Современное определение катушки индуктивности характеризует ее как элемент электрической цепи (двухполюсник), обеспечивающий заданную в ней индуктивность. Катушки индуктивности применяются в самой разнообразной радиоэлектронной аппаратуре. Их качество и параметры оказывают большое влияние на работу радиоэлектронных устройств. Катушки индуктивности применяются для настройки колебательных контуров на данную частоту (катушки настройки, рис. 1.5), для передачи электрических колебаний из одного контура в другой (катушка связи), для разделения или ограничения электрических сигналов различной частоты (дроссели) и т.д. В детекторных, ультра- и коротковолновых радиоприемниках довольно часто используют для настройки на радиостанции вариометры. Вариометр представляет собой устройство плавного механического изменения индуктивности катушки. В катушке, состоящей из двух соединенных последовательно катушек, изменение индуктивности производится изменением их положения относительно друг друга. Если катушка имеет магнитный сердечник, то ее индуктивность изменяется его перемещением. Известны различные конструкции вариометров. В наиболее известной конструкции вариометра одна катушка вращается внутри другой.

Рис. 1.5. Конструкции контурных катушек индуктивности, выполненные на ферритовых стержнях: а — СВ и ДВ; 6 — КВ

Дроссель от немецкого слова — «сокращать» является разновидностью катушки индуктивности. Свойства такой катушки зависят от того, какой частоты электрический ток нужно «сокращать» или «задерживать». Дроссель включают в электрическую цепь для подавления переменной составляющей тока в цепи, либо для разделения или ограничения сигналов различных частот. В зависимости от назначения дроссели делятся на высокочастотные и низкочастотные. Это различие относится и к конструктивному их исполнению. Дроссели высокой частоты изготовляют в виде однослойных или многослойных катушек без сердечников или с сердечниками. Для дросселей длинных и средних волн применяют секционную намотку. Дроссели на коротких и метровых волнах имеют однослойную намотку, сплошную или с принудительным шагом.

Для уменьшения габаритов дросселей применяют магнитные сердечники. Дроссели высокой частоты с сердечниками из магнитодиэ-лектриков и ферритов имеют меньшую собственную емкость и могут работать в более широком диапазоне частот. Низкочастотный дроссель подобен электрическому трансформатору с одной обмоткой.

Катушка индуктивности характеризуется номинальным значением индуктивности. Основной единицей в системе СИ является генри (Гн). На практике пользуются производными от генри единицами — миллигенри (мГн), микрогенри (мкГн) и наногенри (нГн), которые связаны с основной единицей следующим образом:

1 мГн =10^-3 Гн,

1мкГн = 10^-6 Гн,

1нГн = 10^-9 Гн.

В литературе прошлых лет встречается единица измерения индуктивности — сантиметр:

1см = 10^-9 Гн = 10^-6 мГн = 10^-3 мкГн.

Сердечники катушек индуктивности

Для уменьшения потерь в сердечниках катушек используются маг-нитодиэлектрики — материалы, у которых частицы размельченного фер-ритового вещества разделены между собой диэлектриком. К числу таких материалов относятся известные альсифер и карбонильное железо. В последнее время в качестве материала для сердечников широко применяют ферриты: никель-цинковые, марганец-никелевые, литий-цинко-вые. Условное обозначение ферритов: НН — никель-цинковые низкочастотные ферриты, НМ — марганец-цинковые, ВТ — ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса. Цифры, стоящие перед буквенными обозначениями, указывают среднее значение начальной магнитной проницаемости материала сердечника. Достоинства ферритов — стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи и простота изготовления ферритовых деталей. Ферриты почти не поддаются механической обработке, они обрабатываются только абразивами, такими как, например, корунд. Изделия из ферритов нельзя обрабатывать на станках, так как это может привести к утрате магнитных свойств — резкому увеличению потерь, снижению проницаемости. Благодаря высокому удельному сопротивлению, катушки с сердечниками из ферритов могут иметь очень большую добротность, на низких частотах свыше 500, а на частотах 500... 1000 кГц — 300.

Основной характеристикой магнитного материала сердечника является магнитная проницаемость. На практике она оценивается относительной величиной (по отношению к магнитной проницаемости вакуума) и является безразмерной. Магнитную проницаемость ферритов можно считать постоянной лишь при первом, грубом приближении.

