Расчет плоских катушек для получения нужной индуктивности

Расчет плоских катушек для получения нужной индуктивности

В малогабаритной УКВ аппаратуре относительно много места на плате занимают контурные катушки И ВЧ дроссели. Часто именно они определяют габаритную высоту монтажной платы. В некото рых случаях может оказаться целесообразным примене ние плоских катушек — печатных и проволочных. Основой для печатных ВЧ катушек чаще всего служит спе циальная высокочастотная Керамика. Технология произ водства таких катушек непригодна для любительских условий. Однако, как показывает практика, до частот 80—100 МГц вполне удовлетворительные результаты могут быть получены при использовании катушек, изготовленных из фольгированного стеклотекстолита способом травления. Применение для печатных катушек фольгироваиного фторопласта позволяет отодвинуть частотный предел до 200—300 МГц. Плоские проволочные катушки обладают удовлетвори тельной механической прочностью, относительно неболь шой собственной емкостью, простотой изготовления и могут применяться на частотах до 10 МГц. Существен ное увеличение индуктивности и добротности плоских печатных и проволочных катушек может быть получено, если с одной или обеих сторон на катушку наложить ферритовые пластины. Изменяя расстояние между ка тушкой и пластиной (набором немагнитных прокладок или иным путем), можно изменять индуктивность катушки. Можно регулировать индуктивность в некото рых пределах с помощью флажка из немагнитного ме талла (меди или алюминия), перемещающегося вблизи катушки параллельно ей. Проволочные катушки удобно наклеивать непосредст венно на плату или на отдельную пластину, прикрепляе мую к плате. Печатные катушки могут быть произвольной формы. «Заземлять» на плате следует вывод наруж ного витка — в этом случае он играет роль экрана. Можно дополнительно экранировать печатную катушку еще одним наружным незамкнутым витком, соединяе мым с общим проводом устройства. Примеры выполнения катушек показаны на фото.

Рассчитать катушки с достаточной для радиолюбителя точностью можно с помощью номограмм. Порядок расчета печатных и проволочных катушек аналогичен, разница состоит в том, что ширине печатной дорожки печатной катушки соответствует диаметр по меди провода проволочной катушки, а ширине зазора между дорожками — двойная толщина изоляции провода.

Конструктивные размеры катушек показаны на рис. 1, а и б. Номограммы для расчета изображены на рис. 2 и 3. В качестве примера ниже рассмотрен расчет круглой печатной катушки (без сердечника> индуктивностью 0,64 мкГ. Наибольший наружный диаметр D катушки выбираем равным 20 мм, наименьший внутренний d = 8 мм. Необходимо найти число витков w, ширину печатной дорожки S и расстояние Sr между центрами С1 и С2 полуокружностей катушки. Номограмма для расчета круглых катушек представлена на рис. 2. Вычисляем: D + d=20 + 8 = 28 мм = = 2,8 см: D/d = 20:8 = 2,5. На шкалах «D+d» и «D/d» находим соответствующие точки и соединяем их прямой (на рис. 2 — штриховая линия). Через точку пересечения этой прямой с неоцифрованной вспомогательной линией и точку на шкале «L», соответствующую заданной индуктивности L = 0,64 мкГн, проводим прямую до пересечения со шкалой «w», по которой и отсчитываем искомое число витков — 6,5. Значения D + d, D/d или L на шкалах номограммы можно увеличить (умень шить) в 10 или 100 раз, при этом значения w будут со ответственно изменяться в корень из 10 и корень из 100 раз. Ширину S, мм, печатного проводника вычисляем по формуле: S>=Sr = (D — d)/4w; диаметр по изоляции провода проволочной катушки — dиз = (D — d)/2w. Полученный результат округляем до ближайшего боль шего значения ряда 0,5; 0,75; 1.0; 1.25; 1,5 мм и т. д. Sr= (20-8)/4х6,5=0,46; S=0,5 мм. При малых значениях Sr следует принимать Sr = S Для прово лочных катушек dиз округляем до ближайшего стандарт ного диаметра провода по изоляции. Рисунок катушки наносят на фольгированный стекло текстолит циркулем, в который установлен рейсфедер, наполненный химически стойкой краской. Верхние полу окружности (см. рис. 1а) проводят из центра С1, а нижние — из С2. Расстояние Sr следует выдерживать с возможно большей точностью. После высыхания кра ски катушку травят, как обычно, в растворе хлорного железа. Печатные катушки квадратной формы рассчитывают по номограмме, показанной на рис. 3. Более точные ре зультаты расчета плоских катушек можно получить аналитически, пользуясь формулами, по которым построены номограммы. Эти формулы приведены на рис. 2 и 3. Размерность величин в формулах соответствует ука занной на номограммах. Значения функций «фи» (D/d и f(а/А) сведены в табл. 1 и 2. Проволочные плоские катушки наматывают на разборном каркасе между двумя щечками, укрепленными на стержне. Диаметр сердечника каркаса должен быть равен внутреннему диаметру катушки, а расстояние между щечками — диаметру провода по изоляции. В процессе намотки провод смачивают клеем БФ

