ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ
Дагестанский государственный университет
Физический факультет
Методическое пособие
Пассивные элементы радиоэлектронной аппаратуры
Махачкала - 2011
В пособии изложены структура, физические процессы, характеристики и параметры индуктивных элементов электронной техники, к которым относятся катушки индуктивности и трансформаторы. Рассмотрены физические явления, происходящие в них, требования, предъявляемые к этим изделиям, и области их применения. Приводятся также конструкции катушки индуктивности и магнитопроводов трансформаторов, оцениваются потери энергии и добротность этих изделий.
Для студентов высших учебных заведений радиотехнических специальностей и средних профессиональных учебных заведений обучающихся в области радиотехники, электроники, и автоматизации. В качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, а также аспирантов и научных сотрудников.
Содержание
Введение
Глава 1. Катушки индуктивности
1.1 Физическая природа индуктивности
1.2 Конструкции катушек индуктивности
1.3 Индуктивность и собственная емкость катушек индуктивности
1.4 Потери в катушках индуктивности
1.5 Основные параметры катушек индуктивности и разновидности катушек индуктивности
Глава 2. Трансформаторы
2.1. Классификация трансформаторов
2.2 Магнитопроводы трансформаторов
2.3 Физические основы функционирования трансформаторов
2.4 Потери в трансформаторах
Литература
Введение
К индуктивным элементам электронной техники относятся катушки индуктивности и трансформаторы.
Любой проводник, по которому протекает ток , обладает индуктивностью . Она находится как коэффициент пропорциональности между током и создаваемым им магнитным потоком. Если ток изменяется во времени по синусоидальному закону с угловой частотой , то происходящее при этом изменение магнитного потока вызывает появление ЭДС самоиндукции , которая препятствует протеканию переменного тока, что эквивалентно увеличению сопротивления проводника.
Катушки индуктивности обладают свойством оказывать реактивное сопротивление переменному току при незначительном сопротивлении постоянному току. Их применяют для создания фильтров, элементов задержки сигналов, запоминающих элементов, осуществления связи между цепями через магнитный поток и т. д. В отличие от резисторов и конденсаторов, они не являются стандартизованными изделиями, а изготавливаются для конкретных целей и имеют такие параметры, которые необходимы для осуществления тех или иных преобразований электрических сигналов, токов и напряжений.
Требования к параметрам индуктивных элементов изменяются в широких пределах в зависимости от назначения, конструкции и условий эксплуатации аппаратуры. Поэтому во многих случаях для каждого конкретного устройства проектируются и изготовляются свои катушки индуктивности и трансформаторы. Однако в последние годы появились унифицированные индуктивные элементы, выпускаемые как отдельные комплектующие изделия для аппаратуры различного назначения.
Глава 1. Катушки индуктивности
Катушкой индуктивности называется элемент, способный запасать электромагнитную энергию и увеличивающий свое сопротивление переменному току пропорционально его частоте. Таким свойством обладает проводник в форме спирали. При пропускании по нему тока в окружающей среде образуется магнитный поток , при этом происходит взаимодействие магнитных полей токов в соседних нитках.
Проводник в катушке индуктивности называется обмоткой, которая может наматываться на основание (каркас катушки), выполняемое из диэлектрического материала. Если использовать провод с изоляцией, то нитки катушки можно располагать рядом или в несколько слоев. Для концентрации магнитного потока и уменьшения габаритных размеров в состав катушки индуктивности вводят магнитный сердечник, изготовленный из металлического ферромагнетика, феррита или магнитодиэлектрика. Катушки индуктивности обычно используются на переменном напряжении и по функциям, выполняемым в аппаратуре, подразделяются на несколько видов:
* контурные катушки индуктивности вместе с конденсаторами входят в состав колебательных контуров;
* фильтровые катушки индуктивности или дроссели, обладающие на высоких частотах большим сопротивлением и пропускающие постоянный или низкочастотный ток, используются в электрических фильтрах;
* импульсные катушки индуктивности применяются в цепях формирования или задержки импульсов тока;
* регулируемые катушки индуктивности выполняют функцию переменной индуктивности.
