Высокочастотные катушки индуктивности

Высокочастотные катушки индуктивности

1. Классификация и основные параметры катушек индуктивности

Катушками индуктивности называют электрорадиокомпоненты, работа которых основывается на взаимодействии магнитного поля и переменного тока.

В радиотехнике, как правило, применяются высокочастотные катушки индуктивности. Их сопротивление имеет индуктивный характер на частотах от 100 кГц до 400 МГц. Катушки используются в качестве элементов колебательных контуров, для перераспределения переменного тока и создания индуктивной связи между цепями.

В зависимости от назначения высокочастотные катушки индуктивности подразделяют на четыре основные группы:

катушки колебательных контуров, определяющих частоту (гетеродинов, задающих генераторов);

катушки колебательных контуров, не определяющих частоту;

катушки связи;

дроссели высокой частоты.

Катушки контуров могут быть с постоянной индуктивностью и переменной индуктивностью (вариометры).

По конструктивному признаку катушки подразделяют на однослойные и многослойные, экранированные и неэкранированные, катушки без сердечников и катушки с магнитными и немагнитными сердечниками, цилиндрические, спиральные и плоские.

Свойства катушек характеризуются индуктивностью, допускаемым отклонением, добротностью, собственной емкостью и стабильностью.

Индуктивность - это величина, устанавливающая связь между э.д.с. самоиндукции катушки е и током I протекающим в ней

dI

е = - L ^____.

dt

Индуктивность является основным фактором катушки. Она зависит от формы, размеров, числа витков катушки, а также от формы, размеров и материала сердечника. Индуктивность высокочастотных катушек может изменяться в пределах от нескольких наногенри до десятков милигенри.

Точность номинальной величины индуктивности определяется технологией изготовления катушки. Для катушек, используемых в контурах, требуется точность 0,2 - 0,5%, а для катушек связи, дросселей -15% - 20%.

Добротность катушки Q - это отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь r_п:

Q= L/r_п.

Сопротивление потерь складывается из нескольких составляющих:

r_п = r_f + r_q + r_c + r_э ,

где r_f - активное сопротивление провода обмотки переменному току;

r_q - сопротивление, обусловленное диэлектрическими потерями в материале каркаса и изоляции провода;

r_c - сопротивление вносимое сердечником;

r_э - сопротивление вносимое экраном.

В катушке индуктивности помимо основного эффекта - индуктивности - наблюдаются и паразитные.

Здесь L_э - эквивалентная индуктивность катушки, учитывающая индуктивность выводов;

R₁= r_f + r_c + r_э;

R₂ - сопротивление, вносимое диэлектрическими потерями;

C_L - емкость катушки, учитывающая собственную емкость между витками катушки С₀, ее выводами C_выв, емкость вносимую немагнитным сердечником С_с, экраном - C_э и т.д.

С_L = C₀ + С_выв + С_э + С_с.

Оценим влияние паразитной емкости С_L на величину индуктивности L_э. Пренебрегая потерями в цепи, можно записать:

1 1 1-²LC_L

= - C_L =

L_э L L

Отсюда следует, что L_э = L/(1-²/₀²), где ₀ = 1/(LC_L)^1/2 - собственная резонансная частота катушки.

Емкость С_L вызывает сильные изменения величины индуктивности катушки на частотах близких к собственной резонансной частоте катушки. Причиной появления собственной емкости является электрическое поле, которое возникает между витками, витками и экраном, шасси и т.д., имеющих разный потенциал. Чем больше диаметр катушки, ближе расположены витки со значительной разностью потенциалов, выше диэлектрическая проницаемость материала каркаса и изоляции проводов, тем больше собственная емкость. Наименьшей собственной емкостью обладают однослойные бескаркасные (C₀ 1nФ) и намотанные на каркасе с шагом (С₀ = 1 - 2nФ) катушки.

Многослойные катушки обладают большей емкостью, величина которой зависит от способа намотки. Например, для обмоток типа "универсаль" С₀ = 5 - 10nФ, а для рядовой многослойной - C₀ = 50nФ. Собственная емкость уменьшается, если катушка намотана в виде отдельных секций.

Диэлектрические потери возникают в поле собственной емкости катушки С₀ через диэлектрик и зависят от величины этой емкости, качества материала каркаса (tg) и частоты. Оценим величину диэлектрических потерь. Полное сопротивление цепи, состоящее из индуктивности и параллельного сопротивления:

(jL + R₁)R₂ jL + R₁

Z = =

Обычно R₂ >> R₁ и L << R₂ тогда

Z = (jL + R₁)(1 - j ^.L/R₂ )= jL + R₁ + ²L² /R₂= jL + R₁ + ³ L ² C _L tg = jL + R₁ + r_д,

где R₂ = 1/С_Ltg - согласно параллельной схеме замещения диэлектрика.