2. Щечки должны быть изготовлены из материала, имеющего плохую адгезию к клею (фторопласт, винифлекс). Каркас разбирают после окончания сушки клея. Изго товленные катушки клеят либо непосредственно к плате, либо к пластине из феррита, укрепленной на плате. Катушки, изображенные в заголовке статьи, имеют следующие измеренные параметры: круглая печатная (D = 40 мм) — индуктивность 1,4 мкГн, добротность 95; квадратная (А = 30 мм) — 0,9 мкГн и 180, проволочные верхняя (D=15 мм, провод ПЭВ-1 0,18) — 7,5 мкГн и 48; средняя (D= 11,9 мм, провод ПЭВ-2 0,1) — 9,5 мкГн и 48 и нижняя (D =9мм, провод ПЭЛ 0,05) — 37 мкГн и 43

Катушки индуктивности

В. ПОЛЯКОВ, г. Москва

Любой проводник с током создает вокруг себя магнитное поле. Отношение магнитного потока этого поля к по-рождающему его току называется индуктивностью. Индуктивность прямого отрезка проводника невелика и составляет 1…2 мкГн на каждый метр длины в зависимости от диаметра провода (тонкие проводники имеют большую индуктивность). Более точные результаты дает формула L = 0,2ℓ(ln4ℓ/d — 1), где ℓ — длина провода; d — его диаметр. Оба размера надо брать в метрах (под знаком логарифма допустимо в любых, но одинаковых единицах), индуктивность получится в микрогенри. Для облегчения расчетов напомним, что натуральный логарифм любого числа в 2,3 раза больше десятичного логарифма (который можно найти с помощью таблиц, логарифмической линейки или калькулятора), т. е. lnx = 2,3lgx. Зачем мы дали эту формулу? Поясним примером. Пусть выводы некоторого радиоэлемента имеют длину 4 см при диаметре 0,4 мм. Сосчитаем их индуктивность.
2,3lg100 = 4,6 и 0,2∙0,04∙3,6 = 0,03 (округляем).
Итак, индуктивность каждого вывода близка к 0,03 мкГн, а двух выводов — 0,06 мкГн. С емкостью всего 4,5 пФ (а емкость монтажа может быть и больше) такая индуктивность образует колебательный контур, настроенный на частоту 300 МГц, — вспомните формулу Томсона: f = 1/2π√LC. Вот почему на УКВ нельзя вести монтаж длинными проводами и оставлять длинные выводы деталей. Чтобы увеличить индуктивность, проводник сворачивают в кольцо. Магнитный поток внутри кольца возрастает, и индуктивность становится примерно втрое больше: L = 0,2πD(ln8D/d — 2).
Здесь D — диаметр кольца, размерности те же. Дальнейшее увеличение индуктивности происходит при увеличении числа витков, при этом магнитные потоки отдельных витков не только складываются, но и воздействуют на все остальные витки. Поэтому индуктивность возрастает пропорционально квадрату числа витков. Если в катушке N витков, полученную для одного витка индуктивность надо умножить на N². Для однослойной цилиндрической катушки с длиной ℓ, намного большей диаметра D (рис. 23), индуктивность достаточно точно рассчитывается по формуле L = μμₒN²S/ℓ, строго выведенной для очень длинного соленоида или тора. Все размерности здесь в системе СИ (метры, Генри), μₒ = 4π∙10⁻⁷ Гн/м — магнитная константа; S = πD²/4 — площадь поперечного сечения катушки; μ — эффективная магнитная проницаемость магнитопровода. Для незамкнутых магнитопроводов она значительно меньше проницаемости самого материала. Например, для стержня магнитной антенны из феррита марки 600НН (магнитная проницаемость 600) μ едва достигает 150. Если магнитопровода нет, μ = 1.


Очень точные результаты эта формула дает для тороидальных катушек, причем ℓ соответствует длине окружности кольцевого магнитопровода, измеренной по его средней линии. Формула годится и для низкочастотных трансформаторов, намотанных на Ш-образном магнитопроводе (рис. 24). В этом случае S = ab — площадь сечения магнитопровода, а ℓ — это средняя длина магнитной силовой линии, показанная на рисунке пунктиром. Для замкнутых магнитопроводов, собранных без зазора, как и для ферритовых колец, μ берется равной магнитной проницаемости материала. Малый зазор незначительно снижает μ. Учесть его влияние можно, увеличив длину магнитной силовой линии ℓ на величину δμ, где δ — ширина зазора, μ — магнитная проницаемость материала сердечника. Как видим, от диаметра провода индуктивность практически не зависит. У низкочастотных катушек диаметр провода выбирают исходя из допустимой плотности тока, для медных проводников 2…3 ампера на каждый мм² сечения проводника. В других случаях, особенно у радиочастотных катушек, стремятся получить минимальное сопротивление проводника, чтобы увеличить добротность (отношение индуктивного сопротивления к активному).


С этой целью надо, казалось бы, увеличивать диаметр провода, но тогда увеличивается длина намотки, что снижает индуктивность, а при тесном, многослойном расположении витков наблюдается эффект «вытеснения» тока из обмотки, что увеличивает сопротивление. Эффект аналогичен вытеснению тока на высоких частотах в любых проводниках, в результате чего ток течет только в тонком скин-слое у поверхности проводника. Толщина скин-слоя уменьшается, а сопротивление провода растет пропорционально корню квадратному из частоты.
Таким образом, для получения нужных индуктивности и добротности совсем не обязательно выбирать самый толстый провод. Например, если однослойную катушку (см. рис. 23) намотать толстым проводом виток к витку или вдвое более тонким проводом, но с шагом, равным диаметру провода, индуктивность останется прежней и добротность почти не уменьшится. Добротность возрастает при увеличении вместе с диаметром провода всех размеров катушки, главным образом, ее диаметра. Для получения максимальной добротности и индуктивности катушку выгоднее делать короткой, но большого диаметра, с отношением D/ℓ порядка 2,5. Индуктивность таких катушек более точно рассчитывается по эмпирической (подобранной опытным путем) формуле L = 0,1D²N²/(4D + 11ℓ). где размеры берутся в сантиметрах, а индуктивность получается в микрогенри. Любопытно, что эта же формула применима для спиральной или корзиночной плоской катушки (рис. 25).

