Индуктивные элементы электронной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Дагестанский государственный университет

Физический факультет

Методическое пособие

Пассивные элементы радиоэлектронной аппаратуры

Махачкала - 2011

В пособии изложены структура, физические процессы, характеристики и параметры индуктивных элементов электронной техники, к которым относятся катушки индуктивности и трансформаторы. Рассмотрены физические явления, происходящие в них, требования, предъявляемые к этим изделиям, и области их применения. Приводятся также конструкции катушки индуктивности и магнитопроводов трансформаторов, оцениваются потери энергии и добротность этих изделий.

Для студентов высших учебных заведений радиотехнических специальностей и средних профессиональных учебных заведений обучающихся в области радиотехники, электроники, и автоматизации. В качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, а также аспирантов и научных сотрудников.

Содержание

Введение

Глава 1. Катушки индуктивности

1.1 Физическая природа индуктивности

1.2 Конструкции катушек индуктивности

1.3 Индуктивность и собственная емкость катушек индуктивности

1.4 Потери в катушках индуктивности

1.5 Основные параметры катушек индуктивности и разновидности катушек индуктивности

Глава 2. Трансформаторы

2.1. Классификация трансформаторов

2.2 Магнитопроводы трансформаторов

2.3 Физические основы функционирования трансформаторов

2.4 Потери в трансформаторах

Литература

Введение

К индуктивным элементам электронной техники относятся катушки индуктивности и трансформаторы.

Любой проводник, по которому протекает ток , обладает индуктивностью . Она находится как коэффициент пропорциональности между током и создаваемым им магнитным потоком. Если ток изменяется во времени по синусоидальному закону с угловой частотой , то происходящее при этом изменение магнитного потока вызывает появление ЭДС самоиндукции , которая препятствует протеканию переменного тока, что эквивалентно увеличению сопротивления проводника.

Катушки индуктивности обладают свойством оказывать реактивное сопротивление переменному току при незначительном сопротивлении постоянному току. Их применяют для создания фильтров, элементов задержки сигналов, запоминающих элементов, осуществления связи между цепями через магнитный поток и т. д. В отличие от резисторов и конденсаторов, они не являются стандартизованными изделиями, а изготавливаются для конкретных целей и имеют такие параметры, которые необходимы для осуществления тех или иных преобразований электрических сигналов, токов и напряжений.

Требования к параметрам индуктивных элементов изменяются в широких пределах в зависимости от назначения, конструкции и условий эксплуатации аппаратуры. Поэтому во многих случаях для каждого конкретного устройства проектируются и изготовляются свои катушки индуктивности и трансформаторы. Однако в последние годы появились унифицированные индуктивные элементы, выпускаемые как отдельные комплектующие изделия для аппаратуры различного назначения.

Глава 1. Катушки индуктивности

Катушкой индуктивности называется элемент, способный запасать электромагнитную энергию и увеличивающий свое сопротивление переменному току пропорционально его частоте. Таким свойством обладает проводник в форме спирали. При пропускании по нему тока в окружающей среде образуется магнитный поток , при этом происходит взаимодействие магнитных полей токов в соседних нитках.

Проводник в катушке индуктивности называется обмоткой, которая может наматываться на основание (каркас катушки), выполняемое из диэлектрического материала. Если использовать провод с изоляцией, то нитки катушки можно располагать рядом или в несколько слоев. Для концентрации магнитного потока и уменьшения габаритных размеров в состав катушки индуктивности вводят магнитный сердечник, изготовленный из металлического ферромагнетика, феррита или магнитодиэлектрика. Катушки индуктивности обычно используются на переменном напряжении и по функциям, выполняемым в аппаратуре, подразделяются на несколько видов:

* контурные катушки индуктивности вместе с конденсаторами входят в состав колебательных контуров;

* фильтровые катушки индуктивности или дроссели, обладающие на высоких частотах большим сопротивлением и пропускающие постоянный или низкочастотный ток, используются в электрических фильтрах;

* импульсные катушки индуктивности применяются в цепях формирования или задержки импульсов тока;

* регулируемые катушки индуктивности выполняют функцию переменной индуктивности.

1.1 Физическая природа индуктивности

Функционирование катушек индуктивности основано на взаимодействии тока и магнитного потока. Известно, что при изменении магнитного потока в проводнике, находящемся в магнитном поле, возникает ЭДС, определяемая скоростью изменения магнитного потока:

.

При подключении к проводнику источника постоянного напряжения ток в нем устанавливается не сразу, так как в момент включения изменяется магнитный поток и в проводе индуцируется ЭДС, препятствующая нарастанию тока, а спустя некоторое время, когда магнитный поток перестает изменяться. Если же к проводнику подключен источник переменного напряжения, то ток и магнитный поток будут изменяться непрерывно, и наводимая в проводнике ЭДС будет препятствовать протеканию переменного тока, что эквивалентно увеличению сопротивления проводника. Чем выше частота изменения напряжения, приложенного к проводнику, тем больше величина ЭДС, наводимая в нем, следовательно, тем больше сопротивление, оказываемое проводником переменному току. Это сопротивление не связано с потерями энергии, поэтому является реактивным. При изменении тока по синусоидальному закону наводимая ЭДС будет равна

.

Эта ЭДС пропорциональна частоте , а коэффициентом пропорциональности является индуктивность . Следовательно, индуктивность характеризует способность проводника оказывать сопротивление переменному току. Величина этого сопротивления .

Индуктивность есть величина, характеризующая способность контуров с током и окружающей их среды накапливать энергию магнитного поля. Индуктивность равна удвоенной энергии магнитного поля, деленной на квадрат тока.

