Катушки индуктивности

1.

Катушки индуктивности
Катушка индуктивности – это
радиокомпонент, имеющий спиральную
обмотку и способную концентрировать в
своем объеме или на плоскости
высокочастотное электромагнитное поле.
•Катушка индуктивности является
пассивным компонентом электронных
схем, основное предназначение которой
является сохранение энергии в виде
магнитного поля.

2.

Катушки индуктивности
Индуктивность — это эффект возникновения
магнитного поля вокруг проводника с током.
Индуктивность измеряется в генри (Гн),
миллигенри (1мГн = 10ˉ3 Гн), микрогенри
(1мкГн = 10ˉ6 Гн), наногенри (1нГн = 10ˉ9 Гн) и
обозначается латинской буквой L.
Индуктивность — является электрической
инерцией и ее основное свойство состоит в
том, чтобы оказывать сопротивление всякому
изменению протекающего тока.

3.

Катушки индуктивности
Ток, протекающий через катушку индуктивности,
создает магнитное поле, которое в свою очередь
создает электродвижущую силу (ЭДС), которая
оказывает противодействие приложенному
напряжению.
Если через катушку пропускать ток, то ее
индуктивность будет противодействовать любому
изменению протекающего тока: как уменьшению,
так и увеличению.
Катушка индуктивности свободно пропускает
постоянный ток и оказывает сопротивление
переменному току, потому что он изменяется
быстрее, чем может изменяться магнитное поле.

4.

Катушки индуктивности
По правилу Ленца наведенная Э.Д.С. стремится
противодействовать причине ее вызывающей,
поэтому если ток возрастает, то наводится
противоположно направленная ЭДС
самоиндукции, которая стремится его уменьшить.
E=-LdI/dt (вольт)
I=Io sinωt, E=-LdI/dt =- LωIo cosωt = RLIo sin(ωt+π/2)
•RL – индуктивное сопротивление. RL =Lω
Таким образом, в индуктивной цепи ток
отстает от напряжения на π/2.

5.

Катушки индуктивности
•Чем больше индуктивность катушки и чем
выше частота тока, тем больше
индуктивное сопротивление.
• Это свойство катушки применяют,
например, в приемной аппаратуре, когда
требуется в электрической цепи преградить
путь переменному току.
•Индуктивность зависит от числа витков
катушки, диаметра и марки провода,
формы и размеров каркаса, а также от
формы и материала сердечника.

6.

Основные параметры катушек индуктивности
1. Номинальная величина индуктивности –
Lном (для бесконечной катушки)
Lном = (πD2 N 2/l ) (Гн)
где: D -диаметр каркаса (см); l - длина
намотки (см); N - число витков.
Индуктивность измеряется в генри (Гн ).
В зависимости от назначения, индуктивность
катушек может быть от нескольких нГн до
сотен
мГн.
Величина
номинальной
индуктивности катушек не стандартизована.

7.

Основные параметры катушек индуктивности.
•Допуск на индуктивность δL, который
зависит от ее назначения:
δL = (L – Lном)/Lном *100%
(0,2 – 0,5)% - для контурных катушек,
(10 – 15)% - для катушек связи и дросселей
высокой частоты.

8.

Основные параметры катушек индуктивности
3. Добротность катушки
индуктивности – Q
Q = ωL/RΣ,
определяется как отношение реактивного
сопротивления катушки к ее активному
сопротивлению потерь и характеризует
качество работы катушки индуктивности в
цепях переменного тока.
Q = 30 – 300.

9.

Добротность катушки индуктивности
Активное сопротивление потерь включает в
себя
•сопротивление провода обмотки катушки;
•сопротивление, вносимое
диэлектрическими потерями в каркасе;
•сопротивления, связанные с потерями в
экране и сердечнике.
RΣ = R f + Rд + Rэ + Rс + Rр
Чем меньше активное сопротивление, тем
выше добротность катушки и ее качество.

10.

Добротность катушки индуктивности
Rf - сопротивление провода обмотки
току высокой частоты складывается из
омического сопротивления провода
постоянному току и сопротивления
вызванного действием поверхностного
эффекта.
Эта составляющая потерь обычно самая
значительная (при правильной
конструировании катушки )

11.

Добротность катушки индуктивности
•Rд - диэлектрические потери в каркасе и
изоляции провода обмотки.
Эти потери обусловлены влиянием
электромагнитного поля катушки на структуру
диэлектрика каркаса (для однослойных
катушек) и диэлектрика изоляции провода (для
многослойных катушек).
Rд= ω3L2 CL tgδ [ Ом ],
где: CL - составляющая собственной емкости
катушки через диэлектрик,
tgδ - тангенс угла потерь диэлектрика каркаса
или изоляции провода.

12.

Добротность катушки индуктивности
При конструировании катушки необходимо
выбрать материал каркаса таким образом, чтобы он
соответствовал выбранному диапазону ее
применения.
• Например, в диапазоне КВ или УКВ надо
применять высокочастотные диэлектрики
(керамика, полистирол), а в диапазоне средних
волн – низкочастотные диэлектрики (пресспорошки, текстолит, картон).
• Диэлектрические потери в катушках СВ и ДВ
практически не зависят от материала каркаса,
поэтому можно использовать любой
низкочастотный диэлектрик, обладающий
технологичностью.

13.

Добротность катушки индуктивности
•Rэ - сопротивление потерь, вносимых
экраном;
•Rс - сопротивление потерь в сердечнике
складывается из потерь в магнитном
материале на гистерезис и вихревые токи.
•Rр - сопротивление потерь за счет
резонансных свойств катушки. Эту
составляющую как правило не учитывают,
так как рабочую частоту обычно выбирают
из условия: ωраб ωрез/3

14.

Основные параметры катушек индуктивности
4. Собственная емкость катушки СL складывается из емкости между витками
через диэлектрик каркаса и через изоляцию
провода.
Величина собственной емкости определяется
также видом намотки и числом витков.
• Собственная электрическая емкость
катушки создает с индуктивностью катушки
резонансный контур.

15.

Добротность катушки индуктивности
Добротность катушек при их использовании в
контурах влияет на
•чувствительность и избирательность в приемных
устройствах,
• к.п.д. - у радиопередающих устройств и др.
Применяемые в радиоаппаратуре катушки
индуктивности имеют диапазон добротности
30 – 300.
При заданной величине добротности существует
оптимальный вариант конструкции катушки,
габариты которой должны быть тоже
оптимальными.

16.

Основные параметры катушек индуктивности
5.Температурная стабильность катушки
индуктивности или температурный
коэффициент индуктивности ТКИ –
отношение относительного изменения
индуктивности к интервалу температур,
вызвавшему это изменение.
Т.е. изменение индуктивности при нагреве или
охлаждении элемента.
ТКИ = ( dL / dT ) (1 / Lн) [1/ Со]

17.

Основные параметры катушек индуктивности
•Влажность вызывает увеличение собственной
емкости и диэлектрических потерь, а также
понижает стабильность катушки.
•Для защиты от влажности применяется
герметизация, пропитка или обволакивание
обмотки негигроскопичными составами.
•Такие катушки обладают более низкой
добротностью (возрастают потери), но при
этом они более устойчивы к воздействию
влаги.

18.

Классификация катушек
индуктивности
•В зависимости от назначения
катушки индуктивности делятся на
три вида:
•Контурные катушки,
• катушки связи,
•дроссели высокой частоты

19.

Классификация катушек индуктивности
•Контурные катушки предназначены для
работы в
•колебательных контурах входных цепей
приемников,
•в узкополосных и широкополосных фильтрах,
• в промежуточных цепях и оконечных
каскадах передающих устройств,
•в задающих генераторах и других
функциональных устройствах.
•Конструктивно контурные катушки могут быть
выполнены с постоянной индуктивностью или
с переменной – вариометры.

20.

