— Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи и потерь на гистерезис, связанных с перемагничивание материала
в течение периода. 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.
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! 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. 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! 1. Очевидно, что из металла! 2. Катушка должна быть большой! Опять же, как и в первом пункте — излишний фанатизм не приветствуется. 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?
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. А на следующей странице будем мотать высокодобротные катушки на ферритовых кольцах, а также на кольцах из распылённого железа.
|
|||||
Необузданные гонки за всё более высокими параметрами добротности колебательных контуров не так просты, как могли бы показаться
на первый взгляд.
А теперь, что касается выбора параметра индуктивности катушки для достижения максимальной добротности.
Борьба за добротность катушки индуктивности.Как намотать высокодобротную катушку на ферритовом кольце или на тороидальном магнитопроводе из карбонильного (распылённого) железа?
Продолжаем тему ожесточённой борьбы за параметр добротности катушек индуктивности.
В центральной завязке сюжета давайте
сделаем весьма вольное, но не оскорбительное допущение — ферритами мы будем называть как, собственно, сами ферриты, так и
сердечники из карбонильного (распылённого) железа. Так просто удобней и доступнее для восприятия.
В первом приближении можно считать, что однослойная тороидальная катушка — это ничем не примечательное моточное цилиндрическое изделие, свёрнутое в бублик.
Как добиться максимальной добротности от такой катушки без ферритовых излишеств, мы порассуждали на прошлой странице.
Ясен хулахуп, что добавление ферритового кольца внутрь нашего бублика в определённое количество раз увеличит индуктивность катушки.
Для того, чтобы понять, сколько это выйдет в попугаях, приведу упрощённую формулу, описывающую зависимость необходимого количества
витков катушки W от значения индуктивности L и магнитной
проницаемости µ ферритового кольца, на которое нанесена обмотка :
W=K*√L/μ, где
K — это в нашем случае совершенно малоинтересный коэффициент, зависящий от габаритных размеров
ферромагнитного сердечника.
Что даёт нам эта формула? А даёт она нам наглядное понимание того, что для получения значения индуктивности на феррите, такой же, как и в катушке без сердечника нам потребуется в √µ меньшее количество витков. Т.е. для катушек, намотанных на радиочастотных магнитопроводах с начальной магнитной проницаемостью 5 — 75, экономия на длине провода составит величину ≈ 2 — 9 раз.
Казалось бы, здорово: тёплая ночь, красота за окном, девки поют, пазлы складываются в изящную картинку — примерно в такое же количество раз
должна возрасти и добротность нашего изделия.
А вот и нет! Необратимые потери в сердечнике на вихревые токи, перемагничивание (гистерезис), поглощение в веществе изрядно подпортят
так хорошо начинавшуюся песню.
Потери эти обычно характеризуются понятием тангенса угла магнитных потерь tanδ вещества.
Эта безразмерная величина может быть представлена в следующем виде: tanδ = μ»/μ’, где
μ’ — является начальной магнитной проницаемостью феррита в привычном понимании этого слова, а
μ» — некая величина, называемая мнимой частью магнитной проницаемости, определяет потери феррита.
А решив покопаться в архивах старинных справочников, есть шанс наткнуться и на до боли простую формулу Q=1/tanδ, что выдаёт нам в сухом остатке значение добротности, определяемое влиянием потерь в ферритовом сердечнике: Q = μ’/μ».
По-хорошему, совсем не лишним было бы учесть потери, которые возникают на ВЧ и в проводах катушек (см. предыдущую страницу). Однако, учитывая уменьшившееся в несколько раз активное сопротивление провода, можно сделать робкий вывод, что основной вклад в добротность будут вносить всё ж таки именно потери ферромагнитного сердечника.
Параметр μ» иногда публикуется производителями в виде графика зависимости от частоты, называемого магнитным спектром феррита… А иногда не публикуется…
Фирма TDK, к примеру, радует глаз радиолюбителя разнообразием цветов и полнотой информации.
А вот, казалось бы — известный американский производитель Amidon™ Inc., весьма почитаемый в кругах отечественных богомольцев, для своих ферритов публикует магнитные спектры, а для сердечников на распылённом железе отправляет пытливый ум разработчика в полный игнор.
Полную информацию по всему ассортименту Amidon-овских ферритов можно найти на официальном сайте на странице http://www.amidoncorp.com/specs/.
И «куда деваться бедному еврею?» при желании намотать высокодобротную катушку на карбониле?
И бедному еврею, и богатому, и даже вообще не еврею — придётся сделать выбор:
— либо для приложений с малым уровнем сигнала мотать изделие на феррите с нормированным уровнем магнитных потерь,
— либо для радиочастотных цепей с высокими уровнями мощности, остановить свой выбор на сердечнике из распылённого железа,
выбирая его габариты, исходя из принципа гарантированной работы, далёкой от области насыщения материала, а номер смеси — исходя из частот,
рекомендованных производителем.
Ниже приведу список ферритовых колец Amidon, отлично себя зарекомендовавших, при использовании в высокодобротных резонансных схемах.
| Тип материала | Начальная проницаемость | Частоты для резонансного применения, МГц |
| 33 | 800 | 0.01 to 1 MHz |
| 43 | 850 | 0.01 to 1 MHz |
| 61 | 125 | 0.2 to 10 MHz |
| 64 | 250 | 0.5 to 4 MHz |
| 67 | 40 | 10 to 80 MHz |
| 68 | 20 | 80 to 180 MHz |
| 73 | 2500 | 0.001 to 1 MHz |
| 77 | 2000 | 0.001 to 2 MHz |
| 83 | 300 | 0.001 to 5 MHz |
| F | 3000 | 0.001 to 1 MHz |
| J | 5000 | 0.001 to 1 MHz |
| K | 290 | 0.1 to 5 MHz |
| W | 10000 | 0.001 to 0.25 MHz |
| H | 15000 | 0.001 to 0.15 MHz |
Делаем выдох и наклон в сторону карбонильных сердечников.
По большому счёту — сердечники из распылённого железа ассоциируются производителем в качестве оптимального материала для применения
в силовых устройствах (сглаживающих дросселях, дифференциальных сетевых фильтрах, высокочастотных преобразователях и т.д.).
Поэтому данные, приводимые в документации, связаны в основном с мощностными, т. е. малоинтересными для данной темы
характеристиками.
А поскольку мы знаем, что катушки, намотанные на подобных магнитопроводах, обладают вполне себе приличными значениями добротности,
то исходить придётся из значений магнитной проницаемости материалов и частотных характеристик, приведённых ниже.
При выборе рабочего частотного диапазона материала следует задаваться величиной допустимого отклонения магнитной кривой — ± 10%.
