Добротность катушки индуктивности, как изготовить высокодобротную катушку, выбор каркаса и диаметра провода

Это нужно знать Весь перечень знаний находится на этой странице

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

Катушки индуктивности | Основы электроакустики

Главная » Элементы усилителей

Катушки индуктивности

 

Катушки индуктивности применяют в качестве элементов коле­бательных контуров, дросселей и для связи одних цепей с другими.

 

Катушка индуктивности, которая служит для разделения посто­янного и переменного токов или токов разных частот, называется дросселем. Индуктивное сопротивление (Ом) катушки зависит от частоты и определяется по формуле Xi. — 2nfLt  где f — частота, Гц; L — индуктивность, Гн. Одна и та же катушка представляет собой разное сопротивление для токов разных частот. Для постоянного тока сопротивление любой катушки очень мало. Каждая катушка характеризуется индук­тивностью, добротностью, стабильностью и собственной емкостью.

Катушки с малой индуктивностью изготовляют без сердечника с небольшим числом витков. Для увеличения индуктивности катушку выполняют многослойной и вводят сердечник из ферромагнитного материала. Потери энергии в катушке должны быть как можно меньше. Поэтому ее стремятся выполнить так, чтобы получить наибольшую индуктивность при малом активном сопротивлении. Отношение индуктивного сопротивления катушки к активному сопротивлению на — дан­ной частоте называется добротностью катуш­ки и определяется по формуле Qil=Xtlfsa Индуктивность и другие параметры ка­тушки не должны меняться под влиянием внешних причин, т. е. катушка должна обла­дать стабильностью. Собственная (междувитковая) емкость катушки понижает ее доброт­ность и уменьшает стабильность

У однослойной катушки при сплошной намотке (виток к витку) индуктивность (мкГн) можно определить по формулегде w — число витков; l — длина намотки, см; D — диаметр катуш­ки, см. Для уменьшения собственной, емкости витки катушки наматыва­ют не вплотную, а на некотором расстоянии один от другого (на­мотка с принудительным шагом).

Многослойные катушки выполняют простой намоткой «внавал» или специальной («универсалы»). Индуктивность (мкГн) многослойной хатушки можно определить по формулегде dcf — средний диаметр намотки, см; w — число витков; I — длина намотки, см; t — толщина намотки, см.

Для уменьшения собственной емкости многослойную катушку выполняют из отдельных секций. Секционированные катушки при­меняют в качестве контурных катушек и дросселей высокой частоты. Малую собственную емкость имеют многослойные катушки с намот­кой «универсалы», при которой провод зигзагом переходит с одного края катушки на другой Для устранения влияния электромагнитного поля катушки на соседние детали и, наоборот, внешних полей на катушку ее закры­вают металлическим экраном. Для высокочастотных катушек экран изготовляют из меди или алюминия толщиной 0,4 — 0,5 мм. Экран уменьшает индуктивность и добротность катушки и увеличивает ее собственную емкость. Чем ближе расположен экран к виткам катупь ки, тем сильнее изменяются ее параметры. Чтобы влияние экрана было небольшим, его диаметр и длину берут в два раза больше диаметра и длины намотки. Для низкочастотных катушек применят ют экраны из ферромагнитных материалов, например из листовой стали толщиной 0,5 — 1,5 мм. Для увеличения добротности и уменьшения габаритов катушки применяют сердечники из ферромагнитных материалов. Высокочас­тотные катушки имеют сердечники из карбонильного железа. Доб­ротность катушек с таким сердечником равна 400 — 500, а без сер­дечника — не более 200.

Для контурных катушек длинных и средних волн используют броневые сердечники. Низкочастотные дроссели имеют сердечники из листовой электротехнической стали. Толщину стальных листов берут 0,2 — 0,5 мм для дросселей, используемых в цепях звуковых частот, и около 0,5 мм — в Цепях переменного тока с частотой 50 Гц.

