Катушка индуктивности. Описание, характеристики, формула расчета

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.

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.

Вам это будет интересно Установка УЗО в квартире

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.

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.

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

Обозначение, параметры и разновидности катушек индуктивности

Одним из самых известных и необходимых элементов аналоговых радиотехнических схем является катушка индуктивности. В цифровых электронных схемах индуктивные элементы практически потеряли свою актуальность и применяются только в устройствах питания как сглаживающие фильтры. Катушки индуктивности на принципиальных схемах обозначаются латинской буквой “L” и имеют следующее изображение. Разновидностей катушек индуктивности существуют десятки. Они бывают высокочастотные, низкочастотные, с подстроечными сердечниками и без них. Бывают катушки с отводами, катушки, рассчитанные на большие напряжения. Вот так, например, выглядят бескаркасные катушки. Катушки для СВЧ аппаратуры называются микрополосковыми линиями.

Они даже внешне не похожи на катушки. С катушками индуктивности связан такой эффект как резонанс и гениальный Никола Тесла получал на резонансных трансформаторах миллионы вольт. Основной параметр катушки это её индуктивность. Величина индуктивности измеряется в Генри (Гн, англ. – «H»). Это достаточно большая величина и поэтому на практике применяют меньшие значения (мГн, mH – миллигенри и мкГн, μH– микрогенри) соответственно 10 -3 и 10 -6 Генри. Величина индуктивности катушки указывается рядом с её условным изображением (например, 100 μH). Чтобы не запутаться в микрогенри и миллигенри, советую узнать, что такое сокращённая запись численных величин.

Многие факторы влияют на индуктивность катушки. Это и диаметр провода, и число витков, а на высоких частотах, когда применяют бескаркасные катушки с небольшим числом витков, то индуктивность изменяют, сближая или раздвигая соседние витки. Часто для увеличения индуктивности внутрь каркаса вводят сердечник из ферромагнетика, а для уменьшения индуктивности сердечник должен быть латунным. То есть можно получить нужную индуктивность не увеличением числа витков, что ведёт к увеличению сопротивления, а использовать катушку с меньшим числом витков, но использовать ферритовый сердечник. Катушка индуктивности с сердечником изображается на схемах следующим образом.

В реальности катушка с сердечником может выглядеть так. Также можно встретить катушки индуктивности с подстроечным сердечником. Изображаются они вот так. Катушка с подстроечным сердечником вживую выглядит так. Такая катушка, как правило, имеет сердечник, положение которого можно регулировать в небольших пределах. При этом величина индуктивности также меняется. Подстроечные катушки индуктивности применяются в устройствах, где требуется одноразовая подстройка. В дальнейшем индуктивность не регулируют. Наряду с подстроечными катушками можно встретить и катушки с регулируемой индуктивностью. На схемах такие катушки обозначаются вот так. В отличие от подстроечных катушек, регулируемые катушки индуктивности допускают многократную регулировку положения сердечника, а, следовательно, и индуктивности. Ещё один параметр, который встречается достаточно часто это добротность контура.

Под добротностью понимается отношение между реактивным и активным сопротивлением катушки индуктивности. Добротность обычно бывает в пределах 15 – 350. На основе катушки индуктивности и конденсатора выполнен самый необходимый узел радиотехнических устройств, колебательный контур. На схеме изображён входной контур простого радиоприёмника рассчитанного на работу в диапазонах средних и длинных волн. В настоящее время в этих диапазонах станций практически нет. Катушка индуктивности L1 имеет достаточно большое число витков, чтобы перекрыть диапазон по максимуму. Для улучшения приёма к первой обмотке L1 подключается внешняя антенна. Это может быть простой кусок проволоки длиной в пределах двух метров.

Благодаря большому числу витков в индуктивности L1 присутствует целый спектр частот и как минимум пять — шесть работающих радиостанций. Две индуктивности L1 и L2 намотанные на одном каркасе представляют собой высокочастотный трансформатор. Для того чтобы выделить на катушке индуктивности L2 станцию, работающую, допустим на частоте 650 КГц необходимо с помощью переменного конденсатора C1 настроить колебательный контур на данную частоту. После этого выделенный сигнал можно подавать на базу транзистора усилителя высокой частоты. Это одно из применений катушки индуктивности. Точно на таком же принципе построены выходные каскады радио- и телевизионных передатчиков только наоборот. Антенна не принимает слабый сигнал, а отдаёт в пространство ЭДС.

Индуктивность

Любая катушка индуктивности обладает индуктивностью. Индуктивность катушки измеряется в Генри (Гн), обозначается буковкой L и замеряется с помощью LC — метра.

