Катушки индуктивности для колебательных контуров

 

Однослойные цилиндрические катушки выполняются на диэлектрических каркасах или без них. Катушки без каркасов применяются, когда необходима большая добротность при невысоких требованиях к стабильности индуктивности, например для контуров входных устройств приемников диапазона метровых волн. Диаметр провода для таких катушек выбирают в основном из соображений жесткости конструкции (1...1,5 мм и более), а количество витков ограничивают (5...8). Для однослойных катушек, выполняемых сплошной намоткой, изготовляют гладкие каркасы; для катушек, наматываемых с принудительным шагом,— каркасы с канавкой, расположенной по винтовой линии, или с ребрами вдоль образующей цилиндра.

Катушки, намотанные с принудительным шагом, отличаются меньшей собственной емкостью и большей добротностью. Повышение их добротности обусловлено снижением потерь в диэлектрике вследствие уменьшения собственной емкости. Указанные достоинства катушек, намотанных с принудительным шагом, проявляются сильнее при намотке на каркасы с ребрами, а также при изготовлении каркаса из материала с меньшим значением произведения диэлектрической проницаемости на тангенс угла потерь.

Для однослойных катушек с индуктивностью выше 15...20 мкГ обычно применяют сплошную намотку. Целесообразность перехода на сплошную намотку определяется диаметром катушки. Приведем ориентировочные значения индуктивности, при которых целесообразен переход на сплошную намотку:

Диаметр каркаса, мм в 0 10 15 20 25

Предельная индуктивность, мкГ 2 4 10 20 30

Катушки с индуктивностью более сотен микрогенри выполняют многослойными. При диаметре каркаса 10 мм однослойная намотка целесообразна при индуктивности не более 30 мкГ.

Однослойные катушки индуктивности наматывают медным посеребренным проводом (с принудительным шагом) или медным проводом в эмалевой изоляции. Катушки для колебательных контуров гетеродинов коротких и метровых волн, к которым предъявляются требования высокой добротности и стабильности индуктивности, наматывают на каркасы из высокочастотной керамики, характеризующейся малым температурным коэффициентом линейного расширения, малым значением тангенса угла потерь и достаточной механической прочностью. Намотку выполняют проводом со значительным натяжением (50;..60% разрывного усилия) или нагретым до 80...120⁰ С проводом при незначительном натяжении. Более высокой стабильностью характеризуются катушки, в которых обмотка образована слоем меди, нанесенной на керамический каркас методом вжигания с последующим серебрением.

Индуктивность однослойной катушки, выполненной сплошной намоткой, определяется по формуле

 

, (3.1)

 

где L - индуктивность, мкГ; D - диаметр катушки, см; l - длина намотки, см; w - число витков;

При намотке с принудительным шагом по формуле:

 

, (3.2)

 

где L¢ - индуктивность катушки, мкГ; L - индуктивность, вычисленная по формуле (3.1), мкГ; k - поправочный коэффициент.

Для точной подгонки индуктивности однослойных катушек, выполненных сплошной намоткой, перемещают подстроечный сердечник, крайние витки или короткозамкнутый виток, соосный с катушкой. Индуктивность катушек, намотанных с принудительным шагом, можно изменять также, перемещая место подсоединения одного из выводов.

Симметричные катушки индуктивности применяются в симметричных колебательных контурах (контуры частотных детекторов и др.). Бифилярная намотка выполняется двумя проводами, сложенными вместе. Начало одного провода соединяют с концом другого. Место соединения является средним выводом катушки. При такой намотке допускается подстройка индуктивности сердечником при несущественном нарушении симметрии. Перекрестная намотка позволяет достичь более точной симметрии, которая не нарушается при подстройке сердечником.

Многослойные цилиндрические катушки индуктивности применяют, когда требуется индуктивность более 30...50 мкГ.

