Наука и образование / Катушки индуктивности: История и Принцип работы

Катушки индуктивности: История и Принцип работы

Катушки индуктивности
Поделиться:

Содержание


Введение

Катушки индуктивности, или индуктивные катушки, являются важными компонентами в электронике и электротехнике. Эти устройства, представляющие собой витки провода, намотанные на сердечник или без него, создают магнитное поле при прохождении через них электрического тока. Это свойство позволяет катушкам накапливать и высвобождать энергию в магнитном поле, что делает их незаменимыми в различных электронных схемах.

Определение

Катушка индуктивности — это устройство, состоящее из винтовой, спиральной или винто-спиральной обмотки, выполненной из изолированного проводника. Эти катушки характеризуются высокой индуктивностью, при этом они имеют относительно низкую емкость и малое активное сопротивление. Основная функция катушки индуктивности заключается в её способности накапливать магнитную энергию при прохождении через неё электрического тока. Благодаря этому свойству, катушка индуктивности эффективно противодействует изменениям тока, что делает её незаменимым компонентом в различных электронных схемах.

Единицей измерения индуктивности является Генри (Гн). Один Генри соответствует индуктивности катушки, в которой ток в один ампер создает магнитный поток в одну вебер-виток.

Схематическое обозначение катушки индуктивности

На электрических принципиальных схемах индуктивности обозначаются буквой L и порядковым номером элемента. Номинальная индуктивность указывается рядом с условным обозначением и обычно измеряется в микрогенри (мкГн).

Схематическое обозначение катушки индуктивности

1. Бескаркасная индуктивность

Бескаркасная индуктивность (индуктивность без каркаса) – это тип индуктивности, которая не имеет жесткого каркаса для намотки проволоки. Такая индуктивность характеризуется минимальными потерями и низким паразитным сопротивлением. Конструкция бескаркасной индуктивности позволяет уменьшить вес и объем, что делает ее идеальной для высокочастотных приложений.

2. Индуктивность с ферритовым сердечником

Ферритовые сердечники используются для увеличения индуктивности и уменьшения потерь на высоких частотах. Ферритовый сердечник концентрирует магнитное поле внутри катушки, что увеличивает ее эффективность.

3. Индуктивность с сердечником из магнитодиэлектрика

Магнитодиэлектрический материал обладает как магнитными, так и диэлектрическими свойствами. Сердечники из таких материалов обеспечивают высокую индуктивность при сохранении низких потерь на высоких частотах.

4. Индуктивность с ферритовым сердечником с зазором

Сердечник с зазором используется для стабилизации индуктивности и предотвращения насыщения магнитного сердечника при высоких токах. Зазор в сердечнике позволяет контролировать магнитную проницаемость и индуктивность.

5. Индуктивность с возможностью регулировки положения ферритового сердечника

Регулируемые индуктивности позволяют изменять индуктивность путем перемещения ферритового сердечника. Это используется в настройке радиочастотных схем и других приложений, где требуется точная настройка индуктивности.

6. Переменная индуктивность (вариометр)

Вариометр – это тип переменной индуктивности, которая позволяет изменять индуктивность путем изменения относительного положения двух или более катушек. Вариометры используются для настройки резонансных частот в радиочастотных цепях.

Краткая история и развитие

Исторические аспекты открытия индуктивности

История открытия индуктивности тесно связана с развитием электромагнетизма в XIX веке.

Майкл Фарадей

Первые эксперименты с индуктивностью были проведены Майклом Фарадеем в 1831 году, когда он открыл явление электромагнитной индукции. Фарадей обнаружил, что изменение магнитного поля в катушке проводника вызывает появление электрического тока в соседней катушке. Это открытие стало основой для понимания принципов работы катушек индуктивности и трансформаторов.

Первые катушки индуктивности и их применение

Первые катушки индуктивности появились в середине XIX века и использовались в телеграфных системах для улучшения передачи сигналов.

Генрих Румкорф

Одна из ранних конструкций катушки индуктивности, известная как катушка Румкорфа, была разработана Генрихом Румкорфом в 1851 году. Эта катушка использовалась для создания высоковольтных искровых разрядов и нашла применение в научных исследованиях и ранних системах радиосвязи.

Эволюция технологий и материалов

С течением времени технологии и материалы для изготовления катушек индуктивности значительно эволюционировали. В начале XX века использование новых материалов, таких как ферриты и порошковые сердечники, позволило улучшить характеристики катушек, повысить их индуктивность и уменьшить потери. Развитие полупроводниковых технологий в середине XX века привело к созданию компактных и высокоэффективных катушек для различных электронных устройств, включая радиоприемники, телевизоры и компьютеры.

В последние десятилетия произошли значительные улучшения в области миниатюризации и повышения эффективности катушек индуктивности. Современные катушки изготавливаются с использованием высокоточных методов намотки и новых материалов, таких как наноматериалы, что позволяет создавать устройства с улучшенными характеристиками для применения в высокочастотных и энергоэффективных схемах. Эти инновации продолжают расширять возможности использования катушек индуктивности в различных отраслях электроники и электротехники.

Параметры

Индуктивность (L):

  • Это как «мозги» катушки, измеряется в генри (Гн) и показывает, насколько катушка сопротивляется изменениям тока.

Сопротивление постоянному току (RDC):

  • Представляет собой сопротивление катушки для постоянного тока, измеряется в омах (Ω). Влияет на выделение тепла и потери энергии.

Коэффициент добротности (Q):

  • Показывает, насколько эффективно работает катушка на определенной частоте. Высокий Q – это как хорошая оценка в школе.

Номинальный ток (I):

  • Максимальный ток, который может проходить через катушку без перегрева. Скажем, это ее «выносливость».

Номинальная частота:

  • Частота, при которой катушка работает наилучшим образом, измеряется в герцах (Гц) или мегагерцах (МГц).

Диапазон рабочих температур:

  • Температурный диапазон, в котором катушка может безопасно функционировать, как ее комфортная температура.

Максимальное рабочее напряжение:

  • Максимальное напряжение, которое катушка может выдержать без повреждений.

Тип сердечника:

  • Материал, из которого сделан сердечник катушки (например, ферритовый, железный, воздушный), что влияет на характеристики.

Габаритные размеры и форма:

  • Физические размеры и форма катушки. Это как ее «фигура» и «внешность».

Температурный коэффициент:

  • Как индуктивность меняется с температурой. Чем меньше изменения, тем стабильнее катушка.

Развязка (SRF):

Частота, при которой катушка начинает резонировать. Это как ее «предел возможностей».

Основные законы (закон Фарадея, закон Ленца)

Два фундаментальных закона описывают поведение индуктивности:

Закон Ленца

Закон Ленца: Этот закон утверждает, что индукционный ток всегда течет в направлении, противоположном изменению магнитного потока, вызывающему этот ток. Это означает, что индукционная ЭДС всегда противодействует изменениям тока, которые её вызывают.

E = -L \frac{dI}{dt}

где:

dI/dt — скорость изменения тока.

L — индуктивность.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон электромагнитной индукции Фарадея: Согласно этому закону, электродвижущая сила (ЭДС) индукции в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через контур. Математически это выражается формулой:

E = -\frac{d\Phi}{dt}

где:

t — время.

E — электродвижущая сила (ЭДС),

Ф — магнитный поток.

Формулы и расчет индуктивности

Для соленоидальной катушки

Индуктивность катушки можно рассчитать с помощью различных формул, в зависимости от её конструкции и геометрии. Например, для соленоидальной катушки (длинная катушка с плотно намотанными витками) индуктивность определяется формулой:

L = \mu_0 \mu_r \frac{N^2 A}{l}

где:

l — длина катушки (м).

L— индуктивность (Гн),

μ0​ — магнитная проницаемость вакуума (4π×10−7 Гн/м),

μr​ — относительная магнитная проницаемость материала сердечника,

N — количество витков,

A — площадь поперечного сечения катушки (м²).

Для тороидальной катушки

Для тороидальной катушки (катушка с витками на сердечнике в форме тора) индуктивность определяется формулой:

L = \frac{\mu_0 \mu_r N^2 A}{2\pi r}

где:

r — средний радиус тора.

Устройство

Устройство катушки индуктивности

Индуктивная катушка, как правило, представляет собой спираль, состоящую из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на каркас из диэлектрического материала. Каркас может быть цилиндрическим, тороидальным или прямоугольным. Кроме того, существуют и бескаркасные катушки. Намотка проводов бывает однослойной (рядовой или с шагом) и многослойной (рядовой, внавал или универсальной).

Для повышения индуктивности катушек применяются сердечники из ферромагнитных материалов, таких как электротехническая сталь, пермаллой, карбонильное железо и ферриты. Эти сердечники также используются для незначительного изменения индуктивности катушек.

Благодаря высокому удельному сопротивлению, ферритовые сердечники обладают минимальными потерями мощности и высокой рабочей частотой, что делает их идеальными для использования в радиоэлектронных компонентах, работающих в диапазонах звуковых и радиочастот. Наиболее распространены ферриты следующих марок: НН (никель-цинковые), НМ (марганец-цинковые) и ВТ (с прямоугольной петлей гистерезиса).

С физической точки зрения, катушка индуктивности демонстрирует интересные явления. При подключении источника тока к проводнику, сила тока не достигает мгновенно своего максимального значения, предсказанного законом Ома, а увеличивается постепенно. Это свидетельствует о наличии противодействующей электродвижущей силы (ЭДС), которая исчезает по мере достижения силы тока своего установившегося значения. Этот эффект известен как ЭДС самоиндукции, а способность проводника сопротивляться изменениям тока называется индуктивностью.

При увеличении тока, ЭДС самоиндукции противодействует источнику, а при его снижении — поддерживает текущий ток. Единицей измерения индуктивности является генри (Гн), названный в честь американского ученого Джозефа Генри, открывшего явление самоиндукции. Электрическая цепь обладает индуктивностью в 1 Гн, если она создает магнитный поток в 1 Вб при силе постоянного тока в 1 А. Альтернативное определение: индуктивность в 1 Гн соответствует возникновению ЭДС самоиндукции в 1 В при равномерном изменении тока со скоростью 1 А в секунду.

Виды

Контурные катушки

Контурные катушки индуктивности используются совместно с конденсаторами для формирования резонансных контуров. Они должны обладать высокой стабильностью, точностью и добротностью, чтобы обеспечивать надёжную работу в колебательных цепях.

Катушки связи

Катушки связи предназначены для индуктивного соединения между отдельными цепями и каскадами. Такая индуктивная связь позволяет разделять по постоянному току цепи базы и коллектора и другие элементы схемы. К этим катушкам не предъявляются строгие требования по добротности и точности, поэтому они обычно изготавливаются из тонкого провода и имеют небольшие размеры. Основными параметрами таких катушек являются индуктивность и коэффициент связи.

Вариометры

Вариометры — это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для настройки колебательных контуров. Они состоят из двух последовательно соединённых катушек: одна неподвижная (статор), а другая (ротор) вращается внутри первой. При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, что позволяет регулировать индуктивность вариометра в 4-5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника.

Дроссели

Дроссели — это катушки индуктивности с высоким сопротивлением переменному току и низким сопротивлением постоянному. Они обычно используются в цепях питания усилительных устройств для защиты источников питания от высокочастотных сигналов. На низких частотах дроссели применяются в фильтрах цепей питания и часто имеют металлические или ферритовые сердечники.

Сдвоенные дроссели

Сдвоенные дроссели состоят из двух встречно намотанных катушек индуктивности и используются в фильтрах питания. Благодаря встречной намотке и взаимной индукции, такие дроссели более эффективны при тех же габаритных размерах. Они широко применяются в качестве входных фильтров блоков питания, в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий и в звуковой технике.

Условные обозначения и кодовая маркировка

Цифро-буквенный способ

Цифро-буквенный способ кодового обозначения номинала индуктивности

Цифро-буквенный способ кодового обозначения катушек индуктивности используется для компактного представления их номинала и допуска. В этом способе цифры обозначают значение индуктивности, а буква — допуск.

Варианты обозначения:

КодОбозначение
22N22 нГн ±20%
R10M0,10 мкГн ±20%
R15M0,15 мкГн ±20%
R22M0,22 мкГн ±20%
R33M0,33 мкГн ±20%
R47M0,47 мкГн ±20%
R68M0,68 мкГн ±20%
1R0M1,0 мкГн ±20%
2R2K2,2 мкГн ±10%
3R3K3,3 мкГн ±10%
4R7K4,7 мкГн ±10%
6R8K6,8 мкГн ±10%
100K10 мкГн ±10%
150K15 мкГн ±10%
220K22 мкГн ±10%
330K33 мкГн ±10%
680K68 мкГн ±10%
101K100 мкГн ±10%
151K150 мкГн ±10%
221K220 мкГн ±10%
331K330 мкГн ±10%
471J470 мкГн ±5%
681J680 мкГн ±5%
102M1000 мкГн ±20%
Пример

Код катушки индуктивности 101К означает номинальное значение индуктивности 100 мкГн с допускаемым отклонением от указанного номинала ±10%.

Допуски:

  • J — ±5%
  • K — ±10%
  • M — ±20%

Маркировка непосредственно в микрогенри

Катушки индуктивности также могут маркироваться непосредственно в микрогенри (мкГн, µH). В таких случаях значение указывается сразу, без использования кодов.

Пример:

  • Маркировка 680К означает 680 мкГн ±10%.

SMD катушки индуктивности

Маркировка SMD катушек индуктивности может варьироваться в зависимости от производителя. Каждая фирма может использовать свою систему маркировки, которая часто включает буквенно-цифровые коды для обозначения индуктивности и допуска.

Пример маркировки SMD катушек:

  • «4R7» означает 4,7 мкГн.
  • «100» может означать 10 мкГн, если применяется стандартная система, где последние две цифры указывают множитель.

Эти методы маркировки помогают быстро определить параметры катушек индуктивности при их выборе и использовании в электронных схемах.

Цветная кодировка

  • Используется аналогично резисторам, где каждое кольцо соответствует определенной цифре.
  • Обычно включает три кольца: первые два кольца — это значащие цифры, третье кольцо — множитель.
  • Пример: Коричневый (1), Черный (0), Красный (×100) = 10 × 100 = 1000 µH = 1 mH.

Таблица цветов для цветовой кодировки:

ЦветЦифраМножительДопуск
Черный01
Коричневый110±1%
Красный2100±2%
Оранжевый31,000
Желтый410,000
Зеленый5100,000±0.5%
Синий61,000,000±0.25%
Фиолетовый710,000,000±0.1%
Серый8100,000,000±0.05%
Белый91,000,000,000
Золотой0.1±5%
Серебряный0.01±10%

Многослойные индуктивности МЧИ и МОИ

Многослойные индуктивности представляют собой современное решение для сборки аппаратуры, используя методы поверхностного и навесного монтажа, в отличие от традиционных выводных моточных катушек индуктивности. Они обладают уникальной, монолитной конструкцией, создающей замкнутую магнитную систему. Это устраняет внешнее рассеяние магнитного поля и минимизирует влияние внешних магнитных полей на индуктивность.

Такой подход позволяет осуществлять плотный монтаж без взаимодействия магнитных потоков между отдельными индуктивностями и другими компонентами радиоэлектронной аппаратуры. Это значительно снижает вероятность возникновения магнитных шумов, что делает многослойные индуктивности идеальной заменой традиционным катушкам индуктивности.

Многослойные индуктивности изготавливаются на основе ферритовых порошков, с нанесением металлизационных витков катушки методом печати по слоям ферритовых пластин. Многослойные индуктивности МЧИ предназначены для поверхностного монтажа, в то время как МОИ используются для навесного монтажа.

Преимущества

Основные преимущества многослойных индуктивностей по сравнению с моточными катушками:

  • Оптимальные условия для высокоплотного, автоматизированного поверхностного монтажа (АПМ).
  • Монолитная конструкция обеспечивает высокую надежность.
  • Закрытая магнитная цепь обеспечивает отсутствие помех (магнитное экранирование слоями феррита).
  • Высокая надежность пайки.
  • Снижение габаритных размеров.

Особенности конструкции:

  • Электроды: серебро/никель/олово-свинец.
  • Корпус: окукленный.
  • Выводы: проволочные, однонаправленные.
  • Расстояние между выводами: A=5±0,8A мм или 7,5±0,87,5 мм.
  • Исполнение: чип, предназначенный для поверхностного монтажа.
Особенности конструкции МОИ и МЧИ

Габариты индуктивностей МЧИ

Код размераL, ммB, ммHмакс, ммL1мин, ммL2мин, мм
МЧИ 08052,0 ± 0,31,25 ± 0,21,450,60,2
МЧИ 12063,2 ± 0,41,6 ± 0,21,60,80,2
  • 22.07.2024