19359

Катушки индуктивности

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лекция № 12 Катушки индуктивности Классификация и основные технические параметры катушек индуктивности Как магнитное так и электрическое поля создаются тем или иным элементом цепи. В случае статических полей магнитное и электрическое поля могут суще...

Русский

2013-07-12

124 KB

73 чел.

Лекция № 12

Катушки индуктивности

  1.  Классификация и основные технические параметры катушек индуктивности 

Как магнитное, так и электрическое поля создаются тем или иным элементом цепи. В случае статических полей, магнитное и электрическое поля могут существовать независимо друг от друга. Переменное же электрическое поле всегда неразрывно связано с беременным магнитным полем. Однако, несмотря на эту связь, можно выделить детали, назначение которых состоит в создании или в преимущественном использовании одного из этих полей. Применительно к электрическому полю такими деталями являются конденсаторы, а применительно к магнитному - детали, называемые катушками индуктивности.   

Любой проводник с током создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Для концентрации поля в заданном локальном объеме проводник с током свертывается в цилиндрическую спираль, называемую в электротехнике  соленоидом.

В радиоэлектронике вместо термина "соленоид" используется наименование «катушка индуктивности» (лат. inductio - наведение). Используя различное число витков, изменяя их форму или помещая внутрь катушки сердечник с повышенным значением , можно при одной и той же величине тока, протекающего через катушку, создавать магнитное поле различной интенсивности.

Классификация катушек индуктивности

Катушки индуктивности можно классифицировать по ряду признаков.

По конструкции они подразделяются на:

однослойные и многослойные,

на каркасах и бескаркасные,

с сердечниками и без сердечников,

на экранированные и неэкранированные,

высокочастотные (обладающие индуктивным характером полного сопротивления в диапазоне частот от 100 кГц до 400 МГц) и низкочастотные и т.д.

По назначению катушки индуктивности подразделяются на:

 контурные,

 катушки связи,

 дроссели высокой и низкой частоты и т.п.

Основные характеристики и параметры катушек индуктивности

Основными характеристиками катушек являются индуктивность, собственная емкость, активное сопротивление и добротность,  температурная стабильность индуктивности. Рассмотрим эти параметры.

Индуктивность катушки L - основной параметр, определяющий реактивное сопротивление, которым обладает катушка в электрической цепи. При расчете индуктивности катушек различной конструкции пользуются полуэмпирическими формулами и вспомогательными графиками, приводимыми в справочной литературе. В отличие от конденсаторов и резисторов, номинальные значения индуктивности катушек (исключение составляют унифицированные ВЧ и НЧ дроссели) ГОСТами не нормируются, а определяются исходя из стандартов предприятий или технических условий на конкретную аппаратуру. В РЭА применяются катушки с индуктивностью от долей микрогенри (контурные высокочастотные) до десятков генри (дроссели фильтров выпрямителей). Контурные катушки по величине индуктивности изготовляются с точностью 0,2...0,5%, а для других катушек индуктивности допустима точность 10...15%.

Собственная емкость катушки CL обусловлена существованием электрического поля между ее отдельными витками, а также между отдельными витками и корпусом (и экраном, если он имеется) прибора. Обычно считают (кадр 1), что собственная емкость катушки состоит из внутренней межвитковой емкости ВН =  C ВН I и монтажной емкости CМ =  C М i, т. е. CL ВН CМ.

С увеличением диаметра намотки и уменьшением ее шага емкость ВН возрастает. Существенное увеличение емкости ВН происходит при использовании каркасов катушек из материалов с повышенным значением . 

Монтажная емкость CМ зависит от расположения катушки по отношению к шасси устройства, другим деталям, от размеров и формы экрана, если катушка экранирована. Из-за сложной конфигурации электрических полей точный расчет емкости CL практически невозможен и ее величину обычно определяют экспериментально. У применяемых в РЭА катушек индуктивности величина CL обычно составляет от единиц до десятков и (при многослойной намотке) пикофарад.

Сопротивление потерь. Добротность катушки индуктивности. На низких частотах активное сопротивление катушки индуктивности можно считать равным сопротивлению провода ее обмотки на постоянном токе. С переходом на более высокие частоты начинает проявляться поверхностный эффект и активное сопротивление катушки возрастает. Кроме того, при сворачивании провода в спираль, т.е. при его намотке на катушку, магнитное поле проводника искажается вследствие появления магнитной связи между отдельными витками, и оно оказывается несимметричным относительно сечения провода. Это, в свою очередь, приводит к неравномерному распределению тока по периметру сечения проводника: внутри витка плотность тока будет выше. Смещение тока высокой частоты к оси обмотки катушки носит название эффекта близости. Его влияние также увеличивает активное сопротивление катушки.

