Катушки индуктивности

Общие сведения о катушках индуктивности и их классификации

Катушка индуктивности (КИ) представляет собой электрорадиокомпонент (ЭРК), обладающий значительной индуктивностью при относительно малой емкости, малым активным сопротивлением, предназначенным для накопления электромагнитной энергии, разделения или ограничения электрических сигналов различной частоты и других целей. Ток, протекающий по электрической цепи, создаёт магнитный поток, который при изменении величины тока изменяется, при этом возникает электродвижущая сила самоиндукции. Если электрическая цепь выполнена в виде катушки, то линии общего магнитного потока окружают все витки, замыкаясь вокруг них. При отсутствии магнитных материалов в цепи потокосцепление пропорционально протекающему току, умноженному на коэффициент, величина которого зависит от числа витков, размеров и формы электрической цепи. Этот коэффициент, называемый коэффициентом индуктивности, характеризует способность электрической цепи препятствовать изменению электрического тока, протекающего по цепи. Для всех индуктивных элементов величина индуктивности является обязательным нормируемым параметром. При наличии в цепи магнитного материала магнитный поток катушки замыкается через него и прямолинейная зависимость между потоком и намагничивающим током приобретает форму кривой намагничивания. В этом случае индуктивность катушки становится величиной, зависящей от намагничивающего тока.

КИ применяются для создания реактивного сопротивления переменному току при малом сопротивлении постоянному, в частотно-избирательных целях, для создания трансформаторов и линий задержки. Они являются, как правило, нестандартными элементами и для каждого конкретного применения их конструктивные параметры рассчитывают по заданным электрическим характеристикам.

КИ классифицируют по нескольким признакам:

- по характеру изменения индуктивности - постоянные, подстроечные, регулируемые;

- по назначению - на контурные, дроссельные, трансформаторные;

- по особенностям конструкции - на каркасные и бескаркасные, экранированные и неэкранированные, с сердечником и без него, однослойные и многослойные, объемные и плоские;

- по технологии изготовления - намотанные, вожженные, печатные, тонкопленочные;

- по частотному диапазону - на низкочастотные (от 0 до 1 кГц) и высокочастотные (от 1 кГц до сотен МГц).

Катушки индуктивности для аппаратуры связи классифицируют по конструктивным признакам на два типа: с магнитным сердечником и без него. В свою очередь, катушки индуктивности с магнитным сердечником подразделяются на броневые, кольцевые и цилиндрические. Катушки индуктивности без магнитного сердечника подразделяются на кольцевые, спиральные и цилиндрические.

КИ из ферритов и магнитодиэлектриков: сердечники, подстроечники, чашки, магниты и другие изделия различных конфигураций, подразделяют на подгруппы: из магнитомягких марганец-цинковых ферритов; из магнитомягких ферритов, кроме марганец-цинковых; из ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса; из сверхвысокочастотных ферритов; из магнитострикционных ферритов; из магнитотвердых ферритов. Изделия из магнитодиэлектриков подразделяются на три подгруппы: из прессованного порошкообразного альсифера; из прессованного порошкообразного карбонильного железа; из прессованного порошкообразного пермаллоя.

Конструкции и технологии изготовления КИ

Объемные КИ бывают однослойные и многослойные, цилиндрические и тороидальные. Для контурных катушек чаще всего используют цилиндрические однослойные КИ, обладающие простой конструкцией и высокими параметрами.

Существует две основные конструкции однослойных цилиндрических катушек: сплошная и с шаговой намоткой. Намотка с шагом дает меньшую величину индуктивности, но зато собственная емкость таких катушек меньше, а добротность больше.

Однослойные катушки индуктивности применяют в диапазоне частот единицы - десятки - сотни мегагерц. Они могут быть намотаны на гладкие каркасы из пластмассы и керамики. Иногда применяют бескаркасные катушки из толстого провода. Для стабильных катушек используют каркасы с нарезкой, куда укладываются витки провода. Провод высокочастотных катушек часто серебрят для уменьшения высокочастотных потерь. Индуктивность однослойных КИ составляет от 0,1 до 200 мкГн. Добротность сплошных катушек 50 - 250, катушек с шагом - до 400. Собственная емкость -0,5-5 пФ для катушек с шагом - 0,3 пФ.

