25

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра ПЭЭА

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Пояснительная записка

Дисциплина: “Элементная база ЭА”

Тема: Проектирование катушки индуктивности

(диапазон рабочих частот -3 - 8,4 МГц; индуктивность - 3,13 мкГн)

Разработал:

Руководитель проекта

2009

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

2. Обзор аналогичных конструкций

3. Электрический и конструкторский расчет

3.1 Выбор материала и обоснование конструкции

3.2 Расчет числа витков

3.2.1 Определение фактической длины намотки

3.2.2 Расчет оптимального диаметра провода

3.3 Уточнение электрических параметров конструкции

3.4 Определение температурного коэффициента индуктивности

4. Эскизная проработка элемента

5. Описание конструкции

6. Технический паспорт катушки индуктивности

Выводы

Литература

Введение

Катушка индуктивности является элементом радиоэлектронных средств функционирование которой определяется эффектом перехода энергии электрического поля в энергию магнитного поля вследствие протекания по контуру катушки электрического тока. Величена индуктивности определяется конструкцией токопровода и его размерами.

В производстве электронной техники применяются различные конструкции катушек индуктивности, в зависимости от требований предъявляемым к изделию. Различают катушки индуктивности избирательных и апериодиче-ских цепей. Катушки индуктивности избирательных цепей входят в состав фильтров, линий задержки, колебательных контуров, катушек связи, дросселей высокой частоты и т. п. Катушки индуктивности апериодических цепей являются составными узлами различных трансформаторов и дросселей низкой частоты.

Различают катушки постоянной и переменной индуктивности. Катушки с большими изменениями индуктивности являются вариометрами, а с малыми изменениями индуктивности (10-15%) - подстроенными.

По конструктивному исполнению катушки делятся на цилиндрические и плоские. Цилиндрические катушки индуктивности бывают каркасные и бескаркасные (обладающие большей добротностью).

Различают катушки индуктивности с однослойной и многослойной намоткой. Многослойные катушки менее технологичны и менее надежны (в плане электрического пробоя и эффект “близости” сказывается ярче). Различают также экранированные и неэкранированные катушки индуктивности.

В катушках индуктивности применяют магнитные и немагнитные сердечники характер, которого влияет на добротность катушки и интервал варьирования величины индуктивности.

Перспектива развития катушек индуктивности связаны с разработкой новых материалов, имеющие высокие магнитные проницаемости и стабильность на радиочастотах, превосходящие по своим свойствам ферриты, а также развитием конструкции и технологии изготовления таких изделий.

1. Анализ технического задания

Заданная величина индуктивности, равная 3,13 мкГн, может быть выполнена как однослойной так и многослойной, но для указанного назначения, а именно для использования в антенне, бытового радиоприемника целесообразно выполнить однослойную намотку на каркас в качестве которого будет использован стандартный ферритовый сердечник.

Величина магнитной проницаемости сердечника определяется по рабочему диапазону частот, который составляет от 3 до 8,4 МГц, что соответствует КВ1 диапазону.

Для обеспечения годовой программы выпуска, равной 1000 штук, необходимо сравнительно невысокая технологичность, но количество операций по сборке катушки индуктивности должно быть оптимальным.

Для обеспечения стабильности катушки индуктивности в указанных условиях эксплуатации, а именно: В 3.1 по ГОСТ 15150-69, всеклиматическое исполнение подразумевает рабочий интервал температур от +45 до - 10С необходимо чтобы температурный коэффициент индуктивности был минимален.

2. Обзор аналогичных конструкций

В источнике [1] приведены типичные основой которых является катушка индуктивности, намотанная на каркас.

Величина индуктивности таких катушек колеблется в пределах от сотых долей до сотен микрогенри. Должна обеспечиваться точность в пределах 0,3...0,5%. На практике применяются катушки индуктивности цилиндрические и кольцевые. Для обеспечения высокой добротности в качестве каркаса используются керамики. Конструктивно керамические катушки представляют собой цилиндр, на который наносится обмотка. В настоящее время применяются катушки индуктивности с каркасами из вакуум-плотной керамики. Для уменьшения ТКИ и потерь в собственной емкости каркасы имеют ребристую поверхность. Материалом для каркасов служит керамика и пресс- материал ДСВ-2Р-2М. Используются каркасы диаметром от 10...30 мм.

