Проектирование экранированной катушки индуктивности

22

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра ПЭЭА

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу: «Элементная база ЭА»

Пояснительная записка

Тема: Проектирование экранированной катушки индуктивности

(индуктивность, мкГн - 25; диапазон регулировки индуктивности, % - 10; рабочая частота, МГц - 10 )

Выполнил:

студент группы

Руководитель работы:

2009

Содержание

Введение

1. Анализ ТЗ

2. Обзор аналогичных конструкций

3. Электрический и конструктивный расчет

3.1 Выбор материала и обоснование конструкции

3.2 Расчет числа витков

3.3 Расчет параметров сердечника

3.4 Экранирование катушки

4. Уточнение параметров конструкции

4.1 Расчет добротности

4.2 Расчет ТКИ

4.3 Паспорт

Выводы

Список использованной литературы

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. Величина 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 апериодических 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%) - подстроечными.

По конструктивному исполнению катушки делятся на цилиндрические и плоские. Цилиндрические катушки индуктивности бывают каркасные и бескаркасные.

Различают катушки индуктивности с однослойной и многослойной намоткой. Многослойные катушки менее технологичны и менее надежны (в плане электрического пробоя). 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.

Значения температуры воздуха при эксплуатации , ⁰С.

Рабочие:

- верхнее значение + 25;

- нижнее значение + 10;

- среднее значение + 20.

Предельные рабочие:

- верхнее значение + 40;

- нижнее значение + 1.

Относительная влажность: 80% при 25 ⁰С.

Данный курсовой проект посвящен разработке экранированной катушки индуктивности с высокой добротностью.

1. Анализ технического задания

Заданием данной курсовой работы является проектирование экранированой катушки индуктивности со следующими параметрами:

индуктивность, мкГн - 25

диапазон регулировки индуктивности, % - 10

рабочая частота, МГц - 10

обеспечить максимальную добротность

годовая программа выпуска, шт. - 75000

Данная величина индуктивности и подстройка ее величины может быть реализована однослойной намоткой на каркас.

Регулирование индуктивностью можно обеспечить сердечником, выполненным из немагнитного материала (феррит), что приведет к уменьшению добротности. Но по сравнению с магнитными сердечниками стабильность такой катушки будет выше, что в данном проекте является приоритетным.

2. Обзор аналогичных конструкций

Как законченный элемент РЭА катушка индуктивности содержит следующие элементы конструкции: провод, каркас, выводы, экран, и его крепление, сердечник и его крепление, элементы влагозащиты, крепления и установки катушки в РЭА.

Для высокостабильных катушек, используются керамические каркасы, имеющий малый температурный коэффициент линейного расширения и небольшие диэлектрические потери. Однако его использование (как и использование других материалов) связано с некоторыми отрицательными чертами: трудность в применении цилиндрических сердечников, небольшая точность геометрического исполнения, и т. д.

Конструктивно керамические катушки представляют собой цилиндр, на который наносится обмотка. 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.

Для получения высокой стабильности 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: ; .

Немаловажную роль играет и способ размещения провода на каркасе. Различают:

- однослойную намотку с шагом - используют в контурах УКВ и КВ. Имеет высокую добротность и стабильность.

- сплошную однослойную намотку - используют на частотах СВ и КВ. Обладает высокой добротностью и стабильностью.

- многослойную намотку - применяют для изготовления катушек, индуктивностью выше 200 - 500мкГн. Целесообразность перехода на многослойную намотку, определяется диаметром катушки. Чем больше диаметр тем при большей индуктивности необходимо переходить на многослойную намотку.

- несанкционированные многослойные катушки с простыми намотками - обладают низкой добротностью и стабильностью, большой собственной емкостью и нуждаются в специальном каркасе.

- секционированные многослойные катушки имеют относительно большую добротность (150 -200) и небольшой собственной емкостью. Их применение целесообразно в контурах радиоприемников на ДВ и СВ.

- универсальную намотку, которая характеризуется высокой механической прочностью и достаточно высокой добротностью. На рисунке 2.1 приведены типичные конструкции представляющие собой катушку индуктивности, намотанную на каркас.

Рисунок 2.1 - Промышленные катушки

-  Величина индуктивности таких катушек колеблется в пределах от сотых долей до сотен микрогенри. Должна обеспечиваться точность в пределах 0,3...0,5%. Немаловажным аспектом расчета катушек есть тип провода. Применение того или иного типа определяется рабочей частотой. 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).

Для устранения паразитных связей, обусловленных внешним электромагнитным полем катушки, и для устранения влияния внешних полей катушка экранируется, т. е. располагается внутри замкнутого металлического заземленного экрана.