Индуктивность короткого проводника [мкГн] определяется его размерами:

где - длина провода, см, а - диаметр провода, см.

Если провод намотан на каркас, то образуется катушка индуктивности. В этом случае магнитный поток концентрируется, и значение индуктивности возрастает.

1.2 Конструкции катушек индуктивности

Катушки индуктивности классифицируют по типу намотки, способам подстройки и подгонки индуктивности, виду защиты (экранированные, неэкранированные).

Конструкционной основой катушки индуктивности является диэлектрический каркас, на который наматывают провод в виде спирали. Обмотка может быть как однослойной (рис.1, а), так и многослойной (рис.1, б).



Рис.1. Основные конструкции катушек индуктивности.

В некоторых случаях многослойная обмотка делается секционированной (рис.1, в). В интегральных схемах применяют плоские спиральные катушки индуктивности (рис.1, г).

Для увеличения индуктивности применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность. Перемещением сердечника внутри каркаса можно изменять индуктивность. Магнитные сердечники применяют для получения малогабаритных катушек с достаточно большими индуктивностью и добротностью

Основной целью введения магнитных сердечников в состав индуктивных элементов является уменьшение их габаритных размеров. Кроме того, в катушках индуктивности с магнитными сердечниками увеличивается добротность и появляется возможность регулирования индуктивности.

В то же время введение сердечника всегда ухудшает температурную стабильность катушек. При использовании сердечников с замкнутым магнитным потоком возникает зависимость индуктивности от силы тока I в обмотке, появляются дополнительные магнитные потери.

Для получения лучшей температурной стабильности следует выбирать материалы с высокой температурой Кюри, вблизи которой наблюдаются наиболее заметные изменения магнитной проницаемости.

Величина индуктивности зависит от магнитной проницаемости материала сердечника, формы и размеров сердечника и катушки, соотношения между их размерами, частоты. Чем больше магнитная проницаемость материала сердечника, чем ниже частота и чем ближе к виткам катушки расположен сердечник, тем выше значение индуктивности.

В высокочастотных контурных катушках и дросселях наибольшее применение находят цилиндрические, броневые и кольцевые сердечники (рис.2).

Цилиндрические сердечники конструктивно просты и по сравнению с сердечниками прямоугольного сечения позволяют получить наивысшую добротность катушек. Недостатком цилиндрических сердечников является плохое использование магнитных свойств материала, которое в основном определяется соотношениями межу размерами катушки и сердечника. Введение цилиндрического сердечника практически не влияет на величину собственной емкости катушек.

Броневые сердечники (рис.2) позволяют более полно использовать магнитные свойства материалов. Имеют слабое внешнее поле, что позволяет приблизить экран к самому сердечнику. Стабильную индуктивность в броневом сердечнике можно обеспечивать либо хорошим магнитным контактом (замкнутая магнитная цепь, пришлифованные поверхности плотно прижаты друг к другу), либо наоборот отсутствием контакта (разомкнутая магнитная цепь, иногда калиброванные прокладки). В первом случае за счет более полного использования магнитных свойств материала можно получить катушку индуктивности меньших габаритов. Во втором - можно получить большую добротность, меньшую зависимость параметров от частоты и напряженности магнитного поля. Сердечники с разомкнутой магнитной цепью могут работать на более высоких частотах, верхний предел частотного диапазона равен 4...5 МГц.

Катушки с броневыми сердечниками применяются в контурах приемников длинных и средних волн, усилителях промежуточной частоты, различных фильтрах.

Собственная емкость катушек с броневыми сердечниками больше, чем емкость катушек без сердечников. При полном заполнении полости броневого сердечника несекционированной обмоткой ; при секционированной обмотке , а при малом числе витков .

Для подстройки броневые сердечники снабжаются цилиндрическими сердечниками, перемещение которых изменяет индуктивность примерно на 20% (сердечник с замкнутой магнитной цепью) и 30% (сердечник с разомкнутой магнитной цепью). Промышленностью выпускается несколько типов стандартных броневых сердечников из карбонильного железа и феррита.

Рис.2. Разновидности цилиндрических сердечников.

Кольцевые сердечники позволяют наиболее полно использовать магнитные свойства материала. Достоинствами являются большая добротность катушек (до 400...500) и почти полное отсутствие внешнего поля. Недостатками таких катушек являются сложность плавной подстройки и намотки, относительно низкая температурная стабильность индуктивности. Кольцевые сердечники применяют в случаях, когда необходимо получить максимальную индуктивность при минимальных габаритах. Для этих целей широко применяются ферритовые сердечники.

На рис.2. представлены три разновидности цилиндрических сердечников: С - стержневой, Т - трубчатый и ПР - подстроечный резьбовой - и две разновидности броневых. Броневые сердечники состоят из двух чашек, изготовленных из карбонильного железа или феррита.

Они могут иметь либо замкнутый магнитопровод, состоящий из чашек 2 и З (тип СБ - а), либо разомкнутый, состоящий из чашек 2 и 4 (тип СБ - б). Для изменения индуктивности служит подстроечный цилиндрический сердечник 1. Помимо цилиндрических и броневых сердечников применяют тороидальные (кольцевые) сердечники. На высоких частотах (десятки - сотни мегагерц) применяют подстроечные цилиндрические сердечники из диамагнетиков (латунь, медь). При введении этих сердечников внутрь катушки индуктивность уменьшается. В катушках индуктивности, работающих на низких частотах (до 1 кГц), в качестве сердечников используют пермаллои. При этом магнитопровод собирают из тонких пластин толщиной 0,002 - 0,1 мм.