Катушки на керамических каркасах изготавливают тремя способами:

на каркас наматывают с натяжением медный провод;

на горячий каркас наматывают с натяжением медную ленту;

на каркас наносят воженное серебро в виде витков обмотки и покрывают их гальвано способом слоем меди.

Практически величина добротности находится в пределах 100...1000, лучшая добротность однослойных цилиндрических катушек достигается при . Величина добротности зависит от частоты, геометрических размеров и конструкции, числа витков и типа провода. Так, на частотах до 3...4 МГц преимущественно следует использовать провод типа литцендрат (ЛЭШО, ЛЭЛО, ЛЭВ, ЛЭТ), так как это позволяет получить более высокую добротность. При более высоких частотах применяют одножильный провод (ПЭВ, ПЭМ, ПЭЛО, ПЭЛ)

Добротность катушек на кольцевых каркасах относительно меньше, чем у таких же катушек на цилиндрических каркасах.

3. Электрический и конструкторский расчет катушки индуктивности

Создание оптимальной катушки индуктивности является довольно сложной задачей из-за противоречивого характера предъявляемых к ним требованиям и состоит в следующем:

выбор материала и обоснование конструкции;

расчета числа витков;

определение конструктивных размеров и уточнение электрических параметров конструкции.

3.1 Выбор материала и обоснование конструкции

Материал, из которого изготовлена обмотка катушки индуктивности, должен обладать низким удельным сопротивлением и сравнительно не большим коэффициентом линейного расширения.

Наиболее всего этим требованиям удовлетворяет медь имея: ;.

Намотку следует осуществлять проводом типа ПЭВ, так как он применяется на высоких частотах.

Примем к расчету следующий провод: ПЭВ-0,05 ГОСТ 16186 - 74 (данный тип провода выбран из следующих соображений: при увеличении частоты глубина проникновения токов уменьшается, этот процесс, для средней частоты рабочего диапазона, равной 5,7 МГц, можно описать как , отсюда следует, что нет смысла для данного рабочего диапазона использовать провод большего диаметра); работающий в интервале температур - 60...+105С.

В качестве материала каркаса используем фторопласт для уменьшения потерь в диэлектрике каркаса и увеличения добротности. Для уменьшкния собствнной емкости, но достижения высокой добротности используем каркас диаметром 6 мм.

Вследствие того, что величина индуктивности сравнительно мала и не требуются ограничения по габаритам выполним обмотку в однослойном исполнении. К конструкции не предъявляется особых требований по электрическим параметрам выполним намотку виток к витку.

Конструкция катушки индуктивности определяется назначением и условиями эксплуатации. Так для данной катушки индуктивности (данные которой приведены в техническом задании) можно указать рад конструктивных решений:

выполнить обмотку без каркаса - приведет к увеличению добротности, в следствие отсутствия потерь в диэлектрике каркаса, но эта конструкция обладает низкой механической прочностью.

выполнить обмотку на каркасе - приведет к увеличению собственной емкости катушки индуктивности, повысит механическую прочность, возможность использования керамических каркасов является наиболее оптимальной, в плане ТКИ и добротности;

выполнить обмотку на каркасе с сердечником - даст возможность подстройки величены индуктивности, в зависимости от того магнитный или немагнитный сердечник величена добротности увеличится либо уменьшится;

выполнить экранирование катушки индуктивности - это конструктивное решение снизит влияние внешних полей, уменьшит добротность;

выполнить обмотку на магнитном сердечнике - данная конструкция позволит избежать потерь в диэлектрике каркаса. Величина магнитной проницаемости сердечника позволит увеличить добротность катушки и существенно снизить число витков, по сравнению с той конструкцией катушки индуктивности, когда обмотка выполнена на каркасе. Но конструкция будет обладать не высокой точность и термостабильностью, кроме того некоторые магнитные материалы обладают дезаккомодацией, т.е. с течением времени их магнитная проницаемость уменьшается, что приводит к значительному изменению индуктивности и добротности.

Сборочный чертеж конструкции представлен в ГЮИК 304331.СБ.

3.2 Расчет числа витков

Расчет числа витков однослойной обмотки осуществляем по методу предложенному В.А. Волговым и изложенному в [2]. Число витков можно определить, если известны диаметр и длина намотки по формуле (3.3)

, (3.1)

где D - диаметр обмотки (данный параметр выбираться из производственных возможностей), в см;

L - индуктивность катушки (заданная величена), в мкГн;

L₀ - коэффициент формы (табличное значение).

Диаметр обмотки выбран из соображений целесообразности, а именно: диаметр обмотки катушки индуктивности будет соответствовать, внешнему диаметру стандартного ферритового сердечника. Умножим и разделим правую часть выражения , на . Получим

, (3.2)

Величину обозначим - определяет количество витков, приходящихся на единицу длины намотки, которое определяется как

(3.3)

где - коэффициент не плотности намотки, определяется из условия выбранного диаметра в изоляции;

- диаметр провода в изоляции.

Так, для выбранного провода ЛЭШО 0,05 (из источника [2]), данному значению соответствует =1,3 (из источника [1], приложение ). Тогда принимая во внимание формулу (3.3) получим

(3.4)

Произведение обозначим как - определяется соотношение длины и диаметром намотки. Учтя принятые обозначения, получим формулу (3.7)

, (3.5)

Из формулы (3.7) следует формула (3.8)

, (3.6)

Учитывая выражения (3.2) и (3.6) подставляя числовые значения в (3.6), получим

(3.7)

По графику (из источника [1]) определено отношение длины намотки к диаметру намотки . Для данного случая оно составляет . По полученному значению определяем длину намотки как

, (3.8)

Числено это определяется так

(3.9)

По известной длине намотки определяем число витков, пользуясь следующим соотношением

, (3.10)

учитывая выражения (3.6) и (3.11) получим

(3.11)

3.2.1 Определение фактической длины намотки

При сплошной намотке фактическая геометрическая длина катушки определяется формулой (3.14)

(3.12)

числено фактическая длина будет равна

(3.13)

теперь, по известному числу витков, определим фактическую индуктивность катушки по формуле (3.16)

, (3.14)

учитывая значение, полученное из выражения (3.13), по графику зависимости от (из источника [1],) получим , подставляя полученное значение получим,

(3.15)

Полученное значение на 30,6% отличается от требуемого значения , поэтому скорректируем количество витков, уменьшив их количество до 20, проведем повторный расчет фактической величины индуктивности.

Полученное значение на 0,32% отличается от требуемого значения , поэтому дальнейшая коррекция количества витков не нужна. Учитывая принятое количество витков полученные в результате приближения, скорректируем длину намотки по формуле (3.12)

3.2.2 Расчет оптимального диаметра провода

Расчет оптимального диаметра провода производится графоаналитическим методом:

Определяем по формуле (3.16)

(3.16)

где средняя частота рабочего диапазона, Гц;

Вспомогательный коэффициент равен:

Пользуясь графиком (из источника [1], приложение А ) определяем поправочный коэффициент . Для

Находим вспомогательный параметр по формуле (3.17)

(3.17)

где N - число витков обмотки;

k - поправочный коэффициент;

z- вспомогательный коэффициент;

D - диаметр каркаса, см.

Вспомогательный параметр равен:

Определяем величину z_опт по графику из источника [1]:

По найденному значению z_опт находим оптимальный диаметр провода, по формуле (3.18):

(3.18)

Итак, оптимальный диаметр провода будет равен:

Ближайшим по значению диаметра (из выбранного типа ) из стандартного ряда является: свой выбор остановим на проводе типа ПЭВ- 0.05 ГОСТ 16186 - 74.