Классификация катушек индуктивности
•Катушки связи используются для
•передачи энергии от антенного
устройства во входной каскад
приемника,
•от выходного каскада передатчика к
антенне,
•для связи отдельных цепей
различных каскадов в РЭА.

21.

Классификация катушек индуктивности
•Дроссели высокой частоты – это
катушки индуктивности,
используемые для увеличения
реактивного сопротивления
высокочастотных апериодических
цепей и для ограничения токов
высокой частоты .
• Основным назначением дросселей
высокой частоты является фильтрация
высокочастотных составляющих тока.

22.

Классификация катушек индуктивности
По типу намотки:
•однослойные катушки с рядовой и шаговой
обмоткой и
•многослойные катушки с произвольной,
рядовой, универсальной и секционированной
обмоткой.
По конструкции:
цилиндрические, кольцевые, спиральные,
бескаркасные, с каркасом, с сердечником и без
него, экранированные и без экрана.

23.

Условные обозначения катушек
индуктивности
а – без сердечника; б,в – с ферромагнитным
сердечником
г – с подстраиваемым сердечником

24.

Основные элементы катушки индуктивности
•Каркас,
•обмотка,
• сердечник,
•экран.
Каркас выполняется из материала с
минимальным произведением ε х tg φ, что
позволяет обеспечить малую собственную
емкость и повысить добротность (снизить
потери в каркасе).

25.

Основные элементы катушки индуктивности
На ДВ и СВ каркасы изготавливают из
пресс порошков или термопластиков.
На КВ и УКВ необходимы
высокочастотные диэлектрики с малым
значением ε – керамика, полистирол.
Если катушка индуктивности имеет
малую индуктивность, т.е. малое число
витков, ее можно сделать из толстого
неизолированного провода с
бескаркасной намоткой.

26.

Каркасы катушек индуктивности

27.

Типы намоток катушки индуктивности
Конструкции обмотки
характеризуются:
•числом витков,
•количеством слоев или секций.
Все виды обмотки можно разделить:
•однослойные,
•многослойные.

28.

Типы намоток катушки индуктивности
Однослойные:
•Сплошная –плотное расположение витков,
которые разделены только изоляцией провода.
•При расположении витков на некотором
расстоянии – намотка с шагом.
•Шаг может быть постоянным и переменным.
•Наличие шага позволяет уменьшить
собственную емкость катушки индуктивности,
но увеличивает ее размер и уменьшает
индуктивность, так как уменьшается магнитная
связь между витками.

29.

Катушки с однослойной намоткой

30.

Катушки с однослойной намоткой

31.

Катушки с однослойной намоткой

32.

Бескаркасная намотка

33.

Типы намоток катушки индуктивности
Многослойные катушки индуктивности:
•Простые – виток к витку (правильными
рядами).
•Хаотично («кучей»), («в повал»). Такие
катушки обладают низким значение
добротности и очень плохой
стабильностью.
•Для уменьшения собственной емкости
многослойной катушки используется
намотка типа «универсаль».

34.

Намотка типа «универсаль»
•Витки укладываются по длине каркаса
под углом к образующей каркаса.
•Универсальная намотка характеризуется
числом переходов провода за один виток
с одной стороны катушки на другую (т.е.
числом перегибов провода за виток).
Переходов бывает не больше 6.
•Кроме того, такая намотка придает
катушке высокую механическую
прочность.

35.

Катушка индуктивности с намоткой типа
«универсаль»
Увеличение числа переходов р уменьшает
собственную ёмкость, но снижает
добротность Q, увеличивает трудоёмкость
при изготовлении и увеличивает габариты
катушки.

36.

Намотка типа «универсаль»

37.

Типы намоток

38.

Печатные катушки индуктивности
Такие катушки индуктивности изготавливают методом
вакуумного напыления или методом фотолитографии в
виде тонких спиралей различной конфигурации на
диэлектрическом основании.
Значения индуктивности у этих катушек – 7 – 10 мкГн.
Число витков ограничено технологией и площадью
основания, что ограничивает величину индуктивности.

39.

Катушки с сердечником
•Обеспечить необходимую точность, особенно
при изготовлении контурных катушек
сложно. Контурные катушки должны иметь
элемент подстройки.
•Таким элементом, дающим возможность
регулировать параметры в пределах 15%,
является сердечник, вводимый внутрь
катушки.
•Сердечники выполняются из различного
материала и имеют различную форму.

40.

Катушки с сердечником
Для подстройки индуктивности в
катушках диапазонов КВ и УКВ часто
применяются сердечники из немагнитного
металла (латунь, медь) или из диэлектрика
(керамика). Немагнитные сердечники
уменьшают индуктивность катушки на
3…5% и добротность до 10%.
• Катушки с немагнитными сердечниками
отличаются высокой стабильностью и
применяются в высокочастотных РЭС.

41.

Катушки с магнитным сердечником
Магнитный сердечник увеличивает
индуктивность катушки в μ c раз
L c = μ c L, где
μc =(0,25 – 0,5) μмм
μмм- магнитная проницаемость
материала сердечника.
• Магнитный сердечник изготавливают
из карбонильного железа, альсифера,
магнетита, ферритов.

42.

Катушки с магнитным сердечником

43.

Катушки с магнитным сердечником
• Магнитные сердечники очевидно, позволяют
уменьшить число витков катушки.
• Магнитные сердечники применяют в ДВ и СВ
катушках, где они служат не только для подстройки, но
и уменьшают количество витков, т.е. габариты и массу
катушки.
• В диапазоне КВ и УКВ использовать магнитные
сердечники нецелесообразно, т.к. значения
индуктивности ( числа витков) невелики, и с ростом
частоты падает величина μ сердечника и растут
потери.
• Для подстройки в этом диапазоне используют
сердечники из латуни или алюминия.

44.

Катушки с подстроечнным сердечником

45.

Катушки с подстроченным сердечником

46.

Экранированные катушки

47.

Экранированные катушки

48.

Экранированные катушки
•Для устранения паразитных связей между
каскадами используют экраны в виде
металлических стаканов круглой или
прямоугольной формы, которые надевают
на катушку.

49.

Экранированные катушки
•Сущность экранирования:
магнитное поле катушки наводит в
поверхностном слое экрана вихревые токи,
которые создают магнитное поле
обратного направления.
Если толщина экрана больше
поверхностного слоя проникновения
вихревых токов, то взаимодействие поля
катушки с полями других источников
исключается.

50.

Экранированные катушки
Для устранения возможных емкостных
связей экран заземляют.
•Чем выше проводимость материала
экрана, тем больше по величине вихревые
токи и тем выше экранирующие свойства
экрана.
•На длинных и средних волнах используют
алюминиевые экраны, на коротких –
латунные и медные.
•Толщина экрана обычно составляет 0,5 – 1
мм.

51.

Экранированные катушки
•Добротность катушки с экраном
оказывается всегда меньше добротности
катушки без экрана.
• чем больше будет отношение диаметров
экрана и катушки DЭ/Dк,
•тем эффективнее будет экранирование
и тем меньше будет влияние экрана на
параметры катушки.

52.

Экранированные катушки
•Но при увеличении соотношения DЭ/Dк
существенно увеличивается габаритный
объем катушки.
•Для того чтобы индуктивность и
добротность катушки не падали более,
чем на 10%, рекомендуется выполнять
соотношение DЭ/Dк = 1.5…2, которое тем
меньше, чем короче катушка.

53.

Экранированные катушки
условное обозначение

54.

Экранированные катушки индуктивности

55.

Тороидальная катушка

56.

Тороидальная катушка
Магнитный поток в тороидальных катушках в
основном ограничен сердечником катушки, поэтому
Тороидальные катушки не нуждаются в
экранировании, т.к. практически отсутствует внешнее
поле.
Тороидальные катушки (кольцевые) обладают
наиболее полным использованием магнитных
свойств.
У них μд сердечника равно μ материала. Т.е.
возможно получение больших значений
индуктивности и высокой добротности (400 – 500).
Основной недостаток таких катушек: невозможность
подстройки и сложность намотки, для которой
необходимо специальное оборудование.

57.

Типы намоток катушек индуктивности

58.

Катушки индуктивности для поверхностного
монтажа
•Использование современных технологий и
материалов позволяет получать
сверхминиатюрные катушки индуктивности
для поверхностного монтажа.
•экранированные и неэкранированные;
•чип-индуктивности: многослойные
керамические и ферритовые;
•ферритовые фильтры подавления
электромагнитных помех: выводные и для
поверхностного монтажа;
•дроссели для поверхностного монтажа.

59.

Катушки индуктивности для поверхностного
монтажа
• высокая технологичность и повторяемость параметров;
• низкая цена;
• высокоточные размеры;
• возможность использования автоматизированного
монтажа;
• высокая плотность монтажа;
• высокая устойчивость к механическим воздействиям;
• высокая устойчивость для работы в условиях повышенной
влажности и в широком диапазоне рабочих температур;
• высокая добротность;
• отличная паяемость;

60.

Катушки индуктивности для поверхностного
монтажа
•В качестве материала сердечника может
использоваться многослойная
высокочастотная керамика или
низкочастотный многослойный феррит.
•Ферритовые индуктивности при тех же
габаритах имеют гораздо большую емкость,
чем керамические (единицы и десятки мкГн).
•Чип-индуктивности на основе ферритового
сердечника имеют существенно меньший
рабочий частотный диапазон, чем
керамические таких же габаритов.

61.

Катушки индуктивности для поверхностного
монтажа
Основными параметрами, по которым
производится выбор индуктивностей, являются:
• номинальная индуктивность,
• форм-фактор (размеры корпуса),
• рабочий диапазон частот,
• максимальный допустимый ток,
• допустимое отклонение индуктивности от
номинала,
• добротность,
• сопротивление по постоянному току,
• рабочий температурный диапазон.

62.

Области применения чип-индуктивностей
•радиоприемники и рации;
•ЖК-телевизоры;
•видеокамеры (в том числе и
портативные);
•автомобильные аудиосистемы;
•мобильные телефоны, GPSнавигаторы;
•РС, промышленные компьютеры,
ноутбуки;
•системы промышленной автоматики.

63.

ЧИП катушки индуктивности.
ферритовые индуктивности с
проволочной намоткой
керамические индуктивности с
проволочной намоткой

64.

65.

Вариометр
•Вариометры.
Это катушки, индуктивность которых
можно изменять в процессе
эксплуатации для перестройки
колебательных контуров.
•Вариометры используются в
колебательных контурах для точной
настройки частоты резонанса.

66.

Вариометр
Для создания катушек с переменной
индуктивностью используют разные
решения:
а) вариометры с переменным числом
витков (реостатного типа);
б) вариометры с переменной взаимной
индуктивностью;
в) ферровариометры;
г) вариометры с немагнитными
сердечниками (высокая стабильность)

67.

Вариометр реостатного типа

68.

Вариометр реостатного типа
•Простая конструкция позволяет изменять
индуктивность в очень широких пределах по
определенному (преимущественно по
линейному) закону.
•Наличие контакта вносит большие и
непостоянные потери.
•Реостатные вариометры могут иметь очень
большой коэффициент перекрытия KL.
Преимущественное применение такие
вариометры нашли в передатчиках и
приёмниках диапазона УКВ.

69.

Вариометр с переменной взаимной
индуктивностью
Две обмотки расположены на одном
сердечнике и соединены последовательно.
Одна из обмоток 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.

70.

Вариометр

71.

Вариометр с переменной взаимной
индуктивностью
•Для увеличения коэффициента перекрытия (до
15…20) в вариометрах данного типа могут быть
использованы магнитные сердечники.
•Наиболее высокие значения КL достигаются в
ферровариометрах, представляющих собой
цилиндрическую катушку индуктивности,
внутри которой перемещается сердечник из
магнитного материала с высоким магнитной
проницаемостью μ, например, альсифер ФИ25, (μ = 20…25), феррит 600НН (μ = 600).

72.

Дроссель
•Катушку индуктивности, используемую
для подавления помех, для сглаживания
пульсаций тока, для развязки частей
схемы друг от друга по высокой частоте называют дросселем или реактором (от
нем. drosseln — ограничивать, глушить).
•Главное назначение дросселя в
электрической схеме — задержать на
себе ток определенного частотного
диапазона.

73.

Дроссель
Если дроссель должен подавить токи
низкой частоты, он должен обладать
большой индуктивностью, и в этом
случае он делается со стальным
сердечником.
Дроссель высокой частоты
(представляющий большое
сопротивление токам высокой частоты)
делается обычно без сердечника.
RL = Lω

74.

Трансформаторы
•При практическом использовании энергии
электрического тока часто возникает
необходимость изменять величину
напряжения, передаваемого от генератора.
Изменить постоянное напряжение трудно, а
переменное напряжение можно повышать или
понижать просто и почти без потерь.
•Две (или более) катушки индуктивности,
которые соединены единым магнитным
потоком, образуют трансформатор.
Эффективность трансформатора возрастает с
увеличением частоты напряжения.

75.

Трансформаторы

76.

Трансформаторы
•Подача переменного напряжения на
первичную обмотку приводит к
возникновение магнитного потока в
сердечнике, после чего во вторичной
обмотке возникает ЭДС индукции.
•Если подключить нагрузку к вторичной
обмотке, то потечёт ток. Частота
напряжения на выходе остаётся
неизменной, а его величина зависит от
соотношения витков катушек.

77.

Трансформаторы

78.

Коэффициент трансформации
•Трансформаторы бывают повышающие и
понижающие.
•Коэффициент трансформации
К= N1/ N2,
где N1 - количество витков первичной обмотки,
N2 - количество витков вторичной обмотки.
•Если коэффициент меньше 1 то трансформатор
повышающий (если во вторичной обмотке
больше, чем в первичной то такой
повышающий).
•Если К>1, то понижающий (если в первичной
обмотке меньше витков чем во вторичной).

79.

Обозначение трансформатора на схеме

80.

Потери в трансформаторе
•Потери связаны с явлением гистерезиса,
вихревыми токами, потоками рассеяния
магнитного поля и активным сопротивлением
обмоток.
•Потери на гистерезис и вихревые токи
возникают в магнитном материале сердечника
при работе в переменном магнитном поле.
•Потери, связанные с потоками рассеяния
создаются той частью магнитного потока,
которая замыкается не через магнитопровод, а
через воздух в непосредственной близости от
витков. Они составляют около 1% от основного
магнитного потока трансформатора.

81.

Ш образный сердечник

82.

Ленточный сердечник

83.

Трансформатор

84.

Трансформатор

85.

Трансформатор

86.

Предположим, что генератор имеет мощность 1000 кВт и
передает энергию в другое место. Сравним потери в двух
случаях: когда напряжение равно 5000В и 50000В.
В первом случае ток от генератора равен 200А (т.к. 5000 х
200 =1000кВт), во втором 20А (т.к. 50000 х 20 =1000кВт).
Предположим, что сопротивление линии для передачи
электроэнергии 20 Ом. Потери на нагревание равны I2хR
(Вт). Таким образом, в первом случае потери составляют
2002 х 20 = 800000Вт = 800кВт, а во втором 202 х 20 = 8000Вт =
8кВт.
Т.е. в первом случае потери составляют 80%, а во втором
0,8%. Увеличение напряжения в 10 раз, сократило потери в
100 раз. Поэтому энергию, получаемую на электростанциях,
стремятся передавать в отдаленные районы под возможно
более высоким напряжением. Конечно, можно снизить
потери уменьшая сопротивление передающей линии. Но
для этого пришлось бы делать провода более толстыми, т.к.
длина задается расстоянием до потребителя.