2868

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Ю.В. Худяков

КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Утверждено учебно-методическим советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2017

УДК 621.396.662.1

Худяков Ю.В. Катушки индуктивности: учеб. пособие [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые и граф. данные (2,37 Мб) / Ю.В. Худяков. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением

1024×768; Adobe Acrobat; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл.

сэкрана.

Вучебном пособии представлены назначение, области применения, конструктивное устройство различных типов катушек индуктивностей, их основные электрические и конструктивные параметры, обозначение и порядок записи в конструкторских документах.

Издание соответствует требованиям Федерального государственногообразовательного стандартавысшегообразования

по направлению 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» (профиль «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»), дисциплине «Элементная база электронных средств».

Табл. 2. Ил.73. Библиогр.: 30 назв.

Рецензенты: кафедра информационной безопасности и систем связи Международного института компьютерных технологий (зав. кафедрой канд. техн. наук О.С. Хорпяков); д-р техн. наук, проф. О.Ю. Макаров

Худяков Ю.В., 2017

Оформление. ФГБОУ ВО

«Воронежский государственный технический университет», 2017

ВВЕДЕНИЕ

В общем случае любое электронное средство состоит из элементной базы и несущих конструкций.

Кэлементной базе современных электронных средств относятся различные компоненты, непосредственно участвующих

впреобразовании сигналов и информации, то есть в выполнении основной функции конкретного электронного средства.

Элементную базу делят на две группы: активные и пассивные [1] .

Кактивным компонентам относят транзисторы, микросхемы и другие, то есть такие компоненты, которые способны преобразовывать электрические сигналы и усиливать их мощность.

Кпассивным компонентам относят резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, коммутационные элементы, то есть такие компоненты, которые предназначены для перераспределения электрической энергии.

Большинство элементной базы, применяемой в современных электронных средствах , изготавливаются централизованно на специализированных предприятиях. Эти изделия покупаются предприятиями, которые изготавливают различные электронные средства, и получили названия изделий массового применения и покупных комплектующих изделий (ПКИ). Централизованно изготавливают: резисторы, конденсаторы, транзисторы, микросхемы, громкоговорители, переключатели, разъемные контактные соединения и другие.

Другая часть элементной базы относится к группе изделий частного применения . Они могут изготавливаться либо централизованно, либо каждым предприятием для своих изделий, но по единым требованиям, оговоренным отраслевыми стандартами и нормалями. К ним относят различные типы моточных изделий: трансформаторы и дроссели и катушки индуктивности.

Впоследнее время наблюдается резкий рост количества и номенклатуры катушек индуктивности и других моточных из-

3

делий, выпускаемых специализированных предприятий, поэтому эти изделия можно частично отнести к изделиям общего применения. Однако еще остается много моточных изделий, которые изготавливаются каждым предприятием только для своих изделий, то есть остаются изделиями частного применения.

Поэтому на этих предприятиях возникает необходимость проведения проектных работ и подготовки производства для этих изделий, что требует более глубоких знаний в области проектирования этих изделий по сравнению с теми же резисторами и конденсаторами.

4

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Невозможно себе представить многие виды радиоэлектронной аппаратуры без индуктивных компонентов - дросселей различного назначения и катушек индуктивности. Особенно широко они применяются в источниках вторичного электропитания и в устройствах для телекоммуникаций. Однако они гораздо реже применяются в радиоаппаратуре, чем резисторы и конденсаторы.

Катушка индуктивности - это индуктивная катушка, являющаяся элементом колебательного контура и предназначенная для использования её добротности согласно ГОСТ 20718-75 «Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения» [2].

Согласно ГОСТ Р 52002-2003 [3] предусмотрены следующие термины и определения, касающиеся индуктивных катушек.

Индуктивная катушка - это элемент электрической цепи, предназначенный для использования его собственной индуктивности и (или) его магнитного поля.

Элемент электрической цепи – это отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи, выполняющее в ней определенную функцию, например, проводник.

Собственная индуктивность L - это скалярная величина, равная отношению потокосцепления самоиндукции элемента электрической цепи к электрическому току I в нем

L

Потокосцепление – это сумма магнитных потоков Ôi , сцепленных с i- ми элементами контура электрической цепи

n

Ôi

например, сумма магнитных потоков от разных участков проводника.