Читайте также  Детектор металла на pic

В качестве D берут средний диаметр: D = (Dmax + Dmin)/2, а в качестве ℓ — ширину намотки, ℓ = (Dmax — Dmin)/2.
Индуктивность многослойной катушки без сердечника (рис. 26) вычисляется по формуле
L = 0,08D²N²/(3D + 9b + 10с), где размеры подставляются в сантиметрах, а индуктивность получается в микрогенри. При плотной рядовой намотке добротность не превосходит 30…50, «рыхлая» намотка (внавал, универсаль) дает большие значения добротности. Еще лучше «сотовая» намотка, теперь практически забытая. На частотах до 10 МГц добротность увеличивается при использовании литцендрата — провода, скрученного из многих тонких изолированных жилок. У литцендрата больше общая поверхность провода, по которой, собственно, и течет ток из-за скин-эффекта, а следовательно, меньше сопротивление на высокой частоте.


Подстроечник из магнитодиэлектрика увеличивает индуктивность вплоть до 2—3 раз, в зависимости от размеров подстроечника. Еще большее увеличение индуктивности дают замкнутые или частично замкнутые магнитопроводы, например, горшкообразные. В этом случае лучше пользоваться строгой формулой для соленоида или тора (см. выше). Добротность катушки на замкнутом магнитопроводе определяется не столько проводом, сколько потерями в материале сердечника.
В заключение главы приведем несколько полезных формул для подсчета активного сопротивления проводов. Погонное сопротивление (на метр длины) медного провода на постоянном токе и низких частотах (Ом/м) легко найти по формуле R = 0,0223/d²,
где d — диаметр провода, мм Толщина скин-слоя для меди (мм) примерно равна 1/15√f (МГц). Обратите внимание: уже на частоте 1 МГц ток проникает в провод на глубину всего 0,07 мм! В случае, когда диаметр провода больше толщины скин-слоя, сопротивление возрастает по сравнению с сопротивлением на постоянном токе. Погонное сопротивление провода на высокой частоте оценивают по формуле R = √f/12d (мм).
К сожалению, эти формулы нельзя использовать для определения активного сопротивления катушек, поскольку
из-за эффекта близости витков оно получается еще больше.
Настало время дать ответы на первые задачи, приведенные в предыдущих разделах. Задачка из введения («Радио», 2002, № 9, с. 52): какова длительность единичных импульсов (по отношению к периоду) на выходе логического элемента (рис. 2), если он переключается при напряжении 2 В, а на вход подан синусоидальный сигнал с амплитудой 4 В? Решать эту задачу проще и нагляднее графически — надо по возможности точнее нарисовать синусоиду амплитудой 4 В и провести прямую горизонтальную линию на уровне порога переключения элемента, т. е. 2 В (рис. 27).

Элемент будет переключаться в моменты времени, соответствующие точкам пересечения синусоиды с этой линией. Длительность получившихся импульсов (выделены утолщенными линиями) теперь можно измерить линейкой — она составит 1 /3 периода. По горизонтальной оси графика целесообразно отложить не время, а фазу колебания φ. Полный период составит 360°, а моменты переключения находятся из уравнения 4sinф = 2 или sinφ =1/2 (оно приравнивает мгновенное значение напряжения порогу переключения). Решения уравнения: ф = 30°, 150° и т. д. Разность фаз между моментами переключения составляет 150 — 30 = 120°, длительность импульса по отношению к периоду составит 120/360 = 1/3. Таким образом, задачку можно решить и алгебраически, но легко запутаться в многозначном решении уравнения для ф, поэтому нарисовать график оказалось очень полезно. Если даже не стараться рисовать график аккуратно, по нему получим приближенную оценку, а из решения алгебраического уравнения — точный результат.
Теперь вторая задача, предложенная в конце первого раздела: Измерения батареи показали ЭДС 12 В и ток короткого замыкания 0,4 А. Какую взять лампочку, чтобы свет был как можно ярче? Определяем внутреннее сопротивление батареи: r = Е/Iкз = 12/0,4 = 30 Ом.
Чтобы свет был максимально ярким, на лампочке фонаря должна выделяться максимальная мощность (не напряжение, и не ток, а именно мощность, преобразующаяся затем в тепло: Q = P∙t). Это происходит при равенстве сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению источника: R = r. Из всех перечисленных лампочек лишь одна удовлетворяет этому условию — находим ее сопротивление по закону Ома: 6 В/0,2 А = 30 Ом. Она и окажется самой яркой. Заметьте также, что на ней выделится напряжение 6 В и будет протекать ток 0,2 А, т. е. лампа будет светить в рекомендуемом для нее режиме.

Расчет катушки индуктивности

При построении электронных устройств часто приходится сталкиваться с индуктивным элементом схемы. Когда на чертеже указано только значение индуктивности L, то расчет катушки индуктивности приходится выполнять самостоятельно. В интернете есть множество программ, позволяющих выполнять расчёт индуктивности катушек онлайн при помощи специального калькулятора. Зная то, как устроен элемент, можно вручную произвести все вычисления.

