В малогабаритной УКВ аппаратуре относительно много места на плате занимают контурные катушки И ВЧ дроссели. Часто именно они определяют габаритную высоту монтажной платы. В некото рых случаях может оказаться целесообразным примене ние плоских катушек - печатных и проволочных. Основой для печатных ВЧ катушек чаще всего служит спе циальная высокочастотная Керамика. Технология произ водства таких катушек непригодна для любительских условий. Однако, как показывает практика, до частот 80-100 МГц вполне удовлетворительные результаты могут быть получены при использовании катушек, изготовленных из фольгированного стеклотекстолита способом травления. Применение для печатных катушек фольгироваиного фторопласта позволяет отодвинуть частотный предел до 200-300 МГц. Плоские проволочные катушки обладают удовлетвори тельной механической прочностью, относительно неболь шой собственной емкостью, простотой изготовления и могут применяться на частотах до 10 МГц. Существен ное увеличение индуктивности и добротности плоских печатных и проволочных катушек может быть получено, если с одной или обеих сторон на катушку наложить ферритовые пластины. Изменяя расстояние между ка тушкой и пластиной (набором немагнитных прокладок или иным путем), можно изменять индуктивность катушки. Можно регулировать индуктивность в некото рых пределах с помощью флажка из немагнитного ме талла (меди или алюминия), перемещающегося вблизи катушки параллельно ей. Проволочные катушки удобно наклеивать непосредст венно на плату или на отдельную пластину, прикрепляе мую к плате. Печатные катушки могут быть произвольной формы. «Заземлять» на плате следует вывод наруж ного витка - в этом случае он играет роль экрана. Можно дополнительно экранировать печатную катушку еще одним наружным незамкнутым витком, соединяе мым с общим проводом устройства. Примеры выполнения катушек показаны на фото.
Рассчитать катушки с достаточной для радиолюбителя точностью можно с помощью номограмм. Порядок расчета печатных и проволочных катушек аналогичен, разница состоит в том, что ширине печатной дорожки печатной катушки соответствует диаметр по меди провода проволочной катушки, а ширине зазора между дорожками - двойная толщина изоляции провода.
Конструктивные размеры катушек показаны на рис. 1, а и б. Номограммы для расчета изображены на рис. 2 и 3. В качестве примера ниже рассмотрен расчет круглой печатной катушки (без сердечника} индуктивностью 0,64 мкГ. Наибольший наружный диаметр D катушки выбираем равным 20 мм, наименьший внутренний d = 8 мм. Необходимо найти число витков w, ширину печатной дорожки S и расстояние Sr между центрами С1 и С2 полуокружностей катушки. Номограмма для расчета круглых катушек представлена на рис. 2. Вычисляем: D + d=20 + 8 = 28 мм = = 2,8 см: D/d = 20:8 = 2,5. На шкалах "D+d" и "D/d" находим соответствующие точки и соединяем их прямой (на рис. 2 - штриховая линия). Через точку пересечения этой прямой с неоцифрованной вспомогательной линией и точку на шкале «L», соответствующую заданной индуктивности L = 0,64 мкГн, проводим прямую до пересечения со шкалой «w», по которой и отсчитываем искомое число витков - 6,5. Значения D + d, D/d или L на шкалах номограммы можно увеличить (умень шить) в 10 или 100 раз, при этом значения w будут со ответственно изменяться в корень из 10 и корень из 100 раз. Ширину S, мм, печатного проводника вычисляем по формуле: S>=Sr = (D - d)/4w; диаметр по изоляции провода проволочной катушки - dиз = (D - d)/2w. Полученный результат округляем до ближайшего боль шего значения ряда 0,5; 0,75; 1.0; 1.25; 1,5 мм и т. д. Sr= (20-8)/4х6,5=0,46; S=0,5 мм. При малых значениях Sr следует принимать Sr = S Для прово лочных катушек dиз округляем до ближайшего стандарт ного диаметра провода по изоляции. Рисунок катушки наносят на фольгированный стекло текстолит циркулем, в который установлен рейсфедер, наполненный химически стойкой краской. Верхние полу окружности (см. рис. 1а) проводят из центра С1, а нижние -- из С2. Расстояние Sr следует выдерживать с возможно большей точностью. После высыхания кра ски катушку травят, как обычно, в растворе хлорного железа. Печатные катушки квадратной формы рассчитывают по номограмме, показанной на рис. 3. Более точные ре зультаты расчета плоских катушек можно получить аналитически, пользуясь формулами, по которым построены номограммы. Эти формулы приведены на рис. 2 и 3. Размерность величин в формулах соответствует ука занной на номограммах. Значения функций "фи" (D/d и f(а/А) сведены в табл. 1 и 2. Проволочные плоские катушки наматывают на разборном каркасе между двумя щечками, укрепленными на стержне. Диаметр сердечника каркаса