Сопротивление провода однослойной катушки формула. Катушки индуктивности. Классификация катушек индуктивности, их параметры
Классификация катушек индуктивности
Катушки индуктивности можно классифицировать по ряду признаков.
По конструкции они подразделяются на:
· однослойные и многослойные,
· на каркасах и бескаркасные,
· с сердечниками и без сердечников,
· на экранированные и неэкранированные,
· высокочастотные (обладающие индуктивным характером полного сопротивления в диапазоне частот от 100 кГц до 400 МГц) и низкочастотные и т.д.
По назначению катушки индуктивности подразделяются на:
· контурные,
· катушки связи,
· дроссели высокой и низкой частоты и т.п.
Основными характеристиками катушек являются индуктивность, собственная емкость, активное сопротивление и добротность, температурная стабильность индуктивности. Рассмотрим эти параметры.
Индуктивность катушки L
Собственная емкость катушки CL
Сопротивление потерь. Добротность катушки индуктивности.
Сопротивление провода R
Величину R
добротность
Температурный коэффициент индуктивности.
Конструкция катушек индуктивности (типы обмоток, принцип действия, катушки индуктивности с сердечниками)
Обмотки катушек могут быть однослойными и многослойными Однослойные обмотки применяются в катушках коротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов (частоты 3...300 МГц). Такие катушки имеют повышенное значение добротности и небольшую собственную емкость.
На более низких частотах применяются многослойные обмотки. Катушки с простыми многослойными обмотками (рядовой и «в навал») из-за большой емкости и низкой добротности могут использоваться лишь в корректирующих цепях, где эти недостатки не играют существенной роли.
катушки индуктивности применяются для того, чтобы накапливать энергию, подавлять помехи, сглаживать пульсацию, ограничивать силу переменного тока, для создания датчиков, магнитных полей и много другого.
Также катушка индуктивности имеет возможность влиять на реактивное сопротивление по отношению к переменному току, когда сопротивление постоянного тока незначительно. При совместном применении катушек с конденсаторами, они могут быть использованы в качестве фильтров, при помощи которых могут осуществляться частотные селекции электросигналов. Помимо этого такое использование может создавать элементы для задерживания сигналов и элементов запоминания, благодаря тому, что способна производить взаимодействие связей между цепями, через магнитный поток и так далее.
Для того, чтобы увеличить индуктивность катушки, эксплуатируется особый сердечник из ферромагнита. Он может быть замкнутого или разомкнутого типов. Для катушек, монтируемых в устройствах для снижения помех, используются сердечники, изготовленные из карбонильного железа, флюкстроловые или ферритовые. В катушках для устройств в чью задачу входит сглаживание пульсаций различных частот – промышленного происхождения и звукового. Такие катушки обладают сердечниками из магнитомягких сплавов или электро-технической стали. Кроме того сердечники используются специально для того, чтобы изменять в катушках индуктивности. Изменения эти относительно небольшие и, как правило, зависят от того, как располагается сам сердечник по отношению к обмотке. Обычно это касается сердечника из ферромагнита.
Дроссели ВЧ
Дроссели высокой частоты - это катушки индуктивности, предназначенные для увеличения сопротивления цепи. Дроссели этого типа обладают значительной индуктивностью (от сотен микрогенри до единиц миллигенри), малой емкостью и резонансной частотой, которая больше частоты рабочего сигнала, выделяемого на контуре. Промышленность выпускает дроссели, намотанные на ферритовые стержни и спрессованные пластмассой.
Дроссель высокой частоты должен обладать индуктивным характером сопротивления по возможности большой величины. Это может иметь место только при условии, что его собственная частота значительно выше частоты тока электрической цепи, в которую он включен.
Дроссели высокой частоты применяются в схемах параллельного питания анодов ламп (в передатчиках и иногда в приемниках), в цепях обратной связи и в фильтрах цепей накала.
16. Активные элементы РЭС. Классификация и обозначение полупроводниковых приборов (диоды, стабилитроны, транзисторы, тиристоры)
Все элементы РЭА можно разделить на две группы: активные и пассивные. К активным относятся элементы. осуществляющие преобразование электрических сигналов с одновременным увеличением их энергии или мощности. Активными элементами являются биполярные и полевые транзисторы, электронно-управляемые лампы, полупроводниковые и другие приборы, принцип действия которых основан на использовании квантово-механического туннельного эффекта или на управлении перемещением электрических или магнитных доменов в кристаллах и тонких пленках. В пассивных элементах преобразование сигналов происходит без увеличения их энергии и даже с частичной ее потерей.
В зависимости от используемых активных элементов и степени их интеграции различают поколения РЭС с первого по пятое:
· на электровакуумных приборах;
· на полупроводниковых приборах;
· на интегральных схемах малой степени интеграции (ИС1 и ИС2);
· на больших интегральных схемах (БИС) и микросборках;
· на сверхбольших интегральных схемах (СБИС), микросборках, микропроцессорных комплектах и элементах функциональной электроники.
17. Полупроводниковые диоды и стабилитроны.
Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода
Классификация:
· по технологии изготовления: точечные, сплавные, микросплавные и др.
· по конструктивному исполнению: плоскостные и точечные
· по используемому материаллу: кремниевые, германиевые, арсенид-галиевые.
· по функциональному назначению: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, туннельные, фотодиоды, светодиоды и др.
· по мощности: маломощные(до 0.3А), средней мощности(до 10А), мощные(более 10А).
· по частоте: НЧ(до 1 кГц), ВЧ(до 300МГц), СВЧ(более 300МГц).
Стабилитроном называется диод, напряжение на котором сохраняется с определенной точностью при изменении проходящего через него в заданном диапазоне тока. Он предназначен для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока.Рабочим участком стабилитрона является участок электрического обратимого пробоя. Принцип работы стабилитрона заключается в том, что при изменении изменяется ток, протекающий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне и подключенной параллельно к нему нагрузке практически не меняется.
Варикапами называют полупроводниковые диоды, действие которых основано на использовании зависимости емкости перехода от обратного напряжения.Варикапы используются в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.В варикапах изменение обратного напряжения, приложенного к p-n переходу, приводит к изменению барьерной емкости между областями p-n .