Что такое индуктивность? Если через провод пропустить электрический ток, то он вокруг себя создаст магнитное поле:

где

В — магнитное поле, Вб

I — сила тока, А

А давайте возьмем и намотаем в спиральку этот провод и подадим на его концы напряжение

И у нас получится вот такая картина с магнитными силовыми линиями:

Грубо говоря, чем больше линий магнитного поля пересекут площадь этого соленоида, в нашем случае площадь цилиндра, тем больше будет магнитный поток (Ф). Так как через катушку течет электрический ток, значит, через нее проходит ток с Силой тока (I), а коэффициент между магнитным потоком и силой тока называется индуктивностью и вычисляется по формуле:

Расчет индуктивности некоторых типов высокочастотных катушек

Приведем расчетные формулы для наиболее часто используемых конструкций.

Индуктивность прямолинейного провода с круглым сечением. Сюда относятся индуктивные элементы ДЦВ диапазона, оценка индуктивности проволочных выводов резисторов, конденсаторов, активных элементов:

Lпр = 0,002l(ln [4l/d]-1,75); lLпрl = мкГн,

где [l] = см — длина провода; d = см — диаметр провода без изоляции.

Индуктивность круглого витка из провода круглого сечения. Используют для оценки индуктивности рамочных (резонансных) антенн, катушек связи и т.п.:

Lкр = 0,00628В (ln [8D/d]-1,75),

где [D] = см — диаметр витка.

Индуктивность замкнутого геометрического контура всегда будет меньше индуктивности прямого провода той же длины. Наибольшей индуктивностью обладает тот из замкнутых геометрических контуров одинакового периметра, который имеет наибольшую площадь. Следовательно, наибольшая индуктивность будет у контура, имеющего форму окружности.

Индуктивность однослойной цилиндрической катушки (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Элементы однослойной цилиндрической катушки

Если длина намотки l = т • N (N — число витков) соответствует неравенству l >> D, то приемлема формула

L = π2 · D2 N2 10-3 / l мкГн.

Если длина намотки катушки соизмерима с ее диаметром, то вводится поправочный коэффициент L0. Значение этого коэффициента находят по графику, изображенному на рис. 4.3, а величину индуктивности определяют из выражения

L = L0 • N2 • D • 10-3мкГн,

Рис. 4.3. Графическая зависимость поправочного коэффициента

Индуктивность многослойной цилиндрической катушки. Для получения больших значений индуктивности используют многослойные катушки. Индуктивность таких катушек можно определить по предыдущей формуле, но поправочный коэффициент L0 (рис. 4.4) будет зависеть от соотношения толщины намотки к наружному диаметру t/D.

Рис. 4.4. Поправочный коэффициент для многослойной катушки

Индуктивность катушки с сердечником. Получить оптимальное значение индуктивности и добротности, обеспечить точную установку индуктивности позволяет применение сердечников. Индуктивность катушки с сердечником LС = μСL, где L — индуктивность той же катушки без сердечника; μС — действующая магнитная проницаемость. Если μ — магнитная проницаемость материала, из которого выполнен сердечник, то отношение Кμ = μс/μ — коэффициент использования магнитных свойств. Он зависит от конструкции катушки и определяется экспериментально.

Для ферромагнетиков (ферриты, карбонильное железо) μс > 1, для диамагнетиков (латунь, медь, алюминий) μс < 1. Таким образом, используя ферромагнетики, повышают индуктивность катушки, а используя диамагнетики, понижают ее.

Индуктивность тороидальной катушки (с кольцевым сердечником) определяют по формуле

Lтор = 0,00628 • μ • N2 (D — √D2T — Dв),

где DТ — диаметр осевой линии тора, см; DВ — средний диаметр витка; μ — начальная магнитная проницаемость материала тора.

Индуктивность экранированной катушки. Экранирование выполняют или шунтированием магнитного поля ферромагнитным экраном с большой относительной магнитной проницаемостью или вытеснением магнитного поля экраном из диамагнетика (медь, латунь, алюминий). Для экранирования ВЧ катушек используют, как правило, второй способ.

Индуктивность цилиндрической катушки с алюминиевым цилиндрическим экраном

L = L • [1-(D/Dэ)3] • [1-(I/2Iэ)2],

где L — индуктивность катушки без экрана; D — диаметр обмотки; DЭ -диаметр экрана; l — длина намотки; lЭ — длина экрана. Добротность экранированной катушки всегда ниже, а собственная емкость выше катушки без экрана.

