Ёмкость катушки индуктивности – Собственная паразитная ёмкость катушки индуктивности. Онлайн расчёт.

Собственная паразитная ёмкость катушки индуктивности. Онлайн расчёт.

Собственная ёмкость — это паразитный параметр катушки индуктивности. Паразитный, но не так, чтобы уж очень: не домашнее животное в виде таракана, не нежданный гость в виде татарина, а так… мелкий, но важный аспект, требующий учёта и внимания.
Возникновение собственной ёмкости обусловлено наличием ёмкостей между отдельными витками катушки, между витками и сердечником, витками и экраном, а также витками и близлежащими элементами конструкции. Все эти распределённые ёмкости суммируются и называются собственной ёмкостью катушки C_L.
Паразитная собственная ёмкость всегда подключена параллельно катушке и образует с её собственной индуктивностью параллельный колебательный контур, резонансная частота которого является частотой собственного резонанса катушки.

Несмотря на кажущуюся простоту, точный расчёт этого параметра — это вовсе: не плёвое дело, не поиск халявы и не комариная плешь, по крайней мере, практически все отечественные авторы справочной литературы, дружно повернулись спиной к суровой правде бытия, выдавая за истину теорию, никак не подкреплённую экспериментом.

Для примера приведу выдержку из подобного умного справочника.

Совсем другое дело — буржуйские пытливые умы, преимущественно американской этнической национальности. Эти ребята копают и вглубь и вширь похлеще азиатских хунвейбинов, восполняя нехватку теоретических обоснований многочисленными практическими экспериментами.

Вот как, к примеру, у них выглядит незамысловатая измерительная приблуда для определения собственной резонансной частоты катушки.

В результате всех этих раскопок из глубины на поверхность была извлечена совсем уж до неприличия простая формула определения собственной ёмкости катушки:
C_L

(пф) ≈ 0,5×D_кат(см).

Казалось бы, вот оно — добро пожаловать «за грань добра и зла». Однако не всё так плохо — формула обеспечивает вполне приемлемую точность вычислений и может быть использована для оценки собственных ёмкостей однослойных конструкций катушек с соотношением длины намотки к диаметру:
0.5 нам/D_кат

А как посчитать нам величину собственной ёмкости при другом форм-факторе катушки?
Найти всеобъемлющую формулу, позволяющую рассчитать этот параметр для любых вариаций (включая частотную зависимость) оказалось делом нереальным — по крайней мере мне этого сделать не удалось. Поэтому самым простым и точным методом, позволяющим оценить собственную ёмкость катушки, я посчитал интерполяцию графика экспериментальной зависимости, полученной англичанином R.G.Medhurst-ом, в лаборатории компании General Electric.

По шкале X — отношение длины к диаметру катушки;

По шкале Y — коэффициент H, равный отношению собственной ёмкости к диаметру катушки;
Шкала зависимости — логарифмическая.

Формула значения собственной ёмкости катушки в данном случае выглядит следующим образом:
C_L(пф) = H×D_кат(см).
Зависимость снята для однослойных бескаркасных катушек в диапазоне частот, находящихся ниже частоты собственного резонанса катушки.

В этом же источнике приведена и удобная таблица, отражающая изменение коэффициента H в зависимости от форм-фактора катушки.

И, как результат — формула, позволяющая с 2-3% точностью описать полученные экспериментальные зависимости:
H = 0,1126×L/D+0,08+0,27/√L/D.

Это то, что касается бескаркасных катушек. При наличии гладкого каркаса расчётная ёмкость изделия увеличится на величину ≈10×ε (%), где ε — относительная диэлектрическая проницаемость материала каркаса. Для катушек, намотанных на каркасах с нарезкой для фиксации витков, коэффициент увеличения ёмкости уже может составлять величину ≈20×ε (%).

И в завершении мероприятия просуммируем вышеизложенные идеи калькулятором.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЗНАЧЕНИЯ СОБСТВЕННОЙ ЁМКОСТИ БЕСКАРКАСНОЙ КАТУШКИ.

Будьте внимательны — в качестве значения межвиткового расстояния принято считать расстояние между центрами соседних витков, а не зазор между ними, поэтому данное расстояние никак не может быть меньше величины диаметра провода.

Значение собственной ёмкости многослойной катушки значительно больше и может достигать нескольких десятков пФ. Здесь, помимо всего прочего, вступают в сложное взаимодействие и ёмкости между соседними витками, и ёмкости между слоями, и разные другие факторы, значительно усложняющие структуру длинной линии, описывающей свойства моточного изделия.

Наверно по этой причине никто никому и не выносит мозг, все отдыхают на расслабоне. Формул — нет!
Или я чего-то пропустил в этой жизни…

 

vpayaem.ru

Coil32 — О конструкции катушек индуктивности

Для начинающих радиолюбителей хотелось бы немного рассказать об особенностях конструктивного исполнения катушек индуктивности. Основой любой катушки служит каркас, на который наматывается провод в виде спирали. Обычно начинающий радиолюбитель повторяет конструкцию, в описании которой указано, что надо намотать N-витков на каркасе диаметром D. Но очень часто нужного каркаса в наличии нет, а есть другой. Тогда возникают следующие вопросы:

1. Сколько витков нужно намотать на другом каркасе?
2. Подойдет ли этот каркас и как изменятся характеристики устройства?

