2 Катушки индуктивности колебательных контуров

Катушки индуктивности без сердечника.

Цилиндрические катушки индуктивности с однослойной намоткой выполняются на каркасах из диэлектрика или без них. Катушки без каркасов применяют, когда необходима большая добротность при невысоких требованиях к стабильности индуктивности. Количество витков ограничивают (5-8), диаметр провода катушки выбирают из соображений жесткости конструкции.

Для катушек с однослойной рядовой намоткой изготавливают гладкие каркасы, для катушек с шаговой намоткой - каркасы с канавкой, расположенной по винтовой линии, или ребрами вдоль образующей цилиндра. Катушки с шаговой намоткой отличаются меньшей собственной емкостью C₀ (соответственно, меньшими потерями в диэлектрике), и повышенными значениями добротности.

Высокодобротные стабильные катушки индуктивности выполняют из медного посеребренного проводника, намотанного на каркас из высококачественной керамики характеризующейся минимальными значениями ТКЛР, tg,  и ТК, а также достаточной механической прочностью.

Однослойную рядовую намотку применяют при индуктивностях не выше 15-20 мкГн. Величина индуктивности может быть определена по эмпирической формуле

L = 0,01DN²/(1/D+0,44), мкГн,

где D - диаметр обмотки, см; N - число витков; 1 - длина обмотки, см.

Многослойные катушки используют для колебательных контуров на частотах от 100 до 2000 кГц, когда требуется индуктивности более 30 - 50 мкГн.

Катушки индуктивности с несекционированной многослойной рядовой обмоткой характеризуются пониженной добротностью и стабильностью параметров, большой собственной емкостью. Катушки намотанные "внавал" (т.е. с хаотическим расположением витков) обладают значительно лучшими параметрами. Использование проводов с дополнительной волокнистой изоляцией уменьшает собствен­ную емкость катушки. На частотах до 1 - 1,5 МГц для повышения добротности целесообразно использовать многожильный провод ти­па "литцендрат". Однако, при обрыве или плохом контакте даже одного из проводов резко возрастает собственная емкость.

Индуктивность катушки без сердечника с многослойной обмоткой определяется по формуле

8. ^. D² N²

L = –––––––––––––––– , мкГн,

3 ^. D + 9 l + 10 a

где D - средний диаметр обмотки, см; 1 - длина обмотки, см; а - толщина обмотки, см; N - число витков.

Катушки индуктивности с ферромагнит­ными сердечниками. Сердечники из ферромагнитных материалов применяют для увеличения добротности, уменьшения размеров и подстройки катушек индуктивности.

Ферромагнитные сердечники характеризуются относительной (действующей) магнитной проницательностью _C и температурным коэффициентом этой проницаемости ТК_C.

Относительная магнитная проницательность _C определяется отношением величины индуктивности катушки с сердечником L_C (; к индуктивности той же катушки без сердечника L:

_C = Lc / L .

Чем больше магнитная проницаемость материала сердечника (измеряется на кольцевых сердечниках), ниже частота переменного напряжения, меньше расстояния между сердечником и обмоткой катушки, тем выше относительная магнитная проницаемость сердечника.

Использование магнитных свойств материала в сердечнике характеризуется коэффициентом использования:

k_ = _C / _МАТ ,

где _МАТ - относительная магнитная проницаемость материала сердечника.

Чем больше величина k_ , тем сильнее сердечник влияет на параметры катушки. Для стандартной торроидальной катушки k_ = 1, т.е. _C = _МАТ

Использование магнитного сердечника увеличивает добротность катушки. Если бы в сердечнике не было потерь, то добротность катушки с сердечником также увеличивалась бы в _C раз, т.е.

 ^. L_C  ^. _C ^. L

Q_C = ––––––––– = –––––––––––– = _C ^. Q .

r_П r_П

Однако в сердечнике присутствуют потери на вихревые токи, потери на гистерезис и потери на последействие. Вследствие этого приближенно считают

Q_C = (_C ^. Q)^1/2 .

Потери вносимые сердечником, характеризуются относительной добротностью Q_ОТН .

Q_ОТН = Q_C / Q .

Относительная добротность зависит от коэффициента использования, потерь в сердечнике и в сильной степени от частоты. Верхней границей диапазона рабочих частот сердечника является частота, при которой Q_ОТН =1.