Несекционированные многослойные катушки с рядовой обмоткой характеризуются пониженными добротностью и стабильностью, большой собственной емкостью Значительно лучшими показателями обладают многослойные катушки, выполненные намоткой «внавал», когда витки располагаются хаотично. Катушки, выполненные намоткой «универсаль» (перекрестной), также могут иметь сравнительно высокую добротность (до 100) и пониженную собственную емкость, однако для их изготовления требуется более сложное оборудование. В настоящее время катушки, выполненные намоткой «универсаль», изготовляются редко, поскольку равноценные параметры можно получить при намотке «внавал», если использовать типовые ферромагнитные сердечники. Обычно многослойные катушки наматывают на каркасы из полистирола. Для намотки используются провода с эмалевой изоляцией, эмалевой и дополнительной, шелковой, изоляцией. При использовании проводов с дополнительной, шелковой, изоляцией уменьшается собственная емкость катушек, а, при использовании литцендрата, повышается добротность (на частотах, не превышающих 1....1,5 МГц). Существенный недостаток катушек, намотанных литцендратом,— резкое возрастание собственной емкости при обрыве или плохом контакте хотя бы одной из жилок провода.

Индуктивность многослойной катушки без сердечника определяется по формуле:

 

, (3.3)

где L — индуктивность, мкГ; D_cp —средний диаметр катушки, см;

l — длина катушки, см; t — толщина катушки, см; w — число витков.

Секционированные катушки характеризуются, сравнительно высокой добротностью, пониженной собственной емкостью и меньшим наружным диаметром. Наиболее часто секционированные катушки наматывают на специальные каркасы внавал. Каждая секция представляет собой многослойную катушку с небольшим числом витков. Число секций выбирают обычно от двух до шести.

Индуктивность секционированной катушки, состоящей из n секции, определяется по формуле:

 

L=L_c(n+2k_cв(n-1)), (3.4)

 

где L_c — индуктивность секции; k_св — коэффициент связи между смежными секциями, зависящий от размеров секций и расстояния b между ними. Отношение b/D_ср выбирают так, чтобы значение коэффициента связи находилось в пределах 0,25…0,4. Это достигается при b = 2 l. Каждая секция рассчитывается как обычная катушка (см. выше).

Плоские катушки представляют собой спирали, изготовленные намоткой из медных обмоточных проводов или методом печатного монтажа из фольгированного гетинакса или стеклотекстолита. Они могут иметь круглую, квадратную или другую форму. Плоские проволочные катушки характеризуются удовлетворительной механической прочностью, сравнительно небольшой собственной емкостью, простотой изготовления и могут применяться на частотах до 10 МГц. Для их изготовления целесообразно использовать провода с дополнительной шелковой изоляцией, поскольку при этом достигается повышенная прочность клеевого соединения витков.

Печатные плоские катушки на стеклотекстолите отличаются повышенной механической прочностью и применяются на частотах до 100 МГц. Для более высоких частот печатные катушки изготовляют из фольгированного фторопласта. Обычно индуктивность печатных катушек не превышает 10 мкГ. Чтобы получить приемлемое значение добротности катушки, ширину проводников выбирают в пределах 0,4...1 мм. При этом на площади 1 см² размещается катушка с индуктивностью до 10 мкГ. Для увеличения индуктивности можно использовать последовательное включение двух и более катушек, расположенных на одной или двух сторонах печатной платы. Для повышения добротности катушки следует выбирать диаметр внутреннего витка не менее 10 мм. Современные печатные катушки имеют добротность 100...130 на частотах 10...30 МГц.

Индуктивность и добротность плоской катушки существенно увеличивается, если с одной или обеих сторон на нее наложить ферритовые пластинки. Изменяя расстояние между катушкой и пластинками, можно регулировать индуктивность катушки.

Экранированные катушки применяют, когда необходимо устранить паразитные связи, обусловленные внешним электромагнитным полем катушки, или влияние на катушку полей других источников Эффективность экранирования повышается при увеличении частоты переменного поля, толщины экрана и уменьшении удельного сопротивления материала экрана. Экраны высокочастотных катушек индуктивности изготовляют из меди или алюминия толщиной не менее 0,4...0,5 мм. Такая толщина экрана при частоте переменного поля более 1 МГц превышает расстояние, на котором плотность наводимого тока падает в 100 раз по сравнению с плотностью тока на поверхности экрана, что достаточно для эффективного экранирования.

Под влиянием экрана изменяются параметры катушки: уменьшаются индуктивность и добротность, увеличивается собственная емкость. Изменение параметров катушки тем больше, чем ближе к ее виткам расположен экран.

Часто экраны высокочастотных катушек снабжены отверстиями для вращения сердечников или изменения положения одной из катушек, связанных индуктивно. В этих случаях отверстия должны быть минимальными. Прорези следует располагать перпендикулярно к образующей цилиндрического экрана, если катушка расположена соосно с экраном.

Катушки с сердечниками из немагнитных металлов, характеризующиеся высокой стабильностью, применяются в контурах гетеродинов, широкополосных УПЧ в приемниках КВ и УКВ, Материал сердечников — медь, латунь, алюминий и его сплавы. Медные сердечники используются преимущественно для подстройки индуктивности (до 20%), когда вносимые сердечником потери должны быть минимальными. При введении в катушку металлического сердечника индуктивность и добротность уменьшаются, причем индуктивность уменьшается тем больше, чем.больший объем металла вводится и чем больше его проводимость. Добротность уменьшается еще в большей степени, чем индуктивность. Например, введение в катушку медного сердечника, уменьшающего индуктивность на 15%, вызывает снижение добротности на 45%. При введении алюминиевого сердечника, уменьшающего индуктивность на 15%, добротность уменьшается в 3...4 раза. Поэтому алюминиевые сердечники используются в катушках широкополосных контуров для специальных приемников.

При расчете катушек с сердечниками из немагнитных металлов определяют расчетное значение индуктивности катушки без сердечника:

 

L=L_тр(1+ΔL/L), (3.5)

 

где L_тр — требуемое значение индуктивности; ΔL/L —относительное изменение индуктивности катушки при введении сердечника.

Катушки с ферромагнитными сердечниками содержат меньшее число витков при заданной индуктивности и отличаются более высокой добротностью и меньшими размерами. Применение ферромагнитных сердечников позволяет уменьшить размеры экранов и упростить подгонку индуктивности. Указанные преимущества полностью реализуются в диапазонах ДВ, СВ и КВ при соответствующем выборе вида сердечника и его материала и малых напряжениях на катушке, например в радиоприемниках. При использовании ферромагнитных сердечников снижается стабильность параметров катушек, кроме того, индуктивность и добротность катушек зависят от амплитуды переменного напряжения на катушке и значения постоянного тока, протекающего через обмотку.

Ферромагнитные сердечники для катушек изготовляются из магнитодиэлектриков и ферритов. При Заданных габаритных размерах катушки следует применять материал сердечника, обладающий наименьшим значением отношения тангенса угла потерь к начальной магнитной проницаемости в диапазоне рабочих частот. Сердечники из ферритов обеспечивают большую добротность катушек, чем сердечники из магнитодиэлектриков. Для стабильных высокочастотных катушек индуктивности рекомендуется применять сердечники из карбонильного железа.

Основные параметры ферромагнитных сердечников. Эффективная магнитная проницаемость μ_с - отношение индуктивности катушки с сердечником к индуктивности этой катушки без сердечника. Чем больше магнитная проницаемость материала сердечника (измеряется на сердечниках кольцевой формы), ниже частота переменного напряжения на катушке и меньше расстояние между сердечником и обмоткой катушки, тем выше эффективная магнитная проницаемость сердечника.

Добротность характеризует потери, вносимые сердечником в катушку, и равна отношению реактивного сопротивления катушки к вносимому сопротивлению потерь. Измеряется на стандартной катушке.

Относительная добротность сердечника Q_отн — отношение добротности катушки с сердечником к добротности этой же катушки без сердечника — характеризует потери, вносимые сердечником в катушку, и может служить мерой определения диапазона рабочих частот. Верхней границей диапазона рабочих частот является частота, при которой относительная добротность уменьшается до единицы. За пределами диапазона рабочих частот применение сердечника целесообразно только для регулировки индуктивности.

Стабильность параметров сердечника характеризуется изменением эффективной магнитной проницаемости и потерь при изменении температуры окружающей среды, влажности воздуха, а также со временем. При изменении температуры изменяется главным образом магнитная проницаемость. Это изменение характеризуется температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТКμ_с равным относительному изменению μ_с при изменении температуры на 1° С. Изменение μ_с с течением времени вызывается старением материала и проявляется особенно резко в начальный период после изготовления сердечника.