Программа Coil32 легко решает первый вопрос. Зная параметры контура, в который входит катушка, или ее конструктивные размеры и число витков из описания устройства, можно вычислить ее индуктивность, а зная индуктивность — рассчитать число витков для нового каркаса, т.е. пересчитать катушку индуктивности.

Во втором вопросе следует разобраться подробнее. Какими параметрами характеризуется катушка индуктивности?

• Прежде всего, это величина индуктивности
• Добротность катушки, характеризующая величину потерь в ней
• Паразитная собственная емкость катушки
• Температурная нестабильность индуктивности

Величина индуктивности обычно прямо пропорциональна диаметру катушки и квадрату числа витков. Для уменьшения габаритов катушки и числа витков применяют магнитные сердечники – кольцевые, броневые. Разрез броневого сердечника показан на рисунке. Однако они имеют ограничения по частоте и по мощности. Например, в фильтрах для акустики их применение недопустимо, т. к. при большой мощности из-за особенностей магнитного материала, величина индуктивности будет зависеть от амплитуды сигнала и он, соответственно, сильно исказится. В выходных каскадах передатчиков и фильтрах акустики уменьшать габариты катушек нельзя, при этом возрастают потери, а вы же не хотите, что бы мощность усилителя шла на нагрев провода.

Добротность важна для контурных катушек. Она обратно пропорциональна величине сопротивления потерь в ней. Напомню, что программа Coil32 позволяет провести приблизительный расчет добротности однослойных катушек. Однажды, я с удивлением обнаружил, что мой сайт «нагуглили» по запросу — «Единица измерения добротности катушки индуктивности». Добротность измеряется в относительных единицах и не имеет специальной единицы измерения (типа Ом, Кг). Строго говоря, добротность — это отношение реактивного сопротивления катушки

( 2πƒL ) к ее сопротивлению потерь.
Часто в сети можно встретить online калькуляторы для расчета однослойных катушек, которые еще и вычисляют ее добротность. Однако, они учитывают только омические потери в катушке, что не совсем верно.
Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране, а также потери на излучение.
Потери в проводах вызваны тремя причинами

• Во-первых, провода обмотки обладают омическим сопротивлением, поэтому катушку следует наматывать проводом с наименьшим удельным сопротивлением (медь, серебро)
• Во-вторых, сопротивление провода обмотки переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено поверхностным эффектом, суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника, а по наружной кольцевой части поперечного сечения.

• В третьих, в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому протекает ток, принимает серповидный характер, что ведет к дополнительному возрастанию сопротивления провода. Уменьшить потери обусловленные эффектом близости можно применяя намотку с шагом. Существует оптимальный шаг намотки зависящий от геометрии катушки.

 

На частотах не превышающих 1,5..2 мегагерц, уменьшить потери в проводах можно применяя провод «литцендрат», состоящий из большего числа жилок, скрученных в жгут. При небольшом диаметре тонких жилок ослабляется поверхностный эффект, а скручивание жилок в жгут ослабляет эффект близости.
На очень высоких частотах проявляется влияние шероховатости провода, т.к. неровности на его поверхности увеличивают его длину для высокочастотного тока и соответственно сопротивление потерь.

Потери в диэлектрике обусловлены тем, что электромагнитная волна, проходя вдоль катушки, теряет энергию при взаимодействии с материалом каркаса. Эти потери подобны потерям в конденсаторах или коаксиальных кабелях и зависят от качества материала каркаса (tgδ). Уменьшить эти потери можно применяя ребристые каркасы, в результате форма катушки становиться многоугольной, либо полным отказом от каркаса.

Потери в сердечнике прямо пропорциональны частоте и мощности проходящей через катушку и зависят от материала сердечника. На высоких частотах, для уменьшения потерь применяют немагнитные латунные подстроечные сердечники, либо вовсе их не применяют. Проблеме учета потерь в ферритовых сердечниках посвящена отдельная статья.

Потери в экране обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране. Для их уменьшения экран должен дальше отстоять от катушки. Диаметр экрана должен превышать диаметр катушки не менее чем в 2,5 — 3 раза. Под влиянием экрана уменьшается индуктивность катушки. Степень этого уменьшения можно оценить с помощью плагина screen

Потери на излучение обусловлены излучением электромагнитного поля катушкой (антенный эффект). Они зависят от формы катушки и также влияют на ее добротность.

Для однослойной катушки — при увеличении ее размеров, сохраняя постоянными величину индуктивности и форму намотки, добротность примерно пропорциональна корню квадратному из диаметра катушки. Кроме того, добротность зависит от отношения длины намотки к ее диаметру и имеет тупой максимум при l/D ≈ 1. Для такой катушки оптимальный шаг намотки практически равен двум диаметрам провода (или другими словами расстояние между витками должно быть равно диаметру провода).

Для ориентировки можно посмотреть таблицу оптимизированных по добротности контурных катушек для радиолюбительских диапазонов.

Собственная емкость является паразитным параметром катушки индуктивности, ограничивающим возможности ее применения прежде всего по частоте, т.к. эта емкость суммируется с емкостью контура. Кроме того, даже без внешней емкости, эта емкость совместно с индуктивностью катушки образует резонансный контур, резонансная частота которого называется собственной частотой резонанса катушки. Выше этой частоты применение катушки бессмысленно, т.к. она в этом случае уже имеет емкостное сопротивление. Ясно, что нужно по возможности уменьшать эту емкость. Наименьшей собственной емкостью обладают однослойные катушки индуктивности.