должен быть равен внутреннему диаметру катушки, а расстояние между щечками - диаметру провода по изоляции. В процессе намотки провод смачивают клеем БФ~2. Щечки должны быть изготовлены из материала, имеющего плохую адгезию к клею (фторопласт, винифлекс). Каркас разбирают после окончания сушки клея. Изго товленные катушки клеят либо непосредственно к плате, либо к пластине из феррита, укрепленной на плате. Катушки, изображенные в заголовке статьи, имеют следующие измеренные параметры: круглая печатная (D = 40 мм) - индуктивность 1,4 мкГн, добротность 95; квадратная (А = 30 мм) - 0,9 мкГн и 180, проволочные верхняя (D=15 мм, провод ПЭВ-1 0,18) - 7,5 мкГн и 48; средняя (D= 11,9 мм, провод ПЭВ-2 0,1) - 9,5 мкГн и 48 и нижняя (D =9мм, провод ПЭЛ 0,05) - 37 мкГн и 43
Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в устройствах, в которых необходимы катушки индуктивности. Достигаемый технический результат - повышение добротности без увеличения плотности магнитного потока или индуктивности. Плоская катушка индуктивности с повышенной добротностью, вблизи которой размещен слой магнитного материала, характеризуется тем, что слой магнитного материала, значение относительного тангенса магнитных потерь которого <10 -4 , расположен вплотную к внешней и/или внутренней границе, причем размеры вышеупомянутого слоя магнитного материала находятся в следующих пределах: высота h слоя магнитного материала, по меньшей мере, вдвое больше, чем толщина d катушки, а ширина w слоя магнитного материала составляет 5-10% от внутреннего радиуса b катушки. 1 табл., 3 ил.
Рисунки к патенту РФ 2523932
Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно - к способам повышения добротности катушек индуктивности, в частности плоской катушки индуктивности.
Плоские катушки индуктивности находят широкое применение в различных областях науки и техники: например, в технологии передачи энергии без проводов или в высокочастотных интегральных микросхемах . Большинство из таких приложений для своей успешной реализации требуют катушек индуктивности с наибольшей возможной добротностью . Геометрические размеры катушки индуктивности и рабочая частота обычно определяются конкретным практическим приложением. Ниже будем рассматривать способы увеличения добротности плоской катушки индуктивности с фиксированными размерами (внутренний и внешний радиусы) и фиксированной рабочей частотой.
Добротность катушки (или параметр катушки) определяется выражением , где - рабочая частота, L - индуктивность катушки, R - эффективное сопротивление. В это сопротивление вносят вклад 3 части: омическое сопротивление, потери в окружающей среде и потери на излучение. Далее будем рассматривать только квазистатический случай , где а - внешний радиус катушки, с - скорость света в окружающей среде. В этом случае можно пренебречь потерями на излучение. Кроме того, будем предполагать, что внутренний и внешний радиусы катушки индуктивности значительно больше глубины скин-слоя , хотя толщина d катушки может быть сравнима с ним. Типичные численные значения для описанных выше параметров f= / ~10MHz, a ~10 cm, ~10 µm. В рамках сделанных приближений основной задачей становится уменьшение омических потерь.
На частотах порядка 10 MHz потери в катушке главным образом обусловлены скин-эффектом и эффектом-близости. Эти эффекты приводят к тому, что электрический ток протекает главным образом по поверхности металла, вызывая уменьшение эффективной площади поперечного сечения проводника и, таким образом, приводя к увеличению сопротивления катушки. Типичное решение этой проблемы заключается в использовании литцендратной проволоки для изготовления катушки . Однако глубина скин-слоя ~10 µm на рассматриваемых частотах делает такой подход не эффективным: для уменьшения сопротивления проволоки с диаметром 1 мм в три раза необходимо использовать около 10 4 проволочек с диаметром менее 10 µm, см. .
Другой подход к повышению добротности (Q - фактора) плоской катушки индуктивности заключается в применении ферритовых элементов, помещаемых в непосредственной близости к выполненной способом травления на печатной плате плоской катушке индуктивности. Такое решение реализовано, например, в патенте США 7126443 , который выбран в качестве прототипа. В данном решении повышение добротности плоской катушки индуктивности достигается за счет увеличения плотности магнитного потока и индуктивности, при этом используются ферритовые элементы.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке усовершенствованной конструкции плоской катушки индуктивности с повышенной добротностью без увеличения плотности магнитного потока или индуктивности.
Технический результат достигается за счет применения нового подхода к повышению добротности катушки, основная идея которого состоит в уменьшении активного сопротивления плоской катушки индуктивности. При этом заявляется плоская катушка индуктивности, вблизи которой размещен слой магнитного материала, отличающаяся тем, что слой магнитного материала, значение относительного тангенса магнитных потерь которого <10 -4 , расположен вплотную к внешней или внутренней границе, причем размеры вышеупомянутого слоя магнитного материала находятся в следующих пределах: высота (h) слоя магнитного материала, по меньшей мере, вдвое больше, чем толщина (d) катушки, т.е. h/d>2; а ширина (w) слоя магнитного материала составляет 5-10% от внутреннего радиуса (b) катушки.
По сравнению с сопоставимыми аналогами такая конструкция обеспечивает повышение добротности ~ в 2 раза, она легче в практической реализации и может быть использована совместно с другими решениями по увеличению добротности.
Для плоской геометрии предложенная конструкция требует меньшего количества магнитных материалов и обеспечивает более высокие результаты.
Основные преимущества предложенной конструкции можно сформулировать следующим образом:
Легкость изготовления;
Возможность использования в комбинации с другими решениями по повышению добротности;
Работает в диапазоне высоких частот ( 1~20 MHz);
Требует меньшего количества магнитного материала (феррита).
Заявляемая конструкция, как уже было упомянуто выше, основана на использовании магнитных материалов, которые приводят к пространственному перераспределению плотности тока. Схема перераспределения детально описана ниже. Ключевая идея заключается в увеличении интенсивности магнитного поля В вблизи частей катушки с наибольшей плотностью тока. Более интенсивное переменное магнитное поле вызывает повышенную ЭДС, которая препятствует протеканию тока в близлежащих частях катушки индуктивности согласно правилу Ленца. Влияние этой ЭДС вызывает перераспределение плотности тока, поскольку возрастает эффективная площадь, через которую протекает ток, и, таким образом, ведет к уменьшению омических потерь. Однако стоит отметить, что наличие феррита также приводит к ненулевым потерям в окружающей среде, ввиду ненулевого тангенса магнитных потерь в этом материале. Это приводит к возрастанию эффективного сопротивления R катушки индуктивности. Для того чтобы суммарное изменение эффективного сопротивления катушки R было отрицательным, необходимо использовать магнитные материалы с наименьшим возможным тангенсом потерь. В этом случае добротность катушки будет возрастать, согласно формуле , где Q - показатель добротности катушки индуктивности, R - эффективное сопротивление катушки индуктивности, L - индуктивность катушки, - рабочая частота.
Также стоит отметить, что присутствие магнитных материалов изменяет пространственное распределение магнитного поля, приводя к увеличению индуктивности рассматриваемой катушки. Это обстоятельство также увеличивает добротность проектируемой катушки индуктивности и ведет к желаемому результату.
Ниже приводится детальное описание предложенной конструкции со ссылкой на чертежи.
Фиг.1 - зависимость плотности тока от расстояния поперек металлического витка в катушке индуктивности без феррита.
1 - ось симметрии;
14 - кривая радиального распределения плотности тока.
Фиг.2 (вид 2.1) - заявляемая конструкция катушки индуктивности с ферритовыми компенсаторами.
1 - ось симметрии;
2 - плоская катушка индуктивности;
3 - ферритовые компенсаторы.
Фиг.2 (вид 2.2) - зависимость плотности тока от расстояния поперек металлического витка в катушке индуктивности с ферритовым компенсатором.
4 - ось симметрии;
5 - плоская катушка индуктивности;
6 - ферритовые компенсаторы;
24 - кривая радиального распределения плотности тока.
Фиг.3 - схема катушки индуктивности с ферритовым компенсатором и дополнительными ферритовыми кольцами.
2 - плоская катушка индуктивности;
3 - ферритовые компенсаторы;
5 - ферритовые кольца.
Основной целью разработки заявляемой конструкции является обеспечение перераспределения плотности тока с помощью феррита так, чтобы уменьшить сопротивление катушки индуктивности. Для начала рассмотрим обычную плоскую катушку 2 без магнитных материалов. Легко убедиться, что распределение плотности 3 тока в этом случае очень неоднородно (см. Фиг.1). Это приводит к тому, что эффективная площадь поперечного сечения, через которое течет ток, мала и соответственно сопротивление катушки велико.