Что такое катушка индуктивности

Данный элемент ещё называют дросселем. Это свёрнутый в спираль изолированный провод. Для такой спирали характерны большие индуктивные и маленькие ёмкостные параметры.

Важно! Дроссель препятствует протеканию переменного тока, потому что обладает существенной инерционностью. Она препятствует любому изменению проходящего через витки тока. При этом нет разницы, увеличивается он или уменьшается.

В связи с этим данные элементы применяют в электротехнике для осуществления:

  • токоограничения;
  • ослабления биений;
  • помехоподавления;
  • формирования магнитного поля;
  • изготовления датчиков движения.

Дроссель входит в систему колебательного контура в цепях резонанса и применяется в линиях задержки.

Какие параметры есть у катушки

От того, где будет применяться индуктивный элемент и на какой частоте работать, зависит его исполнение. Имеются общие параметры:

  • L – индуктивность;
  • R пот – сопротивление потерь;
  • Q – добротность;
  • свой резонанс и паразитарная ёмкость;
  • коэффициенты ТКИ и ТКД.

Индуктивность (коэффициент самоиндукции) L – это главная электрическая характеристика элемента, которая показывает количество накапливаемой дросселем энергии при передвижении тока. Величина энергии в катушки тем выше, чем больше её индуктивность. Единица измерений L – 1 Гн.

При взаимодействии тока и магнитного поля в обмотке возникают вредные явления. Они способствуют возникновению потерь, которые обозначают R пот. Формула потерь имеет вид:

R пот = rω + rd + rs + re.

Слагаемые формулыэто потери:

  • rω – в проводах;
  • rd – в диэлектрике;
  • rs – в сердечнике;
  • re – на вихревые токи.

В результате таких потерь импеданс индуктивного двухполюсника нельзя назвать целиком реактивным.

Добротность двухполюсника определяется по формуле:

где ω*L = 2π*L – реактивное сопротивление.

При наматывании витков элемента между ними возникает ненужная ёмкость. Из-за этого дроссель превращается в колебательный контур с собственным резонансом.

ТКИ – показатель, описывающий зависимость L от Т0С.

ТКД – показатель, описывающий зависимость добротности от Т0С.

Информация. Изменение основных параметров индуктивного двухполюсника зависит от коэффициентов ТКИ, ТКД, а также от времени и влажности.

Конструкция катушки

По конструктивному исполнению индуктивные элементы различаются:

  • видом намотки: винтоспиральная, винтовая; кольцевая;
  • количеством слоёв: однослойные или многослойные;
  • типом изолированного провода: одножильный, многожильный;
  • наличием каркаса: каркасные или бескаркасные (при небольшом количестве витков толстого провода);
  • геометрией каркаса: прямоугольный, квадратный, тороидальный;
  • наличием сердечника: ферритовый, из карбонильного железа, электротехнической стали, пермаллоевый (магнитомягкий сплав), металлический (латунный);
  • геометрией сердечника: стержневой (разомкнутый), кольцо-образный или ш-образный (замкнутый);
  • возможностью изменять L в узких интервалах (движение сердечника по отношению к обмотке).

Существуют плоские катушки, в печатном исполнении устанавливаемые на платах цифровых устройств.

К сведению. Намотка провода может быть как рядовой (витком к витку), так и в навал. Последний способ укладки провода снижает паразитную ёмкость.

Зачем нужен расчёт индуктивности

Расчет индуктивности нужен, потому что конструктивно это могут быть по-разному выполненные катушки. Применение дросселей в разных отраслях электрики и электроники, их работа под влиянием постоянного и переменного тока требуют тщательного подбора индуктивности, добротности и стабильности работы. При выполнении своими руками дросселей заданного параметра L нужно выполнить расчёт. Для каждого типа индуктивного двухполюсника используется своя формула.

Расчет параметров катушки

Приходится при расчётах рассматривать разные варианты. Расчет индуктивности зависит от исходных данных и заданных конечных параметров.

Расчет L в зависимости от заданной конструкции

Если исходными параметрами являются: w, D каркаса и длина намотанного провода, то формула для расчёта имеет вид:

L = 0,01*D*w2/(l/D) + 0,46,

где:

  • D – диаметр каркаса, см;
  • w – число витков;
  • l – длина намотки, см;
  • L – индуктивность, мкГн.

Подставляя численные значения в формулу, получают значение L.

Расчет количества витков по индуктивности

Зная D каркаса и L, рассчитывают количество витков в катушке, формула имеет вид:

где:

  • L – индуктивность, мкГн;
  • D – диаметр каркаса, мм.

Если в качестве исходных параметров берутся длина навитого в ряд проводника и его диаметр, то количество витков находят, используя формулу:

где:

  • l – длина намотки, мм;
  • d – диаметр провода, мм.

Измерения диаметра провода проводят линейкой или штангенциркулем.

Расчёт индуктивности прямого провода

Собираясь найти L круглого прямого проводника, обращаются к приближённой формуле:

L = (μ0/2π)*l*( μe*ln(l/r) + 1/4* μi,

где:

  • μ0 – магнитная постоянная;
  • μe – относительная магнитная проницаемость (ОМП) среды (для вакуума – 1);
  • μi – ОМП проводника;
  • l – длина провода;
  • r – радиус провода.

Формула справедлива для длинного проводника.