Индуктивность катушки возрастает с увеличением числа и диа­метра витков при их сближении, что учитывают при изготовлении катушки. Введение внутрь катушки сердечника из магнитодиэлектрика также увеличивает ее индуктивность. Если сердечник выполнен из диамагнитного материала, например латуни, то при его введении индуктивность катушки уменьшится. То же произойдет, если внутрь катушки ввести короткозамкнутый виток. На практике чаще всего индуктивность изменяют, перемещая сердечник внутри катушки. Катушка, индуктивность которой можно изменять в больших пределах, называется вариометром. Чаще всего вариометр состоит из двух катушек, взаимная индуктивность которых может меняться. Вариометры применяют главным образом в передатчиках для на­стройки колебательных контуров и подбора связи между контурами.

 

Разновидности катушек индуктивности

Катушка индуктивности

Условные обозначения и кодовая маркировка катушек индуктивности

Преобразователи частоты

Электромагнитный звукосниматель с управляемым магнитным потоком

Пассивные и активные элементы цепей

Входные устройства приемников

Подвижная система динамического громкоговорителя, содержащая диафрагму с центрирующим пояском

Катушек индуктивности в серии: Формула, Связанные, Эквивалентная индуктивность добавление катушек индуктивности в последовательности.

В электрической цепи индуктор — это электрический компонент, который можно представить как электрическую индуктивность для накопления энергии в своем магнитном поле. Источники питания, трансформаторы, радиоприемники, радары и т. Д. — это некоторые приложения катушек индуктивности или групп катушек индуктивности, соединенных последовательно.

Любой проводник с током, обладающий индуктивными свойствами, может рассматриваться как индуктор. Витки проводящего провода образуют индуктор. В статье подробно рассматриваются индукторы, включенные последовательно, эквивалентная индуктивность цепей при последовательном соединении индукторов и формула, используемая в таких соединениях.

Загрузить формулы для электроники и техники связи GATE — система управления

Содержание

• 1. Катушки индуктивности в серии
• 2. Эквивалентная индуктивность индукторов в серии
• 3. Взаимно связанные катушки индуктивности в серии
• 4. Катушки индуктивности в серии Formula

Читать полностью

Катушки индуктивности в серии

Взаимосвязь катушек индуктивности в серии является частью любой сложной сети, которую можно свести к простой сети эквивалентным индуктором, включенным последовательно, индуктивность которого является суммой отдельных индукторов, включенных последовательно без взаимной индуктивности.

Когда индукторы соединены последовательно, на каждом индукторе возникает определенное падение напряжения при заданной скорости изменения тока, проходящего через него. Для скорости изменения тока, чем больше падение напряжения, тем больше индуктивность катушки индуктивности.

Загрузить формулы для электроники и техники связи GATE — цифровые схемы

Эквивалентная индуктивность последовательных катушек индуктивности

Рассмотрим последовательное соединение N катушек индуктивности с эквивалентными цепями, как показано ниже. Один и тот же ток протекает через все катушки индуктивности, поскольку они соединены последовательно.

Если через катушку индуктивности, имеющую индуктивность L, протекает ток I, напряжение V на катушке индуктивности равно, Эквивалентная индуктивность представляет собой индивидуальную сумму всех индуктивностей при последовательном соединении катушек индуктивности.

Загрузить формулы для электроники и техники связи GATE – электронные устройства

Взаимно связанные индукторы, соединенные последовательно

Магнитное поле одного индуктора соединяется с другим индуктором при последовательном соединении индукторов. Это явление известно как магнитная связь. Это приводит либо к уменьшению, либо к увеличению общей эквивалентной индуктивности. Основываясь на содействии или противодействии общей эквивалентной индуктивности, они классифицируются как

• Дифференциально связанный или последовательно включенный
• Суммарно связанный или последовательно включенный

Если магнитный поток, создаваемый током через индукторы, имеет противоположное направление, он дифференциально связан, поскольку он будет противодействовать общей эквивалентной индуктивности. Таким образом, общая эквивалентная индуктивность уменьшится.

Предположим, что магнитный поток имеет то же направление. В этом случае он кумулятивно связан, потому что он способствует общей эквивалентной индуктивности, увеличивая результирующую индуктивность цепи.

Дифференциально соединенные катушки индуктивности, соединенные последовательно

В этом типе последовательного соединения катушек индуктивности направление тока, входящего или выходящего на вывод катушки индуктивности, противоположно, как показано ниже:

 

Пусть M равно взаимная индуктивность из-за магнитной связи между индуктивностями L ₁ и L ₂ . Представление электрической цепи можно изобразить следующим образом:

Катушки индуктивности с кумулятивной связью в серии

При последовательном соединении кумулятивно связанных катушек индуктивности направление тока, входящего или выходящего на клемму катушки индуктивности, совпадает с направлением, указанным ниже:

₁ и L ₂ .

Катушки индуктивности, соединенные последовательно Формула

Если N катушек индуктивности соединены последовательно (при условии отсутствия магнитной связи), то общая эквивалентная индуктивность представляет собой сумму индивидуальных индуктивностей, присутствующих в цепи. Математически индукторы в формуле серии можно записать как:

Часто задаваемые вопросы о катушках индуктивности, соединенных последовательно

• Что происходит при последовательном соединении катушек индуктивности?

  При последовательном соединении катушек индуктивности общая индуктивность представляет собой сумму индивидуальных индуктивностей цепи, если не учитывать магнитную связь между катушками индуктивности.

• Почему катушки индуктивности соединяются последовательно?

  Катушки индуктивности в серии увеличивают эффективное количество катушек, увеличивая общую индуктивность. Чем больше индуктивность, тем больше он будет запасать магнитной энергии.

• Что такое индуктор связи?

  Катушка индуктивности, имеющая более одной обмотки, в которой магнитная связь влияет на поведение каждой обмотки, известна как катушка индуктивности. Это может быть помощь или противодействие общей индуктивности.

• Что такое спаренные катушки?

  Связанные катушки используют концепцию магнитной связи для представления взаимной индуктивности между катушками.

• Какие бывают типы последовательно соединенных взаимно связанных катушек индуктивности?

  Существует два типа взаимно соединенных индукторов, которые описаны ниже:

  • Дифференциально соединенные или последовательно соединенные противоположные
  • Кумулятивно соединенные или последовательно соединенные

ESE & GATE EC 90 067

Электроника и связь GATEGATE ECESEESE ECOДругие экзаменыСерия тестов

Избранные статьи

Следите за последними обновлениями

Наши приложения

• BYJU’S Exam Prep: приложение для подготовки к экзамену

GradeStack Learning Pvt. Ltd.Windsor IT Park, Tower — A, 2-й этаж,

Sector 125, Noida,

Uttar Pradesh 201303

[email protected]

Microwaves101 | Inductor Mathematics

Щелкните здесь, чтобы перейти на главную страницу индукторов

В марте 2016 г. наши друзья из Keysight Technologies дали нам видео о том, как моделировать спиральные индукторы. Спасибо, KeySight!

Ниже приведен указатель нашего математического обсуждения катушек индуктивности:

Индуктивное реактивное сопротивление

Индуктивность линии передачи (отдельная страница)

Индуктивность соленоида

Спиральный индуктор (проволока)

Спиральные индукторы на подложке (Новинка марта 2016 г.!)

Тороидальная индуктивность

Индуктивность проволочного соединения (теперь на отдельной странице)

Индуктивность воздушного моста (отдельная страница)

Индуктивность через отверстие (отдельная страница)

Индуктивность проволочного соединения (отдельная страница)

Постоянное и ВЧ сопротивление катушек индуктивности

Резонансы

Индуктивное сопротивление

Если вам интересна эта тема, воспользуйтесь нашим калькулятором реактивного сопротивления!

Ниже показано известное уравнение для индуктивного сопротивления. Обратите внимание, что индуктивное сопротивление положительно, противоположная полярность емкостного сопротивления. На диаграмме Смита это означает, что последовательная индуктивность имеет тенденцию сдвигать коэффициент отражения по часовой стрелке.

Более полезная форма уравнения индуктивного реактивного сопротивления приведена ниже, где частота выражена в ГГц, а индуктивность — в наногенри. К счастью, все эти десятичные знаки просто компенсируют друг друга!

Индуктивность соленоида

Соленоид представляет собой цилиндрическую форму, которая обмотана проволокой для создания индуктивности. Он может иметь однослойную обмотку или многослойную, а также может использовать воздушный сердечник или сердечник с высокой магнитной проницаемостью для увеличения индуктивности. Наиболее полезными (читай, что «самая высокая добротность») соленоидами для микроволновых приложений являются миниатюрные однослойные катушки индуктивности с воздушным сердечником. Графика ниже предоставлена ​​Sebastian. Большое спасибо!

