Катушки индуктивности виды и типы – » :

Содержание

Катушка индуктивности. Виды. Характеристики — Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

У этого термина существуют и другие значения, см. Катушка (значения).

 

Катушка индуктивности (дроссель) наматеринской платекомпьютера

 

Обозначение на электрических принципиальных схемах

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается её значительная инерционность.

Применяются для подавления помех, сглаживания пульсаций, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных(колебательный контур) и частотноизбирательных цепях, в качестве элементов индуктивности искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков перемещений и так далее.

 

Содержание


   

  • 1 Терминология
  • 2 Конструкция
  • 3 Свойства катушки индуктивности
  • 4 Характеристики катушки индуктивности
    • 4.1 Индуктивность
    • 4.2 Сопротивление потерь
      • 4.2.1 Потери в проводах
      • 4.2.2 Потери в диэлектрике
      • 4.2.3 Потери в сердечнике
      • 4.2.4 Потери на вихревые токи
    • 4.3 Добротность
    • 4.4 Паразитная емкость и собственный резонанс
    • 4.5 Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)
  • 5 Разновидности катушек индуктивности
  • 6 Применение катушек индуктивности
  • 7 См. также
  • 8 Примечания
  • 9 Литература
  • 10 Ссылки

 

Терминология

При использовании для подавления помех, сглаживания пульсаций электрического тока, изоляции (развязки) по высокой частоте разных частей схемы и накопления энергии в магнитном поле сердечника часто называют дросселем.

В силовой электротехнике (для ограничения тока при, например, коротком замыкании ЛЭП) называют реактором.

Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой намного превышает диаметр, называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно. Кроме того, зачастую соленоидом называют устройство, выполняющее механическую работу за счёт магнитного поля при втягивании ферромагнитного сердечника, илиэлектромагнитом. В электромагнитных реле называют обмоткой реле, реже — электромагнитом.

Нагревательный индуктор — специальная катушка индуктивности, рабочий орган установок индукционного нагрева.

При использовании для накопления энергии называют индукционным накопителем.

Конструкция

Конструктивно выполняется в виде винтовых, или винтоспиральных (диаметр намотки изменяется по длине катушки) катушек однослойных или многослойных намоток изолированного одножильного или многожильного (литцендрат) проводника на диэлектрическом каркасе круглого, прямоугольного или квадратного сечения, часто натороидальном каркасе или, при использовании толстого провода и малом числе витков — без каркаса. Иногда, для снижения распределённой паразитной ёмкости при использовании в качестве высокочастотного дросселя, однослойные катушки индуктивности наматываются с «прогрессивным» шагом, — шаг намотки плавно изменяется по длине катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, типа «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость. Часто, опять же, для снижения паразитной ёмкости, намотку выполняют секционированной, группы витков отделяются пространственно (обычно по длине) друг от друга.

Для увеличения индуктивности, катушки часто снабжают замкнутым или разомкнутым ферромагнитным сердечником. Дроссели подавления высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа. Дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций промышленной и звуковой частот, имеют сердечники из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев). Также сердечники (как правило, ферромагнитные) используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах путём изменения положения сердечника относительно обмотки. Насверхвысоких частотах, когда ферродиэлектрики теряют высокую магнитную проницаемость и резко увеличивают потери, применяются металлические (латунные) сердечники.

На печатных платах электронных устройств так же иногда делают плоские «катушки» индуктивности: геометрия печатного проводника выполняется в виде круглой или прямоугольной спирали, волнистой линии или в виде меандра. Такие «катушки индуктивности» часто используются в сверхбыстродействующих цифровых устройствах для выравнивания времени распространения группы сигналов по разным печатным проводникам от источника до приемника, например, в шинах данных и адреса[1].

Свойства катушки индуктивности

Свойства катушки индуктивности:

  • Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки.
  • Сопротивление (модуль импеданса) катушки растет с увеличением частоты текущего через неё тока.
  • Катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своём магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.

Катушка индуктивности в электрической цепи для переменного тока имеет не только собственное омическое сопротивление, но имеет реактивное сопротивлениепеременному току, нарастающее при увеличении частоты, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением, модуль которого , где  — индуктивность катушки,  — циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.

Катушка с током запасает энергию в магнитном поле, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока . Эта энергия равна:

 

Векторная диаграмма в видекомплексных амплитуд для идеальной катушки индуктивности в цепи синусоидального напряжения

 

Катушка индуктивности в переменном напряжении — аналог тела с массой, подверженному механическим колебаниям.

.

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой:

.

Для идеальной катушки индуктивности (не имеющей паразитных параметров) ЭДС самоиндукции равна по модулю и противоположна по знаку напряжению на концах катушки:

.

При замыкании катушки с током на резистор ток в цепи экспоненциально уменьшается в соответствие с формулой:

,

где :  — ток в катушке,

 — начальный ток катушки,
 — текущее время,
 — постоянная времени.

Постоянная времени выражается формулой:

,

где :  — сопротивление резистора,

 — омическое сопротивление катушки.

При закорачивании катушки с током процесс характеризуется собственной постоянной времени :  катушки:

.

При стремлении  к нулю, постоянная времени стремится к бесконечности, именно поэтому в сверхпроводящих контурах ток течёт «вечно».

В цепи синусоидального тока, ток в катушке по фазе отстаёт от фазы напряжения на ней на π/2.

Явление самоиндукции аналогично проявлению инертности тел в механике, если аналогом индуктивности принять массу, тока — скорость, напряжения — силу, то многие формулы механики и поведения индуктивности в цепи принимают похожий вид:

 ↔  , где
 ↔  ↔  ;  ↔  ;  ↔ 
 ↔ 

Характеристики катушки индуктивности

Индуктивность

Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, численно равная отношению создаваемого током потока магнитного поля, пронизывающего катушку к силе протекающего тока. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.

Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки-соленоида[источник не указан 133 дня]:

,
где  — магнитная постоянная,
 — относительная магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты),
 — площадь сечения сердечника,
 — длина средней линии сердечника,
 — число витков.

 

Схема последовательного соединения катушек индуктивности. Ток через каждую катушку один и тот же.

При последовательном соединении катушек общая индуктивность равна сумме индуктивностей всех соединённых катушек:

.

 

Электрическая схема параллельного соединения нескольких катушек индуктивности. Напряжение на всех катушках одинаково

При параллельном соединении катушек общая индуктивность равна:

.

Сопротивление потерь

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых импеданс катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь . Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране:

где  — потери в проводах,
 — потери в диэлектрике,
 — потери в сердечнике,
 — потери на вихревые токи
Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

  • Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.
  • Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие, уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.
  • В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.
Потери в диэлектрике

Потери в диэлектрике (изоляции проводов и каркасе катушки) можно отнести к двум категориям:

  • Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери, характерные для диэлектриков конденсаторов).
  • Потери, обусловленные магнитными свойствами диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).

В общем случае можно заметить, что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.

Потери в сердечнике

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на перемагничивание ферромагнетика — на «гистерезис».

Потери на вихревые токи

Переменное магнитное поле индуцирует вихревые ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи (токи Фуко) становятся источником потерь из-за омического сопротивления проводников.

Добротность

С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика — добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна

 

Векторная диаграмма потерь и добротности реальной катушки индуктивности. Обозначения: Z — импеданс; Xc — ёмкостная составляющая импеданса; Xl — индуктивная составляющая импеданса; X — реактивная составляющая импеданса; Ri — активная составляющая импеданса.

Иногда потери в катушке характеризуют тангенсом угла потерь (величина, обратная добротности) — сдвигом фаз тока и напряжения катушки в цепи синусоидального сигнала относительно π/2 — для идеальной катушки.

Практически добротность 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» для снижения потерь, вызванных скин-эффектом.

Паразитная емкость и собственный резонанс

 

Эквивалентная схема и некоторые формулы реальной катушки индуктивности без ферромагнитного сердечника

Межвитковая паразитная емкость проводника в составе катушки индуктивности превращает катушку в сложную распределенную цепь. В первом приближении можно принять, что реальная катушка эквивалентно представляет собой идеальную индуктивность, включенной последовательно с резистором активного сопротивления обмотки с присоединенной параллельно этой цепочкепаразитной ёмкостью (см. рис). В результате этого катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. Эта резонансная частота легко может быть измерена и называется собственной частотой резонанса катушки индуктивности. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный, при частотах вблизи резонанса в основном активный (на частоте резонанса чисто активный) и большой по модулю, на частотах много выше частоты собственного резонанса — ёмкостный. Обычно собственная частота указывается изготовителем в технических данных промышленных катушек индуктивности, либо в явном виде, либо косвенно — в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.

 

Зависимость модуля импеданса и активной составляющей импеданса от частоты для реальной катушки индуктивности

.

На частотах ниже собственного резонанса этот эффект проявляется в падении добротности с ростом частоты.

Для увеличения частоты собственного резонанса используют сложные схемы намотки катушек, разбиение одной обмотки на разнесённые секции.

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. Очень существенно влияние температуры на магнитную проницаемость ферромагнетика сердечника.

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике
Эти катушки используются совместно с конденсаторами для организации резонансных контуров. Они должны иметь высокую термо- и долговременную стабильность, и добротность, требования к паразитной ёмкости обычно несущественны.
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 — помехоподавляющие ферритовые 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.[2][3] 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 катушек индуктивности

 

Балластный дроссель. Конструкция, применяющаяся в качестве реактивного сопротивления для разрядных ламп на частоте 50 — 60 Гц. В связи с заметной зависимостью сопротивления дросселя от режима работы и от частотного спектра тока сопротивление дросселя определяется как отношение напряжения к току при замкнутой лампе и токе через дроссель, равный рабочему току лампы. В электронном пуско-регулирующем аппарате для люминесцентной лампы, работающем на частоте 20 — 50 кГц, дроссель изготавливается на ферритовом сердечнике и имеет существенно меньшие размеры.

  • Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной 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-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 нагрева индуктивно-связанной плазмы, а также её диагностики.
  • Для радиосвязи — приёма электромагнитных волн, редко — для излучения:
    • Ферритовая антенна
    • Рамочная антенна, кольцевая антенна
    • DDRR
    • 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[4]
  • 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.

См. также

  • Соленоид
  • Катушка Румкорфа, катушка зажигания
  • Катушка Пупина
  • Катушка Ерохина
  • Ферритовый фильтр
  • Трансформатор
  • Электрический импеданс
  • Переходный процесс (электроника)

intellect.ml

Виды катушек индуктивности и намоток

Катушка индуктивности считается винтовым, спиральным или же винтоспиральным изделием, созданным из свёрнутого проводника с изоляцией. Она характеризуется внушительной индуктивностью при ограниченной ёмкости и незначительном сопротивлении. Как итог, во время протекания сквозь катушку переменного электричества, она демонстрирует существенную инерционность

Как правило, приспособление имеет вид винтового, спирального или же винтоспирального  изделия, созданного с применением изолированного провода, состоящего из одной или же нескольких жил. Это провод наматывают на основание из диэлектрика или же спираль плоского типа. На сегодняшний день известны ещё и бескаркасные образцы. У них может присутствовать не только рядовая намотка однослойная, но также многослойная рядовая или же универсальная. При помощи универсальной намотки специалисты уменьшают паразитную ёмкость.

С целью обеспечения роста индуктивности для создания сердечников задействуют ферромагнитные составы: электротехническое стальное сырьё, ферриты и т.п. К тому же, с помощью сердечников можно менять индуктивность катушки в достаточно ограниченном диапазоне.

Катушка в электроцепи прекрасно проводит постоянный ток, однако, вместе с тем, она оказывает сопротивление переменному току, так как в случае его изменения появляется электродвижущая сила самоиндукции, которая не допускает подобных перемен.

Главным показателем катушки индуктивности считается её значение индуктивности, поскольку именно от него зависит, какой именно поток магнитного поля сумеет сформировать катушка в процессе протекания сквозь неё тока, равного одному амперу. Стандартные параметры индуктивности изделий пребывают в диапазоне от сотых частей микрогенри до десяти генри.

В катушках индуктивности, кроме главного контакта тока и магнитного поля, существуют также паразитные эффекты, это приводи к тому, что сопротивление катушек нельзя назвать в чистом виде реактивным. Как раз из-за таких паразитных эффектов происходят потери в катушке.

Если вести речь о сфере применения катушек индуктивности, то с их помощью происходит создание разнообразных цепей с частотными зависимыми характеристиками. С помощью нескольких индуктивных катушек есть возможность создать трансформатор. Устройства также применяют в роли источника значительного напряжения.

http://hvosty.ru/vidy-katushek-induktivnosti-i-namotok/»>

Виды катушек индуктивности и намоток

Катушка индуктивности считается винтовым, спиральным или же винтоспиральным изделием, созданным из свёрнутого проводника с изоляцией. Она характеризуе

hvosty.ru

Сопротивление катушки индуктивности, устройство и принцип работы

Катушка индуктивности играет немаловажную роль, в качестве одного из элементов, используемых в электротехнике. Так, несколько катушек образовывают трансформатор или могут быть использованы в качестве магнитов. А в целом спектр использования катушек индуктивности в электротехнике довольно широк, но для начала следует подробнее рассказать о принципе устройства и её работе.


Итак, катушка индуктивности или как коротко её называют специалисты – индуктивность, представляет собой пассивный элемент с двумя полюсами, применяемый в различных электронных устройствах и системах. Индуктивность является основным параметром катушки. Она зависима от материалов, из которых изготовлена катушка и её геометрических параметров. Как правило, индуктивность совершенно не зависима от тока и напряжения, проходящего через катушку и, следовательно, эти параметры не учитываются при характеристике самой катушки.

 

 

Другими словами 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.

 

Характеристики катушки индуктивности

 

 

 

В сравнении с резисторами и конденсаторами у катушек индуктивности также существуют свои различия. В отличие от этих устройств они не являются изделиями стандартных образцов. Их производят для определённых целей и поэтому катушки индуктивности наделены именно такими характеристиками, какие нужны для решения задач связанных с преобразованием напряжения, токов и электросигналов.


Как писалось выше, конструкции у индуктивных катушек бывают различными. Некоторые из них делаются как винтовые или винтоспиральные, причём в последних, параметры намотки, зависят от длинны самой катушки. Также могут быть одно-слойные и многослойные намотки из различных проводников, которые в свою очередь бывает изолированные одно-жильные или много-жильные. Они располагаются на диэлектрических каркасных контурах разного типа сечения – круглой, прямоугольной формы или квадратной. Очень часто каркас бывает тороидальной формы, а при условии, если её используют с толстым проводом и небольшим количеством витков она может использоваться без специального каркаса.


При создании некоторых элементов может образовываться паразитная или другими словами нежелательная ёмкостная связь. Чтобы снизить её распределяющий по определённой области эффект, когда используется дроссель высокой частоты, для катушки с однослойного типа, используется особая намотка. Иначе такой способ намотки именуют «прогрессивным» шагом, то есть намотка постепенно меняется по всей длине катушки. Но наименьшую нежелательную (паразитную) ёмкость имеют катушки, для которых используется многослойная намотка. Особенно противостоит паразитной ёмкости наилучшим образом катушка с шагом «универсал». Для этого типа намотки витки проводника отделяются группами и распределяются по всей длине катушки.

 

Конструкция и материалы катушки индуктивности


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.


При сверхвысоких частотах диэлектрики из ферромагнита обычно теряют свою магнитную проницаемость, вследствие чего увеличивается процент потерь, поэтому здесь уже идут в ход сердечники из латуни.

 

promplace.ru

Намотка катушек индуктивности — Виды катушек индуктивности

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается её значительная инерционность.

 

Устройство обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость.

 

Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, флюкстрола, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах.

 

Существуют также катушки, проводники которых реализованы на печатной плате.

 

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.

 

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.

 

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке.

 

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

· Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.

· Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.

· В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

 

Потери в диэлектрике (изоляции проводов и каркасе катушки) можно отнести к двум категориям:

· Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери характерные для диэлектриков конденсаторов).

· Потери от магнитных свойств диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).

 

В общем случае можно заметить что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.

 

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на гистерезис и начальных потерь.

 

Потери на вихревые токи. Ток, протекающий по проводнику, индуцирует ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи становятся источником потерь из-за сопротивления проводников.

 

Разновидности катушек индуктивности

 

Контурные катушки индуктивности. Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность.

 

Катушки связи. Такие катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т. д. К таким катушкам не предъявляются 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. Применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента. 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 — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины) на проводах.

 

Сдвоенные дроссели две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике. Т.е. предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов, так и во избежание засорения питающей сети электромагнитными помехами. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный (из трансформаторной стали) или ферритовый сердечник.

 

Применение катушек индуктивности

 

· Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной 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-за самоиндукции 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).

o Рамочная антенна

o DDRR

o Индукционная петля

 

· 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 времена Второй мировой войны.

 

Эффективные способы намотки, разработанные на нашем предприятии:

 

 

Позволяют снять ограничения на диапазоны применяемых напряжений, токов и температур. Снижают сечение провода, стоимость и массу катушек при тех же условиях эксплуатации. Либо позволяют повысить напряжения, токи и температуру эксплуатации при том же сечении провода.

Наши многолетние исследования показали, что наиболее эффективным способом охлаждения является воздушный. Применение дополнительных видов изоляции иногда бывает нежелательно и ухудшает свойства обмоток. Вместо изоляции мы применяем разделение обмотки на секции. Стремимся к увеличению площади контакта провода с мощными потоками воздуха.

 

 

1. Разделенная обмотка.

Лучшая альтернатива дополнительной изоляции. Обмотка разделена на любое количество секций, соединенных последовательно. Потенциал между секциями делится на количество секций. Потенциал между слоями делится на количество секций, помноженное на количество слоев. Потенциал между соседними витками в одном слое делится на количество секций, помноженное на количество слоев и количество витков в слое. Таким образом любое опасное пробивное напряжение можно снизить до электрозащитных показателей обыкновенного эмальпровода без применения особых электроизоляционных мер. Чем больше отдельных секций, тем лучше можно организовать охлаждение.

 

2. Бесконтактная обмотка.

Витки обмотки подвешены в воздухе на специальных растяжках. Не имеют механического, электрического и теплового контакта ни с какими другими материалами катушки, ни с каркасом, ни с корпусом, ни с электроизоляцией. Самое эффективное воздушное охлаждение, тепло- и электроизоляция.

 

3. Корпус в виде улитки.

Наиболее эффективным способом охлаждения обмоток мы считаем воздушное. Применение такого корпуса с вентиляторами и просчетом аэродинамических характеристик дает значительные преимущества.

 

4. Двухполупериодная обмотка.

Все новое – это хорошо забытое старое. Разделение обмотки на два плеча и включение через диодный мост дает попеременное включение плеч с частотой сети. В один полупериод одно плечо работает, другое отдыхает. Это позволяет применять обмотки с меньшим сечением. Особенно актуальна двухполупериодная обмотка там, где в небольшие габариты требуется поместить очень мощную обмотку с таким толстым проводом, который невозможно согнуть под требуемыми углами без повреждения. Или промышленность не выпускает настолько толстые шины, и таким образом можно перейти на меньшее сечение.

 

5. Трубопроводная обмотка.

Для работы на особо высоких температурных режимах. В качестве провода применяется медная труба, циркулирующая жидкость, насосы, теплообменники, хладогенераторы, резервуары.

 

6. Заливка компаундами с примесями на основе нитрида бора и другими для повышения теплопроводности компаунда. Либо виброустойчивая растяжка с применением специальных техпластин. Применяется на сложных виброударных режимах работы.

 

Наши специалисты разработают наиболее эффективный способ решения Ваших задач. Мы будем рады с Вами сотрудничать.

 

Ждем Ваших заказов.

namotkakatushek.ucoz.net

Реферат Катушка индуктивности

скачать

Реферат на тему:

План:

    Введение

  • 1 Устройство
  • 2 Свойства катушки индуктивности
  • 3 Характеристики катушки индуктивности
    • 3.1 Индуктивность
    • 3.2 Сопротивление потерь
      • 3.2.1 Потери в проводах
      • 3.2.2 Потери в диэлектрике
      • 3.2.3 Потери в сердечнике
      • 3.2.4 Потери в экране
    • 3.3 Добротность
    • 3.4 Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)
  • 4 Разновидности катушек индуктивности
  • 5 Применение катушек индуктивности
  • Примечания


Введение

Катушка индуктивности на материнской плате компьютера

Обозначение на электрических принципиальных схемах

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Такая система способна накапливать магнитную энергию при протекании электрического тока.


1. Устройство

Устройство обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость.

Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах.


2. 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


3. Характеристики катушки индуктивности

3.1. 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 катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки, намотанной на тороидальном сердечнике

где:
μ0 — магнитная постоянная
μr — относительная магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты)
se — площадь сечения сердечника
le — 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


3.2. Сопротивление потерь

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь . Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране.


3.2.1. 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.


3.2.2. Потери в диэлектрике

Потери в диэлектрике обусловлены тем, что между соседними витками катушки существует паразитная ёмкость, что приводит к утечкам переменного тока между витками.

3.2.3. Потери в сердечнике

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на гистерезис и начальных потерь.

3.2.4. Потери в экране

Потери в экране обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране.

3.3. 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».


3.4. 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.


4. Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности 
Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность.
Катушки связи 
Такие катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т. д. К таким катушкам не предъявляются 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. Применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах так же применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины) на проводах.

Сдвоенный дроссель

Сдвоенные дроссели 
две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.[1][2]


5. Применение катушек индуктивности

Применявшаяся в качестве реактивного сопротивления для люминесцентных ламп катушка индуктивности

  • Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной 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-за самоиндукции 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).
    • Рамочная антенна
    • DDRR
    • Индукционная петля
  • 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 времена Второй мировой войны.[3]


Примечания

  1. А.Сорокин — Виды помех в линиях передачи информации и способы борьбы с ними. — www.electrosad.ru/Jornal/VidPom0.htm
  2. Электропитание аппаратуры — usht.ru/articles/add-on/electro_ext
  3. Fluxgate Magnetometer — www.earthsci.unimelb.edu.au/ES304/MODULES/MAG/NOTES/fluxgate.html  (англ.)

wreferat.baza-referat.ru

Общие сведения о катушках индуктивности

Применяемые в низкочастотных усилителях трансформаторы могут подразделяться на две основные категории: силовые или сетевые трансформаторы и сигнальные трансформаторы, используемые в качестве согласующих, выходных, либо повышающих, например, для картриджей звукоснимателей с подвижной катушкой. Совершенно аналогично катушки индуктивности могут предназначаться для работы в цепях прохождения сигнала, например в различных фильтрах, либо же они могут быть мощными дросселями, используемыми в высоковольтных источниках питания. Основной особенностью этих компонентов схем является применение в них магнитных материалов. Они представляют последнюю группу идеальных пассивных компонентов схем (резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, включая трансформаторы). В отличие от резисторов и конденсаторов, катушки индуктивности и трансформаторы, как правило, не являются промышленными изделиями, а изготавливаются вручную. Именно по этой причине многие разработчики стараются всячески избегать их применения. Такой подход нельзя признать разумным, так как он серьезно ограничивает возможности проектирования схем.

Катушка индуктивности запасает энергию магнитного поля. Прохождение тока любой величины по проводнику всегда сопровождается возникновением магнитного поля вокруг проводника. Поэтому проводник обладает индуктивностью. Можно увеличить индуктивность, свернув провод в спираль, или намотав его в виде катушки, а если внутрь такой катушки поместить железный сердечник (магнитопровод), то индуктивность возрастет многократно. Эта зависимость может быть приближенно выражена следующим соотношением:

в котором L — индуктивность,

μ0 — магнитная проницаемость вакуума, в системе СИ равна 4π·10-7 Гн/м,

μr — относительная магнитная проницаемость магнитного материала

сердечника,

А — площадь поперечного сечения магнитопровода,

I — длина магнитопровода,

N — количество витков катушки.

Относительная магнитная проницаемость, μr, является характеристикой магнитных свойств материала, и можно провести некоторую аналогию с ранее уже упоминавшейся относительной диэлектрической проницаемостью, характеризующей диэлектрические свойства диэлектриков. Относительная магнитная проницаемость имеет различные значения и может меняться от 1 для воздуха до примерно 5500 для железа. Длина магнитопровода отсчитывается по замкнутому контура от какой-то начальной точки, а площадь поперечного сечения магнитопровода просто принимается равной площади сечения магнитного сердечника. Поэтому, может показаться, что вышеприведенное уравнение без особых трудностей может быть использовано для расчета индуктивности.

К сожалению, параметр μr сильно зависит от плотности магнитного потока, на длину магнитопровода могут сильно повлиять воздушные зазоры, а часть магнитного потока рассеивается в окружающей среде. Каждая из этих проблем будет проанализирована по отдельности несколько позже, а сейчас надо просто признать, что очень часто оказывается просто невозможным точно рассчитать значение индуктивности катушки. Поэтому на практике зачастую приходится строить всевозможные предположения, добавлять лишние витки, измерять индуктивность в условиях, максимально близким к условиям реальной работы, а затем удалять витки катушки, пока не будет получена требуемая величина индуктивности.

При каждом обсуждении свойств магнитных материалов, обычно используется зависимость, которая называется кривой (начальной) намагниченности. Данная кривая выражает зависимость результирующей магнитной индукции поля, В, от изменения величины напряженности магнитного поля, Н, иногда для простоты называемой зависимостью В-Н (рис. 5.10). В целях дальнейшего изложения следует прежде всего отметить, что относительная магнитная проницаемость m пропорциональна градиенту (или углу наклона) данной кривой, а так как градиент изменяется при изменении напряженности магнитного поля, то это означает, что будет изменяться и μ.

Рис. 5.10 Кривая намагничивания: непостоянство угла наклона ведет к изменению магнитной проницаемости материала

Катушка индуктивности без магнитного сердечника

Можно полностью исключить проблему, связанную с изменением параметра m при изменении напряженности магнитного поля, если использовать катушку, в которой отсутствует сердечник, изготовленный из магнитного материала. Катушка индуктивности без магнитного сердечника (воздушная катушка индуктивности) характеризуется постоянным значением индуктивности при изменении величины сигнала, следовательно, такие катушки не вызывают искажений, что делает их особо популярными для использования в схемах кроссоверов высококачественных громкоговорителей. Определить площадь, через которую проходит магнитный поток, для данного случая достаточно сложно, так как теоретически магнитный поток распространяется в бесконечность, точно также невозможно точно определить и длину «магнитопровода». Тем ни менее, для катушек с различной геометрией были предложены приближенные соотношения, из которых ниже приводится формула для наиболее интересного, с практической точки зрения, случая оптимального (то есть наименьшего) значения сопротивления воздушной катушки, обмотка которой выполнена из медного провода. Формулы для приближенного расчета были предложены А. Н. Тайлом (A.N.Thiele):

в которых (рис. 5.11), R — сопротивление обмотки, Ом,

L — Индуктивность, мкГн,

d — диаметр провода, мм,

N — количество витков,

с — обобщенный параметр каркаса, связывающий его внешний и внутренний диаметры, а также длину слоя намотки,

l — длина провода, м.

Рис. 5.11 Относительные размеры бобины, используемой для намотки воздушной катушки индуктивности (в соответствии с приведенной формулой Таила)

Формула приводится с числовыми коэффициентами для частного случая, так как провод для катушки имеет стандартизованные значения диаметра, а величина сопротивления катушки не оказывает большого влияния на получаемый результат.

Если сопротивление будет отличаться от необходимого значения, следует использовать провод с другим поперечным сечением.

Естественно было бы выполнять все расчеты с использованием персонального компьютера, поэтому ниже приводится программа, написанная на языке QBASIC (хотя основное уравнение может быть с не меньшим успехом решено с использованием широкоформатных таблиц).

CLS

L = 1

PRINT «This program designs air-cored copper»

PRINT «wire coils according to the Thiele»

PRINT «formulae. L is in micro henries, d (wire»

PRINT «diameter) is in mm»

PRINT

PRINT «To quit, input L = 0.»

PRINT

DO WHILE L > 0

INPUT «Lf; L

IF L = 0 THEN END

INPUT «L’; L

R = ((8.01*10^(-3)*(L*3/d*8)^(l/5))100)\l)/100

N = (((10.2 *(L^2/d^2)^(1/5)) *100)\D/100

с = ((d * N^(l/2)/0.841)*100\l)/100

Q = (((0.188*(L *с)^(1/2))*100\1)/100

PRINT

PRINT «You need»; N; «turns on a core of»; 2*c; «ram in diameter,»; c; «mm thick.»

PRINT «It will use»; Q; «meters of wire, and»

PRINT «will have a resistance of»; R; «Ohms.»

PRINT

LOOP

Эксперименты вскоре показали, что катушки индуктивности без магнитного сердечника имеют высокое сопротивление, и что они очень большие по своим размерам. Проблема сопротивления остается общей для всех катушек индуктивности и является основной причиной, определяющей неидельность их характеристик. Применение воздушных катушек индуктивности не ограничивается только кроссоверами громкоговорителей, но они также широко применяются в выходных фильтрах цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), в которых сопротивление обмотки не является определяющим фактором. Также катушки без сердечников получили широкое применение в радиочастотной технике.

Следует отметить, что в связи с используемыми упрощающими допущениями (не учитывается эффективность намотки, изменения диаметра провода и т. д.), использование данной формулы не позволяет получить точные результаты. В силу этого, рекомендуется при расчетах предусмотреть 5% увеличение параметров, а затем удалять витки с катушки, измеряя значение индуктивности с использованием измерительного моста.

В большом количестве измерительных мостов используется генератор, имеющий собственную частоту 1 кГц. При измерении индуктивности воздушных катушек относительно высокое значение сопротивления может подавить влияние индуктивной составляющей, в силу чего при измерениях с использованием мостовой схемы можно получить неверный результат. Если возможно для питания схемы моста использовать внешний источник переменного тока, то рекомендуется применять максимальное значение частоты, которое допускается использовать производителями измерительных мостов (как правило, частота составляет 20 кГц), что позволит более точно выполнить необходимые измерения.

Броневые сердечники с зазором

Одним из путей уменьшения сопротивления без внесения заметных искажений является использование катушки, в которой имеется магнитный сердечник с зазором. Магнитный сердечник с зазором значительно увеличивает индуктивность по сравнению с воздушной катушкой индуктивности. Однако так как воздушный зазор образует сравнительно высокое сопротивление для распространения магнитного потока, то он приглушает изменения в относительной магнитной проницаемости магнитного сердечника, имеющего низкое значение сопротивления магнитному потоку, в силу чего индуктивность катушки становится более стабильной. При увеличении величины зазора величина индуктивности снижается, и при увеличении зазора до бесконечно большого значения опять будет наблюдаться предельный случай катушки индуктивности без магнитного сердечника. Подобная конструкция была много лет назад использована отделом исследований Британской радиовещательной корпорации (Би-би-си) в катушках индуктивности кроссоверов пассивных громкоговорителей.