Если к температурной стабильности начальной магнитной проницаемости ферритов не предъявляются повышенные требования, то применяют марганец-цинковые ферриты марок 6000НМ, 4000НМ, 3000НМ, 2000НМ, 1500НМ и 1000НМ. Эти ферриты используются в диапазоне частот до нескольких сотен килогерц как в слабых, так и в сильных полях. Ферриты марок 2000НМ1, 1500НМ1, 1500НМ2, 1500НМЗ, 1000НМЗ и 700НМ предназначены для частот до 3 МГц в слабых и средних полях. Им свойственны малые потери и малый температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости в широком интервале температур. Для магнитных антенн приемников выпускаются фер-ритовые стержни марок 700НМ (до 3 МГц), 150ВЧ (до 12 МГц), 100ВЧ (до 18 МГц), 50ВЧ2 (до 30 МГц) и 30ВЧ2 (до 100 МГц). Стержни изготовляются круглого и прямоугольного сечения. Ферритовые детали можно склеивать полистироловым, эпоксидным и другими клеями.

Стабильность катушек индуктивности с сердечниками из никель-цинковых ферритов с начальной магнитной проницаемостью 10...50 (ферриты марок ВЧ) составляет 1 год, при этом индуктивность изменяется не более ±5%, а катушки с сердечниками из того же материала, но марок НН — до ±2%. Индуктивность катушек с сердечниками из марга-нец-цинковых ферритов (марки НМ) за год изменяется до 5% и является менее стабильной, чем предыдущие. Катушки на альсиферовых кольцах изменяют свою индуктивность в течении года не более чем на ±1%.

Конструкция каркасов катушек индуктивности

Конструкции катушек индуктивности очень разнообразны. Основными конструктивными элементами катушек являются каркас, обмотка, а вспомогательными — сердечник, экран и т.д. Намотка катушек производится проводом на специальных каркасах, которые придают обмотке механическую прочность. По форме каркасы бывают трубчатые (с фланцами и без них), шпули, ребристые, плоские, тороидальные и другие. Каркасы в зависимости от рабочего диапазона частот и назначения изготавливаются из различных материалов: кабельной бумаги, электрокартона, текстолита, гетинакоа, пресспорошка, керамики, слюды, полистирола, органического стекла, эскапона и других. Выбор материала для каркаса зависит от предъявляемых к нему требований по электрической прочности, допустимой величины диэлектрических потерь, термостойкости, влагостойкости и т. д. Наибольшую стабильность имеют катушки на керамических каркасах, а наименьшую — многослойные катушки, намотанные на каркасах из гетинакса и пресспорошка. Иногда катушки УКВ и КВ диапазонов делают бескаркасными. При их изготовлении, например, для контуров маломощных коротковолновых передатчиков, витки для жесткости скрепляют планками из органического стекла толщиной З...4мм. Концы обмоток катушек на каркасе закрепляют нитками или вплавляют паяльником в каркас, если он сделан из полистирола или органического стекла. Иногда плоские каркасы после намотки провода сгибают в кольцо.

Намотка катушек индуктивности

Обмотки катушек могут быть однослойными или многослойными (рис. 1.6). Обмотка характеризуется количеством витков, шагом намотки t и рядом. Под витком катушки понимают отрезок провода, охватывающий всю окружность каркаса. Шаг — расстояние между соседними витками.

Рис. 1.6. Конструкции катушек индуктивности с различным типом намотки: а — с шагом t, б — виток к витку, в — тип «универсаль»

Ряд — количество витков провода, которое укладывается на всю ширину обмотки. Наиболее простые по конструкции однослойные рядовые обмотки катушек. Они имеют малую величину собственной емкости и высокую добротность. Однако получающиеся при изготовлении большие габариты ограничивают их применение. Чаще всего применяют многослойные обмотки: рядовая многослойная, секционированная индукционная и безиндукционная, галетная, универсальная и тороидальная. Укладка многослойной секционированной индукционной обмотки производится на каркасы-шпули с промежуточными щеками. Количество секций может быть любым, а число рядов в секциях должно быть четным. Секционирование индукционной обмотки используется для высоковольтных и высокочастотных трансформаторов, дросселей высокой частоты. Для получения катушек индуктивности малых размеров и с малой собственной емкостью при большой величине индуктивности пользуются способом универсальной намотки. В этом случае провод укладывается под углом к плоскости вращения и перегибается на торцах. Наибольший угол укладки можно получить при намотке катушки проводом в шелковой изоляции.