Таким образом, можно считать, что активное сопротивление провода обмотки на переменном токе R~RПЭ +RБ, где RПЭ - составляющая сопротивления, зависящая от поверхностного эффекта, RБ.- составляющая, показывающая дополнительное возрастание сопротивления провода обмотки вследствие эффекта близости.

При фиксированном значении частоты переменного тока величина ПЭ будет тем меньше, чем больше диаметр провода d.

Эффект близости, наоборот, проявляется более заметно с возрастанием диаметра провода d, т.е. с увеличением диаметра величина Б возрастает. На рис.2.3.2 показаны кривые этих зависимостей и зависимость полного сопротивления провода обмотки R~ ПЭ +Б = f(d) от его диаметра. Для каждого значения частоты переменного тока существует оптимальный диаметр провода dОПТ, при котором активное сопротивление катушки R~ MIN, т.е. оно минимально.

Сопротивление провода R~ на частотах до 1 МГц можно уменьшить на 30...40%, если вместо провода круглого сечения для намотки катушки применить литцендрат - многожильный провод, состоящий из отдельных перевитых друг с другом проводников малого сечения, изолированных друг от друга. Это объясняется тем, что поверхность литцендрата оказывается намного больше поверхности монолитного провода, имеющего ту же площадь поперечного сечения.

Величину R~ как параметр катушки для сравнения между собой различных катушек обычно не используют. Ею пользуются лишь для теплового расчета катушек индуктивности в выходных каскадах мощных радиопередатчиков.

Для сравнения между собой отдельных катушек удобнее использовать параметр, определяющий активные потери как относительную величину, определяемую сравнением энергии W R , которая затрачивается в сопротивлении R~ за период гармонического колебания, с максимальной энергией W L, запасаемой в магнитном поле катушки. Отношение

W L, / W R =  L / 2R~ 

и характеризует качество катушки. Однако для упрощения расчетов параметром катушки принято считать величину в 2 раз большую W L, / W R:

 =  L / R~     (2.3.1)

Эта величина называется добротностью катушки индуктивности.

Чем выше добротность, тем меньше величина потерь в катушке и выше ее качество. Значение Q определяется выбором типа обмотки, материала каркаса, конструкцией катушки и влиянием окружающих катушку других деталей при ее монтаже в аппаратуре.

В зависимости от влияния перечисленных факторов добротность применяемых в РЭА катушек обычно лежит в пределах 50...600, а при наличии сердечников может быть и выше.

Температурный коэффициент индуктивности. Изменение температуры окружающей среды приводит к тому, что меняются длина и диаметр провода обмотки, размеры каркаса катушки, диэлектрическая проницаемость материала каркаса и изоляции и т.д. Это приводит к изменению индуктивности катушки и ее добротности. Мерой зависимости индуктивности катушки от температуры является  температурный коэффициент  индуктивности (ТКИ), определяемый аналогично другим температурным коэффициентам. Для катушек с многослойной обмоткой ТКИ = (50...500)10 - 6 К, для катушек с однослойной обмоткой ТКИ существенно ниже.

Для повышения температурной стабильности катушек применяют пропитку их каркасов и изоляции, используют керамические каркасы с обмоткой, выполненной методом вжигания серебра, и герметизацию катушек. можно считать, что добротность катушек снижается в среднем на 1 % на каждые 3°с приращения температуры по отношению к их добротности при 20°с. воздействие влаги может привести к существенному изменению (до 30 %) собственной емкости и добротности катушек. Обычно это изменение носит обратимый характер, и после сушки величины q  и cl принимают практически прежние значения.

2. Основные элементы катушек индуктивности

Каркасы и обмотки. Каркас служит для размещения на нем обмотки и соединения всех деталей катушки в единое целое. Каркасы катушек отличаются большим разнообразием. Наибольшее распространение получили трубчатые, стержневые (кадр 2), ребристые и торроидальные каркасы, изготовленные из керамики или других изоляционных материалов.

Применение ребристых каркасов (кадр 8) позволяет снизить диэлектрические потери в катушке, уменьшить ее собственную емкость в связи с уменьшением площади соприкосновения между каркасом и обмоткой, улучшить условия охлаждения катушки и благодаря насечкам на ребрах каркаса повысить жесткость обмотки.

Нередко обмотка катушки наматывается на основание из магнитодиэлектриков или ферритов, которое одновременно выполняет функции каркаса и сердечника.

В контурах ультракоротковолновых радиопередатчиков средней и большой мощности используются катушки с толстым проводом (кадр 7). В этом случае необходимость в каркасе отпадает. Такая катушка имеет высокую добротность Q, малую емкость CL и ее закрепление к изоляционным деталям конструкции передатчика осуществляется лишь в нескольких точках.

Обмотки катушек могут быть однослойными и многослойными (кадр 2, 3).

Однослойные обмотки применяются в катушках коротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов (частоты 3...300 МГц). Такие катушки имеют повышенное значение добротности и небольшую собственную емкость.

На более низких частотах применяются многослойные обмотки. Катушки с простыми многослойными обмотками (рядовой и «в навал») из-за большой емкости и низкой добротности могут использоваться лишь в корректирующих цепях, где эти недостатки не играют существенной роли. Простые обмотки могут быть использованы при изготовлении дросселей. В этом случае часто прибегают

Для уменьшения величины CL применяют специальные типы обмоток: секционированную и «универсаль» (кадр 3). При секционировании катушки, ее емкость CL уменьшается, за счет последовательного соединения емкостей отдельных секций, число которых обычно составляет 2...6. Катушки обмоткой «универсаль» имеют малую CL из-за малой площади «контакта» между соседними витками. Основное применение такие катушки находят в качестве дросселей высокой частоты, а также в качестве контурных катушек средневолнового и длинноволнового диапазонов.

Обмоточный провод. Благодаря своим высоким электрическим свойствам наибольшее применение в качестве провода обмотки катушек получил изолированный медный провод круглого сечения.

На частотах до 1 МГц для наилучшего использования сечения провода обмотки, как говорилось выше, может применяться «литцендрат» Но в любом сечении литцендрата всегда имеется некоторое напряжение между отдельными проводами вследствие их различного положения в сечении и различного сопротивления. При возрастании частоты эти различия будут еще более заметными и приведут к дальнейшему увеличению напряжения между проводниками и росту потерь в их изоляции. Поэтому преимущества литцендрата по сравнению со сплошным проводом на частотах выше 1 МГц практически теряются.

На частотах выше 1 МГц при небольшой плотности тока выгодно применять обмотку из плоского (ленточного) проводника, что повышает ее жесткость. Глубина проникновения тока в проводник на этих частотах незначительна, поэтому толщина проводника может быть небольшой. В качестве проводников используются также металлические слои (серебряные, медные), полученные методом химического осаждения металла или методом его вжигания в керамический каркас с последующим усилением слоя путем гальванизации.

При повышении плотности тока в обмотках высокодобротных катушек, особенно на частотах 50...500 МГц, применяется посеребренный круглый медный провод без изоляции. В обмотках катушек выходных контуров мощных радиопередатчиков плотность тока достигает значительных величин, а поэтому возникает необходимость в отводе тепла от катушек. Проводники обмотки в этом случае выполняются трубчатыми, и через них пропускается охлаждающая жидкость (например, вода).

Сердечники. Сердечники, применяемые в катушках индуктивности, могут быть магнитными и немагнитными.

Применение сердечника из магнитодиэлектриков или ферритов позволяет уменьшить геометрические размеры катушек при реализации заданной величины индуктивности, так как такой сердечник концентрирует магнитное поле, и в некотором диапазоне частот повышает добротность катушек. Используя сердечник, который перемещается внутри каркаса, можно изменять индуктивность катушки.

На частотах до 30 МГц применяются катушки с цилиндрическими, броневыми и кольцевыми (тороидальными) магнитными сердечниками Конфигурация сердечника выбирается в зависимости от конкретных требований, предъявляемых к катушке (габариты, добротность, температурная стабильность и т.д.).

Индуктивность катушки с сердечником СЕРД  СЕРД L, где L. - индуктивность катушки без сердечника,  СЕРД  - действующая магнитная проницаемость сердечника. Величина  СЕРД - зависит от магнитной проницаемости материала сердечника , размеров катушки и сердечника, их конструкции и частоты тока в обмотке катушки. Чем больше , чем ближе к виткам катушки расположен сердечник, и чем ниже частота тока в обмотке, тем выше значение  СЕРД, которое для каждой конкретной конструкции катушки определяется экспериментально.

 Цилиндрические сердечники применяются на частотах до 100 МГц. Катушки с такими сердечниками могут иметь добротность до 500. Цилиндрические резьбовые сердечники могут использоваться как подстроечники для изменения индуктивности катушек на 10...15 %. Их введение практически не влияет на величину собственной емкости катушки. При использовании цилиндрических сердечников магнитопровод не замкнут, что не позволяет в полной мере использовать свойства магнитные материалов, т.е. для них величина  СЕРД  сравнительно невелика.