Для того чтобы уменьшить сопротивление, предлагается изменить распределение плотности тока на более однородное. Для этого в заявляемой конструкции ферритовый материал 4 помещен вплотную к внутреннему и/или внешнему краю катушки 2 индуктивности (см. Фиг.2). В отсутствие ферритового материала равновесное распределение тока (нулевая нормальная составляющая магнитного поля на поверхности металла) достигается за счет острых пиков плотности тока вблизи краев катушки индуктивности, дающих необходимую нормальную компоненту магнитного поля. В присутствии ферритового материала магнитное поле В возрастает благодаря его намагниченности, и пики в распределении тока по катушке индуктивности уменьшаются по амплитуде и растут по ширине, поскольку не должны создавать прежнюю величину нормальной составляющей магнитного поля. В целом распределение тока становится более равномерным.
Следует отметить, что наличие магнитного материала приводит к потерями в нем самом из-за ненулевого тангенса потерь. Это вызывает увеличение эффективного сопротивления R катушки индуктивности. Для того чтобы суммарное изменение эффективного сопротивления R было отрицательным необходимо использовать магнитные материалы с наименьшим возможным тангенсом потерь. В этом случае добротность катушки индуктивности будет возрастать в соответствии с формулой .
С другой стороны, как было отмечено ранее, наличие магнитного материала изменяет пространственное распределение магнитного поля. Было установлено, что такое изменение приводит к увеличению индуктивности L проектируемой катушки. Это обстоятельство также увеличивает добротность и ведет к желаемому результату.
Оптимальная геометрия для ферритовых компенсаторов 4 зависит от целого ряда факторов: рабочая частота, свойства магнитного материала, геометрические размеры проектируемой катушки. Вычисление оптимальных размеров феррита - сложная задача, и она должна решаться для каждой конкретной катушки индуктивности с помощью численного моделирования.
Предложенная конструкция позволяет увеличить добротность катушки индуктивности вплоть до 100%, она проста в реализации по сравнению с другими техническими решениями и может с ними комбинироваться.
В сравнении с прототипом , также основанным на использовании магнитных материалов, предложенная конструкция позволяет обойтись меньшим количеством феррита. Это происходит благодаря различным механизмам увеличения добротности. В заявляемом подходе предлагается уменьшать омическое сопротивление, в то время как другие решения основаны на увеличении индуктивности катушек. Помещение ферритовых элементов вблизи катушки индуктивности с целью увеличения индуктивности не всегда приводит к увеличению добротности. Например, если добротность феррита, определяемая как тангенс магнитных потерь, сопоставима с добротностью катушки или ниже, и значительная часть энергии магнитного поля катушки сосредоточена в ферритовых элементах, то добротность такой системы может быть ниже, чем добротность катушки индуктивности без ферритовых элементов. Фиг.3 иллюстрирует такой случай, где к катушке 2 индуктивности, изображенной на Фиг.2, добавлены ферритовые кольца 5. Добротность такой катушки индуктивности значительно ниже добротности заявляемой конструкции.
Для достижения поставленной цели необходимо поместить тонкий слой 4 феррита вплотную к внутренней и/или внешней границе катушки 2. При этом размеры слоя 4 феррита выбраны такими, чтобы уменьшить сопротивление катушки 2 индуктивности при незначительном увеличении индуктивности катушки. Высота h феррита должна быть, по меньшей мере, вдвое больше толщины d катушки, т.е. h/d>2. Ширина w ферритового слоя должна составлять 5-10% от внутреннего радиуса b проектируемой катушки индуктивности. Однако, как было отмечено выше, параметры h и w могут и должны быть оптимизированы точнее для конкретной катушки индуктивности. Приближенные значения, приведенные в данном разделе, были получены для феррита с параметром 
.
Результаты вычисления параметров катушек индуктивности, изображенных на рисунках Фиг.1-3 на частоте 7 МГц, приведены в таблице 1. Параметры феррита, использованные при вычислениях: относительная магнитная проницаемость - 30, тангенс угла магнитных потерь - 0,003.
Предлагаемая конструкция может быть положена в основу для проектирования высокодобротных плоских катушек индуктивности, которые широко используются в науке и технике.
1. André Kurs et al. "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", Science 317, 83 (2007).
2. Shen Pei et al. "Improving the quality factor of an RF spiral inductor with non-uniform metal width and non-uniform coil spacing", J. Semicond. 32(6), 2011.
3. F.E. Terman, "Radio Engineer"s Handbook", McGraw-Hill, New York, 1943.
4. André Kurs, Morris Kesler, Steven G. Johnson, "Optimized design of a low-resistance electrical conductor for the multimegahertz range", APL 98, 17 (2011).