Ну и на основании приведённого графика давайте нарисуем доморощенную таблицу, описывающую частотные характеристики сердечников из распылённого железа.
| Номер смеси | Начальная проницаемость | Диапазон частот, МГц | Цветовая маркировка |
| -2 | 10 | 0.1 to 100 MHz | Красный |
| -8 | 35 | 0.1 to 100 MHz | Жёлтый/красный |
| -14 | 14 | 0.1 to 100 MHz | Чёрный/красный |
| -18 | 55 | 0.1 to 20 MHz | Салатовый/красный |
| -19 | 55 | 0.1 to 10 MHz | Красный/салатовый |
| -26 | 75 | 0.1 to 0.4 MHz | Жёлтый/белый |
| -30 | 22 | 0.1 to 10 MHz | салатовый/серый |
| -34 | 33 | 0.1 to 6 MHz | Серый/голубой |
| -35 | 33 | 0.1 to 4 MHz | Жёлтый/серый |
| -40 | 60 | 0.1 to 0.4 MHz | Салатовый/жёлтый |
| -45 | 100 | 0.1 to 1 MHz | Чёрный |
| -52 | 75 | 0.1 to 1 MHz | Салатовый/голубой |
А теперь для нашего друга из солнечного Биробиджана прозвучит ритмически захватывающая поп-композиция «Частотные диапазоны работы карбонилов, не вошедших в предыдущую таблицу». Основным критерием выбора данных диапазонов является достижение максимального значения добротности намоточного изделия.
Ну и хватит о грустном. Подведём итог вышерассказанной истории: «Как намотать высокодобротную катушку на ферритовом кольце?».
1. Обмотка должна быть однорядной, как можно более толстым (в пределах разумного) проводом.
2. Для цепей с малым уровнем сигнала лучшим выбором являются ферритовые кольца, так как имеют в данном режиме
нормированный уровень магнитных потерь.
Кстати, отечественные кольца 50ВЧ2, 30ВЧ2 прекрасно работают во всём КВ диапазоне, и мало чем уступают Амидоновским
ферритам.
3. Для радиочастотных цепей с высокими уровнями мощности — ничего не остаётся, как использовать сердечники из
распылённого железа, чутко подбирая типоразмеры колец. Чем дальше будет режим работы магнитопровода от области насыщения материала —
тем выше будет добротность катушки!
Ну и напоследок, с благодарностью автору, ознакомимся с весьма полезной для широкого круга радиолюбителей информацией от уважаемого постояльца форума cqham.ru — LY1SD:
«Иногда возникают вопросы по Qxx (добротность в режиме холостого хода) контуров на карбонильных кольцах от AMIDON.
При проверке на Q-метре выяснено, что на тороидальных карбонильных сердечниках от amidon или советских ферритовых торах 20-50ВЧ Qхх очень мало зависит от диаметра провода, поэтому достаточно использовать провод толщиной не более 0,5мм.
Пример:
Кольцо Т50-6 (жёлтое, μ=8, D=12,7мм), провод ПЭЛШО 0,35, W=24 витка, L=2,82мкГн.
С проводом ПЭВ-2 0,5 добротность несколько выше, но не на много.
Результат измерений:
| Ёмкость конденсатора | Добротность контура Qxx | Резонансная частота |
| 25 пФ | 170 | 18,5 Мгц |
| 50 пФ | 205 | 13,3 Мгц |
| 100 пФ | 220 | 9,42 Мгц |
| 150 пФ | 220 | 7,72 Мгц |
| 200 пФ | 210 | 6,73 Мгц |
| 250 пФ | 205 | 6,05 Мгц |
| 300 пФ | 200 | 5,54 Мгц |
| 350 пФ | 200 | 5,14 Мгц |
| 400 пФ | 195 | 4,82 Мгц |
| 450 пФ | 190 | 4,56 Мгц |
Зато на кольце Т106-6 (жёлтое, D=27мм) пробная обмотка L=3,96мкГн (17 витков) проводом ПЭВ-2 1,0мм дала добротность более 400 при ёмкостях 100-400пФ!
| Ёмкость конденсатора | Добротность контура Qxx | Резонансная частота |
| 25 пФ | 240 | 15,7 Мгц |
| 50 пФ | 325 | 11,4 Мгц |
| 100 пФ | 400 | 8,25 Мгц |
| 150 пФ | 415 | 6,65 Мгц |
| 200 пФ | 420 | 5,6 Мгц |
| 250 пФ | 420 | 5,25 Мгц |
| 300 пФ | 415 | 4,78 Мгц |
| 350 пФ | 410 | 4,44 Мгц |
| 400 пФ | 400 | 4,16 Мгц |
| 450 пФ | 395 | 3,94 Мгц |
Как видим, изменение Qxx от изменения ёмкости переменника выглядит совершенно иначе, чем с простой соленоидной (в виде пружины) катушкой без сердечника. Сразу бросается в глаза то, что Qxx максимальна не при минимальной ёмкости, как у простой катушки. И также видно, что Qxx сохраняется высокой при максимальной ёмкости переменника.
Из вышесказанного можно сделать вывод 1, что если использовать маленький переменник с небольшой максимальной ёмкостью
(например, 10/50пФ, или 10/100пФ), то поддиапазоны можно переключать постоянными конденсаторами, не трогая катушки и запросто
перекрыть без потерь Qxx весь КВ-бенд, переключая эти конденсаторы.
Маленький переменник в пределах поддиапазонов обеспечит плавную и точную настройку.
Вывод 2 — можно не стремиться к маленьким ёмкостям контура, так как Qxx катушек на карбонильных кольцах максимальна не при малых контурных ёмкостях. Это значит, что при таких больших ёмкостях контура изменение ёмкости переходов транзистора (а также других паразитных ёмкостей) при изменении его режимов будет мало сказываться на стабильности частоты, так как ёмкость контура на 1-2 порядка больше, чем все указанные ёмкости».
Добротность катушки индуктивности — это… Что такое Добротность катушки индуктивности?
- Добротность катушки индуктивности
46. Добротность катушки индуктивности
Добротность катушки
Е. Quality factor of соil
F. Qualité de bobine
Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. academic.ru. 2015.
