Увеличение активного сопротивления обмотки катушки индуктивности. Индуктивность катушки. От чего она зависит и как её можно измерить

Катушкой индуктивности называется пассивный компонент, представляющий собой деталь имеющую обмотку в виде изолированной спирали, которая обладает свойством способным концентрировать переменное магнитное поле. Катушки индуктивности , в отличие от унифицированных резисторов и конденсаторов, являются нестандартными изделиями, а их конфигурация определяется из расчёта на определённое устройство.

Катушки индуктивности обладают характерными параметрами такими как: собственная емкость, добротность, индуктивность и температурная стабильность.

Величина индуктивности катушки прямо пропорциональна габаритным размерам и числу её витков. Индуктивность также зависит от материала сердечника устанавливаемого в катушку и применяемого экрана.



Катушка индуктивности без отводов



Катушка индуктивности с отводами

Вводя в катушку индуктивности стержень, который может быть изготовлен из, феррита, магнетита, железа и т.д. ее индуктивность заметно увеличивается. Подобное свойство позволяет уменьшить общее количество витков катушки и получить требуемую индуктивность . Индуктивность катушки можно регулировать поворотом резьбового сердечника.

В диапазоне коротких волн (KB) и ультра коротких волн (УКВ) используются катушки с относительно малой индуктивностью . В таких катушках монтируются латунные или алюминиевые сердечники, которые позволяют регулировать индуктивность в пределах плюс минус пяти процентов.

На величину активного сопротивления влияет сопротивление самой обмотки катушки и сопротивлением, из-за потерь электрической энергии в каркасе, сердечнике, экране. Чем меньше величина активного сопротивление, тем выше добротность катушки, а следовательно и ее качество.



Катушка индуктивности магнитодиэлектрическим сердечником



Катушка индуктивности с ферритовым и ферромагнитным сердечником



Индуктивность с диамагнитным сердечником (медь, алюминий, латунь)

Витки катушки, зачастую разделяются слоем изоляции, и тем самым образуют элементарный конденсатор, обладающий некоторой емкостью. Между отдельными слоями многослойных катушек индуктивности неизбежно образуется ёмкость. Из этого следует, что помимо индуктивности, катушки обладают некоторой емкостной величиной. Наличие собственной емкости катушки является нежелательным фактором, и ее, как правило, стараются уменьшить. Для этих целей используются различные конструкции форм каркасов катушек и специальные технологии намотки провода.

Катушки индуктивности , как правило, наматываются медным проводником, покрытым эмалевой или эмалево-шелковой изоляцией. В случае если требуется намотать катушки для (ДВ) длинноволнового и (СВ) средневолнового диапазонов используют одножильные проводники типов ПЭЛШО, ПЭЛШД, ПЭЛ, ПЭТ и др. а для (KB) коротковолнового и (УКВ) ультракоротковолнового диапазонов обычно наматывают проводники одножильного сечения типов ПЭЛ, ПЭЛУ, ПЭТ и др.

Технология намотки катушек индуктивности может быть различного исполнения. Имеется несколько наиболее распространённых способов укладки провода, это может быть сплошная намотка или с шагом, намотка навалом, а так же типа «универсаль».

Намотка в один слой применяется для изготовления катушек, которые работают в диапазоне коротких и ультракоротких волн. Как правило, индуктивность подобных катушек составляет от нескольких десятков до 500 мкГ. Каркас однослойных катушек имеет цилиндрическую форму и изготовляется из разнообразных материалов с диэлектрическими свойствами.

В случае если требуется получить достаточно большую индуктивность катушки(свыше 500 мкГ), оставляя её минимальные размерные параметры, применяют намотку несколькими слоями. Подобные катушки имеют большую внутреннюю емкость и для ее уменьшения провод укладывают в навал или типа «универсаль».



Катушка с изменяющейся индуктивностью



Катушка с подстройкой



Экранированная индуктивность

Дроссель

Дроссель, это та же катушка индуктивности , которая обладает большим сопротивлением переменному и малым сопротивлением постоянному току. Дроссели используются в качестве электронных компонентов в различных электротехнических и радиотехнических приборах и устройствах.

В радиоэлектронной аппаратуре применяются высокочастотные и низкочастотные дроссели. Дроссели изготовляют с однослойной навивкой, или укладкой проволоки типа «универсаль». Дроссели так же наматываются по секциям, чтобы уменьшить собственную емкость.

Обозначение дросселей на принципиальных схемах производится аналогично катушкам индуктивности и выглядит в виде четырех полуокружностей соединенных между собой.

Расчет добротности катушки индуктивности достаточно сложен. Ведь добротность зависит от многих факторов – потерь в проводах, сердечнике, экране, точный учет которых весьма затруднен. Однако мы можем упростить задачу, если будем учитывать только потери в проводах. Во-первых они вносят основной вклад в общую сумму потерь, во-вторых оценка добротности катушки нас интересует чаще при создании высокодобротных контуров. При этом применяются специальные меры по минимизации потерь – ребристые каркасы (либо бескаркасные - с "воздушным" каркасом), отсутствие сердечника.

Напоминаю, что добротность - это отношение реактивного сопротивления катушки (2πƒL) к ее сопротивлению потерь. Определить реактивное сопротивление катушки не сложно. А вот подсчет потерь в проводе катушки не так прост и его рассмотрим подробнее...

На просторах Рунета удалось найти только одно решение задачи расчета потерь в проводе катушки индуктивности на радиочастотах, которое дает приемлемые результаты. Этот метод изложен в книге "Радиодетали, радиокомпоненты и их расчет А.В. Коваль 1977г" . Метод графоаналитический, при этом одновременно расчет ведется с применением формул, номограмм и таблиц. Автор метода нигде не указан, поэтому назовем его - "Метод советской школы". Очевидно, что такой расчет крайне сложно реализовать в виде программного алгоритма.

Дальнейшие поиски привели на сайт G3YNH – David Knight . Он провел очень глубокие теоретические исследования, посвященные расчету импеданса на высоких частотах, расчету катушек индуктивности, выбору формул аппроксимации экспериментальных измерений. Их можно найти в главе – "From Transmitter to Antenna". Статья посвященная расчету катушек . Эти исследования легли в основу метода расчета добротности в Coil32 v11.4.1.491 и мне хотелось бы познакомить с ним радиолюбителей. В части теории расчет во многом совпадает с "методом советской школы", однако не во всем.

Одним из первых, кто попытался учесть потери в катушках на радиочастотах был S.Butterworth , в работе: "Effective Resistance of inductance Coils at Radio Frequencies, 1926". Он больше знаменит как разработчик всем известных "фильтров Баттерворта". Именно его работы лежат в основе "метода советской школы". Итак...

Потери в проводе на высоких частотах складываются из трех факторов:

Эту таблицу можно представить программно в виде массива данных, а промежуточные данные получать методом линейной интерполяции. Так и было сделано в онлайн калькуляторе ON4AA -http://hamwaves.com/antennas/inductance.html . Пожалуй это единственный калькулятор, считающий добротность корректно. В Coil32_v11.4.1.491 применена методика из работы: "The resistance of round-wire single-layer inductance coils by A.H.M.Arnold, D.Eng., Associate Member 1951" . Метод основан на формулах Баттерворта и таблицах корректирующих коэффициентов для коротких катушек и считает коэффициент эффекта близости с точностью до ±10%. При этом учитывается рабочая частота, число витков катушки и материал провода, что не делается при расчете непосредственно по таблице Medhurst"а. В Программе имеется возможность выбрать материал провода. Погрешность расчета по такому методу определяется погрешностью линейной интерполяции экспериментальных данных по Ψ и не превышает 10-15%. Подразумевается, что катушка работает на частоте много ниже частоты собственного резонанса. Потери в каркасе не учитываются.

Относительно практических конструкций катушек можно предположить, что здесь расхождение расчетов с практикой будет определяться "неплотностью" намотки катушки виток к витку и толщиной изоляции провода. Отклонение расчетов от измерений в таком случае может достигать 20-30%.

"Советская школа" утверждает, что при увеличении диаметра провода идет увеличение потерь, связанных с эффектом близости. Это яркий пример того, когда неверно сформулированная или поданная мысль порождает мифы, приводящие к ложным выводам. Действительно, при фиксированных длине и диаметре намотки, фиксированном числе витков и при намотке с шагом, если мы начинаем увеличивать диаметр провода - промежуток между соседними витками уменьшается, что ведет к усилению эффекта близости. Однако причинно-следственная связь здесь однозначна: витки сближаются - эффект близости усиливается. Увеличение диаметра провода здесь играет второстепенную роль и его нельзя рассматривать не учитывая шаг намотки. Точно также нельзя принимать во внимание диаметр катушки, не учитывая ее длину. Все относительно в этом мире, и на самом деле зависимость между оптимальным диаметром провода и диаметром катушки имеет более сложный характер.

Корректнее утверждать, что существует оптимальное отношение шага намотки к диаметру провода в зависимости от форм-фактора катушки. Medhurst приводит эту зависимость в виде графика. По оси Y - оптимальное отношение диаметра провода к шагу намотки (optimum spacing ratio); По оси X - отношения длины намотки к ее диаметру.

Катушка индуктивности электронный компонент, представляющий собой винтовую либо спиральную конструкцию, выполненную с применением изолированного проводника . Основным свойством катушки индуктивности, как понятно из названия – индуктивность. Индуктивность – это свойство преобразовать энергию электрического тока в энергию магнитного поля. Величина индуктивности для цилиндрической или кольцевой катушки равна

Где ψ - потокосцепление, µ 0 = 4π*10 -7 – магнитная постоянная, N – количество витков, S – площадь поперечного сечения катушки.

Также катушке индуктивности присущи такие свойства как небольшая ёмкость и малое активное сопротивление, а идеальная катушка и вовсе их лишена.

Электрический ток способствует накоплению энергии в магнитном поле катушки. Если отключить подачу электричества, накопленная энергия будет возвращена в электрическую цепь. Значение напряжения при этом в цепи катушки возрастает многократно. Величина запасаемой энергии в магнитном поле равна примерно тому значению работы, которое необходимо получить, чтобы обеспечить появление необходимой силы тока в цепи. Значение энергии, запасаемой катушкой индуктивности можно рассчитать с помощью формулы.

Реактивное сопротивление

При протекании переменного тока, катушка обладает кроме активного, еще и реактивным сопротивлением, которое находится по формуле

По формуле видно, что в отличие от конденсатора, у катушки с увеличением частоты, реактивное сопротивление растет, это свойство применяется в фильтрах частот.



При построении векторных диаграмм важно помнить, что в катушке, напряжения опережает ток на 90 градусов.

Добротность катушки

Еще одним важным свойством катушки является добротность. Добротность показывает отношение реактивного сопротивления катушки к активному.

Чем выше добротность катушки, тем она ближе к идеальной, то есть она обладает только главным своим свойством – индуктивностью.

Катушка индуктивности в электрической цепи для переменного тока имеет не только собственное омическое сопротивление, но имеет реактивное сопротивлениепеременному току, нарастающее при увеличении частоты, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением, модуль которого , где - индуктивность катушки, - циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.

Сопротивление потерь[править | править вики-текст]

где - потери в проводах,

Потери в диэлектрике,

Потери в сердечнике,

Потери на вихревые токи

Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)[править | править вики-текст]

ТКИ - это параметр, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры.

Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: 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 существенно влияние температуры на магнитную проницаемость ферромагнетика сердечника: