КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Катушки индуктивности, за исключением дросселей, предназ­наченных для использования в цепях питания, не являются ком­плектующими изделиями, как, например, резисторы и конденса­торы. Они изготовляются на сборочных заводах и имеют те параметры, которые необходимы для конкретных изделий.

Из-за трудностей микроминиатюризации, значительных массогабаритных показателей, плохой повторяемости характеристик и параметров, повышенной трудоемкости изготовления область их применения ограничена. Однако при создании ряда устройств электроники обойтись без них пока нельзя. При этом важным является то, что индуктивные компоненты с использованием су­ществующей изоляции могут успешно работать при температуре до 200...500°С.

Катушки индуктивности, как правило, имеют цилиндриче­скую или спиральную форму витков и выполняются как одно­слойными, так и многослойными. Характер намотки зависит от назначения катушки индуктивности. Так, для уменьшения межвитковых емкостей витки укладывают на каркас с определенным шагом или применяют специальные способы намотки, когда вит­ки укладываются не параллельно, а под некоторым углом друг к другу (универсальная намотка).

Для увеличения значений индуктивности и повышения их доб­ротности широко применяют магнитопроводы с постоянными или регулируемыми параметрами. Наиболее распространенные формы магнитопроводов – броневая и тороидальная (рис. 2.10, а, б). Ре­гулирование параметров магнитопровода осуществляют с помо­щью подвижного сердечника 3 (рис. 2.10, а), который выполняют из ферромагнитного материала. При его перемещении меняются параметры магнитопровода и индуктивность катушки. В ряде слу­чаев для подстройки катушек индуктивности внутрь их вводят только один подстроечный сердечник из ферромагнетика или диамагнетика. Диамагнетики (латунь, медь) используют только на вы­соких частотах (десятки – сотни мегагерц). В отличие от ферро­магнетика при их введении индуктивность катушки уменьшается.

 

 

В катушках индуктивности, работающих на низких частотах (до 1 кГц), в качестве магнитопроводов обычно используют пер­маллои. При этом магнитопровод, как правило, тороидальный, собранный из тонких колец (h = 0,002...0,1 мм) или навитый из ленты тех же толщин. На более высоких частотах (до нескольких мегагерц) широко применяют ферриты, причем их марка зависит от диапазона рабочих частот. На частотах свыше нескольких мегагерц используют катушки индуктивности, имеющие только подстроечные сердечники или вообще не имеющие их.

Точный расчет значений индуктивности представляет собой сложную задачу.

При ориентировочных расчетах можно использовать прибли­женные формулы. Для однослойной цилиндрической катушки, намотанной виток к витку или с шагом, индуктивность (микро­генри)

где d, l – диаметр и длина катушки, мм; W— число витков.

Для многослойной катушки (микрогенри)

где (d_нар, d_вн – наружный и внутренний диаметры катушки, мм); l, h – длина и высота катушки; W – число витков. При наличии магнитопровода сначала находят его магнитное сопротивление. Для этого определяют, по какому пути замыкают­ся магнитные силовые линии, и оценивают магнитные сопротив­ления отдельных участков. Суммируя их, находят общее магнит­ное сопротивление магнитной цепи Z_M и затем с помощью Формулы L = W²/Z_m вычисляют значение индуктивности. Так, например, в броневом магнитопроводе (см. рис. 2.10, а) магнит­ные силовые линии замыкаются так, как показано на рис. 2.11, а (поток Ф).

 

Магнитопровод условно разделен на участки, магнитные сопротивления которых Z_М1, Z_M2, Z_M3, Z_MB, где Z_M1 – маг­нитное сопротивление внешней стенки; Z_M2 – магнитное сопро­тивление оснований; Z _М3– магнитные сопротивления участка внутренней стенки; Z_MB — магнитное сопротивление воздушного зазора. Для их нахождения используют формулу

где l _ср.n – средняя длина магнитной силовой линии на п- мучаст­ке; S — площадь поперечного сечения; μ_r – относительная маг­нитная проницаемость материала магнитопровода на п- мучастке; μ;₀ – магнитная постоянная (μ;₀ = 4π·10^-7 Гн/м).

Упрощенные эквивалентные схемы катушек индуктивности изображены на рис. 2.12.

 

 

 

Важнейшим параметром катушки индуктивности является доброт­ность, которая равна отношению мнимой части X ее полного сопро­тивления к действительной части R:

Q=X/R.

Значение добротности зависит от частоты. Если сердечник из ферромагнетика отсутствует то добротность зависит от соотношения между индуктивностью L и активным сопротивлением провода r_пр. Однако на частотах порядка нескольких мегагерц из-за поверхностного эффекта (скин – эффект) активное сопротивление провода увеличивается и добротность снижается.

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 h = 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. Индук­тивность и активное сопротивление дросселей низкой частоты рассчитывают исходя из параметров, которые необходимо полу­чить у источника питания.

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.