Для уменьшения влияния электромагнитного поля катушки на другие элементы схемы, а также для уменьшения влияния внешних полей на катушку индуктивности ее располагают внутри металлического экрана, как это показано на рис.3.

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. Его основное отличие от трансформаторов заключается в том, что в магнитной цепи магнитопровода делается воздушный зазор 0,05...0,1 мм. Наличие его предохраняет магнитную цепь от насыщения постоянным током, значения которого достаточно велики, так как дроссель включают в цепь последовательно с сопротивлением нагрузки.

Рис.3. Катушка индуктивности с металлическим корпусом. (1 - заглушка, 2 - экран, 3 - корпус, 4 - обмотка, 5 - каркас, 6 - подстроечный стержень, 7 - чашка сердечника, 8 - основание, 9 - заливка).

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.

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.

По своей форме катушки индуктивности подразделяются на три типа.

Тороидальная катушка. В этой катушке обмотка наносится на тороид (рис.4,а). Как правило, такие катушки имеют магнитный сердечник тороидальной формы с прямоугольным сечением; В этом случае магнитный поток концентрируется внутри сердечника, рассеяние в окружающую среду минимально.

Цилиндрическая катушка. В этом случае обмотка наносится на цилиндрический каркас из диэлектрического материала или на магнитный сердечник с круглым или прямоугольным сечением (рис.4,б). В цилиндрической катушке (соленоиде) даже при наличии магнитного сердечника часть средней длины силовых линий магнитного поля проходит через окружающую немагнитную среду.

Плоская катушка. Эта катушка представляет собой спираль, в которой витки расположены в одной плоскости (рис.4, в).

Рис.4. Конструкции катушек индуктивности:

а - тороидальная; б - цилиндрическая; в - плоская

В плоской катушке для уменьшения габаритных размеров иногда используют ферритовые сердечники в форме диска.

При расчете индуктивности катушек с магнитными сердечниками следует учитывать частотную зависимость магнитной проницаемости используемого материала, обусловленную влиянием вихревых токов.

1.3 Индуктивность и собственная емкость катушек индуктивности

Индуктивность является основным параметром катушки индуктивности. Ее значение [мкГн] определяется соотношением:

где - число витков; - диаметр катушки, см; - коэффициент, зависящий от отношения длины катушки к ее диаметру .

Для однослойных катушек величина определяется соотношением

Оптимальными в этом случае являются отношение , а диаметр катушки в пределах от 1 до 2 см. При расчете диаметр катушки принимают равным диаметру каркаса .

Для многослойных катушек величина зависит не только от отношения , но и от отношения толщины намотки к диаметру катушки . В этом случае величину определяют по графикам (рис.5), а внешний диаметр катушки принимают равным

.

При расчете катушки индуктивности предварительно задают геометрические размеры катушки и определяют коэффициент , а затем по заданной величине индуктивности находят число витков:

где указывается в микроГенри, а - в сантиметрах.

Для намотки катушки обычно применяют провод оптимального диаметра, позволяющий создать катушку индуктивности с наименьшими потерями. Оптимальный диаметр провода установлен на основе многочисленных экспериментальных разработок. Поэтому расчет катушек индуктивности ведут с помощью эмпирических формул и графиков. По графику находят вспомогательный коэффициент (рис.6).

Рис.5. Нормировочные кривые для определения .

Далее рассчитывают коэффициент

где берется в микроГенри, а - в сантиметрах. Затем рассчитывают коэффициент :

,

где - частота, Гц. После этого по графику находят вспомогательный коэффициент (рис.7) и рассчитывают оптимальный диаметр провода [мм]:

Рис.6. График для определения вспомогательного коэффициента .

Полученное значение диаметра провода округляют до ближайшего стандартного значения и выбирают марку провода.

Рис.7. Нормировочная кривая для определения .

Многослойные катушки обычно выполняют с сердечниками броневого типа, при использовании которых большая часть силовых линий магнитного поля катушки замыкается через сердечник, а меньшая - через воздух, вследствие чего влияние экрана на индуктивность катушки значительно ослабляется.

Применение сердечников из магнитных материалов позволяет уменьшить число витков катушки индуктивности и, соответственно, ее габариты. Основным параметром сердечника является магнитная проницаемость . При наличии сердечника индуктивность катушки становится равной

Поскольку в расчетные формулы входят эмпирические коэффициенты, то индуктивность изготовленной катушки отличается от расчетной. Применение подстроечных магнитных сердечников позволяет получить требуемое значение индуктивности. Собственная емкость является паразитным параметром катушки индуктивности, ограничивающим возможности ее применения. Возникновение собственной емкости обусловлено конструкцией катушки индуктивности: емкость существует между отдельными нитками катушки, между нитками и сердечником, нитками и экраном, нитками и другими элементами конструкции. Все эти распределенные емкости можно объединить в одну, называемую собственной емкостью катушки С. Наименьшей собственной емкостью обладают однослойные катушки индуктивности. Приближенно ее рассчитывают по формуле:

,

где - диаметр катушки, см. Обычно собственная емкость не превышает 1 - 2 пФ. Собственная емкость многослойных катушек значительно больше. При многослойной рядовой намотке она достигает 30 пФ; при намотке «внавал» она несколько меньше. Существенное уменьшение емкости многослойных катушек достигается при использовании универсальной обмотки, при выполнении которой провод укладывается под некоторым углом к образующей цилиндрического каркаса. Схема такой намотки показана на рис.8. Как только провод доходит до края катушки, направление укладки меняется. Цикл универсальной обмотки выбирается таким, что, совершив один оборот вокруг каркаса, провод возвращается в положение, отличающееся от исходного на угол . Этот угол выбирается таким, чтобы каждый последующий виток находился рядом с предыдущим.