Фотодиоды представляют собой фотогальванический приемник излучения без внутреннего усиления, фоточувствительный элемент которого содержит структуру полупроводникового диода.Фотодиод выполнен так, что его p-n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через который поступает свет, и защищен от воздействия света с других сторон.
Светодиодом называют полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным переходом, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения.
18. Выпрямительные диоды.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный (пульсирующий). При этом используется основное свойство p-n перехода.В качестве материала используют кремний, германий. Основной характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ).
Основными параметрами являются:
· постоянное прямое напряжение;
· максимально допустимое обратное напряжение;
· постоянный обратный ток;
· средний выпрямленный ток;
· максимально допустимая мощность рассеиваемая диодом;
19. Биполярные и полевые транзисторы.
Биполярный транзистор (далее просто транзистор) представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два р-н-перехода в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупроводнике три области с различными типами электропроводимости. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая крайняя - коллектором (К), средняя - базой (Б). В зависимости от порядка чередования р- и п-областей различают транзисторы со структурами типа р-п-р и п-р-п. Переход р-п, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерпым, образованный коллектором и базой - коллекторным. Для работы транзистора его подключают к внешнему источнику питания. В результате переходы транзистора подключаются или в прямом, или в обратном направлении,
У полевых транзисторов, ток обусловлен носителями заряда только одного знака. Эти транзисторы относятся к классу униполярных. Основу полевого транзистора составляет полупроводник электронной (п) или дырочной (р) проводимости.
В этом полупроводнике образуется проводящий канал - это область, в которой регулируется поток носителей заряда (ток). При этом ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, создаваемым напряжением. Электрод, на который подается управляющий электрический сигнал, называется затвором (3). Электрод, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называется истоком (И). Электрод, через который носители заряда вытекают из канала, называется стоком (С).
Существуют два вида полевых транзисторов: с управляющим р-н-переходом; с изолированным затвором.
У полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом с противоположных сторон основного полупроводника (в котором образуется проводящий канал) создается область противоположной проводимости. Она является затвором и управляет с помощью электрического поля током через канал.
В зависимости от типа канала полевые транзисторы с управляющим р-н-переходом бывают п-типа и р-типа.
20. Тиристоры
Тиристоры - это полупроводниковые приборы, обладающие двумя устойчивыми состояниями: низкой проводимости(тиристор закрыт) и высокой проводимости(открыт). Они применяются как мощные электронные ключи, имеют 3 и более р-п перехода. применяются в силовой электронике, где требуется формирование мощных питающих напряжений постоянного или переменного тока. На основе тиристоров разрабатываются устройства регулирования частоты вращения электро двигателей.
Подразделяются на:
· динисторы(с двумя электродами)
· тринисторы(с тремя электродами)
· симисторы(симметричный тирристор)
21. Устройства коммутации (основные понятия и определения).
Коммутационные элементы предназначены для включения, отключения и переключения электрических цепей.Различают коммутационные элементы ручного и автоматического управления.
· Коммутационные элементы ручного управления срабатывают при непосредственном механическом воздействии на их органы управления.
· Автоматические коммутационные элементы срабатывают под воздействием электромагнитных сил на их приводные органы. Основной частью таких элементов обычно является электромагнит, входным сигналом для них служит электрический ток или напряжение. Автоматические коммутационные элементы используются в системах автоматики и при дистанционном управлении различными механизмами и устройствами.
По своему назначению коммутационные элементы подразделяют на два вида:
· для коммутации силовых цепей (обмоток электродвигателей, мощных электромагнитов, трансформаторов, нагревателей и других потребителей)
· для коммутации цепей управления (обмоток релейно-контактной аппаратуры, устройств контроля, регулирования и сигнализации). Такое разделение обусловлено различными значениями токов и напряжений в коммутируемых цепях, что, в свою очередь, влияет на конструктивное исполнение и габаритные размеры.
Все коммутационные элементы, используемые в цепях управления, обязательно имеют следующие узлы: неподвижные контакты, подвижные контакты и орган управления. Кроме того, они могут иметь элементы фиксации, монтажа и настройки, дугогашения и т. п. Необходимые коммутационные элементы выбирают по допустимым значениям тока и напряжения. Но наиболее важной для практики характеристикой коммутационных элементов является их надежность, т. е. сохранение работоспособности при большом числе срабатываний.
Коммутационные элементы различают по числу коммутируемых цепей (одноцепные и многоцепные) и по числу фиксированных положений, причем имеются коммутационные элементы с самовозвратом в исходное положение, т. е. без фиксации переключенного положения, что может быть необходимо для ряда схем управления.
К коммутационным элементам с механическим приводом относятся кнопки управления, микропереключатели, тумблеры, клавишные, поворотные, рычажные и кулачковые переключатели, а также концевые и путевые выключатели.
22. Соединители и переключатели.
Кнопки управления - это аппараты, подвижные контакты которых перемещаются и срабатывают при нажатии на толкатель кнопки. Комплект кнопок, смонтированных на общей панели, представляет собой кнопочную станцию. Используемые в схемах автоматики кнопки управления различают по числу и типу контактов (от 1 до 4 замыкающих и размыкающих), форме толкателя (цилиндрический, прямоугольный и грибовидный), способу защиты от воздействия окружающей среды (открытые, закрытые, герметичные, взрывобезопасные и т. д.).
Переключатель представляет собой наборную панель из кнопок 1 (или клавиш), смонтированных на общем каркасе 2 и снабженных механизмом фиксации, который может быть независимым для каждой кнопки (клавиши) или взаимно сблокированным.
Для более мощных цепей автоматики применяют тумблеры, ис-пользуемые в качестве выключателей, а также двух- и трехпозиционных переключателей.
Для коммутации нескольких цепей при нескольких фиксированных положениях для выбора различных режимов работы используются пакетные переключатели. Такой переключатель (рис.4, а) состоит из ряда слоев - пакетов 3 (показан отдельно на рис.4, б), внутри которых находятся подвижный 5 и неподвижный 4 контакты. Недостаток таких пакетных переключателей - низкая надежность скользящих контактов.
Путевые и конечные выключатели представляют собой коммутаци-онные элементы, кинематически связанные с рабочей машиной и срабатывающие в зависимости от перемещения подвижной части рабочей машины. Путевые выключатели срабатывают в определенных промежуточных точках на пути перемещения, конечные выключатели срабатывают в крайних точках: в начале и конце пути.
23. Электромагнитное реле.
Реле - это коммутационный электрический аппарат, в котором при плавном изменении управляющего (входного) параметра до определенной наперед заданной величины происходит скачкообразное изменение управляемого (выходного) параметра.
Электрическое реле содержит следующие функциональные части: * воспринимающую часть * преобразующую часть * сравнивающую часть * исполнительную часть * замедляющую часть * регулирующую часть
Классификация:
· По функциональному назначению : Измерительные реле тока/напряжения, Промежуточные реле, Указательные реле.
· По принципу действия реле делятся на электромагнитные, тепловые, магнитоэлектрические, полупроводниковые и др.
· По входному параметру реле можно разделить на реле тока, напряжения, мощности, частоты и других величин.
· По устройству исполнительного элемента реле подразделяются на контактные и бесконтактные (полупроводниковые, твердотельные).
· По способу включения различают первичные и вторичные реле. Первичные реле включаются в контролируемую цепь непосредственно, вторичные - через измерительные трансформаторы.
· По количеству возможных состояний реле различают:одно стабильные, двухстабильные, поляризованные.
Основные параметры:
· Характеристика управления
· Параметр срабатывания
· Параметр отпускания
· Уставки по входному
· Время срабатывания
· Время отключения
· Коэффициент запаса
24. Магнитоуправляемые контакты (герконы)
Геркон – это устройство, которое представляет собой два контакта, выполненные из ферромагнитного сплава. Они помещены в специальную колбу, которая позволяет контролировать их работу. Когда к контактам подносят постоянный магнит – они замыкаются, образовывая непрерывную цепь. Поэтому их часто называют концевыми выключателями. Геркон с электромагнитной катушкой составляет герконовое реле.
Существуют разновидности герконов по контактной группе:
· с замыкающимся контактом;
· размыкающимся контактом;
· переключающимся контактом.
Параметры:
· Магнитодвижущая сила срабатывания
· Магнитодвижущая сила отпускания
· Сопротивление изоляции
· Сопротивление контактного перехода
· Пробивное напряжение
· Время срабатывания
· Время отпускания
· Ёмкость
· Максимальное число срабатываний
· Максимальная мощность
· Коммутируемое напряжение.
· Коммутируемый ток.
Преимущества * Отсутствие дребезга контактов у герконов со смоченными ртутью контактами. * Контакты геркона находятся в вакууме или в инертном газе и слабо обгорают * Долговечность герконов. * Меньший размер по сравнению с классическим реле, рассчитанным на такой же ток. * Отсутствие необходимости применения тугоплавких и драгоценных металлов для контактов. * Герконы почти бесшумны. * Высокое быстродействие по сравнению с классическими реле.
25. Светоизлучающие диоды (конструкция, параметры)
Светодиоды. Принцип действия светодиодов основан на излучении p-n переходом света при прохождении через него прямого тока. . Излучение света может лежать в видимой части спектра или в инфракрасном диапазоне.
Параметры:
· Яркость свечения - отношение силы света к площади светящейся поверхности, кд/м;
· Цвет свечения
· Номинальный прямой ток
· Номинальное прямое напряжение
· Максимально допустимый прямой ток
В условных обозначениях приборов этого подкласса третий элемент имеет следующие значения (в том числе не только для светодиодов, но и для других излучающих оптоэлектронных приборов): 1 - для излучающих диодов инфракрасного диапазона; 2 - для излучающих модулей; 3 - для светоизлучающих диодов; 4 - для знаковых индикаторов; 5 - для знаковых табло; 6 - для шкал; 7 - для экранов.
Конструктивное исполнение светодиодов разное, и цоколевка выводов зависит от него (разные толщины анода и катода; ключ, определяющий один из выводов; и т. д.).
26. Полупроводниковые фоторезисторы (конструкция, параметры, характеристики).
Фоторезистор - фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения, принцип действия которого основан на эффекте фотопроводимости. В основе его используется явление внутреннего фотоэффекта (фотопроводимости), открытого У. Смитом в 1873 г. Эффект заключается в том, что при освещении однородного полупроводника его электропроводность увеличивается. Фоторезистор представляет собой обычно тонкую полоску полупроводника с омическими контактами на концах.
Основные параметры фоторезисторов:
· фоточувствительность
· коэффициент внутреннего усиления фототока
· обнаружительная способность (D*)
· сопротивление в темновом Rт состоянии
· сопротивление засвеченном Rcв состоянии
· отношение RT/RCB
· постоянные времени релаксации фотопроводимости
27. Фотодиоды (конструкция, характеристики)
Фотодиод - полупроводниковый диод, в корпусе которого имеется окно для освещения р-п перехода. Под действием света изменяется сила тока в цепи, значение сопротивления диода и возникает электродвижущая сила, так что освещенный фотодиод является источником электрической энергии.
Параметры:
· чувствительность - отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала.
· Шумы - помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром - шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.
Характеристики:
· вольт-амперная характеристика (ВАХ)
· спектральные характеристики
· световые характеристики
· постоянная времени
· темновое сопротивление
· инерционность
28. Оптроны (классификация, основные параметры)
Классификация:
По степени интеграции:
· оптопары (или элементарные оптроны) - состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе)
· оптоэлектронные интегральные схемы , содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них).
По типу оптического канала:
· с открытым оптическим каналом
· с закрытым оптическим каналом
По типу фотоприёмника:
· с фоторезистором (резисторные оптопары)
· с фотодиодом
· с биполярным (обычным или составным) фототранзистором
· с фотогальваническим генератором (солнечной батарейкой); такие оптроны обычно снабжаются обычным полевым транзистором, затвором которого управляет фотогальванический генератор.
· с фототиристором или фотосимистором.
По типу источников света:
· с миниатюрной лампой накаливания
· с неоновой лампой
· со светодиодом
Параметры:
· Входная характеристика представляет собой ВАХ излучателя.
· Выходная –соответствующая характеристика фотоприемника (при заданном токе на входе оптрона).
· Передаточная характеристика – зависимость тока на выходе J2 от тока на входе J1 (в общем случае нелинейная).
· Статический коэффициент передачи по току
· Суммарное быстродействие оптрона
· Параметры изоляции: максимально допустимое напряжение между входом и
29. Диодные, транзисторные, тиристорные, резисторные оптроны (их параметры, характеристики)
Характеристики диодных оптопар: ВАХ:
Пааметры диодных оптопар: - темновой ток - фототок - интегральная чувствительность Характеристики ВАХ:
Характеристика тиисторного оптрона ВАХ:
Параметры:
· рабочие напряжение и рабочий ток
· темновой ток
· максимальная допустимая мощность рассеивание
· статический коэффициент усиление по фототоку
· интегральная чувствительность
Характеристика резистивного оптрона: ВАХ:
Параметры: - рабочие напряжение и рабочий ток - темновой ток - максимальная допустимая мощность рассеивание - статический коэффициент усиление по фототоку - интегральная чувствительность
30. Волоконно-оптические кабели.
Оптоволоконные (волоконно-оптические) кабели (ВОК) состоят из оптических волокон, сердечника модульной конструкции или на основе центральной трубки, армирующих и защитных покровов и наружной оболочки.
Оптическое волокно (жила) представляет собой тонкую стеклянную нить, которая покрыта оболочкой из стекла с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления.
Информация передается не электрическим, а световым сигналом. Однако для удешевления технологии имеют место и пластиковые ОВ. Пластик дешевле и более прост в использовании, однако волоконно-оптический кабель с жилами из пластика передает импульсы света на меньшие расстояния, чем кабель с волокнами из стекла. У волоконно-оптических кабелей металлическая оплетка (экран) отсутствует, так как здесь не требуется экранирование от внешних электромагнитных препятствий. Однако с целью механической защиты от влияния окружающей среды применяются стальные проволоки, стальная лента, кевларовые нити.
ВОК обладают исключительными характеристиками по защищенности и секретности передаваемой информации. Внешние электромагнитные препятствия в принципе не могут исказить световой сигнал, сам же сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к оптоволоконному кабелю для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается его целостность.
31. Элементы запоминающих устройств (классификация)
· По устойчивой записи и возможности перезаписи ЗУ делятся: Постоянные ЗУ, Записывающие ЗУ, Многократно перезаписывающие ЗУ, Оперативные ЗУ -По типу доступа ЗУ делятся: устройства с последовательным доступом, устройства с произвольным доступом, устройство с прямым доступом
· По геометрическому исполнению: Дисковые, ленточные, барабанные, карточные, печатные платы
· По физическому принципу: с магнитной записью, оптические, перфорационные, использующие эффекты полупроводника.
· По форме записанной информации: аналоговые, цифровые.
32. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
ОЗУ предназначены для временного хранения данных и команд необходимых процессоров для выполнения им операций. Оперативная память передает процессору данные не посредственно, либо через КЭШ память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес. На сегодня наиболее распространение имеет 2 вида ОЗУ SRAM,DRAM
SRAM - это ОЗУ собрана на триггеров называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство: скорость.
DRAM - динамическая память с произвольным доступом более экономичный вид памяти, для хранения разряда используется схема состоящая из 1 конденсатора и 1 транзистора такой вид памяти решает проблему дороговизны и компактности.
33. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
ПЗУ предназначены для хранения постоянной программной и справочной информации. Данные ПЗУ заносятся при изготовлении. Информацию хранящую в ПЗУ можно только считывать но не изменять. В ПЗУ находятся: программа управления работы процессора, программа запуска и остановок компьютера, программа тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера, правильность работы его блока, программа управления дисплеем клавиатурой, принтером, внешней памятью. Информация о том где на диске находится операционная система. ПЗУ является энерго не зависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется.
Катушка индуктивности -винтовая ,спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированногопроводника , обладающая значительнойиндуктивностью при относительно малойёмкости и маломактивном сопротивлении . Такая система способна накапливать магнитнуюэнергию при протеканииэлектрического тока .
Устройство
Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали,пермаллоя , карбонильного железа,ферритов . Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах.
Свойства катушки индуктивности
Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току , поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции , препятствующая этому изменению.
Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением величина которого равна: , где- индуктивность катушки,-циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.
При протекании тока катушка запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока . Величина этой энергии равна
При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой
Характеристики катушки индуктивности
] Индуктивность
Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность , которая определяет, какой поток магнитного поля создаст катушка при протекании через неё тока силой 1 ампер. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн .
Индуктивность соленоида
Индуктивность торойда
Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки, намотанной натороидальном сердечнике
μ 0 -магнитная постоянная
μ i -магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты)
s e - площадь сечения сердечника
l e - длина средней линии сердечника
N - число витков
При последовательном соединении катушек общая индуктивность равна сумме индуктивностей всех соединённых катушек.
При параллельном соединении катушек общая индуктивность равна
Сопротивление потерь
Потери в проводах
Потери в проводах вызваны тремя причинами:
Во-первых, провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.
Во-вторых, сопротивление провода обмотки переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом , суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения.
В третьих, в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому протекает ток, принимает серповидный характер, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.
Потери в диэлектрике
Потери в сердечнике
Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на гистерезис и начальных потерь.
Потери в экране
Потери в экране обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране.
Добротность
С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика - добротность . Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна
Практически величина добротности лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями, намоткой вида «универсаль», применением посеребрёного провода, применением многожильного провода вида «литцендрат ».
Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)
ТКИ - это параметр, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры.
Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков; кроме того при изменении температуры изменяются диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведёт к изменению собственной ёмкости катушки.
Разновидности катушек индуктивности
Контурные катушки индуктивности
Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность идобротность .
Катушки связи
Такие катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы иколлектора и т. д. К таким катушкам 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.
Вариометры
Это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединённых 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. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника.
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 или ферритовые сердечники.
Сдвоенный дроссель
Сдвоенные дроссели
две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны при тех же габаритных размерах. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.
Применениекатушек индуктивности
Рамочная антенна
Индукционная петля
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 образуют трансформатор .
Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного 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-засамоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.
Катушки используются также в качестве электромагнитов .
Катушки применяются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанной плазмы .
Для радиосвязи - излучение и приём электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна).
Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах .
Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника.
Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля. Индукционные магнитометры были разработаны и широко использовались во временаВторой мировой войны .
Катушки индуктивности позволяют запасать электрическую энергию в магнитном поле. Типичными областями их применения являются сглаживающие фильтры и различные селективные цепи.
Электрические характеристики катушек индуктивности определяются их конструкцией, свойствами материала магнитопровода и его конфигурацией, числом витков обмотки.
Ниже приведены основные факторы, которые следует учитывать при выборе катушки индуктивности:
а) требуемое значение индуктивности (Гн, мГн, мкГн, нГн),
б) максимальный ток катушки. Большой ток очень опасен из-за слишком сильного нагрева, при котором повреждается изоляция обмоток. Кроме того, при слишком большом токе может произойти насыщение магнитопровода магнитным потоком, что приведет к значительному уменьшению индуктивности,
в) точность выполнения индуктивности,
г) температурный коэффициент индуктивности,
д) стабильность, определяемая зависимостью индуктивности от внешних факторов,
е) активное сопротивление провода обмотки,
ж) добротность катушки. Она обычно определяется на рабочей частоте как отношение индуктивною и активного сопротивлений,
з) частотный диапазон катушки.
В настоящее время выпускаются радиочастотные катушки индуктивности на фиксированые значения частоты с индуктивностями от 1 мкГн до 10 мГн. Для подстройки резонансных контуров желательно иметь катушки с регулируемой индуктивностью.
Однослойные с незамкнутым магнитопроводом катушки индуктивности применяются в цепях настройки приборов.
Многослойные с не замкнутым магнитопроводом катушки используются в фильтрах и высокочастотных трансформаторах. Многослойные катушки индуктивности броневого типа с сердечником из феррита применяются в фильтрах низких и средних частот и трансформаторах, а аналогичные катушки, но со стальным сердечником используются в сглаживающих дросселях и низкочастотных фильтрах.
Формулы для расчета катушки индуктивности
Основные аппроксимирующие соотношения, используемые при проектировании катушек индуктивности, имеют следующий вид.
1. Параметры однослойных катушек индуктивности у которых отношение длины к диаметру больше 5, определяются в виде
где L - индуктивность, мкГн, М- число витков, d - диаметр катушки, см, l - длина намотки, см.
2. Параметры многослойных катушек индуктивности, у которых отношение диаметра к длине больше 1, определяются в виде
где L - индуктивность, мкГн, N - число витков, d м - средний диаметр обмотки, см, d - толщина обмотки, см.
Одно- и многослойные катушки с незамкнутым ферритовым магнитопроводом будут иметь индуктивность в 1,5 - 3 раза больше в зависимости от свойств и конфигурации сердечника. Латунный сердечник, вставленный вместо ферритового. уменьшит индуктивность до 60-90% по сравнению с ее значением без сердечника.
Для сокращения числа витков при сохранении той же индуктивности можно использовать ферритовый сердечник.
При изготовлении катушек индуктивностью от 100 мкГн до 100 мГн для областей низких и средних частот целесообразно применить чашечные ферритовые броневые сердечники серии КМ. Магнитопровод в этом случае состоит из двух подогнанных друг к другу чашек, к которым прилагаются односекционная катушка, две крепежные клипсы и подстроечный стержень.
Необходимая индуктивность и число витков могут быть вычислены по формулам
где N - число витков, L - индуктивность, нГн, Аl - коэффициент индуктивности, нГн/ вит.
Всегда нужно помнить о том, что прежде, чем рассчитывать индуктивность, следует определить число витков, которые могут поместиться на данной катушке.
Чем меньше диаметр провода, тем больше число витков, но тем больше сопротивление провода и, естественно, его нагрев из-за выделяющейся мощности, равной I 2 R
. Действующее значение тока катушки не должно превышать 100 мА для провода диаметром 0,2 мм. 750 мА - для 0,5 мм и 4 А - для 1 мм.
Небольшие замечания и советы
Индуктивность катушек со стальным сердечником очень быстро уменьшается с ростом постоянной составляющей тока обмотки. Это нужно иметь в виду особенно при проектировании сглаживающих фильтров источников электропитания.
Максимальный ток катушки индуктивности зависит от температуры окружающей среда, причем он дал жен уменьшаться с ее увеличением. Поэтому для обеспечения надежной работы устройства следует обеспечить большой запас по току.
Ферритовые тороидальные сердечники эффективны для изготовления фильтров и трансформаторов на частотах выше 30 МГц. При этом обмотки состоят всего лишь из нескольких витков.
При использовании любых типов сердечников часть магнитных силовых линий замыкается не по магнитопроводу, а через окружающее его пространство. Особенно сильно этот эффект проявляется в случае незамкнутых магнитопроводов. Заметим, что эти магнитные поля рассеяния являются источниками помех, поэтому в аппаратуре сердечники нужно размещать так, чтобы по возможности уменьшить эти помехи.
1. Номинальная индуктивность катушки зависит от диапазона волн, в котором ее применяют. Для катушек УКВ она составляет десятые и сотые доли микрогенри, для катушек KB - единицы микрогенри, для катушек средних волн - сотни микрогенри, для катушек ДВ - единицы миллигенри.
Катушки с малой индуктивностью изготовляются без сердечника с небольшим числом витков. Для увеличения индуктивности катушку выполняют многослойной и вводят сердечник из ферромагнитного материала. Потери энергии в катушке должны быть минимальными, поэтому ее конструкция должна обеспечивать наибольшую индуктивность при малом активном …
сопротивлении.
Для однослойной катушки при сплошной намотке (виток к витку) индуктивность (мкГн) определяется по формуле
где со - число витков; / - длина намотки, см; D - диаметр катушки, см.
Многослойные катушки выполняются или простой намоткой «в навал», или специальной намоткой «универсаль». Индуктивность (мкГн) многослойной катушки определяется по формуле
где d cp - средний диаметр намотки, см; со - число витков; / - длина намотки, см; / - толщина намотки, см.
2.Допуск на индуктивность катушки,
который зависит от ее
назначения. Так, для контурных катушек индуктивности допуск
составляет ±(0,2…0,5)%, для катушек связи и дросселей высокой
частоты +(10… 15) % и т. д. Такая точность контурных катушек обес
печивается использованием специальных мер при их изготовлении.
 |
Добротность катушки индуктивности Q,
определяемая при
заданной индуктивности и рабочей частоте суммарным сопротив
лением потерь энергии в катушке.
Отношение индуктивного сопротивления катушки к активному сопротивлению на данной частоте называется добротностью катушки и определяется по формуле
Добротность катушек индуктивности при использовании их в контурах влияет на чувствительность и избирательность радиоприемных устройств, к.п.д. радиопередающих устройств и др. Применяемые в радиоаппаратуре катушки индуктивности имеют диапазон добротности 30…300. Чем выше требуемая добротность катушки, тем большие габариты она должна иметь.
4. Стабильность параметров катушки индуктивности.
Параметры катушки не должны изменяться при воздействии внешних
факторов, т. е. катушка должна обладать стабильностью.
Температурная стабильность катушки индуктивности определяется изменением ее главных параметров L и Q при воздействии температуры. Изменение температуры вызывает изменения длины и диаметра каркаса катушки, приводящие при повышении температуры к увеличению индуктивности, а при уменьшении температуры - к уменьшению индуктивности. Температурная стабильность количественно оценивается температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ) и коэффициентом нецикличности (КТНИ).
Для увеличения температурной стабильности индуктивности следует изготовлять каркас с малым температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) (керамика), обеспечивая плотное сцепление провода с каркасом («горячая» намотка или вжигание серебряной дорожки в тело керамического каркаса). Такая конструкция позволяет получить ТКИ = (5… 10) Ю -6 1/°С, однако это возможно лишь для катушек KB и УКВ, т.е. имеющих индуктивность не более 10 мкГн.
Для многослойных катушек целесообразно применять сердечники из карбонильного железа или алсифера либо вовсе отказаться от них.
5. Собственная (межвитковая) емкость катушки индуктивности. Собственная емкость катушки отрицательно влияет на ее добротность и стабильность.
Для уменьшения собственной емкости однослойной катушки ее витки наматывают не вплотную, а на некотором расстоянии друг от друга (намотка с принудительном шагом).
Для уменьшения собственной емкости многослойной катушки ее изготовляют из отдельных секций. Секционные катушки применяют в качестве контурных катушек и дросселей высокой частоты. Малую собственную емкость имеют многослойные катушки с намоткой «универсаль», при которой провод переходит зигзагом с одного края катушки на другой.
Для устранения влияния электромагнитного поля катушки на соседние детали и внешних полей на катушку ее закрывают металлическим экраном. Для высокочастотных катушек экран изготовляют из меди или алюминия толщиной 0,4… 0,5 мм. Экран способствует уменьшению индуктивности и добротности катушки и увеличению ее собственной емкости. Чем ближе расположен экран к виткам катушки, тем сильнее изменяются ее параметры. Для уменьшения влияния экрана необходимо, чтобы его диаметр и длина были в два раза больше диаметра и длины намотки. Для низкочастотных катушек применяют экраны из ферромагнитных материалов, например из листовой стали толщиной 0,5… 1,5 мм.
Для увеличения добротности и уменьшения габаритов катушки используются сердечники из ферромагнитных материалов. Высокочастотные катушки выполняются с сердечниками из карбонильного железа. Добротность катушек с таким сердечником составляет 400…500, а без сердечника - не более 200.
Для контурных катушек, работающих в диапазонах длинных и средних волн, используются броневые сердечники. Низкочастотные дроссели имеют сердечники из листовой электротехнической стали. Толщина стальных листов для дросселей, используемых в цепях звуковых частот, составляет 0,2…0,5 мм, а для дросселей, используемых в цепях переменного тока с частотой 50 Гц, - около 0,5 мм.
Индуктивность катушки возрастает при увеличении числа и диаметра витков и уменьшении расстояния между ними. Введение внутрь катушки сердечника из магнитодиэлектрика также способствует увеличению ее индуктивности. Если сердечник выполнен из диамагнитного материала, например латуни, то при его введении индуктивность катушки уменьшается. То же самое происходит при введении внутрь катушки короткозамкнутого витка. На практике чаще всего изменение индуктивности осуществляют перемещением сердечника внутри
Высокочастотными называются катушки индуктивности, сопротивление которых имеет индуктивный характер в диапазоне частот с верхней границей 100 кГц...400 МГц. Высокочастотные катушки индуктивности применяются в качестве элементов колебательных контуров для получения магнитной связи между определенными участками электрических цепей РЭА или создания на отдельных участках электрической цепи заданных реактивных сопротивлении индуктивного характера.
В зависимости от назначения высокочастотные катушки индуктивности разделяют на четыре группы:
а) катушки контуров, не определяющих частоту;
б) катушки контуров, определяющих частоту (например, гетеродинов);
в) катушки связи контуров с другими цепями;
г) дроссели высокой частоты.
По конструктивным признакам катушки делят на цилиндрические, плоские (спиральные) и тороидальные, одно- и многослойные, с сердечниками и без сердечников, экранированные и неэкранированные. Однослойные катушки выполняются намоткой с принудительным шагом или сплошной, плоские катушки наматывают из провода или изготовляют из фольги на печатной плате.
Высокочастотные катушки с переменной индуктивностью, используются для перестройки контуров в процессе эксплуатации аппаратуры, а подстраиваемые катушки -- для регулировки аппаратуры в процессе изготовления.
> Основные параметры катушек индуктивности
Индуктивность характеризует количество энергии, запасаемой катушкой, при протекании по ней электрического тока. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергия магнитного поля при заданном значении тока. Индуктивность зависит от формы, размеров, числа витков катушки, а также от размеров, формы и материала ее сердечника.
Добротность -- отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь. Добротность катушки в большинстве случаев определяет резонансные свойства и КПД контура.
Стабильность параметров при изменении температуры и влажности, а также во времени имеет особое значение для катушек контуров гетеродинов, узкополосных фильтров и др. Стабильность индуктивности при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), равным относительному изменению индуктивности при изменении температуры на I 0 С.
> Катушки индуктивности для колебательных контуров
Однослойные цилиндрические катушки выполняются на диэлектрических каркасах или без них. Катушки без каркасов применяются, когда необходима большая добротность при невысоких требованиях к стабильности индуктивности, например для контуров входных устройств приемников диапазона метровых волн. Диаметр провода для таких катушек выбирают в основном из соображений жесткости конструкции (1...1,5 мм и более), а количество витков ограничивают (5...8). Для однослойных катушек, выполняемых сплошной намоткой, изготовляют гладкие каркасы; для катушек, наматываемых с принудительным шагом,-- каркасы с канавкой, расположенной по винтовой линии, или с ребрами вдоль образующей цилиндра.
Катушки, намотанные с принудительным шагом, отличаются меньшей собственной емкостью и большей добротностью. Повышение их добротности обусловлено снижением потерь в диэлектрике вследствие уменьшения собственной емкости. Указанные достоинства катушек, намотанных с принудительным шагом, проявляются сильнее при намотке на каркасы с ребрами, а также при изготовлении каркаса из материала с меньшим значением произведения диэлектрической проницаемости на тангенс угла потерь.
Для однослойных катушек с индуктивностью выше 15...20 мкГ обычно применяют сплошную намотку. Целесообразность перехода на сплошную намотку определяется диаметром катушки. Приведем ориентировочные значения индуктивности, при которых целесообразен переход на сплошную намотку:
Диаметр каркаса, мм в 0 10 15 20 25
Предельная индуктивность, мкГ 2 4 10 20 30
Катушки с индуктивностью более сотен микрогенри выполняют многослойными. При диаметре каркаса 10 мм однослойная намотка целесообразна при индуктивности не более 30 мкГ.
Однослойные катушки индуктивности наматывают медным посеребренным проводом (с принудительным шагом) или медным проводом в эмалевой изоляции. Катушки для колебательных контуров гетеродинов коротких и метровых волн, к которым предъявляются требования высокой добротности и стабильности индуктивности, наматывают на каркасы из высокочастотной керамики, характеризующейся малым температурным коэффициентом линейного расширения, малым значением тангенса угла потерь и достаточной механической прочностью. Намотку выполняют проводом со значительным натяжением (50;..60% разрывного усилия) или нагретым до 80...120 0 С проводом при незначительном натяжении. Более высокой стабильностью характеризуются катушки, в которых обмотка образована слоем меди, нанесенной на керамический каркас методом вжигания с последующим серебрением.
Индуктивность однослойной катушки, выполненной сплошной намоткой, определяется по формуле
где L - индуктивность, мкГ; D - диаметр катушки, см; l - длина намотки, см; - число витков;
При намотке с принудительным шагом по формуле:
где L - индуктивность катушки, мкГ; L - индуктивность, вычисленная по формуле (3.1), мкГ; k - поправочный коэффициент.
Для точной подгонки индуктивности однослойных катушек, выполненных сплошной намоткой, перемещают подстроечный сердечник, крайние витки или короткозамкнутый виток, соосный с катушкой. Индуктивность катушек, намотанных с принудительным шагом, можно изменять также, перемещая место подсоединения одного из выводов.
Симметричные катушки индуктивности применяются в симметричных колебательных контурах (контуры частотных детекторов и др.). Бифилярная намотка выполняется двумя проводами, сложенными вместе. Начало одного провода соединяют с концом другого. Место соединения является средним выводом катушки. При такой намотке допускается подстройка индуктивности сердечником при несущественном нарушении симметрии. Перекрестная намотка позволяет достичь более точной симметрии, которая не нарушается при подстройке сердечником.
Многослойные цилиндрические катушки индуктивности применяют, когда требуется индуктивность более 30...50 мкГ.
Несекционированные многослойные катушки с рядовой обмоткой характеризуются пониженными добротностью и стабильностью, большой собственной емкостью Значительно лучшими показателями обладают многослойные катушки, выполненные намоткой «внавал», когда витки располагаются хаотично. Катушки, выполненные намоткой «универсаль» (перекрестной), также могут иметь сравнительно высокую добротность (до 100) и пониженную собственную емкость, однако для их изготовления требуется более сложное оборудование. В настоящее время катушки, выполненные намоткой «универсаль», изготовляются редко, поскольку равноценные параметры можно получить при намотке «внавал», если использовать типовые ферромагнитные сердечники. Обычно многослойные катушки наматывают на каркасы из полистирола. Для намотки используются провода с эмалевой изоляцией, эмалевой и дополнительной, шелковой, изоляцией. При использовании проводов с дополнительной, шелковой, изоляцией уменьшается собственная емкость катушек, а, при использовании литцендрата, повышается добротность (на частотах, не превышающих 1....1,5 МГц). Существенный недостаток катушек, намотанных литцендратом,-- резкое возрастание собственной емкости при обрыве или плохом контакте хотя бы одной из жилок провода.
Индуктивность многослойной катушки без сердечника определяется по формуле:
где L -- индуктивность, мкГ; D cp --средний диаметр катушки, см;
l -- длина катушки, см; t -- толщина катушки, см; -- число витков.
Секционированные катушки характеризуются, сравнительно высокой добротностью, пониженной собственной емкостью и меньшим наружным диаметром. Наиболее часто секционированные катушки наматывают на специальные каркасы внавал. Каждая секция представляет собой многослойную катушку с небольшим числом витков. Число секций выбирают обычно от двух до шести.
Индуктивность секционированной катушки, состоящей из n секции, определяется по формуле:
L=L c (n+2k cв (n-1)), (3.4)
где L c -- индуктивность секции; k св -- коэффициент связи между смежными секциями, зависящий от размеров секций и расстояния b между ними. Отношение b/D ср выбирают так, чтобы значение коэффициента связи находилось в пределах 0,25…0,4. Это достигается при b = 2l . Каждая секция рассчитывается как обычная катушка (см. выше).
Плоские катушки представляют собой спирали, изготовленные намоткой из медных обмоточных проводов или методом печатного монтажа из фольгированного гетинакса или стеклотекстолита. Они могут иметь круглую, квадратную или другую форму. Плоские проволочные катушки характеризуются удовлетворительной механической прочностью, сравнительно небольшой собственной емкостью, простотой изготовления и могут применяться на частотах до 10 МГц. Для их изготовления целесообразно использовать провода с дополнительной шелковой изоляцией, поскольку при этом достигается повышенная прочность клеевого соединения витков.
Печатные плоские катушки на стеклотекстолите отличаются повышенной механической прочностью и применяются на частотах до 100 МГц. Для более высоких частот печатные катушки изготовляют из фольгированного фторопласта. Обычно индуктивность печатных катушек не превышает 10 мкГ. Чтобы получить приемлемое значение добротности катушки, ширину проводников выбирают в пределах 0,4...1 мм. При этом на площади 1 см 2 размещается катушка с индуктивностью до 10 мкГ. Для увеличения индуктивности можно использовать последовательное включение двух и более катушек, расположенных на одной или двух сторонах печатной платы. Для повышения добротности катушки следует выбирать диаметр внутреннего витка не менее 10 мм. Современные печатные катушки имеют добротность 100...130 на частотах 10...30 МГц.
Индуктивность и добротность плоской катушки существенно увеличивается, если с одной или обеих сторон на нее наложить ферритовые пластинки. Изменяя расстояние между катушкой и пластинками, можно регулировать индуктивность катушки.
Под влиянием экрана изменяются параметры катушки: уменьшаются индуктивность и добротность, увеличивается собственная емкость. Изменение параметров катушки тем больше, чем ближе к ее виткам расположен экран.
Часто экраны высокочастотных катушек снабжены отверстиями для вращения сердечников или изменения положения одной из катушек, связанных индуктивно. В этих случаях отверстия должны быть минимальными. Прорези следует располагать перпендикулярно к образующей цилиндрического экрана, если катушка расположена соосно с экраном.
Катушки с сердечниками из немагнитных металлов, характеризующиеся высокой стабильностью, применяются в контурах гетеродинов, широкополосных УПЧ в приемниках КВ и УКВ, Материал сердечников -- медь, латунь, алюминий и его сплавы. Медные сердечники используются преимущественно для подстройки индуктивности (до 20%), когда вносимые сердечником потери должны быть минимальными. При введении в катушку металлического сердечника индуктивность и добротность уменьшаются, причем индуктивность уменьшается тем больше, чем.больший объем металла вводится и чем больше его проводимость. Добротность уменьшается еще в большей степени, чем индуктивность. Например, введение в катушку медного сердечника, уменьшающего индуктивность на 15%, вызывает снижение добротности на 45%. При введении алюминиевого сердечника, уменьшающего индуктивность на 15%, добротность уменьшается в 3...4 раза. Поэтому алюминиевые сердечники используются в катушках широкополосных контуров для специальных приемников.
При расчете катушек с сердечниками из немагнитных металлов определяют расчетное значение индуктивности катушки без сердечника:
L=L тр (1+?L/L), (3.5)
где L тр -- требуемое значение индуктивности; ?L/L --относительное изменение индуктивности катушки при введении сердечника.
Катушки с ферромагнитными сердечниками содержат меньшее число витков при заданной индуктивности и отличаются более высокой добротностью и меньшими размерами. Применение ферромагнитных сердечников позволяет уменьшить размеры экранов и упростить подгонку индуктивности. Указанные преимущества полностью реализуются в диапазонах ДВ, СВ и КВ при соответствующем выборе вида сердечника и его материала и малых напряжениях на катушке, например в радиоприемниках. При использовании ферромагнитных сердечников снижается стабильность параметров катушек, кроме того, индуктивность и добротность катушек зависят от амплитуды переменного напряжения на катушке и значения постоянного тока, протекающего через обмотку.
Ферромагнитные сердечники для катушек изготовляются из магнитодиэлектриков и ферритов. При Заданных габаритных размерах катушки следует применять материал сердечника, обладающий наименьшим значением отношения тангенса угла потерь к начальной магнитной проницаемости в диапазоне рабочих частот. Сердечники из ферритов обеспечивают большую добротность катушек, чем сердечники из магнитодиэлектриков. Для стабильных высокочастотных катушек индуктивности рекомендуется применять сердечники из карбонильного железа.
Основные параметры ферромагнитных сердечников. Эффективная магнитная проницаемость? с - отношение индуктивности катушки с сердечником к индуктивности этой катушки без сердечника. Чем больше магнитная проницаемость материала сердечника (измеряется на сердечниках кольцевой формы), ниже частота переменного напряжения на катушке и меньше расстояние между сердечником и обмоткой катушки, тем выше эффективная магнитная проницаемость сердечника.
Добротность характеризует потери, вносимые сердечником в катушку, и равна отношению реактивного сопротивления катушки к вносимому сопротивлению потерь. Измеряется на стандартной катушке.
Относительная добротность сердечника Q отн -- отношение добротности катушки с сердечником к добротности этой же катушки без сердечника -- характеризует потери, вносимые сердечником в катушку, и может служить мерой определения диапазона рабочих частот. Верхней границей диапазона рабочих частот является частота, при которой относительная добротность уменьшается до единицы. За пределами диапазона рабочих частот применение сердечника целесообразно только для регулировки индуктивности.
Стабильность параметров сердечника характеризуется изменением эффективной магнитной проницаемости и потерь при изменении температуры окружающей среды, влажности воздуха, а также со временем. При изменении температуры изменяется главным образом магнитная проницаемость. Это изменение характеризуется температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТК? с равным относительному изменению? с при изменении температуры на 1° С. Изменение? с с течением времени вызывается старением материала и проявляется особенно резко в начальный период после изготовления сердечника.