1.1 Физическая природа индуктивности
Функционирование катушек индуктивности основано на взаимодействии тока и магнитного потока. Известно, что при изменении магнитного потока в проводнике, находящемся в магнитном поле, возникает ЭДС, определяемая скоростью изменения магнитного потока:
.
При подключении к проводнику источника постоянного напряжения ток в нем устанавливается не сразу, так как в момент включения изменяется магнитный поток и в проводе индуцируется ЭДС, препятствующая нарастанию тока, а спустя некоторое время, когда магнитный поток перестает изменяться. Если же к проводнику подключен источник переменного напряжения, то ток и магнитный поток будут изменяться непрерывно, и наводимая в проводнике ЭДС будет препятствовать протеканию переменного тока, что эквивалентно увеличению сопротивления проводника. Чем выше частота изменения напряжения, приложенного к проводнику, тем больше величина ЭДС, наводимая в нем, следовательно, тем больше сопротивление, оказываемое проводником переменному току. Это сопротивление не связано с потерями энергии, поэтому является реактивным. При изменении тока по синусоидальному закону наводимая ЭДС будет равна
.
Эта ЭДС пропорциональна частоте , а коэффициентом пропорциональности является индуктивность . Следовательно, индуктивность характеризует способность проводника оказывать сопротивление переменному току. Величина этого сопротивления .
Индуктивность есть величина, характеризующая способность контуров с током и окружающей их среды накапливать энергию магнитного поля. Индуктивность равна удвоенной энергии магнитного поля, деленной на квадрат тока.
Индуктивность короткого проводника [мкГн] определяется его размерами:
где - длина провода, см, а - диаметр провода, см.
Если провод намотан на каркас, то образуется катушка индуктивности. В этом случае магнитный поток концентрируется, и значение индуктивности возрастает.
1.2 Конструкции катушек индуктивности
Катушки индуктивности классифицируют по типу намотки, способам подстройки и подгонки индуктивности, виду защиты (экранированные, неэкранированные).
Конструкционной основой катушки индуктивности является диэлектрический каркас, на который наматывают провод в виде спирали. Обмотка может быть как однослойной (рис.1, а), так и многослойной (рис.1, б).
Рис.1. Основные конструкции катушек индуктивности.
В некоторых случаях многослойная обмотка делается секционированной (рис.1, в). В интегральных схемах применяют плоские спиральные катушки индуктивности (рис.1, г).
Для увеличения индуктивности применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность. Перемещением сердечника внутри каркаса можно изменять индуктивность. Магнитные сердечники применяют для получения малогабаритных катушек с достаточно большими индуктивностью и добротностью
Основной целью введения магнитных сердечников в состав индуктивных элементов является уменьшение их габаритных размеров. Кроме того, в катушках индуктивности с магнитными сердечниками увеличивается добротность и появляется возможность регулирования индуктивности.
В то же время введение сердечника всегда ухудшает температурную стабильность катушек. При использовании сердечников с замкнутым магнитным потоком возникает зависимость индуктивности от силы тока I в обмотке, появляются дополнительные магнитные потери.
Для получения лучшей температурной стабильности следует выбирать материалы с высокой температурой Кюри, вблизи которой наблюдаются наиболее заметные изменения магнитной проницаемости.
Величина индуктивности зависит от магнитной проницаемости материала сердечника, формы и размеров сердечника и катушки, соотношения между их размерами, частоты. Чем больше магнитная проницаемость материала сердечника, чем ниже частота и чем ближе к виткам катушки расположен сердечник, тем выше значение индуктивности.
В высокочастотных контурных катушках и дросселях наибольшее применение находят цилиндрические, броневые и кольцевые сердечники (рис.2).
Цилиндрические сердечники конструктивно просты и по сравнению с сердечниками прямоугольного сечения позволяют получить наивысшую добротность катушек. Недостатком цилиндрических сердечников является плохое использование магнитных свойств материала, которое в основном определяется соотношениями межу размерами катушки и сердечника. Введение цилиндрического сердечника практически не влияет на величину собственной емкости катушек.
Броневые сердечники (рис.2) позволяют более полно использовать магнитные свойства материалов. Имеют слабое внешнее поле, что позволяет приблизить экран к самому сердечнику. Стабильную индуктивность в броневом сердечнике можно обеспечивать либо хорошим магнитным контактом (замкнутая магнитная цепь, пришлифованные поверхности плотно прижаты друг к другу), либо наоборот отсутствием контакта (разомкнутая магнитная цепь, иногда калиброванные прокладки). В первом случае за счет более полного использования магнитных свойств материала можно получить катушку индуктивности меньших габаритов. Во втором - можно получить большую добротность, меньшую зависимость параметров от частоты и напряженности магнитного поля. Сердечники с разомкнутой магнитной цепью могут работать на более высоких частотах, верхний предел частотного диапазона равен 4...5 МГц.
Катушки с броневыми сердечниками применяются в контурах приемников длинных и средних волн, усилителях промежуточной частоты, различных фильтрах.
Собственная емкость катушек с броневыми сердечниками больше, чем емкость катушек без сердечников. При полном заполнении полости броневого сердечника несекционированной обмоткой ; при секционированной обмотке , а при малом числе витков .
Для подстройки броневые сердечники снабжаются цилиндрическими сердечниками, перемещение которых изменяет индуктивность примерно на 20% (сердечник с замкнутой магнитной цепью) и 30% (сердечник с разомкнутой магнитной цепью). Промышленностью выпускается несколько типов стандартных броневых сердечников из карбонильного железа и феррита.
Рис.2. Разновидности цилиндрических сердечников.
Кольцевые сердечники позволяют наиболее полно использовать магнитные свойства материала. Достоинствами являются большая добротность катушек (до 400...500) и почти полное отсутствие внешнего поля. Недостатками таких катушек являются сложность плавной подстройки и намотки, относительно низкая температурная стабильность индуктивности. Кольцевые сердечники применяют в случаях, когда необходимо получить максимальную индуктивность при минимальных габаритах. Для этих целей широко применяются ферритовые сердечники.
На рис.2. представлены три разновидности цилиндрических сердечников: С - стержневой, Т - трубчатый и ПР - подстроечный резьбовой - и две разновидности броневых. Броневые сердечники состоят из двух чашек, изготовленных из карбонильного железа или феррита.
Они могут иметь либо замкнутый магнитопровод, состоящий из чашек 2 и З (тип СБ - а), либо разомкнутый, состоящий из чашек 2 и 4 (тип СБ - б). Для изменения индуктивности служит подстроечный цилиндрический сердечник 1. Помимо цилиндрических и броневых сердечников применяют тороидальные (кольцевые) сердечники. На высоких частотах (десятки - сотни мегагерц) применяют подстроечные цилиндрические сердечники из диамагнетиков (латунь, медь). При введении этих сердечников внутрь катушки индуктивность уменьшается. В катушках индуктивности, работающих на низких частотах (до 1 кГц), в качестве сердечников используют пермаллои. При этом магнитопровод собирают из тонких пластин толщиной 0,002 - 0,1 мм.
Для уменьшения влияния электромагнитного поля катушки на другие элементы схемы, а также для уменьшения влияния внешних полей на катушку индуктивности ее располагают внутри металлического экрана, как это показано на рис.3.
Одна из разновидностей катушек индуктивности носит название дросселей. Их основное назначение - обеспечить большое сопротивление для переменных токов и малое для постоянных или низкочастотных токов.
Различают дроссели низкой и высокой частот. Дроссели низкой частоты используются в выпрямительных устройствах для создания фильтров, сглаживающих пульсации. Их применяют тогда, когда источник питания должен отдавать большой ток (амперы - сотни ампер) и требуется получить малые пульсации постоянного напряжения. Дроссель низкой частоты наматывается аналогично силовым трансформаторам с использованием тех же магнитопроводов. Его основное отличие от трансформаторов заключается в том, что в магнитной цепи магнитопровода делается воздушный зазор 0,05...0,1 мм. Наличие его предохраняет магнитную цепь от насыщения постоянным током, значения которого достаточно велики, так как дроссель включают в цепь последовательно с сопротивлением нагрузки.