Котушки індуктивності дроселі й трансформатори

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Котушки індуктивності, дроселі та трансформатори»
МІНСЬК, 2008

Індуктивність - фізична величина, що характеризує магнітні властивості електричного кола. Струм в проводяться контурі створює в навколишньому просторі магнітне поле. Магнітний потік Φ, що пронизує контур:
Ф = L · ​​I
I - струм у контурі;
L - коефіцієнт пропорційності, званий індуктивністю, або коефіцієнтом самоіндукції контура.
Індуктивність залежить від геометрії, розмірів контуру, магнітної проникності середовища та провідників, що утворюють електричний ланцюг. Для неферомагнітних середовищ і провідників індуктивність жорсткого (недеформируемой) контуру постійна.
Через індуктивність виражається е.р.с. самоіндукції ε в контурі, що виникає при змінивши ньому струму:

Одиниця індуктивності в СІ - Генрі. (1 Генрі (Гн) - така індуктивність, при якій струм в 1 Ампер породжує потокозчеплення φ в 1 Вебер).
Для котушки, що складається з одного витка, потокозчеплення φ визначається:
φ = L · ​​I
Вимірником індуктивності називається прилад для вимірювання індуктивності котушок, дроселів, обмоток трансформаторів, а також опору активних втрат котушок. Найбільш широке застосування знаходять вимірювачі індуктивності, робота яких заснована на резонансному і мостовому методах. У резонансних вимірниках індуктивності (рис. 1) використовуються відомі співвідношення між параметрами L, C і R коливального контуру і його резонансною частотою. Резонансні вимірювачі індуктивності працюють на частотах від декількох кГц до декількох сотень МГц; діапазон вимірюваних індуктивностей - від сотень часткою мкГн до декількох сотень мгн; похибка вимірювань становить зазвичай кілька відсотків.

Малюнок 1 - Резонансний вимірювач індуктивності
Lc - індукція витка зв'язку;
Lx - вимірювана індуктивність;
Сk - власна ємність котушки;
Сх - зразкова ємність;
ЛВ - ламповий вольтметр;
ГВЧ - генератор сигналів високої частоти;
У мостових вимірниках індуктивності використовуються мостові ланцюги, часто такі ланцюга входять до складу універсальних мостів, призначених для вимірювання індуктивності, ємності та активного опору. Мостові вимірювачі індуктивності застосовуються на частотах до декількох сотень МГц і забезпечують вимірювання індуктивностей від десятих часток мкГн до декількох тисяч Гн. Все ширше застосовуються вимірювачі індуктивності з самобалансірующіміся мостами змінного струму з цифровим відліком (рис. 2), а також вимірники індуктивності, в яких вимірюваний параметр перетвориться в струм, напруга або часовий інтервал з подальшим вимірюванням цих величин цифровими вимірювачами.

Малюнок 2 - Мостовий вимірювач індуктивності
Zx - повний опір котушки індуктивності;
Z 2 - зразковий резистор;
Z 2,3 - змінні резистори;
1 - генератор сигналів низької частоти (ГСНЧ);
2 - блок порівняння;
3 - блок управління врівноваження мосту;
4 - пристрій цифрового рахунку;
У сучасних вимірниках індуктивності широко застосовуються мікросхеми. Основною тенденцією у розвитку вимірювачі індуктивності є автоматизація процесу вимірювання в поєднанні з дистанційним програмним управлінням, що дозволяє використовувати такі вимірники індуктивності в автоматизованих системах контролю та інформаційно-вимірювальних системах.
Так як індуктивність залежить від магнітної пронтцаемості μ середовища і провідників електричного кола, нагадаємо фізичну сутність цієї величини. Магнітна проникність μ - фізична величина, що характеризує зміну магнітної індукції B середовища при впливі магнітного поля H
μ = B / μ 0 H
μ 0 - магнітна постійна;
Магнітна константа (магнітна проникність вакууму) дорівнює:
μ 0 = 4π · 10 -7 Гн / м = 1,256637 · 10 -6 Гн / м
Магнітна проникність пов'язана з магнітною сприйнятливістю χ співвідношенням
μ = 1 + 4π χ (СМР)
μ = 1 + χ (СІ)
Для вакууму χ = 0, μ = 1.
У змінних магнітних полях, що змінюються за законом синуса або косинуса магнітна проникність представляється в комплексній формі:
μ = μ 1 + i μ 2
μ 1 - характеризує оборотні процеси намагнічування;
μ 2 - процеси розсіювання енергії магнітного поля (втрати на вихрові струми, магнітну в'язкість і ін)
Магнітна в'язкість - затримка в часі зміни магнітних характеристик речовини (намагніченості, магнітної проникності) від зміни напруженості магнітного поля. Запізнення від 10 -9 с до годин. Магнітна сприйнятливість - величина, що характеризує зв'язок намагніченості речовини з магнітним полем в цій речовині
χ = J / H
χ уд = χ / g
χ = χ уд · M
M - молекулярна (атомна) магнітна сприйнятливість;
Магнітна сприйнятливість - позитивна для парамагнетиків і феромагнетиків (намагнічуються по полю); негативна - для діамагнетиків (намагнічується проти поля).
Діамагнетик - He, Cu, Be, Zn, Ag, Au, Bi і інші, H 2 O, CO 2, CH 4 (метан), З 6 Р 6 (бензол).
Парамагнетики - Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, W, Pt ..
J - намагніченість - характеристика магнітного стану макроскопічного тіла. Намагніченість J визначається як магнітний момент M одиниці об'єму тіла:
J = M / V,
або для однорідного намагнічування
J = dM / dV.
Вимірюється в A / м, 1 м 3 речовини володіє магнітним моментом 1 А · м 2 в системі СГС (Гс · см 3).
Магнітна індукція B - основна характеристика магнітного поля, що представляє собою середнє значення сумарної напруженості мікроскопічних магнітних полів, створених окремими електронами та іншими елементарними частинками.
B = H + 4πJ (1)
H - вектор напруженості магнітного поля;
J - вектор намагніченості;
J = χ H (2)
На підставі (1) і (2) і з урахуванням раніше наведених співвідношень:
B = (1 + 4πχ) H = μH
μ = (1 + 4πχ)
μ - магнітна проникність;
χ - магнітна сприйнятливість;
У системі СІ використовуються наступні співвідношення:
B = μ 0 (H + J)
J = χH
B = μ 0 μH
μ = 1 + χ
Магнітна індукція в СІ вимірюється в Тесла (1 Тл - 10 4 Гс).

Природа індуктивності та класифікація котушок індуктивності
Для створення котушок індуктивності використовується ефект взаємодії магнітного поля і змінного струму. Коефіцієнт пропорційності між змінним напругою і струмом з урахуванням частоти ω має сенс реактивного опору j ω L, де L - Коефіцієнт пропорційності. Для збільшення індуктивності дріт, по якому протікає струм, намотують у вигляді котушки. При цьому додається взаємна індуктивність між витками і індуктивний опір, тобто значення L збільшується. Індуктивність є основним параметром котушки.
Котушки використовуються в РЕА як дроселі для перерозподілу змінного струму по ланцюгах і створення індуктивного зв'язку між ланцюгами. При їх використанні разом з конденсаторами утворюються коливальні контури, що входять до складу фільтрів і генераторів високочастотних коливань. Слід підкреслити, що під котушками індуктивності будемо розуміти ті індуктивні елементи, які працюють у діапазоні радіочастот приблизно від 100 кГц і вище.
Для класифікації радіочастотних індуктивних елементів можна використовувати різні ознаки: наявність або відсутність сердечника, характер намотки - одношарова (з кроком або без кроку) або багатошарова (рядова, універсальна, внавал), робочу частоту, кількість обмоток, наявність або відсутність каркасу, наявність або відсутність екрану і т.д.

Схема заміщення, основні та паразитні параметри
  У котушці індуктивності крім основного ефекту - індуктивності - спостерігаються і паразитні. Схема заміщення (рис. 3а) котушки відображає її основні властивості і містить не тільки основний параметр, індуктивність L, але і ряд додаткових: індуктивність виводів (враховані в L); власну ємність, обумовлену наявністю обмотки, висновків, сердечника і екрану З L; опір, що відображає втрати в ємності R C; опір, залежне від втрат у котушці R L. З L з L утворює паралельний резонансний контур. Його резонансна частота f0 = 1 / 2 π (LC 0) 1 / 2, еквівалентна схема контуру показана на рис. 3б.

Малюнок 3а - Схема заміщення котушки

Малюнок 3б - Еквівалентна схема контуру
Котушка індуктивності - котушка з дроту з ізольованими витками; володіє значною індуктивністю при відносно малій ємності та малому активному опорі. Призначена для накопичення магнітної енергії, поділу або обмеження електричних сигналів різної частоти і т. д. Індуктивність котушки індуктивності визначається лінійними розмірами котушки, числом витків обмотки і магнітною проникністю навколишнього середовища і провідників; змінюється від десятих часток мкГн до десятків Гн. Інші основні параметри котушки індуктивності: добротність Q (відношення індуктивного опору до активної), власна ємність, механічна міцність, габаритні розміри, маса.
Залежно від конструкції котушки індуктивності діляться на каркасні і безкаркасні, одно-і багатошарові, екрановані і неекрановані, з магнітними сердечниками (з феритовими сердечниками) і без них (рис. 4). Важливе значення котушок індуктивності з сердечниками - можливість підстроювання (зміна індуктивності котушки індуктивності в певних межах шляхом зміни параметрів сердечника). Котушки індуктивності використовуються в якості одного з основних елементів електричних фільтрів і коливальних контурів, накопичувача електричної енергії та ін

Малюнок 4а - Циліндрична одношарова котушка індуктивності

Малюнок 4б - тороїдальне багатошарова котушка індуктивності з Січі - квадрат

Малюнок 4в - Котушка індуктивності з циліндричним осердям (броньовий)

Малюнок 4г - Котушка індуктивності з П-образним сердечником

Малюнок 4д - Зразкова індуктивність на керамічному тороід

Малюнок 4е - Варіометр - котушка з регульованою індуктивністю і поступальним переміщенням сердечника
1 - обмотка;
2 - каркас;
3 - сердечник;

Малюнок 4ж - Варіометр з обертовим сердечником
1 - ротор;
2 - статор;
Індуктивність котушки, мкГн, може бути розрахована за формулами:
L = L 0 W 2 D · 10 -3 (3)
Для одношарової котушки L 0 = f (l н / D),
де l н - довжина намотування, см;
D сер = D к + d - Середній діаметр витка, см;
D к - діаметр каркаса;
  d - діаметр проводу;
W - кількість витків.
Для багатошарової котушки:
L 0 = f (l н / D ср) і L 0 = f (b / D ср),
де D - зовнішній діаметр котушки, см;
D ср - Середній діаметр котушки, см;
D к - діаметр каркаса, см;
  b - глибина намотування, см;
Важливим параметром котушки при її застосуванні в коливальних контурах є добротність, характеризує відносних рівень активних втрат в її обмотці, власної ємності, сердечнику і екрані:
Q = ωL / R L
Властивості котушки при зміні температури описуються температурним коефіцієнтом індуктивності α L, що визначається виразом

Індуктивність при температурі T визначається виразом
L (T) = L ВІД [1 + α L (T - T 0)
де T - температура;
L ВІД - індуктивність при номінальній температурі;
T 0 - номінальна температура.
Зміна параметрів у часі (старіння) характеризується коефіцієнтом старіння
β L = (dL / dt) (1 / L 0),
де t - час;
L 0 - індуктивність безпосередньо після виготовлення котушки.
Індуктивність після тривалої роботи бути визначена з виразу
L (t) = L 0 (1 + β L t)
Велике значення мають також конструктивні параметри: надійність, габарити, маса, діапазон температур, вологостійкість, стійкість проти механічних впливів, а також технологічності котушки, можливість її виготовлення з використанням високопродуктивних методів, вартість, узгодженість її конструкції з ІС і можливість виготовлення котушок методами мікроелектроніка. Конструкція і параметри котушки істотно залежать від використання в ній сердечника з високою магнітною проникністю.

Стабільність котушок без осердя
При застосуванні котушок в контурах велике значення має стабільність індуктивності. Найбільш високою стабільністю мають одношарові котушки без сердечників. Розглянемо, чим вона визначається.
З (3) випливає, що стабільність індуктивності одношарової котушки залежить від зміни діаметра каркаса при впливі температури. Однак при оцінці температурної стабільності необхідно враховувати також те, що у високочастотних котушках в результаті поверхневого ефекту струм протікає не по всьому перетину дроту, а по тій частині, яка примикає до каркасу. Покладемо, що товщина шару, що використовується струмом, буде взята такий же, як товщина поверхневого (скін-) шару в проводі

де ρ = 10-6 Ом · м - питомий опір;
- Частота, МГц;
χ еф - глибина, на якій струм падає до 0,37 його значення на поверхні провідника, мм.
Ефективний діаметр витка
D еф ≈ D до + 2χ еф.
На рисунку 5 показана конструкція високочастотної котушки (1 каркас з матеріалу з малим температурним коефіцієнтом лінійного розширення; 2 - виток).

Малюнок 5 - Конструкція високочастотної котушки

Котушки індуктивності з сердечниками
Котушки без сердечників мало придатні для мікромініатюризації, оскільки зменшення діаметра каркаса котушки призводить до необхідності збільшення кількості витків. Тому для поліпшення характеристик котушки використовують сердечники з високою проникністю і малими втратами на радіочастоті.
Спочатку в якості матеріалу для таких сердечників використовувалося карбонильное залізо, потім альсифера, а в даний час все ширше застосовуються ферити. Введення сердечника дозволяє зменшити кількість витків при тій же індуктивності.
Якщо припустити, що в осерді немає втрат, то добротність котушки з сердечником Q з збільшиться в √ μ з разів:
Q з ≈ Q б / д
μ з
де Q б / д - добротність котушки без сердечника тієї ж індуктивності;
μ з - діюча магнітна проникність.
Основним методом підвищення проникності сердечника є додання йому такої форми, при якій магнітні силові лінії практично повністю проходять шлях по магнітному матеріалу з високою проникністю. Це, наприклад, броньовий сердечник (Малюнок 4в).
Індуктивність котушки з сердечником із зазором (Малюнок 4г):
L c = 12,6 · 10 -3 S c W 2 μ з / L c = 12,6 S c W 2 μ н · 10 -3 / L c (1 + μ н l 3 / l c),
де S c - площа перерізу осердя.

Властивості котушок індуктивності при тривалому функціонуванні
При тривалому функціонуванні котушок індуктивності з сердечниками найбільш істотний вплив на їх параметри надає сердечник.
Старіння матеріалу сердечника зазвичай описується логарифмічним законом:
Δμ н (t) / μ н = β  0 lg t / t 0.
Тоді для середнього значення
m [Δμ н (t) / μ н] = m 0 ) Lg t / t 0
де μ н - початкова магнітна проникність матеріалу;
Δμ н (t) - відхилення магнітної проникності матеріалу від початкової магнітної проникності;
β  0 - випадковий коефіцієнт, що показує швидкість зміни магнітної проникності матеріалу для кожної реалізації;
m (β 0 ) - Математичне очікування коефіцієнта, що показує швидкість зміни магнітної проникності матеріалу;
t - час, протягом якого відсутні помітні зміни магнітної проникності.
Значення Δμ н (t), β  0, m (β 0), t 0   отримують з результатів експерименту. У розглянутому прикладі для тороїдальних сердечників m (β 0) = 0,14% і t 0 = 50 год
Середньоквадратичне відхилення також можна розглядати як змінюється по логарифмическому закону:
D 1 / 2 (Δμ н (t) / μ н) = D 1 / 2 0 ) Lg t / t 0.
Зміна стабільності при тривалій експлуатації котушок індуктивності в основному визначається зміною магнітної проникності сердечника μ с.   При невеликих зазорах
μ з
=
μ н
(4)
1 + μ н (l з / l c)
де l c - довжина магнітної силової лінії;
l з - "Довжина" зазору;
μ н - номінальна магнітна проникність матеріалу.
Отже, змінюючи зазор, можна отримати різні значення μ з <     μ н, Відносне зміна індуктивності
Δ L c (t) / L c (t) / μ c
де L c і μ c   - Початкове значення індуктивності проникності осердя;
Δ L c (t) і Δμ c (T) - їх відхилення в часі.
Для опису закономірностей відхилень Δμ c і Δ L c також слід скористатися логарифмічною апроксимацією. Тоді
Δ L c (t) / L c = Δμ c (T) / μ c = Β  з lg t / t 0
де β з - Випадковий коефіцієнт, що показує швидкість зміни магнітної проникності сердечника й індуктивності котушки.
Застосування феритових сердечників дозволяє значно підвищити індуктивність, а, отже, добротність котушки, при непоганих показниках по стабільності (наприклад, при середньому звільнення за індуктивності на 0,5% за три роки). При цьому необхідно так вибирати матеріал сердечника, щоб втрати при частоті, на якій працює котушка, були зневажливо малі. За отриманою μ c слід вибрати зазор, користуючись (4).

Перспективи розвитку і використання котушок індуктивності в РЕА
Котушка індуктивності є елементом, пару якого з інтегральною схемою викликає великі труднощі. Основна причина полягає в складності створення котушок малих габаритів з високими індуктивністю і добротністю.
Все це пояснює тенденцію, що намітилася зменшення кількості котушок індуктивності в апаратурі на інтегральних схемах, що не вимагають котушок індуктивності, і заміни їх спеціальними схемами на транзисторах (гиратора).
Що стосується розвитку котушок індуктивності загального призначення вдосконалення їх параметрів в основному пов'язано з новими матеріалами, що мають високу магнітну проникність і стабільність на різних частотах, що значно перевищують за своїми властивостями сучасні ферити. Феррити - магнітні матеріали, що представляють собою з'єднання оксиду заліза (Fe 2 O 3) з оксидами інших металів: FeOFe 2 O 3 (ферит заліза та інші матеріали типу M 2 + O Fe 2 O 3), а також феррогранати: Y 3 Fe 5 O 12 та інші типу M 2 + Fe 12 O 19 і RFeO 3, де R - рідкоземельні елемент або Y, ортоферріти CaTiO 3.

Котушки зв'язку
Зв'язок між окремими ланцюгами і каскадами може здійснюватися за допомогою котушок зв'язку. Основними параметрами котушок зв'язку є індуктивність і коефіцієнт індуктивності зв'язку. Індуктивність розраховують, як і для котушок індуктивності.
Коефіцієнт індуктивного зв'язку
k = M /
L 1 L 2
де L 1 і L 2 - індуктивності пов'язаних котушок, Гн;
М - взаємна індуктивність між ними;
Котушки зв'язку застосовуються для поділу по постійному току сіткових і анодних ланцюгів, ланцюги бази і колектора та інших.

Малюнок 6 - Котушки зв'язку з обмотками:
a - двома одношаровими (k = 0,9);
б - одношарової та багатошарової (k = 0,5);
в - одношарової (роздвоєною) і багатошарової (k = 0,7);
г - двома багатошаровими (k = 0,8);

Котушки індуктивності для гібридних інтегральних схем
Основною вимогою, що пред'являються до котушок індуктивності для гібридних інтегральних схем, є планарність їх конструкції.
У гібридних мікросхемах можуть використовуватися мініатюрні котушки індуктивності з осердям з феритів. Їх добротність близько 50, вони за габаритами повинні бути сумісні з корпусами гібридних мікросхем до 10 мм і менше.
Індуктивність тороїдальної котушки з магнітним осердям прямокутного перерізу
L = 4,6 · μ з an 2   · 10 -4 lg [(D ср + b) / (D cp-b)],
де n - число витків;
a і b - висота і ширина перерізу осердя, мм;
D ср - середній діаметр сердечника, мм.
Тонкоплівкові котушки індуктивності мають обмежений частотний діапазон (10-100 МГц).
Тому тонкоплівкові котушки зазвичай мають на площі 1 см 2 число витків не більше 10 і виконуються у вигляді круглої або квадратної спіралі (малюнок 7а, б). Індуктивність таких котушок визначають за формулами:
L = 24,75 D cp N 5 / 3 lgD ср · 10 -3 / t
L = 55,5 N 5 / 3 lg8 a · 10 -3 / t '
де D сер = (D н + D в) / 2 - середній діаметр спіралі, см;
a = (A н + A в) / 2 - середня довжина сторони квадрата, см;
t = (D н + D в) / 2 і t '= (A н + A в) / 2 - радіальна ширина намотування, див.
Тонкоплівкові котушки володіють низькою добротністю (Q = 20? 30) і тому використовуються тільки в тих випадках, коли інші варіанти технічно неможливі.

Малюнок 7а, б - Тонкоплівкові котушки індуктивності:
a - кругла;
б - квадратна;

Дроселі
Дросель електричний - котушка індуктивності, що включається в електричний ланцюг послідовно з навантаженням для усунення (придушення) або обмеження змінної складової струму різної частоти. Реактивний опір
X L = 2πfL = wL
де f - частота;
w - циклічна частота;
L - індуктивність;
Дроселі зазвичай мають сердечник (електротехнічна сталь). Застосовуються переважно в електричних фільтрах.
Дросель високої частоти - це котушка індуктивності, що включається в ланцюг струму високої частоти для збільшення її опору. При цьому значення постійного струму або струму низької частоти не змінюється. Дроселі застосовуються в ланцюгах фільтрації живлення підсилювачів високої частоти. Для підвищення загороджувальних властивостей дросель повинен мати значну порівняно з контурною котушкою індуктивністю і дуже малої ємністю. Резонансна частота дроселя повинна бути набагато більше частоти виділяється в контурі робочого сигналу. У цьому випадку при індуктивності порядку сотень мікрогенрі дросель повинен бути ефективним розв'язують ланцюгах контурів УВЧ. Конструктивно дроселі високої частоти виконують намотуванням на будь-який каркас, наприклад, на підстави недротяні резисторів, у вигляді одношарових суцільних котушок або котушок типу "Універсал". Дроселі, що випускаються промисловістю, намотані на ферритові стрижні і опресовані пластмасою, їх індуктивність сотні мікрогенрі-одиниці міллігенрі.

Низькочастотні дроселі
Низькочастотні дроселі, в більшості випадків призначені для зменшення пульсації випрямленої напруги в телевізорах, радіоприймачах, передавачах і інших пристроях, входять до складу згладжуючих і низькочастотних LC-фільтрів. Опір дроселя постійному струму дуже мало і одно омічного опору проводу обмотки. Опір дроселя змінному струмі
Z = 2πfL
(Де f - частота живильної мережі 50 або 400 Гц або пульсацій 100 або 800;
L - індуктивність дроселя в Гн) складає кілька одиниць - десятків кOм і залежить від необхідного рівня допустимих пульсацій.
У керованих дроселях, навпаки, використовується властивість магнітного матеріалу змінювати свій опір змінному струму при зміні робочої точки магнітної характеристики.

ЛІТЕРАТУРА
1. Ричіна Т.А. Пристрої функціональної електроніки та електрорадіоелементи., Мн: Радіо, 2005р.
2. Єфімов А.В, Мікроелектроніка, Мн: ВШ, 2004р.
3. Світенко В.І. Електрорадіоелементи, Мн: Радіо, 2006р.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
64.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Визначення індуктивності котушки і її активного опору методом резонансу
Формула габаритної потужності трансформатора Дроселі і магнітні підсилювачі
Креслення котушки трансформатора радіоелектронної апаратури
Трансформатори
Трансформатори
Трансформатори та їх виконристання
Трансформатори й асинхронні двигуни
Розрахунок індуктивності
Екранована котушка індуктивності 2
© Усі права захищені
написати до нас