- Добротность варикапа
- Добротность конденсатора
Смотреть что такое «Добротность катушки индуктивности» в других словарях:
добротность катушки индуктивности — добротность катушки Отношение индуктивного сопротивления катушки индуктивности к ее активному сопротивлению. [ГОСТ 20718 75] добротность катушки индуктивности [Лугинский Я. Н. и др. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике. 2 е … Справочник технического переводчика
номинальная добротность катушки индуктивности — номинальная добротность Значение добротности при номинальном значении индуктивности, являющееся исходным для отсчета отклонений. [ГОСТ 20718 75] Тематики катушки индуктивности аппаратуры связи Синонимы номинальная добротность EN nominal value of… … Справочник технического переводчика
Номинальная добротность катушки индуктивности — 47. Номинальная добротность катушки индуктивности Номинальная добротность Е. Nominal value of Q factor of coil F. Qualité nominal de bobine Источник: ГОСТ 20718 75: Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
ГОСТ 20718-75: Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения — Терминология ГОСТ 20718 75: Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения оригинал документа: 71. Базовая конструкция катушки индуктивности Базовая конструкция Е. Unified construction of coil F. Construction normalisée de bobine… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Температурный коэффициент добротности катушки индуктивности — 4. Температурный коэффициент добротности катушки индуктивности где Q1 добротность катушки индуктивности при температуре Т1; Q2 добротность катушки индуктивности при температуре Т2; DT = T2 T1 Т1 и T2 температуры с учетом знака Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
температурный коэффициент добротности катушки индуктивности — ТКД Отношение относительного изменения добротности катушки индуктивности к интервалу температур, вызвавшему это изменение. [ГОСТ 20718 75] температурный коэффициент добротности катушки индуктивности гдеQ1 добротность катушки индуктивности при… … Справочник технического переводчика
Нестабильность добротности катушки индуктивности — 6. Нестабильность добротности катушки индуктивности где Q добротность до воздействия каких либо факторов; Q1 добротность после воздействия каких либо факторов Источник: ГОСТ 20718 75: Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определ … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
нестабильность добротности катушки индуктивности — нестабильность добротности Ндп. стабильность добротности Относительное изменение добротности под воздействием различных факторов. где Q добротность до воздействия каких либо факторов; Q1 добротность после воздействия каких либо факторов [ГОСТ… … Справочник технического переводчика
удельная добротность катушки — Отношение добротности катушки индуктивности на заданной частоте к объему ее конструкции. [ГОСТ 20718 75] Тематики катушки индуктивности аппаратуры связи … Справочник технического переводчика
оптимальная частота катушки индуктивности — оптимальная частота Частота, при которой добротность катушки имеет значение не менее 0,707 от максимальной добротности. [ГОСТ 20718 75] Тематики катушки индуктивности аппаратуры связи Синонимы оптимальная частота EN optimum working frequency of… … Справочник технического переводчика
Coil32 — Собственный резонанс однослойной катушки
На заре развития радиотехники было обнаружено, что катушка не идеальная индуктивность. На определенной частоте она входит в режим резонанса даже при отсутствии внешней емкости, а выше этой частоты импеданс катушки носит уже емкостный характер. Для объяснения этого явления предположили, что кроме индуктивности реальная катушка обладает еще собственной емкостью (предположительно между соседними витками) и реальную катушку стали представлять в виде модели из сосредоточенных RLC элементов, в которой L — индуктивность, C — собственная емкость, названная паразитной, а с помощью активного R учитываются различные потери в катушке. Такая модель катушки имеет одну резонансную частоту, которую назвали частотой собственного резонанса. Долгое время эта модель всех устраивала и стала классической моделью реальной катушки во всех учебниках.
Ведь катушки в подавляющем большинстве практических применений работают на частотах намного ниже частоты собственного резонанса и задачей конструктора является, по сути, обеспечение этого условия. При этом большинство инженеров с этой целью пытались уменьшить эту самую «межвитковую» паразитную емкость. В случае же, если катушка работает на частотах близких к собственному резонансу, как например в спиральных резонаторах или катушках Теслы, RLC-модель дает неверные результаты, но для таких случаев были разработаны альтернативные алгоритмы расчета и все остались довольны не особо задумываясь о причинах таких нестыковок. В нашу цифровую эпоху появились программы, которые дали возможность моделировать поведение любых высокочастотных устройств с высокой степени точности — так называемые электромагнитные симуляторы. Это мощные пакеты типа CST Studio, HFSS и многие другие. Давайте проведем исследование однослойной спиральной катушки в программе HFSS. В первой модели мы поместим катушку над идеальной проводящей поверхностью и запитаем от точечного источника с внутренним сопротивлением 50 МОм. Второй конец катушки заземлен. Расчет будем вести в режиме HFSS Design, использующий метод конечных элементов.
Вторую катушку рассчитаем методом HFSS Design-IE, использующий метод моментов. В отличии от популярных у радиолюбителей симуляторов на основе ядра NEC, например MMANA, здесь сегментация идет не на отрезки провода, а по его поверхности на элементарные треугольные площадки. При такой сегментации для успешного расчета требуется не менее 8-16 Гб оперативной памяти компьютера. Запитаем катушку через короткие выводы от такого же источника. Поскольку катушка не заземлена, в этой модели первый резонанс — полуволновой.
В результате исследования мы получили графики импеданса на зажимах источника относительно частоты. Из графиков видно, что у катушки не один, а множество резонансов. Из этого следует вывод, что наша катушка — это совсем не одиночный LC-контур с собственной индуктивностью и паразитной емкостью в виде сосредоточенных элементов, как принято считать, а длинная линия с распределенными параметрами. Такая линия состоит из одного провода, но это не должно никого смущать. То, что в даже одиночном проводе наблюдаются волновые резонансные явления, хорошо иллюстрирует пример полуволнового вибратора Герца. Ведь волновые явления как в длинных линиях, так и в вибраторе отображают тот факт, что электромагнитное взаимодействие распространяется с конечной скоростью. На то чтобы электромагнитное взаимодействие «добралось» от одного конца провода до другого затрачивается определенное время, и когда это время сравнимо с периодом колебаний рабочей частоты возникают явления резонанса. И катушка в этом плане недалеко ушла от вибратора, поскольку несмотря на малые ее габариты, длина провода, которым она намотана, может иметь величину сравнимую с длиной волны. Частоту собственного резонанса вибратора мы можем довольно легко определить зная его длину, учтя коэффициент укорочения. В катушке, кроме того, необходимо учесть связь между витками.
В учебниках по электродинамике [1] можно найти описание работы спиральных волноводов с поверхностными электромагнитными (ЭМ) волнами, распространяющимися вдоль провода спирали. Такие волноводы применяются как замедляющие структуры в спиральных антеннах и лампах бегущей волны. Длина одного витка и шаг намотки у них сравним с длиной волны. В частности, у спиральной антенны длина витка L равна длине волны, а шаг намотки p равен четверти длины волны.
Фазовая скорость волны вдоль оси спирального волновода значительно ниже скорости света, на чем и основано его применение как замедляющей структуры.
 |
[1] |
где:
- vax — скорость волны вдоль оси спирали
- с — скорость света
Относительная фазовая скорость волны вдоль оси такого волновода зависит только от геометрии спирали и не зависит от частоты, поскольку влияние витков друг на друга минимально и ЭМ-волна распространяется вдоль провода такой спирали, так же как и у вибратора. Отметим, что фазовая скорость ЭМ волны относительно провода спирали в таком волноводе близка к скорости света.