Магнитный поток Ô показывает, какое количество линий магнитной индукции Â пронизывает данный контур. Магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля и определяется как сила, с которой магнитное поле действует на движущийся положительный единичный заряд.

Потокосцепление самоиндукции – это потокосцепление элемента электрической цепи, обусловленное электрическим током в этом элементе.

Основным элементом индуктивных катушек является токопровод [4]. Величина индуктивности определяется конструкцией токопровода и его размерами. Прохождение тока по проводнику сопровождается образованием вокруг него магнитного поля. Магнитное поле в любой точке пространства характеризуется магнитной индукцией. Магнитная индукция Â на расстоянии r от проводника с током, связана с величиной тока I следующим соотношением

- относительная магнитная проницаемость среды;

0 - универсальная магнитная постоянная.

Если провод, по которому течет ток, свить в катушку с числом витковN и площадью витка S, то магнитный поток Ф будет пересекать все витки катушки, образуя потокосцепление

В соответствии с законом электромагнитной индукции изменение магнитного потока Ф, пронизывающего замкнутый контур, индуцирует в нем электродвижущую силу

6

Э. д. с, возникающая в замкнутом контуре, связана со скоростью изменения тока коэффициентом пропорциональности L, который характеризует способность электрической цепи препятствовать изменению тока в ней и является индуктивностью этой цепи

E -LdI

рование, определим индуктивность как отношение потокосцепления к току

Следовательно, для увеличения индуктивности конструкция токопровода должна обеспечивать наибольшее значение магнитного потока при заданном токе и наибольшее потокосцепление. Простейшей конструкцией токопровода является отрезок прямолинейного проводника круглого или прямоугольного сечения. Влияние формы проводника на его индуктивность показаны на рисунке.

Если одиночный проводник длиной lпр (рис. а) согнуть в шлейф длиной 0,5 lпр (рис. г), то его индуктивность уменьшится из-за встречного направления токов в соседних ветвях шлейфа. При сворачивании провода (рис. д) суммарный магнитный поток, а, следовательно, и индуктивность уменьшатся почти до нуля. При сворачивании проводника длиной lпр в кольцо диаметром D (рис. в) его индуктивность также уменьшается по сравнению с индуктивностью одиночного провода. Однако ин-

7

дуктивность кольца является наибольшей по сравнению с индуктивностями витка другой конфигурации, поскольку круглый виток охватывает наибольшую площадь, обеспечивая наибольшее потокосцепление.

Формы тоководов

При этом круглый виток имеет минимальные размеры из всех возможных форм проводника. Дальнейшее уменьшение размеров катушки получают при сворачивании проводника длиной lпр в несколько витков N одинакового диаметра, индуктивность которой можно определить как суммарную индуктивность витков с учетом взаимной индуктивности М между ними

Индексы при М указывают на взаимную индуктивность между первым и вторым, вторым и третьим, первым и третьим витками и т. д

При прохождении тока через индуктивную катушку, она запасает энергию в виде магнитного поля

8

До недавнего времени индуктивные катушки относились к радиокомпонентам частного применения. В конце прошлого века существовала тенденция замены индуктивных компонентов другими, более дешевыми и малогабаритными. В ряде случаев эта задача с успехом была решена [5]. Так, фильтры сосредоточенной селекции на LC-контурах удалось заменить электромеханическими фильтрами и фильтрами на ПАВ, стали применяться цифровые методы фильтрации при обработке сигналов. Но даже и в этом применении не потеряли своего значения индуктивные катушки, особенно если частота настройки нестандартна.

Кроме того, в последнее время индуктивные катушки, обладающие небольшой энергоемкостью, имеют габариты и массу, сравнимые или такие же, как резисторы и конденсаторы и производятся как изделия общего потребления [6].

Конечно, в некоторых случаях можно заменить индуктивные элементы другими (например, резисторами в качестве нагрузок усилительных каскадов или продольных элементов фильтров питания). Однако ни один другой элемент в отличие от индуктивных катушек не обладает свойством оказывать сопротивление переменному току, причем тем большее, чем выше частота, обеспечивая при этом минимальное сопротивление постоянному току и, соответственно, минимальные потери энер-

гии [7].