Чем лучше используются сердечником магнитные свойства материала, тем в большей степени стабильность параметров катушки зависит от стабильности параметров материала сердечника. Стабильность параметров катушки в течение времени определяется стабильностью _C и ухудшается с увеличением величины _C .

Ферромагнитные сердечники для катушек индуктивности изготавливают из магнитодиэлектриков и ферритов. Ферритовые сердечники позволяют получить катушки с большей величиной добротности, чем сердечники из магнитодиэлектриков. Для стабильных высокочастотных катушек индуктивности рекомендуется использовать сердечники из карбонильного железа или термостабильных ферритов.

По конструктивному выполнению сердечники подразделяют на цилиндрические, броневые, кольцевые.

Цилиндрические сердечники используют для изменения величины индуктивности в процессе регулировки аппаратуры и в качестве элемента подстройки броневых сердечников. Они обладают, как правило, невысокой относительной магнитной проницаемостью (_C = 1,5  3) и относительной добротностью (Q_С == 1,2  2). Их изготавливают из карбонильного железа и ферритов.

Катушки с броневыми сердечниками (рис. 61) характеризуются малыми размерами, сравнительно высокой добротностью и малой собственной емкостью. Они создают слабое внешнее поле. Это позволяет приближать экран к самому сердечнику, а в некоторых случаях не экранировать катушку. Катушки с броневыми сердечниками применяются в колебательных контурах усилителей радио и промежуточной частоты, в электрических фильтрах различного назначения.

Рис. 61

Броневые сердечники могут быть с замкнутой или разомкнутой магнитной цепью (с зазором). Введение немагнитного зазора с шириной  уменьшает относительную магнитную проницаемость сердечника _СЗ и величину потерь tg_СЗ:

_СЗ = _С / (1 + _С  / 1_ЭФ), tg_СЗ = tg_СЗ / _С ,

где 1_ЭФ - эффективная длина магнитной силовой линии.

Наибольшей добротностью обладают катушки, у которых потери в катушке и сердечнике одинаковые. Правильно выбранный зазор может увеличить добротность катушки в 2 - 3 раза. Катушки индуктивности, выполненные из сердечников с зазором имеют более высокую температурную стабильность. Оптимальный размер зазора δопт и максимальная добротность катушки с сердечником определяются из соотношений:

1_ЭФ

_опт = ––––––– (_С ^. Q / Q_C - 1)^1/2 , Q_max = 0.5 (_С ^. Q ^. Q_C)^1/2 ,



где Q_C = l / tg_C .

Для подстройки величины индуктивности броневые сердечники снабжают цилиндрическим сердечником, перемещение которого изменяет индуктивность примерно на 20 %, если сердечник без зазора, и на 30 %, если сердечник с зазором.

Броневые сердечники изготавливаются из ферритов и карбонильного железа.

Кольцевые сердечники позволяют наиболее полно использовать магнитные свойства материалов (_C=_Н). Их достоинствами явля­ется большая добротность катушек (до 400 - 500), почти полное отсугствие внешнего поля, что устраняет необходимость экранирова­ния, возможность получения сильной (к = 1) связи между двумя расположенными на нем обмотками. Их недостатки - сложность намотки, невозможность подстройки и относительно низкая темпе­ратурная стабильность индуктивности. Кольцевые сердечники при­меняют в тех случаях, когда необходимо получить максимальную индуктивность при минимальных габаритах. Они изготавливаются из ферритов и альсиферов.

Катушки индуктивности с сердечникам из немагнитных материалов. Сердечники из немагнитных материалов (меди, латуни, алюминия) применяются для подстройки стабильных катушек индуктивности в диапазоне час­тот 10 - 100 МГц

Под влиянием магнитного поля катушки в сердечнике возникают индукционные токи, направление которых противоположно направлению магнитного поля катушки. Это уменьшает магнитное поле, создаваемое катушкой индуктивности, что эквивалентно уменьшению величины индуктивности. Индукционные токи вызывают нагрев сердечника, то есть происходят необратимые потери энергии. Это эквивалентно увеличению сопротивления потерь катушки.

Индуктивность уменьшается тем сильнее, чем больший объем металла вводится и чем выше его проводимость. Добротность уменьшается в большей степени, чем индуктивность. Например, уменьшение индуктивности на 15% при использовании медного сердечника снижает добротность на 45%, а при применении алюминиевого в 3-4 раза. Поэтому алюминиевые сердечники используют для регулировки индуктивности широкополосных контуров.