У однослойных катушек собственная емкость пропорциональна диаметру катушки, а также зависит от отношения длины намотки к ее диаметру и имеет тупой минимум при l/D ≈ 1. Увеличение шага между витками уменьшает индуктивность такой катушки, при этом собственная емкость практически не меняется.

С физикой явления и методикой расчета собственной емкости однослойных катушек можно ознакомиться здесь.

Собственная емкость многослойных катушек значительно больше, для ее уменьшения применяют намотку типа «универсаль», либо секционированную намотку. При секционной намотке емкости отдельных секций соединяются последовательно, что уменьшает суммарную емкость. Применение провода в шелковой изоляции также уменьшает эту емкость.

 

---

Каркасы катушек в зависимости от рабочего диапазона частот и назначения могут быть выполнены самыми различными способами и из различных материалов (бумаги, прессшпана, органического стекла, высокочастотной керамики и разнообразных высокочастотных материалов). Материал каркаса влияет на добротность катушки. В отношении электрических характеристик наилучшими, являются не требующие пропитки и влагостойкого покрытия полистироловые каркасы. Затем в порядке ухудшения диэлектрических качеств можно назвать следующие материалы для каркасов: высокочастотная керамика, ультрафарфор, бакелизированные трубки из кабельной бумаги.

Для катушек в задающих генераторах на первое место выходит параметр температурной нестабильности индуктивности и механическая прочность катушки. При этом желательно иметь хорошую добротность. Наивысшими качествами по этим параметрам обладают катушки на сплошном каркасе из высокочастотной керамики с обмоткой нанесенной методом выжигания серебра в каркас.

Плоские печатные катушки применяют на высоких частотах для уменьшения габаритов устройства. До частот 100-150 МГц можно применять фольгированный стеклотекстолит. Заземлять в таких катушках следует внешний вывод. Если печатная плата двусторонняя, то с обратной стороны напротив катушки не должно быть металлизации.

Подводя итоги, можно заметить, что конструкция катушки зависит от особенностей устройства в котором она работает. Однако можно сделать один главный вывод — уменьшение габаритов катушки всегда ведет к ухудшению параметров самой катушки и, соответственно, общих параметров устройства, в состав которого она входит. Например, миниатюризация катушек во входных каскадах приемника ухудшает его избирательность по зеркальному каналу.

coil32.ru

для чего она нужна и как работает, параметры

Индукционная катушка — это дроссель или изолированный проводник. Используется электрический каркас, композитные вставки. При рассмотрении понятия необходимо изучить свойства, основные особенности катушки индуктивности.

Определение устройства

Катушка индуктивности — это устройство, которое обладает малой емкостью и значительным сопротивлением. Дроссель является отменным проводником электрического тока, учитывается высокий показатель инерционности. Устройства применяются в качестве свернутого изолированного проводника. Винтовые, спиральные модификации способны справляться с помехами, колебаниями в сети.

Индукционная катушка

Важно! Устройство работает в цепях переменного тока при низкой и высокой частоте.

Назначение и принцип действия

Специалисты задаются вопросом, зачем нужна токовая катушка индуктивности в цепи, и для этого необходимо разобраться в показателях. Коэффициент ЭДС (электродвижущая сила) показывает разницу между энергией и магнитным потоком. Устройства самоиндукции способны влиять на изменения в цепи. Чаще всего дроссели применяются в силовых установках. Они способны контролировать уровень напряжения, не допускают разрыва цепи.

Устройства самоиндукции

Также компоненты устанавливаются на пару с конденсаторами либо резисторами. Благодаря работе катушки фильтры находятся в безопасности. Теперь вызывает интерес, как включается индукционная катушка. Принцип работы построен на изоляции проводников. В конструкции используется электрический каркас с различным сечением. За счёт намоток обеспечивается распределение ёмкости на дросселе.

Интересно! Витки наматываются с определенным шагом, многое зависит от типа катушки.

Виды и типы

Различают низкочастотные, высокочастотные модели. В отдельную категорию выделяют винтовые, спиральные катушки. Также существуют модификации, которые используются в радиотехнике. Они подходят для защиты конденсатора либо резонансных контуров.

Устройства в радиотехнике

Для трансформаторов годятся катушки с усилителем каскадом. В последнюю категорию выделены вариометры, основное отличие — высокая частота колебательных контуров. Дроссели могут быть одинарными либо сдвоенными. От этого зависит показатель индуктивности и питания системы.

Низкочастотные

Для включения в электрическую цепь, применяется низкочастотная катушка индуктивности. Она предназначена для подавления переменного тока. В формуле учитывается циклическая частота и показатели индуктивности. За основу в устройствах берётся сердечник, который изготавливается из стали. Он может быть с фильтрами либо без них.

Чтобы влиять на частоту, происходит игра с сопротивлением. В цепи постоянного тока напряжение должно быть неизменным. С целью понижения частоты применяются фильтры. Основная проблема — это малая ёмкость. Чтобы детально ознакомиться с дросселем, стоит подробнее узнать о резонансной частоте, которая выделяется на контуре рабочего сигнала.

Когда в цепях повышается напряжение, на каркас оказывается нагрузка. В цепи постоянного тока задействуются непрозрачные проволочные резисторы. Также для этих целей подходят однослойные катушки типа «универсал». Их особенность — использование ферритовых стержней.

