их.

Точный расчет значений индуктивности представляет собой сложную задачу.

При ориентировочных расчетах можно использовать при­ближенные формулы. Для однослойной цилиндрической катуш­ки, намотанной виток к витку или с шагом, индуктивность (мкГн)

где d, l—диаметр и длина катушки, мм; W—число витков.

Рис. 1.14. Упрощенные эквивалентные схемы катушек индуктивности:

a-сопротивление потерь включено параллельно с индуктивностью: б- сопротивление потерь вклю­чено последовательно с индуктивностью.

Важнейшим параметром катушки индуктивности является добротность, которая равна отношению мнимой части Х ее полного сопротивления к действительной части R: Q=X/R.

Значение добротности зависит от частоты. Если фер­ромагнитный магнитопровод отсутствует ( ), а емкость С достаточно мала, то добротность зависит от соотношения между индуктивностью L и активным со­противлением провода и увеличивается при повышении частоты. Однако на частотах порядка нескольких МГц из-за проявлений поверхностного эффекта активное сопротивление провода увеличивается и добротность снижается.

Для снижения обмотки катушек стремятся наматывать достаточно толстым проводом (излишне большой диаметр может привести даже к увеличению на высоких частотах из-за проявления эффекта близости), применять специальный много­жильный провод (литцендрат). Магнитопроводы и сердечники выбирают с малыми потерями на вихревые токи и гистерезис.

Температурные изменения индуктивности катушек без фер­ромагнитных сердечников сравнительно невелики и зависят от стабильности геометрических размеров. При наличии фер­ромагнитных сердечников необходимо учитывать температур­ный коэффициент магнитной проницаемости, который у разных материалов лежит в пределах 0,005—1%/°С.

Одна из разновидностей катушек индуктивности носит название дросселей. Их основное назначение—обеспечить большое сопротивление для переменных токов и малое для постоянных или низкочастотных токов.

Различают дроссели низкой и высокой частот. Дроссели низкой частоты используются в выпрямительных устройствах для создания фильтров, сглаживающих пульсации. Их применя­ют тогда, когда источник питания должен отдавать большой ток (амперы—сотни ампер) и требуется получить малые пульсации постоянного напряжения. Дроссель низкой частоты наматывает­ся аналогично силовым трансформаторам с использованием тех же магнитопроводов. Его основное отличие от трансформаторов заключается в том, что в магнитной цепи магнитопровода делается воздушный зазор h= 0,05—0,1 мм. Наличие его предохраняет магнитную цепь от насыщения постоянным током, значения которого достаточно велики, так как дроссель включают в цепь последовательно с сопротивлени­ем нагрузки. Индуктивность и активное сопротивление дроссе­лей низкой частоты рассчитывают исходя из параметров, которые необходимо получить у источника питания. При этом всегда необходимо знать значение постоянного тока нагрузки.

Дроссели низкой частоты выпускаются серийно. Их обо­значения: Д1—Д274—дроссели унифицированные, низкоча­стотные; Д, Др—дроссели фильтров для бытовой радиоап­паратуры. В ряде случаев они имеют две обмотки: основную и компенсационную. Компенсационная обмотка при необ­ходимости может соединяться последовательно с основной согласно или встречно. При согласном соединении (начало компенсационной с концом основной) индуктивность дросселя увеличивается, при встречном (концы или начала соединены вместе) — уменьшается.

Дроссели высокой частоты используют в высокочастотных электронных цепях, где пропускают токи только относительно низких частот. Они представляют собой катушки индуктивности, намотанные внавал или с определенным шагом на диэлектричес­кий каркас. При этом стремятся, чтобы их емкость была минимально возможной, а индуктивность—не менее требуемой.