Високочастотними називаються котушки індуктивності, опір яких має індуктивний характер в діапазоні частот з верхньою межею 100 кГц. 400 МГц. Високочастотні котушки індуктивності застосовуються в якості елементів коливальних контурів для отримання магнітної зв'язку між певними ділянками електричних ланцюгів РЕА або створення на окремих ділянках електричного кола заданих реактивних опорі індуктивного характеру.
Залежно від призначення високочастотні котушки індуктивності поділяють на чотири групи:
а) котушки контурів, що не визначають частоту;
б) котушки контурів, що визначають частоту (наприклад, гетеродинов);
в) котушки зв'язку контурів з іншими ланцюгами;
г) дроселі високої частоти.
За конструктивними ознаками котушки ділять на циліндричні, плоскі (спіральні) і тороїдальні, одно- і багатошарові, з сердечниками і без сердечників, екрановані і неекрановані. Одношарові котушки виконуються намотуванням з примусовим кроком або суцільний, плоскі котушки намотують з дроту або виготовляють з фольги на друкованій платі.
Високочастотні котушки зі змінною індуктивністю, використовуються для перебудови контурів в процесі експлуатації апаратури, а підлаштовуватися котушки - для регулювання апаратури в процесі виготовлення.
Основні параметри котушок індуктивності
Індуктивність характеризує кількість енергії, що запасається котушкою, при протіканні по ній електричного струму. Чим більше індуктивність котушки, тим більше енергія магнітного поля при заданому значенні струму. Індуктивність залежить від форми, розмірів, числа витків котушки, а також від розмірів, форми і матеріалу її сердечника.
Добротність - відношення реактивного опору котушки до її активного опору втрат. Добротність котушки в більшості випадків визначає резонансні властивості і ККД контуру.
Власна ємність є паразитних параметром. Наявність власної ємності котушки обумовлює збільшення втрат енергії і зменшення, стабільності настройки коливальних контурів. У діапазонних контурах власна ємність котушки зменшує коефіцієнт перекриття діапазону частот.
Стабільність параметрів при зміні температури і вологості, а також в часі має особливе значення для котушок контурів гетеродинов, вузькосмугових фільтрів і ін. Стабільність індуктивності при зміні температури характеризується температурним коефіцієнтом індуктивності (ТКИ), рівним відносного зміни індуктивності при зміні температури на I 0 С.
Котушки індуктивності для коливальних контурів
Одношарові циліндричні котушки виконуються на діелектричних каркасах або без них. Котушки без каркасів застосовуються, коли необхідна велика добротність при невисоких вимогах до стабільності індуктивності, наприклад для контурів вхідних пристроїв приймачів діапазону метрових хвиль. Діаметр дроту для таких котушок вибирають в основному з міркувань жорсткості конструкції (1. 1,5 мм і більше), а кількість витків обмежують (5. 8). Для одношарових котушок, виконуваних суцільний намотуванням, виготовляють гладкі каркаси; для котушок, намотуваних з примусовим кроком, - каркаси з канавкою, розташованої по гвинтовій лінії, або з ребрами вздовж котра утворює циліндра.
Котушки, намотані з примусовим кроком, відрізняються меншою власною ємністю і більшою добротністю. Підвищення їх добротності обумовлено зниженням втрат в діелектрику внаслідок зменшення власної ємності. Зазначені гідності котушок, намотаних з примусовим кроком, проявляються сильніше при намотуванні на каркаси з ребрами, а також при виготовленні каркаса з матеріалу з меншим значенням твори діелектричної проникності на тангенс кута втрат.
Для одношарових котушок з індуктивністю вище 15. 20 мкГ зазвичай застосовують суцільну намотування. Доцільність переходу на суцільну намотування визначається діаметром котушки. Наведемо орієнтовні значення індуктивності, при яких є доцільним перехід на суцільну намотування:
Діаметр каркаса, мм в 0 10 15 20 25
Гранична індуктивність, мкГ 2 4 10 20 30
Котушки з індуктивністю більш сотень мікрогенрі виконують багатошаровими. При діаметрі каркаса 10 мм одношарова намотування доцільна при індуктивності не більше 30 мкг.
Одношарові котушки індуктивності намотують мідним посрібленим проводом (з примусовим кроком) або мідним дротом в емалевої ізоляції. Котушки для коливальних контурів гетеродинов коротких і метрових хвиль, до яких пред'являються вимоги високої добротності і стабільності індуктивності, намотують на каркаси з високочастотної кераміки, яка характеризується малим температурним коефіцієнтом лінійного розширення, малим значенням тангенса кута втрат і достатню механічну міцність. Намотування виконують проводом зі значним натягом (50; .. 60% розривного зусилля) або нагрітим до 80. 120 0 С проводом при незначному натягу. Більш високою стабільністю характеризуються котушки, в яких обмотка утворена шаром міді, нанесеною на керамічний каркас методом вжигания з наступним срібленням.
Індуктивність одношарової котушки, виконаної суцільний намотуванням, визначається за формулою
де L - індуктивність, мкГ; D - діаметр котушки, см; l - довжина намотування, см; - число витків;
При намотуванні з примусовим кроком по формулі:
де L - індуктивність котушки, мкГ; L - індуктивність, обчислена за формулою (3.1), мкГ; k - поправочний коефіцієнт.
Для точної підгонки індуктивності одношарових котушок, виконаних суцільний намотуванням, переміщують підлаштування сердечник, крайні витки або короткозамкнений виток, співвісний з котушкою. Індуктивність котушок, намотаних з примусовим кроком, можна змінювати також, переміщуючи місце приєднання одного з висновків.
Симетричні котушки індуктивності застосовуються в симетричних коливальних контурах (контури частотних детекторів і ін.). Біфілярного намотування виконується двома проводами, складеними разом. Початок одного проводу з'єднують з кінцем іншого. Місце з'єднання є середнім висновком котушки. При такій намотуванні допускається підстроювання індуктивності сердечником при несуттєве порушення симетрії. Перехресна намотування дозволяє досягти більш точної симетрії, яка не порушується при підстроювання сердечником.
Багатошарові циліндричні котушки індуктивності застосовують, коли потрібно індуктивність більше 30. 50 мкг.
Несекціонірованние багатошарові котушки з рядовий обмоткою характеризуються зниженими добротністю і стабільністю, великою власною ємністю Значно кращими показниками володіють багатошарові котушки, виконані намотуванням «внавал», коли витки розташовуються хаотично. Котушки, виконані намотуванням «універсальн» (перехресної), також можуть мати порівняно високу добротність (до 100) і знижену власну ємність, однак для їх виготовлення потрібно більш складне обладнання. В даний час котушки, виконані намотуванням «універсальн», виготовляються рідко, оскільки рівноцінні параметри можна отримати при намотуванні «внавал», якщо використовувати типові феромагнітні сердечники. Зазвичай багатошарові котушки намотують на каркаси з полістиролу. Для намотування використовуються дроти з емалевою ізоляцією, емалевої і додаткової, шовкової, ізоляцією. При використанні проводів з додатковою, шовкової, ізоляцією зменшується власна ємність котушок, а, при використанні літцендрата, підвищується добротність (на частотах, що не перевищують 1. 1,5 МГц). Істотний недолік котушок, намотаних літцендратом, - різке зростання власної ємності при обриві або поганому контакті хоча б однієї з жилок проводу.
Індуктивність багатошарової котушки без сердечника визначається за формулою:
де L - індуктивність, мкГ; Dcp --средній діаметр котушки, см;
l - довжина котушки, см; t - товщина котушки, см; - число витків.
Секціонірованние котушки характеризуються, порівняно високою добротністю, зниженою власною ємністю і меншим зовнішнім діаметром. Найбільш часто секціоновані котушки намотують на спеціальні каркаси внавал. Кожна секція являє собою багатошарову котушку з невеликим числом витків. Число секцій вибирають зазвичай від двох до шести.
Індуктивність секціонірованной котушки, що складається з n секції, визначається за формулою:
де Lc - індуктивність секції; kсв - коефіцієнт зв'язку між суміжними секціями, що залежить від розмірів секцій і відстані b між ними. Ставлення b / Dср вибирають так, щоб значення коефіцієнта зв'язку знаходилося в межах 0,25 ... 0,4. Це досягається при b = 2l. Кожна секція розраховується як звичайна котушка (див. Вище).
Плоскі котушки представляють собою спіралі, виготовлені намотуванням з мідних обмотувальних проводів або методом друкованого монтажу з фольгованого гетинаксу або склотекстоліти. Вони можуть мати круглу, квадратну або іншу форму. Плоскі дротяні котушки характеризуються задовільною механічною міцністю, порівняно невеликою власною ємністю, простотою виготовлення і можуть застосовуватися на частотах до 10 МГц. Для їх виготовлення доцільно використовувати дроти з додатковою шовкової ізоляцією, оскільки при цьому досягається підвищена міцність клейового з'єднання витків.
Друковані плоскі котушки на стеклотекстолите відрізняються підвищеною механічною міцністю і застосовуються на частотах до 100 МГц. Для більш високих частот друковані котушки виготовляють з фольгованого фторопласту. Зазвичай індуктивність друкованих котушок не перевищує 10 мкг. Щоб отримати прийнятне значення добротності котушки, ширину провідників вибирають в межах 0,4. 1 мм. При цьому на площі 1 см 2 розміщується котушка з індуктивністю до 10 мкг. Для збільшення індуктивності можна використовувати послідовне включення двох і більше котушок, розташованих на одній або двох сторонах друкованої плати. Для підвищення добротності котушки слід вибирати діаметр внутрішнього витка не менше 10 мм. Сучасні друковані котушки мають добротність 100. 130 на частотах 10. 30 МГц.
Індуктивність і добротність плоскої котушки істотно збільшується, якщо з одного або обох сторін на неї накласти ферритові пластинки. Змінюючи відстань між котушкою і пластинками, можна регулювати індуктивність котушки.
Екрановані котушки застосовують, коли необхідно усунути паразитні зв'язку, зумовлені зовнішнім електромагнітним полем котушки, або вплив на котушку полів інших джерел Ефективність екранування підвищується при збільшенні частоти змінного поля, товщини екрану і зменшення питомої опору матеріалу екрану. Екрани високочастотних котушок індуктивності виготовляють з міді або алюмінію завтовшки не менше 0,4. 0,5 мм. Така товщина екрана при частоті змінного поля понад 1 МГц перевищує відстань, на якому щільність наводимого струму падає в 100 разів у порівнянні з щільністю струму на поверхні екрану, що досить для ефективного екранування.
Під впливом екрану змінюються параметри котушки: зменшуються індуктивність і добротність, збільшується власна ємність. Зміна параметрів котушки тим більше, чим ближче до її витків розташований екран.
Часто екрани високочастотних котушок забезпечені отворами для обертання осердя або зміни положення однієї з котушок, пов'язаних індуктивно. У цих випадках отвори повинні бути мінімальними. Прорізи слід розташовувати перпендикулярно до твірної циліндричного екрану, якщо котушка розташована співвісно з екраном.
Котушки з сердечниками з немагнітних металів, що характеризуються високою стабільністю, застосовуються в контурах гетеродинов, широкосмугових УПЧ в приймачах КВ і УКВ, Матеріал сердечників - мідь, латунь, алюміній і його сплави. Мідні сердечники використовуються переважно для підстроювання індуктивності (до 20%), коли вносяться сердечником втрати повинні бути мінімальними. При введенні в котушку металевого сердечника індуктивність і добротність зменшуються, причому індуктивність зменшується тим більше, чем.большій обсяг металу вводиться і чим більше його провідність. Добротність зменшується ще в більшій мірі, ніж індуктивність. Наприклад, введення в котушку мідного сердечника, що зменшує індуктивність на 15%, викликає зниження добротності на 45%. При введенні алюмінієвого сердечника, що зменшує індуктивність на 15%, добротність зменшується в 3. 4 рази. Тому алюмінієві сердечники використовуються в котушках широкосмугових контурів для спеціальних приймачів.
При розрахунку котушок з сердечниками з немагнітних металів визначають розрахункове значення індуктивності котушки без сердечника:
де Lтр-- необхідне значення індуктивності; # 63; L / L --относітельное зміна індуктивності котушки при введенні сердечника.
Котушки з феромагнітними сердечниками містять меншу кількість витків при заданій індуктивності і відрізняються більш високою добротністю і меншими розмірами. Застосування феромагнітних сердечників дозволяє зменшити розміри екранів і спростити підгонку індуктивності. Зазначені переваги повністю реалізуються в діапазонах ДВ, СВ і КВ при відповідному виборі виду сердечника і його матеріалу і малих напругах на котушці, наприклад в радіоприймачах. При використанні феромагнітних сердечників знижується стабільність параметрів котушок, крім того, індуктивність і добротність котушок залежать від амплітуди змінної напруги на котушці і значення постійного струму, що протікає через обмотку.
Феромагнітні сердечники для котушок виготовляються з магнітодіелектриків і феритів. При заданому габаритних розмірах котушки слід застосовувати матеріал сердечника, що володіє найменшим значенням відношення тангенса кута втрат до початкової магнітної проникності в діапазоні робочих частот. Сердечники з феритів забезпечують більшу добротність котушок, ніж сердечники з магнітодіелектриків. Для стабільних високочастотних котушок індуктивності рекомендується застосовувати сердечники з карбонільного заліза.
Основні параметри феромагнітних сердечників. Ефективна магнітна проникність # 63; с - відношення індуктивності котушки з сердечником до індуктивності цієї котушки без сердечника. Чим більше магнітна проникність матеріалу сердечника (вимірюється на сердечниках кільцевої форми), нижче частота змінної напруги на котушці і менше відстань між сердечником і обмоткою котушки, тим вище ефективна магнітна проникність сердечника.
Добротність характеризує втрати, що вносяться сердечником в котушку, і дорівнює відношенню реактивного опору котушки до вноситься опору втрат. Вимірюється на стандартній котушці.
Відносна добротність сердечника Qотн - відношення добротності котушки з сердечником до добротності цієї ж котушки без сердечника - характеризує втрати, що вносяться сердечником в котушку, і може служити мірою визначення діапазону робочих частот. Верхньою межею діапазону робочих частот є частота, при якій відносна добротність зменшується до одиниці. За межами діапазону робочих частот застосування сердечника доцільно тільки для регулювання індуктивності.
Стабільність параметрів сердечника характеризується зміною ефективної магнітної проникності і втрат при зміні температури навколишнього середовища, вологості повітря, а також з часом. При зміні температури змінюється головним чином магнітна проникність. Це зміна характеризується температурним коефіцієнтом магнітної проникності ТК # 63; з рівним відносного зміни # 63; с при зміні температури на 1 ° С. Зміна # 63; з з плином часу викликається старінням матеріалу і проявляється особливо різко в початковий період після виготовлення сердечника.