Основным параметром, характеризующим контурные катушки, дроссели, обмотки трансформаторов является индуктивность L. В высокочастотных цепях применяются катушки с индуктивностью от сотых долей микрогенри до десятков миллигенри; катушки, используемые в низкочастотных цепях, имеют индуктивность до сотен и тысяч генри. Измерение индуктивности высокочастотных катушек, входящих в состав колебательных систем, желательно производить с погрешностью не более 5%; в большинстве других случаев допустима погрешность измерения до 10-20%.
Рис. 1. Эквивалентные схемы катушки индуктивности.
Каждая катушка, помимо индуктивности L, характеризуется также собственной (межвитковой) ёмкостью C L и активным сопротивлением потерь R L , распределёнными по её длине. Условно считают, что L, C L и R L сосредоточены и образуют замкнутую колебательную цепь (рис. 1, а) с собственной резонансной частотой
f L = 1/(LC L) 0,5
Вследствие влияния ёмкости C L при измерении на высокой частоте f определяется не истинная индуктивность L, а действующее, или динамическое, значение индуктивности
L д = L/(1-(2*π*f) 2 *LC L) = L/(1-f 2 / f L 2)
которое может заметно отличаться от индуктивности L, измеренной на низких частотах.
С повышением частоты возрастают потери в катушках индуктивности, обусловленные поверхностным эффектом, излучением энергии, токами смещения в изоляции обмотки и каркасе, вихревыми токами в сердечнике. Поэтому действующее активное сопротивление R д катушки может заметно превышать её сопротивление R L , измеренное омметром или мостом постоянного тока. От частоты f зависит и добротность катушки:
Q L = 2*π*f*L д /R д.
На рис. 1, б, представлена эквивалентная схема катушки индуктивности с учётом её действующих параметров. Так как значения всех параметров зависят от частоты, то испытание катушек, особенно высокочастотных, желательно проводить при частоте колебаний источника питания, соответствующей их рабочему режиму. При определении результатов испытания индекс «д» обычно опускают.
Для измерения параметров катушек индуктивности применяются в основном методы вольтметра - амперметра, мостовой и резонансный. Перед измерениями катушка индуктивности должна быть проверена на отсутствие в ней обрыва и короткозамкнутых витков. Обрыв легко обнаруживается с помощью любого омметра или пробника, тогда как выявление коротких замыканий требует проведения специального испытания.
Для простейших испытаний катушек индуктивности иногда используют электронно-лучевые осциллографы.
Индикация короткозамкнутых витков
Проверка на отсутствие короткого замыкания чаще всего производится помещением испытуемой катушки вблизи другой катушки, входящей в состав колебательного контура автогенератора, наличие колебаний в котором и их уровень контролируются с помощью телефонов, стрелочного, электронно-светового или иного индикатора. Катушка с короткозамкнутыми витками будет вносить в связанную с нею цепь активные потери и реактивное сопротивление, уменьшающие добротность и действующую индуктивность цепи; в результате произойдёт ослабление колебаний автогенератора или даже их срыв.
Рис. 2. Схема резонансного измерителя ёмкостей, использующего явление поглощения.
Чувствительным прибором подобного типа может служить, например, генератор, выполненный по схеме на рис. 2. Катушка с короткозамкнутыми витками, поднесённая к контурной катушке L1, будет вызывать заметное возрастание показаний микроамперметра μA.
Испытательная цепь может представлять собой настроенный на частоту источника питания последовательный контур (см. «Радио», 72-5-54); напряжение на элементах этого контура, контролируемое каким-либо индикатором, под влиянием короткозамкнутых витков проверяемой катушки будет уменьшаться вследствие расстройки и возрастания потерь. Возможно также использование уравновешенного моста переменного тока, одним из плеч которого в этом случае должна являться катушка связи (вместо катушки L x); короткозамкнутые витки испытуемых катушек будут вызывать нарушение равновесия моста.
Чувствительность испытательного прибора зависит от степени связи между катушкой измерительной цепи и проверяемой катушкой, с целью её повышения желательно обе катушки насаживать на общий сердечник, который в этом случае выполняется разомкнутым.
При отсутствии специальных приборов для проверки высокочастотных катушек можно использовать радиоприёмник. Последний настраивают на какую-либо хорошо слышимую станцию, после чего вблизи одной из его действующих контурных катушек, например магнитной антенны (желательно на одной оси с нею), помещают проверяемую катушку. При наличии короткозамкнутых витков громкость заметно уменьшится. Уменьшение громкости может иметь место и в том случае, если частота настройки приёмника окажется близкой к собственной частоте испытуемой катушки. Поэтому во избежание ошибки испытание следует повторить при настройке приёмника на другую станцию, достаточно удалённую от первой по частоте.
Измерение индуктивностей методом вольтметра - амперметра
Метод вольтметра - амперметра применяется для измерения сравнительно больших индуктивностей при питании измерительной схемы от источника низкой частоты F = 50...1000 Гц.
Схема измерений представлена на рис. 3, а . Полное сопротивление Z катушки индуктивности рассчитывается по формуле
Z = (R2+X2) 0,5 = U/I
на основе показаний приборов переменного тока V ~ и mA ~ . Верхний (по схеме) вывод вольтметра присоединяют к точке а при Z << Z в и к точке б при Z >> Z a , где Z в и Z a - полные входные сопротивления соответственно вольтметра V ~ и миллиамперметра mA ~ . Если потери малы, т. е. R << X = 2*π*F*L x , то измеряемая индуктивность определяется формулой
L x ≈ U/(2*π*F*I).
Катушки большой индуктивности с целью уменьшения их габаритов обычно изготовляются со стальными сердечниками. Наличие последних приводит к нелинейной зависимости магнитного потока от тока, протекающего через катушку. Эта зависимость становится особенно сложной для катушек, работающих с подмагничиванием, через обмотки которых протекают одновременно переменный и постоянный токи. Поэтому индуктивность катушек со стальными сердечниками зависит от значения и характера протекающего через них тока. Например, при большой постоянной составляющей тока происходит магнитное насыщение сердечника и индуктивность катушки резко уменьшается. Кроме того, проницаемость сердечника и индуктивность катушки зависят от частоты переменного тока. Отсюда следует, что измерение индуктивности катушек со стальными сердечниками необходимо проводить в условиях, близких к их рабочему режиму. В схеме на рис. 3, а это обеспечивается при дополнении её цепью постоянного тока, показанной штриховой линией. Необходимый ток подмагничивания устанавливается реостатом R2 по показаниям миллиамперметра постоянного тока mA . Разделительный конденсатор С и дроссель Др разделяют цепи питания постоянного и переменного тока, устраняя взаимное влияние между ними. Приборы переменного тока, применяемые в данной схеме, не должны реагировать на постоянные составляющие измеряемого ими тока или напряжения; для вольтметра V ~ это легко обеспечивается посредством включения последовательно с ним конденсатора ёмкостью в несколько микрофарад.
Рис. 3. Схемы измерения индуктивности методом вольтметра - амперметра.
Другой вариант измерительной схемы, позволяющий обойтись без миллиамперметра переменного тока, приведён на рис. 3, б . В этой схеме реостатами R1 и R2 (их можно заменить потенциометрами, включёнными параллельно источникам питания) устанавливают требуемый режим испытания по переменному и постоянному току. В положении 1 переключателя В вольтметр V ~ измеряет переменное напряжение U 1 на катушке L x . При переводе переключателя в положение 2 фактически контролируется значение переменного тока в цепи по падению напряжения U 2 на опорном резисторе R о. Если потери в катушке малы, т. е. R << 2*π*F*L x , то измеряемую индуктивность можно рассчитать по формуле
L x ≈ U1*R о /(2*π*F*U 2).
Мостовой метод измерения параметров катушек индуктивности. Универсальные измерительные мосты
Мосты, предназначенные для измерения параметров катушек индуктивности, формируются из двух плеч активного сопротивления, плеча с объектом измерений, сопротивление которого в общем случае является комплексным, и плеча с реактивным элементом - конденсатором или катушкой индуктивности.
Рис. 4. Схема магазинного моста для измерения индуктивностей и сопротивлений потерь.
В измерительных мостах магазинного типа в качестве реактивных элементов предпочитают использовать конденсаторы,
поскольку в последних потери энергии могут быть сделаны пренебрежимо малыми, а это способствует более точному определению параметров исследуемых катушек. Схема такого моста представлена на рис. 4. Регулируемым элементом здесь является конденсатор С2 переменной ёмкости (или магазин ёмкостей), зашунтированный переменным резистором R2; последний служит для уравновешивания фазового сдвига, создаваемого сопротивлением потерь R x в катушке с индуктивностью L x . Применяя условие равновесия амплитуд (Z 4 Z 2 = Z 1 Z 3), находим:
(R x 2 + (2*&pi*F*L x) 2) 0,5: ((1/R 2) 2 + (2*&pi*F*C 2) 2) 0,5 = R 1 R 3 .
Так как фазовые углы φ1 = φ3 = 0, то условие равновесия фаз (φ4 +φ2 =φ1 + φ3) можно записать в виде равенства φ4 + φ2 = 0, или φ4 = -φ2, или tg φ4 = -tg φ2. Учитывая, что для плеча с L x справедлива формула (tg φ =X/R), а для плеча с ёмкостью С 2 - формула (tg φ =R/X) при отрицательном значении угла φ2, имеем
2*&pi*F*L x / R x = 2*&pi*F*C 2 R 2
Решая совместно приведённые выше уравнения, получим:
L x = C 2 R 1 R 3 ; (1)
R x = R 1 R 3 / R 2 . (2)
Из последних формул следует, что конденсатор С2 и резистор R2 могут иметь шкалы для непосредственной оценки значений L x и R x , причём регулировки амплитуд и фаз, производимые ими, взаимонезависимы, что позволяет быстро уравновешивать мост.
Для расширения диапазона измеряемых величин один из резисторов R1 или R3 обычно выполняется в виде магазина сопротивлений.
При необходимости измерения параметров катушек со стальными сердечниками схема моста на рис. 4 дополняется источником постоянного напряжения U о, реостатом R о и миллиамперметром постоянного тока mA , служащими для регулировки и контроля тока подмагничивания, а также дросселем Др и конденсатором С, разделяющими цепи переменной и постоянной составляющих тока.
Рис. 5. Схема магазинного моста для измерения индуктивностей и добротностей
На рис. 5 приведена схема другого варианта магазинного моста, в которой конденсатор С2 имеет постоянную ёмкость, а резисторы R1 и R2 взяты переменными. Расширение диапазона измерений осуществляется посредством включения в мост резисторов R3 различных номиналов. Из формул (1) и (2) следует, что регулировки амплитуд и фаз в этой схеме оказываются взаимозависимыми, поэтому уравновешивание моста достигается путём попеременного изменения сопротивлений резисторов R1 и R2. Оценка индуктивностей L x производится по шкале резистора R1 с учётом множителя, определяемого установкой переключателя В . Отсчёт по шкале резистора R2 обычно производится в значениях добротности катушек
Q L = 2*π*F*L x /R x = 2*π*F*C 2 R 2 .
при частоте F источника питания. В справедливости последней формулы можно убедиться, если левую и правую части равенства (1) разделить на соответствующие части равенства (2).
При указанных на схеме данных измерительный мост позволяет измерять индуктивности примерно от 20 мкГн до 1, 10, 100 мГн; 1 и 10 Гн (без стальных сердечников) и добротности до значения Q L ≈ 60. Источником питания служит транзисторный генератор с частотой колебаний F ≈ 1 кГц. Напряжение разбаланса усиливается транзисторным усилителем, нагруженным на телефоны Тф. Двойной Т-образный RC-фильтр, настроенный на частоту 2F ≈ 2 кГц, подавляет вторую гармонику колебаний источника, что облегчает уравновешивание моста и снижает погрешность измерений.
Мостовые измерители индуктивностей, ёмкостей и активных сопротивлений имеют ряд идентичных элементов. Поэтому они часто совмещаются в одном приборе - универсальном измерительном мосте. Универсальные мосты высокой точности базируются на магазинных схемах типа приведённых на рис. 5. Они содержат источник постоянного напряжения или выпрямитель (питающий схему измерения R x), генератор низкой частоты с выходной мощностью в несколько ватт, многокаскадный усилитель напряжения разбаланса, нагруженный на магнитоэлектрический гальванометр; последний при измерении активных сопротивлений включается непосредственно в измерительную диагональ моста. Требуемая схема измерений формируется с помощью довольно сложной системы коммутации. В таких мостах иногда применяют индикаторы логарифмического типа, чувствительность которых резко падает, если мост не уравновешен.
Рис. 6. Схема универсального реохордного моста для измерения сопротивлений, ёмкостей и индуктивностей
Значительно проще универсальные мосты реохордного типа, измеряющие параметры радиодеталей с погрешностью порядка 5-15%. Возможная схема такого моста представлена на рис. 6. Мост питается при всех видах измерений напряжением с частотой примерно 1 кГц, которое возбуждается транзисторным генератором, выполненным по схеме индуктивной трёхточки. Индикатором баланса служит высокоомный телефон Тф. Резисторы R2 и R3 заменены проволочным реохордом (или, чаще, обычным потенциометром), позволяющим уравновешивать мост плавным изменением отношения сопротивлений R2/R3. Это отношение отсчитывается по шкале реохорда, диапазон показаний которой обычно ограничивается крайними значениями 0,1 и 10. Измеряемая величина определяется при уравновешенном мосте как произведение отсчёта по шкале реохорда на множитель, определяемый установкой переключателя В. Каждому виду и пределу измерений отвечает включение в схему моста соответствующего опорного элемента требуемого номинала - конденсатора С о (С1), резистора R о (R4) или катушки индуктивности L о (L4).
Особенностью рассматриваемой схемы является то, что измеряемые элементы R x и L x включаются в первое плечо моста (при опорных элементах R о и L о, находящихся в четвёртом плече), а С х, наоборот, - в четвёртое плечо (при С о - в первом плече). Благодаря этому оценка всех измеряемых величин производится по аналогичным формулам типа
A X = A о (R2/R3),
где А х и А о - значения величин соответствующих измеряемого и опорного элементов.
Переменный резистор R5 служит для компенсации фазовых сдвигов и улучшения балансировки моста при измерении индуктивностей. С той же целью иногда включают переменный резистор небольшого сопротивления в цепь опорного конденсатора С о предела измерений больших ёмкостей, которые часто имеют заметные потери.
С целью исключения влияния руки оператора движок реохорда обычно соединяют с корпусом прибора.
Резонансные измерители индуктивностей
Резонансные методы позволяют измерять параметры высокочастотных катушек индуктивности в диапазоне их рабочих частот. Схемы и способы измерений аналогичны применяемым при резонансных измерениях ёмкостей конденсаторов с учётом, конечно, специфики объектов измерений.
Рис. 7. Резонансная схема измерения индуктивностей с отсчётом по шкале генератора
Исследуемая катушка индуктивности может включаться в высокочастотный генератор как элемент его колебательного контура; В этом случае индуктивность L x определяется на основе показаний частотомера, измеряющего частоту колебаний генератора.
Чаще катушку L x подключают к измерительному контуру, связанному с источником высокочастотных колебаний, например генератором (рис. 2) или входной цепью радиоприёмника, настроенного на частоту радиовещательной станции (рис. 8). Предположим, что измерительный контур состоит из катушки связи L с подстроечным сердечником и конденсатора переменной ёмкости С о.
Рис. 8. Схема измерения ёмкостей резонансным методом с помощью радиоприёмника
Тогда применима следующая методика измерений. Измерительный контур при максимальной ёмкости С о1 конденсатора С о регулировкой индуктивности L настраивают в резонанс с известной частотой f источника колебаний. Затем в контур последовательно с его элементами включают катушку L x , после чего резонанс восстанавливают уменьшением ёмкости Со до некоторого значения С о2 . Измеряемую индуктивность рассчитывают по формуле
L х = * (С о1 -С о2)/(С о1 С о2).
В широкодиапазонных резонансных измерителях измерительный контур составляется из опорного конденсатора С о и исследуемой катушки L x . Контур связывают индуктивно, а чаще через конденсатор С 1 небольшой ёмкости (рис. 7 и 9) с высокочастотным генератором. Если известна частота колебаний генератора f 0 , соответствующая резонансной настройке контура, то измеряемая индуктивность определяется формулой
L х = 1/[(2*π*f о) 2 *C о ]. (3)
Возможны два варианта построения измерительных схем. В схемах первого варианта (рис. 7) конденсатор С о берётся постоянной ёмкости, а резонанс достигается изменением настройки генератора, работающего в плавном диапазоне частот. Каждому значению L x отвечает определённая резонансная частота
f 0 = 1/(2*π*(L x C x) 0,5), (4)
поэтому контурный конденсатор генератора можно снабдить шкалой с отсчётом в значениях L x . При широком диапазоне измеряемых индуктивностей генератор должен иметь несколько частотных поддиапазонов с отдельными шкалами для оценки L x на каждом поддиапазоне. Если в приборе используется генератор, имеющий шкалу частот, то для определения L x по значениям f 0 и С о можно составить таблицы или графики.
Для исключения влияния собственной ёмкости C L катушки на результаты измерений ёмкость С о должна быть большой; с другой стороны, ёмкость С о желательно иметь малой, чтобы обеспечить при измерении малых индуктивностей достаточно большое отношение L x /C о, необходимое для получения заметных показаний индикатора при резонансе. Практически берут С о = 500...1000 пФ.
Если высокочастотный генератор работает в ограниченном диапазоне частот, не разбитом на поддиапазоны, то для расширения пределов измерения индуктивностей применяют несколько переключаемых конденсаторов С о; если их ёмкости различаются в 10 раз, то на всех пределах оценка L x может производиться по одной и той же шкале генератора с использованием множителей к ней, кратных 10. Однако такая схема имеет существенные недостатки.
Измерение относительно больших индуктивностей, имеющих значительную собственную ёмкость C L , происходит на пределе с малой ёмкостью С о, и, наоборот, измерение малых индуктивностей производится на пределе с большой ёмкостью С о при невыгодном отношении L x /C о и малом резонансном напряжении на контуре.
Рис. 9. Резонансная схема измерения индуктивностей с отсчётом по шкале опорного конденсатора
В резонансных измерителях, схемы которых выполнены по второму варианту (рис. 9), индуктивности измеряются при фиксированной частоте генератора f 0 . Измерительный контур настраивают в резонанс с частотой генератора с помощью конденсатора переменной ёмкости С о, отсчёт по шкале которого в соответствии с формулой (3) может производиться непосредственно в значениях L x . Если обозначить через С м и С н соответственно максимальную и начальную ёмкости контура, а через L м и L н - максимальное и наименьшее значения измеряемых индуктивностей, то пределы измерения прибора будут ограничиваться отношением
L м /L н = С м /С н.
Типовые конденсаторы переменной ёмкости имеют перекрытие по ёмкости, равное примерно 30. С целью уменьшения погрешности при измерении больших индуктивностей начальную ёмкость С н контура увеличивают посредством включения в контур дополнительного конденсатора С д, обычно подстроечного типа.
Если обозначить через ΔС о наибольшее изменение ёмкости конденсатора С о, равное разности его ёмкостей при двух крайних положениях ротора, то для получения выбранного отношения L м /L н контур должен иметь начальную ёмкость
C н = ΔC о: (L м /L н -1). (5)
Например, при ΔС о = 480 пФ и отношении L м /L н = 11 получаем С н = 48 пФ. Если значения С н и L м /L н при расчёте являются исходными данными, то необходимо применить конденсатор С о, имеющий разность ёмкостей
ΔC о ≥ C н (L м /L н -1).
При больших значениях С н и L м /L н может потребоваться применение сдвоенного или строенного блока конденсаторов переменной ёмкости.
Частота f 0 , на которой должен работать генератор, определяется формулой (4) при подстановке в неё значений L м и С н или L н и С м. Для расширения общего диапазона измерений предусматривают работу генератора на нескольких переключаемых фиксированных частотах. Если соседние частоты генератора различаются в 10 0,5 ≈ 3,16 раза, то на всех пределах можно использовать общую шкалу индуктивностей конденсатора С о с множителями к ней, кратными 10 и определяемыми установкой переключателя частот (рис. 9). Плавное перекрытие всего диапазона измеряемых индуктивностей обеспечивается при отношении ёмкостей контура C м /C н ≥ 10. Если конденсатор С о логарифмического типа, то шкала индуктивностей близка к линейной.
Вместо генератора фиксированных частот можно применить измерительный генератор с плавным изменением частоты, которую устанавливают в зависимости от требуемого предела измерения индуктивностей.
Резонансные схемы измерения индуктивностей и ёмкостей часто совмещаются в одном приборе, поскольку они имеют ряд идентичных элементов и сходную методику измерений.
Пример . Рассчитать резонансный измеритель индуктивностей, работающий по схеме на рис. 9, на диапазон измерений 0,1 мкГн - 10 мГн при использовании сдвоенного блока переменных конденсаторов, ёмкость секций которого можно изменять от 15 до 415 пФ.
Решение
1. Наибольшее изменение ёмкости контура ΔС о = 2*(415-15) = 800 пФ.
2. Выбираем отношение L м /L н = 11. Тогда прибор будет иметь пять пределов измерений: 0,1-1,1; 1-11; 10-110; 100-1100мкГ и 1-11 мГн.
3. Согласно (5) контур должен иметь начальную ёмкость С н = 800/10 = 80 пФ. Учитывая начальную ёмкость блока конденсаторов, равную 30 пФ, включаем в контур подстроечный конденсатор С д с максимальной ёмкостью 50...80 пФ.
4. Максимальная ёмкость контура С м = С н + ΔС о = 880 пФ.
5. Согласно (4) на первом пределе измерений генератор должен работать на частоте
f 01 = 1/(2*π*(L н C м) 0,5) ≈ 0,16*(0,1*10^-6*880*10^-12) ≈ 17 МГц.
Для других пределов измерений находим соответственно: f 02 = 5,36 МГц; f 03 = 1,7 МГц; f 04 = 536 кГц; f 05 = 170 кГц.
6. Шкалу индуктивностей выполняем для предела измерений 1-11 мкГн.
Измерители добротности (куметры)
Приборы, предназначенные для измерения добротности элементов высокочастотных цепей, часто называют куметрами. Действие куметров основано на использовании резонансных явлений, что позволяет измерение добротности сочетать с измерением индуктивности, ёмкости, собственной резонансной частоты и ряда других параметров испытуемых элементов.
Куметр, упрощённая схема которого приведена на рис. 10, содержит три основных компонента: генератор высокой частоты, измерительный контур и индикатор резонанса. Генератор работает в широком, плавно перекрываемом диапазоне частот, например от 50 кГц до 50 МГц; это позволяет многие измерения проводить на рабочей частоте испытуемых элементов.
Исследуемая катушка индуктивности L x , R x через зажимы 1 и 2 включается в измерительный контур последовательно с опорным конденсатором переменной ёмкости С о и конденсатором связи С 2 ; ёмкость последнего должна удовлетворять условию: С 2 >> С о.м, где С о.м - максимальная ёмкость конденсатора С о. Через ёмкостный делитель C 1 , С 2 с большим коэффициентом деления
N = (C 2 + C 1)/C 1
в контур вводится от генератора опорное напряжение U о требуемой высокой частоты f. Возникающий в контуре ток создаёт падение напряжения U С на конденсаторе С о, которое измеряется высокочастотным вольтметром V2.
Входное сопротивление вольтметра V2 в пределах рабочих частот куметра должно быть очень велико. При достаточно высокой чувствительности вольтметр подключают к измерительному контуру через ёмкостный делитель напряжения, входную ёмкость которого учитывают как компонент начальной ёмкости конденсатора С о. Поскольку все конденсаторы, входящие в состав измерительного контура, имеют весьма малые потери, то можно считать, что активное сопротивление контура в основном определяется сопротивлением потерь R x исследуемой катушки.
Рис. 10. Упрощённая схема куметра
Изменением ёмкости конденсатора С о измерительный контур настраивают в резонанс с частотой генератора f по максимальным показаниям вольтметра V2. При этом в контуре будет протекать ток I р ≈ U о /R x , создающий на конденсаторе падение напряжения
U C = I p /(2*π*f*C о) ≈ U о /(2*π*f*C о R x).
Учитывая, что при резонансе 1/(2*π*f*С о) = 2*&pi*f*L x , находим
UC ≈ U o (2*π*f*L x)/R x = U о Q L ,
где Q L = (2*π*f*L x)/R x есть добротность катушки L x при частоте f. Следовательно, показания вольтметра V2 пропорциональны добротности Q L . При фиксированном напряжении U о шкалу вольтметра можно линейно градуировать в значениях Q L ≈ U C /U о. Например, при U о = 0,04 В и пределе измерений вольтметра U п = 10 В напряжениям на входе вольтметра 2, 4, 6, 8 и 10 В будут соответствовать добротности Q L , равные 50, 100, 150, 200 и 250.
Номинальное напряжение U о устанавливают регулировкой режима выходного каскада генератора. Контроль этого напряжения осуществляют по показаниям высокочастотного вольтметра V1, измеряющего напряжение U 1 = U о N на выходе генератора. Например, если шкала добротностей вольтметра V2 выполнена при напряжении Uо = 0,04 В, а коэффициент деления N = 20, то на выходе генератора должно поддерживаться напряжение U x = 0,04*20 = 0,8 В. Предел измерений вольтметра V1 должен несколько превышать расчётное значение напряжения U 1 и равен, например, 1 В.
Повышение верхнего предела измерения добротностей достигается уменьшением напряжения U о до значения, в несколько раз меньшего номинального. Предположим, что при напряжении U о = 0,04 В обеспечивается непосредственный отсчёт добротностей до значения Q L = 250. Если же уменьшить напряжение U о в два раза, до 0,02 В, то стрелка вольтметра V2 будет отклоняться на всю шкалу при добротности Q L = U п /U о = 10/0,02 = 500. Соответственно для повышения верхнего предела измерений в четыре раза, до значения Q L = 1000, измерения следует проводить при напряжении U о = 40/4 = 10 мВ.
Уменьшить напряжение U о до требуемого значения можно двумя способами: изменением коэффициента деления N посредством переключения конденсаторов С 1 различных номиналов либо регулировкой выходного напряжения U 1 генератора. Для удобства измерения больших добротностей вольтметр V1 (или переключатель коэффициентов деления) снабжают шкалой (маркировкой), отсчёт по которой, характеризующий степень уменьшения напряжения U о по сравнению с его номинальным значением, является множителем к шкале добротностей вольтметра V2.
Для проверки работы куметра и расширения его возможностей используют опорные катушки L о с известными индуктивностью и добротностью. Обычно имеется комплект из нескольких сменных катушек L о, которые вместе с конденсатором переменной ёмкости С о обеспечивают резонансную настройку измерительного контура в пределах всего диапазона рабочих частот генератора.
При измерении добротности катушек индуктивности Q L за 10-15 мин до начала работы включают питание прибора и настраивают генератор на требуемую частоту. После прогрева производят установку нуля вольтметров V1 и V2. Испытуемую катушку подключают к зажимам 1 и 2. Постепенным повышением выходного напряжения генератора добиваются отклонения стрелки вольтметра V1 до отметки номинала. Конденсатором Со настраивают контур в резонанс с частотой генератора. Если при этом стрелка вольтметра V2 заходит за шкалу, выходное напряжение генератора уменьшают. Значение добротности Q L определяют как произведение отсчётов по шкале добротностей вольтметра V2 и по шкале множителей вольтметра V1.
Добротность колебательного контура Q K измеряют в том же порядке при подключении катушки контура к зажимам 1 и 2, а его конденсатора - к зажимам 3 и 4. При этом конденсатор С о устанавливают в положение минимальной ёмкости. Если конденсатор исследуемого контура имеет переменную ёмкость, то им производят настройку контура в резонанс на требуемую частоту генератора f; если этот конденсатор постоянный, то резонансную настройку осуществляют изменением частоты генератора.
Измерение куметром индуктивности катушек L x производят способом, рассмотренным выше в связи со схемой на рис. 9. Генератор настраивают на опорную частоту, выбираемую согласно таблице в зависимости от ожидаемого значения L x . Испытуемую катушку подключают к зажимам 1 и 2 Измерительный контур настраивают в резонанс конденсатором С о, по специальной шкале которого оценивают значение L x с учётом цены деления, указанной в таблице. Одновременно способом вариации параметров контура можно определить и собственную ёмкость катушки C L . При двух произвольных значениях ёмкостей С 01 и С 02 конденсатора С о изменением настройки генератора находят резонансные частоты контура f 1 и f 3 . Искомая ёмкость
C L = (C 02 f 4 2 -C 01 f 1 2) : (f 1 2 -f 2 2)
Измерение куметром ёмкостей выполняют методом замещения. Испытуемый конденсатор С х присоединяют к зажимам 3 и 4, а к зажимам 1 и 2 подключают одну из опорных катушек L о, обеспечивающую резонансную настройку контура в выбранном диапазоне частот. Одновременно можно определить и тангенс угла потерь (добротность) конденсатора:
tg δ = 1/(2*π*f*C x R п)
(где R п - сопротивление потерь). Для этого при двух значениях ёмкостей C 01 и С 02 , соответствующих резонансным настройкам контура без конденсатора С х и при подключении последнего, находят добротности контура Q 1 и Q 2 , а затем совершают вычисление по формуле
tg δ = Q 1 Q 2 /(Q 1 -Q 2) * (C 01 -C 02)/C 01
При необходимости генератор куметра можно использовать в качестве измерительного генератора, а электронные вольтметры - для измерения напряжений в широком диапазоне частот.
Теорема Гаусса
Электрический дипольный момент
Электрический заряд
Электрическая индукция
Электрическое поле
Электростатический потенциал
| Магнитостатика |
|---|
| Закон Био - Савара - Лапласа Закон Ампера Магнитный момент Магнитное поле Магнитный поток Магнитная индукция |
| Электродинамика |
|---|
| Векторный потенциал Диполь Потенциалы Лиенара - Вихерта Сила Лоренца Ток смещения Униполярная индукция Уравнения Максвелла Электрический ток Электродвижущая сила Электромагнитная индукция Электромагнитное излучение Электромагнитное поле |
| Электрическая цепь |
|---|
| Закон Ома Законы Кирхгофа Индуктивность Радиоволновод Резонатор Электрическая ёмкость Электрическая проводимость Электрическое сопротивление Электрический импеданс |
| Известные учёные |
|---|
| Генри Кавендиш Майкл Фарадей Никола Тесла Андре-Мари Ампер Густав Роберт Кирхгоф Джеймс Клерк (Кларк) Максвелл Генри Рудольф Герц Альберт Абрахам Майкельсон Роберт Эндрюс Милликен |
Индукти́вность (или коэффициент самоиндукции ) - коэффициент пропорциональности между электрическим током , текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком , создаваемым этим током через поверхность , краем которой является этот контур .
В формуле
- магнитный поток , - сила тока в контуре, - индуктивность.
Через индуктивность выражается ЭДС самоиндукции в контуре, возникающая при изменении в нём тока :
.
Из этой формулы следует, что индуктивность численно равна ЭДС самоиндукции (в вольтах), возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с .
При заданной силе тока индуктивность определяет энергию магнитного поля, создаваемого этим током :
.Практически участки цепи со значительной индуктивностью выполняют в виде катушек индуктивности . Элементами малой индуктивности (применяемыми для больших рабочих частот) могут быть одиночные (в том числе и неполные) витки или даже прямые проводники; при высоких рабочих частотах необходимо учитывать индуктивность всех проводников .
Для имитации индуктивности, то есть ЭДС на элементе, пропорциональной и противоположной по знаку скорости изменения тока через этот элемент, в электронике используются и устройства, не основанные на электромагнитной индукции (см. Гиратор); такому элементу можно приписать определённую эффективную индуктивность, используемую в расчётах полностью (хотя вообще говоря с определёнными ограничивающими условиями) аналогично тому, как используется обычная индуктивность.
Обозначение и единицы измерения
Теоретическое обоснование
Если в проводящем контуре течёт ток, то ток создаёт магнитное поле .
Будем здесь вести рассмотрение в квазистатическом приближении, подразумевая, что переменные электрические поля достаточно слабы либо меняются достаточно медленно, чтобы можно было пренебречь порождаемыми ими магнитными полями.
Ток считаем одинаковым по всей длине контура (пренебрегая ёмкостью проводника, которая позволяет накапливать заряды в разных его участках, что вызвало бы неодинаковость тока вдоль проводника и заметно усложнило бы картину).
где - индуктивность витка. В случае катушки , состоящей из N витков предыдущее выражение модифицируется к виду:
где - сумма магнитных потоков через все витки (это так называемый полный поток, называемый в электротехнике потокосцеплением , именно он фигурирует в качестве магнитного потока вообще в случае для катушки в общем определении индуктивности и в теоретическом рассмотрении выше; однако для упрощения и удобства для многовитковых катушек в электротехнике пользуются отдельным понятием и отдельным обозначением), а - уже индуктивность многовитковой катушки. называют потокосцеплением или полным магнитным потоком . Коэффициент пропорциональности иначе называется коэффициентом самоиндукции контура или просто индуктивностью .
Если поток, пронизывающий каждый из витков одинаков (что довольно часто можно считать верным для катушки в более или менее хорошем приближении), то . Соответственно, (суммарный магнитный поток через каждый виток увеличивается в N раз - поскольку его создают теперь N единичных витков, и потокосцепление ещё в N раз, так как это поток через N единичных витков). Но в реальных катушках магнитные поля в центре и на краях отличаются, поэтому используются более сложные формулы.
Индуктивность соленоида
Катушка в форме соленоида (конечной длины).
где - оценка длины соленоида ( - большой радиус тора).
Лучшее приближение дает формула
где предполагается сердечник прямоугольного сечения с наружным радиусом R и внутренним радиусом r , высотой h .
Индуктивность длинного прямого проводника
Для длинного прямого (или квазилинейного) провода кругового сечения индуктивность выражается приближённой формулой :
где − магнитная постоянная , - относительная магнитная проницаемость внешней среды (которой заполнено пространство (для вакуума ), - относительная магнитная проницаемость материала проводника, - длина провода, - радиус его сечения.
Таблица индуктивностей
Символ обозначает магнитную постоянную (4π×10 −7 Гн/м ). В высокочастотном случае ток течёт в поверхности проводников (
Инструкция
Опираясь на определение термина индуктивность, нетрудно догадаться о расчете данной величины. Самая простая формула для вычисления индуктивности соленоида выглядит так: L=Ф/I, где L – индуктивность контура, Ф - магнитный поток охватывающего катушку магнитного поля, I- сила тока в катушке. Эта формула является определяющей единицу измерения индуктивности: 1 Вебер / 1 Ампер = 1 Генри или, сокращенно, 1 Вб / 1 А = 1 Гн.
Пример 1. По катушке течет ток силой 2 А, вокруг нее образовалось магнитное поле, магнитный поток которого составляет 0,012 Вб. Определите индуктивность данной катушки. Решение: L= 0,012 Вб / 2 А = 0,006 Гн = 6 мГн.
Индуктивность контура (L) зависит от размеров и формы катушки, от магнитных свойств среды, в которой находится данный проводник с током. Исходя из этого, индуктивность длинной катушки (соленоида) можно определить по формуле, указанной на рисунке 1, где µ0 – магнитная постоянная, равная 12,6*(10) в -7 степени Гн/м; µ - относительная магнитная проницаемость среды, в которой располагается катушка с током (табличная величина, указанная в физических справочниках); N – число витков в катушке, lкат – длина катушки, S – площадь одного витка.
Пример 2. Найти индуктивность катушки, имеющей характеристики: длина – 0.02 м, площадь витка – 0,02 кв.м., число витков = 200. Решение: Если среда, в которой находится соленоид, не указана, то по умолчанию берется воздух, магнитная проницаемость воздуха равна единице. Поэтому, L = 12,6*(10) в -7 степени *1*(40000/0,02)*0,02=50,4*(10) в -3 степени Гн = 50,4 мГн.
Также рассчитать магнитную индукцию соленоида можно, опираясь на формулу энергии магнитного поля тока (см. рисунок 2). Из нее видно, что индукцию можно рассчитать, зная энергию поля и силу тока в катушке: L = 2W/(I) в квадрате.
Пример 3. Катушка, в которой течет ток 1 А, создает вокруг себя магнитное поле энергией 5 Дж. Определите индуктивность такой катушки. Решение: L = 2* 5/1 = 10 Гн.
Катушка индуктивности способна накапливать магнитную энергию при протекании электрического тока. Основной ее характеристикой является ее индуктивность , которая обозначается буквой L и измеряется в Генри (Гн). Индуктивность катушки зависит от ее особенностей.
Вам понадобится
- материал катушки и ее геометрические параметры
Инструкция
Индуктивность катушки
пропорциональна линейным размерам катушки
, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки
, намотанной на тороидальном сердечнике, равна: L = ?0*?r*s*(N^2)/l. В этой формуле?0 - магнитная постоянная, которая приближенно равна 1,26*(10^-6) Гн/м, ?r - относительная магнитная проницаемость материала сердечника, которая зависит от частоты), s - площадь сечения сердечника, l - длина средней линии сердечника, N - число витков катушки
.
Относительная магнитная проницаемость и материала, а также число витков N являются безразмерными величинами.
Таким образом, индуктивность катушки тем больше, чем больше площадь ее сечения. Это условие увеличивает магнитный поток через катушку при одном и том же токе в ней.Индуктивность катушки индуктивности в мкГн можно рассчитать также по формуле: L = L0*(N^2)*D*(10^-3). Здесь N - это число витков, D - диаметр катушки в сантиметрах. Коэффициент L0 зависит от отношения длины катушки к ее диаметру. Для однослойной катушки он равен: L0 = 1/(0,1*((l/D)+0,45)).
Если в цепи катушки
соединены последовательно, то их общая индуктивность
Если катушки
соединены параллельно, то их общая индуктивность
равна: L = 1/((1/L1)+(1/L2)+...+(1/Ln))
Обратите внимание
Основным параметром, характеризующим свойства катушек индуктивности и дросселей, является индуктивность. Индуктивность катушки зависит от её размеров и формы, количества витков и магнитной проницаемости среды. . Характеризует потери энергии в катушке и определяется отношением её индуктивного сопротивления к активному сопротивлению
Физическая природа индуктивности. Катушки индуктивности обладают свойством оказывать реактивное сопротивление переменному току при незначительном сопротивлении постоянному току. Совместно с конденсаторами они используются для создания фильтров, осуществляющих частотную селекцию электрических сигналов, а так же для создания элементов задержки сигналов и запоминающих элементов...
Источники:
- Катушка индуктивности
Катушка индуктивности может накапливать магнитную энергию при протекании электрического тока. Основным параметром катушки является ее индуктивность
Вам понадобится
- Катушка индуктивности и ее параметры
Инструкция
Индуктивность короткого проводника определяется по формуле: L = 2l(ln(4l/d)-1)*(10^-3), где l - длина провода в сантиметрах, а d - диаметр провода в сантиметрах. Если провод намотан на каркас, то эта конструкция образует катушку индуктивности. Магнитный поток концентрируется, и величина индуктивности возрастает.
Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки, намотанной на тороидальном сердечнике, равна: L = ?0*?r*s*(N^2)/l. В этой формуле?0 - магнитная постоянная, ?r - относительная магнитная проницаемость материала сердечника, которая зависит от частоты, s - площадь сечения сердечника, l - длина средней линии сердечника, N - число витков катушки.
Индуктивность катушки индуктивности в мкГн можно рассчитать также по формуле: L = L0*(N^2)*D*(10^-3). Здесь N - это число витков, D - диаметр катушки в сантиметрах. Коэффициент L0 зависит от отношения длины катушки к ее диаметру. Для однослойной катушки он равен: L0 = 1/(0,1*((l/D)+0,45)).
Если в цепи катушки соединены последовательно, то их общая индуктивность
равна сумме индуктивностей всех катушек: L = (L1+L2+...+Ln)
Если катушки соединены параллельно, то их общая индуктивность
равна: L = 1/((1/L1)+(1/L2)+...+(1/Ln)).
Формулы расчета индуктивности для различных схем соединения катушек индуктивности аналогичны формулам расчета сопротивления при таком же соединении резисторов.
Катушка индуктивности способна накапливать магнитную энергию при протекании электрического тока. Основным параметром катушки является ее индуктивность . Индуктивность измеряется в Генри (Гн) и обозначается буквой L.
Вам понадобится
- Параметры катушки индуктивности
Инструкция
Индуктивность короткого проводника определяется по формуле: L = 2l(ln(4l/d)-1)*(10^-3), где l - длина провода в сантиметрах, а d - диаметр провода в сантиметрах. Если провод намотан на каркас, то образуется катушка индуктивности. Магнитный поток концентрируется, и, в результате, величина индуктивности возрастает.
Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки, намотанной на тороидальном сердечнике, равна: L = μ0*μr*s*(N^2)/l. В этой формуле μ0 - магнитная постоянная, μr - относительная магнитная проницаемость материала сердечника, зависящая от частоты), s - площадь сечения сердечника, l - длина средней линии сердечника, N - число витков катушки.
- Катушка индуктивности -
Данный справочник собран из разных источников. Но на его создание подтолкнула небольшая книжка "Массовой радиобиблиотеки" изданная в 1964 году, как перевод книги О. Кронегера в ГДР в 1061 году. Не смотря на такую ее древность, она является моей настольной книгой (наряду с несколькими другими справочниками). Думаю время над такими книгами не властно, потому что основы физики, электро и радиотехники (электроники) незыблемы и вечны.
| Единица индуктивности
генри
(гн)
-
индуктивность такой катушки,
в которой возникает э д.с. самоиндукции, равная 1
в,
при изменении силы тока в этой катушке на 1 а
в 1 сек.
В радиотехнике чаще применяют более мелкие единицы индуктивности, см. Таблицу 3 Менее употребительна единица индуктивности, заимствованная из абсолютной системы единиц: 1 см=10 -9 гн=1 нгн=10 -3 мкги=10 -6 мгн. Индуктивность может быть вычислена по формуле: |
||||||
| Следовательно, индуктивность прямо пропорциональна квадрату числа витков w и обратно пропорциональна магнитному сопротивлению R м: | ||||||
| где:
l
- длина магнитной линии,
см;
Этот коэффициент A l иногда приводится в технических данных на магнитмые материалы: |
||||||
| Величина абсолютной магнитной проницаемости μ зависит от материала. Для магнитных материалов в литературе указывается относительная магнитная проницаемость μr г, а абсолютная магнитная проницаемость рассчитывается по формуле | ||||||
 |
||||||
| где: | ||||||
| Символом μ 0 обозначается магнитная
проницаемость вакуума или магнитная постоянная.
Относительная магнитная проницаемость является
безразмерной величиной. Энергия, запасаемая в магнитном поле при его образовании, составляет: |
||||||
 |
||||||
| где:
L -
индуктивность, гн;
|
||||||
 |
||||||
| Электродвижущая сила , наводимая в катушке, имеющей ω витков, рассчитывается по формуле | ||||||
 |
||||||
| Так как в цепи, обладающей индуктивностью,
значение тока не может измениться скачком, то при
подключении катушки к источнику постоянного
напряжения (рис. 7) и при размыкании цепи ток в
последней изменяется по законам, которые подобны
законам изменения напряжения на емкости в цепи с
сопротивлением и емкостью. При Ri < Rl практически можно учитывать только сопротивление R l . Ток в цепи при замыкании ключа K1, |
||||||
 |
||||||
| где:
Ri -
внутреннее сопротивление источника,
ом; |
||||||
 |
||||||
| Ток в цепи при выключении э. д. с. Е (на рис. 7 разомкнут контакт K 1 и замкнут контакт K 2) | ||||||
 |
||||||
| Постоянная времени при этом | ||||||
 |
||||||
| Интервал времени, за который ток достигает половины максимального значения, | ||||||
 |
||||||
| При последовательном соединении катушек без взаимоиндукции (рис. 8) общая индуктивность | ||||||
|
L общ = L 1 + L 2 + L 3 +...+ L n |
||||||
|
||||||
| При параллельном соединении (рис. 9) суммарная индуктивность | ||||||
| Для двух катушек, соединенных параллельно , суммарная индуктивность | ||||||
 |
||||||
| При последовательном соединении двух катушек с взаимоиндукцией (расположенных соосно и на малом расстоянии друг от друга (рис. 8) суммарная индуктивность | ||||||
| где: М -
взаимная индуктивность, гн.
|
||||||
 |
||||||
| Знак плюс ставится при одинаковом, а знак минус
при встречном направлении магнитных полей. Взаимная индуктивность определяется формулой |
||||||
 |
||||||
| где буквой k обозначен коэффициент связи, который всегда меньше единицы, Определение коэффициента связи производится следующимобразом (рис. 10): | ||||||
 |
||||||
| Индуктивность проводника относительно земли | ||||||
 |
||||||
| где: / - длина проводника, см; |
||||||
| Индуктивность коаксиальною кабеля | ||||||
 |
||||||
| где: D -
диаметр наружного провода,
см; |
||||||
|
||||||
|
Индуктивность тороидальной катушки (рис. 11) |
||||||
 |
||||||
| где:
ω
- число витков; |
||||||
|
||||||
|
Индуктивность катушки с прямоугольным сечением (рис. 12) |
||||||
| где: h -
высота, см; |
Любой проводник с током создает вокруг себя магнитное поле. Отношение магнитного потока этого поля к порождающему его току называется индуктивностью. Индуктивность прямого отрезка проводника невелика и составляет 1...2 мкГн на каждый метр длины в зависимости от диаметра провода (тонкие проводники имеют большую индуктивность). Более точные результаты дает формула
где - длина провода; d - его диаметр. Оба размера надо брать в метрах (под знаком логарифма допустимо в любых, но одинаковых единицах), индуктивность получится в микрогенри. Для облегчения расчетов напомним, что натуральный логарифм любого числа в 2,3 раза больше десятичного логарифма (который можно найти с помощью таблиц, логарифмической линейки или калькулятора), т. е. Inx = 2,3lgx.
Зачем мы дали эту формулу? Поясним примером.
Пусть выводы некоторого радиоэлемента имеют длину 4 см при диаметре 0,4 мм. Сосчитаем их индуктивность:
2,3lg100 = 4,6 и 0,2-0,04-3,6 = 0,03 (округляем).
Итак, индуктивность каждого вывода близка к 0,03 мкГн, а двух выводов - 0,06 мкГн. С емкостью всего 4,5 пФ (а емкость монтажа может быть и больше) такая индуктивность образует колебательный контур, настроенный на частоту 300 МГц, - вспомните формулу Томсона:
f = 1/2π√LC .
Вот почему на УКВ нельзя вести монтаж длинными проводами и оставлять длинные выводы деталей.
Чтобы увеличить индуктивность, проводник сворачивают в кольцо. Магнитный поток внутри кольца возрастает, и индуктивность становится примерно втрое больше:
L = 0,27πD(ln8D/d-2).
Здесь D - диаметр кольца, размерности те же. Дальнейшее увеличение индуктивности происходит при увеличении числа витков, при этом магнитные потоки отдельных витков не только складываются, но и воздействуют на все остальные витки. Поэтому индуктивность возрастает пропорционально квадрату числа витков. Если в катушке N витков, полученную для одного витка индуктивность надо умножить на N 2 .
Для однослойной цилиндрической катушки с длиной, намного большей диаметра D (рис. 23), индуктивность достаточно точно рассчитывается по формуле
строго выведенной для очень длинного соленоида или тора. Все размерности здесь в системе СИ (метры, Генри), μ0 = 4π·10-7 Гн/м - магнитная константа; S = πD2/4 - площадь поперечного сечения катушки; μ - эффективная магнитная проницаемость магнитопровода. Для незамкнутых магнитопроводов она значительно меньше проницаемости самого материала. Например, для стержня магнитной антенны из феррита марки 600НН (магнитная проницаемость 600) и едва достигает 150. Если магнитопровода нет, μ = 1.