Броневые сердечники позволяют более полно использовать магнитные свойства материалов. Катушки с такими сердечниками имеют слабое внешнее поле, что позволяет при необходимости экранирования катушки приблизить экран вплотную к сердечнику. Величина  СЕРД в броневых сердечниках с замкнутым магнитопроводом выше, чем в сердечниках с разомкнутым магнитопроводом. При разомкнутом магнитопроводе удается получить большее значение добротности катушки и меньшую зависимость ее параметров от частоты и напряженности поля, чем при замкнутом.

Индуктивность катушек с броневыми сердечниками с помощью цилиндрического подстроечника может изменяться до 20 %, однако такие катушки имеют повышенное значение собственной емкости (до десятков пикофарад при многослойной обмотке).

Катушки с кольцевыми (тороидальными) сердечниками могут работать на частоте до 10 МГц (и выше). В них наиболее полно используются магнитные свойства материала сердечника, т.е. для них  СЕРД .  Кольцевые сердечники применяются в тех случаях, когда необходимо получить максимальную индуктивность и высокую добротность катушки при минимальных ее габаритах и когда необходимо обеспечить почти полное отсутствие внешнего магнитного поля вокруг катушки. К недостаткам катушек с кольцевыми сердечниками относятся сложность намотки, относительно большой ТКИ, невозможность плавного изменения индуктивности, т.е. невозможность подстройки.

Введение в катушку магнитного сердечника, казалось бы, должно увеличить ее добротность QC в  СЕРД раз  по сравнению с добротностью той же катушки Q без сердечника. Однако из-за наличия потерь в сердечнике, изменение добротности катушки с сердечником при увеличении частоты тока в ее обмотке получается более значительным, чем катушки без сердечника. С ростом частоты добротности QC и Q вначале возрастают, так как индуктивное сопротивление катушки растет быстрее, чем увеличиваются в ней потери. При дальнейшем увеличении частоты потери, особенно вносимые сердечником, резко возрастают, проницаемость  СЕРД падает (при весьма высоких частотах  СЕРД  1) и добротности QC и Q (особенно QC) после перехода через максимум начинают уменьшаться.

Частота ГР Q , при которой QC = Q, называется граничной частотой катушки по  добротности. На частотах f > ГР Q сердечники становятся неэффективными.

Для изменения индуктивности однослойных катушек в диапазоне метровых волн применяют сердечник в виде диска, цилиндра или кольца из немагнитного проводящего материала (обычно из алюминия). Такой сердечник можно рассматривать как короткозамкнутый виток, обладающий магнитной связью с катушкой. Он "отбирает" энергию из катушки, т.е. вносит в нее дополнительное активное и реактивное сопротивление. Введение немагнитного сердечника уменьшает индуктивность и добротность катушки тем в большей степени, чем больше объем сердечника.

На (кадре 8) показана одна из возможных конструкций однослойной катушки для метрового диапазона волн   с алюминиевым дисковым сердечником. Введение в катушку такого сердечника уменьшает ее индуктивность на 5...7 %,   а добротность - в 2...5 раза. Потери, вносимые сердечником из немагнитного  металла, будут тем выше, чем больше удельное электрическое сопротивление материала сердечника. Такие катушки, в частности, применяются в широкополосных усилителях метрового диапазона, где требуются катушки с невысокой добротностью, так как полоса пропускания колебательного контура 2  f связана с его добротностью Q известной зависимостью Q = f0 /2  f, где f0 - резонансная частота контура.

Катушки с переменной индуктивностью. Вариометры. В выходных и антенных контурах радиопередатчиков, в измерительной аппаратуре применяются катушки, индуктивность которых в процессе эксплуатации может изменяться в широких пределах. Такие катушки называются вариометрами. Их применение для перестройки колебательных контуров вместо конденсаторов переменной емкости часто является более предпочтительным, так как индуктивность вариометра меньше изменяется при воздействии влажности и вибраций, чем емкость переменного конденсатора с воздушным диэлектриком.

Схематическое изображение некоторых вариометров показано на рис.2.3.7. Индуктивность шарового вариометра зависит от взаимного положения двух его катушек - неподвижной (статорной) и подвижной (роторной), которая располагается внутри неподвижной и может поворачиваться оператором вокруг своей оси. Катушки между собой соединены последовательно.

Если направления магнитных полей двух катушек (статорной и роторной) совпадают, то их общая индуктивность будет максимальной:

LMAX = LР LС + ,             (2.3.2)

где LР  и LС - индуктивности ротора и статора; М - взаимная индуктивность ротора и статора.  