Низкочастотная катушка

Высокочастотные

Устройства изготавливаются с различными типами обмотки. Речь идет о наборе преимуществ, которые спасают в той или иной ситуации. Сфера применения элементов широка, учитывается значительная частота модуляции. Таким образом удается бороться с повышенным сопротивлением металлов. У катушек имеется сердечник.

Основная задача — это модуляция частоты генератора. Она происходит за счёт усиления сигнала, и за процессом можно проследить при подключении осциллографа. Многие высокочастотные катушки не отличаются стабильной работой, поскольку применяется керамический каркас. У него малый срок годности, плюс они восприимчивы к повышенной влажности.

Интересно! Современные товары изготавливаются из алюминия и являются компактными.

Электрикам известны контурные, безконтурные модификации высокой частоты. В зависимости от намотки учитывается стабильность электрических параметров. У моделей высокой частоты могут применяться магниты и провода. Речь идет о порошковых материалах, сделанных из диэлектриков.

Процесс изготовления связан с методом холодного прессования. Индуктивные датчики отличаются по защищенности. На предприятиях элементы могут погружать в раствор либо продевать в трубку. Это делается с целью избежания коротких замыканий. Мировые производители решают проблему путем использование вторичного витка.

Высокочастотная катушка

У моделей значительное сопротивление и есть проблема с концентрацией электролита. Таким образом изменяются свойства катушки индуктивности. Проводимость раствора падает и повышается частота электромагнитного поля.

Основные технические параметры

Катушки индуктивности имеют следующие характеристики:

• добротность отклонения;
• эффективность;
• начальная индуктивность;
• температура;
• стабильность;
• предельная емкость;
• номинальная индуктивность.

Стабильность демонстрирует свойства устройства при изменении условий использования. Температура фиксируется вследствие различных причин. Многое зависит от размера каркаса. Когда температура уменьшается, индуктивность также снижается. Современные параметры — это цикличность, которая является отношением температуры к линейному расширению. Учитывается изменение в керамической основе плюс показатель плотности.

Температура отслеживается на горячей намотке. В этом плане хорошо себя показали многослойные дроссели с сердечником, которые сделаны из карбонильного железа. Ёмкость отображает количество витков катушки, берется в расчет количество секций и контуров. Высокочастотные модели считаются более емкостными и стабильными.

Емкостные катушки

Номинальная индуктивность — это параметр, который учитывает изменение размеров волны. Измерение происходит в микрогенрах. Если смотреть на формулу, учитывается количество витков, длина намотки, плюс диаметр катушки.

Маркировка

При рассмотрении катушек индуктивности оценивается цветовая и кодовая маркировка. Если смотреть на первые цифры, отображается показатель индуктивности. Далее учитывается параметр отклонения:

• Серебряный 0,01 мкГн, 10%.
• Золотой 0,1 мкГн, 5%.
• Черный 0,1мкГн, 20%.
• Коричневый 1,1 мкГн.
• Красный 2, 2 мкГн.
• Оранжевый 1 мкГн.
• Желтый 4 мкГн.
• Зеленый 5 мкГн.
• Голубой 6 мкГн.
• Фиолетовый 7мкГн.
• Серый 8 мкГн.
• Белый 9 мкГн.

Маркировка

В нестабильной цепи переменного электрического тока не обойтись без катушки индуктивности. Выше описаны основные типы изолированных проводников, продемонстрированы их параметры. Учитывается уровень частоты, а также свойства.

rusenergetics.ru

1. Классификация и основные технические параметры катушек индуктивности

Лекция № 6 (2.3.) Катушки индуктивности

2. Основные элементы катушек индуктивности

3. Расчет индуктивности и собственной емкости катушек индуктивности

1. Классификация и основные технические параметры катушек индуктивности

Как магнитное, так и электрическое поля создаются тем или иным элементом цепи. В случае статических полей, магнитное и электрическое поля могут существовать независимо друг от друга. Переменное же электрическое поле всегда неразрывно связано с беременным магнитным полем. Однако, несмотря на эту связь, можно выделить детали, назначение которых состоит в создании или в преимущественном использовании одного из этих полей. Применительно к электрическому полю такими деталями являются конденсаторы, а применительно к магнитному — детали, называемые катушками индуктивности.

Любой проводник с током создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Для концентрации поля в заданном локальном объеме проводник с током свертывается в цилиндрическую спираль, называемую в электротехнике соленоидом.

В радиоэлектронике вместо термина «соленоид» используется наименование «катушка индуктивности»(лат.inductio— наведение). Используя различное число вит­ков, изменяя их форму или помещая внутрь катушки сердечник с повышенным значением, можно при одной и той же величине тока, протекающего через катушку, создавать магнитное поле различной интенсивности.

Классификация катушек индуктивности

Катушки индуктивности можно классифицировать по ряду при­знаков.

По конструкцииони подразделяются на:

• однослойные и многослойные,

• на каркасах и бескаркасные,

• с сердечниками и без сердечников,

• на экранированные и неэкранированные,

• высокочастотные (обладающие индуктивным характером полного сопротивления в диапазоне частот от 100 кГцдо400 МГц) и низкочастотные и т.д.

По назначениюкатушки индуктивности подразделяются на:

• контурные,

• катушки связи,

• дроссели высокой и низкой частоты и т.п.

Основные характеристики и параметры катушек индуктивности

Основными характеристиками катушек являются индуктивность, собственная емкость, активное сопротивление и добротность, температурная стабильность индуктивности. Рассмотрим эти параметры.