Малая индуктивность однослойных КИ ограничивает их применение на низких частотах.

Если требуется получить индуктивность больше 100 мкГн, то необходимо переходить к многослойным катушкам. Существует несколько видов многослойных намоток (рис.21). Простые намотки (рядовая и "внавал") характеризуются большим значением собственной емкости (20 - 50 пФ) и низкой добротностью (20 - 30), поэтому применяются в основном для дросселей и в корректирующих цепях.

Рис.21. Разновидности многослойных катушек индуктивности: а - рядовая;

б - "внавал"; в - пиромидальная; г - секционная; д - универсальная

Пирамидальная намотка обладает меньшей собственной емкостью (10 -20 пФ) благодаря тому, что в ней рядом находятся только витки с близкими номерами. На практике чаще всего применяется рядовая секционированная намотка (рис.21, г), у которой при числе секций 3-5 сравнительно высокая добротность (до 150) и небольшая собственная емкость (5 -10 пФ). Еще лучшие характеристики у универсальной намотки (рис.21, д), при которой витки располагаются не параллельно один другому, а идут попеременно от одного края катушки до другого, пересекаясь под некоторым углом. Такое расположение еще больше снижает собственную емкость и обеспечивает жесткость без специальных каркасов. Собственная емкость и добротность многослойных катушек практически не поддаются расчету. Индуктивность многослойных катушек без сердечников может быть от 10 до 1000 мкГн.

К объемным КИ относятся также тороидальные катушки, наматываемые на каркасах или сердечниках в виде тора или кольца (рис.22.). Чаще всего такие КИ 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 КИ.

Рис.22. Общий вид (а) и поперечное сечение (б) тороидальной катушки на магнитном сердечнике

Катушки индуктивности длинных и средних волн выполняют на каркасах из пресс-порошков и термопластичных пластмасс. Выбор материала практически не влияет на их электрические параметры и определяется в основном степенью технологичности производства. Каркасы бывают по форме гладкие, трубчатые, с фланцами и секционированные, а обмотки, как правило, многослойные. При обмотке "внавал" используют каркасы с фланцами. Наибольшее применение находит обмотка универсального типа, обеспечивающая высокую жесткость конструкции и не требующая дополнительных фланцев. В качестве проводов для катушек ДВ- и СВ-диапазонов используют одножильные провода ПЭЛШО, ПЭЛШД, ПЭБО и ПЭБД, а также ПЭЛ и ПЭТ. Для увеличения добротности часто применяют многожильные провода ЛЭШО с волокнистой шелковой изоляцией.

Конструкции некоторых катушек ДВ- и СВ-диапазонов показаны на рис. 23, а — в. Для крепления выводов обмотки в каркасы запрессовывают штыри 4 (лепестки), вокруг которых предварительно обматывают, а затем запаивают провод. Каркасы 1 с обмотками 3 крепят к шасси винтами или, если есть экран, обжимают его по контуру либо прижимают в местах

Рис.23. Катушка ДВ в чашеобразном ферритовом каркасе-сердечнике СБ и корпусе из полиэтилена (а), катушка СВ с многослойной обмоткой «внавал» на пластмассовом гладком каркасе с цилиндрическим сердечником типа СЦШ (б), катушка ДВ типа «универсаль» на пластмассовом гладком каркасе с резьбовым цилиндрическим сердечником СЦР (в): 1 — каркас, 2 — сердечник,

3 — обмотка, 4 — штырь, 5 — корпус выступов фланцев

Крепление катушек в этих случаях осуществляют шпильками, развальцованными в стенках экрана. Для сердечников 2 типа СЦР (цилиндрические резьбовые) в трубке пластмассового каркаса делают внутреннюю резьбу, а для сердечников СЦШ (цилиндрические на шпильках) она предусмотрена в верхнем торце экрана. В катушках ДВ- и СВ-диапазонов используют сердечники из альсифера (9.5% Si, 5.6% А1, остальное - Fe), карбонильного железа, феррита и магнетита. Первые два обладают большой стабильностью и мало склонны к старению.

Катушки индуктивности коротких и ультракоротких волн, применяемые в контурах метрового диапазона, должны иметь индуктивность порядка единиц микрогенри, добротность порядка 50 - 100, собственную емкость 1-2 пФ и точность десятые доли процента. Это означает, что число витков у них не должно превышать одного-двух десятков, диаметр каркаса 10-20 мм, а материал, из которого он изготовлен, должен обладать малым 8.

Каркасы изготовляют из высокочастотных диэлектриков: керамики группы IV-в, полиэтилена, полистирола. В тех случаях, когда не требуется высокая добротность, используют каркасы из пресс-порошков (К21-22, АГ-4). Каркасы могут быть гладкими трубчатыми, нарезными и ребристыми. Ребристые каркасы снижают собственную емкость катушек до 0,5 пФ, а нарезные увеличивают стабильность катушек с шагом (холодная плотная намотка в канавку или горячая намотка, осажденная в пазы обмотка).

В качестве обмоточных проводов в катушках KB-диапазона применяют одножильные эмалированные ПЭЛ, ПЭЛУ, ПЭТ и неэмалированные (неизолированные) провода из меди ММ и МТ (для шаговых обмоток). Диаметр провода для этих катушек, как правило, в 10—20 раз больше, чем для катушек ДВ- и СВ-диапазонов, и в среднем составляет несколько миллиметров. Это необходимо для повышения добротности с целью уменьшения действия поверхностного эффекта. Большинство катушек КВ-диапазона имеют однослойную намотку (сплошную или с шагом).

В диапазоне УКВ-катушки индуктивности имеют еще меньшую индуктивность, а следовательно, и число витков. Как правило, их выполняют из толстого неизолированного провода бескаркасной намоткой. Конструкции наиболее характерных катушек KB- и УКВ-диапазонов показаны на рис.24, а-в.

Рис.24. Сплошная катушка KB на гладком трубчатом каркасе (а), катушки УКВ с осажденной обмоткой на нарезном каркасе (б) и бескаркасная (в):

1 — каркас, 2 — обмотка, 3 — элемент крепления к шасси

Катушки связи применяют для индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току сеточные и анодные цепи, цепи базы и коллектора и др. К катушкам связи не предъявляют жестких требований по добротности и точности и поэтому выполняют их из тонких проводов в виде двух обмоток и возможно меньших габаритов. Основными параметрами катушек связи являются индуктивность и коэффициент индуктивной связи.

Определить коэффициент связи в общем случае довольно трудно, поэтому чаще всего его ориентировочно оценивают в зависимости от расположения обмоток (рис.25, а - г).

Вариометр - это катушка, в которой предусмотрена возможность изменения индуктивности в процессе эксплуатации для перестройки частоты контуров. Принцип действия вариометра основан на изменении коэффициента связи между двумя катушками при их вращении или поступательном движении.

Рис.25. Катушки связи с обмотками: а - двумя однослойными (к = 0,9); б - однослойной и многослойной (к = 0,5); в - однослойной (раздвоенной) и многослойной (к =0,7); г - двумя многослойными (к = 0,8)

Рис.26. Вариометр с вращающимся сердечником: 1 — ротор, 2 — статор

Первый случай характерен для передающих устройств диапазона СВЧ. В зависимости от совпадения или противоположного направления магнитных полей роторной и статорной катушек (рис.26), соединенных последовательно, их общая индуктивность будет максимальна либо минимальна:

Lmax=L₁+L₂+2M,

Lmin=L₁+L₂-2M,

где L₁ и L₂ - индуктивности статора и ротора, Гн.

Коэффициент перекрытия частоты вариометра в зависимости от ин­дуктивности k = Lmax/Lmin.

Для подобных конструкций k = 4 - 5.

1

Рис.27. Вариометр с поступательным движением сердечника: 1 - сердечник,

2 - брусок-основание

Во втором случае (рис.27) для изменения индуктивности катушек в отверстия ферритового бруска-основания 2 вводят П-образный ферритовый сердечник 1. Коэффициент перекрытия при ji = 1000 может быть более 100.

Дроссель высокой частоты — это катушка индуктивности, включаемая в цепь тока высокой частоты для увеличения ее сопротивления. При этом значение постоянного тока или тока низкой частоты не изменяется. Дроссели применяют в цепях фильтрации питания усилителей высокой частоты.