При повороте ротора на 180° поля катушек будут направлены встречно и индуктивность вариометра станет минимальной:

LMIN = LР LС - .        (2.3.3)           

Использовав формулы (2.3.2) и (2.3.3), введем понятие коэффициента перекрытия вариометра по индуктивности

KL= LMAX / LMIN = (LР LС + 2М) / ( LР LС - 2М )     (2 .3.4)

Учтя, что М= К (LР LС) 1/2 , где К - коэффициент связи между ротором и статором, и положив LР LС перепишем формулу (2.3.4) в виде

 KL= (1+ К) / ( 1- К ).

Теоретически коэффициент KL, может быть сколь угодно большим, однако на практике KL 10. Для его повышения, ротор шарового вариометра часто выполняют на ферритовом сердечнике или производят коммутацию обмоток ротора и статора с последовательного соединения на параллельное. При этом максимальное значение индуктивности вариометра достигается при последовательном и согласном, а минимальное - при параллельном и встречном соединении обмоток ротора и статора. Шаровая конструкция вариометра обеспечивает почти линейный закон изменения частоты контура, в который он включен, от угла поворота ротора.

Один из выводов изображенного на рис.2.3.7б цилиндрического вариометра выполнен в виде подвижного роликового контакта, который может перемещаться вдоль обмотки. Наличие подвижного контакта - недостаток данного вариометра. Неработающая часть обмотки может оставаться разомкнутой или замыкаться накоротко. В последнем случае возрастают потери в вариометре, однако увеличивается его коэффициент перекрытия.

2.3.5. Экранирование катушек индуктивности

Для того чтобы уменьшить нежелательное влияние электромагнитного поля катушки на другие элементы РЭА, а также влияние внешних полей на катушку, ее помещают внутри металлического экрана. Экран (фр. ecran - заслон, щит) является существенной частью конструкции практически любого радиотехнического устройства. Он выполняет функции защиты не только катушек, но и отдельных каскадов и цепей, а также устройства в целом от нежелательных взаимных связей через электромагнитное поле. Эти нежелательные связи в радиоэлектронике называют паразитными.

Между двумя или несколькими деталями или электрическими цепями, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, могут возникнуть не предусмотренные принципом работы следующие паразитные виды связи: через электрическое, магнитное, электромагнитное поле, а также через общие цепи питания.

Качество экранирования может быть различным. Некоторые сложные экраны могут обеспечить полное экранирование источника излучения в том смысле, что за пределами экрана его излучение не будет обнаруживаться известными способами, так как интенсивность этого излучения будет ниже уровня собственных шумов обнаруживающих приборов. Однако такое полное экранирование, которое может быть обеспечено двойными и тройными экранами сложной конструкции, применяется довольно редко и лишь в особо ответственной аппаратуре. Очевидно, что полное экранирование может быть обеспечено лишь при подавлении всех четырех видов перечисленных выше паразитных связей. В большинстве же практических случаев такие жесткие требования не выдвигаются и задачей экрана является частичное ослабление этих связей.

Напряженность ближнего электрического (магнитного) поля убывает в свободном пространстве обратно пропорционально квадрату расстояния от источника поля. Напряженность электромагнитного поля убывает обратно пропорционально первой степени этого расстояния. При малых расстояниях между деталями или электрическими цепями действуют все четыре вида паразитной связи. По мере увеличения расстояния между ними в первую очередь практически исчезают связи через ближние поля, затем перестает существенно влиять электромагнитное поле и на больших расстояниях, если не приняты специальные меры (например, постановка развязывающих фильтров в цепях питания), остается только паразитная связь через общие цепи питания.

Экранирование электрического поля. Пусть в точке А (рис.2.3.8) расположен источник электрического поля (какая-либо деталь иди схема), который оказывает нежелательное воздействие на элементы устройства, находящиеся в точке В. Предположим, что источник А развивает ЭДС EH , наводящую в точке В напряжение UH, Нежелательная связь между точками А и В возникает из-за наличия между ними паразитной емкости CПАР. Точка В имеет собственную емкость по отношению к корпусу устройства, равную CB. В этом случае напряжение, наводимое в точке В,

 UH = EH CПАР / (CПАР + CB).       (2.3.5)

Полученное выражение описывает работу емкостного делителя, состоящего из емкостей CПАР и CB . Напряжение UH  можно уменьшить удалением точки В от источника А (однако на практике это удаление ограничивается габаритами устройства) или приближением точки В к корпусу. Последнее означает, что монтаж схемы, расположенной в точке В, должен производиться как можно ближе к корпусу (шасси) устройства с учетом необходимой электрической прочности монтажа. Однако только уменьшением емкости CПАР и увеличением емкости CB существенно ослабить нежелательное влияние точки А на точку В не удается.

Поместим между точками А и В (рис.2.3.86) в качестве экрана металлический лист Э, соединив его в точке К с корпусом устройства. В этом случае емкость CПАР разделится на две последовательно соединенные емкости C1 и C2 . Если экран не подсоединен в точке К к корпусу, то он по отношению к нему имеет определенное конечное значение емкости CЭ. Тогда аналогично формуле (2.3.5) напряжение на экране UЭ окажется равным

 UЭ = EH C1 / (C1 + CЭ).

и уже это напряжение вместо напряжения EH в точке А будет играть роль источника наводок в точке В. Тогда напряжение UHЭ, наведенное в точке В от незаземленного экрана, станет как результат выходного эффекта двух последовательно соединенных емкостных делителей)

UHЭ = EH CC2 / (C1 + CЭ) (C2 + CB).           (2.3.6)

Из этого выражения следует, что для обеспечения UHЭ = 0 необходимо беспредельно увеличивать емкость экрана CЭ. Если понимать емкость как способность проводника вместить в себя определенное количество зарядов, то можно предположить, что при подсоединении экрана в точке К к корпусу емкость CЭ , ибо экран будет способен принять относительно небольшое количество зарядов источника EH..

Для реальных случаев рассмотренная нами модель является приближенной. Всегда будет иметь место, даже при помещении листового экрана между точками А и В или при защите точки В металлическим кожухом, остаточная паразитная связь через емкость CПАР << CПАР. В реальной конструкции устройства эта связь будет иметь место между проводами, подводящими сигнал и питающее напряжение к точкам А и В. Учитывая сказанное и имея в виду, что при наличии экрана емкости C2 и CB соединены параллельно, получаем

UHЭ = EH CПАР / (CПАР + C+ C2),

а так как емкость CПАР мала, то ею в знаменателе можно пренебречь и тогда

UHЭ = EH CПАР / (C+ C2).       (2.3.7)

Ввиду того, что CПАР « CПАР,  из формул (2.3.6) и (2.3.7) следует, что UHЭ « UH , т.е. экран существенно уменьшает нежелательное влияние точки А на точку В. Однако в действительности величина UHЭ  будет больше ее значения, определяемого формулой (2.3.7). Выше предполагалось, что сопротивление экрана чисто емкостное, и не учитывалось активное сопротивление его материала и переходное сопротивление контакта в точке К. Поэтому источником наводимого на экране напряжения UЭ будет напряжение на последовательном соединении указанных сопротивлений и емкостного сопротивления XC = 1 /  CЭ.

Следовательно, для уменьшения напряжения UЭ необходимо выбирать материал экрана с малым значением и обеспечивать хороший электрический контакт экрана с корпусом путем пайки или сварки. Наилучшим экраном будет серебряный или медный, однако на практике применяются более дешевые алюминиевые экраны. Эффективность экранирования электрического поля практически не зависит от толщины экрана, которая из соображений механической прочности выбирается равной 0,5...1,5 мм. Эта независимость обусловлена, с одной стороны, весьма малыми значениями токов, протекающих по экрану, а с другой - не большой глубиной проникновения токов высокой частоты в алюминий, которая на частоте 0,1 МГц составляет 1,5 мм, на частоте 1 МГц - 0,4 мм, а на частоте 100 МГц - 0,04 мм. Узкие щели и отверстия в экране не ухудшают экранирование электрического поля, если их размеры малы по сравнению с длиной волны колебаний источника поля А. Это объясняется тем, что щели и отверстия лишь незначительно изменяют емкости CПАР, C2 и CB, определяющие значение наведенного напряжения в точке В.

 Экранирование магнитного поля. Задачей экранирования магнитного поля является устранение или уменьшение паразитной магнитной (индуктивной) связи между источником магнитного поля и защищаемой деталью или электрической цепью.

С помощью ферромагнитных экранов (из стали, пермаллоя) осуществляется защита деталей от постоянных и медленно изменяющихся магнитных полей. При наличии такого экрана (рис. 2.3.9) магнитные силовые линии в основном проходят по его стенкам, которые имеют значительно меньшее магнитное сопротивление (так как значение велико) по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного пространства внутри экрана. Качество экранирования будет тем выше, чем толще экран и чем меньше в нем стыков и швов, идущих поперек магнитных силовых линий. Этот вид экранирования называют  шунтированием магнитного поля экраном.                  

Экранирование магнитной составляющей высокочастотного поля осуществляется с помощью немагнитных экранов (обычно из алюминия), так как ферромагнетики на высоких частотах вносят  большие потери в экранируемую цепь и, кроме того, их магнитная проницаемость с повышением частоты поля существенно уменьшается. Принцип  такого экранирования основан на явлении магнитной индукции и иллюстрируется рис.2.3.10 для фиксированного момента времени в процессе изменения магнитной составляющей высокочастотного поля.

Пусть немагнитный цилиндр помещен в равномерном переменном поле. Под действием  поля в цилиндре возбуждается переменная ЭДС, которая вызывает появление индукционных вихревых токов. Магнитное поле этих токов будет замкнутым. В рассматриваемый фиксированный момент времени внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за пределами цилиндра - в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле оказывается ослабленным внутри цилиндра и усиленным вне его. Таким образом, происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующее действие. Этот вид экранирования называют вытеснением магнитного поля экраном. Эффективность такого экранирования будет тем выше, чем меньше  материала, т.е. чем выше интенсивность вихревых токов. Однако эффективность такого экранирования на низких частотах невелика, ибо интенсивность вихревых токов пропорциональна квадрату частоты поля. Толщину экрана из алюминия выбирают также из соображений механической прочности. Если возникает необходимость экранирования магнитного поля начиная с низких частот (десятки  сотни герц) до частот в несколько мегагерц, то применяют двухслойные экраны, один из которых ферромагнитный, а другой - неферромагнитный.

Конструкция высокочастотных экранов для катушек индуктивности. При экранировании высокочастотных катушек приходится учитывать не только полезный эффект экрана, но и его вредное действие, заключающееся в увеличении потерь в катушке и уменьшении ее индуктивности. Вносимые экраном потери возрастают с увеличением его материала и уменьшением расстояния между экраном и катушкой, а это приводит к снижению ее добротности. В результате влияния экрана на катушку увеличивается ее собственная емкость, так как появляются дополнительные емкости между витками катушки и экраном. Это увеличение собственной емкости не компенсирует уменьшение индуктивности катушки. Поэтому экранированная катушка, входящая в колебательный контур, всегда имеет подстроечных сердечник. Индуктивность экранированной катушки можно вычислить по формуле

       LЭК = L (1 -  (D /DЭК) 3)

где L - индуктивность катушки без экрана; D - диаметр катушки; DЭК - диаметр экрана; конструктивный коэффициент, зависящий от формы каркаса и типа обмотки.

На рис. 2.3.11 показаны некоторые конструкции высокочастотных экранов. Наибольшее распространение получили цилиндрические экраны и экраны квадратного сечения. Если длина экранов bЭК  превышает длину намотки катушек l КАТ, то оба эти экрана будут эквивалентны при соблюдении соотношения DЭК =1,2 а, где а - сторона квадрата.

Размеры цилиндрического экрана целесообразно выбирать так, чтобы зазор между экраном и катушкой со всех сторон был не менее половины диаметра катушки, т.е. чтобы минимальные размеры экрана удовлетворяли условиям DЭК MIN = 2D, l ЭК MIN = l КАТ +D. Если длина катушки лежит в пределах 3 D >> D , то ее помещение в экран с минимальными размерами уменьшает индуктивность на 15...18 %. Влияние экрана на катушку с броневым сердечником невелико и поэтому размеры экрана для нее выбирают близкими к размерам сердечника.

Катушки индуктивности создают магнитный поток, направленный определенным образом, что следует учитывать при установке экранов и проектировании в них щелей, если они необходимы. Все щели должны быть расположены так, чтобы они в высокочастотных экранах не препятствовали прохождению вихревых токов, определяющих экранирующий эффект. Экранирование электрического поля в высокочастотных экранах осуществляется попутно. При этом необходимо обеспечить надежный электрический контакт экрана с корпусом устройства.

Помимо традиционных ферромагнитных и алюминиевых экранов в современной РЭА находят применение экраны из фольговых материалов (алюминия, латуни, цинка), токопроводящих красок (на основе графита или ацетиленовой сажи), электропроводных клеев (эпоксидной смолы с тонкодисперсными порошками железа, никеля или кобальта), специальных тканей (например, из капроновых и медных посеребренных нитей), стекол с токопроводящим покрытием и т.д. Для высокостабильных катушек применяют экраны с малым значением ТКЛР (инвар, омедненная, посеребренная или оцинкованная керамика и др.). Находят применение и металлические экраны в виде сетки.