Угол , под которым осуществляется укладка провода, находится из соотношения

где - осевая длина катушки; - диаметр витка.

Рис.8. Универсальная обмотка многослойных катушек.

Наименьшее значение угла получается для витков, имеющих наименьший диаметр, равный диаметру каркаса . Обычно при использовании универсальной обмотки длину катушки принимают в пределах от 2 до 10 мм.

В процессе работы на катушку действуют различные внешние факторы: температура, влага и другие, влияющие на ее индуктивность. Наиболее существенным является влияние температуры, которое оценивают температурным коэффициентом

.

Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличиваются длина и диаметр провода обмотки, увеличиваются длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков; кроме того, при изменении температуры изменяется диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведет к изменению собственной емкости катушки.

Для повышения температурной стабильности применяют каркасы из материала с малым значением коэффициента линейного расширения. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяет керамика. Повышению температурной стабильности катушек способствует прочное сцепление обмотки с каркасом. С этой целью обмотку выполняют методом вжигания серебра в керамический каркас. В этом случае изменение размеров токопроводящего слоя определяется только линейным расширением каркаса. Такие катушки индуктивности имеют . Стабильность многослойных катушек существенно хуже, так как в них невозможно избежать изменения линейных размеров провода обмотки. Многослойные катушки имеют .

Высокой стабильностью () обладают короткие соленоиды без магнитных сердечников.

1.4 Потери в катушках индуктивности

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным и равным . Наличие паразитных эффектов ведет к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь , которое определяет добротность катушки индуктивности:

.

Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране. Потери в проводах вызваны тремя причинами.

Во-первых, провода обмотки обладают омическим сопротивлением

,

где -- длина провода обмотки; -- диаметр провода; -- удельное сопротивление.

Это сопротивление [Ом] можно выразить через число витков и средний диаметр катушки :

,

где , см; -- диаметр провода, см.

Во-вторых, сопротивление провода обмотки переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено поверхностным эффектом, суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения (рис.9), ширина которой равна [мм]

Рис.9. Поверхностный эффект в сечении проводника

,

где -- частота, МГц, -- удельное сопротивление, мкОм.м.

Вследствие этого провод длиной имеет сопротивление переменному току, равное

где -- площадь кольца, которая равна

где .

После преобразования получаем:

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 течет ток, принимает серповидный характер, что ведет к дополнительному возрастанию сопротивления провода (рис. 10).

Сопротивление , обусловленное эффектом близости, прямо пропорционально диаметру провода, а сопротивление , обусловленное поверхностным эффектом, обратно пропорционально диаметру провода (рис. 11).

Рис.10. Эффект близости в проводнике.

Существует оптимальный диаметр провода , при котором сопротивление провода току высокой частоты , оказывается минимальным. Для однослойных катушек , для многослойных . Существенно уменьшить потери в проводах можно, применяя провод «литцендрат», состоящий из большого числа жилок, скрученных в жгут. При небольшом диаметре тонких жилок ослабляется поверхностный эффект, а скручивание жилок в жгут ослабляет эффект близости.

Рис.11. Зависимость сопротивления проводника от поверхностного эффекта и эффекта близости

Расчет сопротивления проводят по эмпирическим формулам. Предварительно рассчитывают вспомогательный коэффициент

где -- частота, Гц; -- диаметр провода, см.

Затем по таблице 1 находят коэффициенты и . После этого по графику (рис. 12) определяют вспомогательный коэффициент , зависящий от геометрии катушки.

Сопротивление провода катушки току высокой частоты рассчитывают по следующему соотношению

где - наружный диаметр катушки, [см]; - диаметр провода, [см].

Таблица 1. Определение коэффициентов F(z) и G(z)

№ пп	Z	F(z)	G(z)
1.	0,5	1	0,001
2.	0,6	1	0,002
3.	0,7	1	0,004
4.	0,8	1	0,006
5.	0,9	1	0,01
6.	1	1,01	0,015
7.	1,5	1,03	0,07
8.	2	1,08	0,17
9.	2,5	1,18	0,3
10.	3	1,3	0,4
11.	4	1,7	0,6
12.	5	2	0,8
13.	7,5	2,9	1,2
14.	10	3,8	1,6
15.	20	7,3	3,4
16.	25	9,1	4,3
17.	50	18	8,2
18.	100	36	18

Рис.12. Нормировочный график зависимости коэффициента от диаметра катушки.

Если однослойная катушка намотана проводом оптимального диаметра и параметр , то сопротивление можно определить по формуле

где и указываются в сантиметрах, -- в мегагерцах.

Потери в диэлектрике обусловлены тем, что между соседними нитками катушки существует емкость, имеющая две составляющих -- емкость через воздух и емкость через диэлектрик (рис. 13).



Рис.13. Потери в диэлектрике, возникающие в катушках индуктивности.

Потери в диэлектрике учитывают величиной , зная которую можно рассчитать сопротивление потерь

где указывается в пикофарадах, - в микроГенри, - в мегаГерцах. катушка индуктивность проводник трансформатор

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи , потерь на гистерезис . и начальных потерь , и учитываются как тангенс угла потерь в сердечнике:

В справочниках приводят значения для различных типов сердечников. Сопротивление потерь определяют по формуле

.

Потери в экране обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране. Потери, вносимые экраном, определяют по формуле

где - диаметр экрана, [см], - длина экрана, [см], - частота, [МГц].

Величину определяют по графику, представленному ранее на рис. 2.27.

