Рис.13. Потери в диэлектрике, возникающие в катушках индуктивности.
Потери в диэлектрике учитывают величиной , зная которую можно рассчитать сопротивление потерь
где указывается в пикофарадах, - в микроГенри, - в мегаГерцах. катушка индуктивность проводник трансформатор
Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи , потерь на гистерезис . и начальных потерь , и учитываются как тангенс угла потерь в сердечнике:
В справочниках приводят значения для различных типов сердечников. Сопротивление потерь определяют по формуле
.
Потери в экране обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране. Потери, вносимые экраном, определяют по формуле
где - диаметр экрана, [см], - длина экрана, [см], - частота, [МГц].
Величину определяют по графику, представленному ранее на рис. 2.27.
Таким образом, суммарное сопротивление потерь в катушке индуктивности, определяющее ее добротность, равно
Практически значение 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. С учетом потерь и паразитной емкости катушку индуктивности можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 14, а), где . Эта схема может быть приведена к более удобному виду (рис. 14, 6), где - эквивалентная индуктивность, учитывающая собственную емкость.
Величины и , а, следовательно, добротность
зависят от температуры.
Рис.14. Эквивалентная схема катушки индуктивности.
Зависимость от температуры определяется температурным коэффициентом добротности
.
Особенно важно иметь высокую в контурных катушках индуктивности, так как от этого зависит точность настройки колебательного контура в резонанс.
Можно указать следующие пути увеличения добротности катушек индуктивности.
1. Уменьшение собственной емкости за счет применения универсальной обмотки, секционирования, использования изоляционных материалов с малыми диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь. Например, в катушках УКВ-диапазона часто используется провод без изоляции, намотанный с принудительным шагом на цилиндрический каркас, изготовленный из полиэтилена, полисторола или высокочастотной керамики. Иногда для повышения температурной стабильности провод нагретым укладывают в спиральную канавку на поверхности каркаса.
2. Увеличение диаметра витков катушки. Расчет показывает, что для получения требуемой индуктивности при большем можно уменьшить число витков в катушке. Одновременно становится меньше эффект близости, а это вызывает уменьшение сопротивления обмотки и, соответственно, увеличение . Наибольший эффект получается в коротких цилиндрических катушках с универсальной намоткой.
3. Изготовление обмотки из литцендрата - многожильного провода, состоящего из большого числа тонких изолированных друг от друга медных проводников, свитых в один жгут. Из-за малого диаметра отдельных жил поверхностный эффект проявляется слабо, и на частотах до 2... 3 МГц сопротивление обмотки из литцендрата оказывается ниже, чем сопротивление сплошного провода. Однако на более высоких частотах между отдельными жилами возникает заметная емкостная проводимость, а также возрастают потери в изоляции жил. Поэтому использования литцендрата наиболее эффективно на частотах до 1,0 ... 1,5 МГц, где повышение добротности за счет применения этого провода может достигать 30 ... 40 %.катушка индуктивность проводник трансформатор
4. Использование в катушках магнитных сердечников из материалов с высоким значением и малыми магнитными потерями в рабочем диапазоне частот. В случае применения магнитного сердечника заданная индуктивность достигается при меньшем числе витков обмотки, что снижает сопротивление обмотки и уменьшает емкость катушки. В конечном итоге это приводит к увеличению . Однако одновременно возникают магнитные потери, особенно заметные на высоких частотах. Эффективность применения сердечников с точки зрения повышения добротности катушки в рабочем интервале частот во многом зависит от правильного выбора магнитного материала.
Добротность катушек, прежде всего имеющих магнитные сердечники, зависит также от температуры.
1.5 Основные параметры катушек индуктивности и разновидности катушек индуктивности
К основным параметрам катушек индуктивности относятся:
Номинальная индуктивность катушки (значение индуктивности, являющееся исходным для отсчета отклонений).
Допускаемое отклонение индуктивности катушки (разность между предельным и номинальным значениями индуктивности).
Номинальная добротность катушки индуктивности (значение добротности при номинальном значении индуктивности).
Эффективная индуктивность (значение индуктивности, определенное с учетом влияния собственной емкости, собственной индуктивности и изменения начальной проницаемости сердечника).
Начальная индуктивность (значение индуктивности, определенное на низкой частоте, где отсутствует влияние собственной емкости).
Температурный коэффициент индуктивности катушки (TKL) - отношение относительного изменения индуктивности к интервалу температур, вызвавшему это изменение.
Температурная нестабильность индуктивности катушки (относительное изменение индуктивности, вызванное изменением температуры).
Температурный коэффициент добротности (ТКД) - отношение относительного изменения добротности к интервалу температур , вызвавшему это изменение:
Собственная емкость катушки индуктивности (электрическая емкость) составляющая с ее индуктивностью резонансный контур, измеренная на частоте собственного резонанса.
Рабочий диапазон температур (максимальная и минимальная температуры). Для дросселей, используемых в цепях питания, важны: ток подмагничивания, индуктивность, сопротивление обмотки дросселя постоянному току.
Контурные катушки индуктивности используют совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность. В диапазоне длинных и средних волн эти катушки многослойные, как правило, с намоткой типа «универсаль». Для повышения добротности применяют многожильные провода типа «литцендрат». Для изменения индуктивности применяют цилиидрические сердечники из альсифера или карбонильного железа.
В диапазоне коротких и ультракоротких волн используют однослойные катушки с индуктивностью порядка единиц микроГенри и добротностью порядка 50 - 100. Число витков таких катушек не превышает одного - двух десятков, диаметр каркаса 10 - 20 мм. В качестве каркасов используют керамику, полиэтилен и полистирол. Для уменьшения собственной емкости применяют ребристые каркасы. Обмотку выполняют одножильным медным проводом диаметром около 1 мм. На УКВ применяют бескаркасные катушки из неизолированного провода.
Катушки связи применяют для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет, например, разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т. д. К таким катушкам не предъявляют жестких требований по добротности и точности, поэтому их выполняют из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи
где и - индуктивность связанных катушек, - взаимная индуктивность между ними. Значение коэффициента связи зависит от расстояния между катушками - чем оно меньше, тем больше .
Вариометры. Это такие катушки, в которых предусмотрена возможность изменения индуктивности в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединенных последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется значение взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра:
Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 - 5 раз.
Дроссели. Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Обычно включаются в цепях питания усилительных устройств. Предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов. На низких частотах используют в фильтрах цепей питания. Они обычно имеют металлические сердечники.
Катушки индуктивности для ГИС. На частотах порядка 10 - 100 МГц находят применение тонкопленочные спиральные катушки. На площади в 1 см2 располагается не более 10 витков. Добротность таких катушек не превышает 20 - 30. Поэтому они находят ограниченное применение. В ГИС предпочтительнее миниатюрные тороидальные катушки на ферритовых сердечниках. Индуктивность таких катушек достигает десятков тысяч микроГенри.
В последнее время наметилась тенденция замены катушек индуктивности специальными схемами на транзисторах (гираторы) и электромеханическими, пьезоэлектрическими и акустоэлектронными фильтрами, основанными на принципе механических упругих колебаний и механического резонанса. Скорость распространения упругих колебаний в твердом теле примерно в 100 тысяч раз меньше скорости распространения электромагнитных волн, что позволяет создавать очень компактные механические резонаторы с распределенными параметрами, обладающие добротностью порядка 103 . Развитие микроэлектроники привело к появлению фильтров на приборах с зарядовой связью и фильтров на поверхностных акустических волнах. Кроме того, в ИМС широкое применение находят активные RC - фильтры, в которых используют операционные усилители с глубокой частотно-зависимой обратной связью.
Глава 2. Трансформаторы
Трансформаторами называются статические устройства, обеспечивающие преобразования параметров переменных напряжений и токов. Трансформаторы позволяют: изменять уровни и фазу напряжений (токов); согласовывать сопротивления источника сигнала и нагрузки; разделять цепи по постоянному току; изменять форму переменного напряжения (тока). В настоящее время преимущественно применяются электромагнитные трансформаторы, принцип работы которых основан на преобразовании энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратном преобразовании последней. Тем самым осуществляется передача электрической энергии из одной цепи в другую.
Трансформаторы представляют собой электромагнитные устройства, имеющие две или большее число индуктивно - связанных обмоток и предназначенные для изменения значений переменного напряжения и тока. Трансформатор состоит из ферромагнитного магнитопровода (сердечника) и расположенных на нем обмоток. Обмотка, подключаемая к источнику преобразуемого напряжения, называется первичной, а обмотки, к которым подключены потребители электрической энергии, - вторичными. Трансформатор с двумя обмотками (первичной и вторичной) может выполнять две основные функции:
* преобразование величины переменного напряжения без изменения его частоты;
* электрическая развязка и согласование сопротивлений цепей первичной и вторичной обмоток.
2.1. Классификация трансформаторов
В зависимости от назначения трансформаторы подразделяют на трансформаторы питания, согласующие и импульсные.
Импульсные трансформаторы используются для формирования или преобразования импульсных сигналов.
Наибольшее распространение получили трансформаторы питания, в которых используются несколько вторичных обмоток, что позволяет получить от единой питающей сети набор напряжений различной величины.
Трансформаторы питания применяют в блоках питания радиоустройств и служат для получения переменных напряжений, необходимых для нормального функционирования аппаратуры. Условно их подразделяют на маломощные (выходная мощность до 1 кВт) и мощные (выходная мощность более 1 кВт), низковольтные (напряжение на обмотках не превышает 1000 В) и высоковольтные. Кроме того, трансформаторы питания дополнительно классифицируют по частоте преобразуемого напряжения. По конструкции к трансформаторам питания близки дроссели. По существу, это однообмоточные трансформаторы, предназначенные для последовательного включения в цепи пульсирующего тока в целях устранения пульсаций этого тока.
Согласующие трансформаторы предназначены для изменения уровня напряжений (токов) электрических сигналов, несущих полезную информацию. Они позволяют согласовать источник сигналов с нагрузкой при минимальном искажении сигнала. Вместе с активными элементами (транзисторами, лампами) они входят в состав устройств, усиливающих электрические колебания в широкой полосе частот. Различают входные, межкаскадные и выходные трансформаторы. Входные трансформаторы включают на входе усилительного устройства для согласования выходного сопротивления источника сигналов, например микрофона, с входным сопротивлением усилителя. Так как уровень входных сигналов сравнительно невелик, то эти трансформаторы должны быть хорошо защищены от воздействия внешних магнитных полей. Межкаскадные трансформаторы согласуют выходное сопротивление предыдущего каскада с входным сопротивлением последующего. Выходные трансформаторы согласуют выходное сопротивление усилителя с внешней нагрузкой. Выходные трансформаторы доли обеспечивать передачу большой мощности от усилителя в нагрузку.