Иногда возникает необходимость осуществить экранирование только электрической составляющей. Такая необходимость возникает, например, при конструировании некоторых специальных высокочастотных трансформаторов, в которых должна отсутствовать емкостная связь между обмотками. Решение этой задачи состоит в принятии мер для существенного уменьшения в экране вихревых токов. Существует много вариантов такого экранирования. Так, например, даже в некоторых низкочастотных силовых трансформаторах выпрямителей переменного тока в постоянный между отдельными рабочими обмотками размещают дополнительную одно-рядовую обмотку», один конец которой присоединяют к корпусу устройства. К числу наиболее удачных относится конструкция экрана, показанная на рис. 2.3.11е. Экран состоит из параллельно уложенных на ткань или пленку тонких изолированных проводников, соединенных друг с другом и с корпусом устройства только в одной точке.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44833. UN fordert besseren Schutz vor Gefahren aus dem All 25.5 KB
  Аuch die Bevölkerung müss besser informiert werden. Dies ist die grobe Grenze b der mn im Flle eines Einschlgs mit weltweiten Konsequenzen rechnen muss. Die Wissenschftler wollen nun ein llgemeines Netzwerk und verschiedene interntionle Expertengruppen etblieren die im Flle verschiedener Szenrios ktiv werden können. Wenn es dnn eine Bedrohung gibt muss mn nur die Schublde öffnen und ht die richtige Mission prt sgte der Vorsitzende des UNktionstems für kosmische Objekte Sergio Cmcho.
44834. Виды строительной продукции и их характеристики 25.13 KB
  Строительная продукция – вводимые в действие и принятые в установленном порядке новые реконструированные или капитальноотремонтированные здания и сооружения с завершенными в них работами по монтажу и испытанию оборудованию.Предупредительный текущий ремонт – систематически проводимые работы по предупреждению износа и устранение мелких неисправностей. В их состав включаются затраты на строительномонтажные работы приобретение оборудования инвентаря прочие капитальные работы и затраты. Капитальные вложения состоят из следующих основных...
44835. Растворы 25.67 KB
  Определение концентрации кислоты методом титрования Перед началом титрования бюретку сполосните раствором щелочи выданным для работы. Для этого в пипетку с помощью груши наберите 10мл приготовленного раствора кислоты. Каждый раз перед титрованием новой пробы кислоты подливайте щелочь в бюретку до нулевой отметки или до того уровня с которого начали титровать в первом опыте. Результаты опыта занесите в таблицу 1 Рассчитайте нормальную концентрацию раствора кислоты используя закон эквивалентов: вещества взаимодействуют друг с другом в...
44836. История культурного развития средневековой Западной Европы 16.91 KB
  После сдачи экзамена ученик становился подмастерьем после того как находились деньги на открытие своей школы он получал статус мастера. Лишь к концу XV века церковь осознала это принялась открывать духовные семинарии и школыи т. Монастырские школы были начальными средними и высшими осуществляли воспитание феодалов....
44837. Основные принципы государственной политики в области обращения с отходами 26 KB
  Отходы производства и потребления далее отходы остатки сырья материалов полуфабрикатов иных изделий или продуктов которые образовались в процессе производства или потребления а также товары продукция утратившие свои потребительские свойства. Отходы в зависимости от степени негативного воздействия на окружающую среду подразделяются в соответствии с критериями установленными федеральным органом исполнительной власти осуществляющим государственное регулирование в области охраны окружающей среды на пять классов...
44838. Государственный экологический надзор. Производственный и общественный экологический контроль 36.5 KB
  Объекты хозяйственной и иной деятельности независимо от формы собственности находящиеся в ведении Российской Федерации: а объекты относящиеся к федеральным энергетическим системам ядерной энергетике федеральным транспорту путям сообщения информации и связи; б объекты связанные с обеспечением обороны и безопасности относящиеся к оборонному производству производству ядовитых веществ и наркотических средств; в объекты расположенные на землях находящихся в федеральной собственности в том числе землях лесного фонда Российской...
44839. Требования в области охраны окружающей среды при осуществлении хозяйственной и иной деятельности 28.5 KB
  Общие требования в области охраны окружающей среды при размещении проектировании строительстве реконструкции вводе в эксплуатацию эксплуатации консервации и ликвидации зданий строений сооружений и иных объектов содержатся в ст. 34 Федерального закона Об охране окружающей среды . Размещение проектирование строительство реконструкция ввод в эксплуатацию эксплуатация консервация и ликвидация зданий строений сооружений и иных объектов оказывающих прямое или косвенное негативное воздействие на окружающую среду осуществляются в...
44840. Техногенные аварии и катастрофы 24.58 KB
  Техногенные системы и их воздействие на природу и человека Техногенные аварии и катастрофы Аварийные и катастрофические ситуации в техногенной сфере на потенциально опасных объектах можно объединить по следующим типам: режимные возникают при штатном функционировании потенциально опасных объектов последствия от них предсказуемые защищённость от них высокая; проектные возникают при выходе за пределы штатных режимов с предсказуемыми и приемлемыми последствиями защищённость от них достаточная; запроектные возникают при...