Расчёт однослойной намотки

Однослойные дроссели без сердечника легко и быстро можно рассчитать при помощи онлайн-калькулятора, в окно которого можно забить все известные характеристики, и программа выдаст значение L.

Вычисления проводятся и вручную, с использованием математического выражения. Оно имеет вид:

L = D2*n2/45D + 100*l,

где:

  • D – диаметр катушки, см;
  • l – длина намотанного провода, см;
  • n – количество витков.

Формула подходит для вычислений L дросселей без ферритовых сердечников.

Дроссель с сердечником

При наличии сердечника следует учесть его размеры и форму. В случае одинаковых катушках индуктивность больше у той, которая располагается на сердечнике.

Читайте также  6.3.5. возможные модификации

Многослойная намотка

Особенности расчёта при подобном способе наматывания провода заключаются в том, что нужно учитывать его толщину. Формула для дросселя без сердечника имеет вид:

где:

  • Dk – общий диаметр (диаметр каркаса и намотки);
  • t – толщина слоя;
  • l – длина накрученного провода.

Все значения подставляют в мм, величину L – в мкГн.

Факторы, влияющие на индуктивность катушки

Коэффициент самоиндукции зависит от следующих параметров:

  • геометрических особенностей каркаса;
  • формы оправки;
  • числа витков;
  • марки и диаметра провода;
  • свойств магнитопровода.

Интересно. Материал сердечников из распыленного железа выделяют разным цветом в зависимости от марки смеси. Сердечники такого рода используют для дросселей в импульсных устройствах.

Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности

Каждый дроссель можно представить в виде эквивалентной схемы.

Данная схема состоит из элементов:

  • Rw – сопротивление обмотки с выводами;
  • L – индуктивность;
  • Cw – паразитная ёмкость;
  • Rl – сопротивление потерь.

Изготавливая индуктивный элемент, стремятся снизить величину сопротивления потерь, паразитную ёмкость. При работе катушки на низкой частоте учитывают сопротивление её обмотки Rw. На таких частотах действуют токи большой величины.

Правильно рассчитанная катушка индуктивности будет иметь высокую добротность (180-300) и стабильность работы при влиянии внешних условий (температуры и влажности). Зная способы различной намотки и манипуляции с шагом, можно уменьшить влияние паразитных факторов.

Видео

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Расчёт индуктивности. Часть 2

Всем доброго времени суток. Сегодняшняя статья является продолжением предыдущей. Здесь продолжим рассматривать расчёт индуктивностей индуктивных элементов без сердечников. В прошлой статье я рассказал, как рассчитать индуктивность прямого провода и провода свёрнутого в кольцо (виток), в данной статье будем рассчитывать индуктивность круговых катушек, то есть поперечный профиль, которых представляет собой окружности.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Виды катушек индуктивности

Круговые катушки индуктивности являются, наверное, самыми распространёнными. В тоже время из-за разнообразия их форм существует некоторая трудность в расчёте индуктивности. Для некоторого упрощения расчёта катушки индуктивности делятся на несколько видов. Рассмотрим основные конструктивные особенности круговых катушек индуктивности


Расчёт индуктивности катушки.

Для расчёта индуктивности круговой катушки необходимо знать следующие размеры:

D1 – внутренний диаметр, D2 – внешний диаметр, Dср – средний диаметр, l – длина катушки (аксиальный размер), t – толщина обмотки (радиальный размер), где t можно вычислить

Поэтому, в зависимости от соотношения между этими размерами различают следующие катушки индуктивности:

если l > Dср – длинная катушка,

ω – число витков соленоида;

d – диаметр соленоида, м;

Φ – коэффициент, который зависит от отношения α = l/D;

l – длина соленоида, м;

Поправочный коэффициент Φ зависит от отношения длины соленоида l к его диаметру d

Для длинного соленоида, то есть α > 0,75, поправочный коэффициент составит

Для короткого соленоида, то есть α -7 Гн/м;

ω – число витков соленоида;

D – средний диаметр катушки, м;

Ψ – коэффициент, который зависит от отношения ρ = t/D­;

t – толщина намотки катушки.

Коэффициент Ψ зависит от соотношения толщины намотки t и среднего диаметра катушки D

При небольшой толщине намотки, когда ρ 0,5

где γ – коэффициент учитывающий соотношение внешнего и внутреннего диаметров обмотки катушки

Пример. Рассчитаем плоскую катушку со средним диаметром D = 5 см и толщиной намотки t = 1 см, состоящую из ω = 20 витков.

Выражения для индуктивности тонкой катушки позволяют рассчитать индуктивность и большинства катушек с малой длиной и большой толщиной обмоток.

Индуктивность круговой катушки прямоугольного сечения

Теперь перейдём от идеализированных катушек к реальным, которые в своем сечении представляют собой прямоугольник

Индуктивность прямоугольной катушки.

Катушку прямоугольного сечения можно представить в виде соленоида с ненулевой толщиной обмотки t ≠ 0, либо в виде плоской катушки с ненулевой длиной l ≠ 0, поэтому рассчитать необходимую катушку можно либо как соленоид, либо как плоскую катушку, а затем внести поправку.

Таким образом, индуктивность прямоугольной катушки можно вычислить по следующей формуле

где L – индуктивность идеальной катушки (соленоида или плоской катушки) в зависимости от α = l/Dcp;

l – длина катушки, м;

Dcp – средний диаметр катушки, м;

∆ — поправка на форму катушки.

В принципе реальную катушку индуктивности, в зависимости от отношения длины намотки l к среднему диаметру Dcp, можно разделить на несколько типов:

1. Длинная катушка, у которой α > 0,75.

2. Короткая катушка, имеющая α 1.

Рассмотрим каждый случай по отдельности.

Индуктивность длинной катушки

Для длинной катушки (α > 0,75) величина L рассчитывается также как для длинного соленоида, где l – длина соленоида, Dcp – средний диаметр соленоида, а значение поправки ∆ вычисляется по следующему выражению

где α – коэффициент, учитывающий отношение длины катушки l к её среднему диаметру DCP;

γ – коэффициент, учитывающий отношение толщины намотки t к длине намотки l;

ρ – коэффициент, учитывающий отношение толщины намотки t к её среднему диаметру DCP.

где D1 – внутренний диаметр, D2 – внешний диаметр.

Пример. Рассчитаем индуктивность катушки длиной l = 10 см, средним диаметром DCP = 2 см, количеством витков ω = 100 и толщиной намотки t = 5 мм.

Индуктивность короткой катушки

Для короткой катушки (α l) величина L рассчитывается также как для плоской катушки, где t – толщина намотки, Dcp – средний диаметр катушки, а значение поправки ∆ вычисляется по следующему выражению

где α – коэффициент, учитывающий отношение длины катушки l к её среднему диаметру DCP;

γ – коэффициент, учитывающий отношение толщины намотки t к длине намотки l, γ -7 Гн/м;

ω – число витков соленоида;

DСР – средний диаметр катушки, м;

I – коэффициент, зависящий от расположения витков катушки.

Коэффициент I определяется в зависимости от расположения провода, варианты которого изображены на рисунке выше.

Для варианта а), провод намотан с небольшим коэффициентом заполнения

где s – диаметр провода с изоляцией, sp – диаметр голого провода (без изоляции).

Для варианта б), провод намотан с большим коэффициентом заполнения

где s – диаметр провода с изоляцией, sp – диаметр голого провода (без изоляции).

Для варианта в), провод намотан с шагом p по длине катушки и с шагом q по толщине катушки

где s – диаметр провода с изоляцией, sp – диаметр голого провода (без изоляции).

Для варианта г), провод намотан в один слой по длине катушки с шагом p. В зависимости от способа вычисления расчётной индуктивности LP

— если при вычислении расчётной индуктивности LP толщина намотки t принята равной диаметру голого провода sP, то коэффициент I будет равен

— если при вычислении расчётной индуктивности LP толщина намотки t принята равной нулю (расcчитывалась как соленоид), то коэффициент I будет равен

где p – шаг намотки по длине катушки, sp – диаметр голого провода (без изоляции).

Для варианта д), провод намотан в один слой по толщине намотки с шагом q, также возможно два случая

— если при вычислении расчётной индуктивности LP длина намотки l принята равной диаметру голого провода sP, то коэффициент I будет равен

— если при вычислении расчётной индуктивности LP длина намотки l принята равной нулю (рассчитывалась как плоская катушка), то коэффициент I будет равен

где q – шаг намотки по толщине катушки, sp – диаметр голого провода (без изоляции).

Расчёт поправки на взаимную индуктивность витков

В общем случае поправка на взаимную индуктивность витков ∆2L катушки определяется выражением

где μ – магнитная постоянная, μ = 4π•10 -7 Гн/м;

ω – число витков соленоида;

DСР – средний диаметр катушки, м;

J – коэффициент, зависящий формы катушки и от числа витков катушки.

1. Для катушки выполненной в один слой по длине катушки (соленоид):

а) при определении расчётной индуктивности LP толщина намотки t принята равной шагу намотки р, то коэффициент J составит

где ω – количество витков катушки.

б) при определении расчётной индуктивности LP толщина намотки t принята равной нулю (рассчитывается как соленоид), то коэффициент J составит

где ω – количество витков катушки.

2. Для катушки, выполненной в один слой по толщине намотки (плоская катушка):

а) при определении расчётной индуктивности LP длина катушки l принята равной шагу намотки р, то коэффициент J составит

где ω – количество витков катушки.

б) при определении расчётной индуктивности LP длина катушки l принята равной нулю (рассчитывается как плоская катушка), то коэффициент J составит

где ω – количество витков катушки.

На сегодня всё. В следующей статье я закончу с индуктивными элементами без сердечников.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Расчет плоских катушек для получения нужной индуктивности

В малогабаритной УКВ аппаратуре относительно много места на плате занимают контурные катуш­ ки и ВЧ дроссели. Часто именно они определяют габаритную высоту монтажной платы. В некото­ рых случаях может оказаться целесообразным примене­ ние плоских катушек — печатных и проволочных. Осно­ вой для печатных ВЧ катушек чаще всего служит спе­ циальная высокочастотная керамика. Технология произ­ водства таких катушек непригодна для любительских условий. Однако, как показывает практика, до частот 80—100 МГц вполне удовлетворительные результаты могут быть получены при использовании катушек, изго­ товленных из фольгированного стеклотекстолита спо­ собом травления. Применение для печатных катушек фольгированного фторопласта позволяет отодвинуть частотный предел до 200—300 МГц.