Весьма ценным свойством индуктивных элементов, часто используемым в различных преобразователях электрической энергии, является накопление энергии в магнитном поле при прохождении по ним тока. В качестве накопителей магнитной энергии они вне конкуренции [8].

2. КЛАССИФИКАЦИЯ КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ

Общая классификация катушек индуктивности представ-

лена на рис. 2.1 [1, 2, 4, 9].

Рис. 2.1. Классификация катушек индуктивности

Катушки индуктивности классифицируются по нескольким признакам.

По функциональному назначению:

- контурные катушки, предназначенные для работы в узкополосных и широкополосных фильтрах, в колебательных контурах входных и выходных приемопередающих устройств,

взадающих генераторах (рис. 2.2);

-катушки связи, используемые для связи и согласования отдельных каскадов РЭА (рис. 2.2) .

L1 – контурная катушка; L2 – катушка связи Рис. 2.2. Магнитная антенна

- вариометры – это катушки переменной индуктивности

(рис. 2.3);

в

Рис. 2.3. Вариометры: а - с изменяющимся коэффициентом взаимоиндукции между роторной и статорной катушками; б – ползунковый с плавно изменяющимся числом витков;

в – ферровариометр.

- индуктивные сопротивления – это дроссели высокой частоты (рис. 2.4);

б

а

Рис. 2.4. Дроссели высокой частоты: а – дроссель на ферритовом стержневом сердечнике несекционированный; б – дроссель на керамическом каркасе секционированный;

в- дроссель на керамическом каркасе секционированный

сразным числом витков в секциях; г – дроссель со спиральной обмоткой.

-накопители магнитной энергии– дроссели DC-DC преобразователей (рис. 2.5);

д

Рис. 2.5. Дроссели DC-DC преобразователей: а – на Н- образном сердечнике из магнитодиэлектрика для монтажа на поверхность; б - на Н-образном сердечнике из магнитодиэлектрика для монтажа в отверстия; в – на кольцевом сердечнике из магнитодиэлектрика; г – на Ш-образном сердечнике из феррита с немагнитным зазором; д – многообмоточный дроссель обрат- но-ходовой схемы на броневом сердечнике из магнитодиэлектрика; е – на ферритовом стержне

По диапазону волн катушки бывают длинноволновые, средневолновые, коротковолновые и ультракоротковолновые. Общий вид этих катушек представлен на рис. 2.6 – 2.10.

Рис. 2.6. Магнитные антенны длинных и средних волн

13

Рис. 2.7. Средневолновая (а) и длинноволновая (б) катушки на ферритовом стержне

Рис. 2.8. Средневолновая спиральная катушка

Рис .2.9. Типичная катушка КВ диапазона

14

Рис.2.10. Катушки УКВ диапазона: а – бескаркасная; б – на каркасе с шагом посеребрянным проводом; в – для монтажа на поверхность; г – на каркасе рядовая обмотка; д – спиральная обмотка

По конструктивному исполнению катушки делятся:

-бескаркасные (рис. 2.10,а);

-с каркасом (рис. 2.6 -2.10, кроме рис. 2.10,а);

-с сердечником (рис. 2.6,б);

-без сердечника (рис. 2.7, рис. 2.8);

-с экраном (рис. 2.11)

-без экрана (рис. 2.6 -2.10).

а б

Рис. 2.11. Катушка с экраном: а – катушка в сборе; б – катушка со снятым экраном

15

Взависимости от вида обмотки:

-на цилиндрические (рис. 2.9, 2.10);

-кольцевые (рис. 2.5,в);

-спиральные (рис. 2.8);

По типу намотки цилиндрические и кольцевые катушки делятся на две группы:

-однослойные со сплошной намоткой (рис. 2.9);

-однослойные с шаговой намоткой (рис. 2.10,б);

-многослойные с рядовой намоткой (рис. 2.12);

Рис. 2.12. Многослойные рядовые обмотки

- многослойные со сложной намоткой (рис. 2.13);

Рис. 2.13. Многослойные рядовые обмотки:

а – многослойная обмотка внавал; б – многослойная типа универсал

16

По технологии изготовления катушки подразделяются в зависимости способу намотки следующим образом:

-намотка проводом;

-методом вжигания серебра в керамику (рис. 2.14);

Рис. 2.14

-методом изготовления печатных проводников (рис. 2.8);

-пленочной технологией (рис. 2.15);

Рис. 2.15

17

3. ОБЩЕЕ КОНСТРУКТИВНОЕ ПОСТРОЕНИЕ КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТЕЙ

Конструкция катушки индуктивности - совокупность конструктивных деталей, обеспечивающих механическое скрепление частей катушки индуктивности, а также установку и электрический монтаж ее в блоке аппаратуры согласно ГОСТ 20718-75 «Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины

иопределения».

Вбольшинстве случаев с конструктивной точки зрения катушка индуктивности представляет из себя сборочную единицу, в состав которой могут входить другие более простые по конструктивному исполнению сборочные единицы, детали, стандартные изделия, прочие изделия и материалы. Типичное конструктивное устройство индуктивной катушки показано на рис. 3.1 [10].

1 – обмотка; 2 – каркас; 3 – сердечник; 4 – экран; 5 –вывод катушки; 6 – концевые выводы обмотки; 7 – подстроечный сердечник; 8 – контакт экрана; 9 – заклепка

Рис. 3.1. Общее конструктивное построение индуктивной катушки

18

Если катушку покупают у сторонних организаций, то её вносят в соответствующую конструкторскую документацию КД как покупное комплектующее изделие (ПКИ), в частности, в спецификацию в раздел «Прочие изделия» на соответствующее устройство [11].

Если катушка является изделием частного применения, то на неё разрабатывается полный комплект конструкторской документации В спецификацию заносятся все компоненты индуктивной катушки. Обмотка 1 записывается в раздел спецификации «Материалы». Каркас 2 для каждой конкретной конструкции может быть сборочной единицей или деталью. Сердечник 3 и подстроечный сердечник 7 относятся к стандартным изделиям. Экран 4 может быть сборочной единицей или деталью. Контакты катушки 5 и экрана 8 относятся к деталям. Концевые выводы обмотки 6 могут быть продолжением провода обмотки или монтажным проводом бoльшего диаметра, чем провод самой обмотки. В последнем случае концевые выводы обычно используются для подключения катушки к остальной электрической схеме.

Для каждого конкретного случая некоторые компоненты, представленные на рис. 3.1 могут отсутствовать, и геометрические формы этих компонентов также могут отличаться от представленных на этом рисунке. В частности, индуктивная катушка может быть деталью, если эта катушка цилиндрическая бескаркасная и без сердечника или со спиральной обмоткой и тоже без сердечника.

3.1. Типы обмоток катушек индуктивности

Обмотка электротехнического изделия – совокупность определенным образом расположенных и соединенных витков или катушек, предназначенных для создания или использования магнитного поля, или для получения заданного значения сопротивления электротехнического изделия согласно ГОСТ 18311-80 «Изделия электротехнические. Термины и

19

определения основных понятий».

Намотка – процесс укладки и закрепления одного или одновременно двух и более проводов на каркасах и сердечниках согласно ГОСТ 20718-75 «Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения».

Обмотка является основным функциональным компонентом индуктивной катушки, при прохождении тока I через которую собственно и создается магнитное поле катушки, то есть является источником магнитодвижущей силы IN

( N - число витков катушки).

Применяемые виды обмотки можно разделить на однослойные и многослойные [4,12]. Как однослойные, так и многослойные обмотки характеризуются своим диаметром и длиной.

При однослойной обмотке витки располагаются на цилиндрической поверхности каркаса в один слой непосредственно друг возле друга или на определенном расстоянии , которое называется шагом намотки (рис. 3.2). При плотном расположении витков, разделяемых лишь изоляцией провода, получается сплошная однослойная намотка (рис. 2.9); при расположении витков с некоторым расстоянием друг от друга – обмотка с ша-

гом (рис. 2.10, а).

Катушки индуктивности могут выполняться с равномерным или неравномерным (прогрессивно увеличивающимся) шагом. Шаг намотки выбирается на основании различных конструктивных соображений. С одной стороны, при увеличении шага уменьшается магнитная связь между витками, что приводит к уменьшению индуктивности. С другой стороны, при этом вследствие уменьшения электрической связи понижается собственная емкость катушки. В катушках большой мощности шаг намотки выбирается из условия обеспечения электрической прочности между соседними витками.

Расстояние между осями крайних витков катушки называ-