Зачем нужны бифилярные катушки индуктивности

Иногда катушка наматывается в две и более проволочных нитей. Тесла конструкцию применял для увеличения емкостных качеств. В результате становилось возможным экономить материалы – говорили выше. Что касается состояния на современном этапе развития технологий, причиной создания бифилярных катушек может быть следующее:

Бифилярные катушки индуктивности

1. Одна обмотка заземляется. Устраняет паразитную противо-ЭДС, вызывающую искрение, некоторые другие негативные эффекты. Когда резко пропадает напряжение, магнитное поле по большей части наводит тока в заземленной обмотке, поскольку активное сопротивление цепи наименьшее. Эффект противо-ЭДС гасится. В импульсных реле вспомогательная обмотка закорачивается. Энергия поля невелика, рассеивается активным сопротивлении меди в виде тепла.
2. Идеи Тесла не забыты. Часто в виде бифилярных катушек изготавливаются резисторы малого номинала. Сопротивления часто имеют схожее строение. Например, известные МЛТ, лента навивается на керамическое основание. Суть затеи повысить емкостное сопротивление, компенсируя индуктивность. Импеданс резистора обращается в чисто активный. Смысл мероприятия велик при работе на переменном токе. В цепях постоянного мнимая часть импеданса (реактивное сопротивление) роли не играет.
3. В импульсных блоках питания напряжение одной полярности, меняется по амплитуде. Позволит бифилярный трансформатор защитить от явления паразитной противо-ЭДС, спасает ключевой транзистор от пробоя. Дополнительная обмотка заземляется через диод, в обычном режиме не влияет на работу устройства. Противо-ЭДС имеет обратное направление. В результате p-n-переход открывается, разница потенциалов ограничивается прямым падением напряжения. Для кремниевых полупроводниковых диодов значение составляет 0,5 В. Понятно, напряжение не может пробить ключевой транзистор практически любого типа.
4. Идеи Тесла используются при создании вечных двигателей (в литературе: СЕ – сверхъединичных устройств, с КПД выше 1). Используется возможность устранения реактивного сопротивления для идеализации процесса работы.

Ферритовые магнитопроводы, катушки с ферритовыми сердечниками

Ферриты, получившие широкое распространение в последние три десятилетия, представляют собой твердые растворы окислов металлов или их солей, прошедшие специальную термическую обработку (обжиг). Получающееся при этом вещество — полупроводниковая керамика — обладает очень хорошими магнитными свойствами и малыми потерями даже на очень высоких частотах.

До введения ГОСТ 2.723—68 магнитопроводы из магнитодиэлектриков и ферритов обозначали на схемах одинаково—утолщенной штриховой линией.

Стандарт ЕСКД оставил этот символ для магнитопроводов из магнито-диэлектрика, а для ферритовых ввел обозначение, применявшееся ранее только для магнитопроводов низкочастотных дросселей и трансформаторов — сплошную жирную линию. Опасения некоторых специалистов, что одинаковые обозначения катушек с магнитопроводами из стали и феррита затруднят чтение схем не подтвердились

Дело в том, что при изучении схем обращают внимание не только на символы отдельных элементов, но и на то, как они соединены между собой в той или иной функциональной группе, какое место в цепи преобразования сигнала эти группы занимают

И если, например, каскад радиочастотный, то катушку со сплошным магнитопроводом нельзя спутать с низкочастотным дросселем. Согласно последней редакции ГОСТ 2.723—68 (март 1983 г.) магнитопроводы катушек изображают линиями нормальной толщины. Желая показать на схеме катушку, индуктивность которой можно изменять с помощью магнитопровода, в ее условное обозначение вводят знак под-строечного регулирования. Сделать это можно двумя способами: либо пересекая этим знаком обозначения катушки и магнитопровода.

Для подстройку катушек на частотах выше 15… 20 МГц часто применяют магнитопроводы из так называемых немагнитных материалов (меди, алюминия и т. п.). Возникающие в таком магнитопроводе под действием магнитного .поля катушки вихревые токи создают свое поле, противодействующее основному, в результате чего индуктивность катушки уменьшается. Немагнитный магнитопровод-подстроечник обозначают так же, как и ферритовый, но рядом указывают химический символ металла, из которого он изготовлен (в обозначении катушки, показанном на рис. 6,в, изображен подстроечник, изготовленный из меди).

Как различаются катушки индуктивности

Данные элементы цепей обладают большим количеством видов и типов, которые зависят от способа и целей их использования. Иногда их разделяют по частотам. Среди них можно выделить следующие виды:

1. Устройства низкой частоты. Используют как дроссели в люминесцентных лампочках, трансформаторы (при этом все обмотки можно считать индуктивными катушками), как фильтр от магнитных помех. Сердечник создаётся из электротехнических сталей, либо обычно делают шихтованные сердечники из листов (для цепей с переменным током).
2. Устройства высокой частоты. Используются в приёмниках радио, для усиления сигнала связи, в качестве накопления и сглаживания дросселей в блоках питания, работающих импульсно. Сердечник в этом варианте сделан из феррита.

От параметров устройства индуктивности зависит его особенности конструкции.

Намотки выполняют как в один, так и в несколько слоёв, приматывают к виткам или с расстоянием друг от друга. При этом различается даже расстояние: в зависимости от длины различают постоянные и прогрессивные шаги витков. От выбора вида наматывания и конструкции зависит конечный размер катушки.

Вариометр — это катушка, где индуктивность является переменной, она устроена немного иначе стандартных катушек.

Встречаются разные решения этого вида катушки:

1. Иногда сердечники в них являются подвижными;
2. Несколько обмоток располагают на едином сердечнике в последовательном соединении, индукция изменяется в зависимости от их размещения;
3. Виток можно раздвинуть или сузить, от плотности намотки зависит понижение и повышение индуктивности.

Ротор является движущейся частью катушек. Статор неподвижной частью. Способы намоток тоже могут являться классификацией для катушек. Например, намотки в две стороны могут устранять помехи в сетях. Намотки по одной стороне устраняют помехи дифференциала.

Большая энциклопедия нефти и газа. Что такое катушки индуктивности их классификация

Катушки

— это намотаные или печатные элементы с индуктивным характером сопротивления. Катушки предназначены для преобразования энергии переменного электрического поля в энергию переменного магнитного поля и наоборот, создание реактивного индуктивного сопротивления переменному току.

Классификация.

Катушки классифицируют по нескольким признакам. По конструктивным признакам катушки делят на цилиндрические, тороидальные, плоские, однослойные и многослойные, с сердечником и без сердечника, экранированные и неэкранированные. За использованием катушки разделяют на: контурные связи и дроссели. Первые используют в колебательных контурах, вторые — для связи электрических цепей, третьи — для разделения постоянного и переменного токов. По характеру изменения индуктивности катушки бывают постоянной индуктивности, подстроечные, с переменной индуктивностью (вариометры), которые отличаются от подстроечных более широким диапазоном изменения номинала.

Условные изображения и обозначения.

Условные изображения катушек на схемах приведены на рис. 1.

Рис. 1. Условные изображения катушек на схемах: а, б — катушки при отсутствии и наличии магнитодиэлектрического сердечника; в, г — подстроечные катушки; д — вариометр

Единственные условные обозначения имеют только стандартизированные элементы, это катушки с броневыми и тороидальными сердечниками. Они объединяют название ЭРЭ, тип сердечника, номер унифицированного ряда, индуктивность, допуск. К примеру, КИСБ-9а-5-30±5% означает катушка индуктивности, сердечник броневой 9 а, номер унифицированного ряда 5, индуктивность 30 мкГн, допуск ±5%.

Строение.

Для изготовления катушек необходимы следующие конструктивные элементы: каркас, намотка, подстроитель, экран, элементы крепления, элементы защиты от внешних условий. Каркас является конструкционной основой катушки. Изготавливают его преимущественно из пластмассы или керамики в форме полой трубки с гладкой или нарезанной наружной поверхностью (рис. 2). Резки внешней поверхности необходимые для намотки с шагом. Внутренняя поверхность каркаса также может быть гладкой или нарезанной. Нарезка внутренней поверхности предназначается для подстроителя. Каркас может иметь одну или несколько секций, элементы крепления к плате. Для мощных катушек используют ребристые каркасы, которые облегчают рассеивания тепла. В пластмассовые каркасы запрессовывают внешние выводы, а в керамических каркасах для них оставляют специальные пазы. Иногда вместо каркаса может использоваться магнитодиэлектрический сердечник, как, например, в тороидальных катушках, или катушки могут изготавливаться бескаркасными. В последнем случае для обеспечения необходимой жесткости конструкции для намотки выбирают толстый провод диаметром более 1 мм, с малым количеством витков (4 … 6). Намотка предназначена для создания индуктивного эффекта. В однослойных объемных катушках она может быть сплошной или с шагом (рис. 3, а, б). В плоских конструкциях она имеет форму спирали Архимеда (рис. 2, в). В многослойных катушках намотка всегда сплошная. Она может быть секционированной или несекционированной, рядовой, пирамидальной или выполненной «в навал «(рис. 3, г, д, е, ж).

Рис. 2. Конструктивные виды каркасов катушек

Рис. 3. Основные виды намоток катушек: а — однослойная сплошная; б — однослойная с шагом; в — однослойная плоская; г — многослойная рядовая; д — многослойная «в навал»;
е — многослойная пирамидальная; ж — многослойная секционированная
Кроме отмеченных выше, широко применяют в многослойных катушках универсальные намотки (рис. 4), в которых витки не размещены параллельно друг к другу, а поочередно от одного края катушки к другому, пересекаясь под некоторым углом.

Рис. 4. Универсальная намотка: П

— начало;
К
— конец витка; —
угол отклонения провода; — угол пересечения провода; р
— количество переходов

Для намотки чаще всего используют медный или посеребренный медный провод. При однослойной намотке с шагом провод может быть без изоляции, а при сплошной однослойной и многослойной намотках используют провода с эмалевой изоляцией. Если необходимо обеспечить малую собственную емкость катушек, применяют эмалированные провода, дополнительно покрыты волокнистой (шелковой) изоляцией или лицендрат — многожильный переплетенный провод. В высокостабильных и мощных катушках намотку производят в виде медных посеребренных шин, впаленых в керамический каркас. Внешние выводы катушек изготавливают из медной проволоки диаметром 0,5 … 1,5 мм, который запрессовывают в пластмассовый каркас или вставляют в пазы керамических каркасов. Сердечники катушек могут быть цилиндрическими, катушечными, броневыми, Ш-образными, тороидальными, Н-образными (рис. 5).

Рис. 5. Типы магнитных сердечников: а … г — цилиндрическое с резьбой, гладкие, с втулкой, трубчатые; д, е — катушечный; ж, з — броневое с замкнутой и разомкнутой магнитной цепью; и — чашечный; к — тороидальный; л — кольцевое; м — Н-образное; н — Ш-образное

Сплошные цилиндрические сердечники чаще всего используют в подстроечных индуктивных элементах, а трубчатые — в феровариометрах. Броневые и чашечные сердечники, в свою очередь, обеспечивают высокую добротность катушек, их экранирование и делают настройки. Тороидальные и кольцевые сердечники уменьшают габариты катушек за счет малого рассеивания магнитного потока. Сердечники катушечной формы имеют повышенную степень использования магнитных свойств материала, но вызывают большие потери на высоких частотах. Ш-образные сердечники используют в тех катушках, в которых управление индуктивностью будет осуществляться током. Поскольку катушки предназначены для работы на высоких частотах, для уменьшения потерь энергии сердечника для них изготавливают из ферромагнитных диэлектриков, в которых принадлежит карбонильное железо, и ферромагнитных полупроводников, каковы есть ферриты. Для катушек, предназначенных для работы на коротких и ультракоротких волнах, сердечники изготавливают из немагнитных материалов (медь, латунь). Подстроитель фактически — это сердцевина, изготовленная из ферромагнитного или немагнитного материала, имеющего цилиндрическую форму и может вкручиваться в каркас, в броневой, чашечный или катушечный сердечник для подстройки индуктивности катушки (рис. 5). Экранирование катушек индуктивности необходимо для локализации собственных электромагнитных полей и защиты их от внешних электромагнитных воздействий. С этой целью с высокопроводящих проводниковых материалов (чаще всего алюминия или меди) изготавливают цилиндрические, реже призматические кожухи (экраны), которые надежно соединяют с заземлением (рис. 6). В результате индуцированные в экране токи отводятся на землю.

Рис. 6. Экранированные катушки

Защита катушек от внешних условий обеспечивает их покрытия химически устойчивыми лаками, утечки жидкими диэлектриками или помещения их в специальные герметичные корпуса.

Работа.

Работа катушки основывается на том, что переменный электрический ток, протекающий по катушке, вызывает появление в ней переменной электродвижущей силы самоиндукции, которая препятствует изменению тока, создавая ему реактивное индуктивное сопротивление. Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменению тока :

Коэффициент L

, который входит в формулу, называют коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки. Реактивное сопротивление прямо пропорционален частоте изменения тока и индуктивности катушки:

Ферромагнитные сердечники взымают магнитные силовые линии переменного электрического тока и, вследствие этого, заставляют их большей степени пересекать витки катушки, что приводит к увеличению ЭДС самоиндукции, а следовательно, к увеличению индуктивности катушки. Действие немагнитных сердечников противоположная к действию их ферромагнитных аналогов. Регулировка индуктивности катушки основывается на изменении магнитного потока, пронизывающего его обмотку. Оно может быть осуществлено несколькими способами (рис. 5): — введением в катушку немагнитного подстроителя, который выталкивает из нее магнитные силовые линии переменного тока; — введением в катушку магнитного подстроителя, который увеличивает эффективную магнитную проницаемость; — изменением щели между сердечником и катушкой; — изменением магнитной проницаемости сердечника катушки при подмагничиванию его постоянным электрическим током; — перемещением витков, секций катушек.