В нашей же катушке, и длина отдельного витка, и даже длина всей намотки, и тем более шаг намотки намного меньше длины волны. В этом случае, кроме основной моды в таком спиральном волноводе существуют высшие моды колебаний, распространяющиеся непосредственно вдоль ее оси. Другими словами, ЭМ волна распространяется не только вдоль длины провода, но часть ее «перепрыгивает от витка к витку». Относительная фазовая скорость вдоль оси катушки определяется следующим приближенным выражением:
 |
[2] |
где:
- λ0 — длина волны рабочей частоты в свободном пространстве
Как видно из формулы, скорость зависит от диаметра катушки, шага намотки и длины волны. По сути, катушка — тот же спиральный волновод с медленными волнами, но работающий в другом режиме колебаний. Во избежании различных спекуляций отметим то обстоятельство, что благодаря наличию высших мод, волна «добирается» до другого конца катушки быстрее чем непосредственно вдоль провода. Поэтому фазовая скорость волны относительно провода выше скорости света, причем в разы. Это не противоречит теории относительности. Достаточно упомянуть, что в полых волноводах фазовая скорость волны тоже выше скорости света. Для понимания этого кажущегося парадокса следует различать фазовую и групповую скорости электромагнитной волны. Для чего отсылаю к учебникам…
Катушка с одним заземленным концом резонирует на частотах nλ0/4, где n – целое число, λ0 — длина волны рабочей частоты и fsrf = vax/λ0. Поэтому увеличение частоты собственного резонанса сводится к увеличению значения vax. Из-за наличия высших мод ЭМ-волны, частота первого резонанса катушки всегда выше частоты, рассчитанной исходя из длины провода. По этой же причине высшие по частоте резонансы не кратны первому и друг другу. При изменении шага намотки vax имеет максимум при шаге спирали примерно равном радиусу намотки (радиус a = D / 2). Однако катушки с большим шагом намотки (p ≈ a) не представляют практического интереса, поскольку имеют малую индуктивность. При увеличении шага намотки частота собственного резонанса катушки растет (при p < a), но рост этот идет за счет снижения величины индуктивности. При фиксированной индуктивности, если увеличивать шаг намотки, нам приходится добавлять витки и выигрыша мы практически не получаем.
У коротких катушек на каркасах большого диаметра последующие резонансы отстоят от первого далеко выше по частоте, что можно видеть по результатам HFSS моделирования:
На частотах много ниже частоты первого резонанса пространственные задержки намного меньше периода колебаний, ЭМ-поле вокруг катушки представляет собой поле соленоида и скорость распространения волны вдоль ее оси можно не учитывать. В таком случае RLC-модель из сосредоточенных элементов будет вполне рабочей и достаточно точно отображает поведение катушки. Стоит только помнить, что паразитная собственная емкость — это вовсе не статическая емкость между витками. В таком режиме работают катушки из всех наших трех моделей в КВ диапазоне и ниже. Однако уже на частоте первого резонанса начинают проявляться волновые эффекты, связанные с ограниченной скоростью передачи электромагнитных взаимодействий и катушку следует рассматривать только как спиральный волновод. В этом случае RLC модель не только не годится для расчетов, но и приводит к неверному пониманию самого механизма возникновения резонансных явлений в катушке. В этой связи хочется отметить наличие в Сети ложной идеи о том, что в катушке одновременно происходят как волновой резонанс, так и LC-резонанс на сосредоточенных индуктивности и пресловутой «межвитковой емкости». Такое утверждение равносильно тому, что в катушке имеются два механизма распространения электромагнитных взаимодействий. Один происходит, как обычно, со скоростью света и определяет волновой резонанс. Второй осуществляется мгновенно с бесконечной скоростью в виртуальных сосредоточенных элементах катушки. Ведь фазовый сдвиг между током и напряжением в реактивных элементах — это совсем не то пространственное запаздывание, о котором идет речь. На самом деле катушка, как набор сосредоточенных RLC элементов, и катушка, как цепь с распределенными параметрами — это две разные математические модели одной и той же реальной катушки. Первая модель не учитывает ограниченную скорость передачи взаимодействий, основана на предположении, что плотность тока во всех витках всегда одинакова, что не имеет место при собственном резонансе спирали. Поэтому эта модель ограничена и применима только на низких частотах. Вторая модель — более полная, учитывает то, что не учла первая и применима на любой частоте. В этом нет ничего необычного. Любая цепь, физические размеры которой сравнимы с длиной волны, не может рассматриваться как цепь из сосредоточенных элементов, в которой не учитывается ограниченная скорость передачи электромагнитных взаимодействий. Именно по этой причине О.Хевисайд и предложил в 1885 г. свою теорию длинных линий, а заодно кстати и само абстрактное математическое понятие «индуктивность». Как положительную реактивность.
Особо хотелось бы отметить следующий момент. На низких частотах, где, как мы выяснили, RLC модель справедлива, можно считать, что как индуктивность так и собственная емкость катушки не зависят от частоты, а определяются только геометрией намотки. Это общеизвестный факт, который зафиксирован например в формуле Нагаока. Однако реально параметры спиральной длинной линии зависят от частоты. Не только vax, но и погонная емкость и погонная индуктивность и, как следствие — величины собственной индуктивности и собственной емкости катушки в целом. Только на низких частотах эта зависимость пренебрежимо мала, а вот уже на частотах близких к первому резонансу значения индуктивности и собственной емкости катушки начинают заметно «плыть» по частоте. В итоге, мы сталкиваемся с ситуацией, что эти значения, измеренные или рассчитанные на низкой частоте, не пригодны для расчета частоты собственного резонанса катушки как LC резонанса по формуле Томсона. Расчет даст неверный результат! Неверный, Карл! Таким образом, мы приходим к выводу, что расчеты, основанные на понятии о LC-резонансе в катушке, полностью теряют смысл, что еще раз доказывает несостоятельность RLC-модели катушки не только для объяснения физических явлений при собственном резонансе, но и для расчетов в этой частотной области. Поэтому приходится прибегать к более сложному численному методу из работы [5], включающему в себя функции Бесселя и прочий суровый матан, что и делает Coil32.
Как видно из HFSS-моделей, у катушки как первый резонанс так и все последующие связаны исключительно с волновыми явлениями в катушке. Возможны практические случаи, когда катушка работает в диапазоне частот, в который попадает не только ее первый резонанс, но и более высокие. Очень хорошо такой случай описан в статье И.Гончаренко об анодном дросселе коротковолнового передатчика [2]. На этом примере хорошо видно, что для правильного понимания механизма резонансных явлений в катушке необходимо пользоваться теорией длинных линий.
Кроме фазовой скорости волны в катушке на частоту собственного резонанса оказывает влияние так называемый торцевой эффект, подобный хорошо известному аналогичному понятию из теории антенн, от которого зависит коэффициент укорочения вибратора. Этот эффект проявляется от того, что ЭМ-поле вокруг катушки занимает пространство большее, чем сама катушка. Наличие торцевого эффекта понижает резонансную частоту и этот эффект более выражен у коротких катушек с большим диаметром, что еще раз подтверждает родственную связь резонансных явлений в катушке и в вибраторе. Учитывая фазовую скорость вдоль оси катушки и явление торцевого эффекта мы можем рассчитать частоту собственного резонанса катушки по следующей весьма приближенной формуле от G3RBJ:
 |
[3] |
где:
- fsrf — частота собственного резонанса [МГц]
- ĺw — длина провода катушки с учетом торцевого эффекта [м]
- lw — реальная длина провода катушки [м]
- D, p, l — диаметр, шаг и длина намотки, соответственно [м]
- 0,25 — коэффициент, определяющий четвертьволновый резонанс (для полуволнового — 0,5)
Если конструктору необходимо создать катушку, имеющую минимальные габариты и максимальную частоту собственного резонанса при заданной индуктивности, то наиболее оптимальна будет намотка с расстоянием между витками, равном диаметру провода, при отношении l/D ≈ 1..1,5. Хотелось бы обратить внимание конструкторов, что здесь идет речь о вычислении собственной резонансной частоты «голой катушки в вакууме», т.е. одной проволочной спирали без учета влияния каркаса, сердечника, экрана, изоляции провода и т.п. Все эти, трудно поддаваемые учету факторы, приводят к уменьшению этой частоты. Причем влияние оказывает все — любой проводник, печатная плата, корпус конструкции. В наших HFSS-моделях влияющие факторы — это выводы спирали и, особенно, сплошная земля в 1-ой и 3-ей моделях. Даже если вы соберетесь измерить частоту собственного резонанса экспериментально, это будет непростой задачей, так как щупы измерительного оборудования также оказывают влияние, даже если катушка где то висит в воздухе!
Необходимо отметить, что строгого аналитического решения уравнений Максвелла для цилиндрической проволочной спирали не существует, поэтому в теории спиральный волновод представляют в виде эквивалентной модели из тонкостенного сплошного цилиндра с анизотропной проводимостью. Однако численные методы решения уравнений Максвелла (чем в принципе и занимается HFSS) приводят нас к вполне однозначным результатам. В итоге, следует иметь ввиду, что вышеприведенная простая аналитическая формула [3] является весьма приблизительной и не может быть применима к любой катушке с произвольной геометрией намотки. Поэтому в Coil32 расчет частоты собственного резонанса основан не на аналитическом, а на численном методе из работы [5], который проверен практическими измерениями. При этом не учитывается влияние экрана, каркаса и других факторов. Расчет имеет точность около 10% при 0,04 < l/D < 40. Для некоторых катушек, например для очень длинных соленоидов с большим числом витков, этот метод может давать неверный результат. На практике же следует придерживаться следующего простого условия: если длина провода, которым намотана катушка, меньше четверти длины волны на наивысшей рабочей частоте, то катушка будет работать ниже своего первого резонанса.
P.S: В заключении хотелось бы добавить несколько слов о концепции «Двух независимых резонансов в катушке — волновом и LC-резонансе». Эта концепция зиждется на трех ложных в своей основе предпосылках и поэтому в корне неверна:
- Любую линейную замкнутую электрическую цепь можно представить как набор из сосредоточенных RLC-элементов. Основными законами этой цепи являются законы Ома и Кирхгофа. Любое изменение топологии цепи или добавление элементов в нее полностью меняет распределение токов и напряжений во всей цепи. Однако в концепции «двойного резонанса» длинная линия считается этаким себе «черным ящиком», равноценным какому-то особому четвертому сосредоточенному элементу, волновые процессы внутри которого существуют сами по себе. Но не стоит забывать, что другое название длинной линии — линия с распределенными параметрами, когда она представляется как цепь из бесконечного числа RLC-элементов. В ней также справедливы те же самые законы Ома и Кирхгофа, только представленные уже в дифференциальной форме. Мы просто перешли на более высокий уровень математической абстракции, при котором учитываются пространственно-временные задержки сигнала, но сути дела это не меняет. Поэтому, если мы подключим параллельно такой линии сосредоточенную емкость и будем считать, что характер распределения токов и напряжений внутри самой линии не изменится, мы просто отрицаем сами законы Ома и Кирхгофа. При этом не надо забывать, что характер распространения ЭМ-волны в линии и характер распределения токов и напряжений в ней — вещи жестко взаимосвязанные. Вывод — волновые процессы в линии не являются каким то особым ее свойством, которое существует само по себе, независимо от общих законов электрических цепей. Эти законы настолько фундаментальны, что в определенной мере отображены на еще более высоком уровне математической абстракции в уравнениях Максвелла, которые описывают свойства самой электромагнитной волны.
- «При сворачивании линии в спираль мало что меняется». Это утверждение неверно. По крайней мере индуктивность значительно увеличивается, иначе зачем сворачивать? Кроме того, погонная емкость и погонная индуктивность такой линии уже становятся зависимыми от частоты. В результате, как отмечалось выше, формула Томсона для расчета частоты собственного резонанса в спиральной линии перестает работать.
- В итоге, на основе этих неверных предпосылок, утверждается наличие двух независимых резонансов и нам выкатывают две формулы. Формулу Томсона, которая на самом деле в этом случае не работает, и формулу от Alane Payne (G3RBJ), которая, как мы отметили выше, является сильно приближенной. И по этим двум формулам уже идет развитие «теории двух независимых резонансов», которых в реальности не существует, что подтверждают и расчеты в HFSS и точные измерения. Повторюсь еще раз — все дело в разных математических моделях одной реальной катушки и разных уровнях математических абстракций в зависимости от конкретных условий расчета. Смешивать все это в одну кучу и подгонять под выдуманную теорию нельзя.
Ссылки по теме:
- Техническая электродинамика, Семенов Н.А., Изд. «Связь» Москва, 1973, стр.318-323.
- Моделирование анодного дросселя как распределенной структуры — И.Гончаренко 2007-2012
- Паразитные резонансы в катушке П-контура — И.Гончаренко
- Высокочастотные катушки, спиральные резонаторы и увеличение напряжения из-за когерентных пространственных мод 2001г. (Оригинал статьи здесь)
- THE SELF-RESONANCE AND SELF-CAPACITANCE OF SOLENOID COILS — applicable theory, models and calculation methods. By David W Knight (G3YNH)
- The self-resonance and self-capacitance of solenoid coils by David W Knight — основная статья с массой полезных ссылок по теме, в том числе на экспериментальные исследования с наглядными фото (G3YNH)
- SELF-RESONANCE IN COILS and the self-capacitance myth. By Alane Payne (G3RBJ)
- О собственной емкости катушки.
Катушка индуктивности — это… Что такое Катушка индуктивности?
Обозначение на электрических принципиальных схемахКатушка индуктивности (жарг. индуктивность) — пассивный двухполюсный компонент электрических и электронных устройств и систем. Основной параметр катушки индуктивности — величина её индуктивности, зависящая только от геометрических размеров и материалов и не зависящая от режима работы (тока и напряжения).
Применяются для подавления помех, сглаживания пульсаций, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных (колебательный контур) и частотноизбирательных цепях, в качестве элементов индуктивности искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков перемещений и так далее.
Терминология
При использовании для подавления помех, сглаживания пульсаций электрического тока, изоляции (развязки) по высокой частоте разных частей схемы и накопления энергии в магнитном поле сердечника часто называют дросселем.
В силовой электротехнике (для ограничения тока при, например, коротком замыкании ЛЭП) называют реактором.
Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой на много превышает диаметр, называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно. Кроме того, зачастую соленоидом называют устройство, выполняющую механическую работу за счёт магнитного поля при втягивании ферромагнитного сердечника, или электромагнитом. В электромагнитных реле называют обмоткой реле, реже — электромагнитом.
Нагревательный индуктор — специальная катушка индуктивности, рабочий орган установок индукционного нагрева.
При использовании для накопления энергии называют индукционным накопителем.
Конструкция
Конструктивно выполняется в виде винтовых, или винтоспиральных (диаметр намотки изменяется по длине катушки) катушек однослойных или многослойных намоток изолированного одножильного или многожильного (литцендрат) проводника на диэлектрическом каркасе круглого, прямоугольного или квадратного сечения, часто на тороидальном каркасе или, при использовании толстого провода и малом числе витков — без каркаса. Иногда, для снижения распределённой паразитной ёмкости при использовании в качестве высокочастотного дросселя, однослойные катушки индуктивности наматываются с «прогрессивным» шагом, — шаг намотки плавно изменяется по длине катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, типа «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость. Часто, опять же, для снижения паразитной ёмкости, намотку выполняют секционированной, группы витков отделяются пространственно (обычно по длине) друг от друга.
Для увеличения индуктивности часто имеют замкнутый или разомкнутый ферромагнитный сердечник, помехоподавляющие дроссели высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа. Дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций промышленной и звуковой частот имеют сердечники из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев). Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах изменением положения сердечника относительно обмотки, как правило, ферромагнитного сердечника. На СВЧ, когда ферродиэлектрики теряют высокую магнитную проницаемость и резко увеличиваются потери, для этой цели применяются металлические (латунные) сердечники.
На печатных платах электронных устройств применяют плоские «катушки» индуктивности — геометрия печатного проводника выполнена в виде круглой или прямоугольной спирали, волнистой, или в виде меандра, линии. Такие «катушки индуктивности» часто используются в сверхбыстродействующих цифровых устройствах для выравнивания времени распространения группы сигналов по разным печатным проводникам от источника до приемника, например, в шинах данных и адреса[1].
Свойства катушки индуктивности
Свойства катушки индуктивности:
- Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки.
- Сопротивление (модуль импеданса) катушки растет с увеличением частоты текущего через неё тока.
- Катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своем магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.
Катушка индуктивности в электрической цепи для постоянного тока имеет только собственное омическое сопротивление, но имеет реактивное сопротивление переменному току, нарастающее при увеличении частоты, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.
Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением модуль которого: , где — индуктивность катушки, — циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.
Катушка с током запасает энергию в магнитном поле, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока . Величина этой энергии равна:
Катушка индуктивности в переменном напряжении — аналог тела с массой, подверженному механическим колебаниям.При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой:
Для идеальной катушки индуктивности (не имеющей паразитных параметров) ЭДС самоиндукции равна по модулю и противоположна по знаку напряжению на концах катушки:
При замыкании катушки с током на резистор ток в цепи экспоненциально уменьшается в соответствие с формулой:
- ,
где : — ток в катушке,
- — начальный ток катушки,
- — текущее время,
- — постоянная времени.
Постоянная времени выражается формулой:
- ,
где : — сопротивление резистора,
- — омическое сопротивление катушки.
При закорачивании катушки с током процесс характеризуется собственной постоянной времени : катушки:
- .
При стремлении к нулю, постоянная времени стремится к бесконечности, именно поэтому в сверхпроводящих контурах ток течёт «вечно».
Явление самоиндукции аналогично проявлению инертности тел в механике, если аналогом индуктивности принять массу, тока — скорость, напряжения — силу, то многие формулы механики и поведения индуктивности в цепи принимают похожий вид:
- ↔ , где
- ↔ ↔ ; ↔ ; ↔
- ↔
Характеристики катушки индуктивности
Индуктивность
Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, численно равная отношению создаваемого током потока магнитного поля, пронизывающего катушку к величине протекающего тока. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.
Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки, намотанной на тороидальном сердечнике:
- где — магнитная постоянная
- — относительная магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты)
- — площадь сечения сердечника
- — длина средней линии сердечника
- — 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 импеданс 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:
- Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.
- Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие, уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.
- В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.
Потери в диэлектрике
Потери в диэлектрике (изоляции проводов и каркасе катушки) можно отнести к двум категориям:
- Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери характерные для диэлектриков конденсаторов).
- Потери обусловленные магнитными свойствами диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).
В общем случае можно заметить, что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.
Потери в сердечнике
Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на перемагничивание ферромагнетика гистерезис.
Потери на вихревые токи
Переменное магнитное поле индуцирует вихревые ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи (токи Фуко) становятся источником потерь из-за омического сопротивления проводников.
Добротность
С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика — добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна
Иногда потери в катушке характеризуют тангенсом угла потерь (величина, обратная добротности) — сдвигом фаз тока и напряжения катушки в цепи синусоидального сигнала относительно π/2 — для идеальной катушки.
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» для снижения потерь, вызванных скин-эффектом.
Паразитная емкость и собственный резонанс
Межвитковая паразитная емкость проводника в составе катушки индуктивности превращает катушку в сложную распределенную цепь. В первом приближении можно принять, что реальная катушка представляет эквивалентно собой идеальную индуктивность с параллельно присоединенным ей конденсатором паразитной емкости. В результате этого катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. Эта резонансная частота легко может быть измерена и называется собственной частотой резонанса катушки индуктивности. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный, при частотах вблизи резонанса в основном активный (на частоте резонанса чисто активный) и большой по модулю, на частотах много выше частоты собственного резонанса — ёмкостной. Обычно собственная частота указывается изготовителем в технических данных промышленных катушек индуктивности, либо в явном виде, либо косвенно — в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.
На частотах ниже собственного резонанса этот эффект проявляется в падении добротности с ростом частоты.
Для увеличения частоты собственного резонанса используют сложные схемы намотки катушек, разбиение одной обмотки на разнесённые секции.
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. Очень существенно влияние температуры на магнитную проницаемость ферромагнетика сердечника.
Разновидности катушек индуктивности
- Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике
- Эти катушки используются совместно с конденсаторами для организации резонансных контуров. Они должны иметь высокую термо- и долговременную стабильность, и добротность, требования к паразитной ёмкости обычно несущественны.
- Катушки связи, или трансформаторы связи
- Взаимодействующие магнитными полями пара и более катушек, обычно включаются параллельно конденсаторам для организации колебательных контуров: Такие катушки применяются для обеспечения трансформаторной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току, например, цепи базы последующего усилительного каскада от коллектора предыдущего каскада и т. д. К нерезонансным разделительным трансформаторам 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 (коэффициент взаимоиндукции).
- Вариометры
- Это катушки, индуктивностью которых можно управлять (например, для перестройки частоты резонанса колебательных контуров) изменением взаимного расположения двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая обычно располагается внутри первой и вращается (ротор). Существуют и другие конструкции вариометров. 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 относительно обмотки, либо изменением длины воздушного зазора замкнутого магнитопровода.
