Катушки индуктивности

Катушки индуктивности применяют в качестве элементов колебательных контуров, дросселей и для связи одних цепей с другими.

Катушка индуктивности, которая служит для разделения постоянного и переменного токов или токов разных частот, называется дросселем. Индуктивное сопротивление (Ом) катушки зависит от частоты и определяется по формуле Xi. — 2nfLt где f — частота, Гц; L — индуктивность, Гн.

Одна и та же катушка представляет собой разное сопротивление для токов разных частот. Для постоянного тока сопротивление лю-бой катушки очень мало. Каждая катушка характеризуется индуктивностью, добротностью, стабильностью и собственной ешюстью.

Катушки с малой индуктивностью изготовляют без сердечника с небольшим числом витков. Для увеличения индуктивности катушку выполняют многослойной и вводят сердечник из ферромагнитного материала. Потери энергии в катушке должны быть как можно меньше. Поэтому ее стремятся выполнить так, чтобы получить наибольшую индуктивность при малом активном сопротивлении.

Отношение индуктивного сопротивления катушки к активному сопротивлению на — данной частоте называется добротностью катушки и определяется по формуле Qil=Xtlfsa

Рис 12. Катушка с намоткой «универсаль»

Индуктивность и другие параметры катушки не должны меняться под влиянием внешних причин, т. е. катушка должна обладать стабильностью. Собственная (междувит-ковая) емкость катушки понижает ее добротность и уменьшает стабильность

У однослойной катушки при сплошной намотке (виток к витку) индуктивность (мкГн) можно определить по формуле

где w — число витков; l — длина намотки, см; D — диаметр катушки, см.

Для уменьшения собственной, емкости витки катушки наматывают не вплотную, а на некотором расстоянии один от другого (намотка с принудительным шагом).

Многослойные катушки выполняют простой намоткой «внавал» или специальной («универсалы»). Индуктивность (мкГн) многослойной хатушки можно определить по формуле

где dcf — средний диаметр намотки, см; w — число витков; I — длина намотки, см; t — толщина намотки, см.

Для уменьшения собственной емкости многослойную катушку выполняют из отдельных секций. Секционированные катушки применяют в качестве контурных катушек и дросселей высокой частоты. Малую собственную емкость имеют многослойные катушки с намоткой «универсалы», при которой провод зигзагом переходит с одного края катушки на другой (рис. 12).

Для устранения влияния электромагнитного поля катушки на соседние детали и, наоборот, внешних полей на катушку ее закрывают металлическим экраном. Для высокочастотных катушек экран изготовляют из меди или алюминия толщиной 0,4 — 0,5 мм. Экран уменьшает индуктивность и добротность катушки и увеличивает ее собственную емкость. Чем ближе расположен экран к виткам катупь ки, тем сильнее изменяются ее параметры. Чтобы влияние экрана было небольшим, его диаметр и длину берут в два раза больше диаметра и длины намотки. Для низкочастотных катушек применят ют экраны из ферромагнитных материалов, например из листовой стали толщиной 0,5 — 1,5 мм.

Для увеличения добротности и уменьшения габаритов катушки применяют сердечники из ферромагнитных материалов. Высокочастотные катушки имеют сердечники из карбонильного железа. Добротность катушек с таким сердечником равна 400 — 500, а без сердечника — не более 200.

Для контурных катушек длинных и средних волн используют броневые сердечники. Низкочастотные дроссели имеют сердечники из листовой электротехнической стали. Толщину стальных листов берут 0,2 — 0,5 мм для дросселей, используемых в цепях звуковых частот, и около 0,5 мм — в Цепях переменного тока с частотой 50 Гц.

Индуктивность катушки возрастает с увеличением числа и диаметра витков при их сближении, что учитывают при изготовлении катушки. Введение внутрь катушки сердечника из магнитодиэлект-рика также увеличивает ее индуктивность. Если сердечник выполнен из диамагнитного материала, например латуни, то при его введении индуктивность катушки уменьшится. То же произойдет, если внутрь катушки ввести короткозамкнутый виток.

На практике чаще всего индуктивность изменяют, перемещая сердечник внутри катушки.

Катушка, индуктивность которой можно изменять в больших пределах, называется вариометром. Чаще всего вариометр состоит из двух катушек, взаимная индуктивность которых может меняться. Вариометры применяют главным образом в передатчиках для настройки колебательных контуров и подбора связи между контурами.

