Учебники 80282

Поэтому необходимая индуктивность может быть получена при меньшем количестве витков, т. е. при меньшей длине, а следовательно, и сопротивлении провода.

Отношение добротности катушки с сердечником к добротности этой же катушки, но без сердечника называют добротностью сердечника Qñ [4]. Она характеризует потери, вноси-

мые сердечником в катушку. Это отношение зависит от коэффициента использования магнитных свойств материала, потерь и в сильной степени от частоты. С увеличением частоты потери в сердечнике возрастают, а проницаемость падает; это приводит к падению добротности.

Приближенно можно считать, что добротность катушки с сердечником в ñ больше добротности, катушки с такой же

индуктивностью, но без сердечника. Относительная добротность может служить мерой для определения диапазона рабочих частот. Верхней границей рабочей диапазона является частота, при которой это отношение достигает единицы, хотя для регулировки индуктивности допустимо применение сердечника и при несколько более высоких частотах.

Потери, вносимые сердечников в катушку уменьшаются с уменьшением k . Присутствие сердечника оказывает влияние на стабильность катушки из-за изменения его проницаемости. Это влияние также сказывается тем меньше, чем меньше k .

Существует большое разнообразие различных форм сердечников [12, 17], основными из которых являются цилиндрические, броневые, кольцевые (тороидальные), Ш, П, Н и О-об- разные. Каждая из этих форм имеет ряд конструктивных вариантов, вызванных разнообразием электрических и конструктивных требований. Так, например, цилиндрические сердечники могут быть гладкими, с нарезкой или трубчатыми; броневые — с зазором или без него, чашечными и т. д. Некоторые конструктивные формы сердечников нормализованы, т. е. являются типовыми.

Простейшими являются цилиндрические сердечники, до-

41

стоинства которых заключаются в конструктивной простоте и возможности применения в типовых катушках без существенного изменения их конструкции. Их недостатком является низкое использование магнитных свойств магнитного материала, которое в основном определяется соотношением между диаметром Dк и длиной lк катушки и диаметром Dc и длиной lс сердечника.

Чем длиннее катушка и сердечник и чем ближе диаметр катушки к диаметру сердечника, тем больше k .

Промышленность выпускает ряд типовых цилиндрических сердечников из карбонильного железа и ферритов:

CЦР - с резьбой; СЦГ — гладкий; СЦТ —трубчатый и др Сердечники с винтовой нарезкой (резьбой) (рис. 3.14, а) в

основном предназначаются для подстройки катушек и непосредственно ввинчиваются в центральное отверстие каркаса и закрепляются в нужном положении специальной мастикой или резиновой ниткой. Гладкие сердечники (рис.3.14, б) также используются для подстройки, но для удобства перемещения они снабжаются изоляционной втулкой с винтовой нарезкой (рис.3.14, в). Особенно широко используются гладкие сердечники для высокочастотных дросселей и им аналогичных катушек, не требующих подгонки индуктивности. В таких катушках витки укладывают непосредственно на поверхность каркаса, предварительно покрытого слоем изоляционного лака или бумаги. Гладкие сердечники значительной длины ( от 80 до 120 мм) и пластины используются для устройства магнитных антенн.

Трубчатые сердечники (рис. 3.14, г) в основном применяются в ферровариометрах, так как позволяют пропустить приводной трос через центральное отверстие.

Особенно часто цилиндрические сердечники применяются для точной установки индуктивности или подстройки в небольших (от 10 до 15%) пределах, производимой для устранения неизбежного производственного разброса.

Сердечники катушечной формы (рис. 3.14, д и е) дают бóльшее использование магнитных свойств магнитного матери-

42

ала, но не могут применяться на частотахвыше 4,0— 5,0 МГц

а — цилиндрический с резьбой (СЦР); б — цилиндрический гладкий (СЦГ); в — цилиндрический с втулкой; г — цилиндрический трубчатый (СЦТ); Д и е — катушечные; ж —

нитный экран); к — катушка с торцевыми кольцами; л - н — кольцевые; о — Н-образный

Рис. 3.14. Типы магнитных сердечников

43

из-за резкого падения добротности, вызываемого ростом потерь в магнитном материале и диэлектрике. Их используют для катушек контуров приемников длинных и средних волн и для дросселей высокой частоты. При изготовлении таких сердечников из феррита можно получить катушки с добротностью до 600 на частоте 200—250 кГц. Некоторым их недостатком является большое внешнее поле (поле рассеяния).

Сердечники броневого типа находят особенно широкое применение, так как позволяют выполнять малогабаритные катушки с высокой добротностью и с удовлетворительной стабильностью. Ценным свойством броневых сердечников является слабое поле рассеяния. Это ослабляет паразитные связи между близко расположенными катушками, позволяет их приблизить друг к другу, облегчает экранирование и позволяет уменьшить размеры экранов и даже полностью отказаться от них.

Броневой сердечник состоит из двух чашек с центральным керном, в отверстие которого вставляется цилиндрический подстроечник (рис. 3.14, ж, з). Обмотку выполняют на отдельной катушке, помещаемой во внутреннюю полость сердечника. Чашки и подстроечник делают из карбонильного железа или ферритов.

Броневые сердечники являются сердечниками с замкнутой магнитной цепью. Однако для получения необходимых электромагнитных параметров в центральный керн вводят зазор (рис.3.14, з). Частным видом броневого сердечника с зазором является чашечный сердечник (рис. 3.14, и). Сердечник с зазором имеет меньшую относительную проницаемость, поэтому вносит меньшие потери и повышает стабильность всех параметров катушки индуктивности. Размеры типовых чашек и зазоры выбраны так, что относительная проницаемость сердечников из карбонильного железа равна примерно от 2 до 4, а сердечников из ферритов — от 2 до 10; коэффициент подстройки составляет от 10 до 15%.

Броневые сердечники применяют для катушек высокочастотных контуров, контуров промежуточной частоты и фильтров различного назначения. Сердечники из карбонильного же-

44

леза пригодны для частот до 25 МГц, а сердечники из ферритов

— до 100 МГц. Промышленность выпускает большой ассортимент броневых сердечников из карбонильного железа Р-10 или Р-20 (тип СБ) и из ферритов (тип Б).

Сердечники типа Б выполняются из прецизионных термостабильных ферритов марок 200СНМ1, 1500НМ3, 1000НМ3, 700НМ, 50БЧ2, 30БЧ2 и 20ВЧ2. Относительная магнитная проницаемость сердечника нормирована, ее величина устанавливается зазором. Сердечники типа Б без зазора имеют ограниченное применение.

Чашечные сердечники типа Ч (рис. 3.14, и) выполняют из ферритов марок 1000НМ3 и 50ВЧ2. Их применяют в контурах малогабаритных радиоприемников.

В малогабаритных радиовещательных приемниках находят также применение катушки, магнитная цепь которых состоит из подстроечника и двух колец из феррита, распоженных на торцах катушки (рис. 3.14, к). Такой сердечник позволяет повысить добротность катушки до 300 (на частоте 50 МГц) и уменьшить размеры внешнего поля.

Наиболее полное использование магнитных свойств дают кольцевые (тороидальные) сердечники (рис.3.14, л, м, н), относительная проницаемость которых примерно равна начальной проницаемости магнитного материала, поэтому катушки на таких сердечниках выполняют, когда необходимо получить наибольшую индуктивность при наименьших размерах. Достоинством кольцевых сердечников является возможность выполнения высокодобротных (до 500 единиц) катушек, а также практически полное отсутствие внешнего поля. Это устраняет необходимость экранирования и связанного с ним увеличения размеров. Кроме того, в кольцевых сердечниках имеется возможность получения сильной (k ≈ 1) связи между обмотками. Их основной недостаток — сложность намотки, требующей специального оборудования, и невозможность подстройки.

Промышленность выпускает обширный ассортимент кольцевых сердечников из магнитодиэлектриков и ферритов.

45

Точный расчет k в настоящее время еще не разработан

[12]. Для приближенного расчета на рис. 3.15 представлена его зависимость от отношения Dê /dc , а на рис. 3.16 – представлен график зависимости поправочного коэффициента k , учитывающего влияние длины сердечника lc на его магнитную проницаемость ñ .

Рис. 3.15. Зависимость коэффициента использования магнитных свойств материала сердечника k от отношения диаметров

где í - начальная магнитная проницаемость материала сердечника;

k - коэффициент использования магнитных свойств материала сердечника;

46

k - поправочный коэффициент, учитывающий влияние длины сердечника.

Рис. 3.16. Зависимость поправочного коэффициента k , учитывающий влияние длины сердечника lc , от отношения lc /Dc .

Значение í определяется выбранным магнитным мате-

риалом.

Известно, что индуктивность L, Гн катушки с замкнутой магнитной цепью определяется следующим образом [20]

L c 0Sc N2

ется отношение

47

ность одновитковой катушки. Этот параметр вносится в справочные данные для конкретного сердечника. Этот коэффициент зависит только от параметров сердечника. Для каждого типоразмера сердечника он индивидуален.

IN - ампер-витки, А · виток;

lc - длина средней силовой линии в сердечнике, м;

c - магнитная проницаемость сердечника;

0 - магнитная постоянная, Гн/м;

Sc - площадь сечения магнитной цепи, м2.

Если в этой магнитной цепи организовать немагнитный зазор толщиной (рис. 3.17), существенно меньший по размерам,

48

чем длина средней силовой линии << lc , то закон Ома для та-

кой магнитной цепи будет иметь вид

Рис. 3.17. Замкнутая магнитная цепь с немагнитным зазором

С учетом того, что 1, запишем закон Ома в виде

При условии, что

l

>> c , (3.21)

c

49

получаем

где ñç - магнитная проницаемость сердечника с зазором.

Отсюда следует, что

l

ç , (3.23)

ñç

то есть магнитная проницаемость сердечника с зазором при данных размерах сердечника, в частности, при данной lc , зави-

сит только от толщины немагнитного зазора . Изменяя толщину немагнитного зазора можно управлять индуктивностью катушки.

Для подстройки индуктивности катушек УКВ часто применяют немагнитные сердечники из меди или латуни. Такие сердечники уменьшают индуктивность катушки, вносят в нее некоторое сопротивление и поэтому понижают ее добротность. Практически при этом можно получить изменение индуктивности до 5 % при падении добротности не более 10 %.

Важным свойством немагнитных сердечников является высокая стабильность.

Немагнитный сердечник можно рассматривать как короткозамкнутый виток, связанный индуктивно с катушкой.

Для устранения влияния емкостей, вносимых немагнитным сердечником, последний должен быть гальванически изолирован от корпуса и токонесущих элементов схемы.

50

Для подстройки катушек УКВ диапазона можно применять также диэлектрические сердечники.

3.4. Экраны катушек индуктивности

Катушки индуктивности с незамкнутыми магнитными сердечниками обладают довольно значительным внешним электромагнитным полем, которое обусловливает связь между отдельными контурами. Во многих случаях такая связь является паразитной. Для ее уменьшения применяется экранирование. Степень экранирования характеризуется коэффициентом ký

экранирования, под которым понимают отношение напряженности Í поля катушки без экрана к напряженности Í ý поля той же катушки с экраном

В подавляющем большинстве случаев работает механизм электромагнитного и электростатического экранирования.

Принцип электромагнитного экранирования заключается в следующем. Магнитное поле обмотки катушки наводит ЭДС в экране. Под действием этой ЭДС в экране как в коротко замкнутом витке потечет ток. Этот ток создает магнитное поле согласно правилу Ленца, припятствующее изменению поля катушки и ослабляет его. Максимальное ослабление поля катушки происходит вблизи внутренней поверхности экрана. По мере удаления от этой поверхности и приближения к виткам катушки магнитное поле, создаваемое током в экране, ослабевает и в меньшей степени ослабляет поле катушки. Уменьшение магнитного поля катушки при неизменном токе через нее означает

уменьшение ее индуктивности.

Наличие активного сопротивления экрана приводит к до-

51

полнительному сдвигу фаз между ЭДС и током в экране и, следовательно, между векторами напряженности магнитных полей катушки и экрана. Последнее приводит к дополнительному сдвигу фазы тока катушки, что эквивалентно увеличению ее активного сопротивления и, как следствие этого, уменьшения добротности.

Чем больше расстояние от экрана до витков катушки, тем в меньшей степени уменьшаются индуктивность и добротность катушки.

Электростатическое экранирование заключается в снятии индуцированных электрической составляющей поля на внешней поверхности экрана зарядов путем электрического соединения этого экрана с корпусом.

Конструктивно электромагнитный экран выполняется в виде металлического закрытого с одной или с обеих сторон цилиндра или прямоугольного параллелепипеда, внутрь которого помещается катушка индуктивности (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Экраны разных конфигураций

Эффективность экранирования увеличивается при увеличении частоты переменного поля, толщины экрана и с уменьшением удельного сопротивления материала экрана.

Экранирование вызывает кроме уменьшение индуктивности и добротности возрастание собственной емкости катушки

[12].

Относительное изменение индуктивности

52

Рис. 3.19. Относительное изменение индуктивности катушки при помещении ее в экран

53

Если экран круглый, по оси ординат рис. 3.19 откладывается отношение диаметра экрана Dý к диаметру катушки Dê .

При квадратном экране Dý /Dê — отношение стороны экрана

Dý к диаметру катушки.

Экраны рекомендуется изготавливать из немагнитных металлов с малым удельным сопротивлением (медь, латунь, алюминий и др.).

При Dý /Dê < 1,6 экран вносит в катушку затухание dý ,

которое составляет более 20 % затухания неэкранированной ка-

Для хорошей экранировки необходимо, чтобы толщина экрана была больше расстояния, на котором плотность наводимого тока падает в 100 раз, по сравнению с плотностью тока на поверхности экрана. Расстояние это зависит от материала экрана и частоты. Для указанных выше материалов и f > 1,0 МГц оно менее 0,6 мм [22]. Поэтому толщина экрана определяется механической прочностью и технологичностью его изготовления. В экранах недопустимо наличие швов и паек, расположенных перпендикулярно направлению токов в экране. Форма экрана особого значения не имеет, но прямоугольная форма предпочтительнее круглой, так как обеспечивает более полное использование объема аппаратуры.

3.5. Выводы катушки и крепление концов обмотки

Вывод катушки индуктивности согласно ГОСТ 20718-75 – это деталь катушки индуктивности для электрического соединения катушки с другими элементами электрической схемы.

Процесс намотки витков предполагает перед началом намотки механическое закрепление провода к какому-либо элементу каркаса, проведения намотки и механическое закрепление провода конца обмотки к какому-либо элементу каркаса для предотвращения самопроизвольного разматывания обмотки.

54

Поэтому каркас должен содержать элементы конструкции для механического закрепления концевых проводников обмотки. Конкретное исполнение этого элемента представлено на рис. 3.20.

Рис. 3.20. Вариант исполнения конструкции дросселя

Начало и конец обмоток из толстого провода выводятся непосредственно (без отдельных выводных проводов) через отверстия в самом каркасе, как показано на рис.2.1.

Около торцов цилиндрического каркаса 1 имеются два диаметрально расположенных отверстия 2 и 3. Перед намоткой конец провода загибается под углом в 90°. Этот загнутый конец 4 вставляется в одно из отверстий 2 в каркасе с предварительно нанесенным клеем типа БФ-4. Затем производится намотка провода 5. Конец последнего витка заводится во второе отверстие 3, также предварительно нанесенным клеем. Проводится затяжка провода во втором отверстии с некотором усилием с целью плотной укладки последнего витка и концевого вывода 6. Радиус загиба провода не должен быть меньше двух его диаметров. Возможность реализации такого радиуса загиба провода обеспечивается фасками 7 на входе отверстий. В этом случае часть проводников концевых выводов используются как выводы катушки.

Кроме этого для крепления концевыхвыводов и отводов в кар-

касахпредусматриваютсяотверстиявгильзеили ребре (рис.3.21)

Рис. 3.21. Крепление концевых выводов с помощью отверстий в каркасе

Выводы в каркасах из пластмасс запрессовывают непосредственно в тело каркаса (рис. 3.22). Проводится зачистка концевых проводов на длине от 10 до 15 мм и их лужение. Затем делают от 2 до 3 оборотов этого залуженного участка концевого вывода вокруг армированного контакта и опаивают это место.

Рис. 3.22. Крепление концевых выводов с помощью армированных штифтов и контактов

Достаточно часто для закрепления концевых выводов на внешней поверхности цилиндрического каркаса организуют выступы с отверстиями (ушко) (рис. 3.23).

Рис. 3.24. Элементы подсоединения отводов к катушке с вожженными витками

Такое же крепление концов обмотки может производиться с натяжением провода (рис. 3.25). При горячей намотке или намотке с натягом прочность крепления контакта должна соответствовать натяжению провода.

57

Рис. 3.27. Крепление концевых выводов обмотки на керамическом каркасе с помощью хомутов

Крепление концов обмотки независимо от диаметра провода может также производится на гладком цилиндрическом каркасе с помощью хлопчатобумажных ниток или узкой хлопчатобумажной ленты. Нитки складывают вдвое, образуя петлю, в которую пропускается первый выводной конец провода. При-

58

держивая затем нитки рукой и намотав на нее туго 6—8 витков, петлю затягивают (рис. 3.28,а). Так же закрепляется и второй выводной конец обмотки. Не домотав в этом случае 6—8 последних витков, на каркас кладут сложенную петлей ленту, наматывают последние витки, которые прижимают эту ленту к каркасу, и, пропустив в петлю конец обмотки, затягивают петлю

(рис. 3.28,б).

а — крепление первого вывода обмотки; б — крепление последнего вывода обмотки; в — крепление двух выводов двусторонней затяжкой

Рис. 3.28. Крепление концевых выводов обмотки с помощью ниток

Для организации отводов для цилиндрической однослойной катушки с достаточно толстым проводом иногда используют прием, представленный на рис. 3.29.

59

Рис. 3.29. Организация отводов однослойной катушки

Для каркасов со щечками концы обмоток обычно выводятся непосредственно (без отдельных выводных проводов) через отверстия или прорези в щечках каркаса и соответствующие выемки основания каркаса, как показано на рис. 3.30.

Рис. 3.30. Концевые выводы через отверстия и прорези

вщечках

3.7.Обмоточный провод

Благодаря своим высоким электрическим свойствам наибольшее применение в качестве провода обмотки катушек получил изолированный медный провод круглого сечения.

Для обмоток применяются провода без покрытий или по-

60