Природа индуктивности и классификация катушек индуктивности
Для создания катушек индуктивности используется эффект взаимодействия магнитного поля и переменного тока. Коэффициент пропорциональности между переменным напряжением и током с учетом частоты ω имеет смысл реактивного сопротивления jωL, где L – коэффициент пропорциональности. Для увеличения индуктивности провод, по которому протекает ток, наматывают в виде катушки. При этом добавляется взаимная индуктивность между витками и индуктивное сопротивление, т. е. значение L увеличивается. Индуктивность является основным параметром катушки.
Катушки используются в РЭА как дроссели для перераспределения переменного тока по цепям и создания индуктивной связи между цепями. При их использовании вместе с конденсаторами образуются колебательные контуры, входящие в состав фильтров и генераторов высокочастотных колебаний. Следует подчеркнуть, что под катушками индуктивности будем понимать те индуктивные элементы, которые работают в диапазоне радиочастот примерно от 100 кГц и выше.
Для классификации радиочастотных индуктивных элементов можно использовать разные признаки: наличие или отсутствие сердечника, характер намотки – однослойная (с шагом или без шага) или многослойная (рядовая, универсальная, внавал), рабочую частоту, количество обмоток, наличие или отсутствие каркаса, наличие или отсутствие экрана и т.д.
Схема замещения, основные и паразитные параметры
В катушке индуктивности помимо основного эффекта – индуктивности – наблюдаются и паразитные. Схема замещения (рис. 3а) катушки отображает ее основные свойства и содержит не только основной параметр, индуктивность L, но и ряд дополнительных: индуктивность выводов (учтены в L); собственную емкость, обусловленную наличием обмотки, выводов, сердечника и экрана СL; сопротивление, отображающее потери в емкости RC; сопротивление, зависящее от потерь в катушке RL. СL с L образует параллельный резонансный контур. Его резонансная частота f0 = 1/2 π (LC0)1/2, эквивалентная схема контура показана на рис. 3б.
Рисунок 3а – Схема замещения катушки
Рисунок 3б – Эквивалентная схема контура
Катушка индуктивности – катушка из провода с изолированными витками; обладает значительной индуктивностью при относительно малой емкости и малом активном сопротивлении. Предназначена для накопления магнитной энергии, разделения или ограничения электрических сигналов различной частоты и т. д. Индуктивность катушки индуктивности определяется линейными размерами катушки, числом витков обмотки и магнитной проницаемостью окружающей среды и проводников; изменяется от десятых долей мкГн до десятков Гн. Другие основные параметры катушки индуктивности: добротность Q (отношение индуктивного сопротивления к активному), собственная емкость, механическая прочность, габаритные размеры, масса.
В зависимости от конструкции катушки индуктивности делятся на каркасные и бескаркасные, одно- и многослойные, экранированные и неэкранированные, с магнитными сердечниками (с ферритовыми сердечниками) и без них (рис. 4). Важное достоинство катушек индуктивности с сердечниками – возможность подстройки (изменение индуктивности катушки индуктивности в определенных пределах путем изменения параметров сердечника). Катушки индуктивности применяются в качестве одного из основных элементов электрических фильтров и колебательных контуров, накопителя электрической энергии и др.
Рисунок 4а – Цилиндрическая однослойная катушка индуктивности
Рисунок 4б – Тороидальная многослойная катушка индуктивности с сечеием – квадрат
Рисунок 4в – Катушка индуктивности с цилиндрическим сердечником (броневая)
Рисунок 4г – Катушка индуктивности с П-образным сердечником
Рисунок 4д – Образцовая индуктивность на керамическом тороиде
Рисунок 4е – Вариометр – катушка с регулируемой индуктивностью и поступательным перемещением сердечника
1 - обмотка;
2 - каркас;
3 - сердечник;
Рисунок 4ж – Вариометр с вращающимся сердечником
1 – ротор;
2 – статор;
Индуктивность катушки, мкГн, может быть рассчитана по формулам:
L=L0W2D·10 -3 (3)
Для однослойной катушки L0 = f(l н /D),
где l н – длина намотки, см;
Dср = D к + d – средний диаметр витка, см;
D к – диаметр каркаса;
d – диаметр провода;
W – количество витков.
Для многослойной катушки:
L0 = f(lн /D ср ) и L0 = f(b /D ср ),
где D – наружный диаметр катушки, см;
Dср – средний диаметр катушки, см;
D к – диаметр каркаса, см;
b – глубина намотки, см;
Важным параметром катушки при ее применении в колебательных контурах является добротность, характеризующая относительных уровень активных потерь в ее обмотке, собственной емкости, сердечнике и экране:
Q =ωL / RL
Свойства катушки при изменении температуры описываются температурным коэффициентом индуктивности αL, который определяется выражением
Индуктивность при температуре T определяется выражением
L(T) = L ОТ [1+ αL(T–T0 )
где T – температура;
L ОТ – индуктивность при номинальной температуре;
T0 – номинальная температура.
Изменение параметров во времени (старение) характеризуется коэффициентом старения
βL = (dL / dt) (1 / L 0 ),
где t – время;
L 0 – индуктивность непосредственно после изготовления катушки.
Индуктивность после длительной работы быть определена из выражения
L(t) = L0 (1+βL t)
Большое значение имеют также конструктивные параметры: надежность, габариты, масса, диапазон температур, влагостойкость, устойчивость против механических воздействий, а также технологичность катушки, возможность ее изготовления с использованием высокопроизводительных методов, стоимость, согласованность ее конструкции с ИС и возможность изготовления катушек методами микроэлектроника. Конструкция и параметры катушки существенно зависят от использования в ней сердечника с высокой магнитной проницаемостью.