Закрыть

Типы катушек индуктивности: Типы катушек индуктивности

Содержание

Типы катушек индуктивности

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.

Схемы на все случаи жизни » Общая классификация катушек индуктивности

Для удобства описания разновидностей катушек индуктивности и их особенностей целесообразно привести их общую классификацию по различным признакам. Кроме того каждый тип катушек индуктивности может включать дополнительные поддипы, которые будут рассмотрены подробно в следующих статьях.

По назначению катушки индуктивности можно разделить на следующие типы:

  • Контурные катушки индуктивности
  • Катушки связи
  • Вариометры
  • Дроссели
  • Дугогасящие реакторы
  • Трансформаторы

По виду намотки катушки индуктивности подразделяются на:

  • Катушки с намоткой виток к витку
  • Катушки с намоткой с принудительным шагом
  • Катушки с намоткой «Универсаль» (сотовая катушка)
  • Катушка с секционированной намоткой
  • Катушка с плоскоспиральной намоткой (галеточная катушка)
  • Катушки с корзинчатой намоткой
  • Катушка трубопроводного типа
  • Катушка с корпусом в виде улитки
  • Катушка с бесконтактным типом намотки

По наличию сердечника катушки индуктивности классифицируются на следующие типы:

  • Катушки с сердечником
  • Катушки без сердечника

По количеству слоёв катушки индуктивности бывают:

  • Однослойные
  • Многослойные

По способу монтажа катушки индуктивности бывают:

  • В поверхностно-монтируемом исполнении (SMD)
  • В исполнении для монтажа в отверстие (для выводного монтажа, ТНТ-монтажа)

Список использованной литературы

  1. Борисов, В. Г. Юный радиолюбитель / В.Г. Борисов. — М.: Государственное энергетическое издательство, 1951. — 353 с.
  2. Катушки индуктивности [Электронный ресурс] // sanderelectronics.ru: торговая компания. URL: http://sanderelectronics.ru/ (дата обращения: 19.12.2015).
  3. Котенёв С. В., Евсеев А. Н. Расчет и оптимизация тороидальных трансформаторов и дросселей. — М.: Горячая линия — Телеком, 2013. — 360 с.

Сердечники катушек индуктивности - выбор материала и формы

Автор: Mark A. Swihart, Менеджер отдела прикладной техники Magnetics Inc, отделение Spang&Co. Питтсбург, Пенсильвания, США.

Резюме: Внимательное рассмотрение характеристик силовых катушек индуктивности часто является ключевым фактором успешного конструирования компактных и экономичных преобразователей с высоким к.п.д. Во многих вариантах применения катушек индуктивности порошковые сердечники обладают явными преимуществами в сравнении с сердечниками, изготовленными из других материалов – таких, как ферриты или стальные ламинаты.

В распоряжении разработчика имеется множество вариантов выбора материала и формы порошкового сердечника, каждый из которых является выбором компромисса по таким характеристикам, как величина потерь, стоимость, габариты и простота намотки. Кроме того, при изменении критериев конструирования изменяется комбинация преимуществ и недостатков каждого из материалов для порошкового сердечника. Понимание этих преимуществ и недостатков необходимо для осуществления правильного выбора.

Катушка индуктивности является устройством, фильтрующим ток. Создавая препятствия прохождению тока, фильтрующая катушка индуктивности фактически накапливает электрическую энергию по мере того, как переменный ток нарастает в каждом цикле, и высвобождает данную энергию, когда ток спадает до минимума. В силовых катушках индуктивности требуется наличие воздушного зазора внутри конструкции сердечника. Назначение воздушного зазора состоит в накапливании энергии и в предотвращении насыщения сердечника при нахождении его под нагрузкой.

В иной формулировке, назначение воздушного зазора состоит в том, чтобы уменьшать и регулировать эффективную магнитную проницаемость магнитной конструкции. Поскольку μ = B/H, то уменьшение μ означает увеличение H (то есть, рост электрического тока), который поддерживается при уровне B, меньшем максимально допустимого значения магнитной индукции (Bsat), являющегося внутренней (природной) характеристикой заданного магнитного материала.

Существует общее ограничение, связанное с узкими пределами изменений индукции насыщения Bsat. Физика мягких магнитных материалов такова, что значение Bsat материалов, доступных на современном рынке, составляет примерно от 0,3T до 1,8T. В наиболее экзотичном имеющемся материале, каковым является сплав кобальта – железа – ванадия (супермендюр), это значение достигает 2,2T. Более высокие значения не существуют.

Воздушный зазор в силовых катушках индуктивности может быть распределенным или дискретным. Распределенные зазоры создаются в порошковых сердечниках. На микроскопическом уровне, гранулы порошка магнитного сплава отделяются одна от другой посредством изоляции связующим веществом или посредством высокотемпературной изоляции покрытия каждой гранулы. (Это не относится к уровню магнитных доменов; домены имеют размеры намного меньше размеров гранул порошкового сердечника). Распределение зазора по всей конструкции порошкового сердечника служит двум основным целям: (1) устраняются недостатки конструкции с дискретным зазором, каковыми являются резкое насыщение, краевые потери и электромагнитные помехи (EMI), и (2) регулируются потери от вихревых токов до такой степени, при которой сплавы с повышенным значением B

sat могут быть использованы на относительно высоких частотах, несмотря на относительно низкое значение объемного удельного сопротивления в сплаве.

Дискретные зазоры используются главным образом в ферритовых сердечниках. Основным функциональным преимуществом феррита являются низкие потери по переменному току в сердечниках при работе на высокой частоте, что объясняется более высоким удельным сопротивлением в керамическом материале по сравнению с металлическими сплавами.

Ферриты находятся на нижнем конце существующей области значений Bsat, и они существенно смещаются в сторону дальнейшего понижения Bsat при повышении температуры. Конструкция с дискретным зазором приводит к созданию катушки индуктивности, в которой достигается точка резкого насыщения и при этом требуется большая габаритная высота в конструкции. Дискретные зазоры приводят также к получению катушек индуктивности, которые уязвимы к потерям от вихревых токов в обмотке вследствие краевого эффекта и имеют тенденцию к генерации электромагнитных помех (EMI). Дискретные зазоры используются также в аморфных и нанокристаллических ленточных сердечниках с ориентацией потока вдоль волокна, имеющих улучшенные показатели потерь по переменному току в сравнении с порошковыми сердечниками, но зачастую более дорогостоящих.

Разработчик катушки индуктивности должен выполнять требования по накапливанию энергии (величине индуктивности) и одновременно учитывать требования к суммарным потерям, рабочему объему, стоимости, электромагнитным помехам, температурным характеристикам, надежности и устойчивости к отказам.

Во многих случаях порошковые сердечники обладают явными преимуществами. При этом разработчик имеет множество вариантов выбора среди имеющихся порошковых сердечников.

Сердечники MPP (из мо-пермаллоевого (Molypermalloy) порошка) представляют собой тороидальные сердечники с распределенным воздушным зазором, изготавливаемые из порошкового материала, являющегося сплавом никеля, железа и молибдена. MPP обеспечивает самые низкие потери в сердечнике по сравнению с другими материалами для порошкового сердечника, но сердечники из данного сплава являются при этом самыми дорогостоящими ввиду высоких затрат на технологическую обработку и по причине 80-процентного содержания никеля в сплаве. Тороидальные сердечники из MPP выпускаются с наружными диаметрами от 3,5 мм до 125 мм.

Сердечники High Flux представляют собой тороидальные сердечники с распределенным воздушным зазором, изготавливаемые из порошкового материала, являющегося сплавом никеля с железом. Сплав High Flux содержит 50% никеля, по затратам на технологическую обработку сравним с MPP и по цене обычно выигрывает по сравнению с MPP примерно 5% – 25%. High Flux характеризуется более высокими потерями в сердечнике, нежели MPP и Kool Mμ, но благодаря своему повышенному значению Bsat сплав High Flux имеет оптимальное соотношение между магнитной проницаемостью и силой подмагничивания. Иными словами, повышенное значение Bsat трансформируется в оптимальную стабильность (самый низкий уровень сдвига) катушки индуктивности в условиях сильного подмагничивания постоянным током или при высоких пиковых значениях переменного тока. Как и сердечники из MPP, сердечники из сплава High Flux не получили широкого распространения в каких-либо геометрических формах, кроме тороидов.

Сердечники Kool Mμ®, или "сендаст", представляют собой сердечники с распределенным воздушным зазором, изготавливаемые из порошкового материала, являющегося сплавом железа, алюминия и кремния. По характеристикам подмагничивания постоянным током материал Kool Mμ сравним с MPP. Отсутствие никеля в формуле сплава делает Kool Mμ намного более экономичным, чем MPP. Основной недостаток Kool Mμ состоит в том, что данный сплав имеет более высокие потери по переменному току, нежели MPP. Этот сплав призван служить практичной альтернативой в случаях, когда порошковое железо имеет слишком высокие потери (в типовых случаях при умеренных или высоких значениях частоты) и при этом использование MPP является слишком дорогостоящим. Сердечники из Kool Mμ выпускаются не только в форме тороидов, но и в виде E-сердечников, что позволяет в максимально возможной степени снизить затраты на намотку.

В таблице 1 приведены сравнительные данные о свойствах различных материалов для сердечников.

MPP High Flux Kool Mμ Железный порошок
Проницаемость 14 - 550 14 - 160 26 - 125 10 - 100
Насыщение (Bsat) 0,7 T 1,5 T 1,0 T 1,2 - 1,4 T
Максимальная температура (°C) 200 200 200
Потери в сердечнике по переменному току Самые низкие Высокие Низкие Самые высокие (и переменные)
Форма сердечника Тороид Тороид Тороид, E-сердечник Тороид, E-сердечник, другие формы

Сердечники из железного порошка имеют более высокие внутренние потери (потери в сердечнике), чем сердечники из MPP, High Flux или Kool Mμ, но обычно являются менее дорогостоящими. Железный порошок часто является оптимальным выбором для силовых катушек индуктивности, в которых не требуется максимально высокий к.п.д. и миниатюрные размеры, но критичным показателем является цена; этот выбор может быть оптимальным также при работе на очень низкой частоте или с очень малой амплитудой пульсаций переменного тока (что означает очень слабый магнитный поток от переменного тока и соответственно низкие потери по переменному току). Большинство сердечников из железного порошка содержит связующее вещество для изоляции между гранулами, и это вещество уязвимо к пробоям при работе с высокими температурами в течение длительного времени, поэтому разработчику может понадобиться учет кривых теплового старения для выбираемого железного порошка. Значения плотности штамповки (то есть, прижимных усилий сжатия) для железных порошков являются умеренно высокими, поэтому данные материалы обеспечивают возможность широкого разнообразия геометрических форм, включая тороидальные сердечники, E-сердечники, броневые сердечники, U-сердечники и стержневые сердечники. Для сердечников с очень сильными токами, но без необходимости работы на высоких частотах, крупногабаритный E-сердечник, U-сердечник или броневой сердечник из порошкового железа может оказаться единственным практически приемлемым вариантом.

Ферритовые сердечники с зазором являются альтернативой порошковым сердечникам при выборе вариантов конструирования. Как видно из рисунка 1, порошковые материалы насыщаются постепенно и при этом сохраняют полезную предсказуемую индуктивность даже при существенном нарастании тока нагрузки. Ферритовый сердечник с зазором сохраняет значение индуктивности, приближенное к значению при отсутствии подмагничивания, пока не происходит насыщение, при котором наблюдается резкое спадание индуктивности. При создании конструкций с ферритами для работы на повышенных температурах необходимо учитывать ряд дополнительных факторов. Как видно из рис. 2, мощность потока индукции любого силового феррита существенно уменьшается при повышении температуры; в то же время, мощность потока индукции порошковых сердечников фактически не зависит от температуры.

Кривая плавного насыщения порошкового сердечника отражает существенные преимущества для конструирования: (1) рабочая точка в основной части кривой (80% - 50%), позволяющая повысить степень компактности конструкции; (2) минимальный сдвиг при изменении температуры; (3) малая чувствительность к изменениям кривой как в части температуры, так и в части допусков на материал; (4) природная устойчивость к отказам; (5) естественные колебания индуктивности – высокое значение L при низкой нагрузке, регулируемая индуктивность при высокой нагрузке. Другие преимущества порошковых сердечников в сравнении с ферритовыми сердечниками состоят в том, что порошковые сердечники не уязвимы к краевым потерям и к EMI-эффектам в зазоре и имеют более высокие значения внутренней Bsat.

Рисунок 1. Кривые подмагничивания постоянным током для феррита и Kool Mμ.

Рисунок 2. Кривая насыщения для силового феррита.

Возможными вариантами применения катушки индуктивности, в частности, являются:

  1. Компактная катушка индуктивности цепи постоянного тока (DC) с малыми пульсациями переменного тока (конструкция с ограниченным размером окна)
  2. Крупногабаритная катушка индуктивности цепи постоянного тока (конструкция с ограничением насыщения)
  3. Катушка индуктивности с сильным переменным током (конструкция с ограничением потерь в сердечнике)

Каждый из трех вариантов характеризуется специфическими требованиями к конструкции. В компактной катушке индуктивности цепи постоянного тока ограничительный фактор определяется в большей степени доступным размером окна сердечника, нежели площадью поперечного сечения сердечника. Окно сердечника должно быть достаточно большим для того, чтобы расположить в нем количество витков провода, достаточное для получения требуемой индуктивности. В крупногабаритной катушке индуктивности цепи постоянного тока ограничительным фактором часто является точка насыщения сердечника. Сердечник должен иметь достаточно крупные габариты и достаточно малую магнитную проницаемость, чтобы избежать насыщения (или смещения величины индуктивности ниже минимального требуемого уровня). Эти факторы требуют увеличения числа витков и длины медных проводов, что вызывает проблему в виде потерь в проводах. Основным ограничительным фактором для катушки индуктивности с сильным переменным током являются потери в сердечнике. Поскольку потери в сердечнике зависят от колебаний потока, создаваемого переменным током, а не уровнем индукции, создаваемой постоянным током, потери в сердечнике становятся доминирующим фактором, определяющим выбор конструкции.

Ниже приведены в качестве примера требования, которым должна отвечать типовая конструкция.

Постоянный ток (IDC) 500 мА (не более)
Требуемая индуктивность (Lmin) 100 мкГ
Пульсации переменного тока (Iac) 50 мА (пиковый размах)
Частота (f) 100 кГц

Для конструирования катушки с данными характеристиками компания Magnetics использует программное обеспечение Inductor Design Using Powder Cores (Конструирование катушки индуктивности с использованием порошковых сердечников). В данной программе реализуется алгоритм конструирования, имеющий целью определение минимально возможных габаритов модуля для заданных входных параметров (значений тока, индуктивности, частоты и др.). Программа определяет размер требуемого сердечника, исходя из необходимой величины энергетического показателя в виде произведения, получаемого умножением индуктивности при полной нагрузке на квадрат пикового значения тока (постоянного тока с приращением на пульсацию переменного тока), проходящего через катушку индуктивности. Увеличение значений индуктивности и силы тока подразумевают увеличение габаритов сердечника. Программы выполнялись с вводом указанных выше исходных значений конструирования, а материал сердечника выбирался вручную для каждого из типов сердечников, указанных ниже в таблице 2. Число витков, коэффициент плотности намотки провода, габариты намотки, величина потерь и рост температуры были определены по выходным данным выполняемых программ.

MPP High Flux Kool Mμ, торидальные сердечники Kool Mμ, E-сердечники
Номер компонента 55025-A2 58278-A2 77280-A7 K1808E090
Проницаемость 300 160 125 90
Габариты сердечника (дюймы) 0,335 x 0,150 0,405 x 0,150 0,405 x 0,150 0,77 x 0,65 x 0,19
AL (нГ/виток²) 124 68 53 69
Число витков 32 41 48 39
Коэффициент плотности намотки провода 37% 31% 37% 14%
Габариты обмотки (дюймы) 0,375 x 0,209 0,448 x 0,209 0,455 x 0,209 0,77 x 0,65 x 0,644
Потери в сердечнике (мВт) 2,0 0,7 0,7 0,5
Потери в проводе (мВт) 24,2 33,3 40,0 83,0
Суммарные потери (мВт) 26,2 34,0 40,7 83,5
Рост температуры (°C) 6,1 6,0 6,9 4,3

В каждом случае программы определяли самое высокое значение магнитной проницаемости из числа значений, имеющихся для выбранного материала. С учетом относительно слабого тока, любое уменьшение магнитной проницаемости выбранного материала не приводит к оптимизации индуктивности при пиковой нагрузке; в этих условиях больше теряется ввиду уменьшения индуктивности при отсутствии нагрузки, нежели приобретается за счет оптимизации кривой спадания силы подмагничивания постоянным током. Потери в сердечнике и рост температуры не являются важными влияющими факторами в катушке индуктивности данного типа вследствие низкой магнитной индукции по переменному току в сердечнике. Например, в сердечнике High Flux сила намагничивания H определяется по закону Ампера следующим образом:

H (эрстеды) = .4 (π) (N) (I)/Le, где:

N — число витков
I — ток в амперах
Le — длина линии магнитной индукции сердечника в см.

Сердечник 58278-A2 имеет длину линии магнитной индукции, равную 2,18 см, поэтому сила намагничивания постоянным током равняется:

H = .4 (π) (41) (0,5)/(2,18) = 11,8 эрстед

Процент начальной магнитной проницаемости, или значение "спадания", можно определить по данным, публикуемым в справочнике Magnetics по порошковым сердечникам (см. рис. 3).

Рисунок 3. Кривая спадания подмагничивания постоянным током для High Flux.

Кривая проницаемости 160 для High Flux показывает, что магнитная проницаемость при силе подмагничивании постоянным током, равной 11,8 эрстедам, равняется примерно 90% начального значения этой проницаемости. Эта рабочая точка является консервативной рабочей точкой для данного материала, но возможности конструирования ограничиваются в большей степени не уровнем насыщения сердечника, а площадью окна сердечника. Коэффициент заполнения окна для катушки данного типа равняется 37%, что приближается к типовому предельному значению для тороидальных сердечников. Усилия по уменьшению габаритов сердечника с целью получения преимуществ от имеющейся мощности магнитной индукции приводят к нереалистичным значениям коэффициента заполнения окна, равным 50% и более.

Как видно из приводимых данных, тороидальный сердечник MPP обеспечивает получение наиболее компактной и эффективной конструкции вследствие того, что данный материал доступен для использования с более высоким значением магнитной проницаемости (300μ), чем другие материалы. Это трансформируется в более высокое значение коэффициента одновитковой индуктивности (AL) при заданном размере сердечника, что позволяет снижать габариты используемого сердечника. Компромиссным фактором является ускоренное спадание силы намагничивания постоянным током. Тороидальный сердечник Kool Mμ является привлекательным в основном благодаря существенным преимуществам в цене. Выбираемый E-сердечник из материала Kool Mμ является самым "миниатюрным" из числа сердечников, имеющихся в настоящее время, и имеет избыточные габариты для рассматриваемого здесь набора требований.

Типовыми требованиями к катушкам данного типа являются:

Постоянный ток (IDC) 20 А (не более)
Требуемая индуктивность (Lmin) 100 мкГ (минимум)
Пульсации переменного тока (Iac) 1 А (пиковый размах)
Частота (f) 100 кГц
Максимальный рост температуры (°C) 40°C

В таблице 3 приведены применимые данные конструирования, полученные на выходе программы для данного случая.

MPP High Flux Kool Mμ, торидальные сердечники Kool Mμ, E-сердечники
Номер компонента 55868-A2 58867-A2 77868-A7 K5528E040
Проницаемость 26 60 26 40
Габариты сердечника (дюймы) 3,108 x 0,545 3,108 x 0,545 3,108 x 0,545 2,19 x 2,20 x 0,81
AL (нГ/виток²) 30 68 30 157
Число витков 62 45 70 30
Коэффициент плотности намотки провода 24% 18% 27% 72%
Габариты обмотки (дюймы) 3,657 x 0,884 3,514 x 0,884 3,720 x 1,053 2,19 x 2,20 x 1,98
Потери в сердечнике (мВт) 116 230 182 290
Потери в проводе (мВт) 14371 9780 16959 5489
Суммарные потери (мВт) 14487 10010 17141 5779
Рост температуры (°C) 35,3 27,4 37,7 22,4

Для катушки данного типа необходимо выбирать сердечники с пониженной магнитной проницаемостью и с большим поперечным сечением, чтобы избежать насыщения при высоком уровне подмагничивания постоянным током.

Сердечник 58867-A2 имеет длину линии магнитной индукции, равную 20 см, поэтому сила намагничивания H равняется:

H = 0,4 (π) (45) (20)/(20) = 56,5 эрстед

Кривая для материала High Flux с магнитной проницаемостью 60 на рисунке 3 показывает, что магнитная проницаемость составляет примерно 83% своего начального значения при силе подмагничивания постоянным током, равной 56,5 эрстедам, что соответствует безопасной рабочей точке. Критичным параметром является в данном случае не коэффициент плотности намотки провода, а рост температуры вследствие потерь в меди. Последующие итерации при конструировании должны быть направлены на увеличение диаметра провода или на использование многожильного провода для уменьшения плотности тока с целью снижения потерь в меди, что достигается ценой повышения плотности намотки. Из приводимых данных можно видеть, что High Flux обеспечивает конструирование тороидальных сердечников с меньшим ростом температур, нежели другие материалы. Высокая индкуция насыщения данного материала и улучшенные характеристики подмагничивания постоянным током позволяют выбирать сердечники с повышенной магнитной проницаемостью и увеличенным значением AL, что позволяет уменьшить число витков и сократить потери в меди. И в этом случае потери в сердечнике малы следствие относительно слабого потока подмагничивания переменным током в сердечнике.

Конструкция E-сердечника из материала Kool Mμ превосходит аналоги в части потерь благодаря тому, что поперечное сечение E-сердечника (и значение AL) намного превышают аналогичные показатели тороидальных сердечников. Это позволяет уменьшить и существенно сократить потери в меди. E-сердечник имеет относительно малую площадь окна, что подразумевает повышенный коэффициент плотности намотки (72%), но это достижимо в конструкциях с бобинной намоткой. Для E-сердечников допускается вариант с намоткой фольги. Недостаток состоит в том, что суммарная высота E-сердечника с готовой обмоткой примерно в 2 раза превышает аналогичную высоту в других конструкциях.

Типовыми требованиями к катушкам индуктивности переменного тока являются:

Постоянный ток (IDC) 4 А (номинал)
Требуемая индуктивность (Lmin) 100 мкГ (минимум)
Пульсации переменного тока (Iac) 8 А (пиковый размах)
Частота (f) 100 кГц
Максимальный рост температуры (°C) 35°C

В отличие от малых и крупногабаритных катушек индуктивности постоянного тока, рассмотренных в двух предыдущих примерах, генерация тепла, сопутствующая потерям в сердечнике, в катушке индуктивности переменного тока достаточно велика для того, чтобы являться первичным ограничительным фактором при выборе конструкции. Варианты выбора конструкции ограничиваются ростом температуры вследствие потерь в сердечнике, или целевым показателем к.п.д. В таблице 4 приведены значения характеристик для данного примера.

MPP High Flux Kool Mμ, тороидальные сердечники Kool Mμ, E-сердечники
Номер компонента 55440-A2 58441-A2 77191-A7 K4020E026
Проницаемость 26 14 26 26
Габариты сердечника (дюймы) 1,875 x 0,745 1,875 x 0,745 2,285 x 0,635 1,71 x 1,67 x 0,61
AL (нГ/виток²) 59 32 60 80
Число витков 42 57 43 37
Коэффициент плотности намотки провода 12% 16% 10% 23%
Габариты обмотки (дюймы) 1,982 x 0,843 2,019x 0,940 2,375 x 0,733 1,71 x 1,67 x 1,53
Потери в сердечнике (мВт) 2947 3316 4110 3255
Потери в проводе (мВт) 1722 2352 1836 2212
Суммарные потери (мВт) 4669 5668 5946 5467
Рост температуры (°C) 31,7 34,9 32,1 31,8

Для определения потерь в сердечнике необходимо вычислить колебания потока подмагничивания переменным током в сердечнике. Поток подмагничивания постоянным током не вызывает потерь в сердечнике. Первым шагом расчета является вычисление силы намагничивания H по закону Ампера с использованием размаха значений переменного тока (в данном случае пиковый размах составляет 8 А). Для сердечника 58441-A2 из материала High Flux длина линии магнитной индукции равняется 10,74 см.

H = 0.4 (π) (57) (8)/(10.74) = 53,4 эрстед

Изменение плотности потока можно определить путем приложения данного результата к нормальной кривой намагничивания из справочника (см. рис. 4).

Рисунок 4. Кривые намагничивания при высокой плотности потока намагничивания.

Диапазон изменения силы намагничивания составляет от 0 эрстед до 53,4 эрстед. В случае материала с магнитной проницаемостью 14 это трансформируется в диапазон изменения магнитной индукции от 0 гаусс до 600 гаусс – то есть, ΔB = 600 гаусс. Кривые потери для мягких магнитных материалов подразумевают биполярный режим работы (сердечник возбуждается в первом и третьем квадрантах петли гистерезиса B-H). Следовательно, независимо от того, является ли схема биполярной или однополярной, значение магнитной индукции, которое действует, всегда равняется ½ΔB. В данном случае плотность магнитной индукции переменного поля равняется 300 гаусс. Из рисунка 5 видно, что при 300 гауссах на частоте 100 кГц плотность потерь составляет примерно 150 мВт/см³. По справочнику можно определить, что объем сердечника 58441-A2 равняется 21,3 см³, поэтому суммарные потери в сердечнике равняются произведению от умножения (150) на (21,3) – то есть, 3195 мВт. Программное обеспечение, использующее уравнения в привязке к кривым, вычислило потери в сердечнике, равняющиеся 3316 мВт.

Рост температуры вычисляется, исходя из указанной ниже аппроксимации.

Рост температуры (°C) = [Суммарные потери мощности (мВт)/площадь поверхности (см²)]0,833

Согласно выходным данным программного обеспечения, суммарные потери мощности для катушки индуктивности High Flux равняются 5668 мВт. Сердечник 58438-A2 имеет без обмотки площадь поверхности 69,3 см², а с полной обмоткой – 94,3 см² (значения взяты из справочника). Программное обеспечение интерполирует площадь поверхности для коэффициента плотности намотки провода, равного 17%, и получает значение площади поверхности, равное 79,3 см². Рост температуры, вычисляемый в этом случае по приведенному выше уравнению, равняется примерно 35°C. Заметим, что данная оценка является довольно грубым приближением, поскольку характеристики тепловыделения зависят не только от величины потерь, но и от механической конфигурации, вида сборочных материалов и от течения воздуха.

Рисунок 5. Кривые потерь в сердечнике при высоком уровне потока намагничивания.

В общем, характеристики потерь, по которым MPP обладает преимуществом над другими материалами, позволяют использовать катушки индуктивности с меньшими габаритами и более высокими значениями к.п.д. Суммарные потери в случае MPP составляют на 15% меньше потерь материала, являющегося следующим в сторону увеличения потерь. Поскольку материал High Flux обладает более высокими потерями, чем MPP, для сохранения одинаковой величины потерь необходимо выбирать сердечник с более низкой магнитной проницаемостью. Это, однако, приводит к увеличению числа витков, росту потерь в меди и к некоторому увеличению общих габаритов модуля. Причина того, что пониженная магнитная проницаемость приводит к уменьшению плотности потока переменного поля (то есть, к уменьшенным потерям в сердечнике) является очевидной и состоит в том, что наклон кривых для материалов с пониженной магнитной проницаемостью имеет на графике кривых намагничивания меньшую крутизну (см. рис. 4). Материал Kool Mμ требует еще большего увеличения общих габаритов, но суммарные потери сравнимы с потерями для High Flux. И в этом случае возможен вариант с E-сердечником Kool Mμ, который имеет несколько меньшие потери, уменьшенную площадь основания, но увеличенную габаритную высоту.

E-сердечник Kool Mμ является самым экономичным из четырех рассмотренных вариантов; вместе с тем, преимущества от габаритов и к.п.д. тороидального сердечника MPP становятся менее очевидными из-за самой высокой стоимости данного сердечника. Сердечники High Flux и MPP имеют одинаковые габариты и сравнимы по цене, поскольку порошки 14μ являются более дорогостоящими в производстве и в штамповке, нежели порошки 26μ.

Для требуемой катушки индуктивности решение о выборе материала определяется комбинацией следующих ограничительных факторов: пространство, к.п.д., удобство сборки, суммарная стоимость, индуктивность в зависимости от характеристик нагрузки, роста и рабочей температуры. Среди порошковых сердечников материал MPP превосходит другие материалы по такому свойству, как потери в сердечнике, и обладает самым высоким значением применимой магнитной проницаемости. High Flux обладает преимуществами над другими материалами в случаях, когда определяющими ограничительными факторами является минимизация габаритов и намагничивание постоянным полем. Kool Mμ является более экономичным материалом, нежели MPP или High Flux, и является стандартным материалом как для тороидальных сердечников, так и для E-сердечников. Сердечники на основе распыленного железа (Iron powder cores) являются менее дорогостоящими, чем Kool Mμ, но серьезно ухудшают характеристики изделия.

  1. Magnetics "Inductor Design Using Powder Cores" software PCD-3.1
  2. Magnetics "Powder Cores Design Manual and Catalog"

 

Особенности применения силовых индуктивностей | «ЛЭПКОС», ИЦ «Северо-Западная Лаборатория»

Поскольку технические параметры современных электронных устройств постоянно совершенствуются, для БИС, используемых в таких изделиях, характерно снижение напряжения питания. В этой связи, энергопотребление может уменьшаться, а скорость работы увеличиваться. Однако снижение напряжения источника питания также предполагает более жесткие требования, учитывающие колебания напряжения, что вприводит к необходимости использования высокопроизводительных DC-DC преобразователей. Силовые индуктивности при этом являются важными компонентами, существенно влияющими на эффективность преобразователей.

Компания TDK выпускает широкую линейку силовых индуктивностей. В данной статье рассмотрены эффективные способы применения данных компонентов, а также ключевые особенности при выборе катушек индуктивности в соответствии с требуемыми характеристиками преобразователей постоянного тока.

Несмотря на то, что катушка индуктивности может плавно пропускать постоянный ток, при любом изменении его величины она будет генерировать ЭДС, препятствующую этим колебаниям. Такое явление известно как самоиндукция. При подключении к источнику переменного тока катушка индуктивности оказывает сопротивление проходящему по ней переменному току. Таким образом, если ток прошел через индуктивность, он будет накапливаться в виде энергии, а если процесс передачи тока нарушен, эта энергия будет разряжаться. Данная отличительная особенность эффективно используется в цепях источников питания, в преобразователях постоянного тока. На рисунке 1 представлена основная схема понижающего преобразователя постоянного тока (диодный выпрямитель). Силовые индуктивности являются ключевыми компонентами, оказывающие существенное влияние на его производительность.

Сложности в процессе разработки силовых индуктивностей обусловлены изменчивостью характеристик в зависимости от степени воздействия таких факторов как температура и величина тока. Так, например, индуктивность (L) имеет тенденцию к снижению, поскольку величина тока становится больше (характеристика наложения тока DC), а рост температуры, вызванный повышением силы тока, может вызвать изменение как магнитной проницаемости (μ) сердечника, так и индукции насыщения (Bs). Даже при одинаковых значениях индуктивности сопротивление постоянному току (Rdc) будет меняться в зависимости от толщины обмотки и количества витков, вызывающих изменения в степени тепловыделения. Различия в структуре магнитного экрана также могут влиять на шумовые характеристики. Эти параметры имеют сложную компромиссную взаимосвязь, поэтому крайне важно выбрать наиболее подходящую индуктивность для требуемой области применения с учетом эффективности, размеров и стоимости преобразователей постоянного тока.

Ключевой момент: Силовые индуктивности могут быть классифицированы на моточные, многослойные и тонкопленочные в зависимости от различий в методах изготовления, с сердечниками на основе феррита или порошкового сплава. Ферриты характеризуются высокими значениями проницаемости (μ) и индуктивности, в то время как сердечники на основе порошковых материалов имеют высокие значения индукции насыщения, что делает их подходящими для использования при больших величинах тока.

Ключевой момент: Выделяется два определения номинального тока для силовых индуктивностей: допустимый ток при суперпозиции DC и допустимый ток при возрастании температуры. Если сердечник войдет в насыщение, величина его индуктивности будет снижена. Рекомендуемая величина максимального тока, который может быть передан без достижения магнитного насыщения, соответствует допустимому току при наложении постоянного тока (пример: падение на 40% от начального значения индуктивности). Ток, определяемый тепловыделением в соответствии с электрическим сопротивлением обмоток, является допустимым током при повышении температуры (например, повышение температуры на 40 °С в результате тепловыделения). В качестве номинального обычно принимают значение тока, меньшее из рассмотренных выше двух типов допустимых токов.

Ключевой момент: К основным типам потерь, которые могут вызвать скачок температуры можно отнести: потери в меди, появляющиеся из-за обмотки проводом, а также потери в магнитопроводе.

Потери в меди возникают из-за сопротивления DC (RDC) обмотки и увеличиваются пропорционально величине тока в квадрате. Кроме того, когда частота переменного тока становится выше, существует тенденция концентрации тока в области недалеко от поверхности проводника и увеличения эффективного значения сопротивления (скин-эффект). В высокочастотном диапазоне также добавляются потери в меди, возникающие в результате протекания переменного тока.

Потери в магнитопроводе соответствуют сумме потерь на вихревые токи и на гистерезис. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, поэтому в высокочастотных областях потери в сердечнике, вызванные потерями на вихревые токи, становятся больше. Одним из ключевых моментов для повышения эффективности является выбор материалов сердечника, характеризующихся низкими потерями даже в высокочастотном диапазоне.

Ключевой момент: Потери в меди становятся доминирующими в случае подключения умеренной или интенсивной нагрузки, в то время как вклад потерь в магнитопроводе становится существенным уже при включении небольшой нагрузки. Для тока, протекающего через индуктивность при включении умеренной и большой нагрузки, вклад смещения (DC bias current) достаточно велик, в этой связи потери в меди, появляющиеся в результате сопротивления постоянному току (RDC), становятся доминирующими. С другой стороны, при подключении неполной нагрузки тока смещения (DC bias) практически нет. В этой связи, уровень потерь в меди снижается, но поскольку операция переключения с постоянной частотой выполняется даже в режиме ожидания, потери в сердечнике из-за особенностей материала феррита становятся существенными , а эффективность значительно уменьшается (рисунок 3).

Ключевой момент: использование компонентов в режиме прерывистого тока влияет на стабильность источников питания.

В силовых индуктивностях, применяемых в понижающих DC-DC преобразователях, будет протекать пульсирующий ток (ΔIL) с формой непрерывных треугольных волн в сочетании с операцией ВКЛ/ВЫКЛ для переключающих элементов (рисунок 4).

В ходе подключения нагрузки от умеренной до интенсивной ΔIL будет накладываться на смещение по постоянному току, поэтому ток индуктивности будет протекать непрерывно (режим непрерывного тока (Iвых > 1 / 2ΔIL)). Однако в преобразователях постоянного тока с диодным выпрямлением при подключении легкой нагрузки, где Iвых < 1/2ΔIL, будут периоды, когда ток индуктивности станет нулевым. В этом состоянии (режим прерывистого тока) ток индуктивности будет периодически прерываться, что, в свою очередь, будет влиять на стабильность источника питания. Кроме того, если катушка индуктивности работает в режиме прерывистого тока, также будет возникать акустический шум. В результате переключения будет генерироваться импульсный сигнал напряжения, что будет способствовать появлению шума.

Ключевой момент: Необходимо задавать такую величину индуктивности, чтобы вклад пульсирующего тока составлял 20-30% от номинального тока.

Величина пульсирующего тока связана с индуктивностью. В этой связи, преобразователи постоянного тока с диодным выпрямлением должны быть спроектированы таким образом, чтобы избежать проблем, связанных с работой в режиме прерывистого тока путем ограничения вклада пульсирующего тока. Если предпочтительно применение компонента с небольшим значением индуктивности из-за размеров или стоимости, величина пульсирующего тока станет больше. И наоборот, если требуется уменьшить пульсирующий ток, необходима большая индуктивность, что может привести к недостаткам, связанным с размером или стоимостью, а также вызвать ухудшение характеристик переходного процесса при внезапных изменениях нагрузки. Таким образом, обычно принято указывать такое значение индуктивности, при которой величина пульсирующего тока будет составлять 20-30% от номинального (прерывистый ток будет фиксироваться в области, когда пульсирующий ток будет составлять примерно 10% от номинального).

Ключевой момент: выбор правильного подхода при снижении значения индуктивности может улучшить характеристики отклика нагрузки . В случае, когда, например, отмечается внезапный рост нагрузки, будет происходить падение выходного напряжения. В ходе последующего восстановления через индуктивность в течение короткого времени может протекать аномально большой пиковый ток для зарядки выходного конденсатора совместно с током нагрузки. Однако, если будет установлено небольшое значение пульсирующего тока, достичь требуемых характеристик переходного процесса для быстрого восстановления после внезапного падения выходного напряжения будет невозможно. Одним из способов решения этой ситуации могло бы стать уменьшение значения индуктивности и, таким образом, увеличение величины пульсирующего тока. Как показано на рисунке 6, выходное напряжение существенно падает, если характеристики отклика нагрузки плохие. В то же время, если значение индуктивности соответствующим образом снижается, и пульсирующий ток увеличивается, изменение величины тока индуктивности становится более существенным, что вызывает снижение вклада падения напряжения и способствует более быстрому восстановлению. Однако при понижении значения индуктивности важно использовать настройку, которая учитывает общий баланс системы.

 

2.3.5.Разновидности катушек индуктивности.

Контурные катушки индуктивности. Эти катушки используются 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 цилиндрические сердечники из альсифера или карбонильного железа.

В диапазоне коротких и ультракоротких волн используются 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. Обмотка выполняется одножильным медным проводом диаметром около 1 мм. На УКВ применяют бескаркасные катушки из неизолированного провода.

Катушки связи. Эти катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т.д.

К таким катушкам не предъявляются жесткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и  коэффициент связи

где L1 и L2 - индуктивность связанных катушек,

М - взаимная индуктивность между ними. Величина коэффициента связи зависит от расстояния между катушками, чем оно меньше, тем больше k.

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 величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра

L = L1 +L2  2М

(2.57)

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 они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические сердечники.

Катушки индуктивности для ГИС. На частотах порядка 10 - 100 МГц находят применение тонкопленочные спиральные катушки. На площади в 1 кв.см, располагается не более 10 витков. Добротность таких катушек не превышает 20-30. Поэтому они находят ограниченное применение. В ГИС предпочтительны миниатюрные торроидальные катушки на ферритовых сердечниках, индуктивность которых достигает десятков тысяч микрогенри.

В последнее время наметилась тенденция замены катушек 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 используются операционные усилители с глубокой частотно-зависимой обратной связью.

У этого термина существуют и другие значения, см. Трансформатор (значения).

Мачтовая трансформаторная подстанция с трёхфазным понижающим трансформатором

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — электрический аппарат, имеющий две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока (ГОСТ Р52002-2003).

Трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

Основные параметры катушек индуктивности.

1. Номинальная величина индуктивности Lн.

Для бесконечно длинного соленоида (катушки) величину индуктивности Lном расчитывают по формуле:

Lном = (p D2 N 2 / l ) (Гн),

где: D -диаметр каркаса , см; l - длина намотки, см; N - число витков.

2. Допуск на индуктивность δL, который зависит от ее назначения:

±(0,2 – 0,5)% - для контурных катушек, ±(10 – 15)% - для катушек связи и дросселей высокой частоты.

3. Добротность катушки индуктивности Q при заданных величине индуктивности L и рабочей частоте wопределяется суммарным сопротивлением потерь в катушке:

Q = wL/RS,

где RS = R f + R д + R э + R с + R р ,

где: Rf - сопротивление провода обмотки току высокой частоты определяется как омическим сопротивлением провода постоянному току, так и действием поверхностного эффекта. Эта составляющая потерь при правильном конструировании катушки является определяющей.

R д - диэлектрические потери в каркасе и изоляции провода обмотки. Эти потери обусловлены влиянием электромагнитного поля катушки на структуру диэлектрика каркаса (для однослойных катушек) и диэлектрика изоляции провода (для многослойных катушек).

 

R д= w3 L2 CL tgd [ Ом ],

где: CL - составляющая собственной емкости катушки через диэлектрик,

tgd - тангенс угла потерь диэлектрика каркаса или изоляции провода;

При конструировании катушки необходимо выбрать материал каркаса таким образом, чтобы он соответствовал выбранному диапазону ее применения. Например, в диапазоне КВ или УКВ надо применять высокочастотные диэлектрики (керамика, полистирол), а в диапазоне средних волн – низкочастотные диэлектрики (пресс-порошки, текстолит, картон). Диэлектрические потери в катушках СВ и ДВ практически не зависят от материала каркаса, поэтому можно использовать любой низкочастотный диэлектрик, обладающий технологичностью.

Потери в диэлектрике провода определяются числом слоев изоляции и емкостью между витками многослойной катушки.

Rэ - сопротивление потерь, вносимых экраном;

Rс - сопротивление потерь в сердечнике складывается из потерь в магнитном материале на гистерезис и вихревые токи. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитный сердечник должен обладать кроме высоких магнитных свойств большим сопротивлением. Это достигается применением магнитодиэлектрических сердечников или ферритов;

Rр - сопротивление потерь за счет резонансных свойств катушки. Эту составляющую как правило не учитывают, так как рабочую частоту обычно выбирают из условия:

 

w раб < w о / 3,

где w о = 1 / 2pÖLCL -резонансная частота катушки,

гдеCL - собственная емкость катушки.

Добротность катушек при их использовании в контурах влияет на такие важные характеристики радиоприемных устройств, как чувствительность и избирательность, а у радиопередающих устройств – к. п. д. и др. Применяемые в радиоаппаратуре катушки индуктивности имеют диапазон добротности 30 – 300. Существует общее правило: чем выше требуемая добротность катушки, тем большие габариты она должна иметь. При заданной величине добротности существует оптимальный вариант конструкции катушки, габариты которой должны быть не больше оптимальных и не могут быть меньше их.

4.Температурная стабильность катушки индуктивности или температурный коэффициент индуктивности ТКИ – отношение относительного изменения индуктивности к интервалу температур, вызвавшему это изменение.

ТКИ = (1 / Lo) ´ ( dL / dT) [1/С°]

 

5.Собственная емкость катушки СL - электрическая емкость, составляющая с индуктивностью катушки резонансный контур, складывается из емкости между витками через диэлектрик каркаса и изоляции провода и емкости между витками через воздух. Величина собственной емкости определяется также видом намотки и числом витков

Классификация катушек индуктивности.

По частотному диапазону: длинноволновые, средневолновые, коротковолновые, УКВ и СВЧ катушки индуктивности.

По методу изготовления: вожженные, намотанные, печатные, тонкопленочные.

По типу намотки: однослойные катушки с рядовой и шаговой обмоткой и многослойные катушки с произвольной, рядовой, универсальной и секционированной обмоткой.

По конструкции: цилиндрические, кольцевые, спиральные, бескаркасные, с каркасом, с сердечником и без него, экранированные и без экрана.

По назначению: контурные катушки индуктивности, катушки связи.

 

Катушки с сердечником.

Обеспечить необходимую точность, особенно при изготовлении контурных катушек без дополнительных мер, не удается. Следовательно, контурные катушки должны иметь элемент подстройки. Таким элементом, дающим возможность регулировать параметры в пределах ± 15%, является сердечник, вводимый внутрь катушки. Сердечники выполняются из различного материала и имеют различную форму.

Магнитный сердечник увеличивает индуктивность катушки в mc раз, где mc - действующая магнитная проницаемость сердечника, зависящая от магнитных свойств материала и от его формы.

L c = m cL,

где m c =(0,25 – 0,5)mмм,

mмм_- магнитная проницаемость материала сердечника.

Применение сердечников из магнитных материалов (карбонильное железо, альсифер, магнетит, ферриты), очевидно, позволяет уменьшить число витков катушки.

Магнитные сердечники применяют в основном в длинноволновых и средневолновых катушках, где они выполняют не только роль подстроечного элемента, но и уменьшают требуемое количество витков, т.е. габариты и массу катушки. В диапазоне КВ и УКВ использовать магнитные сердечники менее целесообразно, поскольку значение индуктивности и числа витков здесь невелики, и кроме того, с ростом частоты падает величина m. Поэтому для подстройки в этом диапазоне используют сердечники из латуни или алюминия.

 

Экранированные катушки.

Для устранения паразитных связей между каскадами используют экраны в виде металлических стаканов круглой или прямоугольной формы, которые надевают на катушку.

Сущность экранирования заключается в следующем: магнитное поле катушки наводит в поверхностном слое экрана вихревые токи, которые создают поле обратного направления. Если толщина экрана больше поверхностного слоя проникновения вихревых токов, то взаимодействие поля катушки с полями других источников исключается. Для устранения возможных емкостных связей экран заземляют. Чем выше проводимость материала экрана, тем больше по величине вихревые токи и тем выше экранирующие свойства экрана. На длинных и средних волнах используют алюминиевые экраны, на коротких – латунные и медные. Толщина экрана обычно выбирается из технологических соображений (возможности вытяжки) и составляет 0,5 – 1 мм.

Индуктивность экранированной катушки Lэ меньше, чем неэкранированной L , за счет встречного поля экрана.

L э = L [1 - h (D / D э)3],

где: h - коэффициент, зависящий от соотношения длины и диаметра намотки, D – диаметр катушки, Dэ – диаметр экрана.

Влияние экрана на величину индуктивности учитывают для однослойных катушек, причем допустимо уменьшать индуктивность не более чем на 20%. У многослойных катушек основное поле почти полностью сконцентрировано в обмотке или сердечнике катушки и слабо влияет на токи в экране, поэтому влиянием экрана пренебрегают.

Рис. 3.1. Типы катушек индуктивности:

а – однослойная с шагом; б – многослойная; в – плоская; г – тороидальная с круглым и прямоугольным сечением.

Катушки индуктивности имеют различные конструкции и классифицируются по типу намотки, виду и материалу каркаса (рис. 3.1, рис. 3.2, рис. 3.3, рис.3.4, рис. 3.5), способам подстройки индуктивности (катушки без сердечника рис. 3.7) (катушки с сердечником рис. 3.8.), виду защиты – экранированные и неэкранированные.

Рис. 3.2. Конструкции катушек индуктивности:

а – катушка в чашеобразном ферритовом каркасе-сердечнике и корпусе из полиэтилена; б – катушка с многослойной обмоткой на пластмассовом гладком каркасе с цилиндрическим сердечником; в – катушка типа «универсаль» на пластмассовом гладком каркасе.

Рис. 3.3. Катушка индуктивности с намоткой типа «универсаль».

Рис. 3.4. Однослойная катушка индуктивности: а – сплошная; б – с шагом.

Рис. 3.5. Конструкции катушек индуктивности.

а – катушка со сплошной намоткой на гладком трубчатом каркасе; б – катушка с осажденной намоткой на нарезном каркасе; в – бескаркасная катушка индуктивности.

 

Рис. 3.6. Печатная катушка индуктивности.

1 – обмотка из медной фольги; 2 – изоляционная плата.

Рис. 3.7. Способы подстройки катушек индуктивности без сердечника/

(а– изменением шага намотки; б – подбором взаимоиндукции между секциями; в – изменением числа витков.)

Рис. 3.8. Способы подстройки катушек сердечниками. (Сердечники из карбонильного железа с резьбой и без резьбы, сердечники из феррита и сердечники из немагнитного материала).

 


Читайте также:


Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Введение в индукторы - что такое индуктор, основы, типы и работа индукторов

Один пассивный компонент, который всегда остается неясным, - это индукторы . Это структуры, похожие на катушки, которые вы найдете в большинстве силовых электронных схем, и именно из-за их свойств работают ваши трансформаторы. Причина, по которой многие люди не понимают индукторов, заключается в том, что они изменяют не только электрическое поле, но и магнитное поле вокруг него. В этом руководстве мы познакомимся с основами Inductor и демистифицируем его, чтобы мы знали, как и когда использовать его в наших приложениях.

Что такое индуктор?

Катушка индуктивности , пожалуй, самый простой из всех электронных компонентов, сконструированный так же, как резистор - простой кусок проволоки, намотанный на катушку. Однако здесь сопротивление - это не то свойство, которое мы ищем. Это происходит из-за формы провода - катушки - он создает магнитное поле, когда через него проходит ток. Это индуцированное магнитное поле придает этому кусочку проволоки некоторые интересные электрические свойства, особенно индуктивность, что и дало этим частям их название.

Разница между индуктором и конденсатором

О конденсаторе мы уже узнали в предыдущей статье. И теперь, когда вы познакомились с основами индуктивности, у вас может возникнуть вопрос: « В чем разница между индуктором и конденсатором?

Во-первых, оба накапливают энергию, когда к нему прикладывается потенциал напряжения, но конденсатор хранит энергию в форме электрического поля, а индуктор хранит энергию в форме магнитного фелида.Хорошо, но как это влияет на его работоспособность.

Нам нужно очень глубоко вникнуть, чтобы понять это, но пока вы можете просто вспомнить, что конденсатор пытается выровнять напряжение в цепи, то есть ему не нравится изменение потенциала на каждом компоненте, и, следовательно, он будет заряжаться. или разрядите для повышения напряжения. Индуктору, с другой стороны, не нравится изменение тока в цепи, поэтому при изменении тока он будет заряжаться или разряжаться, чтобы уравнять ток в цепи.

Также помните, что индуктор изменяет свою полярность во время разряда, поэтому потенциал во время зарядки будет противоположен потенциалу во время разряда.

Обозначения для индукторов

Как и многие другие электронные компоненты, символ индуктора представляет собой упрощенную пиктограмму того, как он выглядит на самом деле:

Линии возле символа обозначают основной материал - мы обсудим это позже.

Работа индуктора

Катушка индуктивности, как уже упоминалось, представляет собой просто катушку с проволокой.

Прежде чем мы перейдем к чему-то еще, зададимся вопросом, почему именно катушка?

Как мы уже знаем, любой проводник с током создает магнитное поле следующим образом:

Однако, если вы подставите значение тока в формулы, то поймете, что создаваемое магнитное поле крошечное - почти незначительное, если только токи не являются невероятно высокими, порядка мегаампер.

Итак, чтобы увеличить магнитное поле, создаваемое проволокой определенной длины, мы наматываем ее в виде катушки.Это увеличивает магнитное поле, например:

Эту форму также называют соленоидом .

Когда на выводы индуктора подается напряжение, протекающий ток создает магнитное поле. Это магнитное поле снова создает индуцированный ток в индукторе противоположной полярности согласно закону Ленца. Токи не компенсируют друг друга - скорее, индуцированный ток активно пытается противодействовать входящему току из-за напряжения на катушке индуктивности.Общий результат этой битвы состоит в том, что ток через катушку индуктивности не может быстро меняться - это всегда линейный наклон.

Измерение индуктора

Рабочее поведение катушки индуктивности . ставит интересный вопрос - как количественно измерить поведение катушки индуктивности с помощью легко измеряемых величин?

Мы могли бы попробовать измерить индукторы по создаваемому ими магнитному полю. Как только мы это сделаем, мы столкнемся с проблемами.Магнитное поле, создаваемое индуктором, зависит от протекающего через него тока, поэтому даже небольшой индуктор может создать большое магнитное поле.

Вместо этого мы могли бы использовать тот же подход, который мы использовали для конденсаторов, и мы можем определить индуктивность цепи как изменение напряжения, индуцированное при изменении тока с определенной скоростью.

Математически,

В = L (dI / dt)

Где V - напряжение, L - индуктивность, I - ток, а t - период времени.

Индуктивность, «L», измеряется в Генри, названном в честь Джозефа Генри, американского ученого, открывшего электромагнитную индукцию.

Формула для расчета индуктивности катушки с проволокой определяется по следующей формуле:

L = (мкн2а) / л

Где L - индуктивность в Генри, μ - постоянная проницаемости, то есть коэффициент того, насколько легко магнитное поле может быть создано в данной среде, n - количество витков, a - площадь катушки, а l - длина катушки.

Опять же, Генри - очень большая единица измерения, поэтому на практике индукторы измеряются в микрогенри, мкГн, что составляет миллионную долю Генри, или миллигенри, мГн, что составляет тысячную долю Генри. Иногда вы можете даже встретить очень маленькие индуктивности, измеренные в нано-генри, которые составляют тысячную долю мкГн.

Различные типы индукторов

Теперь µ в приведенном выше уравнении имеет некоторые интересные значения. Это предполагает, что магнитным полем внутри индуктора можно управлять.Как упоминалось выше, иногда магнитное поле, создаваемое даже соленоидом, иногда не соответствует требованиям. Вот почему почти во всех случаях индукторы сформированы вокруг материала сердечника.

Ядра - это материалы, которые поддерживают создание магнитного поля. Обычно они сделаны из железа и его соединений, таких как феррит (который представляет собой оксид железа). Используя сердечник, можно получить большее магнитное поле, чем без него.

1. ИНДУКТОРЫ ВОЗДУШНОГО ЖИЛА:

Как следует из названия, у этого типа индуктора нет сердечника - материал сердечника - воздух! Поскольку воздух имеет относительно низкую проницаемость, индуктивность индукторов с воздушным сердечником довольно мала - редко превышает 5 мкГн.Поскольку они имеют низкую индуктивность, скорость нарастания тока довольно высока для приложенного напряжения, что позволяет им работать с высокими частотами. В основном они используются в радиочастотных цепях.

2. ИНДУКТОРЫ ЖЕЛЕЗНОГО СЕРДЦА

Железо, пожалуй, самый узнаваемый магнитный материал, что делает его идеальным выбором для индукторов. Они имеют форму индукторов с железным сердечником. Обычно их используют для фильтрации низкочастотных линий, поскольку они могут быть довольно мощными и иметь большую индуктивность.Они также используются в аудиоаппаратуре.

3. ИНДУКТОРЫ ИЗ ФЕРРИТА

Феррит - это просто порошок оксидов железа. Этот порошок смешивают с эпоксидной смолой и формуют в форме сердечников, на которые можно наматывать провода. Катушки индуктивности с ферритовым сердечником - самые узнаваемые из-за их матового серо-черного цвета. Они также очень хрупкие и легко ломаются. Это наиболее широко используемые типы индукторов, поскольку их проницаемость можно точно регулировать, контролируя соотношение феррита и эпоксидной смолы в смеси.

Последовательные и параллельные индукторы

Катушки индуктивности, подключенные последовательно и параллельно, ведут себя прямо противоположно конденсаторам.

Например, чтобы рассчитать индуктивность группы последовательно соединенных катушек индуктивности, вы можете просто суммировать значения отдельных индуктивностей.

L = L1 + L2 +… + Ln

Где L - общая индуктивность, а L1, L2… Ln - отдельные индуктивности.

Предположим, у вас есть две катушки индуктивности, одна из которых измеряет 10 мкГн, а другая - 15 мкГн, тогда, включив их последовательно, вы получите общую индуктивность 25 мкГн.

Катушки индуктивности, включенные параллельно, ведут себя так же, как и резисторы, подключенные параллельно, индуктивность определяется по формуле:

1 / L = 1 / L1 + 1 / L2 +… + 1 / Ln

Где L - общая индуктивность, а L1, L2… Ln - отдельные индуктивности.

Таким образом, если вы соедините две индуктивности 10 мкГн параллельно, вы получите индуктивность 5 мкГн.

Полезные формулы индукторов

1. ЭНЕРГИЯ, СОХРАНЕННАЯ ИНДУКТОРАМИ:

Катушки индуктивности могут накапливать энергию так же, как конденсаторы, но энергия исчезает в тот момент, когда вы отключаете питание, и магнитное поле исчезает.Другими словами, индуктор без питания не может поддерживать свое магнитное поле.

E = ½ * L * I2

Где E - энергия в Джоулях, L - индуктивность в Генри, а I - ток в амперах.

Если у вас есть индуктор на 20 мкГн с протекающим через него током 5 А, то запасенная энергия будет 0,00025 Дж. В этом аспекте индукторы, как и конденсаторы, также хранят очень мало энергии.

2. ТЕКУЩИЙ ПРИРОСТ

Эта формула уже обсуждалась, но к ней стоит присмотреться.

В / L = dI / dt

Где V - напряжение, приложенное к катушке индуктивности, L - индуктивность, I - ток, а t - время.

Это означает, что когда на катушку индуктивности подается постоянное напряжение, ток растет с линейной крутизной. Это может быть полезно при создании скачков тока, так же как конденсатор создает скачки напряжения при постоянном токе.

3. ИМПЕДАНС

Катушки индуктивности имеют импеданс, который зависит от частоты по формуле:

.

XL = 2π * f * L

Где XL - это индуктивный импеданс, f - частота в герцах, а L - индуктивность в Генри.

Поведение индуктора в цепях

Удивительно, но катушки индуктивности в значительной степени бесполезны в цепях постоянного тока, поскольку там течет постоянный ток, а катушка индуктивности действует как кусок проволоки.

В основном они используются в цепях переменного тока. Как упоминалось выше, они имеют импеданс, что делает их полезными для ограничения тока в цепи переменного тока, такой как балласты люминесцентных ламп.

Их также можно использовать для фильтрации сигналов.

В первом случае катушка индуктивности пропускает весь постоянный ток через нее на землю, предотвращая попадание всех низких частот на выход.На более высоких частотах сопротивление катушки индуктивности постоянно увеличивается, поэтому сигнал может проходить на выход, поэтому он называется фильтром высоких частот.

Во втором случае катушка индуктивности пропускает постоянный ток и низкие частоты, но блокирует все высокие частоты на выходе, поэтому он называется фильтром нижних частот.

Катушки индуктивности в реальной жизни

Катушки индуктивности

, поскольку они сделаны из медной проволоки и феррита, обычно дороги и находят наиболее широкое применение в радиоприемниках, источниках питания и телекоммуникационном оборудовании.

В источниках питания используется свойство индуктора предотвращать резкие изменения тока. Вместе с конденсатором он предотвращает резкие изменения выходного напряжения и тока источника питания.

В схемах

RF используется интересная LC-схема, называемая резервуаром. Конденсатор заряжается и разряжается в катушке индуктивности, которая создает его магнитное поле. Когда магнитное поле схлопывается, создается напряжение, которое заряжает конденсатор. Это создает периодические колебания, которые можно использовать для генерации высоких частот.

Частоту можно рассчитать по формуле:

Где f - частота в герцах, L - индуктивность в Генри, а C - емкость в Фарадах.

Заключение

И это все практические знания, которые вам потребуются для работы с индукторами. Они по своей сути простые устройства и не так распространены, как их родственники из конденсаторов и резисторов, но все же очень полезны.

Различные типы индукторов с областями применения

Различные типы индукторов и их применение

В промышленности используются различные типы индукторов.Каждый из этих различных типов имеет свое специальное применение и применение, например, фильтры, генераторы, изоляторы и т. Д. Поэтому важно знать о конкретном типе индуктора перед его покупкой.

Что такое индуктор?

Мы уже делились подробным постом про индукторы? Вы можете прочитать его здесь: Что такое индуктор - его работа, параметры, факторы и применение

Ниже мы обсудим различных типов индукторов в зависимости от различных факторов и их применения.

Например:

  • Индуктор с воздушным сердечником
  • Индуктор с ферромагнитным / железным сердечником
  • Индуктор с ферритовым сердечником
  • Индукторы с сердечником из железного порошка
  • Индукторы с керамическим сердечником
  • Индуктор с ламинированным стальным сердечником
  • Тороид с сердечником
  • Тороид Индуктор с сердечником
  • Многослойный индуктор
  • Тонкопленочный индуктор
  • Литой индуктор
  • Спаренный индуктор
  • Силовой индуктор
  • Радиочастотный индуктор
  • Дроссели
  • на основе 9327 9327 различных типов индукторов Сердечник:

    Сердечник индуктора играет важную роль в его характеристиках.Материал и конструкция сердечника определяют индуктивность, допустимый ток и рабочую частоту катушки индуктивности.

    На основе материала сердечника

    Некоторые типы индукторов, классифицируемые в соответствии с материалом сердечника, приведены ниже:

    Индуктор с воздушным сердечником:

    Индукторы с воздушным сердечником имеют немагнитный сердечник, такой как пластик, керамика или просто воздух, как предлагается по его очевидному названию.

    В индукторе с воздушным сердечником в качестве сердечника используется любой немагнитный материал, чтобы уменьшить потери в сердечнике i.е. вихревые токи и паразитные потери, особенно при очень высокой рабочей частоте. Но использование немагнитного сердечника также снижает его индуктивность.

    Они широко используются в ВЧ приложениях из-за их низких потерь на высоких рабочих частотах.

    Основным недостатком индуктора с воздушным сердечником является то, что механическая вибрация может повлиять на его индуктивность.

    Индуктор с ферромагнитным сердечником / железным сердечником:

    Индуктор такого типа состоит из сердечника, изготовленного из ферромагнитного материала.Они также известны как индукторы с железным сердечником.

    Ферромагнетики имеют магнитную природу, и их магнитный сердечник используется для значительного увеличения индуктивности катушки. Это связано с тем, что ферромагнитные материалы обладают высокой магнитной проницаемостью и увеличивают магнитное поле катушки.

    Однако у использования ферромагнитного сердечника есть некоторые недостатки в виде потерь, называемых потерями в сердечнике. Потери в сердечнике состоят из потерь на вихревые токи и потерь на гистерезис.

    Конструкция и использование различных типов ферромагнитных материалов для сердечника индуктора оказывает огромное влияние на его характеристики. Вот почему индукторы с ферромагнитным сердечником подразделяются на разные типы.

    Связанные сообщения:

    Индуктор с ферритовым сердечником:

    В этих типах катушек индуктивности используется ферритовый сердечник. Феррит - это материал с высокой магнитной проницаемостью , изготовленный из смеси оксида железа (оксид железа, Fe 2 O 3 ) и небольшого процента других металлов, таких как никель, цинк, барий и т. Д.

    Существует два типа ферритов: твердые ферриты , и мягкие ферриты .

    • Твердые ферриты используются в постоянных магнитах, поскольку они не очень хорошо размагничиваются. Они не используются в индукторах из-за их высоких потерь на гистерезис.
    • В то время как Мягкие ферриты легко меняют намагниченность и являются хорошим проводником магнитного поля. Таким образом, они используются в трансформаторах и индукторах.

    Ферритовый сердечник имеет очень низкую электрическую проводимость , что снижает вихревые токи в сердечнике, что приводит к очень низким потерям на вихревые токи на высокой частоте.Следовательно, они могут использоваться в высокочастотных приложениях.

    Ферритовый материал очень дешев, так как он почти состоит из железной ржавчины и очень устойчив к коррозии.

    Индукторы с сердечником из железного порошка:

    Сердечник таких индукторов состоит из смеси зерен железа с органическим связующим, например, эпоксидной смолой и т. Д.

    Эпоксидное изоляционное покрытие поверх частиц железа снижает потери на вихревые токи в основном. Поскольку размер частиц определяет течение вихревого тока в ядре.Чем меньше размер частицы, тем меньше индуцируемый вихревой ток.

    Воздушный зазор между частицами сердечника распределен равномерно, что снижает магнитную проницаемость сердечника. Следовательно, ток насыщения этого сердечника относительно очень высок.

    Но, как мы знаем, железные сердечники очень чувствительны к потерям в сердечнике на высокой частоте. Таким образом, они используются для частот ниже 100 кГц. Из-за более высокого тока насыщения они используются в приложениях с высокой мощностью, в основном в дросселях, таких как дроссели накопителя, диммеры, дроссели фильтров и т. Д.

    Железный порошок очень дешев, что делает такую ​​конструкцию сердечника очень рентабельной, если размер не имеет значения.

    Связанные сообщения:

    Катушки индуктивности с керамическим сердечником:

    Керамика - немагнитный материал, как и воздух. Керамические сердечники используются для придания формы катушке и конструкции, на которой будут сидеть ее выводы. Поскольку это немагнитный материал, он имеет низкую магнитную проницаемость и низкую индуктивность. Зато обеспечивает снижение потерь в сердечнике. Он в основном доступен в упаковке SMD и используется в приложениях, где требуются низкие потери в сердечнике, высокая добротность и низкая индуктивность.

    Индуктор с многослойным стальным сердечником

    В индукторах такого типа сердечник является ламинированным, что означает, что он состоит из группы тонких листов, плотно уложенных друг на друга. Листы покрыты изоляцией для увеличения ее электрического сопротивления и предотвращения протекания между ними вихревого тока. Следовательно, потери на вихревые токи в индукторах с многослойным сердечником значительно уменьшаются. Они используются в приложениях с высокой мощностью.

    На основе конструкции сердечника

    Геометрия сердечника также играет роль в работе индуктора.Некоторые из этих конструкций приведены ниже:

    Индуктор с тороидальным сердечником

    Как следует из названия, эти типы индукторов имеют тороидальный сердечник, который представляет собой сердечник в форме круглого кольца или пончика. Сердечник изготовлен из ферромагнитного материала.

    Преимущество этого круглого сердечника заключается в том, что магнитное поле находится внутри сердечника и имеет очень низкую утечку магнитного потока. Из-за низкого потока утечки магнитное поле в сердечнике выше. Это увеличивает индуктивность индуктора с тороидальным сердечником, и она выше, чем индуктивность стержневого или стержневого сердечника из того же материала.

    Другим важным аспектом тороидального сердечника является то, что сердечник излучает меньше электромагнитных помех (EMI) по сравнению с другими катушками индуктивности. Вот почему им отдают предпочтение при разработке компактных устройств, в которых компоненты расположены очень близко друг к другу.

    Они используются в источниках питания, схемах управления, системах связи, медицинских устройствах и т. Д.

    Индуктор барабанного / катушечного сердечника:

    Этот тип индуктора изготовлен из сердечника в форме бобины.Это цилиндр с двумя плоскими дисками на каждом конце. Он также известен как индуктор сердечника барабана.

    Катушка намотана вокруг цилиндра. Бобинный сердечник не обеспечивает замкнутый магнитный путь, вместо этого магнитный поток проходит через диск в воздушный зазор, а затем входит в сердечник через второй диск на другом конце. Он обеспечивает большой воздушный зазор для своего магнитного поля для хранения большего количества энергии. А значит, увеличивается ток насыщения катушки индуктивности. Это означает, что катушка индуктивности может выдерживать высокие пиковые токи без насыщения, но за счет излучения электромагнитных помех (EMI).

    Существует два типа индукторов сердечника шпульки: экранированный и неэкранированный.

    • Катушки индуктивности с экранированным сердечником имеют дополнительный слой поверх обмотки для завершения пути потока, содержащего магнитное поле внутри сердечника. Такие типы индукторов имеют низкий уровень электромагнитных помех из-за низкого рассеяния магнитного потока и высокой индуктивности из-за увеличения магнитной проницаемости, но за счет низкого тока насыщения по сравнению с индуктором с неэкранированным сердечником.
    • Выше описан неэкранированный индуктор с сердечником катушки, который не имеет замкнутого пути потока и имеет высокий ток насыщения за счет низкой индуктивности и электромагнитных помех.

    Катушки индуктивности с неэкранированным сердечником экономичны. Они используются в приложениях преобразования энергии, где пиковый ток велик. Они доступны в аксиальной, радиальной и SMD упаковке.

    Типы катушек индуктивности в зависимости от их применения

    Катушки индуктивности предназначены для различного использования. Их конструкция варьируется от приложения к приложению, некоторые из этих индукторов в зависимости от их использования приведены ниже.

    Многослойный индуктор:

    Как следует из названия, эти индукторы имеют несколько слоев проволоки, намотанных друг на друга.Такие индукторы имеют большую индуктивность из-за увеличения числа витков обмотки.

    Многослойные индукторы доступны в упаковке SMD (устройства для поверхностного монтажа).

    Многослойные индукторы SMD имеют несколько слоев проводящих дорожек друг над другом, разделенных ферритовым материалом. Эти следы действуют как катушка индуктора. Однако из-за увеличения числа витков катушки паразитная емкость также увеличивается. Это снижает добротность индуктора, которую можно улучшить, используя керамический диэлектрический материал, поскольку ферритовые сердечники имеют потери на очень высокой частоте.

    Они используются в устройствах мобильной связи благодаря своей компактной SMD-конструкции.

    Тонкопленочный индуктор:

    Этот тип индуктора выполнен на подложке из тонкого феррита или магнитного материала. Сверху на подложку помещается проводящий медный след в форме спирали. Конструкция обеспечивает устойчивость и устойчивость к вибрациям.

    Благодаря своей высокой точности, производительности и компактным размерам он используется в устройствах мобильной связи, беспроводных сетях, источниках питания и т. Д.

    Литой индуктор

    Индуктор такого типа покрыт изоляцией, такой как пластик или керамика, как и резисторы.

    Сердечник изготовлен из феррита или фенольного материала. Обмотка может быть разной конструкции, и она доступна в различных формах, таких как осевая, цилиндрическая и стержневая. Они также доступны в SMD и THT. Их миниатюрный размер и легкий вес позволяют использовать их в печатных платах, мобильных устройствах и компьютерах и т. Д.

    Спаренный индуктор

    Пара индукторов состоит из двух обмоток вокруг общего сердечника.

    Изменяющийся магнитный поток из-за первой обмотки индуцирует ЭДС во второй обмотке; это явление известно как взаимная индуктивность. Обе обмотки электрически изолированы. Связанный таким образом индуктор обеспечивает электрическую изоляцию между двумя цепями. Трансформатор - это спаренная катушка индуктивности.

    Они имеют множество применений в зависимости от их обмотки. Индукторы с соотношением обмоток 1: 1 в основном используются для гальванической развязки или увеличения последовательной индуктивности.Соотношение обмоток связанных индукторов 1: N (которые могут повышать или понижать напряжения) используются в других схемах преобразования энергии, таких как обратный ход, SEPIC, ZETA и т. Д.

    Силовой индуктор

    Эти индукторы специально разработаны, чтобы выдерживать высокий ток без достижения области магнитного насыщения. Чтобы увеличить номинальный ток насыщения, магнитное поле индуктора увеличивается, что вызывает EMI (электромагнитные помехи). Чтобы уменьшить электромагнитные помехи, большинство силовых индукторов используются с надлежащим экранированием.Они доступны от нескольких ампер до нескольких сотен ампер как в SMD, так и в сквозной упаковке.

    Радиочастотный РЧ индуктор

    Такие типы индукторов разработаны для высокочастотных приложений. Обычная катушка индуктивности не работает очень хорошо из-за ее высокого импеданса и потерь в сердечнике на высокой частоте. Большинство этих потерь происходит из-за паразитной емкости, скин-эффекта, эффекта близости и потерь в сердечнике (потери на вихревые токи) и т. Д.

    Потери на вихревые токи прямо пропорциональны частоте.Таким образом, это устраняется за счет полного удаления сердечника вместо использования индуктора с воздушным сердечником.

    Паразитная емкость возникает из-за разности потенциалов между витками обмотки, которые находятся в непосредственной близости. Это вызывает саморезонанс катушки индуктивности на высокой частоте. Это уменьшается за счет сохранения некоторого пространства между проводами и намотки катушки в виде паутины или корзины (соты), чтобы избежать параллельных витков.

    Эффект кожи и близости возникает из-за увеличения частоты, что увеличивает сопротивление провода.Эта высокая частота вызывает скин-эффект, когда большая часть тока проходит по поверхности провода, из-за повышенного сопротивления внутри провода, где ток практически отсутствует. Эффект близости имеет тот же результат, но он возникает из-за наведенного вихревого тока между двумя проводами в непосредственной близости, который заставляет ток течь по поверхности проводов. Чтобы уменьшить сопротивление из-за этих эффектов, обмотка сделана из полос для увеличения площади поверхности.

    Дроссели

    Дроссель - это простой индуктор, но он специально разработан для блокировки (подавления) высокочастотных сигналов.Импеданс дросселя значительно увеличивается с увеличением частоты. Поэтому он блокирует высокий переменный ток и пропускает постоянный и низкочастотный переменный ток с некоторыми потерями.

    Катушки индуктивности, которые используются в качестве дросселей, сконструированы без использования каких-либо методов уменьшения импеданса, которые используются для увеличения его добротности. Дроссели имеют низкую добротность, и они специально спроектированы таким образом, потому что мы хотим, чтобы их импеданс увеличивался за счет увеличения частоты.

    Есть два типа дросселей i.е. Дроссели AF и RF дроссели. Дроссель AF (звуковая частота) используется для блокировки звуковой частоты и пропускания только постоянного тока. В то время как RF (радиочастотные) дроссели предназначены для блокировки радиочастоты, при этом разрешая постоянный ток и частоту звука.

    Переменные индуктивности:

    Как следует из названия, эти индукторы имеют регулируемую индуктивность. Этот переменный индуктор разработан более чем одним возможным способом.

    Самая распространенная конструкция регулируемого индуктора - это подвижный ферритовый сердечник.Перемещение сердечника по обмотке увеличивает или уменьшает проницаемость, которая влияет на индуктивность индуктивности. Сердечник может быть спроектирован так, чтобы скользить, ввинчиваться или выниматься из катушки.

    Другой метод конструкции переменной индуктивности заключается в увеличении или уменьшении количества витков посредством подвижного контакта наверху обмоток. Проводник, используемый в этих обмотках, не имеет изоляции (поэтому сердечник должен быть изолирован), поэтому перемещение контакта в верхней части витка изменит количество эффективных витков.Поскольку количество витков прямо пропорционально обмотке, соответственно изменяется и индуктивность. Но недостатком такого метода является то, что контакт замыкает более одного витка, что увеличивает потери в обмотке. Эту проблему можно решить, увеличив расстояние между отдельными витками и используя зубчатое колесо в качестве контакта. Такой тип переменного индуктора известен как роликовый индуктор.

    Наиболее эффективным методом является использование вариометра. Он обеспечивает непрерывное изменение индуктивности.Вариометр состоит из двух катушек (одна внутри другой), соединенных последовательно с соотношением 1: 1. Взаимная индукция между этими двумя катушками играет всю роль в изменении общей индуктивности. Внутренняя катушка может вращаться с помощью вала, который изменяет направление силовых линий магнитного поля, создаваемых этой катушкой.

    Когда магнитные поля имеют одинаковое направление, он складывается и обеспечивает максимальную индуктивность. Когда их направления перпендикулярны друг другу, индуктивность уменьшается.Когда они становятся полностью противоположными друг другу, магнитные поля нейтрализуют друг друга, и общая индуктивность минимальна.

    По теме:

    Типы индукторов »Электроника

    Существует множество различных типов катушек индуктивности, каждый со своими собственными свойствами - понимание свойств различных типов важно для выбора правильного типа для схемы.


    Индукторы Включает:
    Типы индукторов Характеристики Как правильно выбрать индуктор Ферриты Ферритовые бусины


    В электронной промышленности используются индукторы многих типов и стилей.

    Катушки индуктивности

    выполняют в цепи несколько различных стилей функций. Некоторые типы могут использоваться для фильтрации и удаления всплесков на линиях электропередач, другие используются в высокопроизводительных фильтрах. Другие могут использоваться в генераторах, и есть много других областей, где можно использовать индукторы.

    В результате может быть получено множество различных типов индукторов. Размер, частота, ток, стоимость и многие другие факторы означают, что существует целый ряд различных типов и форм индукторов.

    Выбор свинцовых катушек индуктивности

    Основы индуктивности

    Хотя существует множество различных типов индукторов, все они подчиняются одним и тем же основным законам природы. Каждая катушка индуктивности создает магнитное поле вокруг проводника, а также имеет определенное реактивное сопротивление.

    Основные параметры используются внутри индуктора, независимо от его типа.

    Примечание по индуктивности:

    Индуктивность - один из основных факторов, влияющих на электрические цепи.Любой провод или катушка имеют определенную индуктивность, которая возникает из-за магнитного поля, которое создается при протекании тока. Энергия накапливается в поле, и действие катушки должно проявлять сопротивление изменению тока, протекающего внутри проводника или катушки.

    Подробнее о Индуктивность.

    Сердечники индуктивности

    Катушки индуктивности обычно изготавливаются в виде катушек. Причина этого в том, что магнитное поле связано между обмотками и накапливается.Таким образом, индуктор с достаточно большой индуктивностью может быть построен более легко.

    Поскольку проницаемость среды, в которой расположена катушка, имеет большое влияние на индуктивность, часто используется сердечник, проходящий по центру катушки.

    Используются сердечники из железа, феррита и других магнитных материалов. Все это значительно увеличивает уровень индуктивности, который может быть получен, но при выборе сердечника следует соблюдать осторожность, чтобы его характеристики соответствовали уровню мощности, частоте и общему применению индуктора.

    Различные типы сердечников индуктора

    Как и другие типы компонентов, например конденсатор, существует очень много различных типов индукторов. Однако может быть немного сложнее точно определить различные типы индукторов, потому что разнообразие их применений очень велико.

    Хотя можно определить индуктор по материалу его сердечника, это не единственный способ их классификации. Однако для основных определений используется этот подход.

    • Индуктор с воздушным сердечником: Этот тип индуктора обычно используется для ВЧ приложений, где требуемый уровень индуктивности меньше. Тот факт, что сердечник не используется, имеет несколько преимуществ: нет потерь внутри сердечника, поскольку воздух не имеет потерь, и это приводит к высокому уровню добротности при условии низкого сопротивления катушки индуктивности или катушки. В отличие от этого количество витков на катушке больше, чтобы получить тот же уровень индуктивности, и это может привести к физическому увеличению размера.
    • Индуктор с железным сердечником: Железные сердечники обычно используются для индукторов большой мощности и высокой индуктивности. В некоторых звуковых катушках или дросселях может использоваться ламинат железа. Как правило, они не используются широко.
    • Катушка индуктивности с ферритовым сердечником: Феррит - один из наиболее широко используемых сердечников для различных типов индукторов. Феррит - это металлооксидная керамика на основе смеси оксида железа Fe2O3 и оксидов марганца-цинка или никеля-цинка, которые экструдируются или прессуются для придания необходимой формы.Индукторы на тороидальном ферритовом формирователе
    • Железный индуктор питания: Другой сердечник, который может использоваться в различных типах индукторов, - это оксид железа. Подобно ферриту, это обеспечивает значительное увеличение проницаемости, тем самым позволяя изготавливать катушки или индукторы с гораздо большей индуктивностью в небольшом пространстве.

    Различные типы механических индукторов и их применение

    Катушки индуктивности также можно разделить на категории по механической конструкции.Существует ряд различных стандартных типов катушек индуктивности:

    • Индуктор на бобине: Индуктор этого типа находится на цилиндрической бобине. Они могут быть предназначены для монтажа на печатной плате, даже для поверхностного монтажа они могут быть намного больше и установлены с помощью других механических средств. Некоторые старые версии этих катушек индуктивности могут даже иметь формат, аналогичный нормальным выводным резисторам.
    • Тороидальный индуктор: Этот вид индуктора намотан на тороид - кольцевой формирователь.Феррит часто используется в качестве первого, поскольку он увеличивает проницаемость сердечника. Преимущество тороида состоит в том, что тороид позволяет магнитному потоку перемещаться по кругу вокруг тороида, и в результате утечка потока очень мала. Недостатком тороидального индуктора является то, что для его изготовления требуется специальная намоточная машина, так как проволока должна проходить через тороид для каждого необходимого витка. Дроссель тороидальный
    • Многослойный керамический индуктор: Этот тип индуктора широко используется в технологии поверхностного монтажа.Индуктор изготавливается из феррита или, чаще, из магнитно-керамического материала. Катушка находится внутри керамического корпуса и представлена ​​внешней цепи на торцевых крышках так же, как конденсаторы микросхемы и т. Д.
    • Пленочный индуктор: В этом виде индуктора используется пленка проводника на основном материале. Затем пленка протравливается или формируется для получения требуемого профиля проводника.

    Как видно, существует несколько способов классификации различных типов индукторов.У каждого есть свои преимущества, и поэтому необходимо принять решение о различных вариантах, доступных при выборе индуктора для конкретного применения. Современные материалы и технологии означают, что производительность катушек индуктивности увеличилась, и разработчику схем открываются многие другие возможности, будь то для ВЧ-приложений, борьбы с EMI или для силовых приложений.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *