Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 15 из 102)

где S_c – площадь сечения сердечника.

Свойства катушек индуктивности при длительном функционировании

При длительном функционировании катушек индуктивности с сердечниками наиболее существенное влияние на их параметры оказывает сердечник.

Старение материала сердечника обычно описывается логарифмическим законом:

∆μ_н (t) / μ_н = β₀ lg t/t₀.

Тогда для среднего значения

m[∆μ_н (t) / μ_н ] = m(β₀ )lg t/t₀

где μ_н – начальная магнитная проницаемость материала;

∆μ_н (t) – отклонение магнитной проницаемости материала от начальной магнитной проницаемости;

β₀– случайный коэффициент, показывающий скорость изменения

магнитной проницаемости материала для каждой реализации; m(β₀ ) – математическое ожидание коэффициента, показывающего скорость

изменения магнитной проницаемости материала; t – время, в течение которого отсутствуют заметные изменения магнитной

проницаемости.

Значения ∆μ_н (t), β_0, m(β₀), t₀ получают из результатов эксперимента. В рассматриваемом примере для тороидальных сердечников m(β₀) = 0,14% и t₀ = 50 ч.

Среднеквадратическое отклонение также можно рассматривать как изменяющееся по логарифмическому закону:

D ^1/2(∆μ_н (t) / μ_н )= D^1/2(β₀ )lg t/t₀.

Изменение стабильности при длительной эксплуатации катушек индуктивности в основном определяется изменением магнитной проницаемости сердечника μ_{с .} При небольших зазорах

μ = μн с 1+μ_н(l_з /

l_c)

где l_c – длина магнитной силовой линии; l_з – "длина" зазора; μ_н – номинальная магнитная проницаемость материала.

Следовательно, изменяя зазор, можно получить разные значения μ_с < μ_н,

Относительное изменение индуктивности

∆ L_c(t)/L_c (t)/μ_c

где L_c и μ_c – начальное значение индуктивности проницаемости сердечника;

∆L_c(t) и ∆μ_c (t)– их отклонения во времени.

Для описания закономерностей отклонений ∆μ_c и ∆L_c также следует воспользоваться логарифмической аппроксимацией. Тогда

∆L_c(t) / L_c = ∆μ_c (t) / μ_c = β_с lg t/t₀

где β_с – случайный коэффициент, показывающий скорость изменения

магнитной проницаемости сердечника и индуктивности катушки.

Применение ферритовых сердечников позволяет значительно повысить индуктивность, а, следовательно, добротность катушки, при неплохих показателях по стабильности (например, при среднем уходе по индуктивности на 0,5% за три года). При этом необходимо так выбирать материал сердечника, чтобы потери при частоте, на которой работает катушка, были пренебрежительно малы.

Перспективы развития и использования катушек индуктивности в РЭА

Катушка индуктивности является элементом, сопряжение которого с интегральной схемой вызывает большие трудности. Основная причина состоит в сложности создания катушек малых габаритов с высокими индуктивностью и добротностью.

Все это объясняет наметившуюся тенденцию уменьшения количества катушек индуктивности в аппаратуре на интегральных схемах, не требующих катушек индуктивности, и замены их специальными схемами на транзисторах (гираторы).

Применительно к развитию катушек индуктивности общего назначения совершенствование их параметров в основном связано с новыми материалами, имеющими высокую магнитную проницаемость и стабильность на разных частотах, значительно превышающих по своим свойствам современные ферриты. Ферриты – магнитные материалы, представляющие собой соединение оксида железа (Fe₂O₃) с оксидами других металлов: FeOFe₂O₃ (феррит железа и другие материалы типа M²⁺O Fe₂O₃), а также феррогранаты: Y₃Fe₅O₁₂ и другие типа M²⁺Fe₁₂O₁₉ и RFeO₃ , где R – редкоземельный элемент или Y, ортоферриты CaTiO₃.

Катушки связи

Связь между отдельными цепями и каскадами может осуществляться с помощью катушек связи. Основными параметрами катушек связи являются индуктивность и коэффициент индуктивности связи. Индуктивность рассчитывают, как и для катушек индуктивности. Коэффициент индуктивной связи

k=M / L₁

L₂

где L₁ и L₂ – индуктивности связанных катушек, Гн;

М – взаимная индуктивность между ними;

Катушки связи применяются для разделения по постоянному току сеточных и анодных цепей, цепи базы и коллектора и других.

Рисунок 1.5.6. – Катушки связи с обмотками: a – двумя однослойными (k=0,9); б – однослойной и многослойной (k=0,5);

в – однослойной (раздвоенной) и многослойной (k=0,7); г – двумя многослойными (k=0,8);

Катушки индуктивности для гибридных интегральных схем

Основным требованием, предъявляемым к катушкам индуктивности для гибридных интегральных схем, является планарность их конструкции.

В гибридных микросхемах могут использоваться миниатюрные катушки индуктивности с сердечниками из ферритов. Их добротность порядка 50, они по габаритам должны быть совместимы с корпусами гибридных микросхем до 10 мм и меньше.

Индуктивность тороидальной катушки с магнитным сердечником прямоугольного сечения

L= 4,6 ·μ_сan² ·10^-4lg[(D_ср+b)/(D_cp-b)],

где n – число витков;

a и b – высота и ширина сечения сердечника, мм; D_ср – средний диаметр сердечника, мм.

Тонкопленочные катушки индуктивности имеют ограниченный частотный диапазон (10-100 МГц).

Поэтому тонкопленочные катушки обычно имеют на площади 1 см² число витков не более 10 и выполняются в виде круглой или квадратной спирали (рисунок 7а,б). Индуктивность таких катушек определяют по формулам:

L= 24,75 Dcp N 5/3 lgDср·10-3/t

L= 55,5 N ^5/3 lg8a·10^-3/t'

где D_ср = (D_н +D_в)/2 – средний диаметр спирали, см; a= (A_н +A_в)/2 – средняя длина стороны квадрата, см; t = (D_н +D_в)/2 и t'= (A_н +A_в)/2 – радиальная ширина намотки, см.

Тонкопленочные катушки обладают низкой добротностью (Q = 20 ÷ 30) и поэтому используются только в тех случаях, когда другие варианты технически невозможны.

Рисунок 1.5.7а,б – Тонкопленочные катушки индуктивности: a – круглая; б – квадратная.

1.5.2 Дроссели

Дроссель электрический – катушка индуктивности, включаемая в электрическую цепь последовательно с нагрузкой для устранения (подавления) или ограничения переменной составляющей тока различной частоты. Реактивное сопротивление

X_L = 2πfL = wL где f – частота; w – циклическая частота;

L – индуктивность;

Дроссели обычно имеют сердечник (электротехническая сталь). Применяются преимущественно в электрических фильтрах.

Дроссель высокой частоты – это катушка индуктивности, включаемая в цепь тока высокой частоты для увеличения ее сопротивления. При этом значение постоянного тока или тока низкой частоты не изменяется. Дроссели применяются в цепях фильтрации питания усилителей высокой частоты. Для повышения заградительных свойств дроссель должен обладать значительной по сравнению с контурной катушкой индуктивностью и весьма малой емкостью. Резонансная частота дросселя должна быть гораздо больше частоты выделяемого в контуре рабочего сигнала. В этом случае при индуктивности порядка сотен микрогенри дроссель должен быть эффективен в развязывающих цепях контуров УВЧ. Конструктивно дроссели высокой частоты выполняют намоткой на любой каркас, например, на основания непроволочных резисторов, в виде однослойных сплошных катушек либо катушек типа "универсаль". Дроссели, выпускаемые промышленностью, намотаны на ферритовые стержни и опрессованы пластмассой, их индуктивность сотни микрогенри –единицы миллигенри.

Низкочастотные дроссели

Низкочастотные дроссели, в большинстве случаев предназначенные для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения в телевизорах, радиоприемниках, передатчиках и других устройствах, входят в состав сглаживающих и низкочастотных LC-фильтров. Сопротивление дросселя постоянному току весьма мало и равно омическому сопротивлению провода обмотки. Сопротивление дросселя переменному току

Z = 2πfL

(где f – частота питающей сети 50 или 400 Гц или пульсаций 100 или 800;

L – индуктивность дросселя в Гн) составляет несколько единиц – десятков кOм и зависит от требуемого уровня допустимых пульсаций.

В управляемых дросселях, наоборот, используется свойство магнитного материала изменять свое сопротивление переменному току при изменении рабочей точки магнитной характеристики.

1.5.3 Трансформаторы

Трансформатор электрический – статическое электромагнитное устройство преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. В основе действия трансформатора лежит явление электромагнитной индукции (собственно трансформатор) и параметрический эффект (паратрансформаторы). Трансформатор содержит в качестве основных элементов магнитопровод (сердечник) и расположенные на нем обмотки – первичную (ПО) и одну или несколько вторичных обмоток (ВО). В трансформаторе все обмотки индуктивно связаны между собой. В ряде трансформаторов вторичной обмоткой служит часть первичной обмотки и, наоборот. Такие трансформаторы называются автотрансформаторами.