Колебательный контур. схема. расчет. применение. резонанс. резонансная частота. формула. рассчитать. схематические решения

Расчёт катушки с броневым сердечником

Броневые сердечники представляют собой сборную конструкцию, состоящую из двух чашеобразных частей. В центре каждой чашки имеется центральный керн, в большинстве случаев имеющий осевое отверстие, используемое для подстройки величины индуктивности.

Такие сердечники имеют универсальное применение благодаря высокой добротности в заданной полосе частот, низким искажениям, отсутствие полей рассеяния и небольшими габаритами.

Расчёт постоянных С₁ и С₂ данного типа сердечника выполняется по аналогии с предыдущими типами, но в связи с формой броневого сердечника имеются свои особенности. Рассмотрим сечение броневого сердечника

Разделим данный сердечник на простейшие линейные и угловые участки с различным сечением: линейные – l₁, l₂, l₃ и угловые – l₄, l₅, так же выделим соответствующие им поперечные сечения: S₁, S₂, S₃, S₄, S₅. Длины линейных участков достаточно просто определить, для нахождения длины угловых участков и сечений на всех участках можно используя следующие выражения

Таким образом, вычислив длину и площадь поперечного сечения отдельных участков, можно вычислить постоянные для данного типа сердечников

Данные выражения определяют параметры сердечника без технологических пазов и вырезов. При желании их учитывать необходимо, внести следующие поправки

где n – число пазов,

g – ширина паза.

Пример. В качестве примера рассчитаем индуктивность дросселя выполненного на броневом сердечнике, состоящем из двух чашек типа Ч22 из феррита марки 50ВН (μ_r = 50), количество витков ω = 100.

₁₂₃₄₁₂

С учётом конструктивных особенностей выразим величины заложенные в требуемые нам выражения:

Найдем длины и сечение участков магнитопровода. Расчёт будем вести без учёта технологических пазов и вырезов.

С учётом рассчитанных выше значений определим индуктивность исходного дросселя

На этом можно и остановиться с расчётами индуктивных элементов с замкнутыми сердечниками. В следующей статье я рассмотрю индуктивные элементы на разомкнутых сердечниках.

Изготовление дросселя

Для изготовления дросселя нужно выбрать подходящий каркас — в нашем случае это резистор определенной мощности и соответственно габаритов. Ниже приведены фото отечественных и зарубежных резисторов с обозначением их мощности.

Рис. 2. Резисторы МЛТ и зарубежные резисторы по мощности.

Рис. 3. Пример намотки дросселя на резисторе МЛТ-0,5.

Для намотки дросселя подойдут резисторы с высоким сопротивлением, например: 100кОм, 200кОм и т.д

Важно чтобы сопротивление резистора было большим, иначе добротность вашего самодельного дросселя может получиться плохой

Пример намотки равномерными слоями приведен на рисунке 3.

Для намотки можно использовать тонкий эмалированный провод (ПЭТВ) или же провод в шелковой изоляции (ПЭЛШО) диаметром 0,1-0,2мм, важно чтобы все витки намотанные таким проводом вместились на нашем каркасе из резистора. После намотки каждый из концов провода припаивают к выводам резистора, а на катушку сверху можно капнуть немножко клея чтобы витки потом не расползались

После намотки каждый из концов провода припаивают к выводам резистора, а на катушку сверху можно капнуть немножко клея чтобы витки потом не расползались.

Формула индуктивности

Расчет резонанса колебательного контура производится на основании значений емкости и индуктивности. Как правило, емкость конденсатора является постоянной величиной, за исключением случаев использования переменных устройств в перестраиваемых электроцепях. Коэффициент самоиндукции катушки зависит от многих факторов:

• Количество и расположение витков обмотки;
• Наличие или отсутствие сердечника;
• Материал сердечника.

Общей формулы для определения индуктивности катушки колебательного контура не существует. Для расчетов используют формулы, соответствующие форме катушки. К сожалению, все формулы определения качественной величины электрической цепи с подсоединённой к ней катушкой индуктивности позволяют производить только приблизительные расчеты.

Приборы индуктивности различных типов

Важно! Для того, чтобы получить катушку с заданными параметрами, приходится принимать дополнительные меры, например, производить подстройку коэффициента самоиндукции путем изменения длины сердечника или корректировки расстояния между витками в однорядных катушках

Методы расчета индуктивностей

Наиболее полно теоретические основы методов расчета индуктивностей изложены в справочной книге: «». Здесь же хотелось бы немного систематизировать подходы к расчету индуктивностей.

Прежде всего отметим, что расчет индуктивности можно вести двумя способами:∙ Численный метод с различной степенью упрощения задачи ∙ Расчет по упрощенным эмпирическим формулам

Эмпирический подход предполагает подбор (подгонку) относительно несложных аппроксимирующих формул по результатам измерений индуктивности реальных катушек. Расчет по упрощенным эмпирическим формулам имеет ограничения в точности и применим только к катушкам с определенной геометрией намотки. Большинство таких формул можно найти здесь. Несмотря на невысокую точность, такой расчет чаще всего вполне достаточен в радиолюбительской практике.

Численные методы основываются на реальных физических моделях катушек индуктивности и их, в свою очередь, можно разбить на две категории:

1. Расчет в программах основанных на фундаментальных законах классической электродинамики, так называемых электромагнитных симуляторах. К ним можно отнести , , , и т.п. Эти программы используют специальные численные методы, такие как и . Расчет в таких программах довольно точен, позволяет учесть множество нюансов, рассчитать катушку произвольной формы, однако требует огромных ресурсов компьютера. Применяется при научном анализе или если катушка работает в режиме, когда ее нельзя представлять как сосредоточенный элемент []
2. Численные методы расчета, основанные на фундаментальных формулах физики, применимых к круговым проводникам, выведенных в XIX веке . Позволяют провести расчет более точно, чем по эмпирическим формулам, но не требуют запредельных аппаратных ресурсов компьютера. На них следует остановится подробнее, т.к их и использует Coil32…

Расчет индуктивности в программе Coil32 основан на модели Максвелла, в которой катушка представляется как множество соосных бесконечно тонких круговых проводников.Из следует, что силовые линии магнитного поля всегда замкнуты. Из этого следует, что магнитный поток порожденный круговым контуром с током весь проходит через поверхность, ограниченную этим контуром. Это обстоятельство отражено в следующей формуле:

Из этой формулы можно вывести определение для собственной индуктивности кругового проводника через двойной контурный интеграл Ф.Е.Неймана для взаимоиндукции :

Как показал Д.К.Максвелл, для двух бесконечно тонких круговых соосных проводников этот интеграл имеет однозначное решение, которое выглядит следующим образом:

, где:

• M — взаимоиндукция;
• r₁, r₂ — радиусы двух бесконечно тонких круговых проводников;
• x — расстояние между центрами кругов, ограниченных этими проводниками;
• K,E — , соответственно первого и второго рода;

Численный метод расчета по формуле Максвелла сводится к численным методам решения эллиптических интегралов.

По формуле Максвелла можно рассчитывать как индуктивность многослойных и однослойных катушек, так и взаимную индуктивность двух отдельных катушек. Погрешности модели, связанные с допущением, что провод бесконечно тонкий и представляет собой набор круговых проводников (хотя на самом деле — это спираль), можно уменьшить с помощью соответствующих поправок.

Рассчитывая взаимоиндукцию проводника «самого на себя», т.е. его самоиндукцию (собственную индуктивность), Максвелл использует понятие — «среднее геометрическое расстояние» — GDM (g), для круглого провода:

g = e0.25*r_w, где r_w — радиус провода.

Очень важен следующий момент. Вся вышеприведенная логика рассуждений и вывода формул, начиная от формулы Неймана, справедлива в случае равномерного распределения плотности тока вдоль катушки. В подавляющем большинстве практических случаев так и есть. Однако если катушка работает вблизи частот собственного резонанса, начинает проявляться неравномерность распределения плотности тока по проводнику! Другими словами, начинает проявляться зависимость индуктивности от частоты, которая в наших расчетах не учитывается. Поэтому индуктивность катушки можно рассчитать корректно только на частотах не превышающих 60-70% от частоты ее собственного резонанса. Таким образом Coil32 не годится для точных расчетов, например, катушек Тесла или спиральных резонаторов. В этом случае и в случае если катушка работает в режиме выше частоты собственного резонанса — ее нужно представлять только в виде модели длинной линии и рассчитывать в программах-электромагнитных симуляторах, либо пользоваться специальными эмпирическими формулами.

Ссылки:

1. D W Knight 2013
2. Robert Weaver 2012
3. Marc T. Thompson 1999
4. M.A.Bueno A K T Assis 1995

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:

w = 32*√(L*D),

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:

w = l/d,

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.

Однослойная катушка виток к витку

Дроссель с сердечником

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

Расчёт однослойной намотки с сердечником

Многослойная намотка

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

N²=(L*(3Dk+9l+10t))/0.008Dk²,

где:

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

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

Многослойная намотка

Расчет катушки в броневом ферритовом сердечнике

Ферритовые сердечники для катушек индуктивности бывают самыми разнообразными. Ш-образные, П-образные, броневые разных модификаций. Кроме феррита для таких сердечников используют и порошковые материалы, карбонильное железо. Расчет катушек на таких сердечниках можно вести разными способами.

На Западе при расчете катушек с любым ферритовым сердечником принят способ расчета через специальный параметр A_L и расчет ведется по таким же формулам как и для ферритовых колец. Основная формула расчета:

• L — индуктивность (нГн)
• A_L — коэффициент индуктивности сердечника (нГн/виток в квадрате)
• N — число витков катушки

Параметр A_L можно найти в спецификациях производителя, для каждого типоразмера сердечника свой, да и размерность коэффициента часто различается. Основное отличие бронированных сердечников от кольцевых заключается в том, что хотя практически весь магнитный поток также сосредоточен внутри сердечника, однако на пути магнитного потока есть зазор в месте прилегания чашек друг к другу. Этот зазор имеет высокое магнитное сопротивление и, в итоге, относительная магнитная проницаемость сердечника всегда меньше его начальной.

• μ_отн — относительная магнитная проницаемость сердечника;
• μ_н — начальная магнитная проницаемость;
• l_з,l_с — длина зазора и средняя длина магнитной силовой линии в сердечнике, соответственно.

Кроме зазора между чашками, величина которого зависит от плотности их прилегания друг к другу, существует технологический зазор в центральном керне. Этот зазор призван стабилизировать параметры сердечника уменьшив зависимость относительной магнитной проницаемости от плотности прилегания чашек. У разных типов сердечников от разных производителей этот зазор отличается.

Величина коэффициента индуктивности A_L зависит только от μ_отн и размеров сердечника.

• Sc — площадь сечения магнитной цепи (зависит только от размеров сердечника);
• lc — средняя длина силовой линии магнитного поля (зависит только от размеров сердечника);
• α — постоянный коэффициент не зависящий от размеров сердечника.

Зная размеры сердечника и его начальную магнитную проницаемость, мы можем определить фактор индуктивности катушки A_L. Поскольку величина зазора между чашками много меньше средней длины магнитной линии и отношения между ними у разных типоразмеров чашек близки, — можно упростить расчет и оперировать начальной магнитной проницаемостью вместо относительной. β — коэффициент меньше единицы, учитывающий зазор в сердечнике.

В конечном итоге, объединив коэффициенты α и β в общий коэффициент k мы приходим к следующим эмпирическим формулам:

• L — индуктивность (мкГн)
• µ — начальная магнитная проницаемость сердечника
• N — число витков катушки
• k = 19.74 для ферритовых сердечниковk = 60 для карбонильных сердечников
• D₁,D₂,d₁,d₂,h₁,h₂ — геометрические размеры сердечника в мм.

Формулы справедливы для стандартных броневых сердечников типов «Б», «СБ». Есть возможность выбрать один из нескольких стандартных сердечников, что позволяет рассчитать катушку несколькими щелчками мыши. При этом программа рассчитывает число витков для катушки при полностью выведенном подстроечнике. Для расчета при полностью введенном подстроечнике можно принять D2 =0. Это касается конечно сердечников из карбонильного железа, т.к. ферритовые в основном идут без подстроечников. Среднее отношение зазора к длине силовой линии у ферритовых и карбонильных сердечников отличается, что и нашло свое выражение в различной величине коэффициента k.

Необходимо иметь ввиду, что упрощение расчета без учета реальной величины магнитного зазора (введение коэффициента β) существенно понижает точность расчета. Кроме того разброс µ для одного типоразмера довольно высок и зависит от температуры. Поэтому расчет катушек в броневом сердечнике по этой методике имеет существенную погрешность, достигающую ±30% и выше и он годится только для сердечников с неизвестным A_L. Для более точных вычислений необходимо непосредственно пользоваться коэффициентом A_L, если он есть в даташитах на броневой сердечник.

Исходные формулы из книги:

Назад…