Свойства.

Поскольку катушки работают на высоких частотах и предназначены преимущественно для создания в электрических цепях реактивного индуктивного сопротивления переменному току, обеспечения между ними электромагнитной связи, высокой избирательности колебательных контуров, то для них основными являются частотные характеристики, выражающие зависимости их реактивного и активного сопротивлений, а также сопротивления потерь в собственной емкости и добротности от частоты. По выражению видно, что реактивное сопротивление катушки переменному току меняется прямо пропорционально частоте (рис. 7, прямая 1).

Рис. 7. Частотные зависимости реактивного и активного сопротивлений и потерь в собственной емкости катушек

Активное сопротивление провода катушки переменным током тоже растет с частотой (рис. 7, кривая 2) в основном за счет скин-эффекта, виткового эффекта и эффекта близости. Аналогично изменяются с частотой потери в собственной емкости катушки (рис. 7, кривая 3). Добротность катушки определяется отношением ее реактивного сопротивления к активному

Поскольку в начале высокочастотного диапазона с повышением частоты быстрее растет реактивное сопротивление, а в конце его быстрее растут активное сопротивление и потери энергии в собственной емкости, экране и сердечнике, то кривые частотной зависимости добротности имеют максимум (рис. 8).

Рис. 8. Частотные характеристики добротности катушек с броневыми сердечниками, изготовленными из карбонильного железа (а) и феррита (б)

Катушки характеризуются следующими параметрами: индуктивностью, добротностью, температурными коэффициентами индуктивности и добротности, коэффициентами старения индуктивности и добротности, собственной емкостью и собственной резонансной частотой, надежностью. Индуктивность катушки характеризует значение индуцированной в ней электродвижущей силы самоиндукции, реактивного сопротивления, добротности, энергии магнитного поля:

где I

— ток через катушку. Добротность катушек, которая определяется отношением реактивного сопротивления к активному , который характеризует резонансные свойства (избирательность) колебательных контуров, их коэффициент полезного действия. Температурный коэффициент индуктивности характеризующий температурную стабильность индуктивности катушки, находят так:

где и — значение индуктивности при температурах и . Аналогично определяют температурный коэффициент добротности

где и — значение добротности при температурах и . Коэффициент старения индуктивности , который характеризует временную стабильность индуктивности катушек, рассчитывают по формуле:

где и значение индуктивности катушки в момент времени и . Подобно определяется коэффициент старения добротности :

где и — значение добротности в момент времени и . Собственная емкость катушки , обусловлена ее конструктивными элементами. Расчеты не дают нужной точности, поэтому ее целесообразно определять экспериментально. Зная собственную емкость и индуктивность катушки, можно найти ее собственную резонансную частоту:

Надежность катушки определяется постепенными отказами, обусловленными старением диэлектриков и магнитных материалов, окислением проводов. Эти процессы ускоряются влагой и температурой. Защита от этих дестабилизирующих факторов замедляет процессы старения и за счет этого повышает параметрическую надежность катушек. Индуктивность катушки в условиях действия отмеченных выше факторов можно определить по выражению:

где — коэффициент, характеризующий изменение индуктивности катушки под действием влаги. Надежность в таком случае оценивают вероятностью невыхода параметров за пределы допусков. Внезапные отказы в определенной степени влияют на надежность катушек. Они конечно вызванные нарушением электрического соединения обмотки с выводами, обрывами обмотки, короткого замыкания витков и тому подобное. Типичные значения некоторых из названных выше параметров катушек приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4 Типичные значения параметров дискретных катушек

Схема замещения катушки должна отражать ее свойства и содержать не только индуктивность самой катушки, но и индуктивность выводов, емкость витков и выводов, емкость, обусловленную сердечником, потери энергии в меди, в емкостях, сердцевине и тому подобное. Но такую схему замещения можно упростить, если обе составляющие индуктивности объединить в одну индуктивность L

с потерями энергии , а все составляющие емкости — в одну емкость с потерями энергии. Тогда такая упрощенная эквивалентная схема катушки будет иметь вид, изображенный на рис. 9, а.

Рис. 9. Упрощенные схемы замещения катушек

Можно ввести понятие эквивалентной индуктивности катушки, которая отражает совместное действие индуктивности и емкости:

Так можно найти эквивалентную индуктивность

где — частота собственного резонанса.

Аналогично можно ввести понятие эквивалентного сопротивления потерь:

Тогда схему замещения катушки можно упростить (рис. 9, б).

Применение.

Дискретные катушки применяют в колебательных контурах, электрических линиях задержки сигналов, фильтрах. Их используют для создание на отдельных участках электрических цепей реактивного индуктивного сопротивления, для обеспечения магнитной связи между электрическими цепями, для разделение постоянного и переменного токов и тому подобное. Катушки трудно поддаются микроминиатюризации, поэтому индуктивные элементы в интегрированных микросхемах практически отсутствуют. Исключением является тонкопленочные гибридные ИМС, в которых они имеют форму плоских спиралей Архимеда индуктивностью до 10 мкг. В полупроводниковых ИМС вместо катушек применяют специальные схемы на транзисторах, которые дают индуктивный эффект. В толстопленочных гибридных ИМС катушки преимущественно используют навесные.

Конструирование и расчет.

В катушках рассчитывают геометрические размеры, индуктивность, количество витков, диаметр провода, потери энергии, добротность. Геометрические размеры катушек определяет их диаметр
D
, длина глубина намотки , диаметр каркаса . В однослойной катушке диаметр
D
— это диаметр круга, образованного осевой линией активного сечения провода. На высоких частотах диаметр катушки
D
можно считать равным диаметра каркаса . Длина катушки — это расстояние между осевыми линиями крайних витков. Расстояние между осевыми линиями смежных витков называют шагом намотки Обычно принимают, что:

или

где N

— количество витков. При неплотной намотке, выполненной с коэффициентом неплотности ≈ 1,05 … 1,3

где -диаметр провода с изоляцией. Для многовитковых однослойных катушек принимают, что:

Для многослойных катушек можно считать, что внешний диаметр катушки D

равен наружному диаметру намотки, а ее внутренний диаметр . В таком случае глубина намотки

Средний диаметр катушки:

Для простой рядовой катушки и намотки «в навал» глубина

Индуктивность однослойных катушек со сплошной намоткой определяют по выражению:

где , , — поправочный коэффициент, который зависит от отношения и определяется из графика, приведенного на рис. 9, или приближенно по выражению:

Рис. 9. График зависимости для однослойных катушек

Индуктивность однослойной катушки, намотанной с шагом, определяют с выражения:

где — индуктивность катушки, А и В — поправочные коэффициенты, определяются из графиков, изображенных на рис. 10; d

— диаметр провода без изоляции. Индуктивность плоской круглой катушки может быть определена по выражению:

где b

— глубина плоской намотки.

Рис. 10. Графики зависимостей и

Индуктивность плоской квадратной катушки рассчитывают по формуле:

где — длина стороны среднего квадрата. Формула может быть использована также для расчета индуктивности многослойных катушек, но для них поправочный коэффициент , который зависит одновременно от отношений , находят из графиков, приведенных рис. 11. Индуктивность катушки с сердечником , которое имеет магнитную проницаемость , в раз больше индуктивность той же катушки без сердечника, то есть

Итак, расчет индуктивности катушек с сердечником фактически сводится к определению . Для тороидальных катушек, в которых потери магнитного потока малые , где — магнитная проницаемость материала сердечника. Поэтому индуктивность катушки с тороидальном сердечником находят так:

где — сечение сердечника, — средняя длина магнитной силовой линии. Для других форм сердечников . Так, например, для броневого сердечника

где — длина щели.

Рис. 11. Графики зависимостей и для многослойных катушек

Индуктивность экранированных катушек определяют по выражению:

где — коэффициент связи катушки с экраном.

Для однослойных катушек

где — диаметр экрана, — коэффициент, зависящий от отношения и определяется по графику, приведенному на рис. 12.

Рис. 12. График зависимости

Cтраница 1

Катушки переменной индуктивности и взаимной индуктивности, называемые вариометрами, с плавным изменением параметра содержат две катушки, одна из которых — неподвижная (статор), а вторая — поворачиваемая (ротор) внутри неподвижной. Эти же вариометры при включении катушек в разные цепи дают изменяемую взаимную индуктивность, значение которой вычисляется по формуле М 0 5 (L — L0), где L — отчет по шкале индуктивности, a L0 (Lj L2) — индуктивность катушек, указанная на щитке вариометра.  

Катушки переменной индуктивности (вариометры) применяются для плавной подстройки и настройки колебательных контуров, а также для переменной связи с антенной и в радиопеленгаторах. Конструкции вариометров разнообразны по форме и размерам. В радиоаппаратуре широко применяются вариометры, в которых изменение индуктивности производится посредством скользящих по проводу обмотки контактов.  

Катушки переменной индуктивности (вариометры) используют значительно реже.  

Катушка переменной индуктивности состоит из двух секций, соединенных последовательно: индуктивность секций L 200 мкгн и L2 85 мкгн. Вычислить общую индуктивность катушки, если магнитные потоки секций направлены навстречу друг другу.  

Катушка переменной индуктивности состоит из двух секций, соединенных последовательно: индуктивность секций Li 200 мкгн и L2 85 мкгн. Вычислить общую индуктивность катушки, если магнитные потоки секций направлены навстречу друг другу.  

Сердечники катушек переменной индуктивности изготовлены из феррита марки 600НН, длина их 30 мм, диаметр 3 26 мм.  

Вариометрами называют катушки переменной индуктивности, которые применяют для плавной настройки контуров, для переменной связи с антенной и в радиопеленгаторах.  

Находят применение катушки переменной индуктивности и взаимной индуктивности. Очень удобны для измерительных схем магазины индуктивностей, которые представляют собой набор катушек индуктивности.  

Находят применение катушки переменной индуктивности и взаимной индуктивности. Очень удобны для измерительных схем магазины нндуктивностей, которые представляют собой набор катушек индуктивности.  

Индуктивность в электрических цепях

В то время как конденсатор оказывает сопротивление изменению переменного напряжения, индуктивность же сопротивляется переменному тока. Идеальная индуктивность не будет оказывать сопротивление постоянному току, однако, в реальности все индуктивные катушки сами по себе обладают определенным сопротивлением.

В целом, отношение между изменяющимися во времени напряжением V(t) проходящим через катушку с индуктивностью L и изменяющимся во времени током I(t), проходящим через нее можно представить в виде дифференциального уравнения следующего вида:

Когда переменный синусоидальной ток (АС) протекает через катушку индуктивности, возникает синусоидальное переменное напряжение (ЭДС). Амплитуда ЭДС зависит от амплитуды тока и частоте синусоиды, которую можно выразить следующим уравнением:

где ω является угловой частотой резонансной частоты F:

Причем, фаза тока отстает от напряжения на 90 градусов. В конденсаторе же все наоборот, там ток опережает напряжение на 90 градусов. Когда индуктивная катушка соединена с конденсатором (последовательно либо параллельно), то образуется LC цепь, работающая на определенной резонансной частоте.

Индуктивное сопротивление ХL определяется по формуле:

где ХL — индуктивное сопротивление, ω — угловая частота, F — частота в герцах, и L индуктивность в генри.

Индуктивное сопротивление — это положительная составляющая импеданса. Оно измеряется в омах. Импеданс катушки индуктивности (индуктивное сопротивление) вычисляется по формуле:

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Катушка индуктивности

— является пассивным компонентом электронных схем, основное предназначение которой является сохранение энергии в виде магнитного поля. Свойство катушки индуктивности чем-то схоже с конденсатором, который хранит энергию в виде электрического поля.

Индуктивность (измеряется в Генри) — это эффект возникновения магнитного поля вокруг проводника с током. Ток, протекающий через катушку индуктивности, создает магнитное поле, которое имеет связь с электродвижущей силой (ЭДС) оказывающее противодействие приложенному напряжению.

Возникающая противодействующая сила (ЭДС) противостоит изменению переменного напряжения и силе тока в катушке индуктивности. Это свойство индуктивной катушки называется индуктивным сопротивлением. Следует отметить, что индуктивное сопротивление находится в противофазе к емкостному реактивному сопротивлению конденсатора в цепи переменного тока. Путем увеличения числа витков можно повысить индуктивность самой 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.

Цветовая маркировка дросселей

В данной статье речь пойдет об определении параметров дросселей по таблице цветовой маркировке дросселей. Цветовая маркировка дросселей практически совпадает с цветовой маркировкой индуктивностей. Структура маркировка дросселей следующая:

• первые две метки (полосы или точки) указывают на значение номинальной индуктивности в микрогенри (мкГн);
• третья метка – множитель;
• четвертая метка – допуск.

Наиболее часто для маркировки дросселей используют 4 или 3 цветные полосы или точки. В случае использования маркировки дросселей с тремя метками по умолчанию подразумевается 20% допуск. Рассмотрим на примерах как определяются основные параметры дросселей.

Теги

особенности катушки индуктивности. Катушка индуктивностиИндукционная катушка токовая катушка индуктивностиработе катушки фильтрыиндукционная катушка.типа катушки.спиральные катушки.годятся катушки снизкочастотная катушка индуктивности.переменного тока принужна токовая катушкапеременного тока.постоянного тока напряжениепостоянного тока задействуютсяэлектрического тока непроводнику тока вокругпрохождении тока черезрассмотрении катушек индуктивностиразрыва цепи.

самоиндукциистатьяпотеряоченьназываемыеответсхемыисточникипредставляетмоментывсегоэлектромагнитныхсайтграфики