Из последнего выражения

r_д = ³ L² C_L tg =0.25 C_L tg L² f³ 10^-3 , Oм ,

где C_L в nФ, L в мкГн, f в МГц.

Активное сопротивление провода обмотки току высокой частоты значительно больше сопротивления постоянному току из-за поверхностного эффекта и эффекта близости.

Поверхностный эффект заключается в концентрации тока в приповерхностных частях сечения прямолинейного проводника, что уменьшает его эффективное сечение. Величина проникновения тока в глубь проводника, выполненного из немагнитного материала, определяется по формуле:

= 0.5(/f) ^1/2 , мм ,

где - удельное сопротивление материала, мкОмм;

f - частота тока, МГц.

Для уменьшения сопротивления току высокой частоты r_f увеличивают диаметр провода, покрывают его слоем серебра или слоями родий - серебро - родий, для защиты серебра от окисления.

Эффект близости возникает при изгибе проводника и проявляется в концентрации тока в обращенных внутрь катушки частях сечения проводника. Этот эффект вызывает дополнительное уменьшение сечения проводника и соответственно увеличение его сопротивления на величину r.

Чем больше диаметр обмотки катушки и меньше диаметр провода, тем меньше проявляется эффект близости.

Суммируя кривые зависимостей r_пов и r, получим изменение полного активного сопротивления провода катушки r_f от его диаметра. При определенном диаметре провода сопротивление катушки имеет минимальное значение. При меньших диаметрах провода преобладает влияние поверхностного эффекта, при больших - эффекта близости.

Вклад той или иной составляющей в сопротивление потерь r_п определяется частотой, на которой работает катушка индуктивности. На частотах 100-500 кГц сопротивление потерь в основном определяется активным сопротивлением току высокой частоты , в диапазоне 3 - 30 МГц значительное влияние могут оказать диэлектрические потери, особенно, в катушках большого диаметра, намотанных на каркасе из низкочастотного диэлектрика. В катушках малого диаметра с каркасом из высокочастотного диэлектрика (полистирол, ультрафарфор) диэлектрические потери малы. В многослойных катушках поле концентрируется внутри обмоток, поэтому диэлектрические потери в изоляции проводов выше, чем в каркасе.

Стабильность характеризуется изменением параметров катушки индуктивности под воздействием температуры, влажности и во времени.

Изменения индуктивности под влиянием температуры вызывается следующими основными причинами: температурными изменениями линейных размеров (диаметра, длины), изменением эффективной площади сечения проводника вследствие перераспределения тока по сечению провода, изменением собственной емкости и потерь в каркасе, изменением влияния экрана.

Обратимые изменения индуктивности характеризуются температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ):

L₂-L₁

ТКИ = ,

L₁(T₂-T₁)

где L₁ и L₂ - индуктивность катушки при температуре Т₁ и Т₂ соответственно.

ТКИ определяется способом намотки и качеством диэлектрика каркаса.

При циклических изменениях температуры между поверхностью каркаса и проводником могут образоваться зазоры. Это вызывает необратимы изменения индуктивности. Катушки такого типа нестабильны. Для повышения стабильности обмотку выполняют методом горячей намотки или методами осаждения или вжигания металла в материал каркаса. Необратимые изменения индуктивности характеризуются коэффициентом температурной нестабильности индуктивности (КТНИ).

Температурные изменения сопротивления провода, а так же и tg каркаса обусловливают изменения добротности и собственной емкости C₀. Добротность катушки падает на 10% на каждые 30°C повышения температуры.

Влияние старения каркаса сильно проявляется при использовании органических диэлектриков и практически отсутствует у керамических каркасов из керамики.

Влага увеличивает собственную емкость катушки (возрастает величина каркаса и воздуха) и диэлектрические потери, а также снижает добротность. Для защиты катушек от влаги применяют герметизацию или пропитку обмотки негигроскопичным составом. Это повышает стабильность параметров, но одновременно снижает добротность и увеличивает собственную емкость.