3.3 Уточнение электрических параметров конструкции

Как, впрочем, и другие конструкции данная конструкция катушки индуктив-ности не совершенна из-за присутствующих сопротивлений потерь намотки и ферритового сердечника, диаметр которого влияет на собственную емкость катушки. Сопротивление потерь намотки характеризуется активным сопротив-лением провода и его сопротивлением току высокой частоты. Сопротивление провода является физический характеристикой материала, из которого изготов-лен данный провод, и является справочной величиной. Активное сопротивле-ние металлического отрезка провода длиной и площадью поперечного сечения определяется по следующему соотношению (3.19)

, (3.19)

где - удельное сопротивление материала, из которого изготовлен провод,

для меди оно составляет 0,0017 ;

фактическая длина намотки.

Учитывая это, получим формулу (3.20)

(3.20)

где диаметр одной жилы (всего их десять);

количество витков обмотки;

диаметр сердечника ().

Тогда, учитывая данные примечания, получим:

Сопротивление провода круглого диаметра току высокой частоты (до 7...10 МГц) можно вычислить по формуле (3.21)

, (3.21)

где r₀ - сопротивление постоянному току, Ом;

F(z) - коэффициент, определяющий сопротивление с учетом поверхностного эффекта;

G(z) - коэффициент, учитывающий эффект близости;

N - количество витков намотки;

D - диаметр каркаса;

полный диаметр провода без наружной изоляции;

Значения коэффициентов F(z) и G(z) определены из таблицы [1]

Аргумент z определяется по формуле (3.22)

(3.22)

где - диаметр провода, см;

- частота (выбирается средняя частота из интервала: 3...8,4 МГц;

), Гц.

И равен: , тогда

По найденным сопротивлениям потерь определим добротность катушки индуктивности, пользуясь формулой (3.23)

, (3.23)

где - круговая частота;

- суммарное сопротивление потерь, определяется как:

, (3.24)

где - сопротивление провода току высокой частоты, характеризующие

эффект близости и поверхностный эффект;

- сопротивление, обусловленное влиянием экрана;

- сопротивление потерь в диэлектрике каркаса;

- сопротивление, обусловленное потерями в сердечнике;

- в данной конструкции отсутствует экран, поэтому его влияние нулевое

; - в данной конструкции отсутствует сердечник,

поэтому ;

Тогда формула (3.21) примет вид:

, (3.25)

где фактическая индуктивность катушки, равная 3,12 мкГн.

Сопротивление потерь в диэлектрике каркаса вычислим по формуле (3.26)

, (3.26)

где - емкость через диэлектрик, , пФ;

тангенс угла диэлектрических потерь, для фторопласта ;

фактическая индуктивность катушки, мкГн;

частота, МГц;

Числено добротность катушки, определенная по формуле (3.25) численно равна

3.4 Определение температурного коэффициента индуктивности

Температурный коэффициент индуктивности (впредь ТКИ) является интегральной величиной, величиной состоящей из нескольких слагаемых, и определяется по формуле (3.26)

, (3.26)

где ?_g - геометрическая составляющая, 1/град;

???????_с - составляющая, вносимая сердечником, 1/град;

- составляющая, вносимая диэлектриком каркаса, 1/ град;

- высокочастотная составляющая, учитывающая влияние эффекта близости, 1/град.

Воздействие температуры приводит к изменению удельного сопротивления обмотки, так для меди . Следствием этого является изменение глубины проникновения высокочастотных, составляющих переменного тока, что эквивалентно изменению диаметра витка обмотки. Подобная нестабильность является, высокочастотной составляющей ТКИ, которую можно определить через добротность катушки

, (3.27)

где - коэффициент, зависящий от типа провода, = 2 для катушек с круглым проводом; Q - добротность катушки индуктивности.

Составляющая, вносимая магнитным сердечником, ?_с, 1/град:

, так как в конструкции отсутствует сердечник.

Cоставляющая, вносимая диэлектриком каркаса:

Геометрическая составляющая рассчитывается по формуле (3.28)

, (3.28)

где ?_D - температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) диаметра провода (является таковым вследствие того, что ТКЛР материала, из которого выполнен ферритовый сердечник порядка 910 ^-6 1/град), 1/град; ?_l - ТКЛР длинны, 1/град; К - коэффициент, равный 0,37…0,45; D - диаметр каркаса, см; - длина намотки, см.

