Что такое катушки индуктивности их классификация?

Катушки — это намотаные или печатные элементы с индуктивным характером сопротивления. Катушки предназначены для преобразования энергии переменного электрического поля в энергию переменного магнитного поля и наоборот, создание реактивного индуктивного сопротивления переменному току.

Классификация. Катушки классифицируют по нескольким признакам. По конструктивным признакам катушки делят на цилиндрические, тороидальные, плоские, однослойные и многослойные, с сердечником и без сердечника, экранированные и неэкранированные. За использованием катушки разделяют на: контурные связи и дроссели. Первые используют в колебательных контурах, вторые — для
связи электрических цепей, третьи — для разделения постоянного и переменного токов. По характеру изменения индуктивности катушки бывают постоянной индуктивности, подстроечные, с переменной индуктивностью (вариометры), которые отличаются от подстроечных более широким диапазоном изменения номинала.

Условные изображения и обозначения. Условные изображения катушек на схемах приведены на рис. 1.Условные изображения катушек на схемах: а, б - катушки при отсутствии и наличии магнитодиэлектрического сердечника; в, г - подстроечные катушки; д - вариометр

Рис. 1. Условные изображения катушек на схемах: а, б — катушки при отсутствии и наличии магнитодиэлектрического сердечника; в, г — подстроечные катушки; д — вариометр

Единственные условные обозначения имеют только стандартизированные элементы, это катушки с броневыми и тороидальными сердечниками. Они объединяют название ЭРЭ, тип сердечника, номер унифицированного ряда, индуктивность, допуск. К примеру, КИСБ-9а-5-30±5% означает катушка индуктивности, сердечник броневой 9 а, номер унифицированного ряда 5, индуктивность 30 мкГн, допуск ±5%.

Строение. Для изготовления катушек необходимы следующие конструктивные элементы: каркас, намотка, подстроитель, экран, элементы крепления, элементы защиты от внешних условий. Каркас является конструкционной основой катушки. Изготавливают его преимущественно из пластмассы или керамики в форме полой трубки с гладкой или нарезанной наружной поверхностью (рис. 2). Резки внешней поверхности необходимые для намотки с шагом. Внутренняя поверхность каркаса также может быть гладкой или нарезанной. Нарезка внутренней поверхности предназначается для подстроителя. Каркас может иметь одну или несколько секций, элементы крепления к плате. Для мощных катушек используют ребристые каркасы, которые облегчают рассеивания тепла. В пластмассовые каркасы запрессовывают внешние выводы, а в керамических каркасах для них оставляют специальные пазы. Иногда вместо каркаса может использоваться магнитодиэлектрический сердечник, как, например, в тороидальных катушках, или катушки могут изготавливаться бескаркасными. В последнем случае для обеспечения необходимой жесткости конструкции для намотки выбирают толстый провод диаметром
более 1 мм, с малым количеством витков (4 … 6). Намотка предназначена для создания индуктивного эффекта. В однослойных объемных катушках она может быть сплошной или с шагом (рис. 3, а, б). В
плоских конструкциях она имеет форму спирали Архимеда (рис. 2, в). В многослойных катушках намотка всегда сплошная. Она может быть секционированной или несекционированной, рядовой, пирамидальной или выполненной «в навал «(рис. 3, г, д, е, ж).Конструктивные виды каркасов катушек

Рис. 2. Конструктивные виды каркасов катушек

Основные виды намоток катушек: а - однослойная сплошная; б - однослойная с шагом; в - однослойная плоская; г - многослойная рядовая; д - многослойная "в навал"; е - многослойная пирамидальная; ж - многослойная секционированная

Рис. 3. Основные виды намоток катушек: а — однослойная сплошная; б — однослойная с шагом; в — однослойная плоская; г — многослойная рядовая; д — многослойная «в навал»;
е — многослойная пирамидальная; ж — многослойная секционированная

Кроме отмеченных выше, широко применяют в многослойных катушках универсальные намотки (рис. 4), в которых витки не размещены параллельно друг к другу, а поочередно от одного края катушки к другому, пересекаясь под некоторым углом.Универсальная намотка

Рис. 4. Универсальная намотка: П — начало; К — конец витка; Безымянный угол отклонения провода; Безымянный — угол пересечения провода; р — количество переходов

Для намотки чаще всего используют медный или посеребренный медный провод. При однослойной намотке с шагом провод может быть без изоляции, а при сплошной однослойной и многослойной намотках используют провода с эмалевой изоляцией. Если необходимо обеспечить малую собственную емкость катушек, применяют эмалированные провода, дополнительно покрыты волокнистой (шелковой) изоляцией или лицендрат — многожильный переплетенный провод. В высокостабильных и мощных катушках намотку производят в виде медных посеребренных шин, впаленых в керамический каркас.
Внешние выводы катушек изготавливают из медной проволоки диаметром 0,5 … 1,5 мм, который запрессовывают в пластмассовый каркас или вставляют в пазы керамических каркасов.
Сердечники катушек могут быть цилиндрическими, катушечными, броневыми, Ш-образными, тороидальными, Н-образными (рис. 5).Типы магнитных сердечников: а ... г - цилиндрическое с резьбой, гладкие, с втулкой, трубчатые; д, е - катушечный; ж, з - броневое с замкнутой и разомкнутой магнитной цепью; и - чашечный; к - тороидальный; л - кольцевое; м - Н-образное; н - Ш-образное

Рис. 5. Типы магнитных сердечников: а … г — цилиндрическое с резьбой, гладкие, с втулкой, трубчатые; д, е — катушечный; ж, з — броневое с замкнутой и разомкнутой магнитной цепью; и — чашечный; к — тороидальный; л — кольцевое; м — Н-образное; н — Ш-образное

Сплошные цилиндрические сердечники чаще всего используют в подстроечных  индуктивных элементах, а трубчатые — в феровариометрах. Броневые и чашечные сердечники, в свою очередь, обеспечивают высокую добротность катушек, их экранирование и делают настройки. Тороидальные и кольцевые сердечники уменьшают габариты катушек за счет малого рассеивания магнитного потока. Сердечники катушечной формы имеют повышенную степень использования магнитных свойств материала, но вызывают большие потери на высоких частотах. Ш-образные сердечники используют в тех катушках,
в которых управление индуктивностью будет осуществляться током. Поскольку катушки предназначены для работы на высоких частотах, для уменьшения потерь энергии сердечника для них изготавливают из ферромагнитных диэлектриков, в которых принадлежит карбонильное железо, и ферромагнитных полупроводников, каковы есть ферриты. Для катушек, предназначенных для работы на коротких и ультракоротких волнах, сердечники изготавливают из немагнитных материалов (медь, латунь). Подстроитель фактически — это сердцевина, изготовленная из ферромагнитного или немагнитного материала, имеющего цилиндрическую форму и может вкручиваться в каркас, в броневой, чашечный или катушечный сердечник для подстройки индуктивности катушки (рис. 5). Экранирование катушек индуктивности необходимо для локализации собственных электромагнитных полей и защиты их от внешних электромагнитных воздействий. С этой целью с высокопроводящих проводниковых материалов (чаще всего алюминия или меди) изготавливают цилиндрические, реже призматические кожухи (экраны), которые надежно соединяют с заземлением (рис. 6). В результате индуцированные в экране токи отводятся на землю.Экранированные катушки

Рис. 6. Экранированные катушки

Защита катушек от внешних условий обеспечивает их покрытия химически устойчивыми лаками, утечки жидкими диэлектриками или помещения их в специальные герметичные корпуса.

Работа. Работа катушки основывается на том, что переменный электрический ток, протекающий по катушке, вызывает появление в ней переменной электродвижущей силы самоиндукции, которая препятствует изменению тока, создавая ему реактивное индуктивное сопротивление. Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменению тока Безымянный:Безымянный

Коэффициент L, который входит в формулу, называют коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки. Реактивное сопротивление Безымянный прямо пропорционален частоте изменения тока и
индуктивности катушки:Безымянный

Ферромагнитные сердечники взымают магнитные силовые линии переменного электрического тока и, вследствие этого, заставляют их большей степени пересекать витки катушки, что приводит к увеличению ЭДС самоиндукции, а следовательно, к увеличению индуктивности катушки. Действие немагнитных сердечников противоположная к действию их ферромагнитных аналогов. Регулировка индуктивности катушки основывается на изменении магнитного потока, пронизывающего его обмотку. Оно может быть осуществлено несколькими способами (рис. 5):
— введением в катушку немагнитного подстроителя, который выталкивает из нее магнитные силовые линии переменного тока;
— введением в катушку магнитного подстроителя, который увеличивает эффективную магнитную проницаемость;
— изменением щели между сердечником и катушкой;
— изменением магнитной проницаемости сердечника катушки при подмагничиванию его постоянным электрическим током;
— перемещением витков, секций катушек.

Свойства. Поскольку катушки работают на высоких частотах и предназначены преимущественно для создания в электрических цепях реактивного индуктивного сопротивления переменному току, обеспечения между ними электромагнитной связи, высокой избирательности колебательных контуров, то для них основными являются частотные характеристики, выражающие зависимости их реактивного и активного сопротивлений, а также сопротивления потерь в собственной емкости и добротности от частоты. По выражению видно, что реактивное сопротивление катушки переменному току меняется прямо пропорционально частоте (рис. 7, прямая 1).Частотные зависимости

Рис. 7. Частотные зависимости реактивного Безымянный и активного Безымянный сопротивлений и потерь в собственной емкости Безымянный катушек

Активное сопротивление провода катушки переменным током Безымянный тоже растет с частотой (рис. 7, кривая 2) в основном за счет скин-эффекта, виткового эффекта и эффекта близости. Аналогично изменяются с частотой потери в собственной емкости катушки (рис. 7, кривая 3). Добротность катушки Безымянный определяется отношением ее реактивного сопротивления Безымянный к активному Безымянный

Безымянный

Поскольку в начале высокочастотного диапазона с повышением частоты быстрее растет реактивное сопротивление, а в конце его быстрее растут активное сопротивление и потери энергии в собственной емкости, экране и сердечнике, то кривые частотной зависимости добротности имеют максимум (рис. 8). Частотные характеристики добротности катушек с броневыми сердечниками, изготовленными из карбонильного железа (а) и феррита (б)

Рис. 8. Частотные характеристики добротности катушек с броневыми сердечниками, изготовленными из карбонильного железа (а) и феррита (б)

Катушки характеризуются следующими параметрами: индуктивностью, добротностью, температурными коэффициентами индуктивности и добротности, коэффициентами старения индуктивности и добротности, собственной емкостью и собственной резонансной частотой, надежностью. Индуктивность катушки характеризует значение индуцированной в ней электродвижущей силы самоиндукции, реактивного сопротивления, добротности, энергии магнитного поля:Безымянный

где I — ток через катушку.
Добротность катушек, которая определяется отношением реактивного сопротивления к активному Безымянный, который характеризует резонансные свойства (избирательность) колебательных контуров, их коэффициент полезного действия. Температурный коэффициент индуктивности характеризующий температурную стабильность индуктивности катушки, находят так:Безымянный

где Безымянный и Безымянный — значение индуктивности при температурах Безымянный  и Безымянный. Аналогично определяют температурный коэффициент добротности БезымянныйБезымянный

где Безымянный и Безымянный — значение добротности при температурах Безымянный и Безымянный. Коэффициент старения индуктивности Безымянный, который характеризует временную стабильность индуктивности катушек, рассчитывают по формуле:Безымянный

где Безымянный и Безымянный значение индуктивности катушки в момент времени Безымянный и Безымянный. Подобно определяется коэффициент старения добротности Безымянный:Безымянный

где Безымянный и Безымянный — значение добротности в момент времени Безымянный и Безымянный. Собственная емкость катушки Безымянный, обусловлена ее конструктивными элементами. Расчеты не дают нужной точности, поэтому ее целесообразно определять экспериментально. Зная собственную емкость и индуктивность катушки, можно найти ее собственную резонансную частоту:Безымянный

Надежность катушки определяется постепенными отказами, обусловленными старением диэлектриков и магнитных материалов, окислением проводов. Эти процессы ускоряются влагой и температурой. Защита от этих дестабилизирующих факторов замедляет процессы старения и за счет этого повышает параметрическую надежность катушек. Индуктивность катушки в условиях действия отмеченных выше факторов можно определить по выражению:Безымянный

где Безымянный — коэффициент, характеризующий изменение индуктивности катушки под действием влаги. Надежность в таком случае оценивают вероятностью невыхода параметров за пределы допусков.
Внезапные отказы в определенной степени влияют на надежность катушек. Они конечно вызванные нарушением электрического соединения обмотки с выводами, обрывами обмотки, короткого замыкания витков и тому подобное. Типичные значения некоторых из названных выше параметров катушек приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4 Типичные значения параметров дискретных катушек

Типичные значения параметров дискретных катушек

Схема замещения катушки должна отражать ее свойства и содержать не только индуктивность самой катушки, но и индуктивность выводов, емкость витков и выводов, емкость, обусловленную сердечником, потери энергии в меди, в емкостях, сердцевине и тому подобное. Но такую схему замещения можно упростить, если обе составляющие индуктивности объединить в одну индуктивность L с потерями энергии Безымянный, а все составляющие емкости — в одну емкость Безымянный с потерями энергии. Тогда такая упрощенная эквивалентная схема катушки будет иметь вид, изображенный на рис. 9, а.Упрощенные схемы замещения катушек

Рис. 9. Упрощенные схемы замещения катушек

Можно ввести понятие эквивалентной индуктивности катушки, которая отражает совместное действие индуктивности и емкости:Безымянный

Так можно найти эквивалентную индуктивностьБезымянный

где Безымянный — частота собственного резонанса.

Аналогично можно ввести понятие эквивалентного сопротивления потерь:Безымянный

Тогда схему замещения катушки можно упростить (рис. 9, б).

Применение. Дискретные катушки применяют в колебательных контурах, электрических линиях задержки сигналов, фильтрах. Их используют для создание на отдельных участках электрических цепей реактивного индуктивного сопротивления, для обеспечения магнитной связи между электрическими цепями, для разделение постоянного и переменного токов и тому подобное. Катушки трудно поддаются микроминиатюризации, поэтому индуктивные элементы в интегрированных микросхемах практически отсутствуют. Исключением является тонкопленочные гибридные ИМС, в которых они имеют форму плоских спиралей Архимеда индуктивностью до 10 мкг. В полупроводниковых ИМС вместо катушек применяют специальные схемы на транзисторах, которые дают индуктивный эффект. В толстопленочных гибридных ИМС катушки преимущественно используют навесные.

Конструирование и расчет. В катушках рассчитывают геометрические размеры, индуктивность, количество витков, диаметр провода, потери энергии, добротность. Геометрические размеры катушек определяет их диаметр D, длина Безымянный глубина намотки Безымянный, диаметр каркаса Безымянный. В однослойной катушке диаметр D — это диаметр круга, образованного осевой линией активного сечения провода. На
высоких частотах диаметр катушки D можно считать равным диаметра каркаса Безымянный. Длина катушки Безымянный — это расстояние между осевыми линиями крайних витков. Расстояние между осевыми линиями смежных витков называют шагом намотки Безымянный Обычно принимают, что: Безымянный

илиБезымянный

где N — количество витков. При неплотной намотке, выполненной с коэффициентом неплотности Безымянный ≈ 1,05 … 1,3Безымянный

где Безымянный -диаметр провода с изоляцией. Для многовитковых однослойных катушек принимают, что: Безымянный

Для многослойных катушек можно считать, что внешний диаметр катушки D равен наружному диаметру намотки, а ее внутренний диаметр Безымянный. В таком случае глубина намотки Безымянный

Средний диаметр катушки:Безымянный

Для простой рядовой катушки и намотки «в навал» глубинаБезымянный

Индуктивность однослойных катушек со сплошной намоткой определяют по выражению:Безымянный

где Безымянный, Безымянный,Безымянный — поправочный коэффициент, который зависит от отношения Безымянный и определяется из графика, приведенного на рис. 9, или приближенно по выражению:Безымянный

График зависимости для однослойных катушек

Рис. 9. График зависимости Безымянный для однослойных катушек

Индуктивность однослойной катушки, намотанной с шагом, определяют с выражения:Безымянный

где Безымянный— индуктивность катушки,  А и В — поправочные коэффициенты, определяются из графиков, изображенных на рис. 10; d — диаметр провода без изоляции.
Индуктивность плоской круглой катушки может быть определена по выражению:Безымянный

где b — глубина плоской намотки.Графики зависимостей

Рис. 10. Графики зависимостей Безымянный и Безымянный

Индуктивность плоской квадратной катушки рассчитывают по формуле:Безымянный

где Безымянный — длина стороны среднего квадрата.
Формула может быть использована также для расчета индуктивности многослойных катушек, но для них поправочный коэффициент Безымянный, который зависит одновременно от отношений Безымянный, находят из графиков, приведенных рис. 11. Индуктивность катушки с сердечником Безымянный, которое имеет магнитную проницаемость Безымянный, в Безымянный раз больше индуктивность той же катушки без сердечника, то естьБезымянный