Классическая формула для однослойной индуктивности (воздушный сердечник) называется формулой Уилера, которая восходит к временам радиовещания 1920-е годы:

где:

L = индуктивность в микро-Генри (не в нано-Генри!)
N= количество витков провода
R= радиус катушки в дюймах
H= высота катушки в дюймах

Вот он в пересчете на D, диаметр катушки:

(Эта формула была исправлена ​​9 апреля 2006 г. благодаря КБ!)

Формула Уиллера не учитывает диаметр проволоки и расстояние между витками. В формуле Уилера витки касаются друг друга, но предполагается, что некоторая изоляция предотвращает короткое замыкание. На практике необходимо некоторое расстояние между витками, чтобы уменьшить межвитковую емкость и увеличить рабочую частоту. Посмотрим правде в глаза, Уилера не интересовала точность нанокатушек Генри для микроволнового оборудования.

Предположительно более точный метод расчета индуктивности однослойных индукторов с воздушным сердечником для микроволновых компонентов можно найти на веб-сайте Microwave Components Incorporated:

где:

L = индуктивность в нано-Генри
Н = количество витков провода
D = внутренний диаметр катушки (дюймы)
D1 = диаметр неизолированного провода (дюймы)
S = расстояние между витками (дюймы)

Используя формулу MCI, примененную к проводу калибра 47 (диаметр оголенного провода 1,2 мила) и расстоянию между витками 0,5 мила, оборачивая витки вокруг штифтовых тисков на 20 милов, вы можете получить следующие значения воздушной катушки:

1 виток = 2 нГн
2 витка = 5 нГн
3 витка = 8 нГн
4 витка = 12 нГн
5 витков = 16 нГн
6 витков = 20 нГн
7 витков = 25 нГн
8 витков = 30 нГ
9 витки = 35 нГн
10 витков = 40 нГн

Нажмите здесь, чтобы перейти к нашей таблице размеров проводов (AWG).

Спиральный индуктор (проволока)

Эта формула и график также были предоставлены Себастьяном (единицы измерения также являются микро-Генри): Мы должны признать, что мы лично не проверяли некоторые формулы на этой странице на соответствие измеренным данным. Также обратите внимание, что любая модель катушки индуктивности, не учитывающая паразитную емкость и сопротивление, будет иметь ограниченную точность на микроволновых частотах.

Спиральные катушки индуктивности на подложке

Спиральные катушки индуктивности часто используются в конструкциях MIC, MMIC и RFIC, особенно на частотах ниже 18 ГГц. Катушки индуктивности могут быть прямоугольными или круглыми, если вы знаете, как их моделировать. Модель с сосредоточенными элементами спиральной катушки индуктивности может иметь множество элементов конденсаторов и резисторов для учета всех паразитных явлений, которые делают ее все менее и менее идеальной по мере увеличения частоты. Для моделирования катушки индуктивности требуются качественные деэмбедированные данные об одном или нескольких значениях катушки индуктивности, в результате чего получается масштабируемая модель, позволяющая прогнозировать характеристики произвольных значений катушки индуктивности, необходимые для вашего проекта.

Хотите немного больше практического описания того, как моделировать спиральные катушки индуктивности? Посмотрите это видео на ТОЧНО ЭТОМ. Франц Сишка из SisConsult знакомит вас с полной моделью спирального индуктора с сосредоточенными элементами, включая скин-эффекты, вихревые токи подложки и связь с металлическим экраном 1. Программа Keysight для определения характеристик и анализа интегральных схем (IC-CAP) используется для подгонки двух примеров измерений. Элементы настраиваются вручную с последующей оптимизацией. Предоставляются методы проверки модели, и файлы примеров можно скачать.

 

Индуктивность тороида

Тороид подобен соленоиду, но имеет форму пончика. Еще не все!

Сопротивление катушек индуктивности постоянному и высокочастотному току

Вычисление сопротивления спиральной катушки индуктивности постоянному току очень просто, и разработчики часто упускают его из виду до тех пор, пока не построят схему усилителя и в первой итерации не произойдет корректного смещения.