Так как составляющие ?_D и ?_l идентичны (для меди они составляют по 1.710 ^-5 ),

то .

Итак, исходя из полученных результатов по формулам (3.28) и (3.27) формула для расчета ТКИ примет вид:

, (3.29)

По формуле (3.31) ТКИ будет равен:

Данный ТКИ характеризует изменение фактической величины индуктивности в зависимости от изменения температуры окружающей среды, которое можно проанализировать пользуясь формулой (3.32)

, (3.32)

Для заданных условий эксплуатации - В 3.1 по ГОСТ 15150-69, что соответствует общеклиматической группе, за Т₂ - выбирается максимальная температура, а за Т₁ - минимальная температура, соответствующие группе О 2.1 Значения Т₂ и Т₁ взяты из источника [3], Т₂ = - 10С, Т₁ = + 45С. Пользуясь полученными значениями по формулам (3.34) и (3.15) вычислим по формуле (3.35) возможное изменение фактической индуктивности катушки:

,

что составляет 0,11 % от фактической величены индуктивности.

4. Эскизная проработка элемента

Катушку индуктивности планируется выполнить однослойной намоткой на каркасе, которым является магнитный сердечник, эскиз конструкции приведен на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Эскиз выполнения катушки индуктивности. 1 - каркас; 2 - стойка контактная; 3 - поджимка.

Выводы токопровода планируется закрепить механически, затем закрепить припоем путем, через отверстия в контактных стойках.

5. Описание конструкции

Катушка индуктивности состоит из провода марки ПЭВ-0.05 ГОСТ 16186 - 74, намотанного на каркас из фторопласта, обладающего низким тангенсом угла диэлектрических потерь и не высокой диэлектрической проницаемостью, что увеличивает добротность катушки.

На каркас осуществляется однослойная намотка проводом, длиной 1,48 мм. Выводы катушки механически крепятся в отверстиях контактной стойки и поджимки путем поджатия краев (рисунок 4.1).

Для придания конструкции, большей механической прочности, выводы пропаиваются припоем. Сборочный чертеж конструкции представлен в ГЮИК 304331.СБ (приложение А).

6. Технический паспорт катушки индуктивности

Технические данные катушки индуктивности

Фактическая индуктивность, мкГн	3,12;
Длина намотки, мм	1,48;
Количество витков	20;
Тип провода	ЛЭШО 100.05 ГОСТ 16186 - 74;
Геометрические размеры, мм
длина конструкции	40;
диаметр конструкции	16;
Добротность	651;
Возможные отклонения от фактической величены
индуктивности (не более) %,	1;
Условия эксплуатации	В 3.1 ГОСТ 15150-69.

Выводы

В ходе конструкторского расчета и анализа была определена конструкция катушки индуктивности. Расчет показал, что фактическая величина индуктивности отличается от требуемой на 0,32% при этом катушка индуктивности обладает высокой добротностью и низким ТКИ.

Расчет оптимального диаметра провода показал, что в рабочем диапазоне КВ1 можно использовать провод меньшего диаметра.

Конструкция катушки индуктивности является относительно простой, это позволит уменьшить количество сборочных операций, что желательно при годовой программе выпуска 1 000 штук, которая вполне может являться серийным производством.

Спроектированная катушка индуктивности, вполне удовлетворяет требованиям, поставленными в техническом задании, пригодна для указанного вида производства для использования в радио цепях.

Литература

Васильева Л.С. и др. Катушки индуктивности аппаратуры связи М.,”Связь”,1973

Радиодетали, радиокомпоненты и их расчет. Под ред. А. В. Коваля. М.,”Сов. радио”, 1977, 388с

Кжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. - Л.: Машиностроение, 1983. - 464с.

4. Белинский В.Т., Кондюхов В.П. и др./ под ред. К.Б. Круковского-Синевича, . проф. Ю.М. Мазора. ГРОЭТ. 1992.