Таким образом, суммарное сопротивление потерь в катушке индуктивности, определяющее ее добротность, равно

Практически значение 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. С учетом потерь и паразитной емкости катушку индуктивности можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 14, а), где . Эта схема может быть приведена к более удобному виду (рис. 14, 6), где - эквивалентная индуктивность, учитывающая собственную емкость.

Величины и , а, следовательно, добротность



зависят от температуры.

Рис.14. Эквивалентная схема катушки индуктивности.

Зависимость от температуры определяется температурным коэффициентом добротности

.

Особенно важно иметь высокую в контурных катушках индуктивности, так как от этого зависит точность настройки колебательного контура в резонанс.

Можно указать следующие пути увеличения добротности катушек индуктивности.

1. Уменьшение собственной емкости за счет применения универсальной обмотки, секционирования, использования изоляционных материалов с малыми диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь. Например, в катушках УКВ-диапазона часто используется провод без изоляции, намотанный с принудительным шагом на цилиндрический каркас, изготовленный из полиэтилена, полисторола или высокочастотной керамики. Иногда для повышения температурной стабильности провод нагретым укладывают в спиральную канавку на поверхности каркаса.

2. Увеличение диаметра витков катушки. Расчет показывает, что для получения требуемой индуктивности при большем можно уменьшить число витков в катушке. Одновременно становится меньше эффект близости, а это вызывает уменьшение сопротивления обмотки и, соответственно, увеличение . Наибольший эффект получается в коротких цилиндрических катушках с универсальной намоткой.

3. Изготовление обмотки из литцендрата - многожильного провода, состоящего из большого числа тонких изолированных друг от друга медных проводников, свитых в один жгут. Из-за малого диаметра отдельных жил поверхностный эффект проявляется слабо, и на частотах до 2... 3 МГц сопротивление обмотки из литцендрата оказывается ниже, чем сопротивление сплошного провода. Однако на более высоких частотах между отдельными жилами возникает заметная емкостная проводимость, а также возрастают потери в изоляции жил. Поэтому использования литцендрата наиболее эффективно на частотах до 1,0 ... 1,5 МГц, где повышение добротности за счет применения этого провода может достигать 30 ... 40 %.катушка индуктивность проводник трансформатор

4. Использование в катушках магнитных сердечников из материалов с высоким значением и малыми магнитными потерями в рабочем диапазоне частот. В случае применения магнитного сердечника заданная индуктивность достигается при меньшем числе витков обмотки, что снижает сопротивление обмотки и уменьшает емкость катушки. В конечном итоге это приводит к увеличению . Однако одновременно возникают магнитные потери, особенно заметные на высоких частотах. Эффективность применения сердечников с точки зрения повышения добротности катушки в рабочем интервале частот во многом зависит от правильного выбора магнитного материала.

Добротность катушек, прежде всего имеющих магнитные сердечники, зависит также от температуры.

1.5 Основные параметры катушек индуктивности и разновидности катушек индуктивности

К основным параметрам катушек индуктивности относятся:

Номинальная индуктивность катушки (значение индуктивности, являющееся исходным для отсчета отклонений).

Допускаемое отклонение индуктивности катушки (разность между предельным и номинальным значениями индуктивности).

Номинальная добротность катушки индуктивности (значение добротности при номинальном значении индуктивности).

Эффективная индуктивность (значение индуктивности, определенное с учетом влияния собственной емкости, собственной индуктивности и изменения начальной проницаемости сердечника).

Начальная индуктивность (значение индуктивности, определенное на низкой частоте, где отсутствует влияние собственной емкости).

Температурный коэффициент индуктивности катушки (TKL) - отношение относительного изменения индуктивности к интервалу температур, вызвавшему это изменение.

Температурная нестабильность индуктивности катушки (относительное изменение индуктивности, вызванное изменением температуры).

Температурный коэффициент добротности (ТКД) - отношение относительного изменения добротности к интервалу температур , вызвавшему это изменение:



Собственная емкость катушки индуктивности (электрическая емкость) составляющая с ее индуктивностью резонансный контур, измеренная на частоте собственного резонанса.

Рабочий диапазон температур (максимальная и минимальная температуры). Для дросселей, используемых в цепях питания, важны: ток подмагничивания, индуктивность, сопротивление обмотки дросселя постоянному току.

Контурные катушки индуктивности используют совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность. В диапазоне длинных и средних волн эти катушки многослойные, как правило, с намоткой типа «универсаль». Для повышения добротности применяют многожильные провода типа «литцендрат». Для изменения индуктивности применяют цилиидрические сердечники из альсифера или карбонильного железа.

В диапазоне коротких и ультракоротких волн используют однослойные катушки с индуктивностью порядка единиц микроГенри и добротностью порядка 50 - 100. Число витков таких катушек не превышает одного - двух десятков, диаметр каркаса 10 - 20 мм. В качестве каркасов используют керамику, полиэтилен и полистирол. Для уменьшения собственной емкости применяют ребристые каркасы. Обмотку выполняют одножильным медным проводом диаметром около 1 мм. На УКВ применяют бескаркасные катушки из неизолированного провода.

Катушки связи применяют для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет, например, разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т. д. К таким катушкам не предъявляют жестких требований по добротности и точности, поэтому их выполняют из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи

где и - индуктивность связанных катушек, - взаимная индуктивность между ними. Значение коэффициента связи зависит от расстояния между катушками - чем оно меньше, тем больше .

Вариометры. Это такие катушки, в которых предусмотрена возможность изменения индуктивности в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединенных последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется значение взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра:

Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 - 5 раз.

Дроссели. Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Обычно включаются в цепях питания усилительных устройств. Предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов. На низких частотах используют в фильтрах цепей питания. Они обычно имеют металлические сердечники.

