Тема настоящего урока - катушки с сердечниками, дроссели и трансформаторы (высокочастотные и низкочастотные).
Магнитные поля и силовые линии магнитного поля
В электротехнике введено понятие о силовых линиях. Это линии, реально не существующие, не существует и понятие о количестве силовых линий, но в каждом месте, где существует магнитное поле, можно определить направление проходящей через эту точку силовой линии и дальнейший ее путь, пока она наконец не замкнется. Все силовые линии магнитного поля замкнуты!
Наглядно проявить силовые линии можно известным из средней школы опытом - насыпать на лист немагнитного материала мелкий железный порошок (стальные опилки) и дать им возможность выстроиться вдоль силовых линий (постучать по подложке, чтобы опилки подпрыгнули, выстроились в воздухе вдоль силовых линий и вновь упали на подложку, сохранив направление и сцепившись друг с другом.
На рисунке ниже подобная картина силовых линий магнитного поля прямой катушки с током.
Видно, что внутри катушки силовые линии параллельны друг другу, а чтобы замкнуться за пределами катушки, им приходиться изгибаться. Если мы введем теперь в катушку сердечник из магнитомягкого материала, то в силу некоторых физических процессов, которых мы не будем касаться, ее индуктивность изменится, и это изменение будет зависеть от введенного в качестве сердечника материала.
Чтобы упростить дальнейшие рассуждения, вспомним, что индуктивность цилиндрической катушки произвольной формы выражается сложной формулой, которая упрощается, если концы длинной катушки соединить, образовав в результате тороидальную катушку, схожую по форме с бубликом. На рисунке ниже отображены силовые линии магнитного поля тороидальной катушки.
Становится ясной причина упрощения формулы индуктивности тороидальной катушки - весь магнитный поток оказывается замкнутым внутри катушки (тора, бублика). За пределами "бублика" силовых линий нет.
Коэффициент магнитной проницаемости
Если теперь катушки намотать на каркас из немагнитного материала (пластмассовый, картонный), в который ввести тороидальный сердечник из некоторого материала, индуктивность катушки, как правило, изменится. Для ряда веществ она может как уменьшаться, так и увеличиваться, но для ряда материалов увеличение индуктивности незначительно, нас эти материалы в качестве сердечников катушек индуктивности не интересуют.
А вот у материалов, называемых ферромагнетиками, индуктивность может увеличиться в десятки и даже тысячи раз. Это железо, кобальт, никель, их окислы и сплавы на их основе, другие материалы. Коэффициент, отражающий степень увеличения индуктивности, называется магнитной проницаемостью. Это полный аналог диэлектрической проницаемости диэлектрика между пластинами (обкладками) конденсатора; между магнитными и электрическими явлениями прослеживается много аналогий.
Итак, мы теперь знаем, как увеличить индуктивность катушки не путем увеличения ее размеров и числа витков, а путем введения в нее сердечника из ферромагнитного материала.
Если же сердечник введен в катушку не полностью, можно счесть, что увеличилась индуктивность той части катушки, в которую введен сердечник. Если снабдить каркас катушки и сердечник винтовой резьбой, путем вворачивания и выворачивания сердечника можно подгонять индуктивность катушки под требуемую величину.
Ферромагнитные материалы
В настоящее время мы рассуждаем лишь о слаботочных катушках, через которые не протекают сильные переменные токи, и которые не подмагничиваются постоянным током (например, катушки входных колебательных контуров радиоприемников). Когда перейдем к катушкам, в которых это условие не выполняется, уясним, что коэффициент магнитной проницаемости материала зависит от напряженности магнитного поля в нем. Так, для ферромагнетиков с увеличением напряженности магнитного поля магнитная проницаемость сначала быстро возрастает, достигая максимума, а затем уменьшается, асимптотически стремясь к единице. Ниже пример подобной зависимости.
Коэффициент магнитной проницаемости для слабого магнитного поля называется начальной магнитной проницаемостью. Иногда это значение даже отображается в обозначении материала - так, у феррита 600НН начальная магнитная проницаемость равна 600, по числу в начале обозначения феррита.
- Ниже значения начальной и максимальной магнитной проницаемости некоторых ферромагнитных материалов.
Магнитотвердые и магнитомягкие ферромагнетики
Еще немного о ферромагнитных материалах. Некоторые материалы сохраняют намагниченность (она называется остаточной намагниченностью) и после исчезновения вызвавшего намагниченность магнитного поля, они называются магнитотвердыми материалами.
Магнитотвердые материалы хороши для изготовления постоянных магнитов, например постоянных магнитов громкоговорителей, измерительных приборов (например, вольтметров и амперметров) и пр. В качестве сердечников для катушек индуктивности, дросселей и трансформаторов они не годятся.
Ниже конструкция динамического громкоговорителя (динамика).
Нас интересуют т.н. магнитомягкие материалы, у которых остаточная намагниченность ничтожная. К ним относятся чистое железо, железоникелевые и железокобальтовые сплавы, кремнистые и нелегированные электротехнические стали, другие материалы (ферриты, карбонильное железо).
Ферриты - соединения оксида железа Fe2O3 с оксидами других металлов. Карбонильное железо - тонкодисперсный порошок частиц размером 1-20 мкм очень чистого железа, спрессованный и спеченный до необходимой формы.
Также, следует считаться с тем, что индуктивность катушки при помещении в нее сердечника увеличивается в μ нач раз лишь для кольцевого сердечника (тороидальная катушка). Для катушки иной формы (например, наиболее распространенной цилиндрической), индуктивность увеличивается в μ эфф раз, где μ эфф называется эффективной магнитной проницаемостью.
μ эфф всегда меньше μ нач, и отношение μ эфф/μ нач зависит от формы катушки, сердечника и их взаимного расположения. Введение в катушку цилиндрического сердечника из феррита или карбонильного железа увеличивает ее индуктивность в 1,5-2 раза, а регулирование индуктивности перемещением подстроечного сердечника позволяет изменить индуктивность на 20%.
Конструкции сердечников
Сердечники по конструкции могут быть стержневыми, кольцевыми (тороидальными), броневыми, П-образными и Ш-образными.
Броневые сердечники защищены от внешних магнитных полей, сами не создают магнитного поля во внешнем пространстве и позволяют увеличить индуктивность в большее число раз.
Высокочастотные дроссели
Дроссель высокой частоты - это катушка индуктивности, включенная в цепь для увеличения сопротивления токам высокой частоты. Ниже схема апериодического (т.е. дающего одинаковое усиление в широком диапазоне частот) усилителя высокой частоты.
Корректирующий дроссель L кор включен в цепь коллектора транзистора VT1, и за счет увеличения своего реактивного сопротивления с ростом частоты компенсирует снижение усиления каскада вследствие ухудшения усилительных свойств транзистора.
Конструктивно дроссель высокой частоты - это катушка с одно- или многослойной обмоткой, с ферромагнитным сердечником или без него.
Аналогично потерям энергии в диэлектрике конденсатора, существуют и потери энергии в ферромагнитном сердечнике катушки, и эти потери возрастают с ростом частоты переменного тока.
На некоторой частоте потери достигают определенных неприемлемых для работы величин. Так, феррит 100 НН (с начальной магнитной проницаемостью 100) работает лишь на частотах до 40 МГц, а феррит 600 НН (с начальной магнитной проницаемостью 600) - всего лишь до 2 МГц.
Поскольку дроссель, кроме индуктивности, обладает и собственной (паразитной) емкостью (обычно порядка нескольких пикофарад для однослойных катушек, и нескольких десятков пикофарад для многослойных), на некоторой частоте, называемой критической частотой, он перестает работать как индуктивность, и оттого его собственная емкость должна быть минимальной.
При намотке дросселя на сердечник из феррита марки 600НН или аналогичного, у которого с увеличением частоты уменьшается магнитная проницаемость, с увеличением частоты будет уменьшаться индуктивность дросселя, что повышает его критическую частоту, и дроссель работоспособен в некотором диапазоне частот.
Высокочастотные трансформаторы
Трансформатор - это устройство, состоящее из 2 связанных катушек индуктивности, называемых первичной и вторичной обмотками. Отношение числа витков вторичной и первичной обмоток называется коэффициентом трансформации k=N1/N2, где N1 и N2 - соответственно числа витков в первичной и вторичной обмотке трансформатора.
Разница между высокочастотным трансформатором и низкочастотным трансформатором заключается в отличающейся рабочей частоте, что определяет выбор конструкции.
Ниже схема выходного каскада любительского передатчика на 160 метров.
Высокочастотный трансформатор L2/L3 согласовывает активное сопротивление антенны WA1-1 с цепью нагрузки двухтактного каскада на транзисторах VT1/VT2, для чего в первичной обмотке трансформатора имеется отвод от середины.
Высокочастотный дроссель L4 совместно с конденсатором C3 согласовывает антенну с выходом передатчика (компенсирует реактивное сопротивление антенны).
Катушки индуктивности с отводами
Ниже схема детекторного приемника, обеспечивающего прием местной мощной радиостанции на головные телефоны (наушники).
Катушка L1 с отводами представляет собой своего рода аналог силового автотрансформатора (см. ниже) в области высоких частот. (Термин ВЧ-автотрансформатор встретился нам в одном патенте, широкого распространения он не получил).
Входное сопротивление детекторного каскада зависит не только от неизменного сопротивления нагрузки (высокоомный телефон BF1), но при уровне сигнала ниже 300 мВ еще и от уровня сигнала, что требует согласования входного сопротивления каскада с сопротивлением контура и антенной цепи. Согласование обеспечивается выбором коэффициента трансформации путем перемещения отвода.
Дроссели низкой частоты
Дроссели низкой частоты - это катушки индуктивности с магнитопроводом, используемые в фильтрах питания, низкочастотных фильтрах и цепях коррекции АЧХ.
Основные параметры дросселей фильтров питания - индуктивность, номинальный ток через них, и сопротивление постоянному току. Для увеличения индуктивности дроссели выполняют на магнитопроводе из электротехнической стали П-образной или Ш-образной формы, а чтобы исключить намагничивание сердечника постоянным током (подробнее в уроках о выпрямителях Урок 8, Урок 9 и фильтрах питания Урок 19), магнитопровод делается с воздушным зазором - пластины магнитопровода собираются не вперекрышку (внахлест), а встык, и между П- и Ш-образным магнитопроводом и пластинами перемычек (I) прокладывается немагнитная (бумажная или картонная) прокладка строго рассчитанной толщины (называемой длиной немагнитного зазора).
Примечание: зазор называется воздушным, несмотря на то, что конструктивно он заполнен твердым немагнитным материалом. "Воздушный" он оттого, что магнитная проницаемость материала немагнитного зазора и воздуха незначительно отличается от 1.
Силовые трансформаторы
В радиоаппаратуре силовые трансформаторы применяются в цепях питания для преобразования напряжения. Вес силового трансформатора зависит от его мощности и частоты: с увеличением мощности размеры трансформатора растут, а с увеличением частоты снижаются. В частности, трансформаторы на промышленную частоту 60 Гц меньше трансформаторов, рассчитанных на частоту 50 Гц при той же номинальной мощности.
С этим связано также использование в авиации частоты 400 Гц, а не более низкой. Считается, что при современных материалах еще более выгодным оказалось бы использование частоты 1200 Гц. Ниже фото типичного силового трансформатора бытовой радиоаппаратуры и его принципиальная схема.
Силовые автотрансформаторы
У силового автотрансформатора единая обмотка с двумя концевыми выводами и одним или несколькими выводами в промежуточных точках отвода. Выходное напряжение автотрансформатора прямо пропорционально отношению количеств витков со стороны выхода к общему количеству витков (подключенных к сети).
Существуют типы лабораторных автотрансформаторов (ЛАТРов), позволяющих плавно изменять значение выходного напряжения от 0 до сетевого напряжения (220 В). Это достигается путем перемещения ползунка по поверхности открытой части однослойной обмотки. Витки обмотки наматываются на кольцеобразный ферромагнитный сердечник, по окружности которого вращением ручки ЛАТРа перемещается контактный ползунок.
Ниже схема и внешний вид подобного автотрансформатора.
Сигнальные трансформаторы
Сигнальные трансформаторы применяются в выходных (трансформаторных) каскадах усилителей низкой (звуковой) частоты УНЧ для согласования сопротивления нагрузки, требуемого выходным каскадом (рассчитывается исходя из требований по мощности, допускаемым искажениям и пр.), с сопротивлением фактической нагрузки (головка громкоговорителя, акустическая система - АС).
Иногда сигнальные трансформаторы применяются для связи между каскадами (для повышения напряжения, согласования сопротивлений или получения двух симметричных напряжений). Ниже схема двухтактного УНЧ.
Согласующий трансформатор TV1 служит нагрузкой первого каскада на транзисторе VT1, первичная обмотка с отводом от середины для подачи на базы транзисторов двухтактного выходного каскада на транзисторах VT12 и VT3 напряжений одинаковой величины, но противоположных по фазе.
Трансформатор TV2 выходной, служит для согласования низкого сопротивления громкоговорителя BA1 с требованиями по нагрузке выходного каскада; первичная обмотка с отводом от середины, каждая половина обмотки включена в цепь коллектора одного из выходных транзисторов. Выходные трансформаторы обычно являются понижающими, число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной.
Также, если через первичную обмотку выходного трансформатора протекает значительный постоянный ток, то его следует выполнять с немагнитным зазором.
Экранирование катушек индуктивности, дросселей и трансформаторов
Экранирование катушек индуктивности применяют, чтобы устранить паразитные связи между отдельными колебательными системами и уменьшить влияние внешних магнитных полей. Для этого катушку заключают в экран из специально подобранного материала.
Для защиты входных трансформаторов от наводок электрических полей применяют их экранизацию металлическим футляром из материала с хорошей электрической проводимостью (медь, латунь, алюминий). или футляром из магнитомягкого материала (от магнитных полей).
Для защиты входных трансформаторов от наводок магнитных полей применяют их экранизацию металлическим футляром из магнитомягкого материала, способным замыкать на себя силовые линии магнитного поля (трансформаторное железо, электротехническая сталь, пермаллой).
На рисунке ниже слева и по центру 2 экранированные высокочастотные катушки индуктивности, справа входные трансформаторы студийной аппаратуры НЧ в экранах.