Плоские проволочные катушки обладают удовлетвори­ тельной механической прочностью, относительно неболь­ шой собственной емкостью, простотой изготовления и могут применяться на частотах до 10 МГц. Существен­ ное увеличение индуктивности и добротности плоских печатных и проволочных катушек может быть получено, если с одной или обеих сторон на катушку наложить ферритовые пластины. Изменяя расстояние между ка­ тушкой и пластиной (набором немагнитных прокладок или иным путем), можно изменять индуктивность ка­ тушки. Можно регулировать индуктивность в некото­ рых пределах с помощью флажка из немагнитного ме­ талла (меди или алюминия), перемещающегося вблизи катушки параллельно ей.

Читайте также  Сигнализатор уровня сред (емкостное реле)

Проволочные катушки удобно наклеивать непосредст­венно на плату или на отдельную пластину, прикрепляе­ мую к плате. Печатные катушки могут быть произволь ной формы. «Заземлять» на плате следует вывод наруж­ ного витка — в этом случае он играет роль экрана. Можно дополнительно экранировать печатную катушку еще одним наружным незамкнутым витком, соединяе­ мым с общим проводом устройства. Примеры выполне­ ния катушек показаны на фото в заголовке статьи.

Рассчитать катушки с достаточной дли радиолюби­ теля точностью можно с помощью номограмм. Порядок расчета печатных и проволочных катушек аналогичен, разница состоит в том, что ширине печатной дорожки пе­ чатной катушки соответствует диаметр по меди провода проволочной катушки, а ширине зазора между дорож­ ками — двойная толщина изоляции провода.

Конструктивные размеры катушек показаны на рис. 1, a и б. Номограммы для расчета изображены на рис. 2 и 3. В качестве примера ниже рассмотрен расчет круг­ лой печатной контурной катушки (без сердечника) ин­ дуктивностью 0,64 мкГ. Наибольший наружный диа­ метр D катушки выбираем равным 20 мм, наименьший внутренний d = 8 мм. Необходимо найти число витков w , ширину печатной дорожки S и расстояние SR между центрами C 1 и С2 полуокружностей катушки.

Номограмма для расчета круглых катушек представ­ лена на рис. 2. Вычисляем: D + d = 20 + 8 = 28 мм = 2,8 см; D / d = 20/8 = 2,5. На шкалах « D + d » и « D / d » находим соответствующие точки и соединяем их прямой (на рис. 2 — штриховая линия). Через точку пересе­ чения этой прямой с неоцифрованной вспомогательной линией и точку на шкале « L », соответствующую задан­ ной индуктивности L = 0,64 мкГ, проводим прямую до пересечения со шкалой « w », по которой и отсчитываем искомое число витков — 6.5. Значения « D + d », « D / d » или L на шкалах номограммы можно увеличить (умень­ шить) в 10 или 100 раз, при атом значения « w » будут со­ ответственно изменяться в √ 10 и √ 100 раз.

Ширину S , мм, печатного проводника вычисляем по формуле: S ≥ Sp = ( Dd )/4 w , диаметр по изоляции провода проволочной катушки — d из = ( Dd )/2 w . Полученный результат округляем до ближайшего боль­ шего значения ряда 0,5; 0,75; 1,0; 1,25; 1,5 мм и т. д.

SR = (20 — 8)/4 X 6,5 = 0,46; S = 0.5 мм При малых значениях SR следует принимать SR = S . Для прово лочных катушек d из округляем до ближайшего стандарт ного диаметра провода по изоляции.

Рисунок катушки наносят на фольгированный стекло текстолит циркулем, в который установлен рейсфедер, наполненный химически стойкой краской. Верхние полу­ окружности (см рис. 1, а) проводят из центра С1, а нижние — из С2. Расстояние SR следует выдерживать с возможно большей точностью. После высыхания кра­ски катушку травят, как обычно, в растворе хлорного железа.

Печатные катушки квадратной формы рассчитывают но номограмме, показанной на рис 3. Более точные рез ультаты расчета плоских катушек можно получить ана­ литически, пользуясь формулами, по которым построе­ ны номограммы. Эти формулы приведены на рис. 2 и 3. Размерность величин в формулах соответствует ука­ занной на номограммах. Значения функций φ ( D / d ) и f (а/А) сведены в табл. 1 и 2.

Проволочные плоские катушки наматывают па раз­ борном каркасе между двумя щечками, укрепленными на стержне. Диаметр сердечника каркаса должен быть равен внутреннему диаметру катушки, а расстояние между щечками диаметру провода по изоляции. В процессе намотки провод смачивают клеем БФ 2. Щечки должны быть изготовлены из материала, имею­ щего плохую адгезию к клею (фторопласт, винифлекс). Каркас разбирают после окончания сушки клея. Изго товленные катушки клеят либо непосредственно к плате, либо к пластине из феррита, укрепленной на плате.

Катушки, изображенные в заголовке статьи, имеют следующие измеренные параметры: круглая печатная ( D = 40 мм) — индуктивность 1,4 мкГ, добротность 95; квадратная = 30 мм) — 0,9 мкГ и 180, прово­ лочные верхняя ( D =15 мм, провод ПЭВ-1 0,18) — 7,5 мкГ и 48; средняя ( D =11,9 мм, провод ПЭВ-2 0,1) — 9,5 мкГ и 48 и нижняя ( D = 9 мм, провод ПЭЛ 0,05) — 37 мкГ и 43.

Калькулятор расчета многослойной катушки индуктивности

На практике нередко случаются ситуации, когда при выходе со строя катушки индуктивности, ее необходимо восстановить – намотать новую проволоку взамен старой. При этом вам уже известны геометрические параметры катушки, но требуется узнать, сколько сделать витков, слоев, их толщину и длину необходимого для этого провода. Стоит отметить, что при намотке витки должны ложиться вплотную без зазора.