Катушки индуктивности для ГИС. На частотах порядка 10 - 100 МГц находят применение тонкопленочные спиральные катушки. На площади в 1 см2 располагается не более 10 витков. Добротность таких катушек не превышает 20 - 30. Поэтому они находят ограниченное применение. В ГИС предпочтительнее миниатюрные тороидальные катушки на ферритовых сердечниках. Индуктивность таких катушек достигает десятков тысяч микроГенри.

В последнее время наметилась тенденция замены катушек индуктивности специальными схемами на транзисторах (гираторы) и электромеханическими, пьезоэлектрическими и акустоэлектронными фильтрами, основанными на принципе механических упругих колебаний и механического резонанса. Скорость распространения упругих колебаний в твердом теле примерно в 100 тысяч раз меньше скорости распространения электромагнитных волн, что позволяет создавать очень компактные механические резонаторы с распределенными параметрами, обладающие добротностью порядка 103 . Развитие микроэлектроники привело к появлению фильтров на приборах с зарядовой связью и фильтров на поверхностных акустических волнах. Кроме того, в ИМС широкое применение находят активные RC - фильтры, в которых используют операционные усилители с глубокой частотно-зависимой обратной связью.

Глава 2. Трансформаторы

Трансформаторами называются статические устройства, обеспечивающие преобразования параметров переменных напряжений и токов. Трансформаторы позволяют: изменять уровни и фазу напряжений (токов); согласовывать сопротивления источника сигнала и нагрузки; разделять цепи по постоянному току; изменять форму переменного напряжения (тока). В настоящее время преимущественно применяются электромагнитные трансформаторы, принцип работы которых основан на преобразовании энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратном преобразовании последней. Тем самым осуществляется передача электрической энергии из одной цепи в другую.

Трансформаторы представляют собой электромагнитные устройства, имеющие две или большее число индуктивно - связанных обмоток и предназначенные для изменения значений переменного напряжения и тока. Трансформатор состоит из ферромагнитного магнитопровода (сердечника) и расположенных на нем обмоток. Обмотка, подключаемая к источнику преобразуемого напряжения, называется первичной, а обмотки, к которым подключены потребители электрической энергии, - вторичными. Трансформатор с двумя обмотками (первичной и вторичной) может выполнять две основные функции:

* преобразование величины переменного напряжения без изменения его частоты;

* электрическая развязка и согласование сопротивлений цепей первичной и вторичной обмоток.

2.1. Классификация трансформаторов

В зависимости от назначения трансформаторы подразделяют на трансформаторы питания, согласующие и импульсные.

Импульсные трансформаторы используются для формирования или преобразования импульсных сигналов.

Наибольшее распространение получили трансформаторы питания, в которых используются несколько вторичных обмоток, что позволяет получить от единой питающей сети набор напряжений различной величины.

Трансформаторы питания применяют в блоках питания радиоустройств и служат для получения переменных напряжений, необходимых для нормального функционирования аппаратуры. Условно их подразделяют на маломощные (выходная мощность до 1 кВт) и мощные (выходная мощность более 1 кВт), низковольтные (напряжение на обмотках не превышает 1000 В) и высоковольтные. Кроме того, трансформаторы питания дополнительно классифицируют по частоте преобразуемого напряжения. По конструкции к трансформаторам питания близки дроссели. По существу, это однообмоточные трансформаторы, предназначенные для последовательного включения в цепи пульсирующего тока в целях устранения пульсаций этого тока.

Согласующие трансформаторы предназначены для изменения уровня напряжений (токов) электрических сигналов, несущих полезную информацию. Они позволяют согласовать источник сигналов с нагрузкой при минимальном искажении сигнала. Вместе с активными элементами (транзисторами, лампами) они входят в состав устройств, усиливающих электрические колебания в широкой полосе частот. Различают входные, межкаскадные и выходные трансформаторы. Входные трансформаторы включают на входе усилительного устройства для согласования выходного сопротивления источника сигналов, например микрофона, с входным сопротивлением усилителя. Так как уровень входных сигналов сравнительно невелик, то эти трансформаторы должны быть хорошо защищены от воздействия внешних магнитных полей. Межкаскадные трансформаторы согласуют выходное сопротивление предыдущего каскада с входным сопротивлением последующего. Выходные трансформаторы согласуют выходное сопротивление усилителя с внешней нагрузкой. Выходные трансформаторы доли обеспечивать передачу большой мощности от усилителя в нагрузку.

Импульсные трансформаторы предназначены для формирования и трансформации импульсов малой длительности. Основным требованием, предъявляемых к импульсным трансформаторам, является требование малых искажений форм трансформируемого импульса.

Несмотря на различие функций трансформаторов, основные физические процессы, протекающие в них, одни и те же. Поэтому трансформаторы различного схемного назначения имеют однотипное устройство.

Различают: трансформаторы питания электронной аппаратуры и сигнальные трансформаторы.

Трансформаторы питания электронной аппаратуры -- это трансформаторы малой мощности, предназначенные для преобразования напряжения электрической сети в напряжения, необходимые для питания электронных устройств.

Сигнальные трансформаторы - это трансформаторы малой мощности, предназначенные для точной передачи, преобразования и запоминания электрических сигналов. Их подразделяют на входные (обеспечивающие согласование входных сопротивлений электронных узлов и источников сигнала), выходные (обеспечивающие согласование выходных сопротивлений электронных устройств с сопротивлениями нагрузок) и импульсные (обеспечивающие преобразование и формирование импульсных сигналов).

В бытовой и радиолюбительской РЭА наибольшее распространение получили малогабаритные трансформаторы с выходной мощностью до 4 кВ * А.

По рабочей частоте трансформаторы подразделяют:

пониженной частоты (ниже 50 Гц);

промышленной частоты (50 Гц);

повышенной промышленной частоты (400, 1000 Гц);

повышенной частоты (до 10000 Гц);

высокой частоты (свыше 10000 Гц).

По электрическому напряжению трансформаторы можно разделить на низковольтные, у которых напряжение любой обмотки не превышает 1000 В, и высоковольтные, у которых напряжение любой обмотки превышает 1000 В.

По количеству обмоток трансформаторы делят на однообмоточные, двухобмоточные и многообмоточные. Однообмоточный трансформатор называется автотрансформатором, гальванической развязки между входной и выходной цепью у него нет. Двухобмоточный трансформатор имеет одну первичную и одну вторичную обмотки. У многообмоточных трансформаторов несколько вторичных обмоток.

По виду используемого магнитного сердечника различают трансформаторы с пластинчатым, ленточным и прессованным сердечниками.

Пластинчатый сердечник (рис. 15, а) представляет собой набор штампованных (до 0,65 мм) одинаковых пластин. Ленточный с толщиной ленты до 0,1 мм - витую конструкцию (рис. 15, б).

Прессованный сердечник получают из магнитных порошков путем прессовки (рис.15, в).

Рис.15. Конструкция сердечников трансформаторов: а - пластинчатый; б - ленточный; в -- прессованный

В последнее время наибольшее применение получили ленточные и прессованные сердечники, позволяющие эффективнее использовать свойства магнитных материалов.

Ленточные сердечники имеют меньшие потери, а, следовательно, позволяют получить больший коэффициент полезного действия трансформатора.

Прессованные сердечники дешевле пластинчатых и ленточных, в то же время они имеют и свои недостатки: значительную зависимость индукции от температуры, пропитки и заливки обмоток, подверженность механическим воздействиям. Прессованные сердечники применяются на относительно высоких частотах (более 10 кГц).

По конструктивному исполнению трансформаторы подразделяются на броневые, стержневые и тороидальные (кольцевые).

Магнитопровод броневого трансформатора выполняется либо из Ш - образных пластин, либо из двух ленточных колец , все обмотки располагаются на среднем стержне. Достоинствами этих трансформаторов являются: наличие одной катушки, более высокое заполнение окна магнитопровода, частичная защита катушки от механических повреждений.

Рис.16. Сердечники броневого трансформатора: а - из штампованных пластин; б - из ленточных колец



Рис.17. Сердечники стержневого трансформатора: а - из штампованных пластин; б - из двух половин ленточного кольца

Магнитопровод стержневого сердечника выполнен либо из П - образных пластин, либо из одного ленточного кольца (рис.17.). В этих трансформаторах катушки располагаются на обоих стержнях. При этом на каждом стержне помещается половина витков первичной и половина витков вторичной обмоток. Они соединяются между собой последовательно так, чтобы намагничивающие силы этих полуобмоток совпадали по направлению. Стержневые трансформаторы менее чувствительны к внешним магнитным полям. Недостатком их является наличие двух катушек.

Для надевания катушек на магнитопроводы броневых и стержневых сердечников последние делают разборными. Сборка магнитопроводов для трансформаторов осуществляется таким образом, чтобы магнитная цепь была замкнута (отсутствовал немагнитный зазор).

2.2 Магнитопроводы трансформаторов

Магнитопроводы служат для того, чтобы обеспечить более полную связь между первичной и вторичной обмотками и увеличения магнитного потока. Выбор материала магнитопровода зависит от назначения и свойств трансформатора. Для трансформаторов питания широкое распространение получили холоднокатаные стали марок 3411 - 3424. В этих сталях при холодной прокатке кристаллы ориентируются вдоль направления проката, благодаря чему удается получить более высокую индукцию и меньшие потери.

Для трансформаторов применяют три типа магнитопроводов: стержневой, броневой и кольцевой. По конструкции броневые сердечники подразделяют на сердечники, собранные из штампованных пластин, и ленточные.

Трансформаторы со стержневым магнитопроводом (рис. 18, а и б) имеют неразветвленную магнитную цепь, на двух его стержнях располагают две катушки с обмотками. Такую конструкцию используют обычно для трансформаторов большой и средней мощности, так как наличие двух катушек увеличивает площадь теплоотдачи и улучшает тепловой режим обмоток. Трансформаторы с броневым сердечником (рис. 18, в и г) имеют разветвленную магнитную цепь, обмотки в этом случае размещают на центральном стержне магнитопровода. Такие магнитопроводы используют в маломощных трансформаторах.

Пластинчатые магнитопроводы (рис. 18, а и в) собирают из отдельных штампованных Ш - образных или П - образных пластин толщиной 0,35 - 0,5 мм и перемычек. При сборке встык все пластины составляют вместе и соединяют перемычками.

Магнитопровод в этом случае состоит из двух частей, что позволяет получить воздушные зазоры в магнитной цепи, необходимые для нормальной работы трансформаторов, у которых через обмотки помимо переменного тока протекает постоянный ток. При сборке внахлест пластины чередуются так, чтобы у соседних пластин разрезы были с разных сторон, что обеспечивает отсутствие воздушного зазора в магнитопроводе. При этом уменьшается его магнитное сопротивление, однако возрастает трудоемкость сборки. Для уменьшения потерь на вихревые токи пластины изолируют друг от друга слоем оксидной пленки, лаковым покрытием или склеивающей суспензией.



Рис.18. Трансформаторы со стержневым и броневым магнитопроводами.

Ленточные магнитопроводы (рис. 18, б и г) получают путем навивки ленты трансформаторной стали толщиной 0,1 - 0,3 мм, после чего витой сердечник разрезают и получают два С - образных сердечника, на один из которых устанавливают катушки с обмотками, а затем вставляют второй С - сердечник. Для получения минимального немагнитного зазора в магнитопроводе торцы сердечников склеивают пастой, содержащей ферромагнитный материал. Если необходим зазор, то в месте стыка двух сердечников устанавливают прокладки из бумаги или картона требуемой толщины. В случае броневого ленточного сердечника применяют одну катушку с обмотками и четыре С - образных сердечника. Ленточная конструкция сердечников позволяет механизировать процесс изготовления трансформаторов. При этом трудоемкость процесса установки сердечника в катушку снижается, а отходы материалов сокращаются. Потери в ленточных сердечниках меньше, чем в пластинчатых. Это объясняется тем, что в пластинчатых сердечниках магнитные силовые линии часть пути проходят перпендикулярно направлению проката, а в ленточных сердечниках линии поля расположены вдоль направления проката по всей длине магнитопровода.

Трансформаторы на тороидальных сердечниках (рис.18, д ) наиболее сложные и дорогие. Основными преимуществами их являются очень незначительная чувствительность к внешним магнитным полям и малая величина потока рассеяния. Обмотки в трансформаторе наматывают равномерно по всему тороиду, что позволяет еще более уменьшить магнитные потоки рассеяния

Расчет трансформатора в общем случае представляет задачу, в которой число неизвестных больше числа связывающих их уравнений. Ввиду этого приходится задаваться некоторыми исходными электромагнитными и конструктивными величинами на основе опыта ранее спроектированных трансформаторов. В настоящее время для многих условий разработаны унифицированные трансформаторы. Поэтому необходимо определить возможность применения этих трансформаторов для заданных условий и требований. Если это не удается, то исходя из условий работы, должна быть определена конструкция трансформатора, выбран материал сердечника, определены числа витков обмоток, диаметры их проводов и другие параметры неунифицированного трансформатора. При этом, как правило, должны быть учтены требования к определенным технико-экономическим показателям, которые зависят от назначения трансформатора. При проектировании трансформаторов для летательных аппаратов они должны иметь минимальные удельные массу и объем. Требованию наименьшей стоимости должны отвечать трансформаторы стационарной аппаратуры, выпускаемой большими сериями, и т. д.

Инженерный расчет трансформатора состоит из четырех этапов:

выбор типа трансформатора и его принципиальной конструкции;

выбор и расчет магнитопровода с определением его основных размеров;

электрический, конструктивный расчеты;

поверочный расчет.

В проектировании трансформатора любого назначения существенным является выбор магнитопровода, эта операция сводится к решению следующих двух задач: выбор типа, конструкции, материала магнитопровода; выбор (расчет) типоразмера магнитопровода.

После электрического и конструктивного проводят поверочный расчет: уточнение токов, падения напряжения на обмотках, значения магнитной индукции, определение температуры перегрева. Если требуемые параметры обеспечить не удается, то выбирают следующий больший типоразмер магнитопровода и повторяют расчет.

Сигнальные трансформаторы, обеспечивающие точную передачу аналоговых информационных сигналов, проектируют так, чтобы вносимые ими частотные и нелинейные искажения не превышали заданных при коэффициентах трансформации, требуемых для согласования сопротивлений источников сигнала и нагрузок. Частотные искажения сигнала наблюдаются как в области низких, так и в области высоких частот. В области низких частот они обусловлены малым значением сопротивления взаимоиндуктивности, в результате чего определенная часть электрического тока, созданного входным сигналом, ответвляется в нее. В области высоких частот частотные искажения обусловлены наличием у обмоток индуктивностей рассеивания, электромагнитными потерями в магнитопроводе, а также наличием у обмоток и между обмотками паразитных емкостей. Учесть емкости достаточно сложно из-за того, что они имеют распределенный характер и существенно меняются в зависимости от технологии изготовления обмоток. Но с их наличием приходится считаться.

2.3 Физические основы функционирования трансформаторов

В общем случае любой трансформатор имеет, по крайней мере, две индуктивно связанные обмотки: первичную с числом витков и индуктивностью и вторичную с числом витков .

Особенностью трансформаторов является использование в них (для увеличения индуктивной связи между обмотками) магнитопроводов из магнитомягких сталей, сплавов или ферритов, образующих замкнутую магнитную цепь.

Функционирование трансформаторов основано на связи цепей через магнитный поток (рис. 19).

При подключении к первичной обмотке, имеющей витков, переменного напряжения в ней появляется переменный ток и возникнет магнитный поток , который в основном будет замыкаться через магнитопровод и пронизывать нитки как первичной, так и вторичной обмотки, имеющей витков, в результате чего в первичной обмотке индуцируется ЭДС , а во вторичной - . Наличие ЭДС вызовет появление тока во вторичной обмотке, и на нагрузочном резисторе появится напряжение .

Рис.19. Функционирование трансформаторов через магнитный поток.

Ток создаст магнитный поток , направленный навстречу потоку , в результате чего в магнитопроводе установится результирующий магнитный поток . Незначительная часть потока, создаваемого током , замыкается не через магнитопровод, а через воздух. Этот поток называется потоком рассеяния , точно так же существует поток рассеяния вторичной обмотки . В правильно сконструированном трансформаторе потоки рассеяния ничтожно малы, и ими можно пренебречь.В соответствии со вторым законом Кирхгофа напряжение должно быть равно сумме падений напряжений на активном сопротивлении провода первичной обмотки и двух ЭДС, обусловленных потоками и , сцепленными с первичной обмоткой:

...