Экранированная катушка индуктивности

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет радиоэлектроники


Кафедра ПЭЭА








КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: Элементная база ЭА

на тему:

Экранированная катушка индуктивности












Харьков 2009

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

1.1 Анализ условий эксплуатации

1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров

2. Обзор аналогичных конструкций

3. Электрический и конструкторский расчет

3.1 Выбор материала и обоснование конструкции

3.2 Расчет числа витков

3.3 Расчет оптимального диаметра провода

3.4 Расчет фактических параметров катушки

3.5 Расчет добротности катушки

3.6 Расчет температурного коэффициента индуктивности

4. Описание конструкции

Паспорт катушки индуктивности

Выводы

Список использованной литературы

Приложение

Введение

Катушка индуктивности относится к моточным изделиям радиоэлектронных средств и является важным элементом, без которого не может обойтись большая часть радиоэлектронных устройств. Функционирование катушки индуктивности определяется эффектом взаимного перехода энергии электрического поля источника напряжения, приложенного к ее выводам, в энергию магнитного поля, охватывающего контур катушки, и обратно под действием протекающего по контуру катушки электрического тока. Величина индуктивности определяется конструкцией токопровода и его размерами.

В настоящее время четко прослеживается процесс миниатюризации электронных средств, что требует создания миниатюрных катушек индуктивности. Однако уменьшение размеров катушек встречает определенные трудности, связанные с увеличением потерь в элементах конструкции и уменьшении добротности при уменьшении габаритов. В отдельных случаях, где это возможно, катушки индуктивности заменяют их аналогами – элементами на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и гираторами – специальными радиоэлектронными схемами, в которых определенными мерами создается отставание на тока в гираторе по отношению к приложенному к нему напряжению.

Очевидно, что полный отказ от применения катушек индуктивности при производстве радиоэлектронной аппаратуры невозможен. Поэтому перспективы развития катушек индуктивности связаны с разработкой новых материалов, имеющих высокие электромагнитные свойства и стабильность, превосходящие существующие, а также развитием конструкции и технологии изготовления этих изделий. В данном курсовом проекте будем проектировать экранированную катушку индуктивности.

1. Анализ технического задания

Заданием данного курсового проекта является проектирование экранированной катушки фильтра промежуточной частоты (ФПЧ) диапазона УКВ бытового приёмника со следующими параметрами:

Индуктивность, мкГн – 215

диапазон регулировки индуктивности, % – 5

рабочая частота, МГц – 0.5

обеспечить температурную стабильность

годовая программа выпуска, тыс. шт. – 10000

Данная величина индуктивности и подстройка ее величины в интервале от 204,75 мкГн до 225,75 мкГн (5%) может быть реализована однослойной намоткой на каркас с магнитным сердечником, изменяя положение которого относительно обмотки можно достичь указанных пределов изменения индуктивности.

1.1 Анализ условий эксплуатации

Условия эксплуатации по УХЛ 4.2 предусматривают работу изделия в диапазоне температур от до .

Для выбора направления проектирования произведем обзор аналогичных конструкций. Общие нормы климатических воздействий на РЭА для исполнения УХЛ приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Общие нормы климатических воздействий на РЭА

Исполнение

Категория

размещения

Воздействия температуры, °С

Воздействия относительной влажности, %

Рабочие

Предельные

98% при 25°С

Верхн.

Нижн.

Ср.

Верхн.

Нижн.

УХЛ

4.2

+35

+10

+20

+40

+1

Проектируемая катушка должна выдерживать нормативные воздействия, приведенные в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Бытовая РЭА. Нормы климатических и механических воздействий для 1-й группы

Вид воздействия, характеристики

Нормы воздействий

Прочность при транспортировании:

ускорение, g

длительность ударного импульса, мс

число ударов, не менее

15

11

1000

Теплоустойчивость:

рабочая температура, °С

предельная температура, °С

40

55

Пониженное атмосферное давление, кПа

70

Холодоустойчивость:

предельная температура, °С

-40

Влагоустойчивость:

влажность, %

температура, °С

93

25

1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров

Для намотки катушки индуктивности используем стандартный цилиндрический каркас из полистирола с внешним диаметром и внутренней резьбой. Подстройку индуктивности в пределах 5% будем осуществлять продольным перемещением сердечника относительно обмотки катушки путем его вращения внутри каркаса.

В качестве сердечника используем цилиндрический стержень из феррита 600 НН, рабочий диапазон частот которого находится в пределах 0,2-7 МГц, предназначен для применения в радиотехнических устройствах. Феррит не обладает значением тангенса угла диэлектрических потерь, практически неизменной магнитной проницаемостью в рабочем диапазоне частот и хорошей температурной стабильностью.

Тип намотки катушки выбираем сплошной (виток к витку) однослойный.

Для нанесения провода на каркас используем метод горячей намотки (разогретым проводом). Данный метод намотки повышает механическую прочность катушки, улучшает ее временную и температурную стабильность.

Закрепление выводов катушки на каркасе будем осуществлять пайкой к луженным латунным выводам, запрессованным в основание каркаса при изготовлении.

Для экранирования катушки будем использовать электростатический экран из алюминия, имеющего меньшую стоимость по сравнению с медью и латунью. Закрепление экрана (монтаж) на плате будем производить пайкой за луженные латунные выводы, запрессованные в экран у основания при изготовлении.

2. Обзор аналогичных конструкций

Конструктивное разнообразие катушек индуктивности весьма велико.

Катушки индуктивности могут быть классифицированы по следующим признакам:

- по характеру индуктивности – постоянные, переменные и подстроечные;

- по конструктивному исполнению – объемные (цилиндрические) и плоские (печатные);

- по наличию экрана – экранированные и неэкранированные;

- по типу экрана – электростатический, магнитный, электромагнитный, немагнитный (защитный);

- по наличию сердечника – с сердечником и без сердечника;

- по типу сердечника – постоянный, построечный (перемещаемый);

- по материалу сердечника – магнитный и немагнитный;

- по свойствам магнитного сердечника – магнитотвердый и магнитомягкий;

- по режиму работы сердечника – с насыщением и без насыщения;

- по наличию каркаса – каркасные и бескаркасные;

- по типу исполнения обмотки – однослойные сплошные, однослойные с шагом намотки, многослойные, секционные, “универсаль”, пирамидальные, внавал и т.д.

Отечественной промышленностью выпускается достаточно много радиоприемников с УКВ диапазоном и существует масса аналогичных конструкций подобных катушек индуктивности, весьма подробно описанных в справочной литературе, например [1,2]. Накопленный опыт за годы производства радиоприемников выражается в использовании:

- цилиндрических каркасов с внутренней резьбой, составляющих с основанием квадратного профиля 1010 мм единое целое и прессуемых из специальных пресс-материалов типа ДСВ-2Р-2М, полистирола и т.п., квадратный профиль основания позволяет повысить плотность монтажа ВЧ-ПЧ блока радиоприемника и уменьшить его габариты, используемый диаметр каркаса – 6,8 мм, высота корпуса катушек с основанием18-40 мм, латунные луженые выводы запрессовываются в основание каркаса при изготовлении;

- обмоточного медного провода круглого сечения диаметром0,12-0,25 мм марок ПЭВТЛ-1, ПЭВТЛ-2, позволяющего осуществить быструю и легкую зачистку и лужение выводов путем погружения их в ванночку (тигель) с расплавленным припоем;

- цилиндрических подстроечных сердечников из феррита марки 600НН диаметром 2,8 мм и длинной 12 мм, запрессованных одним концом в такой же пресс-материал, наружная цилиндрическая поверхность которого формируется в виде винта с соответствующей резьбой под каркас;

- металлических электростатических экранов, большей частью из алюминия, реже из меди или латуни с гальваническим покрытием;

- количества витков от 20 до 40.

3. Электрический и конструкторский расчет

Процесс проектирования катушки индуктивности состоит из:

- выбора материала и обоснования конструкции;

- расчета числа витков;

- определения конструктивных размеров и уточнения электрических параметров конструкции.

3.1 Выбор материала и уточнение конструкции

Материал для изготовления обмотки катушки индуктивности должен удовлетворять следующим требованиям:

- 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)

Ом

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).

Ом

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.

Паспорт катушки индуктивности

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

    Полонский Н.В. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА.- М.: Сов. радио, 1975. – 323с.

    Рогинский В.Ю. Экранирование в радиоустройствах.- Л.: Энергия, 1969.- 112с.

    Бландова Е.С. Индуктивные элементы. - М.:Высш.шк., 1985. – 405с.

    Васильева Л.С. и др. Катушки индуктивности аппаратуры связи. – М.: Связь. – 1973.

    Полонский Н.Б. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА.

    Рогинский В.Ю. Экранирование в радиоустановках. Л.: Энергия, 1969. – 112с.

    Справочный материал на магнитные материалы и магнитопроводы. ж.Радио" №3, №10/2001, №6/2000.

    Костиков В.Г. и др. источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. - 2-е изд. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344с.

    Горский А.Н. Расчет электрических элементов источников вторичного электропитания. – М.: Радио и связь, 1998.

    Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. Пер. с нем.– М.: Мир, 1990. –256с.

    Волгов В.А. Детали и узлы РЭА.- М.: Энергия, 1977.- 623с.