Раздел 4. Катушки индуктивность.

Тема 4.1 Природа индуктивности и классификация катушек индуктивности.

Катушки индуктивности – электрорадиоэлементы, работа которых основана на эффекте самоиндукции, т.е. на взаимодействии электрического тока проводника и магнитного поля, создаваемого этим током.

Для увеличения взаимодействия (потокосцепления) проводник выполняют в виде витка (контура) или совокупности витков. Ток, протекающий по замкнутому контуру, создаёт магнитный поток, пронизывающий данный контур.

Катушки используются в РЭА, как дроссели для перераспределения переменного тока по цепям и создание индуктивной связи между цепями. При использовании их вместе с конденсаторами образуются колебательные контуры, входящие в состав фильтров и генераторов ВЧ-колебаний. Следует отметить, что под катушками индуктивности следует понимать те индуктивные элементы, которые работают в диапазоне радиочастот примерно от 100 кГц и выше.

Разновидности катушек индуктивности.

Контурные катушки индуктивности. Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность. В диапазоне длинных и средних волн эти катушки многослойные, как правило, с намоткой типа "универсаль". Для повышения добротности применяют многожильные провода типа "литцендрат". Для изменения индуктивности применяют цилиндрические сердечники из альсифера или карбонильного железа.

В диапазоне коротких и ультракоротких волн используются однослойные катушки с индуктивностью порядка единиц микрогенри и добротностью порядка 50 - 100. Число витков таких катушек не превышает одного-двух десятков, диаметр каркаса 10 - 20 мм. В качестве каркасов используют керамику, полиэтилен и полистирол. Для уменьшения собственной емкости применяют ребристые каркасы. Обмотка выполняется одножильным медным проводом диаметром около 1 мм. На УКВ применяют бескаркасные катушки из неизолированного провода.

Катушки связи. Эти катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т.д.

К таким катушкам не предъявляются жесткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов.

Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и  коэффициент связи

где L₁ и L₂ - индуктивность связанных катушек,

М - взаимная индуктивность между ними. Величина коэффициента связи зависит от расстояния между катушками, чем оно меньше, тем больше k.

Вариометры. Это такие катушки, в которых предусмотрена возможность изменения индуктивности в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров.

Они состоят из двух катушек, соединенных последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра

L = L1 + L2  2М

(2.57)

Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 - 5 раз.

Дроссели. Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному . Обычно включаются в цепях питания усилительных устройств. Предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов. На низких частотах они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические сердечники.

Катушки индуктивности для ГИС. На частотах порядка 10 - 100 МГц находят применение тонкопленочные спиральные катушки. На площади в 1 кв.см, располагается не более 10 витков. Добротность таких катушек не превышает 20-30. Поэтому они находят ограниченное применение. В ГИС предпочтительны миниатюрные торроидальные катушки на ферритовых сердечниках, индуктивность которых достигает десятков тысяч микрогенри.

В последнее время наметилась тенденция замены катушек специальными схемами на транзисторах (гираторы) и электромеханическими, пьезоэлектрическими и акустоэлектронными фильтрами, основанными на принципе механических упругих колебаний и механического резонанса. Скорость распространения упругих колебаний в твердом теле примерно в 100 тысяч раз меньше скорости распространения электромагнитных волн, что позволяет создавать очень компактные механические резонаторы с распределенными параметрами, обладающие добротностью порядка 10³. Развитие микроэлектроники привело к появлению фильтров на приборах с зарядовой связью и фильтров на поверхностных акустических волнах. Кроме того, в ИМС широкое применение находят активные RC - фильтры, в которых используются операционные усилители с глубокой частотно-зависимой обратной связью.

Основными параметрами катушек индуктивности являются:

1) Индуктивность – L – [Гн] – может быть от нескольких наногенри до десятков миллигенри в зависимости от их функционального назначения.

2) Допустимое относительное отклонение индуктивности катушек может находиться в пределах от 0,1 до 0,5 % для катушек высокодобротных сопряженных контуров, до 20 % и более для катушек, дросселей и других элементов с низкими требованиями точности.

3) Собственная емкость катушек индуктивности является паразитным параметром и обусловлена распределенной емкостью между витками и емкостью между обмоткой и корпусом прибора или экраном катушки.

4) Добротность является важным параметром катушки при её применении в колебательных контурах, характеризующая потери в обмотке, сердечнике и экране:

, где

-круговая частота;

R – эквивалентное сопротивление потерь;

Добротность большинства катушек индуктивности широкого применения изменяется в диапазоне от 30 до 400.

5) Свойства катушки при изменении температуры описываются температурным коэффициентом индуктивности α_L:

, где

L₀ – индуктивность при номинальной температуре.

Основными причинами изменения параметром от температуры являются:

• изменение диаметра каркаса при изменении температуры;

• изменение влияния экрана (при его наличии);

• изменение магнитных свойств сердечника (при его наличии).

Изменение добротности при воздействии температуры обусловлены изменением сопротивления провода.

6) Изменение параметров во времени (старение) характеризуется коэффициентом старения:

,где

L₀ – индуктивность непосредственно после изготовления катушки.

Наиболее часто старению подвергаются катушки из органического диэлектрика. Поэтому наиболее распространены керамические каркасы, которые практически не подвергаются старению.

Схема замещения содержащая в себе не только основные параметры, но и ряд дополнительных изображены на рисунке 4.1.

L – собственная индуктивность, включающая индуктивность выводов;

R_L – сопротивление потерь, учитывающее потери в диэлектрике, сердечнике и экране;

R_CL – сопротивление отображающее потери в ёмкости;

С_L – собственная ёмкость.

Рисунок 4.1 – Схема замещения катушки индуктивности.

Потери увеличиваются с ростом частоты. При расчете добротности потери приводятся к одному эквивалентному сопротивлению R.

Собственная емкость С_L совместно с индуктивность L образует параллельный резонансный контур, добротность которого определяется сопротивлением потерь R. Резонансная частота этого контура равна:

и называется собственной резонансной частотой катушки индуктивности. На практике, как правило, катушки индуктивности применяют на частотах не выше f₀/3.

Для защиты катушек от влаги применяют герметизацию или обволакивание обмотки компаундами или лаками. Хотя это приводит к увеличению C_L и уменьшению добротности, но зато повышается влагостойкость и механическая прочность.

Надёжность катушек индуктивности количественно оценивается одним из параметров – средним временем безотказной работы или средней интенсивностью отказов. Для катушек индуктивности наиболее характерны медленные отказы, вызванные старением диэлектрических и магнитных материалов и окислением проводников. Внезапные отказы обычно происходят вследствие нарушения электрических контактов проводов обмоток с выводами и механическими повреждениями обмоток.

По различным конструктивным признакам катушки индуктивности могут быть разделены на: