Принцип действия и общие свойства катушек индуктивности

Катушки индуктивности (КИ) - электрорадиоэлементы, работа которых основана на эффекте самоиндукции, т. е. на взаимодействии электрического тока проводника и магнитного поля, создаваемого этим током. Для увеличения степени взаимодействия (потокосцепления) проводник выполняют в виде витка (контура) или совокупности витков. Ток, протекающий по замкнутому контуру, создает магнитный поток, пронизывающий данный контур. Собственная индуктивность  замкнутого витка определяется как отношение , где     - потокосцепление, - ток витка. Иными словами, собственная индуктивность (в дальнейшем просто индуктивность) является коэффициентом пропорциональности между током проводника и суммарным потокосцеплением. Если проводник выполнен в виде множества витков, что характерно для КИ то в общем случае необходимо учитывать процессы электромагнитного взаимодействия совокупности элементарных витков. Единицей измерения индуктивности является Генри (Гн.). 1 Гн - такая индуктивность, при которой ток в 1 ампер порождает потокосцепление в 1вебер.

КИ применяются в РЭА для перераспределения токов различной частоты в электрических цепях. В частности, они используются в фильтрах, колебательных контурах, генераторах, интеграторах, в качестве дросселей ВЧ и в других устройствах. Под КИ обычно понимают высокочастотные катушки, рассчитанные для работы на частотах выше 100 кГц. Именно такие КИ являются предметом изучения и исследования в данной работе.

Основными параметрами КИ являются индуктивность, допустимое предельное отклонение индуктивности, собственная емкость, добротность, стабильность и надежность.

Индуктивность КИ может быть от нескольких наногенри до нескольких десятков миллигенри, в зависимости от их функционального назначения. Допустимое относительное отклонение индуктивности катушек может быть различным - от 0,1...0,5 % для катушек высокодобротных контуров до 20 % и более для катушек дросселей и других элементов с низкими требованиями по точности.

Собственная емкость катушек индуктивности обусловлена распределенной емкостью между витками и емкостью между обмоткой и корпусом или экраном катушки.

Добротность характеризует суммарную величину потерь энергии электрического тока и электромагнитного поля в элементах конструкции катушки (проводах обмотки, диэлектрике каркаса, сердечнике и др.). Добротность КИ определяется отношением   где     - круговая частота,  - эквивалентное сопротивление потерь. Добротность большинства КИ широкого применения находится в диапазоне 30…400.

Потери и собственная емкость являются паразитными параметрами, степень влияния которых сильно зависит от рабочей частоты. Особенность их проявления и взаимодействия с параметром индуктивности в первом приближении поясняет схема замещения катушки индуктивности (рисунок 1), которая включает собственно индуктивность  собственную емкость C_L, сопротивление потерь в индуктивной ветви R_L (в проводе) и сопротивление потерь R_LC, учитывающее потери в диэлектрике, сердечнике, экране. Потери увеличиваются с ростом частоты. При расчете добротности потери приводятся к одному эквивалентному сопротивлению .   Собственная емкость C_L совместно с индуктивностью   образует параллельный резонансный контур, добротность которого определяется сопротивлением потерь . Резонансная частота этого контура равна  и называется собственной резонансной частотой КИ. Индуктивный характер сопротивления реальная катушка имеет на частотах ниже резонансной. На практике, как правило, КИ применяются на частотах не выше

Рисунок 1 − Эквивалентная схема катушки индуктивности

Стабильность КИ характеризуется изменением ее параметров под воздействием температуры, влаги, во времени и сильно зависит от конструкции.

Температурная стабильность величины индуктивности количественно характеризуется температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ)  где   − начальное значение индуктивности при температуре ,   − изменение величины индуктивности, возникающее при изменении температуры на  относительно .

Температурная нестабильность параметров катушек индуктивности обусловлена следующими основными факторами:

- изменением диаметра каркаса при изменении температуры;

- изменением толщины скин-слоя, по которому протекает ток высокой частоты, вследствие температурного изменения удельного сопротивления материала провода;

- изменением влияния экрана при его наличии;

- изменением магнитных свойств сердечника (для КИ с сердечником).

Влияние температуры на добротность обусловлено, в основном, изменением сопротивления провода. При использовании медного провода добротность катушки падает примерно на 10% на каждые 30 градусов повышения температуры.

Временная стабильность величины индуктивности характеризуется коэффициентом старения   где  - время.

Наиболее сильное старение наблюдается у катушек с каркасами из органических диэлектриков. Поэтому в стабильных катушках применяются керамические каркасы, практически не подверженные старению.

Влажность вызывает увеличение собственной емкости и вследствие возрастания диэлектрических потерь снижение добротности. Для защиты катушек от действия влаги применяют герметизацию или пропитку и обволакивание обмотки компаундами и лаками. Это хотя и приводит к увеличению собственной емкости и снижению добротности, но зато повышает влагостойкость и механическую прочность.

Надежность КИ количественно оценивается одним из параметров - средним временем безотказной работы или средней интенсивностью отказов. Для катушек индуктивности наиболее характерны медленные отказы, вызываемые старением диэлектрических и магнитных материалов и окислением проводников. Повышенная влажность и температура способствуют ускоренному протеканию этих процессов. Внезапные отказы обычно происходят вследствие нарушения электрических контактов проводов обмоток с выводами и механических повреждений обмоток.