1. Номинальная величина индуктивности L н .
Для бесконечно длинного соленоида (катушки) величину индуктивности L ном расчитывают по формуле:
L ном = (p D 2 N 2 / l) (Гн),
где: D -диаметр каркаса, см; l - длина намотки, см; N - число витков.
2. Допуск на индуктивность δ L, который зависит от ее назначения:
±(0,2 – 0,5)% - для контурных катушек, ±(10 – 15)% - для катушек связи и дросселей высокой частоты.
3. Добротность катушки индуктивности Q при заданных величине индуктивности L и рабочей частоте w определяется суммарным сопротивлением потерь в катушке:
Q = w L / R S,
где R S = R f + R д + R э + R с + R р,
где: Rf - сопротивление провода обмотки току высокой частоты определяется как омическим сопротивлением провода постоянному току, так и действием поверхностного эффекта. Эта составляющая потерь при правильном конструировании катушки является определяющей.
R д - диэлектрические потери в каркасе и изоляции провода обмотки. Эти потери обусловлены влиянием электромагнитного поля катушки на структуру диэлектрика каркаса (для однослойных катушек) и диэлектрика изоляции провода (для многослойных катушек).
R д= w3 L 2 C L tgd [ Ом ],
где: C L - составляющая собственной емкости катушки через диэлектрик,
tgd - тангенс угла потерь диэлектрика каркаса или изоляции провода;
При конструировании катушки необходимо выбрать материал каркаса таким образом, чтобы он соответствовал выбранному диапазону ее применения. Например, в диапазоне КВ или УКВ надо применять высокочастотные диэлектрики (керамика, полистирол), а в диапазоне средних волн – низкочастотные диэлектрики (пресс-порошки, текстолит, картон). Диэлектрические потери в катушках СВ и ДВ практически не зависят от материала каркаса, поэтому можно использовать любой низкочастотный диэлектрик, обладающий технологичностью.
Потери в диэлектрике провода определяются числом слоев изоляции и емкостью между витками многослойной катушки.
R э - сопротивление потерь, вносимых экраном;
R с - сопротивление потерь в сердечнике складывается из потерь в магнитном материале на гистерезис и вихревые токи. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитный сердечник должен обладать кроме высоких магнитных свойств большим сопротивлением. Это достигается применением магнитодиэлектрических сердечников или ферритов;
R р - сопротивление потерь за счет резонансных свойств катушки. Эту составляющую как правило не учитывают, так как рабочую частоту обычно выбирают из условия:
w раб < w о / 3,
где w о = 1 / 2pÖ LCL - резонансная частота катушки,
где C L - собственная емкость катушки.
Добротность катушек при их использовании в контурах влияет на такие важные характеристики радиоприемных устройств, как чувствительность и избирательность, а у радиопередающих устройств – к. п. д. и др. Применяемые в радиоаппаратуре катушки индуктивности имеют диапазон добротности 30 – 300. Существует общее правило: чем выше требуемая добротность катушки, тем большие габариты она должна иметь. При заданной величине добротности существует оптимальный вариант конструкции катушки, габариты которой должны быть не больше оптимальных и не могут быть меньше их.
4.Температурная стабильность катушки индуктивности или температурный коэффициент индуктивности ТКИ – отношение относительного изменения индуктивности к интервалу температур, вызвавшему это изменение.
ТКИ = (1 / L o) ´ (d L / d T ) [1/С°]
5. Собственная емкость катушки СL - электрическая емкость, составляющая с индуктивностью катушки резонансный контур, складывается из емкости между витками через диэлектрик каркаса и изоляции провода и емкости между витками через воздух. Величина собственной емкости определяется также видом намотки и числом витков
Классификация катушек индуктивности.
По частотному диапазону: длинноволновые, средневолновые, коротковолновые, УКВ и СВЧ катушки индуктивности.
По методу изготовления: вожженные, намотанные, печатные, тонкопленочные.
По типу намотки: однослойные катушки с рядовой и шаговой обмоткой и многослойные катушки с произвольной, рядовой, универсальной и секционированной обмоткой.
По конструкции: цилиндрические, кольцевые, спиральные, бескаркасные, с каркасом, с сердечником и без него, экранированные и без экрана.
По назначению: контурные катушки индуктивности, катушки связи.
Катушки с сердечником.
