Основные параметры катушек индуктивности

Любой компонент электрической цепи выполняет определённые присущие ему функции и обладает набором присущих ему параметров. Катушка индуктивности не является исключением. Основными параметрами, характеризующими катушкии индуктивности, являются:

· Индуктивность

· Добротность

· Сопротивление потерь

· Потери в проводах

· Потери в диэлектрике

· Потери в сердечнике

· Потери на вихревые токи

· Паразитная ёмкость

· Реактивное (индуктивное) сопротивление

· Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)

Рассмотрим каждый параметр подробнее.

Основным параметром, характеризующим катушки  индуктивности является индуктивность. Индуктивность - это коэффициент пропорциональности между магнитным потоком, пронизывающим катушку индуктивности при протекании через неё тока к величине самого тока. Индуктивность (как физическая величина) обозначается буквой L, точно так же как и сама катушка индуктивности (или индуктивность, как компонент электрической цепи при использовании идеализированных элементов). Другое название индуктивности, выражающее физический смысл данной величины - это коэффициент самоиндукции. Таким образом индуктивность L=Ф/I, где Ф - магнитный поток, пронизывающий катушку индуктивности, Вб (Вебер); I - ток, протекающий через катушку индуктивности, А (Ампер). Величиной измерения индуктивности является Генри (Гн). 1 Гн=1Вб/1А.

Реактивное (индуктивное) сопротивление. Если к катушке индуктивности приложено переменное напряжение, оно создает магнитное поле. Магнитное поле в свою очередь индуцирует напряжение в витках катушки, которое называется электродвижущей силой (э.д.с) самоиндукции. Э.д.с. самоиндукции сдвинута по фазе на 180^°относительно приложенного напряжения и противодействует приложенному напряжению. Таким образом в цепи возникает реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление катушки индуктивности (индуктивное сопротивление) вычисляется по формуле: X_L = j*2*П*f*L, где j - означает поворот вектора по часовой стрелке на 90^°, L - индуктивность (Гн), f - частота (Гц). Индуктивное сопротивление является функцией частоты приложенного переменного напряжения и индуктивности. Рост частоты увеличивает индуктивное сопротивление и вызывает увеличение противодействия току. Уменьшение частоты уменьшает индуктивное сопротивление и снижает противодействие току.

Сопротивление потерь. При протекании электрического тока по катушке индуктивности в ней помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного потока (индуктивности) наблюдаются паразитные явления, вследствие которых импеданс (комплексное полное сопротивление) катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь. Потери складываются из потерь в проводах (в витках самой катушки индуктивности и её выводах), диэлектрике и сердечнике.

Потери в проводах. Потери в проводах являются одной из составляющих сопротивления потерь. 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. Все потери в диэлектрике можно отнести к двум категориям:

· Потери от ёмкости межвиткового (межслойного) конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери);

· Потери, обусловленные магнитными свойствами диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике, но относятся к материалу каркаса катушки).

В общем случае можно заметить, что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.

Потери в сердечнике. Все потери в сердечнике (материале сердечника) складываются из 2-ух составляющих: потери на вихревые токи и потери на гистерезис (перемагничивание материала сердечника).

Потери на вихревые токи. Переменное магнитное поле, возникающее при протекании электрического тока через катушку индуктивности, индуцирует вихревые ЭДС в окружающих проводниках (сердечнике, экране и в проводах соседних витков). Возникающие при этом вихревые токи (токи Фуко) становятся источником потерь из-за активного (омического) сопротивления проводников.

Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ). Темпиратурный коэффициент индуктивности (ТКИ) — это параметр катушки индуктивности, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры окружающей среды. Температурная нестабильность индуктивности обусловлена разными факторами: 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 существенное влияние оказывает температура на магнитную проницаемость сердечника.

Паразитная ёмкость. Межвитковая паразитная ёмкость проводника в составе катушки индуктивности превращает катушку в сложную цепь с распределёнными параметрами. Грубо можно сказать, что реальная катушка индуктивности эквивалентна идеальной индуктивности, включенной последовательно с резистором активного сопротивления обмотки и присоединенной параллельно этой цепочке паразитной ёмкостью. 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. Для увеличения частоты собственного резонанса используют сложные схемы намотки катушек (Например, разбиение одной обмотки на разнесённые секции, намотка типа "Универсаль", намотка с переменным шагом и т.д)

Добротность. Добротность катушки индуктивности определяет соотношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки и равна отношению реактивного сопротивления к активному (суммарному сопротивлению потерь). Практически добротность большинства катушек индуктивности лежит в пределах от 20 до 300. 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 и т.д.

Способы намотки катушек индуктивности. Часть 1.
В данной статье рассмотрим подробно основные разновидности катушек индуктивности, используемые в современной технике.

Конструкции катушек индуктивности очень разнообразны. Основными конструктивными элементами катушек являются каркас, обмотка, а вспомогательными — сердечник, экран и т.д. Намотка катушек производится проводом на специальных каркасах, которые придают обмотке механическую прочность.

По форме каркасы бывают трубчатые (с фланцами и без них), шпули, ребристые, плоские, тороидальные и другие. Каркасы в зависимости от рабочего диапазона частот и назначения изготавливаются из различных материалов: кабельной бумаги, электрокартона, текстолита, гетинакса, пресспорошка, керамики, слюды, полистирола, органического стекла, эскапона и других. Выбор материала для каркаса зависит от предъявляемых к нему требований по электрической прочности, допустимой величины диэлектрических потерь, термостойкости, влагостойкости и т. д.

Наибольшую стабильность имеют катушки на керамических каркасах, а наименьшую — многослойные катушки, намотанные на каркасах из гетинакса и пресспорошка. Иногда катушки УКВ и КВ диапазонов делают бескаркасными (Рис.1). При их изготовлении, например, для контуров маломощных коротковолновых передатчиков, витки для жесткости скрепляют планками из органического стекла толщиной З...4 мм. Концы обмоток катушек на каркасе закрепляют нитками или вплавляют паяльником в каркас, если он сделан из полистирола или органического стекла. Иногда плоские каркасы после намотки провода сгибают в кольцо.

Однослойные и многослойные катушки индуктивности с намоткой виток к витку (рядной намоткой) являются одним из самых распространённых типов катушек индуктивности. Кроме того, данные катушки могут выполняться как с подстроечным сердечником, так и без него.

Однослойная катушка очень хороша с точки зрения ее электрических свойств (её емкость очень невелика), но имеет существенный недостаток: для получения большой величины индуктивности катушку приходится делать слишком больших размеров. В том же случае, когда диапазон волн, с которым приходится иметь дело, невелик, однослойную катушку следует предпочесть всем другим типам катушек. Для получения большой индуктивности в незначительной по величине катушке, применяют многослойные катушки. Внешний вид многослойной катушки индуктивности с намоткой виток к витку представлен на рисунке 2.

Иногда однослойные катушки выполняют с намоткой с принудительным шагом (Рис.3). Это делается для уменьшения собственной ёмкости катушки индуктивности.

Среди способов намотки катушек индуктивности существует 2 практически одинаковых способа намотки - это способ "Универсаль" и сотовая катушка. Рассмотрм их подробнее. Сотовой катушкой называется катушка со сложным пересечением витков, образующих рисунок, несколько напоминающий соты (Рис.4, а). Сотовые катушки наматывают на болванке с ручкой (Рис.4, в). На болванке по окружности вбивается 2 ряда булавок или спиц. Число спиц может быть взято произвольно, но обязательно нечётным. Число витков в одном слое катушки равно удвоенному числу спиц, приходящихся на один изгиб витка. При 15 спицах в одном ряду изгибы намотки можно делать, например, через 7 спиц. Тогда в одном слое получится 14 витков. После намотки катушки витки закрепляются лаком или парафином. Удалив спицы аккуратно снимают катушку с болванки и пропитывают лаком или парафином изнутри, для придания прочности.

Способ намотки "Универсаль" отличается от сотовой только тем, что намотка производится без шпилек и витки укладываются плотно друг к другу. На каркас, предназначенный для катушки, накладывают в 2—3 слоя полоску бумаги таким образом, чтобы образовалось бумажное кольцо (Рис.5). Ширина кольца должна быть немного больше ширины предполагаемой катушки. Чтобы оно не разматывалось, конец полоски укрепляют каплей клея.Теперь нужно провести по окружности две параллельных линии 1 и 2, которые будут являться границами катушки, и две диаметрально противоположные черточки 3 и 4, необходимые для правильной укладки первых витков и для счета витков. Для закрепления начала катушки в каркасе делается прокол.

Укрепив начало катушки, провод переводится на кольцо с таким расчетом, чтобы он пришелся в точку пересечения разметочных линий 2 и 3 (Рис.5, б), затем провод укладывают плотно на кольцо и наискось ведут к точке пересечения линий 1 и 4 (Рис.5, в). Далее ведут к линии 2 - к началу первого витка. Получился один виток. Затем провод изгибают так, чтобы изгиб проходил через начало первого витка и прижимал бы его к кольцу (Рис.5, г). Второй виток укладывают параллельно первому витку, вновь изгибают с противоположной стороны и далее ведут к началу. Дальнейшая намотка ведется таким же порядком: вращая каркас, провод укладывется параллельно предыдущему витку, косыми переходами. В местах переходов провод изгибают и этим прижимают изгибы предыдущих витков к кольцу. При намотке нужно следить, чтобы изгибы витков не выходили за пределы линий 1 и 2 и располагались с противоположных сторон каркаса.Самое трудное при намотке катушки "Универсаль" - это правильно уложить первые 8-10 витков. Укладка дальнейших витков несложна. Чтобы первые витки крепко держались на кольце, его поверхность нужно смазать клеем или лаком.

Внешний вид катушки, намотанной способом "Универсаль" показан на рисунке 6.

Чтобы готовая катушка не рассыпалась, ее следует промазать лаком или расплавленным парафином.

К числу очень удобных и легко изготовляемых катушек следует отнести так называемые корзиночные катушки. Катушки эти так названы потому, что по внешнему виду они напоминают собой плетеное дно от корзинки. Намотка корзиночных катушек чрезвычайна проста и не требует никакого предварительного навыка. В этом отношении они значительно проще сотовых катушек, но в то же время и не уступают им по своим качествам.

Корзиночные катушки могут быть изготовлены различными способами, при чем самым простым является следующий: берется обыкновенная пробка (потолще) и по ее окружности втыкают в один ряд заостренные спички, которые легко таким образом укрепляются на пробке. Спичек следует брать нечетное число, например, 7, 9, 11, 13 и т.д. Затем производится намотка катушки, показанная на рисунке 7.

Укрепляя свободный конец на одной из спичек, обходят наматываемой проволокой последовательно все спички через одну то с одной, то с другой стороны. В результате получается плоская, корзиночная катушка. Понятно, что пробка может быть заменена более солидным деревянным цилиндром, например, болванкой, для намотки сотовых катушек, а спички — гвоздями, либо специально изготовленными для этой цели деревянными круглыми спицами.

Когда катушка намотана, спицы вытягиваются немного из болванки и последняя удаляется. Однако из катушки спицы вынимать сразу не следует, потому что иначе она может расплестись. Если были употреблены в качестве спиц спички, то их можно оставить в катушке и в таком виде пользоваться ею. Оставшиеся в катушке спички будут придавать ей достаточную прочность. В том случае, когда для намотки катушки предполагают пользоваться гвоздями или спицами, то следует катушки закреплять, прошивая их обыкновенными нитками в местах, где витки катушки пересекаются друг с другом. Пользоваться для закрепления витков катушки шеллачным лаком не рекомендуется, так как обильное шеллачение, которым очень часто злоупотребляют радиолюбители, придавая катушке достаточную механическую прочность, в то же время вредно отзывается на ее электрических свойствах.

Для того, чтобы получить прочную корзиночную катушку без риска, что она в течение короткого срока расплетется или потеряет свою первоначальную форму, прибегают к изготовлению катушек, наматываемых на картонных или деревянных (фанерных) каркасах. Каркас для корзиночной катушки представляет из себя круг с прорезами, вырезанный из плотного картона или выпиленный из фанеры. В вырезанном круге делают нечетное число прорезов, чаще всего одиннадцать.

Предварительно картон следует покрыть шеллачным лаком с обеих сторон, а если используется фанера, то последнюю нужно пропарафинить. На рисунке 8 представлен внешний вид готовой корзинчатой катушки, выполненной на каркасе указанным выше способом