Индуктивность катушки L— основной параметр, определяющий реактивное сопротивление, которым обладает катушка в электрической цепи. При расчете индуктивности катушек различной конструкции пользуются полуэмпирическими формулами и вспомогательными графиками, приводимыми в справочной литературе. В отличие от конденсаторов и резисторов, номинальные значения индуктивности катушек (исключение составляют унифицированные ВЧ и НЧ дроссели) ГОСТами не нормируются, а определяются исходя из стандартов предприятий или технических условий на конкретную аппаратуру. В РЭА применяются катушки с индуктивностью от долей микрогенри (контурные высокочастотные) до десятков генри (дроссели фильтров выпрямителей). Контурные катушки по величине индуктивности изготовляются с точностью0,2…0,5%,а для других катушек индуктивности допустима точность10…15%.

Собственная емкостькатушкиC_Lобусловлена существованием электрического поля между ее отдельными вит­ками, а также между отдельными витками и корпусом (и экраном, если он имеется)прибора. Обычно считают(кадр 1),что соб­ственная емкость катушки состоит из внутреннеймежвитковой емкостиC _ВН =  C _ВН  iимонтажной емкостиC_М =  C _М  i,т. е. C_L  = C _ВН  + C_М.

С увеличением диаметра намотки и уменьшением ее шага емкость C _ВН  возрастает. Существенное увеличение емкостиC _ВН происходит при использовании каркасов катушек из материалов с повышенным значением.

Монтажная емкость C_Мзависит от расположения катушки по отношению к шасси устройства, другим деталям, от размеров и формы экрана, если катушка экранирована. Из-за сложной конфигурации электрических полей точный расчет емкостиC_Lпрактически невозможен и ее величину обычно определяют экспериментально. У применяемых в РЭА катушек индук­тивности величинаC_L обычно составляет от единиц до десятков и (при многослойной намотке) пикофарад.

Сопротивление потерь. Добротность катушки индуктивности. На низких частотах активное сопротивление катушки индуктивности можно считать равным сопротивлению провода ее обмотки на постоянном токе. С переходом на более высокие частоты начинает проявлятьсяповерхностный эффекти активное сопротивление катушки возрастает. Кроме то­го, при сворачивании провода в спираль, т.е. при его намотке на катушку, магнитное поле проводника искажается вследствие появления магнитной связи между отдельными витками, и оно оказывается несимметричным относительно сечения провода. Это, в свою очередь, приводит к неравномерному распределению тока по периметру сечения проводника: внутри витка плотность тока будет выше. Смещение тока высокой частоты к оси обмотки катушки носит названиеэффекта близости. Его влияние также уве­личивает активное сопротивление катушки.

Таким образом, можно считать, что активное сопротивление провода обмотки на переменном токе R_~= R_ПЭ +R_Б, гдеR_ПЭ— составляющая сопротивления, зависящая от поверхностного эффекта,R_Б.- составляющая, показывающая дополнительное возрастание сопротивления провода обмотки вследствие эффекта близости.

При фиксированном значении частоты переменного тока величинаR _ПЭбудет тем меньше, чем больше диаметр проводаd.

Эф­фект близости, наоборот, проявляется более заметно с возрастанием диаметра провода d, т.е. с увеличением диаметра величинаR _Бвозрастает. Нарис.2.3.2показаны кривые этих зависимостей и зависимость полного сопротивления провода обмотки R_~ = R _ПЭ +R _Б  = f(d)от его диаметра. Для каждого значения частоты переменного тока существует оптимальный диаметр проводаd_ОПТ, при котором активное сопротивление катушкиR_~ = R _MIN, т.е. оно минимально.

Сопротивление провода R_~ на частотах до 1МГцможно уменьшить на30…40%,если вместо провода круглого сечения для намотки катушки применитьлитцендрат — многожильный провод, состоящий из отдельных перевитых друг с другом проводников малого сечения, изолированных друг от друга. Это объясняется тем, что поверхность литцендрата оказывается намного больше поверхности монолитного провода, имеющего ту же площадь поперечного сече­ния.

Величину R_~ как параметр катушки для сравнения между собой различных катушек обычно не используют. Ею пользуются лишь для теплового расчета катушек индуктивности в выходных каскадах мощных радиопередатчиков.

Для сравнения между собой отдельных катушек удобнее использовать параметр, определяющий активные потери как относительную величину, определяемую сравнением энергии W _R, которая затрачивается в сопротивленииR_~ за период гармонического колебания, с максимальной энергиейW _L,запасаемой в магнитном поле катушки. Отношение

W _L, / W _R =   L / 2R_~ 

и характеризует качество катушки. Однако для упрощения расчетов параметром катушки принято считать величину в 2раз большуюW _L, / W _R:

Q =  L / R_~  (2.3.1)

Эта величина называется добротностьюкатушки индуктивности.

Чем выше добротность, тем меньше величина потерь в катушке и выше ее качество. Значение Qопределяется выбором типа обмотки, материала каркаса, конструкцией катушки и влиянием окружающих катушку других деталей при ее монтаже в аппаратуре.

В зависимости от влияния перечисленных факторов добротность применяемых в РЭА катушек обычно лежит в пределах 50…600, а при наличии сердечников может быть и выше.

