Катушки Индуктивности

                Министерство образования и науки Республики Казахстан

                    Северо-Казахстанский государственный университет

                                             Им. М. Козыбаева

                                                                                                                                                                                                                           

 

 

 

                                                      Реферат

                        По дисциплине: «Введение в специальность»

                                  На тему: «Катушки Индуктивности»        

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                   Выполнила: студентка группы РЭТ-15

                                                                  Ильясова Даметкен

                                                                   Проверил: преподаватель

                                                                    Айтхожина Айжан Мингужановна

                                                   

                                                     

 

 

                                                 

                                            г. Петропавловск, 2015                                             

 

Индуктивность - физическая величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи. Ток в проводящем контуре создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитный поток Ц, пронизывающий контур:

Ф= L · I

I - ток в контуре;

L - коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью, или коэффициентом самоиндукции контура.

Индуктивность зависит от геометрии, размеров контура, магнитной проницаемости среды и проводников, образующих электрическую цепь. Для неферромагнитных сред и проводников индуктивность жесткого (недеформируемого) контура постоянна.

Через индуктивность выражается Э.Д.С. самоиндукции е в контуре, возникающая при изменив нем тока:

Единица индуктивности в СИ - Генри. (1 Генри (Гн) - такая индуктивность, при которой ток в 1 Ампер порождает потокосцепление ц в 1 Вебер).

Для катушки, состоящей из одного витка, потокосцепление ц определяется:

ц= L · I

Измерителем индуктивности называется прибор для измерения индуктивности катушек, дросселей, обмоток трансформаторов, а также сопротивления активных потерь катушек. Наиболее широкое применение находят измерители индуктивности, работа которых основана на резонансном и мостовом методах. В резонансных измерителях индуктивности (рис. 1) используются известные соотношения между параметрами L, C и Rколебательного контура и его резонансной частотой. Резонансные измерители индуктивности работают на частотах от нескольких кГц до нескольких сотен МГц; диапазон измеряемых индуктивностей - от сотен долей мкГн до нескольких сотен мГн; погрешность измерений составляет обычно несколько процентов.

Lc - индукция витка связи;

Lx - измеряемая индуктивность;

Сk - собственная емкость катушки;

Сх - образцовая емкость;

ЛВ - ламповый вольтметр;

ГВЧ - генератор сигналов высокой частоты;

В мостовых измерителях индуктивности используются мостовые цепи; часто такие цепи входят в состав универсальных мостов, предназначенных для измерения индуктивности, емкости и активного сопротивления. Мостовые измерители индуктивности применяются на частотах до нескольких сотен МГц и обеспечивают измерение индуктивностей от десятых долей мкГн до нескольких тысяч Гн. Все шире применяются измерители индуктивности с самобалансирующимися мостами переменного тока с цифровым отсчетом (рис. 2), а также измерители индуктивности, в которых измеряемый параметр преобразуется в ток, напряжение или временной интервал с последующим измерением этих величин цифровыми измерителями.

Zx - полное сопротивление катушки индуктивности;

Z2 - образцовый резистор;

Z2,3 - переменные резисторы;

1 - генератор сигналов  низкой частоты (ГСНЧ);

2 - блок сравнения;

3 - блок управления уравновешивания  моста;

4 - устройство цифрового  счета;

В современных измерителях индуктивности широко применяются микросхемы. Основной тенденцией в развитии измерители индуктивности является автоматизация процесса измерения в сочетании с дистанционным программным управлением, что позволяет использовать такие измерители индуктивности в автоматизированных системах контроля и информационно-измерительных системах.

Так как индуктивность зависит от магнитной пронтцаемости µ среды и проводников электрической цепи, напомним физическую сущность этой величины. Магнитная проницаемость µ - физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции B среды при воздействии магнитного поля H

м = B /м0H

м0 - магнитная постоянная;

Магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума ) равна:

м0 =4р ?10 -7 Гн/м=1,256637?10 -6 Гн/м

Магнитная проницаемость связана с магнитной восприимчивостью ч соотношением

м = 1+ 4р ч (СГС)

м = 1+ ч (СИ)

Для вакуума ч=0, м=1.

В переменных магнитных полях, изменяющихся по закону синуса или косинуса магнитная проницаемость представляется в комплексной форме:

м = м1 + iм2

м1 - характеризует обратимые процессы намагничивания;

м2 - процессы рассеяния энергии магнитного поля (потери на вихревые токи, магнитную вязкость и др.)

Магнитная вязкость - задержка во времени изменения магнитных характеристик вещества (намагниченности, магнитной проницаемости) от изменения напряженности магнитного поля. Запаздывание от 10 -9с до часов. Магнитная восприимчивость - величина, характеризующая связь намагниченности вещества с магнитным полем в этом веществе

ч = J / H

чуд = ч / g

ч = чуд · M

M - молекулярная (атомная) магнитная восприимчивость;

Магнитная восприимчивость - положительная для парамагнетиков и ферромагнетиков (намагничиваются по полю); отрицательная - для диамагнетиков (намагничивается против поля).

Диамагнетики - He, Cu, Be, Zn, Ag, Au, Bi и другие, H2O, CO2, CH4 (метан), С6Р6 (бензол).

Парамагнетики - Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, W, Pt..

J - намагниченность - характеристика магнитного состояния макроскопического тела. Намагниченность Jопределяется как магнитный момент M единицы объема тела:

J = M / V,

или для однородного намагничивания

J = dM / dV.

Измеряется в A/м, 1 м3 вещества обладает магнитным моментом 1 А· м2 в системе СГС (Гс·см3).

Магнитная индукция B - основная характеристика магнитного поля, представляющая собой среднее значение суммарной напряженности микроскопических магнитных полей, созданных отдельными электронами и другими элементарными частицами.

B = H + 4рJ (1)

H - вектор напряженности магнитного поля;

J - вектор намагниченности;

J = ч H (2)

На основании (1) и (2) и с учетом ранее приведенных соотношений:

B = (1 + 4рч)H = мH

м = (1 + 4рч)

м - магнитная проницаемость;

ч - магнитная восприимчивость;

В системе СИ используются следующие соотношения:

B = м0(H +J)

J = чH

B = м0 мH

м = 1 + ч

Магнитная индукция в СИ измеряется в Теслах (1 Тл - 104 Гс).

Природа индуктивности и классификация катушек индуктивности

Для создания катушек индуктивности используется эффект взаимодействия магнитного поля и переменного тока. Коэффициент пропорциональности между переменным напряжением и током с учетом частоты щ имеет смысл реактивного сопротивления jщL, где L - коэффициент пропорциональности. Для увеличения индуктивности провод, по которому протекает ток, наматывают в виде катушки. При этом добавляется взаимная индуктивность между витками и индуктивное сопротивление, т. е. значение L увеличивается. Индуктивность является основным параметром катушки.

Катушки используются в РЭА как дроссели для перераспределения переменного тока по цепям и создания индуктивной связи между цепями. При их использовании вместе с конденсаторами образуются колебательные контуры, входящие в состав фильтров и генераторов высокочастотных колебаний. Следует подчеркнуть, что под катушками индуктивности будем понимать те индуктивные элементы, которые работают в диапазоне радиочастот примерно от 100 кГц и выше.

Для классификации радиочастотных индуктивных элементов можно использовать разные признаки: наличие или отсутствие сердечника, характер намотки - однослойная (с шагом или без шага) или многослойная (рядовая, универсальная, внавал), рабочую частоту, количество обмоток, наличие или отсутствие каркаса, наличие или отсутствие экрана и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема замещения, основные и паразитные параметры

В катушке индуктивности помимо основного эффекта - индуктивности - наблюдаются и паразитные. Схема замещения (рис. 3а) катушки отображает ее основные свойства и содержит не только основной параметр, индуктивность L, но и ряд дополнительных: индуктивность выводов (учтены в L); собственную емкость, обусловленную наличием обмотки, выводов, сердечника и экрана СL; сопротивление, отображающее потери в емкости RC; сопротивление, зависящее от потерь в катушке RL. СL с L образует параллельный резонансный контур. Его резонансная частота f0 = 1/2р (LC0)1/2,

Катушка индуктивности - катушка из провода с изолированными витками; обладает значительной индуктивностью при относительно малой емкости и малом активном сопротивлении. Предназначена для накопления магнитной энергии, разделения или ограничения электрических сигналов различной частоты и т. д. Индуктивность катушки индуктивности определяется линейными размерами катушки, числом витков обмотки и магнитной проницаемостью окружающей среды и проводников; изменяется от десятых долей мкГн до десятков Гн. Другие основные параметры катушки индуктивности: добротность Q(отношение индуктивного сопротивления к активному), собственная емкость, механическая прочность, габаритные размеры, масса.

В зависимости от конструкции катушки индуктивности делятся на каркасные и бескаркасные, одно- и многослойные, экранированные и неэкранированные, с магнитными сердечниками (с ферритовыми сердечниками) и без них (рис. 4). Важное достоинство катушек индуктивности с сердечниками - возможность подстройки (изменение индуктивности катушки индуктивности в определенных пределах путем изменения параметров сердечника). Катушки индуктивности применяются в качестве одного из основных элементов электрических фильтров и колебательных контуров, накопителя электрической энергии и др.

Индуктивность катушки, мкГн, может быть рассчитана по формулам:

L=L0W2D?10 -3 (3)

Для однослойной катушки L0 = f(lн /D),

где lн - длина намотки, см;

Dср = Dк + d - средний диаметр витка, см;

Dк - диаметр каркаса;

d - диаметр провода;

W - количество витков.

Для многослойной катушки:

L0 = f(lн /Dср ) и L0 = f(b /Dср),

где D - наружный диаметр катушки, см;

Dср - средний диаметр катушки, см;

Dк - диаметр каркаса, см;

b - глубина намотки, см;

Важным параметром катушки при ее применении в колебательных контурах является добротность, характеризующая относительных уровень активных потерь в ее обмотке, собственной емкости, сердечнике и экране:

Q =щL / RL

Свойства катушки при изменении температуры описываются температурным коэффициентом индуктивности бL, который определяется выражением

Индуктивность при температуре T определяется выражением

L(T) = LОТ [1+ бL(T-T0 )

где T - температура;

LОТ - индуктивность при номинальной температуре;

T0 - номинальная температура.

Изменение параметров во времени (старение) характеризуется коэффициентом старения

вL = (dL / dt) (1 / L0),

где t - время;

L0 - индуктивность непосредственно после изготовления катушки.

Индуктивность после длительной работы быть определена из выражения

L(t) = L0 (1+вL t)

Большое значение имеют также конструктивные параметры: надежность, габариты, масса, диапазон температур, влагостойкость, устойчивость против механических воздействий, а также технологичность катушки, возможность ее изготовления с использованием высокопроизводительных методов, стоимость, согласованность ее конструкции с ИС и возможность изготовления катушек методами микроэлектроника. Конструкция и параметры катушки существенно зависят от использования в ней сердечника с высокой магнитной проницаемостью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стабильность катушек без сердечника

При применении катушек в контурах большое значение имеет стабильность индуктивности. Наиболее высокой стабильностью обладают однослойные катушки без сердечников. Рассмотрим, чем она определяется.

Из (3) следует, что стабильность индуктивности однослойной катушки зависит от изменения диаметра каркаса при воздействии температуры. Однако при оценке температурной стабильности необходимо учитывать также то, что в высокочастотных катушках в результате поверхностного эффекта ток протекает не по всему сечению провода, а по той части, которая примыкает к каркасу. Положим, что толщина слоя, используемая током, будет взята такой же, как толщина поверхностного (скин-) слоя в проводе

где с=10-6 Ом·м - удельное сопротивление;

- частота, МГц;

чэф - глубина, на которой ток падает до 0,37 его значения на поверхности проводника, мм.

Эффективный диаметр витка

Dэф ? Dк + 2чэф.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Катушки индуктивности с сердечниками

Катушки без сердечников мало пригодны для микроминиатюризации, так как уменьшение диаметра каркаса катушки приводит к необходимости увеличения количества витков. Поэтому для улучшения характеристик катушки используют сердечники с высокой проницаемостью и малыми потерями на радиочастоте.

Первоначально в качестве материала для таких сердечников использовалось карбонильное железо, затем альсифер, а в настоящее время все шире применяются ферриты. Введение сердечника позволяет уменьшить количество витков при той же индуктивности.