§ 13. Трансформаторы

У низкочастотных трансформаторов магнитный поток первичной обмотки почти целиком пронизывает витки вторичной обмотки. Эдс, наводимые в обмотках, пропорциональны их числам витков. Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной называют коэффициентом трансформации. Отношение витков пропорционально отношению эдс, а если пренебречь падением напряжения на самих обмотках, — отношению напряжений. Пренебрегая потерями энергии в трансформаторе, можно считать отношение токов в обмотках обратно пропорциональным отношению напряжений. Тогда коэффициент трансформации n = w1/w2=E1/E2~Ui/U2~I2/I1, где w1, w2 — число витков первичной и вторичной обмоток (рис. 13,а); Е1, E2 — наводимые в обмотках эдс; U1, U2 — напряжения обмоток; 11, 12 — токи в обмотках.

Если вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная (n<1), трансформатор называется повышающим, если меньше, чем первичная (n>1), — понижающим. Когда во вторичную обмотку включена нагрузка Rн, тогда для источника трансформатор вместе с нагрузкой представляет собой некоторое эквивалентное сопротивление R1э (на рис. 13, а оно показано пунктиром). Значение эквивалентного сопротивления можно найти по формуле Ri9=n2RH. Если во вторичную обмотку вместо активного сопротивления включить индуктивность L2 или емкость С2, то их эквивалентные значения со стороны первичной обмоцки Lis=n2Lz; C1Э = C2/n2,

Таким образом, при трансформации переменного тока и напряжения происходит трансформация сопротивления, емкости и индуктивности.

Рис. 13. Схемы двухобмоточного (а) и унифицированного многообмоточного (б) трансформаторов

Выходные трансформаторы усилителей и радиоприемников ис пользуют именно как трансформаторы сопротивления. С помощью трансформатора сопротивление нагрузки согласуется с внутренним сопротивлением лампы или транзистора. Конструкция трансформатора зависит от его назначения и частоты переменного тока Цепи, куда он включен. В цепях низкой частоты применяют трансформаторы с сердечниками из ферромагнитных материалов. Трансформаторы высокой частоты иногда не имеют сердечников.

По назначению трансформаторы делят на сетевые и сигнальные. По числу обмоток различают двух- и многообмоточные трансформаторы и автотрансформаторы.

Сетевые трансформаторы служат для питания различных цепей радиоаппаратуры. Их первичную обмотку включают в сеть переменного тока; вторичных обмоток может быть несколько (рис. 13, б). У сетевых трансформаторов, выпускаемых промышленностью, можно -переключать первичную обмотку на различные напряжения сети (НО; 127 или 220 В).

Сигнальные трансформаторы преобразуют электрические сигналы. Примером их могут служить входные, межкаскадные и выход-ные трансформаторы усилителей. Конструктивно сигнальные трансформаторы звуковой частоты и сетевые трансформаторы малой и средней мощности выполняют одинаково.

Сердечники таких трансформаторов набирают из штампованных пластин электротехнической стали или железоникелевых сплавов. Сердечник может быть броневой Ш-образный (рис. 14, а), стержневой (рис. 14,6), тороидальный. Маломощные трансформаторы обычно делают с броневыми сердечниками, размеры которых приведены в табл. 38 Для высокочастотных трансформаторов применяют броневые сердечники из ферритов. Если материал сердечника должен иметь толщину меньше 0,3 мм, сердечник изготовляют не из пластин, а из ленты (рис. 15). Стержневую конструкцию сердечников применяют для трансформаторов большой мощности (более 1 кВт). Тороидальные сердечники сложны в производстве и дороги, но обладают малыми полями рассеяния и поэтому применяются довольно часто.

Таблица 38

Сердечник	Размеры (см. рис. 14, в)
	L, мм	H. мм	hcмм	Sc,cм2	bc мм	h0.мм	lс.см	Iв- см.
Ш6Х8 Ш18Х10 Ш18Х16 Ш10Х10 Ш10Х16	24 32 32 40 40	21 28 28 35 35	8 10 16 10 16	0,41 0,68 1,1 0,9 1,45	6 8 8 10 10	15 20 20 25 25	5,1 6,8 6,8 8,5 9,5	4,7 6 7,1 6,9 8,1
Ш 12X12 Ш12Х12 Ш12Х.16 Ш12Х20 Ш12Х25	42 48 42 48 42	42 42 42 30 42	12 12 16 20 25	1.3 1,3 1,7 2,2 2,7	9 12 9 12 9	30 30 30 18 30	9,7 10,3 9,7 7,6 9,7	7,5 8,5 8,3 10 10
Ш 16X16 Ш16Х20 Ш16Х25 Ш16Х32 Ш16Х40	64 64 64 48 64	40 40 56 40 40	16 16 25 32 40	2,3 2,9 3,6 4,6 5,8	16 16 16 8 18	24 24 40 24 24	10,5 10,5 13,7 8,9 10,5	11 12 13 12 16
Ш18Х18 Ш18Х36 Ш20Х20 Ш20Х20 Ш20Х25	54 54 60 80 80	45 45 50 70 50	18 36 20 20 25	2,9 5,8 3,6 3,6 4,5	9 9 10 20 20	27 27 30 50 30	10 10 12,1 17,1 13,3	19,8 13,4 10,9 13,8 14,8
Ш20Х30 Ш20Х40 Ш25Х25 Ш25Х32 Ш25Х40	60 65 100 100 100	50 65 62,5 87,5 62,5	30 40 25 32 40	5,4 7,2 5,6 7,2 9	10 12,5 25 25 25	30 45 37,5 62,5 37,5	11,1 14,6 16,4 21,4 16,4	12,9 15,9 17,4 19 21
Ш32X32 Ш32Х40 Ш32Х50 Ш32Х63 Ш34Х52	128 128 128 128 102	80 80 112 80 102	32 40 50 63 52	9,3 11.5 14,4 18 16,4	32 32 32 32 17	48 48 80 40 68	21 21 27,4 21 22,3	23 24 26 28,4 22,6
Ш35Х35 Ш35Х43 Ш40Х40 Ш40Х40 Ш40Х50 Ш40Х63 Ш40Х80 Ш40Х100 Ш40Х100	130 130 160 160 160 160 160 160 160	105 105 100 140 100 140 100 100 140	35 45 40 40 50 63 80 100 100	11,2 14,4 14,4 14,4 18 23 29 36 36	30 З8 40 40 40 40 40 40 40	70 70 60 100 60 100 60 60 100	25,5 25,5 26,3 34,3 26,3 34,3 26,3 26,3 34,3	23,5 25,5 28,5 28,5 30 33 37 41 41

Примечание. S с — площадь сечения магнитопровода, lв — средняя длина витка.

Каркас, на котором располагают обмотки, выполняют из электрокартона, гетинакса или текстолита. Картонные каркасы склеивают клеем БФ, а гетинаксозые и текстолитовые делают разборными.

Обмотки трансформаторов с выходной мощностью до 1 кВт изготовляют из провода- с эмалевой изоляцией (ПЭЛ или ПЭВ). Обмотки высокого напряжения наматывают из провода с шелковой или эмалево-шелковой изоляцией (ПЭЛШО; ПЭЛШД). Между слоями обмотки помещают прокладки из лакоткани или тонкой бумаги. Для повышений влагостойкости изоляции каркас вместе с обмотками пропитывают битумом или битумным компаундом.

Рис. 14. Сердечники трансформаторов: а — броневой, б — стержневой

Автотрансформаторы имеют только одну обмотку и ик, можно включать как повышающие или как понижающие (рис. 16, а, б). В общей части обмоток прохо-ч дит разность токов I1 к I2. Эту часть витков выполняют из провода меньшего сечения. Поэтому при небольших значениях коэффициента трансформации (n=1,5-5-2) автотрансформаторы по сравнению с двух-обмоточными трансформаторами дают экономию меди.

Рис. 15. Ленточный сердечник трансформатора

Расчет трансформатора. Исходные данные: автотрансформатор повышающий (см. рис. 16,а); номинальное напряжение нагрузки U2=120 В; мощность, потребляемая нагрузкой, Рн = 120 В-А; минимальное напряжение сети- U1=70 В. Определить сечение сердечника, число витков обмоток и диаметр проводников.

Рис. 16 Автотрансформаторы: а — повышающий, 6 — понижающий

1. Коэффициент трансформации na=U2/U1== 120/70=» 1,71.

2; Расчетная мощность повышающего трансформатора Р.= -1,1Рн(1-1/nа)-1,1*1260 — 1/1,71)=55 В*3А.

3. Площадь сечения магнитопровода

4. Примем для сердечника трансформаторную сталь с индукцией В== 1 Вб/м2, тогда число витков обмотки на 1 В составит а»в=45ДО=45/1 9-5.

5. Число витков всей обмотки трансформатора w2=w0U2=5*120=600.

6. Число витков сетевой обмотки w1 = w0Ui=5-70=350.

7. Ток в общей (сетевой) части обмотки Iаx=Pa/U1=55/70= 0,785 А.

8 Диаметр провода этой обмотки

d1 = 0,8 sql(IaХ) = 0,8sql(0,785) = 0,71 мм.

9. Ток повышающей части обмотки I2= l,lPн/U2= l,1*l20/120= 1,1 А

10. Диаметр провода повышающей обмотки

Таблица 39

Напряжение сети, В	Выводы трансформаторов
	броневых		стержневых
	соединяемые	для подачи напряжения	соединяемые	для подачи напряжения
127 .	—	1 И 4 ИЛИ 6 и 9	1 и 9 или 4 и 6	1 И 4 ИЛИ 9 и 6
220	2 и 6	2 и 8	2 и 8 1 и 6 1 и 6 1 и 6 3 н7	1 и 6 2 и 8 2 и 8 3 и 7 1 и 6

Таблица 40

Трансфор-матор	Напряжение на выводах вторичных обмоток, В				Максимальный ток между выводами вторичных обмоток, А
Трансфор-матор	11 — 12 13 — 14	15 — 16 17 — 18	19-20	21-22	11 — 12 13 — 14	15 — 15 17 — 18	19 — 20 21 — 22
ШЛ*16Х20; 15 Вт
ТА1 ТА 7	28 180	28 112	6 20	6 20	0,2 0,026	0,15 0,028	0,148 0,026
ШЛ 16X25; 26 Вт
ТА 11 ТА 20 ТА 25	28 125 200	28 112 180	6 14 20	6 14 20	0,325 0,039 0,042	0,255 0,085 0,042	0,26 0,075 0,032
ШЛ 16x32; 26 Вт
ТА 33 ТА 38 ТА 50	56 80 200	40 80 180	12 20 20	10 20 20	0,22 0,115 0,058	0,13 0,11 0,068	0,2 0,12 0,047
ШЛ 20X20, 40 Вт
ТА 69 ТА 75	125 160	112 140	14 20	14 20	0,067 0,049	0,142 0,12	0,121 0,095
ШЛ 20X25; 54 Вт
ТА 88 ТА 105	28 180	28 112	6 20	6 20	0,65 0,114	0,55 0,116	0,48 0,088
ШЛ20Х32; 68 Вт
ТА 152 ТА 161	250 355	224 200	25 40	25 40	0,096 0,03	0,11 0,125	0,07 0,105
ШЛ20Х40, 86 Вт
ТА 163 ТА 170 ТА 177	28 180 315	28 112 200	6 20 40	6 20 40	1,0 0,22 0,1	1,0 0,268 0,17	0,71 0,15 0,09

* Указаны типоразмеры и мощность Ш-образных магнитопроводов из ленточных трансформаторных сталей.

11. Ток, потребляемый автотрансформатором из сети, I1=» -1,1 Pн/U1=1,1-120/70= 1,885 А=Iах+I2=0,785+1,1 = 1,885 А.

12. Примем плавность регулировки напряжения ДU=10 В, тогда в повышающей части обмотки следует сделать отводы через каждые w0-ДU=5-10=50 витков. Поскольку повышающая часть обмотки содержит W2 — W1=600 — 350=250 витков, то число отводов от нее составит k= (w2 — w1)/(w0ДU) =250/50=5.

Для сетей с частотой 50 и 400 Гц промышленность выпускает анодные ТА, анодно-накальные ТАН, накальные ТН унифицированные трансформаторы, а.для электропитания устройств на полупроводниковых приборах — ТПП с выходными мощностями от единиц до сотен ватт (см. рис. 13,6).

Напряжение, снимаемое со вторичных обмоток, можно изменять, используя отводы первичной обмотки. Диапазон изменения напряжения составляет от — 3 до +9 % номинального. Выходное напряжение можно варьировать последовательным согласованным или встречным соединением первичной обмотки со вторичными компенсационными обмотками. Рекомендации по соединению обмоток для питания от сети напряжением 127 и 220 В частотой 50 Гц приведены в табл. 39, а основные характеристики броневых анодных трансформаторов ТА — в табл. 40.

Содержание раздела