Температурный коэффициент индуктивности.Изменение температуры окружающей среды приводит к тому, что меняются длина и диаметр провода обмотки, размеры каркаса катушки, диэлектрическая проницаемость материала каркаса и изоляции и т.д. Это приводит к изменению индуктивности катушки и ее добротности. Мерой зависимости индуктивности катушки от температуры являетсятемпературный коэффициент индуктивности(ТКИ),определяемый аналогично другим температурным коэффициентам. Для катушек с многослойной обмоткойТКИ = (50…500)10 ^— 6 К, для катушек с однослойной обмоткой ТКИ существенно ниже.

Для повышения температурной стабильности катушек приме­няют пропитку их каркасов и изоляции, используют керамические каркасы с обмоткой, выполненной методом вжигания серебра, и герметизацию катушек. можно считать, что добротность катушек снижается в среднем на 1 %на каждые3°сприращения температуры по отношению к их добротности при20°с. воздействие влаги может привести к существенному изменению (до30 %) собственной емкости и добротности катушек. Обычно это изменение носит обратимый характер, и после сушки величиныq иc_lпринимают практически прежние значения.

studfile.net

Катушка индуктивности

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Такая система способна накапливать магнитную энергию при протекании электрического тока.

Устройство

Устройство обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость.

Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах.

Свойства катушки индуктивности

Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением величина которого равна: , где — индуктивность катушки, — циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.

При протекании тока катушка запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока . Величина этой энергии равна

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

Характеристики катушки индуктивности

] Индуктивность

Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, которая определяет, какой поток магнитного поля создаст катушка при протекании через неё тока силой 1 ампер. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.

Индуктивность соленоида

Индуктивность торойда

Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки, намотанной на тороидальном сердечнике

где:

μ₀ — магнитная постоянная

μ_i — магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты)

s_e — площадь сечения сердечника

l_e — длина средней линии сердечника

N — число витков

При последовательном соединении катушек общая индуктивность равна сумме индуктивностей всех соединённых катушек.

При параллельном соединении катушек общая индуктивность равна

Сопротивление потерь

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь . Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране.

Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

• Во-первых, провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.

• Во-вторых, сопротивление провода обмотки переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом, суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения.

• В третьих, в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому протекает ток, принимает серповидный характер, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

Потери в диэлектрике

Потери в диэлектрике обусловлены тем, что между соседними витками катушки существует паразитная ёмкость, что приводит к утечкам переменного тока между витками.

Потери в сердечнике

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на гистерезис и начальных потерь.

Потери в экране

Потери в экране обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране.

Добротность

С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика — добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна

Практически величина добротности лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями, намоткой вида «универсаль», применением посеребрёного провода, применением многожильного провода вида «литцендрат».

Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)

ТКИ — это параметр, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры.

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

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности 

Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность.

Катушки связи 

Такие катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т. д. К таким катушкам не предъявляются жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи.

Вариометры 

Это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника.

Дроссели 

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

Сдвоенный дроссель

Сдвоенные дроссели 

две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны при тех же габаритных размерах. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.

Применение катушек индуктивности

• Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п..

• Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.

• Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор.

• Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.

• Катушки используются также в качестве электромагнитов.

• Катушки применяются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанной плазмы.

• Для радиосвязи — излучение и приём электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна).

• Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.

• Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника.

• Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля. Индукционные магнитометры были разработаны и широко использовались во времена Второй мировой войны.^[3]

studfile.net

Борьба за добротность катушки индуктивности.Как намотать высокодобротную катушку без ферритового сердечника в радио- любительских условиях?

