- низкое удельное сопротивление для минимизации влияния на протекающий электрический ток;
- малые коэффициенты линейного и объемного расширения для обеспечения высокой температурной стабильности геометрических размеров катушки, а, следовательно, и индуктивности;
- низкая стоимость (годовая программа выпуска 50000 шт.).
Согласно справочным данным, наиболее подходящим материалом для изготовления обмотки катушки индуктивности является медь, имеющая:
удельное сопротивление ,
коэффициент линейного расширения [3, табл. П.1].
Глубина скин-слоя для частоты 0.5 МГц составляет:
(3.1)
Для исключения влияния скин-эффекта на добротность катушки индуктивности и исключения разрывов материала при намотке катушки и монтаже выводов, выбираем медный обмоточный провод круглого сечения типа ПЭВ-1 диаметром 0,25 мм [3, табл. П.2]. Данная марка провода позволяет легко осуществить очистку и лужение выводов путем погружения их в ванночку (тигель) с расплавленным припоем.
3.2 Расчет числа витков
Расчет числа витков однослойной экранированной катушки с магнитным сердечником производим по методу, изложенному в [3].
Для сердечника из феррита 600НН с начальной магнитной проницаемостью [3, таблица П.3] находим соответствующее значение относительной магнитной проницаемости [3, табл. П.4].
По заданному значению индуктивности определяем расчетное значение индуктивности катушки без сердечника с учетом требуемой подстройки +5%
(3.2)
Помещение катушки в экран приводит к уменьшению ее индуктивности и добротности и увеличению собственной емкости. Поэтому при расчете индуктивности катушки необходимо учесть влияние экрана. Учет влияния экрана производится с помощью коэффициента , который является функцией соотношения диаметра катушки и диаметра экрана. Для обеспечения стабильности индуктивности это соотношение должно выбираться из условия Чрезмерное увеличение данного соотношения приведет к возрастанию габаритов изделия, поэтому принимаем величину соотношения равной При этом диаметр экрана будет составлять:
Поскольку был выбран экран квадратного сечения, то размер стороны экрана будет равен:
(3.3)
где – коэффициент формы.
Второй величиной, оказывающей влияние на коэффициент , является параметр , в свою очередь являющийся функцией соотношения длины обмотки катушки и диаметра намотки . Для экранированных катушек оптимальным является соотношение из [3]. Для соотношения по графику [3, рис. П.1] находим значение Определяем значение коэффициента :
(3.4)
Расчетное значение индуктивности с учетом влияния экрана:
(3.5)
Для компенсации влияния экрана расчетное значение индуктивности должно составлять:
(3.6)
3.3 Расчет оптимального диаметра провода
Для намотки катушки выбираю провод ПЭВ-1 диаметром 0,25 мм без учета изоляционного покрытия. Определим диаметр данного провода в изоляции [3, табл. П.5]
(3.7)
Коэффициент неплотности для данного значения [3, табл.П.6] равен
Определим число витков катушки, приходящихся на единицу длины намотки :
(3.8)
Вычислим параметр определяющий соотношение длины и диаметра намотки:
(3.9)
По графику [3, рис.П.2] определяем для значение ,
Длина обмотки катушки будет составлять:
(3.10)
см
Число витков катушки будет равно:
(3.11)
витка.
3.4 Расчет фактических параметров катушки
При сплошной намотке фактическая геометрическая длина катушки будет равна:
(3.12)
Фактическое соотношение при этом составляет:
По графику [3, рис. П.3] находим значение поправочного коэффициента для , которое будет равно .
Определяем фактическую расчетную индуктивность катушки:
(3.13)
Рассчитываем скорректированное число витков:
(3.14)
витков
Принимаем скорректированное число витков равным 35. Для скорректированного числа витков фактическая расчетная индуктивность катушки будет равна:
а скорректированная длина намотки:
Минимальное значение индуктивности с учетом подстройки будет составлять:
Минимальное расчетное значение индуктивности при этом будет равно:
С учетом влияния экрана это значение уменьшится до величины:
Расчет оптимального диаметра провода производится графоаналитическим методом. По графику (из [3], рисунок П.4) для отношения и числа слоев определяем значение поправочного коэффициента .
Определяем вспомогательный коэффициент :
(3.15)
Вычисляем вспомогательный параметр :
(3.16)
По графику рис. 4-16 Z=2
Рассчитываем оптимальный диаметр провода:
(3.18)
Полученное значение округляем к стандартному 0,27мм, который и принимаем как окончательную величину.
3.5 Расчет добротности катушки
Для расчета добротности катушки необходимо предварительно определить суммарное сопротивление потерь катушки, вычисляемое по формуле:
(3.19)
где – сопротивление провода току высокой частоты, Ом;
– сопротивление потерь, вносимое экраном, Ом;
– сопротивление потерь, вносимое сердечником, Ом;
– сопротивление потерь в диэлектрике каркаса, Ом.
Определим каждую составляющую сопротивления потерь .
Сопротивление провода току высокой частоты:
(3.20)
Ом
Сопротивление потерь, вносимое экраном:
(3.21)
Ферритовый сердечник не имеет потерь, поэтому он не вносит сопротивления.
Для вычисления сопротивления потерь, обусловленного потерями в материале каркаса, необходимо предварительно рассчитать значение емкости :
(3.24)
Для расчета емкости через диэлектрик потребуется коэффициент , значение которого для провода круглого сечения на гладком каркасе составляет =0,08, и относительная диэлектрическая проницаемость полистирола, из которого изготавливается каркас, равная Определяем значение :
(3.25)
Рассчитаем сопротивление потерь, обусловленное диэлектрическими потерями в материале каркаса:
(3.26)
где – тангенс угла диэлектрических потерь для полистирола (из [3], таблица П.7).
Таким образом, суммарное сопротивление потерь катушки индуктивности будет составлять:
Определяем значение добротности катушки индуктивности:
(3.27)
3.6 Определение температурного коэффициента индуктивности
Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ) представляет собой сумму нескольких слагаемых и определяется по формуле:
(3.28)
где – высокочастотная составляющая, учитывающая влияние эффекта близости,
– составляющая, вносимая сердечником,
– геометрическая составляющая,
– составляющая, вносимая емкостью через диэлектрик,
– составляющая, вносимая экраном,
Воздействие температуры приводит к изменению удельного сопротивления материала обмотки. В результате происходит изменение глубины проникновения тока высокой частоты, что эквивалентно изменению диаметра витка обмотки. Данная высокочастотная составляющая ТКИ определяется через добротность катушки для значения коэффициента для провода круглого сечения [3].
(3.29)
Составляющая ТКИ , вносимая магнитным сердечником, определяется как:
(3.30)
где – коэффициент использования магнитной проницаемости,
– температурный коэффициент изменения магнитной проницаемости карбонильного железа марки Р100. Тогда составляющая ТКИ будет равна:
Геометрическая составляющая ТКИ рассчитывается по формуле:
(3.31)
где – ТКЛР диаметра,
– ТКЛР длины,
Поскольку для изготовления катушки был выбран метод горячей намотки, то и формула для геометрической составляющей ТКИ приобретает вид:
(3.32)
В данном случае является ТКЛР диаметра полистирольного каркаса, а ТКЛР полистирола . Таким образом = .
Составляющая ТКИ , вызываемая изменением собственной емкости, рассчитывается по формуле:
(3.33)
где – температурный коэффициент диэлектрической проницаемости каркаса (полистирола), равный (из [3], таблица П.8);
С – полная емкость контура, равная
(3.34)
Рассчитываем величину :
Составляющая ТКИ , обусловленная влиянием экрана, вычисляется по формуле:
(3.35)
где – ТКЛР материала экрана, в нашем случае для алюминия (из [3], таблица П.1);
– коэффициент, определенный по графику (из [3], рисунок П.1) и равный для .
Таким образом
ТКИ проектируемой катушки является суммой всех рассчитанных компонентов:
4. Описание конструкции и технологии
Катушка индуктивности состоит из провода, которым является медный обмоточный провод марки ПЭВТЛ-1-0,25 намотанного на каркас из полистирола с длиной намотки 12,3 мм и использованием метода “горячей намотки”; сердечника из феррита 600НН, которым производится подстройка индуктивности в заданных пределах. Для защиты катушки от внешних электрических полей, влияния окружающей среды, и защиты от механических повреждений используется электростатический алюминиевый экран квадратного сечения размерами 252518 мм. Выводы катушки механически закрепляются на контактных ножках и припаиваются припоем ПОС-61. Согласно техническому заданию годовая программа выпуска катушек индуктивности составляет 10000 штук, что соответствует массовому производству, значит возможно использовать полуавтоматизированное производство.
Фактическая индуктивность
- максимальная, мкГн 225,75
- минимальная, мкГн 204,75
Возможное отклонение от фактической величины, 5
Добротность 243,4
Температурного коэффициента индуктивности 1/град. 55,2 10-6
Количество витков 35
Тип провода ПЭВТЛ-1-0,25
Сердечник феррит 600НН
Диаметр каркаса, мм 12
Длина намотки, мм 12,3
Условия эксплуатации (ГОСТ 15150-69) УХЛ 4.2
Механические условия эксплуатации (ГОСТ 15230-69) УХЛ 4.2
Выводы
В процессе расчета катушки индуктивности была определена ее конструкция, сборочный чертеж которой помещен в приложении. Величина индуктивности катушки может изменяться в пределах 214,75…225,75 мкГн, что конструктивно обеспечивается перемещением сердечника относительно обмотки. Катушка обладает хорошей добротностью () и ТКИ (). Конструкция катушки индуктивности очень проста. Это дает возможность свести к минимуму количество сборочных операций, что весьма необходимо для массового производства при годовой программе выпуска 1000 штук. Таким образом, поставленная в техническом задании задача решена.
Список использованной литературы
1. Полонский Н.В. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА.- М.: Сов. радио, 1975. – 323с.
2. Рогинский В.Ю. Экранирование в радиоустройствах.- Л.: Энергия, 1969.- 112с.
3. Бландова Е.С. Индуктивные элементы. - М.:Высш.шк., 1985. – 405с.
4. Васильева Л.С. и др. Катушки индуктивности аппаратуры связи. – М.: Связь. – 1973.
5. Полонский Н.Б. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА.
6. Рогинский В.Ю. Экранирование в радиоустановках. Л.: Энергия, 1969. – 112с.
7. Справочный материал на магнитные материалы и магнитопроводы. ж.Радио" №3, №10/2001, №6/2000.
8. Костиков В.Г. и др. источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. - 2-е изд. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344с.
9. Горский А.Н. Расчет электрических элементов источников вторичного электропитания. – М.: Радио и связь, 1998.
10. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. Пер. с нем.– М.: Мир, 1990. –256с.
11. Волгов В.А. Детали и узлы РЭА.- М.: Энергия, 1977.- 623с.
Страницы: 1, 2