2. Катушки индуктивности колебательных контуров

К а т у ш к и и н д у к т и в н о с т и б е з с е р д е ч н и к а. Цилиндрические катушки индуктивности с однослойной намоткой выполняются на каркасах из диэлектрика или без них. Катушки без каркасов применяют, когда необходима большая добротность при невысоких требованиях к стабильности индуктивности. Количество витков ограничивают (5-8), диаметр провода катушки выбирают из соображений жесткости конструкции.

Для катушек с однослойной рядовой намоткой изготавливают гладкие каркасы, для катушек с шаговой намоткой - каркасы с канавкой, расположенной по винтовой линии, или ребрами вдоль образующей цилиндра. Катушки с шаговой намоткой отличаются меньшей собственной емкостью С₀ (соответственно, меньшими потерями в диэлектрике), и повышенными значениями добротности.

Высокодобротные стабильные катушки индуктивности выполняют из медного посеребренного проводника, намотанного на каркас из высококачественной керамики характеризующейся минимальными значениями ТКЛР, tg, и ТК, а также достаточной механической прочностью.

Однослойную рядовую намотку применяют при индуктивностях не выше 15 - 20 мкГн. Величина индуктивности может быть определена по эмпирической формуле

L = 0,01DN²/(l/D+0,44), мкГн,

где D - диаметр обмотки, см; N - число витков; l - длина обмотки, см.

Многослойные катушки используют для колебательных контуров на частотах от 100 до 2000 кГц, когда требуется индуктивности более 30 - 50 мкГн.

Катушки индуктивности c несекционированной многослойной рядовой обмоткой характеризуются пониженной добротностью и стабильностью параметров, большой собственной емкостью. Катушки намотанные "внавал" (т.е. с хаотическим расположением витков) обладают значительно лучшими параметрами. Использование проводов с дополнительной волокнистой изоляцией уменьшает собственную емкость катушки. На частотах до 1 - 1,5 МГц для повышения добротности целесообразно использовать многожильный провод типа "литцендрат". Однако, при обрыве или плохом контакте даже одного из проводов резко возрастает собственная емкость.

Индуктивность катушки без сердечника с многослойной обмоткой определяется по формуле

0.08D²N²

L = , мкГн,

3D+9l+10a

где D - средний диаметр обмотки, см; l - длина обмотки, см; а - толщина обмотки, см; N - число витков.

К а т у ш к и и н д у к т и в н о с т и с ф е р р о м а г н и т н ы м и с е р д е ч н и к а м и. Сердечники из ферромагнитных материалов применяют для увеличения добротности, уменьшения размеров и подстройки катушек индуктивности.

Ферромагнитные сердечники характеризуются относительной (действующей) магнитной проницательностью _с и температурным коэффициентом этой проницаемости ТК_с.

Относительная магнитная проницательность _с определяется отношением величины индуктивности катушки с сердечником L_c к индуктивности той же катушки без сердечника L:

_c = L_c / L .

Чем больше магнитная проницаемость материала сердечника (измеряется на кольцевых сердечниках), ниже частота переменного напряжения, меньше расстояния между сердечником и обмоткой катушки, тем выше относительная магнитная проницаемость сердечника.

Использование магнитных свойств материала в сердечнике характеризуется коэффициентом использования:

k =_c/_мат,

где _мат - относительная магнитная проницаемость материала сердечника.

Чем больше величина k, тем сильнее сердечник влияет на параметры катушки. Для стандартной торроидальной катушки k = 1, т.е. _c = _мат.

Использование магнитного сердечника увеличивает индуктивность катушки. Если бы в сердечнике не было потерь, то добротность катушки с сердечником также увеличивалась бы в _c раз, т.е.

L_{c c} L

Q_c = = = _c Q .

r_п r_п

Однако в сердечнике присутствуют потери на вихревые токи, потери на гистерезис и потери на последействие. Вследствие этого приближенно считают

Q_c = ( _c Q)^1/2 .

Потери вносимые сердечником, характеризуются относительной добротностью Q_отн .

Q_отн = Q_c / Q.

Относительная добротность зависит от коэффициента использования , потерь в сердечнике и в сильной степени от частоты. Верхней границей диапазона рабочих частот сердечника является частота, при которой Q_отн = 1.

Чем лучше используются сердечником магнитные свойства материала, тем в большей степени стабильность параметров катушки зависит от стабильности параметров материала сердечника. Стабильность параметров катушки в течение времени определяется стабильностью _c и ухудшается с увеличением величины _c .

Ферромагнитные сердечники для катушек индуктивности изготавливают из магнитодиэлектриков и ферритов. Ферритовые сердечники позволяют получить катушки с большей величиной добротности, чем сердечники из магнитодиэлектриков. Для стабильных высокочастотных катушек индуктивности рекомендуется использовать сердечники из карбонильного железа или термостабильных ферритов.