Обеспечить необходимую точность, особенно при изготовлении контурных катушек без дополнительных мер, не удается. Следовательно, контурные катушки должны иметь элемент подстройки. Таким элементом, дающим возможность регулировать параметры в пределах ± 15%, является сердечник, вводимый внутрь катушки. Сердечники выполняются из различного материала и имеют различную форму.
Магнитный сердечник увеличивает индуктивность катушки в mc раз, где mc - действующая магнитная проницаемость сердечника, зависящая от магнитных свойств материала и от его формы.
L c = m c L,
где m c =(0,25 – 0,5)mмм,
mмм _- магнитная проницаемость материала сердечника.
Применение сердечников из магнитных материалов (карбонильное железо, альсифер, магнетит, ферриты), очевидно, позволяет уменьшить число витков катушки.
Магнитные сердечники применяют в основном в длинноволновых и средневолновых катушках, где они выполняют не только роль подстроечного элемента, но и уменьшают требуемое количество витков, т.е. габариты и массу катушки. В диапазоне КВ и УКВ использовать магнитные сердечники менее целесообразно, поскольку значение индуктивности и числа витков здесь невелики, и кроме того, с ростом частоты падает величина m. Поэтому для подстройки в этом диапазоне используют сердечники из латуни или алюминия.
Экранированные катушки.
Для устранения паразитных связей между каскадами используют экраны в виде металлических стаканов круглой или прямоугольной формы, которые надевают на катушку.
Сущность экранирования заключается в следующем: магнитное поле катушки наводит в поверхностном слое экрана вихревые токи, которые создают поле обратного направления. Если толщина экрана больше поверхностного слоя проникновения вихревых токов, то взаимодействие поля катушки с полями других источников исключается. Для устранения возможных емкостных связей экран заземляют. Чем выше проводимость материала экрана, тем больше по величине вихревые токи и тем выше экранирующие свойства экрана. На длинных и средних волнах используют алюминиевые экраны, на коротких – латунные и медные. Толщина экрана обычно выбирается из технологических соображений (возможности вытяжки) и составляет 0,5 – 1 мм.
Индуктивность экранированной катушки L э меньше, чем неэкранированной L , за счет встречного поля экрана.
L э = L [1 - h (D / D э)3],
где: h - коэффициент, зависящий от соотношения длины и диаметра намотки, D – диаметр катушки, D э – диаметр экрана.
Влияние экрана на величину индуктивности учитывают для однослойных катушек, причем допустимо уменьшать индуктивность не более чем на 20%. У многослойных катушек основное поле почти полностью сконцентрировано в обмотке или сердечнике катушки и слабо влияет на токи в экране, поэтому влиянием экрана пренебрегают.
Рис. 3.1. Типы катушек индуктивности:
а – однослойная с шагом; б – многослойная; в – плоская; г – тороидальная с круглым и прямоугольным сечением.
Катушки индуктивности имеют различные конструкции и классифицируются по типу намотки, виду и материалу каркаса (рис. 3.1, рис. 3.2, рис. 3.3, рис.3.4, рис. 3.5), способам подстройки индуктивности (катушки без сердечника рис. 3.7) (катушки с сердечником рис. 3.8.), виду защиты – экранированные и неэкранированные.
Рис. 3.2. Конструкции катушек индуктивности:
а – катушка в чашеобразном ферритовом каркасе-сердечнике и корпусе из полиэтилена; б – катушка с многослойной обмоткой на пластмассовом гладком каркасе с цилиндрическим сердечником; в – катушка типа «универсаль» на пластмассовом гладком каркасе.
Рис. 3.3. Катушка индуктивности с намоткой типа «универсаль».
Рис. 3.4. Однослойная катушка индуктивности: а – сплошная; б – с шагом.
Рис. 3.5. Конструкции катушек индуктивности.
а – катушка со сплошной намоткой на гладком трубчатом каркасе; б – катушка с осажденной намоткой на нарезном каркасе; в – бескаркасная катушка индуктивности.
Рис. 3.6. Печатная катушка индуктивности.
1 – обмотка из медной фольги; 2 – изоляционная плата.
Рис. 3.7. Способы подстройки катушек индуктивности без сердечника/
(а– изменением шага намотки; б – подбором взаимоиндукции между секциями; в – изменением числа витков.)
Рис. 3.8. Способы подстройки катушек сердечниками. (Сердечники из карбонильного железа с резьбой и без резьбы, сердечники из феррита и сердечники из немагнитного материала).