Необузданные гонки за всё более высокими параметрами добротности колебательных контуров не так просты, как могли бы показаться на первый взгляд. На предыдущей странице, мы определились, что добротность контура в первую очередь определяется добротностью катушки индуктивности, а она в свою очередь напрямую связана с сопротивлением потерь и описывается формулой Q=2πfL/Rпот. Сопротивление потерь — это параметр, связанный не только с потерями в проводах, но и учитывающий потери в диэлектрике, сердечнике и экране. — Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи и потерь на гистерезис, связанных с перемагничивание материала в течение периода. — Потери в диэлектрике обусловлены как паразитной межвитковой ёмкостью между соседними витками катушки, так и магнитными свойствами диэлектрика каркаса катушки (эти потери аналогичны потерям в сердечнике). — Потери в экране вызываются индуцированием переменным магнитным полем вихревых ЭДС в окружающих проводниках. Точный расчёт всех перечисленных параметров — дело весьма затруднительное, поэтому, с целью упрощения задачи, обычно учитываются только потери в проводах, как вносящие основной вклад в общую сумму потерь. При этом применяются специальные меры по минимизации неучтённых потерь – керамические, или ребристые каркасы, бескаркасные катушки (с «воздушным» каркасом), отказ от использования сердечника. А теперь, что касается выбора параметра индуктивности катушки для достижения максимальной добротности. Глядя на формулу, описывающую величину добротности Q=2πfL/Rпот, а так же приведённую на рисунке, можно сделать преждевременный вывод — добротность катушки линейно растёт с ростом частоты и достигает максимума на частоте собственного резонанса, когда С минимальна и равна собственной паразитной ёмкости катушки и паразитных емкостей источника, нагрузки и монтажа. Однако, не всё так просто! Оказывается, что для достижения максимальной добротности на определённой частоте существует оптимальная величина индуктивности катушки. При понижении частоты добротность уменьшается, но не линейно, а несколько медленнее, за счёт снижения влияния действия скин эффекта, гуляющего внутри провода, а при повышении — тоже плавно уменьшается из-за проявляющейся зависимости совокупных паразитных ёмкостей от частоты (варикапный эффект). К тому же эти паразитные ёмкости начинают доминировать в общей ёмкости колебательного контура, а образованный ими конденсатор, как известно, обладает далеко не самым выдающимся параметром добротности. И в заключение нашего теоретического экскурса, всё же не воздержусь и приведу основные факторы, определяющие сопротивление потерь в проводах катушек на высоких частотах: 1. Омическое (активное) сопротивление проводника постоянному току — классика жанра, рассчитать можно по длине и диаметру провода на странице    ссылка на страницу. 2. Поверхностный эффект, скин-эффект — эффект роста сопротивления провода с ростом частоты. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода, в связи с чем уменьшается полезное сечение проводника и, как следствие, растёт его сопротивление. 3. Эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к части провода, прилегающей к каркасу. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления проводника. Думаю, на этом хватит! Переходим к опытно-практической части дипломной работы: Приготовим закуски и коктейли, накроем стол… Итак, какой должна быть высокодобротная катушка? 1. Очевидно, что из металла! Ладно, посмеялись — и будет. Нам нужен металл с минимальным удельным сопротивлением и с максимально возможным (в пределах разумного) диаметром проводника. На начальном уровне — медь, на продвинутом — медь с серебряным напылением. 2. Катушка должна быть большой! Опять же, как и в первом пункте — излишний фанатизм не приветствуется. Однако, помимо размеров катушки, пристальное внимание следует обратить и на форм-фактор — отношение длины к диаметру металлоизделия. Опытными мотальщиками было продемонстрировано, что оптимальная по добротности катушка имеет отношение длины к диаметру L/D ≈ 1, причём изменение этого отношения в пару раз в ту, или иную сторону — к существенному изменению добротности не приводит. 3. Желание минимизировать эффект близости и уменьшить собственную ёмкость катушки сподвигло специалистов к следующему постулату: оптимальное отношение шага намотки (расстояние между центрами соседних витков) к диаметру провода равно ≈2. 4. И вот теперь главный вопрос радиолюбительства: Сколько мотать витков в оптимизированной катушке для достижения максимальной добротности? На вопрос викторины отвечает М. Филатов, досконально изучивший этот предмет в 1976 г. на кафедре конструирования РЭА ФРиС РПИ.    Диапазон       Параметры катушки       D каркаса       L, мкГн       расчётные       20 мм       30 мм       40 мм      10 м   1,5   L нам.(мм)   10   15   20   n (вит.)   8,5   7   6   d пров.(мм)   0,84   1,5   2,4   Q   472   708   945   14 м   2,0   L нам.(мм)   12   18   24   n (вит.)   10,3   8,4   7,3   d пров.(мм)   0,8   1,46   2,2   Q   439   660   879   20 м   3,0   L нам.(мм)   12   18   24   n (вит.)   18,7   10,3   9   d пров.(мм)   0,67   1,2   1,8   Q   359   538   718   40 м   6,0   L нам.(мм)   14   21   28   n (вит.)   18,7   15,2   13,2   d пров.(мм)   0,53   0,66   1,46   Q   270   406   542   80 м   12,0   L нам.(мм)   14   21   28   n (вит.)   26,4   21,5   18,6   d пров.(мм)   0,37   0,66   1,0   Q   191   287   382   160 м   24,0   L нам.(мм)   16   24   32   n (вит.)   39   32   27,5   d пров.(мм)   0,31   0,53   0,8   Q   144   216   288 Данная таблица дошла до наших взоров благодаря стараниям латвийского радиолюбителя Юрия Балтина (YL2DX), опубликовавшим её в далёком 2003 году на своём сайте http://dx.ardi.lv, за что ему большое человеческое спасибо! Таблица эта — не догма и не абсолютная истина в последней инстанции, однако она позволяет достаточно наглядно пронаблюдать зависимость параметра добротности катушки индуктивности от диаметра каркаса и толщины провода, а заодно и оценить оптимальное значение индуктивности для того или иного частотного диапазона. Поэтому, если Вы всё-таки озадачились намоткой высокодобротного изделия, вооружайтесь информацией, изложенной на этой странице, доступным каркасом, или оправкой для бескаркасной катушки и бодро шагайте на сайт coil32.ru, где вы найдёте бесплатную, но очень хорошую программу для расчёта катушек индуктивности, а заодно и массу полезной теоретической информации по всему, что касается разнообразных намоточных изделий. А на следующей странице будем мотать высокодобротные катушки на ферритовых кольцах, а также на кольцах из распылённого железа.

vpayaem.ru

Индуктивность. Виды катушек и контур. Работа и особенности

Индуктивность характеризует магнитные свойства цепи тока. Она прямо пропорциональна магнитному потоку и обратно пропорциональна силе тока в контуре.

Электрический ток во время протекания по контуру образует магнитное поле. Индуктивностью называют способность получать энергию от источника тока и создавать из нее магнитное поле.

При повышении тока на обмотке магнитное поле повышается, а при снижении уменьшается. Катушкой называется винтовая катушка в виде спирали из изолированного провода, с индуктивностью, при малой емкости и сопротивлении которая  имеет единицу измерения Гн (Генри) и определяется по формуле:

L = Φ / I, где L – индуктивность катушки, I – сила тока, Φ – магнитный поток.

Катушка обладает некоторой особенностью. При подаче на нее постоянного напряжения, в ней образуется напряжение, противоположное по знаку, и длящееся очень короткий промежуток времени. Это явление назвали ЭДС самоиндукции. ЭДС – это электродвижущая сила.

При размыкании цепи напряжение и ЭДС суммируются поэтому, сначала ток будет иметь двойную величину, а затем упадет до нуля. Время падения тока зависит от величины индуктивности катушки.

Виды катушек

Катушки можно разделить на типы:

• С магнитным сердечником. Его материалом может быть сталь, ферритовый сердечник. Они предназначены для увеличения величины индуктивности.
• Без сердечника. Катушки наматываются в виде спирали, на бумажной трубке. Применяются для создания незначительной индуктивности (до 5 мГн).

Чаще всего применяют сердечники из пластин, выполненных из электротехнической стали, для снижения вихревых токов, а также сердечники в виде ферритовых колец различных размеров (тороидальные), обеспечивающие создание значительной индуктивности, в отличие от обычных цилиндрических сердечников.

Катушки со значительной величиной индуктивности выполняют в виде трансформатора с металлическим сердечником. От обычного трансформатора они отличаются числом обмоток. В такой катушке есть одна первичная обмотка, а вторичной нет.

Особенности

• При соединении нескольких катушек по параллельной схеме, необходимо следить, чтобы они были расположены на плате друг от друга как можно дальше, во избежание взаимного влияния катушек друг на друга магнитными полями.
• Расстояние между витками на тороидальном сердечнике не влияет на свойства индуктивной катушки.
• Для создания наибольшей индуктивности витки на катушке необходимо наматывать вплотную между собой.
• При использовании в качестве сердечника ферритового цилиндра с наибольшей индуктивностью будет центр.
• Чем меньше число витков на катушках, тем ниже у них индуктивности.
• При последовательной схеме соединения катушек, общая индуктивность цепи складывается из индуктивностей каждой катушки.

Емкость катушки

Витки обмотки катушки отделены друг от друга диэлектрическим слоем, поэтому они образуют своеобразный конденсатор, который характеризуется своей емкостью. В катушках, имеющих несколько слоев обмотки, емкость образуется между слоями. В результате, катушка имеет свойство не только индуктивности, но и емкости.

Чаще всего емкость катушки оказывает отрицательное воздействие на элементы электрической схемы. Поэтому от емкости катушки избавляются разными способами. Например, каркас катушки изготавливают особой формы, витки наматывают по специальной технологии. При намотке катушки виток к витку, ее емкость также повышается.

Колебательный контур

Если подключить конденсатор и катушку по схеме, изображенной на рисунке, то получается контур колебаний, который широко применяется в радиотехнических устройствах.

Если навести ЭДС в катушке или зарядить конденсатор, то в контуре будут происходить некоторые колебательные процессы. Конденсатор при разряде возбуждает магнитное поле в катушке индуктивности. При истощении заряда конденсатора, катушка возвращает энергию снова в конденсатор, но с противоположным знаком, с помощью ЭДС самоиндукции. Такой процесс повторяется в виде электромагнитных синусоидальных колебаний.

Частота таких колебаний является резонансной частотой, зависящей от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Колебательный контур, соединенный по параллельной схеме имеет значительное сопротивление на частоте резонанса. Это дает возможность применять его для избирательности частоты в цепях входа в радиоаппаратуре, а также в усилителях частоты и схемах генераторов частоты.

При параллельной схеме соединения контура колебаний имеются два реактивных элемента, которые обладают разной силой реактивности. Применение такого типа контура позволяет сделать вывод, что при параллельном соединении элементов необходимо суммировать только их проводимости, а не сопротивления. На частоте резонанса сумма проводимостей элементов контура нулевая, что позволяет говорить о сопротивлении переменному току стремящемуся к бесконечности.

За 1 период колебаний действия контура происходит обмен энергией между катушкой и емкостью. В таком случае образуется контурный ток, значительно превосходящий величину тока во внешней цепи.

Индуктивность и конденсатор

Токоведущие части различных устройств могут образовывать индуктивности. Такими частями являются предохранители, токоотводящие шины, соединительные выводы и другие аналогичные части. Если дополнительно присоединить к конденсатору шины, то образуется индуктивность, которая оказывает влияние на работу электрической цепи. Также, на работоспособность цепи влияет емкость и сопротивление.

Индуктивности, образующияся на частоте резонанса вычисляется по формуле:

C_e = C / (1 – 4Π2f2LC), где C_e – это емкость конденсатора (эффективная), f – частота тока, L – индуктивность катушки, С – действительная емкость, П – число «пи».

Величина индуктивности должна всегда учитываться в схемах с силовыми конденсаторами большой емкости. В схемах с импульсными конденсаторами важным фактором является значение собственной индуктивности. Разряд таких конденсаторов происходит на индуктивные контуры, делящиеся на виды:

• Колебательные.
• Апериодические.

В конденсаторе индуктивность зависит от вида соединения элементов в схеме. При параллельной схеме это значение складывается из индуктивностей элементов схемы. Для снижения индуктивности электрического устройства, необходимо токопроводящие части конденсатора расположить таким образом, чтобы магнитные потоки компенсировались, то есть, проводники с одним направлением тока располагают как можно дальше друг от друга, а с противоположным направлением – рядом друг с другом.

При сближении токоведущих частей и уменьшении диэлектрического слоя можно добиться снижения индуктивности секции конденсатора. Это достигается с помощью разделения одной секции на несколько небольших емкостей.

Похожие темы:

electrosam.ru