5. De Bhailis et al. "Increasing performance of planar inductors used in broadband applications", US Pat. 7126443.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Плоская катушка индуктивности с повышенной добротностью, вблизи которой размещен слой магнитного материала, отличающаяся тем, что слой магнитного материала, значение относительного тангенса магнитных потерь которого <10 -4 , расположен вплотную к внешней и/или внутренней границе, причем размеры вышеупомянутого слоя магнитного материала находятся в следующих пределах: высота h слоя магнитного материала, по меньшей мере, вдвое больше, чем толщина d катушки, а ширина w слоя магнитного материала составляет 5-10% от внутреннего радиуса b катушки.
Плоские печатные катушки чаще всего применяют в диапазонах метровых и дециметровых волн для уменьшения габаритов устройства. Обычно их выполняют с круглой, квадратной формой витков или в форме меандра , хотя можно и в виде многоугольника. В последнее время с появлением технологии многослойных печатных плат, появились и многослойные катушки на печатной плате . Применение сердечника из магнитного материала малоэффективно, - так как такой сердечник удален от витков катушки и может менять ее индуктивность на 3 - 5 %, что в большинстве случаев недостаточно. Поэтому печатные катушки индуктивности применяются в большинстве случаев тогда, когда не требуется подстройка и величина индуктивности не превышает единиц микрогенри.
На нашем сайте можно воспользоваться онлайн калькулятором для расчета катушек на печатной плате
В программе Coil32, начиная с версии 9.6, плоские печатные катушки с круглой и квадратной формой витков формой витков рассчитываются по общей эмпирической формуле:
- L - индуктивность (мкГн)
- D - наружный диаметр спирали (мм)
- d - внутренний диаметр спирали (мм)
- N - число витков
- D avg - средний диаметр катушки (мм)
- φ - коэффициент заполнения
Коэффициенты c 1 - c 4 сведены в таблицу:
Шаг намотки на рисунке обозначен как "s ". При неизменном "s ", если увеличивать ширину витка - увеличивается добротность катушки и ее собственная емкость. Обычно для минимизации размеров катушки ширину печатного проводника делают близкой к расстоянию между проводниками, поэтому в формуле влияние "s " на величину индуктивности не учитывается. Оптимальное значение d/D = 0.4 для круглой катушки и его программа выбирает автоматически. Для квадратной катушки оптимальное значение d/D = 0.362 и его программа также выбирает автоматически.
Погрешность расчета индуктивности по этой формуле не превышает 8% при s не более 3w, т.е. если промежуток между полосками не более двойной ширины полоски.
Индуктивный элемент в виде прямого печатного проводника рассчитывается по следующей эмпирической формуле:
, где:
- L - индуктивность (мкГн)
- l - длина проводника (мм)
- b - ширина проводника (мм)
Такие индуктивные элементы часто применяют в фильтрах ДМВ диапазона. Поскольку собственная емкость такого индуктивного элемента довольно велика, необходимо иметь в виду, что более корректно представлять его в виде отрезка длинной линии с распределенными параметрами. Однако для приблизительных расчетов принятое здесь упрощение модели вполне приемлемо.
элементах конструкции катушки (проводах обмотки, диэлектрике каркаса, сердечнике и др.). Добротность Q катушки индуктивности определяется отношениемQ = ω L R , гдеω
Круговая частота,R - эквивалентное сопротивление потерь. Добротность большинства катушек индуктивности широкого применения находится в диапазоне 30.. 400.
сопротивление потерь R p , учитывающее утечки, потери в диэлектрике, сердечнике, экране. Потери, увеличиваются с ростом частоты. При расчете добротности потери
Рис. 1. Эквивалентная схема (а) и зависимость импеданса реальных катушек индуктивности: R c = 1.55(L C 0 ) 1 2 - критическое сопротивление катушки;
f 0 - собственная резонансная частота
приводятся к одному эквивалентному сопротивлению R . Собственная емкость C0
совместно с индуктивностью L образует параллельный резонансный контур, добротность которого определяется сопротивлением потерьR . Резонансная частота этого контура
равна f 0 = 1(2π (LC 0 ) 1 2 ) и называется собственной резонансной частотой катушки
индуктивности. Примерная зависимость модуля комплексного сопротивления (импеданса) данного контура от частоты (резонансная кривая) приведена на рис. 1,б. Индуктивный характер сопротивления реальная катушка имеет на частотах ниже резонансной. На практике, как правило, катушки индуктивности применяются на частотах не выше f 0 3.
Стабильность катушек индуктивности характеризуется изменением ее параметров под воздействием температуры, влаги, во времени и сильно зависит от конструкции.
Температурная | стабильность | величины | индуктивности | количественно |
характеризуется | температурным | коэффициентом | индуктивности |
|
(ТКИ)α L = (1L 0 )(dL dT ) , | где L 0 -начальное значение индуктивности при температуреT 0 , |
|||
dT - изменение величины индуктивности, возникающее при изменении температуры наdT относительноT 0 .
Температурная нестабильность параметров катушек индуктивности обусловлена следующими основными факторами:
- изменением диаметра каркаса при изменении температуры;
- изменением толщины скин-слоя, по которому протекает ток высокой частоты, вследствие температурного изменения удельного сопротивления материала провода;
- изменением влияния экрана при его наличии;
- изменением магнитных свойств сердечника (для катушек, с сердечником). Влияние температуры на добротность обусловлена в основном изменением
сопротивления провода. При использовании медного провода добротность катушки падает примерно на 10 % на каждые 30 градусов повышения температуры.
Временная стабильность величины индуктивности характеризуется коэффициентом старенияβ L = (1L 0 )(dL dt ) , гдеt - время.
Наиболее сильное старение наблюдается у катушек с каркасами из органических диэлектриков. Поэтому в стабильных катушках применяются керамические каркасы, практически не подверженные старению.
Влажность вызывает увеличение собственной емкости и вследствие возрастания диэлектрических потерь снижение добротности. Для защиты катушек от действия влаги применяют герметизацию или пропитку и обволакивание обмотки компаундами и лаками. Это хотя и приводит к увеличению собственной емкости и снижению добротности, но зато повышает влагостойкость и механическую прочность.
Надежность катушек индуктивности количественно оценивается одним из параметров - средним временем безотказной работы или средней интенсивностью отказов, которые находятся в обратно - пропорциональной зависимости и на практике определяются в результате испытаний достаточно большой выборки однотипных изделий. Для катушек индуктивности наиболее характерны медленные отказы, вызываемые старением диэлектрических и магнитных материалов и окислением проводников. Повышенная влажность и температура способствуют ускоренному протеканию этих процессов. Внезапные отказы обычно происходят вследствие нарушения электрических контактов проводов обмоток с выводами и механических повреждений обмоток.
1.2. Конструктивные особенности катушек индуктивности
По различным конструктивным признакам катушки индуктивности могут быть разделены на:
Однослойные и многослойные;
- экранированные и неэкранированные;
- катушки без сердечника и с сердечником (магнитным или немагнитным);
- цилиндрические, плоские и печатные (пленочные);
- незащищенные (открытые), частично защищенные пропиткой, обволакиванием или опресовкой и защищенные герметичным или негерметичным кожухом.
Конструкция катушек индуктивности должна обеспечивать выполнение заданных технических и эксплуатационных требований, быть технологичной, иметь минимальную стоимость.
К основным элементам конструкции катушек относятся обмотка (обмотки), каркас и выводы (контакты). Обмотка является обязательным элементом катушки, остальные могут отсутствовать. Кроме этого, в необходимых случаях катушки могут иметь экран и магнитный или немагнитный сердечник.
Электрические параметры и стоимость катушки в значительной степени определяются ее каркасом. Каркас должен обеспечивать удобство намотки провода, распайку выводов обмотки, надежную фиксацию подстроечного сердечника при его использовании. Материал каркаса выбирается из соображений технологичности и получения заданных характеристик катушки. Он должен быть достаточно механически прочным, влаго- и теплостойким, вносить малые потери, иметь небольшой температурный коэффициент линейного расширения.
Каркасы катушек с не очень высокими параметрами могут изготавливаться из дешевых органических материалов - полистирола, фенопластов, различных прессматериалов. Каркасы катушек с повышенными показателями, в частности, с высокой стабильностью, изготавливаются из радиотехнической керамики типа В: на УКВ и КВ - из ультрафарфора и ВЧ стеатита, на ДВ и СВ - из радиофарфора.
Размеры каркаса определяют из общих конструктивных соображений и требуемой добротности, которая пропорциональна диаметру.
Выводы в каркасах из пластмасс запрессовывают непосредственно в тело каркаса. В керамических каркасах выводы выполняют в виде специальных хомутиков, штифтов или металлизированных полосок, к которым и присоединяется намоточный провод.
Обмотки катушек индуктивности по виду укладки делятся на однослойные и многослойные (рис 3).
К однослойным обмоткам относятся сплошная однослойная и обмотка с шагом (рис З,а,б).
Однослойные катушки с шагом отличаются высокой добротностью (150-400) и стабильностью и применяются в контурах КВ и УКВ. Значения предельной индуктивности для обмоток с шагом зависят от диаметра каркаса и приведены в табл. 1.
Для повышения точности намотки провода применяются нарезные, каркасы, у которых на поверхности имеется неглубокая спиральная канавка, фиксирующая провод при намотке. Однако погружение провода в диэлектрик каркаса несколько понижает добротность и увеличивает собственную емкость. Чтобы этого не происходило, применяют ребристые каркасы.
Рис. 3. Типы намоток катушек индуктивности:
а - однослойная сплошная; б - однослойная с шагом; в - многослойная рядовая; г - многослойная "кучей" ("внавал"); д - универсальная с двумя переходами (перегибами провода) на виток (развертка) ; е - универсальная перекрестная с 4 витками на цикл (развертка); ж - пирамидальная
Для высокостабильных катушек применяются специальные способы намотки - тугая, горячая и осажденная - в сочетании с керамическим каркасом. Тугая намотка производится со значительным натяжением. При горячей намотке провод нагревается до 120-180 °С и незначительно натягивается. В катушках с осажденной (нанесенной) обмоткой витки образуются нанесением слоя металла на поверхность керамического каркаса методом вжигания и последующего гальванического наращивания.
Катушки со сплошной однослойной обмоткой отличаются высокой добротностью (150-250) и стабильностью при индуктивности не выше 200-500 мкГн (табл. 2) и применяются в контурах КВ и СВ.
Для изготовления катушек с индуктивностью вше 200-500 мкГн применяются многослойные обмотки - простая рядовая, "внавал" ("кучей"), универсальные (обычная и перекрестная), пирамидальная (рис. 3,в-ж).
В простой рядовой обмотке витки укладываются на каркас правильными рядами, а в обмотке "внавал" - без определенной закономерности, хаотично. Эти обмотки, называемые простыми, отличаются низкой добротностью и стабильностью, большой собственной емкостью и применяются в катушках для ДВ и дросселях. Для улучшения их параметров используют секционирование, которое позволяет достичь добротности 160170 и уменьшить собственную емкость.
Универсальные и пирамидальную обмотки относят к сложным обмоткам. В универсальной обмотке витки идут попеременно от одного края катушки к другому, пересекаясь под некоторым углом. Это придает катушке высокую механическую прочность без специальных каркасов, достаточно высокую добротность и незначительную собственную емкость. Универсальную намотку характеризуют числом перегибов провода за один виток (2 и более) и другими параметрами. Такие катушки обычно имеют внутренний диаметр 5-10 мм, длину 2-5 мм, добротность 80-100.
Для получения длинных катушек применяют так называемую универсальную перекрестную намотку, характерным параметром которой является число витков на один переход провода с одной стороны катушки на другую и обратно (один цикл). Катушки с такой намоткой отличаются пониженной добротностью и сравнительно большой собственной емкостью. Поэтому они находят применение в специальных катушках контуров, настраиваемых длинными цилиндрическими магнитными сердечниками.
Общим, недостатком рассмотренных типов обмоток является низкая электрическая прочность, особенно у обмотки "внавал".
Пирамидальная обмотка обладает высокой электрической прочностью и малой собственной емкостью, т. к. соседние витки имеют небольшую разность потенциалов. Обычно пирамидальная обмотка содержит два слоя и применяется в ВЧ-дросселях мощных радиопередатчиков.
Для наматывания обмоток катушек индуктивности применяют в основном медные провода круглого сечения с эмалевой изоляцией (ПЭ, ПЭЛ, ПЭВ, ПЭТВ, ПЭШО), а для катушек с шагом - также неизолированный провод МГМ, покрытый слоем серебра.
1.3. Расчет параметров катушек индуктивности
При расчете основных параметров катушек используются геометрические размеры их обмоток: диаметр, длина и толщина (последнее только для многослойных обмоток) (рис. 3).
В однослойной катушке диаметр D представляет собой диаметр окружности, образуемой центром тяжести активного сечения провода. На высоких частотах диаметр D можно принять равным внутреннему диаметру витков.
Длина катушки l представляет собой расстояние между осевыми линиями крайних витков. Расстояние между осевыми линиями смежных витков называется шагом намоткиτ . Величиныl иτ связаны между собой простым соотношением
диаметром провода в изоляции d 0 b неплотностью прилегания витков друг к другу. Последнее может быть учтено коэффициентом неплотностиρ , который зависит в основном от диаметра провода (табл. 3).
Значения коэффициента неплотности | Таблица 3 |
||||
Диаметр провода, мм | |||||
Коэффициент ρ | |||||
Таким образом, для сплошной обмотки | |||||
l = ρ d0 (N− 1 ) . | |||||
Размеры многослойной катушки определяются наружным D и внутренним D0 диаметрами и длиной намотки. Часто в расчетах используются толщина намоткиt = (D − D 0 ) 2 и средний диаметрD ср = (D + D 0 ) 2= D 0 + t .