Очень точные результаты эта формула дает для тороидальных катушек, причем соответствует длине окружности кольцевого магнитопровода, измеренной по его средней линии. Формула годится и для низкочастотных трансформаторов, намотанных на Ш-образном магнитопроводе (рис. 24).
В этом случае S = ab - площадь сечения магнитопровода, а - это средняя длина магнитной силовой линии, показанная на рисунке пунктиром. Для замкнутых магнитопроводов, собранных без зазора, как и для ферритовых колец, и берется равной магнитной проницаемости материала. Малый зазор незначительно снижает μ. Учесть его влияние можно, увеличив длину магнитной силовой линии на величину δμ, где δ - ширина зазора, μ - магнитная проницаемость материала сердечника.
Как видим, от диаметра провода индуктивность практически не зависит. У низкочастотных катушек диаметр провода выбирают исходя из допустимой плотности тока, для медных проводников 2...3 ампера на каждый мм2 сечения проводника. В других случаях, особенно у радиочастотных катушек, стремятся получить минимальное сопротивление проводника, чтобы увеличить добротность (отношение индуктивного сопротивления к активному).
С этой целью надо, казалось бы, увеличивать диаметр провода, но тогда увеличивается длина намотки, что снижает индуктивность, а при тесном, многослойном расположении витков наблюдается эффект "вытеснения" тока из обмотки, что увеличивает сопротивление. Эффект аналогичен вытеснению тока на высоких частотах в любых проводниках, в результате чего ток течет только в тонком скин-слое у поверхности проводника. Толщина скин-слоя уменьшается, а сопротивление провода растет пропорционально корню квадратному из частоты.
Таким образом, для получения нужных индуктивности и добротности совсем не обязательно выбирать самый толстый провод. Например, если однослойную катушку (см. рис. 23) намотать толстым проводом виток к витку или вдвое более тонким проводом, но с шагом, равным диаметру провода, индуктивность останется прежней и добротность почти не уменьшится. Добротность возрастает при увеличении вместе с диаметром провода всех размеров катушки, главным образом, ее диаметра.
Для получения максимальной добротности и индуктивности катушку выгоднее делать короткой, но большого диаметра, с отношением D/ порядка 2,5. Индуктивность таких катушек более точно рассчитывается по эмпирической (подобранной опытным путем) формуле
Где размеры берутся в сантиметрах, а индуктивность получается в микрогенри. Любопытно, что эта же формула применима для спиральной или корзиночной плоской катушки (рис. 25).
В качестве D берут средний диаметр:
D = (Dmax + Dmin)/2
а в качестве - ширину намотки,
= (Dmax - Dmin)/2.
Индуктивность многослойной катушки без сердечника (рис. 26) вычисляется по формуле
где размеры подставляются в сантиметрах, а индуктивность получается в микрогенри. При плотной рядовой намотке добротность не превосходит 30...50, "рыхлая" намотка (внавал, универсаль) дает большие значения добротности. Еще лучше "сотовая" намотка, теперь практически забытая. На частотах до 10 МГц добротность увеличивается при использовании литцендрата - провода, скрученного из многих тонких изолированных жилок. У литцендрата больше общая поверхность провода, по которой, собственно, и течет ток из-за скин-эффекта, а следовательно, меньше сопротивление на высокой частоте.
Подстроечник из магнитодиэлектрика увеличивает индуктивность вплоть до 2-3 раз, в зависимости от размеров подстроечника. Еще большее увеличение индуктивности дают замкнутые или частично замкнутые магнитопроводы, например, горшкообразные. В этом случае лучше пользоваться строгой формулой для соленоида или тора (см. выше). Добротность катушки на замкнутом магнитопроводе определяется не столько проводом, сколько потерями в материале сердечника.
В заключение главы приведем несколько полезных формул для подсчета активного сопротивления проводов. Погонное сопротивление (на метр длины) медного провода на постоянном токе и низких частотах (Ом/м) легко найти по формуле
где d - диаметр провода, мм. Толщина скин-слоя для меди (мм) примерно равна 1/15√f (МГц). Обратите внимание: уже на частоте 1 МГц ток проникает в провод на глубину всего 0,07 мм! В случае, когда диаметр провода больше толщины скин-слоя, сопротивление возрастает по сравнению с сопротивлением на постоянном токе. Погонное сопротивление провода на высокой частоте оценивают по формуле
R = √f/12d (мм).
К сожалению, эти формулы нельзя использовать для определения активного сопротивления катушек, поскольку из-за эффекта близости витков оно получается еще больше.
Настало время дать ответы на первые задачи, приведенные в предыдущих разделах. Задачка из введения ("Радио", 2002, № 9, с. 52): какова длительность единичных импульсов (по отношению к периоду) на выходе логического элемента (рис. 2), если он переключается при напряжении 2 В, а на вход подан синусоидальный сигнал с амплитудой 4 В?
Решать эту задачу проще и нагляднее графически - надо по возможности точнее нарисовать синусоиду амплитудой 4 В и провести прямую горизонтальную линию на уровне порога переключения элемента, т. е. 2 В (рис. 27).
Элемент будет переключаться в моменты времени, соответствующие точкам пересечения синусоиды с этой линией. Длительность получившихся импульсов (выделены утолщенными линиями) теперь можно измерить линейкой - она составит 1/3 периода.
По горизонтальной оси графика целесообразно отложить не время, а фазу колебания φ. Полный период составит 360°, а моменты переключения находятся из уравнения 4sinφ = 2 или sinφ =1/2 (оно приравнивает мгновенное значение напряжения порогу переключения). Решения уравнения: φ = 30°, 150° и т. д. Разность фаз между моментами переключения составляет 150 - 30 = 120°, длительность импульса по отношению к периоду составит 120/360 = 1/3. Таким образом, задачку можно решить и алгебраически, но легко запутаться в многозначном решении уравнения для φ, поэтому нарисовать график оказалось очень полезно. Если даже не стараться рисовать график аккуратно, по нему получим приближенную оценку, а из решения алгебраического уравнения - точный результат.
Теперь вторая задача, предложенная в конце первого раздела: Измерения батареи показали ЭДС 12 В и ток короткого замыкания 0,4 А. Какую взять лампочку, чтобы свет был как можно ярче? Определяем внутреннее сопротивление батареи:
r = E/lK3= 12/0,4 = 30 Ом.
Чтобы свет был максимально ярким, на лампочке фонаря должна выделяться максимальная мощность (не напряжение, и не ток, а именно мощность, преобразующаяся затем в тепло: Q = P·t). Это происходит при равенстве сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению источника: R = г. Из всех перечисленных лампочек лишь одна удовлетворяет этому условию - находим ее сопротивление по закону Ома: 6 В/0,2 А = 30 Ом. Она и окажется самой яркой. Заметьте также, что на ней выделится напряжение 6 В и будет протекать ток 0,2 А, т. е. лампа будет светить в рекомендуемом для нее режиме.
