Катушки индуктивности

Катушки индуктивности предназначены для образования на участке электрической цепи определенного значения индуктивности. Они изготовляются с обмоткой из одного или нескольких слоев провода, намотанной на каркас из изолирующего материала. В зависимости от требований, предъявляемых к катушкам, по конструкции они бывают с магнитным сердечником и без него.

Конструктивные особенности катушек индуктивности во многом зависят от их конкретного назначения. Основными типами катушек индуктивности являются:

1. Контурные, т.е. катушки, входящие в состав колебательных контуров генераторов, резонансных усилителей и других узлов аппаратуры, содержащих колебательные системы.

2. Дроссели, т.е. катушки, обладающие большим индуктивным сопротивлением на частотах выше определенного значения.

3. Фильтровые, т.е. входящие в состав электрических фильтров.

4. Катушки связи, предназначенные для передачи электромагнитной энергии из одних электрических цепей в другие.

Основной параметр катушки — ее индуктивность. Значение индуктивности (мкГн) однослойной катушки можно определить по формуле:

(6.5)

где D — диаметр катушки, см; ω— число витков; μ— магнитная проницаемость сердечника (при его отсутствии μ= 1); l — длина на­мотки, см; k — коэффициент, зависящий от соотношения между длиной намотки и диаметром катушки (k<1 при l/D>10).

Индуктивность многослойной катушки можно приближенно найти, подставив в формулу средний диаметр намотки катушки.

Как видно из формулы, наиболее удобным способом изменения индуктивности катушки является изменение числа ее витков или введение магнитного сердечника.

Сердечники для работы на низких частотах (до 5 кГц) изготавлива­ются из металлических магнитных материалов. На более высоких частотах для уменьшения потерь на вихревые токи используются магнитодиэлектрики — материалы, полученные путем прессования порошка из ферромагнетика на изолирующей связке. Такие материалы наряду с высокой магнитной проницаемостью имеют большое удельное сопротивление. Большую магнитную проницаемость в сочетании с высоким удельным сопротивлением имеют также и ферриты — материалы, состоящие из двуокиси железа, в кристаллической решетке которой один из атомов железа заменен двухвалентным металлом (никель, марганец, цинк и др.).

Недостатком большинства ферритов является сильная зависимость их магнитных свойств от температуры.

Для уменьшения наружной магнитной связи между катушкой индуктивности и другими близко расположенными элементами схемы катушки устанавливают в экранах, изготовленных из алюминия, меди или латуни. Возникающие в экране вихревые токи создают магнитное поле, уменьшающее взаимную индукцию между катушкой и соседними деталями.

Помимо индуктивности, катушки характеризуются еще рядом параметров:

1. Частотный диапазон. Этот параметр ограничен наличием собственной емкости катушки. Для работы на высоких частотах собственная емкость должна быть очень малой. Уменьшение емкости достигается применением однослойных обмоток, увеличением расстояния между соседними витками и рядом других конструктивных мер. Следует иметь в виду, что магнитные сердечники, а также экраны увеличивают собственную емкость катушек.

2. Добротность. Этот параметр характеризует активные потери в катушке и определяется как отношение реактивного сопротивления к активному:

Q = ωL/R

(6.6)

Увеличение добротности катушек достигается:

а) увеличением диаметра намотки (при этом индуктивность возрастает значительно быстрее, чем сопротивление);

б) применением провода, состоящего из множества изолированных жил (литцендрат). В таком проводе гораздо меньше проявляется поверхностный эффект – увеличение активного сопротивления с ростом частоты;

в) уменьшением активных потерь в сердечнике и каркасе за счет применения высококачественных материалов.

Практически добротность катушек составляет 50–400, а при использовании сердечников из ферритов – 1000 и более.

3. Температурный коэффициент индуктивности. Для однослойных катушек он лежит в пределах 1…3•10^-5 °С^-1, для многослойных катушек – 15…30•10^-5 °С^-1.

Катушки для конкретных образцов аппаратуры рассчитывают в соответствии с их схемными данными. При этом используются типо­вые конструкции каркасов, обмоток и сердечников.

Для малогабаритных унифицированных катушек имеется стандартизованная шкала номиналов. Так, например, для катушек с броневыми сердечниками из карбонильного железа предусмотрены номиналы от 0,15 до 4000 мкГн.