- Дроссели
- Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины или кольца) нанизанные на отдельные провода или группы проводов (кабели) для подавления синфазных высокочастотных помех.
Сдвоенный дроссель- Сдвоенные дроссели
- Это две намотанных встречно или согласованно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. При согласной намотке эффективны для подавления дифференциальных помех. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.[2][3] Предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов, из питающей сети, так и во избежание проникновения в питающую сеть электромагнитных помех, генерируемых устройством. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный (из трансформаторной стали). Для фильтрации высокочастотных помех — ферритовый сердечник.
Применение катушек индуктивности
Балластный дроссель. Ранее применявшаяся в качестве реактивного сопротивления для люминесцентных ламп катушка 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 — исполнительных механизмов.
- Катушки применяются в качестве источника энергии для нагрева индуктивно-связанной плазмы, а также её диагностики.
- Для радиосвязи — приёма электромагнитных волн, редко — для излучения:
- Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
- Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах при перемещении ферромагнитного сердечника относительно обмотки.
- Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля в индукционных магнитометрах[4]
- Для создания магнитных полей в ускорителях элементарных частиц, магнитного удержания плазмы, в научных экспериментах, в ядерно-магнитной томографии. Мощные стационарные магнитные поля, как правило, создаются сверхпроводящими катушками.
- Для накопления энергии.
См. также
Примечания
Ссылки
 | В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 13 мая 2011. |
Катушка индуктивности — это… Что такое Катушка индуктивности?
Обозначение на электрических принципиальных схемахКатушка индуктивности (жарг. индуктивность) — пассивный двухполюсный компонент электрических и электронных устройств и систем. Основной параметр катушки индуктивности — величина её индуктивности, зависящая только от геометрических размеров и материалов и не зависящая от режима работы (тока и напряжения).
Применяются для подавления помех, сглаживания пульсаций, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных (колебательный контур) и частотноизбирательных цепях, в качестве элементов индуктивности искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков перемещений и так далее.
Терминология
При использовании для подавления помех, сглаживания пульсаций электрического тока, изоляции (развязки) по высокой частоте разных частей схемы и накопления энергии в магнитном поле сердечника часто называют дросселем.
В силовой электротехнике (для ограничения тока при, например, коротком замыкании ЛЭП) называют реактором.
Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой на много превышает диаметр, называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно. Кроме того, зачастую соленоидом называют устройство, выполняющую механическую работу за счёт магнитного поля при втягивании ферромагнитного сердечника, или электромагнитом. В электромагнитных реле называют обмоткой реле, реже — электромагнитом.
Нагревательный индуктор — специальная катушка индуктивности, рабочий орган установок индукционного нагрева.
При использовании для накопления энергии называют индукционным накопителем.
Конструкция
Конструктивно выполняется в виде винтовых, или винтоспиральных (диаметр намотки изменяется по длине катушки) катушек однослойных или многослойных намоток изолированного одножильного или многожильного (литцендрат) проводника на диэлектрическом каркасе круглого, прямоугольного или квадратного сечения, часто на тороидальном каркасе или, при использовании толстого провода и малом числе витков — без каркаса. Иногда, для снижения распределённой паразитной ёмкости при использовании в качестве высокочастотного дросселя, однослойные катушки индуктивности наматываются с «прогрессивным» шагом, — шаг намотки плавно изменяется по длине катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, типа «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость. Часто, опять же, для снижения паразитной ёмкости, намотку выполняют секционированной, группы витков отделяются пространственно (обычно по длине) друг от друга.
Для увеличения индуктивности часто имеют замкнутый или разомкнутый ферромагнитный сердечник, помехоподавляющие дроссели высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа. Дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций промышленной и звуковой частот имеют сердечники из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев). Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах изменением положения сердечника относительно обмотки, как правило, ферромагнитного сердечника. На СВЧ, когда ферродиэлектрики теряют высокую магнитную проницаемость и резко увеличиваются потери, для этой цели применяются металлические (латунные) сердечники.
На печатных платах электронных устройств применяют плоские «катушки» индуктивности — геометрия печатного проводника выполнена в виде круглой или прямоугольной спирали, волнистой, или в виде меандра, линии. Такие «катушки индуктивности» часто используются в сверхбыстродействующих цифровых устройствах для выравнивания времени распространения группы сигналов по разным печатным проводникам от источника до приемника, например, в шинах данных и адреса[1].
Свойства катушки индуктивности
Свойства катушки индуктивности:
- Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки.
- Сопротивление (модуль импеданса) катушки растет с увеличением частоты текущего через неё тока.
- Катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своем магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.
Катушка индуктивности в электрической цепи для постоянного тока имеет только собственное омическое сопротивление, но имеет реактивное сопротивление переменному току, нарастающее при увеличении частоты, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.
Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением модуль которого: , где — индуктивность катушки, — циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.
Катушка с током запасает энергию в магнитном поле, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока . Величина этой энергии равна:
Катушка индуктивности в переменном напряжении — аналог тела с массой, подверженному механическим колебаниям.При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой:
Для идеальной катушки индуктивности (не имеющей паразитных параметров) ЭДС самоиндукции равна по модулю и противоположна по знаку напряжению на концах катушки:
При замыкании катушки с током на резистор ток в цепи экспоненциально уменьшается в соответствие с формулой:
- ,
где : — ток в катушке,
- — начальный ток катушки,
- — текущее время,
- — постоянная времени.
Постоянная времени выражается формулой:
- ,
где : — сопротивление резистора,
- — омическое сопротивление катушки.
При закорачивании катушки с током процесс характеризуется собственной постоянной времени : катушки:
- .
При стремлении к нулю, постоянная времени стремится к бесконечности, именно поэтому в сверхпроводящих контурах ток течёт «вечно».
Явление самоиндукции аналогично проявлению инертности тел в механике, если аналогом индуктивности принять массу, тока — скорость, напряжения — силу, то многие формулы механики и поведения индуктивности в цепи принимают похожий вид:
- ↔ , где
- ↔ ↔ ; ↔ ; ↔
- ↔
Характеристики катушки индуктивности
Индуктивность
Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, численно равная отношению создаваемого током потока магнитного поля, пронизывающего катушку к величине протекающего тока. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.
Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки, намотанной на тороидальном сердечнике:
- где — магнитная постоянная
- — относительная магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты)
- — площадь сечения сердечника
- — длина средней линии сердечника
- — 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 импеданс 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:
- Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.
- Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие, уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.
- В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.
Потери в диэлектрике
Потери в диэлектрике (изоляции проводов и каркасе катушки) можно отнести к двум категориям:
- Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери характерные для диэлектриков конденсаторов).
- Потери обусловленные магнитными свойствами диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).
В общем случае можно заметить, что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.
Потери в сердечнике
Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на перемагничивание ферромагнетика гистерезис.
Потери на вихревые токи
Переменное магнитное поле индуцирует вихревые ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи (токи Фуко) становятся источником потерь из-за омического сопротивления проводников.
Добротность
С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика — добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна
Иногда потери в катушке характеризуют тангенсом угла потерь (величина, обратная добротности) — сдвигом фаз тока и напряжения катушки в цепи синусоидального сигнала относительно π/2 — для идеальной катушки.
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» для снижения потерь, вызванных скин-эффектом.
Паразитная емкость и собственный резонанс
Межвитковая паразитная емкость проводника в составе катушки индуктивности превращает катушку в сложную распределенную цепь. В первом приближении можно принять, что реальная катушка представляет эквивалентно собой идеальную индуктивность с параллельно присоединенным ей конденсатором паразитной емкости. В результате этого катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. Эта резонансная частота легко может быть измерена и называется собственной частотой резонанса катушки индуктивности. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный, при частотах вблизи резонанса в основном активный (на частоте резонанса чисто активный) и большой по модулю, на частотах много выше частоты собственного резонанса — ёмкостной. Обычно собственная частота указывается изготовителем в технических данных промышленных катушек индуктивности, либо в явном виде, либо косвенно — в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.
На частотах ниже собственного резонанса этот эффект проявляется в падении добротности с ростом частоты.
Для увеличения частоты собственного резонанса используют сложные схемы намотки катушек, разбиение одной обмотки на разнесённые секции.
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. Очень существенно влияние температуры на магнитную проницаемость ферромагнетика сердечника.
Разновидности катушек индуктивности
- Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике
- Эти катушки используются совместно с конденсаторами для организации резонансных контуров. Они должны иметь высокую термо- и долговременную стабильность, и добротность, требования к паразитной ёмкости обычно несущественны.
- Катушки связи, или трансформаторы связи
- Взаимодействующие магнитными полями пара и более катушек, обычно включаются параллельно конденсаторам для организации колебательных контуров: Такие катушки применяются для обеспечения трансформаторной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току, например, цепи базы последующего усилительного каскада от коллектора предыдущего каскада и т. д. К нерезонансным разделительным трансформаторам 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 (коэффициент взаимоиндукции).
- Вариометры
- Это катушки, индуктивностью которых можно управлять (например, для перестройки частоты резонанса колебательных контуров) изменением взаимного расположения двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая обычно располагается внутри первой и вращается (ротор). Существуют и другие конструкции вариометров. 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 относительно обмотки, либо изменением длины воздушного зазора замкнутого магнитопровода.
- Дроссели
- Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины или кольца) нанизанные на отдельные провода или группы проводов (кабели) для подавления синфазных высокочастотных помех.
- Сдвоенные дроссели
- Это две намотанных встречно или согласованно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. При согласной намотке эффективны для подавления дифференциальных помех. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.[2][3] Предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов, из питающей сети, так и во избежание проникновения в питающую сеть электромагнитных помех, генерируемых устройством. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный (из трансформаторной стали). Для фильтрации высокочастотных помех — ферритовый сердечник.
Применение катушек индуктивности
Балластный дроссель. Ранее применявшаяся в качестве реактивного сопротивления для люминесцентных ламп катушка 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 — исполнительных механизмов.
- Катушки применяются в качестве источника энергии для нагрева индуктивно-связанной плазмы, а также её диагностики.
- Для радиосвязи — приёма электромагнитных волн, редко — для излучения:
- Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
- Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах при перемещении ферромагнитного сердечника относительно обмотки.
- Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля в индукционных магнитометрах[4]
- Для создания магнитных полей в ускорителях элементарных частиц, магнитного удержания плазмы, в научных экспериментах, в ядерно-магнитной томографии. Мощные стационарные магнитные поля, как правило, создаются сверхпроводящими катушками.
- Для накопления энергии.
См. также
Примечания
Ссылки
| В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 13 мая 2011. |
добротность катушки индуктивности — это… Что такое добротность катушки индуктивности?
- добротность катушки индуктивности
inductor Q
Большой англо-русский и русско-английский словарь. 2001.
- добротность катушки
- добротность конденсатора
Смотреть что такое «добротность катушки индуктивности» в других словарях:
добротность катушки индуктивности — добротность катушки Отношение индуктивного сопротивления катушки индуктивности к ее активному сопротивлению. [ГОСТ 20718 75] добротность катушки индуктивности [Лугинский Я. Н. и др. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике. 2 е … Справочник технического переводчика
Добротность катушки индуктивности — 46. Добротность катушки индуктивности Добротность катушки Е. Quality factor of соil F. Qualité de bobine Источник: ГОСТ 20718 75: Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
номинальная добротность катушки индуктивности — номинальная добротность Значение добротности при номинальном значении индуктивности, являющееся исходным для отсчета отклонений. [ГОСТ 20718 75] Тематики катушки индуктивности аппаратуры связи Синонимы номинальная добротность EN nominal value of… … Справочник технического переводчика
Номинальная добротность катушки индуктивности — 47. Номинальная добротность катушки индуктивности Номинальная добротность Е. Nominal value of Q factor of coil F. Qualité nominal de bobine Источник: ГОСТ 20718 75: Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
ГОСТ 20718-75: Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения — Терминология ГОСТ 20718 75: Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения оригинал документа: 71. Базовая конструкция катушки индуктивности Базовая конструкция Е. Unified construction of coil F. Construction normalisée de bobine… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Температурный коэффициент добротности катушки индуктивности — 4. Температурный коэффициент добротности катушки индуктивности где Q1 добротность катушки индуктивности при температуре Т1; Q2 добротность катушки индуктивности при температуре Т2; DT = T2 T1 Т1 и T2 температуры с учетом знака Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
температурный коэффициент добротности катушки индуктивности — ТКД Отношение относительного изменения добротности катушки индуктивности к интервалу температур, вызвавшему это изменение. [ГОСТ 20718 75] температурный коэффициент добротности катушки индуктивности гдеQ1 добротность катушки индуктивности при… … Справочник технического переводчика
Нестабильность добротности катушки индуктивности — 6. Нестабильность добротности катушки индуктивности где Q добротность до воздействия каких либо факторов; Q1 добротность после воздействия каких либо факторов Источник: ГОСТ 20718 75: Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определ … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
нестабильность добротности катушки индуктивности — нестабильность добротности Ндп. стабильность добротности Относительное изменение добротности под воздействием различных факторов. где Q добротность до воздействия каких либо факторов; Q1 добротность после воздействия каких либо факторов [ГОСТ… … Справочник технического переводчика
удельная добротность катушки — Отношение добротности катушки индуктивности на заданной частоте к объему ее конструкции. [ГОСТ 20718 75] Тематики катушки индуктивности аппаратуры связи … Справочник технического переводчика
оптимальная частота катушки индуктивности — оптимальная частота Частота, при которой добротность катушки имеет значение не менее 0,707 от максимальной добротности. [ГОСТ 20718 75] Тематики катушки индуктивности аппаратуры связи Синонимы оптимальная частота EN optimum working frequency of… … Справочник технического переводчика