Условные обозначения марок ферритов и магнитодиэлектриков

Условное обозначение ферритового стержня состоит из четырех элементов:

1. Буква М указывает, что изделие сделано из феррита.

2. Цифра — начальное значение магнитной проницаемости.

3. Буквы и несколько цифр — марка феррита (В — феррит для работы на частотах выше 5 МГц, Н — для работы на низких частотах).

4. Сокращенное обозначение конструктивного вида сердечника и его размеров в миллиметрах.

В дополнение к названным буквам третьего элемента иногда добавляется еще одна буква с указанием характеристики магнитного поля, в котором может работать этот феррит: С ^ феррит для работы в сильных магнитных полях, И — специальный феррит для работы в импульсных магнитных полях, если этой буквы нет, то феррит предназначен для работы в слабых магнитных полях. После четвертого элемента иногда может стоять цифра, характеризующая различие свойств феррита. После указанных элементов следует черта, которая выделяет наименование изделия изготовленного из феррита (обозначается буквой) и его конструктивные размеры (обозначаются цифрами):

• Б - броневой сердечник, состоящий из двух чашек с цилиндрическим подстроечным стержнем (число после буквы указывает внешний диаметр чашки);

• Г -Г-образный для телеаппаратуры, числа последовательно соответствуют длине, ширине и толщине изделия;

• К - кольцевой сердечник, числа соответствуют внешнему диаметру, внутреннему диаметру и высоте кольца;

• ОС - кольцевой сердечник для отклоняющей системы кинескопа, числа обозначают типоразмер сердечника;

• ПК - П-образный, круглого сечения сердечник для трансформатора строчной развертки, числа указывают расстояние между диаметрами и их диаметр;

• ПП - П-образный, прямоугольного сечения сердечник, числа указывают расстояние между стержнями, ширину стержня, высоту стержня (только для ТВС кинескопа с отклонением луча 70е первое число 53 указывает ширину сердечника);

• СС - для цилиндрических стержней не более 3,5 мм, числа указывают диаметр и длину сердечника (цилиндрические стержни диаметром 8 мм и 10 мм в обозначении не содержат букв СС, в стержнях прямоугольного сечения числа указывают ширину, толщину и длину сердечника);

• Ш - Ш-образный сердечник, числа обозначают ширину и толщину среднего выступа;
• 3 — замкнутый
• О-образный сердечник, числа обозначают высоту изделия, высоту окна, ширину изделия и ширину окна.

М100НН-2-СС 2,8x12: М — феррит; 100 —100; Н — низкочастотный; Н — никель-цинковый; 2 — различные свойства; СС — стержень; 2,8 мм — диаметр; 12 мм — длина.

М700НМ-Б9: М — феррит; 700 — ц = 700; Н — низкочастотный; М — марганец-цинковый; Б — броневой; 9 мм — диаметр.

Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.

План

1.Катушка индуктивности

2.Добротность катушки индуктивности

2.1Определение индуктивного сопротивления

2.2 Определение добротности катушки индуктивности

2.3 Рисунок

3.Разновидности катушек индуктивности

3.1Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике

3.2Катушки связи, или трансформаторы связи

3.3Вариометры

3.4Дроссели

3.5Сдвоенные дроссели

4.Применение катушек индуктивности

5.Список использованной литературы

Катушка индуктивности - деталь, которая имеет спиральную обмотку и может концентрировать переменное магнитное поле. В отличие от резисторов и конденсаторов катушки индуктивности являются нестандартными радиодеталями и их конструкция определяется назначением конкретного устройства.

Основные параметры катушки индуктивности:

Индуктивность

Добротность катушки индуктивности

Собственная ёмкость катушки индуктивности

Температурная стабильность (температурный коэффициент)

Величина индуктивности прямо пропорциональна размерам катушки и количеству витков. Индуктивность также зависит от материала сердечника, введённого в катушку и наличия экрана. Расчёт катушки индуктивности выполняется с учётом этих факторов.

При введении в катушку сердечника из магнитных материалов (феррит, альсифер, карбонильное железо, магнетит) её индуктивность увеличивается. Это свойство позволяет уменьшить количество витков в катушке для получения требуемой индуктивности и тем самым уменьшить её габариты. Это особенно важно на низкочастотных диапазонах, когда нужна большая индуктивность. Погружая сердечник в катушку на разную глубину изменяют её индуктивность. Это свойство использовалось в старых радиоприёмниках при настройке на радиостанцию. В современных приборах наиболее часто это свойство используется в индуктивных бесконтактных датчиках. Такие датчики реагируют на приближение металлических предметов.

Влиять на индуктивность катушки можно и при отсутствии в ней подвижного сердечника. В этом случае одну из двух последовательно соединённых катушек помещают внутри другой. Если затем изменять её положение, то индуктивность также будет изменяться. Такая конструкция катушек называется вариометр .

– это качество работы катушки в цепях переменного тока. Добротность катушки индуктивности определяют как отношение её индуктивного сопротивления к активному сопротивлению. Грубо говоря,индуктивное сопротивление – это сопротивление катушки переменному току, а активное сопротивление – это сопротивление катушки постоянному току и сопротивление, обусловленное потерями электрической мощности в каркасе, сердечнике, экране и изоляции катушки. Чем меньше активное сопротивление, тем выше добротность катушки и её качество. Таким образом, можно сказать, что чем выше добротность, тем меньше потери энергии в катушке индуктивности.

Индуктивное сопротивление определяется формулой:

X L = ωL = 2πfL

Где ω = 2πf – круговая частота (f – частота, Гц); L – индуктивность катушки, Гн.

Добротность катушки индуктивности определяется формулой:

Q = X L / R = ωL / R = 2πfL / R

Где R – активное сопротивление катушки индуктивности, Ом.

Конец формы

Для намотки катушки индуктивности обычно используют медный провод в эмалевой изоляции. Повысить добротность катушки можно с помощь специального вида провода, «жила» которого состоит из нескольких тонких проволок с волнистой шёлковой изоляцией (ЛЭШО).

Примеры исполнения катушек индуктивности приведении на рис. 1. Условные графические обозначения катушек индуктивности на электрических схемах приведены на рис. 2. На рис 2 точка у катушки L2 обозначает начало обмотки (в некоторых схемах это важно).

Рис. 1. Катушки индуктивности.

Рис. 2. Условное графическое обозначение (УГО) катушек индуктивности.

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике

Катушки связи, или трансформаторы связи

Взаимодействующие магнитными полями пара и более катушек обычно включаются параллельно конденсаторам для организации колебательных контуров. Такие катушки применяются для обеспечения трансформаторной связи между отдельными цепями и каскадами, что позволяет разделить по постоянному току, например, цепь базы последующего усилительного каскада от коллектора предыдущего каскада и т. д. К нерезонансным разделительным трансформаторам не предъявляются жёсткие 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 (коэффициент взаимоиндукции).

Вариометры

Это катушки, индуктивностью которых можно управлять (например, для перестройки частоты резонанса колебательных контуров) изменением взаимного расположения двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая обычно располагается внутри первой и вращается (ротор). Существуют и другие конструкции вариометров. При изменении положения ротора относительно статора изменяется степень взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника относительно обмотки, либо изменением длины воздушного зазора замкнутого магнитопровода.

Дроссели

Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Дроссели включаются последовательно с нагрузкой для ограничения переменного тока в цепи, они часто применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента, а также в качестве балласта для включения разрядных ламп в сеть переменного напряжения. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей - помехоподавляющиеферритовые бочонки (бусины или кольца), нанизанные на отдельные провода или группы проводов (кабели) для подавления синфазных высокочастотных помех.

Сдвоенный дроссель

Сдвоенные дроссели

Это две намотанных встречно или согласованно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. При согласной намотке эффективны для подавления дифференциальных помех. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике. Предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов из питающей сети, так и во избежание проникновения в питающую сеть электромагнитных помех, генерируемых устройством. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный сердечник (из трансформаторной стали). Для фильтрации высокочастотных помех - сердечник ферритовый.

Применение котушек индуктивности

Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/илирезисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепейобратной связи, колебательных контуров и т. п.

Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.

Две и более индуктивно связанные катушки образуюттрансформатор.

Катушка индуктивности, питаемая импульсным током оттранзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.