Итак, расчет индуктивности катушек с сердечником фактически сводится к определению Безымянный. Для тороидальных катушек, в которых потери магнитного потока малые Безымянный,  где Безымянный — магнитная проницаемость материала сердечника. Поэтому индуктивность катушки с тороидальном сердечником находят так:Безымянный

где Безымянный — сечение сердечника, Безымянный — средняя длина магнитной силовой линии. Для других форм сердечников Безымянный. Так, например, для броневого сердечникаБезымянный

где Безымянный — длина щели.Графики зависимостей для многослойных катушекГрафики зависимостей для многослойных катушек

Рис. 11. Графики зависимостей Безымянный и Безымянный для многослойных катушек

Индуктивность экранированных катушек Безымянный определяют по выражению:Безымянный

где Безымянный — коэффициент связи катушки с экраном.

Для однослойных катушекБезымянный

где Безымянный — диаметр экрана, Безымянный — коэффициент, зависящий от отношения Безымянный и определяется по графику, приведенному на рис. 12.График зависимости

Рис. 12. График зависимости Безымянный

Для многослойных катушек индуктивностиБезымянный

где Безымянный и Безымянный-диаметр и высота экрана,Безымянный

Безымянный и Безымянный — коэффициенты, определяющие из графиков, приведенных на рис. 9 и 11. Определяя Безымянный по рис. 9, отношение Безымянный необходимо заменить отношением Безымянный
Количество витков катушек может быть определена из приведенных выше выражений, которые содержат N. Потери энергии в катушках без сердечников Безымянный содержат потери в меди Безымянный в собственной
емкости Безымянный и на экране Безымянный, то есть:Безымянный

Потери энергии в меди с учетом скин-эффекта, виткового эффекта и эффекта близости могут быть определены по следующей эмпирической формуле:Безымянный

где Безымянный — потери в меди на постоянном токе; F(Z) и G(Z) — табулированные функции, учитывающие поверхностный эффект и эффект близости; Безымянный — коэффициент, учитывающий влияние размеров катушки на эффект близости и зависит от отношений Безымянный и Безымянный (рис. 13).Безымянный

В выражениях линейные размеры необходимо брать в см, а частоту в Гц.Зависимость коэффициента от длины и глубины намотки и диаметра катушки

Рис. 13. Зависимость коэффициента Безымянный от длины и глубины намотки и диаметра катушки

Потери энергии в собственной емкости определяются по формулеБезымянный

где Безымянный — тангенс угла диэлектрических потерь в собственной емкости.
Потери энергии в экране тоже находят по эмпирической формулеБезымянный

где Безымянный — коэффициент, учитывающий материал экрана (например, для алюминия Безымянный = 1,05) Безымянный — коэффициент связи катушки с экраном; Безымянный и Безымянный — диаметр и высота экрана, см.

В потери энергии в катушках с сердечником Безымянный входят потери в меди Безымянный в собственной емкости Безымянный и в сердцевине Безымянный, то есть:Безымянный

Штрих в выражении означает, что сердечник изменяет потери в меди и в собственной емкости, поскольку изменяет количество витков в катушке и значение ее собственной емкости.
Потери энергии на экране при наличии сердечника — незначительные и ими можно пренебречь. Потери энергии в сердечнике определяют по формулеБезымянный

гдеБезымянный

где Безымянный — коэффициент, учитывающий потери энергии на вихревые токи; Безымянный — коэффициент, учитывающий потери энергии на гистерезис; Безымянный — коэффициент, учитывающий потери энергии на последействие; Н — напряженность магнитного поля сердечника.
Зная потери энергии в катушке Безымянный можно определить добротность катушки.

Рассчитать оптимальный диаметр провода можно двумя способами. Первый из них заключается в том, что, имея диаметр провода, рассчитываем для каждого по приведенным выше формулами потери в меди Безымянный. После этого строим график зависимости Безымянный(d).
Второй способ предусматривает расчет оптимального значения Z, соответствующее Безымянныйпо его зависимостью от выражения Безымянный изображенной на рис. 14. Зная Безымянный из выражения можно определить Безымянный.
График зависимости

Рис. 14. График зависимости Безымянный

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*