Для расчета индуктивности многослойной катушки используется такая формула:

  • d – сумма диаметра каркаса и толщины намотки только с одной стороны;
  • n – количество витков;
  • g – толщина намотанной проволоки;
  • h – высота намотанной проволоки;

Из этой формулы, зная величину индуктивности, можно вывести толщину намотки:

Для определения количества витков необходимо воспользоваться формулой:

  • пр – диаметр провода
  • h – высота катушки;
  • g – толщина намотки.

Расчет количества витков

Длину одного витка можно определить следующим образом:

Где π – это константа, а dвит_— это диаметр витка.

Тогда, зная общее число витков и принимая, что d – это усредненное значение диаметра для всех витков, длина всего провода будет определяться по формуле:

Через сопротивление провода можно определить его диаметр, для чего понадобится выразить сопротивление через геометрические параметры устройства.

где ρ – удельное сопротивление металла, из которого изготовлен проводник, а S – площадь проводника, которая определяется по формуле:

Подставив значение площади и длины провода, получим такое выражение для определения сопротивления:

Из значения сопротивления можно вывести формулу для определения диаметра провода, подставив предварительно формулу для вычисления количества витков:

После получения величины диаметра провода, можно определить количество витков, которое подставляется с остальными данными в первую формулу для расчета индуктивности.

Число слоев можно определить, разделив толщину намотки на диаметр провода:

Посредством вышеприведенных вычислений можно определить все параметры многослойной катушки индуктивности, которые помогут вам изготовить устройство с нужными параметрами. Также, чтобы облегчить вычисления вы можете воспользоваться нашим онлайн калькулятором ниже.

Поделиться в социальных сетях

Комментарии и отзывы (11)

Анатолий

Отличный калькулятор, удобный и точный. А все претензии — от начинающих любителей, ни разу не мотавших катушки индуктивности вручную. Иначе имели бы представление и о длине намотки, и о длине провода для намотки.

Вадим

Почему во всех каликуляторах расчёта индуктивности нет учитывания магнитной проницаемости разных видов сердечников и без него. Наматывается количество витков не понятно относительно чего, воздуха феррита или железа.

Анатолий

Витки наматываются на каркас. А сердечник можно устанавливать внутрь каркаса, и тогда индуктивность возрастет пропорциональной относительной магнитной проницаемости сердечника, которая много меньше проницаемости материала сердечника.

Роман

Длина намотки (имеется ввиду) — длина каркаса катушки

Читаю коментарии людей волосы дыбом встают. (Которых у меня нет).
Если человек не может понять, что такое «длина намотки», то ему лучше вообще не связываться с электроникой. Да и вообще с техникой.
Калькулятор отличный !
У меня всё нормально совпадает.

Валерий

использовал этот калькулятор для расчёта 0,5 мГн проводом 1 мм на каркасе диаметром 23 мм длиной 30 мм намотка внавал … калькулятор выдал 178 витков,намотал 180, реальная измеренная индуктивность 550 мкГн

Valentin

«длина намотки» — нужно воспринимать как «длина каркаса для намотки катушки», и все считают, что все это знают когда читают подобные статьи, отнюдь. Еще больше удивляет, что вводя параметры например провод 0,5, длина 10мм, индуктивность 150 мгц мы получаем ну просто не реальные расчеты. Попробуйте расчитать и намотать, потом измерить- вы удивитесь.

У меня всё получилось отлично!
Нужна была катушка 0.1 мГн. Для среза от 5000 Герц.
Нашёл старый сигнал от Волги. Там есть катушка. Измерил параметры, снял два слоя и получилось:
Диаметр каркаса 15мм
Длина намотки 13мм
Провод 0.6 мм
Длина 4.90 метров
Сопротивление 0.3 Ома
Как раз 0.1 мГн.
Подключил динамик, проверил, так и есть — срез примерно с 5000 Герц.

Valentin

Андрею от читателя! — да, правильно считаешь))) статья какпец какая длинная «формула за формулой и не понятен конец расчетов) потом бац и калькулятор — думаешь «ага. щаззз…раз статья такая то и калькулятор с подвохом» — верно. Попробуй указать длину намотки учитывая, что ты ее еще не знаешь, так как не понятно какую катушку. Но этого мало….указал длину? думаешь всёёёё? ))) хи……смотри расчет который получился….сколько там была ваша длина намотки? а расчет показывает не только длину но и другие параметры которые вам типо надо подправить)))) я валяюсь……
Нашелся бы умный человек который бы создал калькулятор (а ведь это не сложно переложить в электронную версию), который бы выдавал информацию ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО при вводе требуемой величины «индуктивности» и сам бы выдавал Три варианта получения подобной индуктивности исходя из материала каркаса и диаметра проводов чаще всего имеющихся в продаже. Вот это было бы реально и полезно и удобно, а так по формулам и более простым (и точным) можно и самому посчитать, что все и делают.

Андрей

В онлайн калькуляторе требуется указать «длинну намотки» но нигде не говориться с чего снимать этот размер. Это «молодость» разработчиков сайта?

Роман

Длина каркаса катушки! Прежде чем намотать катушку вам надо определиться на какой каркас вы будете ее мотать. У каркаса вашей будущей катушки индуктивности есть диаметр внутренний а также длина этого внутреннего каркаса на который вы и будете наматывать свои витки. Все здесь понятно, а если не понятно даже не беритесь за это неблагодарное дело!