1.3. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Катушки индуктивности, за исключением дросселей, предназначенных для использования в цепях питания, не являются комплектующими изделиями, как, например, резисторы и конденсаторы. Они изготовляются на сборочных заводах и имеют те параметры, которые необходимы для конкретных изделий.

Из-за трудностей микроминиатюризации, значительных массогабаритных показателей, плохой повторяемости характеристик и параметров, повышенной трудоемкости изготовления область их применения ограничена. Однако при создании ряда устройств электроники обойтись без них пока нельзя. При этом важным является то, что индуктивные компоненты с использованием существующей изоляции могут успешно работать при температуре до .

Катушки индуктивности, как правило, имеют цилиндрическую или спиральную форму витков и выполняются как однослойными, так и многослойными. Характер намотки зависит от назначения катушки индуктивности.

Рис. 1.12. Магнитопроводы катушек индуктивности: а — броневой; б - тороидальный; 1,2 - чашки броневого магнитопровода; 3 - подстроечный сердечник

Так, для уменьшения межвитковых емкостей витки укладывают на каркас с определенным шагом или применяют специальные способы намотки, когда витки укладываются не параллельно, а под некоторым углом друг к другу (универсальная намотка).

Для увеличения значений индуктивности и повышения их добротности широко применяют магнитопроводы с постоянными или регулируемыми параметрами.

Наиболее распространенные формы магнитопроводов — броневая и тороидальная (рис. 1.12, а, 6). Регулирование параметров магнитопровода осуществляют с помощью подвижного сердечника 3 (рис. 1.12,а), который выполняют из ферромагнитного материала. При его перемещении меняются параметры магнитопровода и индуктивность катушки. В ряде случаев для подстройки катушек индуктивности внутрь их вводят только один подстроечный сердечник из ферромагнетика или диамагнетика. Диамагнетики (латунь, медь) используют только на высоких частотах (десятки — сотни МГц). В отличие от ферромагнетика при их введении индуктивность катушки уменьшается.

В катушках индуктивности, работающих на низких частотах (до , в качестве магнитопроводов обычно используют пермаллои. При этом магнитопровод, как правило, тороидальный. собранный из тонких колец мм) или навитый из ленты тех же толщин. На более высоких частотах (до нескольких МГц) широко применяют ферриты, причем их марка зависит от диапазона рабочих частот. На частотах свыше нескольких МГц используют катушки индуктивности, имеющие только подстроечные сердечники или вообще не имеющие их.

Точный расчет значений индуктивности представляет собой сложную полевую задачу.

При ориентировочных расчетах можно использовать приближенные формулы. Для однослойной цилиндрической катушки, намотанной виток к витку или с шагом, индуктивность

где - диаметр и длина катушки, мм; - число витков.

Для многослойной катушки

здесь — наружный и внутренний диаметры катушки, мм); — длина и высота катушки .

При наличии магнитопровода сначала находят его магнитное сопротивление. Для этого определяют, по какому пути замыкаются магнитные силовые линии, и оценивают магнитные сопротивления отдельных участков. Суммируя их, находят общее магнитное сопротивление магнитной цепи и затем с помощью формулы вычисляют значение индуктивности. Так, например, в броневом магнитопроводе (рис. 1.12, а) магнитные силовые линии замыкаются так, как показано на рис. 1.13, а (поток Ф). Магнитопровод условно разделен на участки, магнитные сопротивления которых , где — магнитное сопротивление внешней стенки; - магнитное сопротивление оснований; — магнитные сопротивления участка внутренней стенки; — магнитное сопротивление воздушного зазора. Для их нахождения используют формулу

где — средняя длина магнитной силовой линии на участке; - площадь поперечного сечения; — относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода на участке; — магнитная постоянная .

Среднюю длину магнитной силовой линии обычно находят приближенно для конкретного участка. В ряде случаев и площадь S приходится вычислять приближенно, заменяя изменяющуюся по длине площадь на ее эквивалентное значение. При определении относительная магнитная проницаемость равна единице: .

Изложенное дает общее представление о подходе, используемом при расчете катушек индуктивности с ферромагнитными магнитопроводами. На практике иногда приходится учитывать и распределенный характер обмоток, и то, что магнитный поток через воздушный зазор распространяется не совсем так, как показано на рис. 1.13, а. Вблизи воздушного зазора наблюдается выпучивание магнитного потока (рис. 1.13, б). Учет всех этих факторов представляет собой сложные самостоятельные задачи.

Рис. 1.13. Пример разбивки магнитопровода на участки (а); выпучивание магнитного потока около воздушного зазора (б)

Отметим, что при расчете катушек индуктивности сигнальных цепей в качестве относительной магнитной проницаемости целесообразно использовать комплексную магнитную проницаемость

где - действительная и мнимая составляющие комплексной проницаемости.

Комплексная магнитная проницаемость определяется экспериментально для данного магнитного материала. Ее действительная часть характеризует индуктивность, а мнимая — потери в материале магнитопровода. Действительно, индуктивное сопротивление катушки индуктивности

или

Таким образом, при использовании комплексной проницаемости индуктивность получается комплексной и состоит из включенных последовательно индуктивности L и активного сопротивления , значение которого зависит от частоты.

Для проведения электрических расчетов используют одну из эквивалентных схем, приведенных на рис. 1.14, а, б. В них учтены активное сопротивление провода , индуктивность L, потери в магнитопроводе и емкость С. С помощью эквивалентной емкости С учитывают наличие межвитковых емкостей, емкости выводов катушки, емкости отдельных витков относительно окружающей его арматуры. Следует отметить, что L и и не равны друг другу. Поэтому эти параметры должны быть привязаны к определенной эквивалентной схеме.

Важнейшим параметром катушки индуктивности является добротность, которая равна отношению мнимой части X ее полного сопротивления к действительной части .

Значение добротности зависит от частоты.

Рис. 1.14. Упрощенные эквивалентные схемы катушек индуктивности: а — сопротивление потерь включено параллельно с индуктивностью; б — сопрошвление потерь включено последовательно с индуктивностью.

Если ферромагнитный магнитопровод отсутствует , а емкость С достаточно мала, то добротность зависит от соотношения между индуктивностью L и активным сопротивлением провода и увеличивается при повышении частоты. Однако на частотах порядка нескольких МГц из-за проявлений поверхностного эффекта активное сопротивление провода увеличивается и добротность снижается.

Для снижения обмотки катушек стремятся наматывать достаточно толстым проводом (излишне большой диаметр может привести даже к увеличению на высоких частотах из-за проявления эффекта близости), применять специальный многожильный провод (литцендрат). Магнитопроводы и сердечники выбирают с малыми потерями на вихревые токи и гистерезис.

Для уменьшения емкости катушки изготовляют секционированными, по возможности разносят витки с максимальной разностью потенциалов, уменьшают объем диэлектрика в электрическом поле катушки (например, используют каркасы со специальными проточками), экраны располагают дальше от обмотки.

Температурные изменения индуктивности катушек без ферромагнитных сердечников сравнительно невелики и зависят от стабильности геометрических размеров. При наличии ферромагнитных сердечников необходимо учитывать температурный коэффициент магнитной проницаемости, который у разных материалов лежит в пределах .

Одна из разновидностей катушек индуктивности носит название дросселей. Их основное назначение — обеспечить большое сопротивление для переменных токов и малое для постоянных или низкочастотных токов.

Различают дроссели низкой и высокой частот. Дроссели низкой частоты используются в выпрямительных устройствах для создания фильтров, сглаживающих пульсации. Их применяют тогда, когда источник питания должен отдавать большой ток (амперы — сотни ампер) и требуется получить малые пульсации постоянного напряжения. Дроссель низкой частоты наматывается аналогично силовым трансформаторам с использованием тех же магнитопроводов (см. § 1.4). Его основное отличие от трансформаторов заключается в том, что в магнитной цепи магнитопровода делается воздушный зазор мм. Наличие его предохраняет магнитную цепь от насыщения постоянным током, значения которого достаточно велики, так как дроссель включают в цепь последовательно с сопротивлением нагрузки. Индуктивность и активное сопротивление дросселей низкой частоты рассчитывают исходя из параметров, которые необходимо получить у источника питания. При этом всегда необходимо знать значение постоянного тока нагрузки.

Дроссели низкой частоты выпускаются серийно. Их обозначения: — дроссели унифицированные, низкочастотные; Д, Др — дроссели фильтров для бытовой радиоаппаратуры.

В ряде случаев они имеют две обмотки: основную и компенсационную. Компенсационная обмотка при необходимости может соединяться последовательно с основной согласно или встречно. При согласном соединении (начало компенсационной с концом основной) индуктивность дросселя увеличивается, при встречном (концы или начала соединены вместе) - уменьшается.

Дроссели высокой частоты используют в высокочастотных электронных цепях, где пропускают токи только относительно низких частот. Они представляют собой катушки индуктивности, намотанные внавал или с определенным шагом на диэлектрический каркас. При этом стремятся, чтобы их емкость была минимально возможной, а индуктивность — не менее требуемой.