Катушка индуктивности с магнитным сердечником, имеющим зазор, может получиться совершенно непреднамеренно. Большое количество ферритовых сердечников, используемых для небольших катушек индуктивностей, изготавливаются в виде двух половинок, которые устанавливаются снаружи катушки и сопрягаются друг с дружкой наворачиванием половинок. Наличие пыли на сопрягаемых поверхностях приводит к увеличению зазора, и если половинки сердечника во время измерений индуктивности катушки плотно прижать одну к другой, то можно будет получить значительное увеличение индуктивности.

Если по индуктивности будет протекать постоянный ток, то очень важно, чтобы постоянный ток не вызвал переход материала сердечника в область насыщения, так как в этом случае значение индуктивности резко уменьшится, а сердечник будет сильно разогреваться. Катушки индуктивности, в которых сердечники изготовлены из железа и по катушкам которых протекают постоянная составляющая тока, обязательно имеют воздушные зазоры, для того, чтобы обеспечить максимальное значение индуктивности при максимальном значении переменного тока. При этом следует учитывать, что так как в области воздушного зазора происходит рассеяние магнитного потока, вызванного протеканием переменной составляющей, такие катушки индуктивности могут сильно влиять на соседние цепи схемы, вызывая в них паразитные наводки.

Собственная емкость катушек индуктивности

Если обмотка катушки индуктивности содержит большое количество витков, и существует разность потенциалов между отдельными витками и слоями витков, то следует ожидать, что будет иметь некоторую емкость, которая будет включена параллельно индуктивности самой катушки (рис. 5.12).

Рис. 5.12 Эквивалентная схема замещения реальной катушки индуктивности

Таким образом, возникает хорошо знакомая цепь с параллельным резонансом а это означает, что как только частота превысит резонансную, катушка индуктивности перестанет вести себя как индуктивность, а начнет проявлять свойства конденсатора. Самый простой способ определить величину такой паразитной емкости, это собрать тестовую схему (рис. 5.13).

Рис. 5.13 Использование фигур Лиссажу для определения частоты собственного резонанса катушки индуктивности

В осциллографе необходимо произвести переключение в режим работы с использованием и вертикального, и горизонтального входов «XY». При изменении частоты генератора получаемые на экране осциллографа фигуры Лиссажу будут изменяться от эллипса до прямой линии. Как раз та частота, при которой будет наблюдаться прямая линия, и будет соответствовать резонансной частоте катушке индуктивности.

 

Если необходимо, то можно будет рассчитать значение шунтирующей емкости, используя нижеприведенное выражение:

Мощные дроссели (катушки фильтров выпрямителей и т. п.), предназначенные для небольших ламповых усилителей, имеют, как правило, индуктивность 10—15 Гн и рассчитаны на токи 100—250 мкА. Для таких дросселей резонансная частота составляет от 3 до 12 кГц. На частотах, превышающих значение резонансной, дроссели не могут обеспечить эффективный барьер для шумов, генерируемых при выпрямлении переменного тока, или для ВЧ шумов, поступающих по сети питания.

Вопросы применения мощных дросселей будут рассмотрены позже.

 

tubeamplifier-narod.ru

Что такое КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ И ДРОССЕЛИ

 

   К числу элементов, без которых невозможно построить радиоприемник, телевизор, магнитофон и многие другие радиоприборы, относятся катушки и дроссели. Их важнейшей характеристикой является индуктивность. В цепях переменного тока катушки и дроссели ведут себя как резисторы, сопротивление которых растет с увеличением частоты.

   Индуктивность измеряют в генри (Гн), миллигенри (1 мГн=10-3 Гн), микрогенри (1 мкГн=10-6 Гн) и наногенри (1 нГн=10г9 Гн).

   Одно из первых условных обозначений катушки напоминало рисунок спирали из провода, которым намотана катушка. Позже витки катушек стали изображать в виде пересекающихся дуг окружностей. ГОСТ 7624—62 установил новое обозначение, построенное из нескольких полуокружностей, соприкасающихся концами (рис. 63). В ГОСТ 2.723—68, входящем в ЕСКД, это обозначение сохранено, однако для обеспечения соотаетствующих пропорций в размерах символа и большей выразительности его в сочетании с другими обозначениями установлено определенное число полуокружностей, равное четырем.

   Индуктивность катушек, используемых в колебательных контурах радиовещательных приемников, в зависимости от диапазона частот составляет от долей и единиц микрогенри (УКВ и KB) до нескольких миллигенри (ДВ).

   В радиоприемной и радиопередающей аппаратуре нередко применяют катушки с регулируемой индуктивностью, являющиеся основным органом настройки колебательного контура в широком диапазоне частот. Часть витков такой катушки наматывают на каркасе большего диаметра, а другую часть — на каркасе меньшего диаметра. Малую катушку помещают внутрь большой и закрепляют на валике, ось которого перпендикулярна оси большой катушки, а выводы обмоток соединяют последовательно. При повороте валика взаимное влияние катушек изменяется, а в результате изменяется и индуктивность. Такие устройства получили название вариометров. На схемах их изображают двумя символами катушек, расположенными параллельно или перпендикулярно один

 

   Рис. 63

 

   Рис. 64

   другому. Изменение индуктивности показывают знаком регулирования, пересекающим оба символа (рис. 64).

   В антенных контурах коротковолновых передатчиков и специальных приемников УКВ применяют вариометры с переменным числом витков. Такой вариометр состоит из цилиндрического или конического каркаса со спиральной канавкой, в которую уложен провод катушки. К выступающей над каркасом части провода прижимается контактный ролик или пружинящая щетка, которые при вращении катушки скользят по виткам и перемещаются в плоскости, параллельной образующей цилиндра или конуса. Таким образом, в контур оказывается возможным ввести необходимое число витков, т. е. получить нужную индуктивность.

   В условном обозначении вариометра подобной конструкции ролКк или щетку изображают в виде стрелки, острие которой касается выпуклой части полуокружности основного символа (рис. 65).

   Вариометры характеризуются плавным изменением индуктивности. Для ее ступенчатого изменения, а также в некоторых других случаях у катушек делают отводы. Условные обозначения катушек с отводами показаны на рис. 66.

   Важным параметром, характеризующим качество катушек, является добротность, численно равная отношению ее индуктивного сопротивления переменному току данной частоты к сопротивлению постоянному току. Чтобы увеличить добротность, пользуются разными конструктивными приемами, но наибольший эффект дает введение в катушку магнитопровода (сердечника) из специального магнитного материала.

   При внесении магнитопровода в катушку силовые линии магнитного поля концентрируются в магнитопроводе, так как его сопротивление магнитному потоку значительно меньше, чем воздуха. В результате магнитный поток, а следовательно, и индуктивность катушки увеличиваются в несколько раз, что позволяет уменьшить число витков, а значит, и сопротивление катушки постоянному току. Кроме того, используя магнитолроводы, удается значительно уменьшить размеры катушек и очень простым способом (перемещением магнитопровода) осуществить регулировку их индуктивности.

   Поскольку катушки с магнитопроводами обычно работают в цепях переменного тока (исключение — катушки электромагнитных реле и некоторые другие), применять оплошные магнитопроводы из обычных магнитных материалов нельзя. Под действием переменного магнитного поля в сплошном магнитопроводе, который можно рассматривать как множество короткозамкнутых витков, возникают так называемые вихревые токи, которые нагревают магнитапровол, бесполезно потребляя часть энергии магнитного поля. Чтобы уменьшить эти потери, магнитопроводы катушек, работающих в диапазоне звуковых частот, набирают из отдельных тонких изолированных пластин, изготовленных из специальных электромеханических сталей или пермаллоя.

 

 

   Рис. 65

 

   Рис. 66

   В области радиочастот стальные магнитопроводы, даже набранные из очень тонких пластин, неприменимы, так как потери на вихревые тоКи в них недопустимо велики. Магнитопроводы для катушек, предназначенных для работы на радиочастотах, изготовляют из специальных материалов: маг-нитодиэлектриков и ферритов. В магнитодиэлектриках мельчайшие частички вещества, содержащего в своем составе железо, равномерно распределены в массе какого-либо диэлектрика (бакелита, стирола, амино-пласта). Наиболее широко применяют магнитопроводы из альсифера .(сплав алюминия, кремния и железа) и карбонильного железа.

   Ферриты, получившие широкое распространение в последние три десятилетия, представляют собой твердые растворы окислов металлов или их солей, прошедшие специальную термическую обработку (обжиг). Получающееся при этом вещество — полупроводниковая керамика — обладает очень хорошими магнитными свойствами и малыми потерями даже на очень высоких частотах.

   До введения ГОСТ 2.723—68 магнитопроводы из магнитодиэлектриков и ферритов обозначали на схемах одинаково—утолщенной штриховой линией (рис. 67,а). Стандарт ЕСКД оставил этот символ для магнитопроводов из магнито-диэлектркка, а для ферритовых ввел обозначение, применявшееся ранее только для магнитопроводов низкочастотных дросселей и трансформаторов — сплошную жирную линию (рис. 67,6). Опасения некоторых специалистов, что одинаковые обозначения катушек с магнитопроводами из стали и феррита затруднят чтение схем не подтвердились. Дело в том, что при изучении схем обращают внимание не только на символы отдельных элементов, но и на то, как они соединены между собой в той или иной функциональной группе, какое место в цепи преобразования сигнала эти группы занимают. И если, например, каскад радиочастотный, то катушку со сплошным магнитопроводом нельзя спутать с низкочастотным дросселем. Согласно последней редакции ГОСТ 2.723—68 (март 1983 г.) магнитопроводы катушек изображают линиями нормальной толщины (рис. 67,в).

   Желая показать на схеме катушку, индуктивность которой можно изменять с помощью магнитопровода, в ее условное обозначение вводят знак под-строечного регулирования. Сделать это можно двумя способами: либо пересекая этим знаком обозначения катушки и магнитопровода (если он изображен

 

 

   Рис. 67

 

   Рис. 68

   сбоку от символа катушки — см. рис. 68,а), либо только магнитопровода (если он изображен над символом катушки — см. рис. 68,6).

   Для подстройку катушек на частотах выше 15… 20 МГц часто применяют магнитопроводы из так называемых немагнитных материалов (меди, алюминия и т. п.). Возникающие в таком магнитопроводе под действием магнитного .поля катушки вихревые токи создают свое поле, противодействующее основному, в результате чего индуктивность катушки уменьшается. Немагнитный магнитопровод-подстроечник обозначают так же, как и ферритовый, но рядом указывают химический символ металла, из которого он изготовлен (в обозначении катушки, показанном на рис. 68,в, изображен подстроечник, изготовленный из меди).

 

Литература:
В.В. Фролов, Язык радиосхем, Москва, 1998

nauchebe.net