Катушки используются также в качестве электромагнитов - исполнительных механизмов.

Катушки применяются в качестве источника энергии для нагреваиндуктивно-связанной плазмы, а также её диагностики.

Для радиосвязи - приёма электромагнитных волн, редко - для излучения:

Ферритовая антенна

Рамочная антенна, кольцевая антенна

Индукционная петля

Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.

Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах при перемещении ферромагнитного сердечника относительно обмотки.

Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля в индукционных магнитометрах

Для создания магнитных полей в ускорителях элементарных частиц, магнитного удержания плазмы, в научных экспериментах, в ядерно-магнитной томографии. Мощные стационарные магнитные поля, как правило, создаются сверхпроводящими катушками.

Для накопления энергии.

Измерителем индуктивности называется прибор для измерения индуктивности катушек, дросселей, обмоток трансформаторов, а также сопротивления активных потерь катушек. Наиболее широкое применение находят измерители индуктивности , работа которых основана на резонансном и мостовом методах. В резонансных измерителях индуктивности (рис. 1) используются известные соотношения между параметрами L, C и R колебательного контура и его резонансной частотой. Резонансные измерители индуктивности работают на частотах от нескольких кГц до нескольких сотен МГц; диапазон измеряемых индуктивностей – от сотен долей мкГн до нескольких сотен мГн; погрешность измерений составляет обычно несколько процентов.

Рисунок 1 – Резонансный измеритель индуктивности

Lc – индукция витка связи;

Lx – измеряемая индуктивность;

Сk – собственная емкость катушки;

Сх – образцовая емкость;

ЛВ – ламповый вольтметр;

ГВЧ – генератор сигналов высокой частоты;

В мостовых измерителях индуктивности используются мостовые цепи; часто такие цепи входят в состав универсальных мостов, предназначенных для измерения индуктивности , емкости и активного сопротивления. Мостовые измерители индуктивности применяются на частотах до нескольких сотен МГц и обеспечивают измерение индуктивностей от десятых долей мкГн до нескольких тысяч Гн. Все шире применяются измерители индуктивности с самобалансирующимися мостами переменного тока с цифровым отсчетом (рис. 2), а также измерители индуктивности , в которых измеряемый параметр преобразуется в ток, напряжение или временной интервал с последующим измерением этих величин цифровыми измерителями.

Рисунок 2 – Мостовой измеритель индуктивности

Zx – полное сопротивление катушки индуктивности ;

Z2 – образцовый резистор;

Z2,3 – переменные резисторы;

1 – генератор сигналов низкой частоты (ГСНЧ);

2 – блок сравнения;

3 – блок управления уравновешивания моста;

4 – устройство цифрового счета;

В современных измерителях индуктивности широко применяются микросхемы. Основной тенденцией в развитии измерители индуктивности является автоматизация процесса измерения в сочетании с дистанционным программным управлением, что позволяет использовать такие измерители индуктивности в автоматизированных системах контроля и информационно-измерительных системах.

Так как индуктивность зависит от магнитной пронтцаемости µ среды и проводников электрической цепи, напомним физическую сущность этой величины. Магнитная проницаемость µ - физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции B среды при воздействии магнитного поля H

μ0 - магнитная постоянная;

Магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума) равна:

μ0 =4π ·10 -7 Гн/м=1,256637·10 -6 Гн/м

Магнитная проницаемость связана с магнитной восприимчивостью χ соотношением

μ = 1+ 4π χ (СГС)

μ = 1+ χ (СИ)

Для вакуума χ=0, μ=1.

В переменных магнитных полях, изменяющихся по закону синуса или косинуса магнитная проницаемость представляется в комплексной форме:

μ1 - характеризует обратимые процессы намагничивания;

μ2 - процессы рассеяния энергии магнитного поля (потери на вихревые токи, магнитную вязкость и др.)

Магнитная вязкость – задержка во времени изменения магнитных характеристик вещества (намагниченности, магнитной проницаемости) от изменения напряженности магнитного поля. Запаздывание от 10 -9с до часов. Магнитная восприимчивость – величина, характеризующая связь намагниченности вещества с магнитным полем в этом веществе

χ = χуд · M

M – молекулярная (атомная) магнитная восприимчивость;

Магнитная восприимчивость – положительная для парамагнетиков и ферромагнетиков (намагничиваются по полю); отрицательная – для диамагнетиков (намагничивается против поля).

Диамагнетики – He, Cu, Be, Zn, Ag, Au, Bi и другие, H2O, CO2, CH4 (метан), С6Р6 (бензол).

Парамагнетики – Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, W, Pt..

J – намагниченность – характеристика магнитного состояния макроскопического тела. Намагниченность J определяется как магнитный момент M единицы объема тела:

или для однородного намагничивания

Измеряется в A/м, 1 м3 вещества обладает магнитным моментом 1 А· м2 в системе СГС (Гс·см3).

Магнитная индукция B – основная характеристика магнитного поля, представляющая собой среднее значение суммарной напряженности микроскопических магнитных полей, созданных отдельными электронами и другими элементарными частицами.

B = H + 4πJ (1)

H – вектор напряженности магнитного поля;

J – вектор намагниченности;

На основании (1) и (2) и с учетом ранее приведенных соотношений:

B = (1 + 4πχ)H = μH

μ = (1 + 4πχ)

μ – магнитная проницаемость;

χ – магнитная восприимчивость;

В системе СИ используются следующие соотношения:

Магнитная индукция в СИ измеряется в Теслах (1 Тл - 104 Гс).

Природа индуктивности и классификация катушек индуктивности

Для создания катушек индуктивности используется эффект взаимодействия магнитного поля и переменного тока. Коэффициент пропорциональности между переменным напряжением и током с учетом частоты ω имеет смысл реактивного сопротивления jωL, где L – коэффициент пропорциональности. Для увеличения индуктивности провод, по которому протекает ток, наматывают в виде катушки. При этом добавляется взаимная индуктивность между витками и индуктивное сопротивление, т. е. значение L увеличивается. Индуктивность является основным параметром катушки.

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

Для классификации радиочастотных индуктивных элементов можно использовать разные признаки: наличие или отсутствие сердечника, характер намотки – однослойная (с шагом или без шага) или многослойная (рядовая, универсальная, внавал), рабочую частоту, количество обмоток, наличие или отсутствие каркаса, наличие или отсутствие экрана и т.д.

Рисунок 3а – Схема замещения катушки

Рисунок 3б – Эквивалентная схема контура

Катушка индуктивности – катушка из провода с изолированными витками; обладает значительной индуктивностью при относительно малой емкости и малом активном сопротивлении. Предназначена для накопления магнитной энергии, разделения или ограничения электрических сигналов различной частоты и т. д. Индуктивность катушки индуктивности определяется линейными размерами катушки, числом витков обмотки и магнитной проницаемостью окружающей среды и проводников; изменяется от десятых долей мкГн до десятков Гн. Другие основные параметры катушкииндуктивности : добротность Q(отношение индуктивного сопротивления к активному), собственная емкость, механическая прочность, габаритные размеры, масса.

В зависимости от конструкции катушки индуктивности делятся на каркасные и бескаркасные, одно- и многослойные, экранированные и неэкранированные, с магнитными сердечниками (с ферритовыми сердечниками) и без них (рис. 4). Важное достоинство катушек индуктивности с сердечниками – возможность подстройки (изменение индуктивности катушки индуктивности в определенных пределах путем изменения параметров сердечника). Катушки индуктивности применяются в качестве одного из основных элементов электрических фильтров и колебательных контуров, накопителя электрической энергии и др.

Рисунок 4а – Цилиндрическая однослойная катушка индуктивности

Рисунок 4б – Тороидальная многослойная катушка индуктивности с сечеием – квадрат

Рисунок 4в – Катушка индуктивности с цилиндрическим сердечником (броневая)

Рисунок 4г – Катушка индуктивности с П-образным сердечником

Рисунок 4д – Образцовая индуктивность на керамическом тороиде

Рисунок 4е – Вариометр – катушка с регулируемой индуктивностью и поступательным перемещением сердечника

1 - обмотка;

2 - каркас;

3 - сердечник;

Рисунок 4ж – Вариометр с вращающимся сердечником

1 – ротор;

2 – статор;

Индуктивность катушки, мкГн, может быть рассчитана по формулам:

L=L0W2D·10 -3 (3)

Для однослойной катушки L0 = f(lн /D),

где lн – длина намотки, см;

Dср = Dк + d – средний диаметр витка, см;

Dк – диаметр каркаса;

d – диаметр провода;

W – количество витков.

Для многослойной катушки:

L0 = f(lн /Dср) и L0 = f(b /Dср),

где D – наружный диаметр катушки, см;

Dср – средний диаметр катушки, см;

Dк – диаметр каркаса, см;

b – глубина намотки, см;

Важным параметром катушки при ее применении в колебательных контурах является добротность, характеризующая относительных уровень активных потерь в ее обмотке, собственной емкости, сердечнике и экране:

Свойства катушки при изменении температуры описываются температурным коэффициентоминдуктивности αL, который определяется выражением

Индуктивность при температуре T определяется выражением

L(T) = LОТ = m(β0)lg t/t0

где μн – начальная магнитная проницаемость материала;

∆μн (t) – отклонение магнитной проницаемости материала от начальной магнитной проницаемости;

β0 – случайный коэффициент, показывающий скорость изменения магнитной проницаемости материала для каждой реализации;

m(β0) – математическое ожидание коэффициента, показывающего скорость изменения магнитной проницаемости материала;

t – время, в течение которого отсутствуют заметные изменения магнитной проницаемости.

Значения ∆μн (t), β0, m(β0), t0 получают из результатов эксперимента. В рассматриваемом примере для тороидальных сердечников m(β0) = 0,14% и t0 = 50 ч.

Среднеквадратическое отклонение также можно рассматривать как изменяющееся по логарифмическому закону:

D 1/2(∆μн (t) / μн)= D1/2(β0)lg t/t0.

Изменение стабильности при длительной эксплуатации катушек индуктивности в основном определяется изменением магнитной проницаемости сердечника μс. При небольших зазорах

1+μн(lз / lc)

где lc – длина магнитной силовой линии;

lз – "длина" зазора;

μн – номинальная магнитная проницаемость материала.

Следовательно, изменяя зазор, можно получить разные значения μс < μн, Относительное изменение индуктивности

∆ Lc(t)/Lc (t)/μc

где Lc и μc – начальное значение индуктивности проницаемости сердечника;

∆Lc(t) и ∆μc (t)– их отклонения во времени.

Для описания закономерностей отклонений ∆μc и ∆Lc также следует воспользоваться логарифмической аппроксимацией. Тогда

∆Lc(t) / Lc = ∆μc (t) / μc = βс lg t/t0

где βс – случайный коэффициент, показывающий скорость изменения магнитной проницаемости сердечника и индуктивности катушки.

Применение ферритовых сердечников позволяет значительно повысить индуктивность, а, следовательно, добротность катушки, при неплохих показателях по стабильности (например, при среднем уходе по индуктивности на 0,5% за три года). При этом необходимо так выбирать материал сердечника, чтобы потери при частоте, на которой работает катушка, были пренебрежительно малы. По полученной μc следует выбрать зазор, пользуясь (4).

Перспективы развития и использования катушек индуктивности в РЭА

Катушка индуктивности является элементом, сопряжение которого с интегральной схемой вызывает большие трудности. Основная причина состоит в сложности создания катушек малых габаритов с высокими индуктивностью и добротностью.

Все это объясняет наметившуюся тенденцию уменьшения количества катушек индуктивности в аппаратуре на интегральных схемах, не требующих катушек индуктивности , и замены их специальными схемами на транзисторах (гираторы).

Применительно к развитию катушек индуктивности общего назначения совершенствование их параметров в основном связано с новыми материалами, имеющими высокую магнитную проницаемость и стабильность на разных частотах, значительно превышающих по своим свойствам современные ферриты. Ферриты.

ЛИТЕРАТУРА 1. Рычина Т.А. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы 2. Ефимов А.В, Микроэлектроника 3. Свитенко В.И. Электрорадиоэлементы

4. И. Н. Сидоров, В. В. Мукосеев, А. А. Христинин

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК 1) Радиодетали, радиокомпоненты и их расчет. Под ред. А. В. Коваля. М.,"Сов. радио", 2007, 388с 2) Кжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. – Л.: Машиностроение, 2003. – 464с. 3) Рычина Т.А.Электрорадиоэлементы.Учебник для вузов.М.,"Сов.радио",2006, 336с 4) Волглв В.А Детали и Узлы радиоэлектронной аппаратуры.М.,изд-во "Энергия",1967,542с.