Исходя из вышесказанного, катушка индуктивности ФПЧ УКВ имеет вид представленный на рис. 2.1

Рисунок 2.1 - Катушка индуктивности.

3. Электрический и конструкторский расчет

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

Как было сказано выше, медь, имея небольшое омическое сопротивление, и малый температурный коэффициент расширения, является технологичным материалом для использования в катушках индуктивности.

Медный провод, применяемый на высоких частотах, выбираем ПЭВ-1 ГОСТ 7262-70 т. к. он имеет высокую температурную стабильность, большое пробивное напряжение и является недорогим по сравнению с другими.

Толщину провода на высоких частотах целесообразно выбирать с учетом эффекта близости:

где Х_Э - глубина проникновения тока (мм)

p - удельное сопротивление провода (0.017 Ом/мм²)

f - рабочая частота (10 МГц)

Тогда,Х=0,5•v0,017/v10=0,02. Однако, выполнять намотку таким тонким проводом на керамический каркас сложно, поэтому возьмем провод толщиной 0.55мм, для удобства изготовления.

Каркас выполним из установочной керамики типа В, класса VI

ГОСТ 5458-64, которая применяется при температурах до 300

Сердечник, применяемый в конструкции, выполняется из немагнитного материала (медь) для повышения температурной стабильности (по сравнению с магнитным сердечником).

Экран, для улучшения экранирующих свойств, выполним из того же материала. Остальные параметры или изменения в текущие, будут выбраны по ходу расчета.

3.2 Расчет числа витков

Расчет числа витков и определение размеров катушки с цилиндрическим сердечником производят по формулам, служащим для расчёта катушки без сердечника с учетом внесенных параметров при экранировании и сердечником.

Примем расчетную индуктивность равную 32 мкГн при номинальной 25 мкГн.

Расчет числа витков однослойной обмотки осуществляем по методу предложенному В.А. Волговым.

Число витков можно определить, если известны диаметр и длина намотки исходя из формулы

, (3.1)

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

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

L₀ - коэффициент формы (табличное значение).

Диаметр обмотки катушки индуктивности будет соответствовать, внешнему диаметру каркаса, который в свою очередь выбран из таблиц оптимальных диаметров, для заданных величин индуктивности . Для намотки с шагом при индуктивности 25 мкГн диаметр каркаса равен 2 см.

Умножим и разделим правую часть выражения , на . Получим

, (3.2)

где P₀ - коэффициент, величина которого зависит от отношения l/D;

а N₀ - количество витков на 1 см длины намотки.

(3.3)

где d₀ - диаметр провода в изоляции

- коэффициент не плотности намотки (для провода d =0.55мм равен 1.1)

(3.4)

(3.5)

где D - диаметр каркаса (см)

(3.6)

по известному значению найдем отношение l/D

(3,7)

- длина однослойной намотки

(3,8)

- количество витков необходимых для получения индуктивности 32 мкГн.

Как было описано выше, применяем однослойную намотку с шагом. Тогда:

(3.9)

индуктивность для катушки с шагом, где -

L_{0 ,}A,В - поправочные коэффициенты (приложение 1).

Оставив старое значение длины намотки (l = 1.5 см) и количество витков для однослойной катушки без шага рассчитаем шаг намотки:

(3.10)

и индуктивность для катушки с шагом.

Сравнив полученную индуктивность с заданной, подкорректируем число витков:

(3.11)

и рассчитаем еще раз. Так, для N=6, ;

Тогда по формуле 3.9

что соответствует заданому значению индуктивности.

3.3 Расчет параметров сердечника

Для подстройки индуктивности применим немагнитный сердечник из меди. Для его расчета используем графический метод. Приняв за размер диаметра сердечника , длина 3,7см получим:

;

Исходя из таблицы (приложение ), отношение . Тогда индуктивность, вносимая сердечником -мкГн .

А общая индуктивность:

(3.12)

3.4 Экранирование катушки

Для расчета влияния экрана, экран рассматривают как коротко-замкнутый виток со своей индуктивностью и сопротивлением .

Индуктивность вносимая экраном:

;(3.13)

Учитывая что и получаем:

(3.14)

где L_с - индуктивность неэкранированной катушки, М - взаимная индуктивность между катушкой и экраном, к - коэффициент связи между ними, который определяется соотношением геометрических размеров экрана и катушки.

При однослойных катушках коэффициент связи определяется как:

(3.15)

где - D - диаметр катушки, D_э - диаметр экрана, - коэффициент зависящий от отношения катушки. Для ,

4. Уточнение параметров конструкции

Помимо индуктивности, катушка обладает рядом других параметров характеризующих ее электрические свойства. Это например добротность и температурный коэффициент индуктивности, определяющие частотные и температурные свойства соответственно.

4.1 Расчет добротности

Добротность катушки индуктивности по определению

(4.1)

где - суммарное сопротивление потерь.

- круговая частота

Cуммарное сопротивление потерь

(4.2)

где - частотное сопротивление

- сопротивление потерь каркаса

- сопротивление вносимое сердечником

- сопротивление вносимое экраном

Частотное сопротивление катушек УКВ может быть определено:

(4.3)

где d - диаметр провода (см)

D - (см)

f - (МГц)

Ом

Сопротивление диэлектрических потерь в каркасе:

(4.4)

где - емкость через диэлектрик

- тангенс угла диэлектрических потерь (для керамики = 410 ⁴);

(4.5)

где = 0.08 - при намотке проводом круглого сечения на гладком каркасе [1]; = 7.5 - диэлектрическая проницаемость

Собственная емкость:

(4.6)

где - коэффициенты, зависящие от параметров намотки 1.6 и 1 соответственно.

Тогда:

Ом

Сопротивление вносимое медным экраном:

(4.7)

где - коэффициент учитывающий влияние размеров катушки на эффект близости. Для нашего случая он равен k² = 1.4.

- высота экрана. Т.к. длина намотки l = 1.5 см, то высоту экрана возьмем 2.5см.

Сопротивление вносимое сердечником можно определить по графику (приложение ). При подстройке индуктивности на 10%, добротность уменьшится на 14%.

Суммарное сопротивление без учета сердечника:

Добротность без учета сердечника:

10% от добротности (учет сердечника) -.

Тогда

4.2 Расчет температурного коэффициента индуктивности

Температурный коэффициент индуктивности (впредь ТКИ) является интегральной величиной, величиной состоящей из нескольких слагаемых, и определяется по формуле (3.35)

, (4.8)

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.

- изменение диэлектрической проницаемости каркаса

Для горячей намотки геометрическая составляющая полностью определяется коэффициентом линейного расширения каркаса.

(4.8)

Составляющая ТКИ, вносимая экраном:

(4.9)

где - температурный коэффициент экрана (меди)

- коэффициент линейного расширения диаметра каркаса



Частотная составляющая ТКИ:

- для (4.10)

(4.11)

ТКИ, связанный с изменением диэлектрической проницаемости каркаса:

(4.12)

Так как коэффициент линейного расширения сердечника больше коэффициента расширения каркаса, происходит «самокомпенсация» и ТКИ которую вносит сердечник можно приравнять нулю . Тогда

Тогда пользуясь полученными значениями вычислим возможное изменение фактической индуктивности катушки:

4.3 Паспорт катушки индуктивности

Фактическая индуктивность
- максимальная, мкГн	25,6
- минимальная, мкГн	24,4
Возможное отклонение от фактической величины,	10%
Добротность	293
Количество витков	6
Тип провода	ПЭЛ-0,1
Сердечник	феррит
Диаметр каркаса, мм	2
Длина намотки, мм	6
Длина катушки	5,2

Выводы

В процессе расчета катушки индуктивности была определена ее конструкция. Величина индуктивности катушки может изменяться в пределах 24,4…25,6 мкГн, что конструктивно обеспечивается перемещением сердечника относительно обмотки.

Катушка обладает высокой добротностью ().

Расчет оптимального диаметра провода показал, что можно использовать провод выбранного диаметра.

Конструкция катушки индуктивности очень проста. Это дает возможность свести к минимуму количество сборочных операций, что весьма необходимо для производства при годовой программе выпуска 75000 штук.

Спроектированная катушка индуктивности, вполне удовлетворяет требованиям, поставленными в техническом задании.

Список использованной литературы

1. Полонский Н.В. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА.- М.: Сов. радио, 1975. - 323с.

2. Рогинский В.Ю. Экранирование в радиоустройствах.- Л.: Энергия, 1969.- 112с.

3. Бландова Е.С. Индуктивные элементы. - М.:Высш.шк., 1985. - 405с.

4. Васильева Л.С. и др. Катушки индуктивности аппаратуры связи. - М.: Связь. - 1973.

5. Полонский Н.Б. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА.

6. Рогинский В.Ю. Экранирование в радиоустановках. Л.: Энергия, 1969. - 112с.

7. Справочный материал на магнитные материалы и магнитопроводы. ж.Радио" №3, №10/2001, №6/2000.

8. Костиков В.Г. и др. источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. - 2^-е изд. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 344с.

9. Горский А.Н. Расчет электрических элементов источников вторичного электропитания. - М.: Радио и связь, 1998.

10. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. Пер. с нем.- М.: Мир, 1990. -256с.

11. Волгов В.А. Детали и узлы РЭА.- М.: Энергия, 1977.- 623с.