По конструктивному выполнению сердечники подразделяют на цилиндрические, броневые, кольцевые.

Цилиндрические сердечники используют для изменения величины индуктивности в процессе регулировки аппаратуры и в качестве элемента подстройки броневых сердечников. Они обладают, как правило, невысокой относительной магнитной проницаемостью (_c = 1,5 3) и относительной добротностью (Q_с = 1,2 2). Их изготавливают из карбонильного железа и ферритов. Катушки с броневыми сердечниками характеризуются малыми размерами, сравнительно высокой добротностью и малой собственной емкостью. Они создают слабое внешнее поле. Это позволяет приближать экран к самому сердечнику, а в некоторых случаях не экранировать катушку. Катушки с броневыми сердечниками применяются в колебательных контурах усилителей радио и промежуточной частоты, в электрических фильтрах различного назначения.

Броневые сердечники могут быть с замкнутой или разомкнутой магнитной цепью (с зазором). Введение немагнитного зазора с шириной уменьшает относительную магнитную проницаемость сердечника _cз и величину потерь tg_cз :

_cз = _c /(1+_c /l_эф), tg _сз = tg_cз / _c ,

где l_эф - эффективная длина магнитной силовой линии.

Наибольшей добротностью обладают катушки, у которых потери в катушке и сердечнике одинаковые. Правильно выбранный зазор может увеличить добротность катушки в 2 - 3 раза. Катушки индуктивности, выполненные из сердечников с зазором имеют более высокую температурную стабильность. Оптимальный размер зазора _опт и максимальная добротность катушки с сердечником определяются из соотношений:

l_эф

_опт = ( _c Q/Q_c -1)^1/2 , Q_max = 0.5 (_c QQ_c )^1/2,

где Q_c = 1/tg_с .

Для подстройки величины индуктивности броневые сердечники снабжают цилиндрическим сердечником, перемещение которого изменяет индуктивность примерно на 20 %, если сердечник без зазора, и на 30 %, если сердечник с зазором.

Броневые сердечники изготавливаются из ферритов и карбонильного железа.

Кольцевые сердечники позволяют наиболее полно использовать магнитные свойства материалов (_c = _н). Их достоинствами является большая добротность катушек (до 400 - 500), почти полное отсутствие внешнего поля, что устраняет необходимость экранирования, возможность получения сильной (к = 1) связи между двумя расположенными на нем обмотками. Их недостатки - сложность намотки, невозможность подстройки и относительно низкая температурная стабильность индуктивности. Кольцевые сердечники применяют в тех случаях, когда необходимо получить максимальную индуктивность при минимальных габаритах. Они изготавливаются из ферритов и альсиферов.

К а т у ш к и и н д у к т и в н о с т и с с е р д е ч н и к а м и и з н е м а г н и т н ы х м а т е р и а л о в. Сердечники из немагнитных материалов (меди, латуни, алюминия) применяются для подстройки стабильных катушек индуктивности в диапазоне частот 10 - 100 МГц

Под влиянием магнитного поля катушки в сердечнике возникают индукционные токи, направление которых противоположно направлению магнитного поля катушки. Это уменьшает магнитное поле, создаваемое катушкой индуктивности, что эквивалентно уменьшению величины индуктивности. Индукционные токи вызывают нагрев сердечника, то есть происходят необратимые потери энергии. Это эквивалентно увеличению сопротивления потерь катушки.

Индуктивность уменьшается тем сильнее, чем больший объем металла вводится и чем выше его проводимость. Добротность уменьшается в большей степени, чем индуктивность. Например, уменьшение индуктивности на 15% при использовании медного сердечника снижает добротность на 45%, а при применении алюминиевого в 3 - 4 раза. Поэтому алюминиевые сердечники используют для регулировки индуктивности широкополосных контуров.

3. Экранирование катушек индуктивности

Экранирование катушек индуктивности применяется для устранения паразитных связей, обусловленных внешним электромагнитным полем катушки и окружающим пространством. Катушка располагается внутри замкнутого металлического заземленного экрана. Эффективность экранирования определяется отношением напряженности поля катушки в данной точке пространства при наличии экрана к напряженности поля, когда экран отсутствует. Для экрана в виде алюминиевого стакана это отношение равно 0,01 - 0,05.

Наиболее распространены электромагнитные экраны изготовленные из немагнитных металлов (медь, латунь, алюминий). Внешнее переменное магнитное поле катушки возбуждает в экране индукционный ток, который создает в свою очередь магнитный поток, направленный навстречу магнитному потоку катушки. Таким образом, экран ослабляет (экранирует) поле катушки в окружающем ее пространстве. Одновременно ослабляется поле и внутри катушки и изменяются ее параметры: уменьшается индуктивность и добротность, увеличивается собственная емкость, понижается стабильность. Изменение параметров катушки тем больше, чем ближе к ее виткам расположен экран. Для того, чтобы индуктивность и добротность падали не более чем на 10%, для однослойных обмоток рекомендуется соотношение диаметров экрана и катушки D_э/D = 1,5 - 2,5.

Эффективность экранирования повышается при увеличении частоты переменного поля, толщины экрана и уменьшении удельного сопротивления материала экрана. Экраны высокочастотных катушек индуктивности изготавливают из меди и алюминия толщиной 0,4 - 0,5 мм. При такой толщине экрана эффективность экранирования на частоте 1 МГц составляет 0,01.

4. Пленочные катушки индуктивности

Пленочные катушки индуктивности применяют в интегральных микросхемах и микросборках. Они выполняются в виде плоских спиралей из проводящего материала, наносимого на изоляционную или ферритовую подложку.

Индуктивность плоской катушки зависит от размеров и формы среднего витка, расстояния между витками и числа витков. Величину индуктивности круглой пленочной спирали можно рассчитать по эмпирической формуле:

a²N²

L = 0.394 ,

8 a + 11 С

где С - ширина полосы занимаемой витками, С = 0,5 (D₂-D₁); а - средний радиус витка, а = 0,25 (D₁+D₂); N - число витков.

При одинаковых габаритных размерах и числе витков индуктивность квадратной спирали в 1,27 раза больше.

На величину добротности пленочной катушки сильное влияние оказывают потери в проводнике переменному току и диэлектрические потери в материале подложки. Для уменьшения потерь в проводнике необходимо увеличивать его ширину и толщину, которая должна быть больше глубины скин-слоя. Диэлектрические потери снижаются при увеличении расстояния между витками и соответствующем выборе подложки с малой величиной диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь tg.

Добротность спиральной катушки (без учета скин-эффекта) с точностью 15 - 20% можно оценить по формуле

16 f D₁k² b

Q = ,

R t(D₂²/D₁²-1)

где f - рабочая частота, МГц, t - толщина проводника, мм; R- удельное поверхностное сопротивление материала проводника, Ом/; k - коэффициент, определяемый по графику (рис 63); b - ширина проводника, мм.

Оптимальное отношение размеров D₁/D₂, соответствующее наибольшей доброт-ности (80 - 120), для круглой катушки равно 0,4, а для квадратной - 0,36. Наличие шероховатостей на поверхности подложки в 4 - 10 мкм может в 2 - 3 раза снизить добротность за счет увеличения сопротивления поверхностного слоя проводника. Наличие толстых экранов (например, крышки корпуса ИМС) на расстоянии менее 0,2 D или тонких металлических пленок на расстоянии менее D уменьшают индуктивность катушки и снижают ее добротность.

Пленочные катушки используют в диапазоне рабочих частот 10 МГц - 2 ГГц. Нижний предел рабочего диапазона определяется предельной индуктивностью катушки, величина которой порядка 10 мкГн из-за ограниченных геометрических размеров. Верхний предел частотного диапазона ограничен разрешающей способностью технологических процессов фотолитографии, которые обеспечивают получение катушек индуктивности менее 8 нГн при диаметре D = 1,5 - 2,0 мм.

Для повышения добротности применяют достаточно толстые пленочные проводники (до 30 - 100 мкм), формируемые путем электрохимического наращивания меди на подслой титана или ванадия; при использовании тонких пленок производят напыление золота на подслой ванадия.

Литература

1. Суриков В.С. - Основы электродинамики - М. «Протон» - 2000 г.

2. Карков И.С. - Физика элементарных частиц. - М. - 1999 г.

3. Синджанов И.К. Электродинамика - М. 1998 г.

4. Электротехнические материалы. Справочник / В.Б. Березин, Н.С. Прохоров, А.М. Хайкин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 504с.

5. Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы . - М.: Радио и связь, 1999. - 352с.

6. Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов и др.; Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - М.: Радио и связь, 1997. - 352с.

7. Справочник по электрическим конденсаторам / Под ред. И.И. Четверткова, В.Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1993. - 576с.