2868

Рис. 3.2. Однослойная обмотка с шагом

Однослойные катушки с шагом отличаются высокой добротностью (от 150 до 400 единиц) и стабильностью; они в основном применяются в контурах KB и УКВ.

При сплошной намотке не удается уложить витки вплотную. Для оценки разряженности намотки вводится коэффициент неплотности , который определяется отношением фактического расстояния между витками к минимально достижимому расстоянию, равному диаметру провода в изоляции dïð . При

сплошной однослойной намотке геометрическая длина катушки определяется формулой

Коэффициент неплотности намотки выбирается на основании экспериментальных данных в зависимости от технологии намотки и диаметра провода. Его значение находится в пределах от 1,45 для многослойной обмотки «внавал» проводом диаметром не более 0,11 мм до 1,05 для рядовой намотки проводом диаметром более 1 мм.

Геометрические размеры многослойных катушек (рис.3.3)

21

зависят от длины lîáì обмотки, внутреннего Di и наружного

Dî диаметров, также радиальной глубины обмотки t, которая определяется выражением [13]

t Do Di

2 . (3.3)

Следовательно Dî Di 2t . Значения Di и t задаются

конструктивными соображениями: допустимыми размерами, наличием типовых каркасов, размерами экранов и сердечников и т.п.; величины Dî и t определяются числом витков, диамет-

ром провода и способом намотки. Средний диаметр катушки равен

Для простой рядовой многослойной намотки и намотки «внавал» радиальная глубина намотки определяется следующим образом

Для намотки «внавал» полученное значение надо увеличить на величину от 10 до 15 %.

Многослойные катушки большой индуктивности (неcколько единиц или десятков миллигенри) получаются большого диаметра. Это нежелательно, так как усложняется процесс намотки, понижается механическая прочность и увеличиваются размеры изделий.

Наружный диаметр можно уменьшить, применяя как длинные катушки, так и секционирование обмотки. Для этого

22

обмотка разделяется на ряд последовательно соединенных секций, каждая из которых представляет собой нормальную многослойную обмотку с небольшим числом витков (рис. 3.4). Число секций может быть от 2 до 8 и более.

Рис. 3.3. Размеры многослойной катушки

Рис. 3.4. Секционированная обмотка

Оптимальные параметры секционированной обмотки по-

лучаются. Если расстояние между секциями b будет равно удвоенной длине liîáì обмотки i-той секции.

23

Общая длина lîáì секционированной обмотки из i одина-

ковых секций будет равна

Секционированные катушки обладают достаточно высокой добротностью, допускают в небольших пределах регулировку индуктивности и имеют пониженную собственную емкость. Они применяются в качестве контурных катушек для длинных волн или в качестве дросселей высокой частоты.

Тип обмотки многослойной катушки выбирается из условия уменьшения собственной емкости, для чего раньше широко применяли универсальные обмотки. В настоящее время используют рядовую намотку и намотку «внавал».

В многослойных обмотках из толстого провода после каждого ряда рекомендуется делать бумажные прокладки. Если каркас не особенно прочный, то каждый последующий ряд надо делать на один-два витка меньше, а пустоты между обмоткой и щечками каркаса заполнить потом шпагатом или нитками. Это важно в том случае, когда сверху еще будут другие обмотки.

Обмотки из тонкого провода с числом витков в несколько тысяч можно наматывать не виток к витку, а «внавал». Однако укладывать витки следует равномерно, чтобы обмотка не имела бугров и провалов. Примерно через каждый миллиметр толщины такой намотки надо делать бумажные прокладки.

Различные типы обмоток показаны на рис. 3.5.

Плоская спиральная обмотка представляют собой плоскую многовитковую спираль, обычно расположенную на печатной плате. Спираль может иметь круглую, овальную, квадратную или какую-либо другую, даже неправильную форму, определяемую удобством ее расположения на печатной плате

(рис. 3.6).

24

Рис. 3.5. Однослойные, многослойные и плоские катушки

сразными типами намотки:

а– сплошная; б – с шагом; г – многослойная рядовая; д – многослойная «внавал»; е – многослойная пирамидальная; ж – многослойная секционированная

Ширина печатного проводника в основном определяется технологическими соображениями. Обычно она лежит в пределах от 0,5 до 1 мм. Основные геометрические параметры плоской спиральной обмотки представлены на рис. 3.7.

25

Рис. 3.6. Печатная плата со спиральными катушками

Di - внутренний диаметр; Dî - наружный диаметр; t -

глубина обмотки; - шаг намотки Рис. 3.7. Геометрические параметры спиральной обмотки

26

Обычно внешним и внутренним диаметрами катушки задаются из конструктивных соображений, а число витков рассчитывают.

К объемным относятся тороидальные (кольцевые) обмотки, наматываемые на каркасах или сердечниках в виде тора или кольца [14] (рис. 3.8). Чаще всего такие катушки индуктивности наматывают на магнитные сердечники, чтобы получить большие значения индуктивности благодаря тому, что магнитный поток полностью замыкается по сердечнику. Недостатком их является сложность подстройки, поэтому такие катушки чаще всего используют в качестве дросселей и трансформаторов, но не контурных индуктивных катушек.

а – высота каркаса (сердечника); в – ширина сечения каркаса (сердечника); Dcр – средний диаметр каркаса (сердечника)

Рис. 3.8 Общий вид (а) и поперечное сечение (б)

тороидальной катушки

Для высокостабильных катушек применяются специальные способы изготовления намоток — тугая, горячая и осажденная или нанесенная намотки [15].

Катушки с тугой намоткой наматываются проводом со значительным (до 60% разрывного усилия) натяжением на прочный (обычно керамический) каркас. Концы провода закрепляются пайкой на контактных наконечниках. Такое устройство исключает возможность самопроизвольного перемещения

27

витков при вибрациях и ударах.

Катушки с горячей намоткой наматывают проводом, нагретым до температуры от 120 до 180° С при незначительном натяжении. При охлаждении получается прочное сцепление провода с поверхностью каркаса, чем достигается высокая стабильность.

В катушках с осажденной (нанесенной) намоткой витки образуются слоем металла, нанесенного на поверхность керамического каркаса методом вжигания с последующим гальваническим наращиванием. Общая толщина слоя металла составляет от 0,01 до 0,03 мм. Такие катушки имеют пониженную на 10—20 % добротность, но отличаются очень высокой стабильностью.

Катушки без каркаса могут быть практически выполнены при числе витков не более трех. Они отличаются несколько более высокой добротностью, но имеют малую механическую жесткость и пониженную стабильность.

Близки по свойствам к однослойным плоские катушки со спиральной намоткой (рис. 2.8) выполненные в виде круглой или прямоугольной рамки. Такие катушки особенно часто изготавливают печатным методом.

Многослойные намотки могут быть разделены на простые и сложные [12]. Примерами простых намоток являются рядовая многослойная намотка (рис. 2.12), при которой витки укладываются на каркас правильными рядами, и намотка «кучей» (или «внавал») при которой нет определенной закономерности в расположении витков и слоев. Несекционированные многослойные катушки с простыми обмотками отличаются низкими электрическими показателями - низкой добротностью и стабильностью, большой собственной емкостью и нуждаются в специальном каркасе. Они применяются лишь в контурах для длинных волн в качестве высокочастотных дросселей и в различных корректирующих цепях.

Секционированные многослойные катушки с намоткой внавал (рис. 2.7,б) при числе секций от 3 до 5 обладают сравнительно высокой добротностью (от 160 до 170 единиц) и не-

28

большой собственной емкостью. Они просты в изготовлении, и их целесообразно применять в контурах радиоприемников для длинных и средних волн.

Широкое применение имеют сложные многослойные намотки, например универсальные. При универсальной намотке витки не располагаются параллельно друг другу, а идут попеременно от одного края катушки к другому, пересекаясь под некоторым углом. Такое расположение витков придает катушке высокую механическую прочность без специальных каркасов, достаточно высокую добротность и незначительную собственную емкость.

Пирамидальная намотка (рис. 3.5,б) обладает высокой электрической прочностью и малой собственной емкостью. Это объясняется тем, что в данной обмотке смежными всегда являются витки с небольшой разностью потенциалов между ними. Применяется пирамидальная намотка для дросселей высокой частоты мощных радиопередающих устройств.

3.2. Каркасы катушек индуктивности

Каркас катушки индуктивности – несущая деталь или сборочная единица из диэлектрического материала, предназначенная для удержания в процессе намотки и эксплуатации необходимой формы витков, то есть для расположения на ней обмотки

[2].

Выше указывалось, что обмотка катушки может быть выполнена без применения каркаса. Однако, при этом механическая жесткость витков катушки должна быть достаточно высока. В противном случае витки и обмотка в целом будут деформироваться уже в процессе её изготовления [12].

Каркас должен быть удобным для намотки и крепления в приборе, обеспечивать устройство (распайку) выводов обмотки и надежную фиксацию положения подстроечного сердечника.

Поэтому в общем случае каркас состоит из несъемной оправки, на которую наматывают провод обмотки и основания, в состав которых могут входить элементы механического креп-

29

ления катушки и электрического соединения концевых выводов обмотки с остальной электрической схемой.

Несъемные оправки представляют собой трубки круглого, квадратного или прямоугольного сечений из диэлектрического материала, которые называют гильзами. Плоские каркасы представляют собой полоску изоляционного материала, которую после намотки можно свернуть в кольцо или придать ей другую желаемую форму. Тороидальные каркасы имеют форму кольца с круглым, овальным, квадратным или прямоугольным сечениями.

Следует отметить, что нередко обмотки катушек индуктивности наматывают на основания из магнитодиэлектрических материалов и ферритов, имеющих форму цилиндров, трубочек, торов. В этом случае магнитопровод катушки одновременно выполняет и функции каркаса. Формально такая катушка называется бескаркасной.

Для фиксации крайних витков многослойных катушек на гильзе имеются ограничительные кольца, называемые щечками. Щечки располагаются по краям гильзы и, кроме того, могут делить всю катушку на несколько секций. Это дает возможность расположить на одном карасе несколько независимых обмоток или секционировать обмотку.

Каркасы катушек маломощных контуров можно делать сплошными, с неглубокой нарезкой для точной укладки провода.

Каркасы катушек более мощных контуров рекомендуется делать ребристыми (рис. 3.9). В ребристых каркасах провод имеет соприкосновение только со специально для этого предназначенными ребрами [16]. Влияние каркаса на добротность катушки в этом случае минимально.

Ребристые каркасы могут быть выполнены из сплошного материала или собранными из керамических стержней и плат, образующих ребристую конструкцию. Сплошные ребристые каркасы по технологическим и экономическим соображениям не могут быть изготовлены больших размеров, поэтому их применяют лишь для относительно маломощных катушек [12].

30

Рис. 3.9

Сборные ребристые каркасы значительно дешевле, а поэтому получили широкое применение (рис. 3.10). Элементы их конструкции могут быть соединены при помощи специальных клеев и глазурей (неразъемная конструкция) или при помощи соединительных деталей (разъемная конструкция). Пример исполнения катушки на таком каркасе представлен на рис. 3.11.

Рис. 3.10

31

Рис. 3.11

Количество ребер обычно лежит в пределах от 4 до 8. Для сравнительно тонких проводов необходимое количество ребер n можно определить по формуле

где D — диаметр катушки, см; dпр — диаметр провода, мм.

Для толстых проводов число ребер можно уменьшить. Каркас катушки в значительной степени определяет ее

стоимость и электрические параметры.

Каркасы для катушек индуктивности должны обладать достаточной механической и электрической прочностью и не вносить заметных потерь в катушку. Изменения окружающей температуры влажности и давления не должны существенно отражаться на электрических и механических свойствах каркаса.

Материал каркаса должен допускать применение прогрессивных технологических методов изготовления, быть дешевым, механически прочным, вносить малые потери, обладать необходимой теплостойкостью, малой влагостойкостью и небольшим

32

коэффициентом линейного расширения.

В достаточной степени этим требованиям отвечают каркасы из полистирола, фенопластов, пресс-материалов типов АГ-4С, ДСВ-2Р-2М и им подобных. На пониженных частотах может оказаться целесообразным применение более дешевых каркасов из бакелизированных трубок.

Каркасы катушек с повышенными показателями, в частности с высокой стабильностью, следует делать из радиотехнической керамики типа В: на УКВ и KB — из ультрафарфора и высокочастотного стеатита, а на длинных и средних волнах — из радиофарфора.

Выводы в каркасах из пластмасс запрессовывают непосредственно в тело каркаса. Выводы в керамических каркасах делают в виде специальных хомутиков, штифтов или поясков металлизации, к которым присоединяется намоточный провод. При горячей намотке или намотке с натягом прочность крепления контакта должна соответствовать натяжению провода.

На рис. 3.12 показаны различные цилиндрические каркасы.

3.3. Сердечники

Для получения малогабаритных катушек с достаточно высокой добротностью применяют магнитные сердечники [17]. Катушки с сердечниками имеют меньшее число витков при заданной индуктивности, меньшее сопротивление провода и меньшие размеры (рис. 3.13).

Запас добротности позволяет уменьшить размеры катушки и приблизить к ней экраны, т. е. получить малогабаритную катушку с добротностью до 250 единиц и выше. Ценным свойством катушек с сердечниками является возможность подстройки, т. е. изменения индуктивности в небольших пределах, осуществляемого перемещением сердечника.

Указанные преимущества могут быть полностью реализованы в катушках приемников для длинных, средних и коротких волн. В катушках УКВ применение сердечников целесообразно лишь для получения подстройки.

33

а-в - типовые каркасы для приемников длинных и средних волн; г - для броневых сердечников; д - ребристый каркас; е - каркас с канавкой (нарезной); 1 – вывод

. Рис. 3.12. Каркасы цилиндрических катушек

34

Рис. 3.13. Сравнительные размеры катушек с ферритовыми сердечниками (1) и без сердечника (2) с одинаковыми величинами индуктивности

Магнитные сердечники для катушек изготовляются из магнитодиэлектриков и из ферритов.

Магнитодиэлектрики представляют конгломерат из размельченного вещества, содержащего железо (ферромагнетик), отдельные частицы которого механически связаны между собой каким-либо диэлектриком. Этот диэлектрик также осуществляет изоляцию частиц друг от друга. Известны магнитодиэлектрики из магнетита, альсифера и из карбонильного железа.

В настоящее время наиболее часто используется магнитодиэлектрик «карбонильное железо», получаемый прессованием порошкообразного карбонильного железа с бакелитом, стиролом или аминопластом. Свойства и области применения карбонильного железа определяются размером металлических зерен и видом наполнителя. Карбонильное железо Р-10, диаметр зерен которого равен 3,5 мкм, предназначено для использования на частотах до 10 МГц, а Р-100, диаметр зерен которого примерно 1,5 мкм, — до 100 МГц; Р-100 имеет повышенную температурную стабильность [18].

Общим достоинством магнитодиэлектриков являются достаточно высокие температурные и временные стабильности, негигроскопичность, постоянство начальной магнитной проницаемости í в широком диапазоне частот, малое влияние

напряженности поля, а также малые потери и линейная их зависимость от частоты.

35

Ферриты представляют собой твердые растворы, имею - щие общую химическую формулу МО · М'О · Fe2О3, в которой М обозначает такие двухвалентные металлы, как никель, марганец, литий, медь, свинец, а М' — цинк и кадмий [18]. При обжиге прессованной смеси из солей или окислов этих металлов получается вещество, представляющее собой полупроводнико-

(до 109 Ом · см). Последнее обеспечивает малые потери на вихревые токи даже на очень высоких частотах. Диэлектрическая проницаемость ферритов велика и может достичь нескольких сотен единиц. С повышением частоты она резко падает; на радиочастотах она составляет от 40 до 50, а на СВЧ диэлектрическая проницаемость почти всех ферритов равна от 10 до 15 единиц.

Основным достоинством ферритов является высокая магнитная проницаемость, которая позволяет существенно уменьшить размеры катушек. К недостаткам следует отнести повышенную температурную нестабильность, причем с понижением температуры существенно возрастает ее зависимость от частоты и напряженности поля, гигроскопичность и нелинейную зависимость потерь от частоты. При температурах точки Кюри (от 80 до 200 °С) их магнитные свойства полностью исчезают.

Свойства высокочастотных магнитных материалов характеризуют начальной магнитной проницаемостью, максимальной проницаемостью, диапазоном рабочих частот, потерями и стабильностью. Измерение этих параметров производится на кольцевом сердечнике установленных размеров, обмотка (измерительная или эталонная катушка) которого выполнена определенным образом [18].

Начальную магнитную проницаемость [2] определяют по отношению индуктивности эталонной катушки с кольцевым сердечником из данного материала к индуктивности такой же катушки без сердечника. Ее величина зависит от количества и магнитных свойств магнитной составляющей материала и от

36

технологии изготовления. Магнитодиэлектрики имеют начальную магнитную проницаемость от 6 до 500, а ферриты — от 5 до 20000 единиц.

Диапазон рабочих частот определяют по допустимым пределам изменения электрических и магнитных свойств магнитного материала. На частотах выше максимально допустимой происходят резкое падение магнитной проницаемости и увеличение потерь; на частотах ниже минимально рекомендуемой понижается эффективность применения материала так как выгоднее применить материал с большей магнитной проницаемостью.

Диапазон рабочих частот магнитодиэлектриков в основном зависит от размеров зерен магнитной составляющей и диэлектрических свойств зерен диэлектрической составляющей; чем меньше размеры отдельных зерен и чем меньше тангенс угла потерь диэлектрических потерь, тем на более высоких частотах может работать магнитный материал. В настоящее время существуют магнитодиэлектрики для частот от 150 до 200 МГц; диаметр зерен железа таких магнитодиэлектриков

примерно от 0,5 до 1,0 мкм. Ферриты применяют на более высоких частотах.

Общие потери в магнитных материалах оценивают тангенсом угла потерь tg , т. е. затуханием, вносимым кольцевым сердечником в эталонную катушку [17]

где r — вносимое сопротивление;

- угол, дополняющим до 90° угол между током и

напряжением в катушке.

- угловая частота;

L - индуктивность катушки.

Потери в реальном сердечнике зависят от формы и размеров сердечника и катушки.

37

Стабильность магнитных материалов характеризуется изменением проницаемости и потерь под влиянием температуры и влажности, а также изменением свойств с течением времени (старение).

Под воздействием температуры изменяется главным образом магнитная проницаемость материала, что характеризуют температурным коэффициентом магнитной проницаемости (ТКМП) . В справочниках иногда указывается относитель-

ный температурный коэффициент магнитной проницаемости

[19]

Изменение магнитной проницаемости материала во времени вызывается старением магнитного материала, т. е. окислительными процессами и медленными изменениями его структуры. Оно оценивается относительным изменением магнитной проницаемости (в процентах) за один год. Старение проявляется особенно сильно в начальный период после изготовления сердечника.

Под влиянием влажности также происходит изменение магнитной проницаемости и рост диэлектрических потерь. Повышение влагостойкости достигается пропиткой и покрытием сердечников негигроскопичными составами.

Особенно большие изменения магнитной проницаемости могут происходить под влиянием высокочастотного поля катушки и при наличии постоянного подмагничивания.

Изменение проницаемости под воздействием высокочастотного поля катушки характеризует нелинейность кривой намагниченности и оценивают коэффициентом амплитудной нестабильности

38

где à1 и à2 — значения амплитудной проницаемости при напряженностях поля Í M1 и Í M2 соответственно.

Влияние постоянного подмагничивания оценивают так называемой обратимой магнитной проницаемостью, равной тангенсу угла наклона кривой намагничивания данного материала в заданной точке.

Имеется большой выбор магнитодиэлектриков и ферритов, удовлетворяющих разнообразным требованиям [19]. Так, например, никель-цинковые ферриты 2000НН, 1000НН, 600НН, 400НН и др. предназначены для применения как в слабых, так и сильных полях на частотах в сотни килогерц и даже несколько мегагерц. Аналогичные им марганцево-цинковые ферриты имеют меньшие потери и повышенную температурную стабильность.

Ферриты марок 150ВЧ, 100ВЧ, 50ВЧ2, 20ВЧ предназначены для применения в слабых полях на частотах до 100 МГц; марки ферритов 300НН, 100НН, 10ВЧ1 и др. могут использоваться в сильных полях на частотах до 300 МГц; они пригодны и для различных устройств изменения индуктивности подмагничиванием.

Диэлектрические потери в ферритах не поддаются точному расчету, но они оказывают влияние на общие потери. В качестве примера укажем, что на частоте 0,5 МГц величина tg составляет для ферритов 600НН - 0,35; 100НН - 0,31. С

повышением частоты роль диэлектрическихпотерь уменьшается. Магнитные сердечники могут быть охарактеризованы сле-

дующими основными параметрами [17] :

-относительной(действующей)магнитной проницаемостью;

-коэффициентом использования магнитных свойств материала;

39

-относительной добротностью,

-степенью увеличения добротности катушки при наличии сердечника;

-потерями в магнитной составляющей и в диэлектрике;

-стабильностью;

-диапазоном рабочих частот.

Определение этих параметров производится применительно к той катушке, для работы с которой предназначен данный сердечник.

Относительная магнитная проницаемость сердечника ñ

представляет собой отношение индуктивности данной катушки с сердечником Lc к индуктивности L этой же катушки, но без сердечника

Ее величина зависит от начальной магнитной проницаемости материала, формы и размеров сердечника и катушки, а также от соотношения между их размерами и частоты. Чем больше

Очевидно, что чем этот коэффициент ближе к единице, тем полнее использованы магнитные свойства материала.

Индуктивность катушки с сердечником в ñ раз больше индуктивности той же катушки без сердечника, т. е. Lc ñL.

40