Расчет индуктивности. Из теоретической, электротехники известно следующее выражение для расчета индуктивности длинного соленоида круглого сечения (без сердечника):
4 π N2 S | −3 | |||
Здесь индуктивность L получается выраженной в мкГн, если длину намотки l выразить в см, а площадь сечения S - в см2 .
В реальных катушках длина обычно соизмерима с диаметром, вследствие чего сильнее сказывается уменьшение магнитного сцепления крайних витков и фактическая индуктивность оказывается меньше расчетной. Точный учет этого явления приводит к громоздким и неудобным формулам.
На практике используют простые полуэмпирические формулы с поправочными коэффициентами, зависящими от относительных размеров катушки.
Для расчета индуктивности сплошной однослойной обмотки широко применяется следующая формула, обеспечивающая погрешность расчета не более 2-3 %:
L = L N2 D10 − 3 | ||
где L - индуктивность, мкГн,D - диаметр катушки (каркаса), см; | L 0 - поправочный |
|
коэффициент, величина которого зависит от отношения L D , а значения приведены в
таблице 4.
Таблица 4
Значения коэффициента L 0
При намотке с шагом происходит дополнительное уменьшение потокосцепления и индуктивности. Поэтому для более точного расчета индуктивности катушки, намотанной с шагом проводом круглого сечения, при числе витков не менее 4-5 следует использовать другую формулу:
L = L" − 2 π ND(A+ B) 10 − 3 , |
где L - фактическая индуктивность, мкГн, L " - индуктивность, рассчитанная как для сплошной обмотки по формуле (4), мкГн,D - диаметр катушки, см;А иВ - поправочные коэффициенты, зависящие соответственно от отношения диаметра провода без изоляции к. шагу намоткиd τ и числа витков (рис. 4).
Формула (4) может использоваться и для расчета индуктивности многослойных катушек. В этом случае в формулу в качестве D подставляется средний диаметрD ср , а
для более точного расчета необходимо учитывать зависимость коэффициента L 0 не только от отношенияl D ср , но и от отношенияt D ср /1/.
Рис. 4. Значения коэффициентов А и В для расчета индуктивностикатушек, намотанных с шагом
Расчет числа витков. При проектировании катушек величина индуктивности, как правило, задана, т.е. является исходной величиной. Может быть задан также один из размеров катушки, чаще всего - диаметр обмотки. Необходимо найти число витков и остальные размеры катушки, предварительно выбрав, если не заданы, конструкцию и тип намотки.
Формулу для расчета числа витков можно получить из уравнения (4), решив его относительно N :
Вследствие того, что коэффициент L 0 сложным образом зависит от размеров
катушки, формула дает возможность определения требуемого числа витков, если известны все размеры катушки. Обычно хотя бы один из размеров является неизвестным. Поэтому расчет числа виттов должен производиться методом последовательного приближения. В некоторых случаях могут быть использованы специальные методы /1/.
Рис. 5. Магнитные сердечники катушек индуктивности:
а - цилиндрический с резьбой; б - катушечный; в - броневой с замкнутой магнитной цепью (СБа); г - броневой с разомкнутой магнитной цепью (СБб); д ~ чашечный (магнитный экран); е, ж - кольцевые
Расчет собственной емкости. Величина собственной емкости зависит от размеров катушки, конструкции обмотки, диэлектрической проницаемости изоляции провода и каркаса, близости экрана или деталей корпуса прибора и ряда других факторов. Чем больше диаметр катушки, ближе друг к другу расположены витки, выше диэлектрическая проницаемость изоляции провода и материала каркаса, тем больше собственная емкость катушки индуктивности.
Собственную емкость можно определить, суммируя элементарные емкости между отдельными участками витков, витками и экранами и т.д.
Для однослойной неэкранированной катушки такой расчет приводит к выражению
8.3lg,"de":["X4_39hQ_Urk","_ziQZkBUTKw","i5v0xI_RdYA"],"es":["n82tRKIOZ2I","ZfgYhkzQolc","o13AkTNugIE","IeOWzk1Izf0","SOvgSxXCoHg"],"pt":["ZfgYhkzQolc","qWarRU6TLQY","o13AkTNugIE"],"fr":["H4SC_Cx0ly0"],"bg":["kTKwbPUi0e4"],"pl":["-JSvSFugWwI"],"ro":["5HLJMStIotY"],"el":["c7TiVVgBAx0"]} Статьи по теме
Еще статьи из этой рубрики
|
