Под влиянием экрана изменяются параметры катушки: уменьшаются индуктивность и добротность, увеличивается собственная емкость. Изменение параметров катушки тем больше, чем ближе к ее виткам расположен экран.
Часто экраны высокочастотных катушек снабжены отверстиями для вращения сердечников или изменения положения одной из катушек, связанных индуктивно. В этих случаях отверстия должны быть минимальными. Прорези следует располагать перпендикулярно к образующей цилиндрического экрана, если катушка расположена соосно с экраном.
Катушки с сердечниками из немагнитных металлов, характеризующиеся высокой стабильностью, применяются в контурах гетеродинов, широкополосных УПЧ в приемниках КВ и УКВ, Материал сердечников — медь, латунь, алюминий и его сплавы. Медные сердечники используются преимущественно для подстройки индуктивности (до 20%), когда вносимые сердечником потери должны быть минимальными. При введении в катушку металлического сердечника индуктивность и добротность уменьшаются, причем индуктивность уменьшается тем больше, чем.больший объем металла вводится и чем больше его проводимость. Добротность уменьшается еще в большей степени, чем индуктивность. Например, введение в катушку медного сердечника, уменьшающего индуктивность на 15%, вызывает снижение добротности на 45%. При введении алюминиевого сердечника, уменьшающего индуктивность на 15%, добротность уменьшается в 3...4 раза. Поэтому алюминиевые сердечники используются в катушках широкополосных контуров для специальных приемников.
При расчете катушек с сердечниками из немагнитных металлов определяют расчетное значение индуктивности катушки без сердечника:
L=Lтр(1+ΔL/L), (3.5)
где Lтр — требуемое значение индуктивности; ΔL/L —относительное изменение индуктивности катушки при введении сердечника.
Катушки с ферромагнитными сердечниками содержат меньшее число витков при заданной индуктивности и отличаются более высокой добротностью и меньшими размерами. Применение ферромагнитных сердечников позволяет уменьшить размеры экранов и упростить подгонку индуктивности. Указанные преимущества полностью реализуются в диапазонах ДВ, СВ и КВ при соответствующем выборе вида сердечника и его материала и малых напряжениях на катушке, например в радиоприемниках. При использовании ферромагнитных сердечников снижается стабильность параметров катушек, кроме того, индуктивность и добротность катушек зависят от амплитуды переменного напряжения на катушке и значения постоянного тока, протекающего через обмотку.
Ферромагнитные сердечники для катушек изготовляются из магнитодиэлектриков и ферритов. При Заданных габаритных размерах катушки следует применять материал сердечника, обладающий наименьшим значением отношения тангенса угла потерь к начальной магнитной проницаемости в диапазоне рабочих частот. Сердечники из ферритов обеспечивают большую добротность катушек, чем сердечники из магнитодиэлектриков. Для стабильных высокочастотных катушек индуктивности рекомендуется применять сердечники из карбонильного железа.
Основные параметры ферромагнитных сердечников. Эффективная магнитная проницаемость μс - отношение индуктивности катушки с сердечником к индуктивности этой катушки без сердечника. Чем больше магнитная проницаемость материала сердечника (измеряется на сердечниках кольцевой формы), ниже частота переменного напряжения на катушке и меньше расстояние между сердечником и обмоткой катушки, тем выше эффективная магнитная проницаемость сердечника.
Добротность характеризует потери, вносимые сердечником в катушку, и равна отношению реактивного сопротивления катушки к вносимому сопротивлению потерь. Измеряется на стандартной катушке.
Относительная добротность сердечника Qотн — отношение добротности катушки с сердечником к добротности этой же катушки без сердечника — характеризует потери, вносимые сердечником в катушку, и может служить мерой определения диапазона рабочих частот. Верхней границей диапазона рабочих частот является частота, при которой относительная добротность уменьшается до единицы. За пределами диапазона рабочих частот применение сердечника целесообразно только для регулировки индуктивности.
Стабильность параметров сердечника характеризуется изменением эффективной магнитной проницаемости и потерь при изменении температуры окружающей среды, влажности воздуха, а также со временем. При изменении температуры изменяется главным образом магнитная проницаемость. Это изменение характеризуется температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТКμс равным относительному изменению μс при изменении температуры на 1° С. Изменение μс с течением времени вызывается старением материала и проявляется особенно резко в начальный период после изготовления сердечника.
3.3 Катушки с цилиндрическими сердечниками
Промышленностью выпускаются цилиндрические сердечники из карбонильного железа и ферритов (рис. 3.1). Резьбовые сердечники используются в цилиндрических одно и многослойных катушках, когда требуется подгонка индуктивности в процессе регулировки аппаратуры, и в качестве элемента подстройки (подстроечника) броневых сердечников. Для этих же целей используются гладкие (стержневые) и трубчатые сердечники с напрессованной резьбовой втулкой из пластмассы. Стержневые сердечники применяются также в дросселях высокой частоты, а трубчатые — в ферровариометрах.
Для тонких катушек, намотанных непосредственно на сердечник, длина которого превышает длину катушки, эффективную магнитную проницаемость сердечника определяют по приближенной эмпирической формуле:
μс=μн/(1+0,84(Dc/lc)1,7(μн-1)), (3.6)
где μн — начальная магнитная проницаемость материала сердечника; Dc— диаметр цилиндрического сердечника; 1с — длина сердечника.
Катушки с тороидальными (кольцевыми) сердечниками характеризуются минимальными размерами, практически полным отсутствием внешнего магнитного поля, что позволяет использовать их без экранов, и сравнительно высокой добротностью (при выборе соответствующих материалов). Недостатки этих катушек сложность намотки, невозможность регулировки индуктивности и пониженная стабильность индуктивности. Катушки с кольцевыми сердечниками применяются в контурах промежуточной частоты малогабаритных приемников, в контурах, перестраиваемых подмагничиванием, в качестве дросселей и т.п.
Выбор материала и типоразмера сердечника для тороидальных катушек определяется требованиями к катушке. При высоких требованиях к стабильности параметров катушки следует применять кольца из альсиферов с компенсированным ТКμн. Размеры кольца выбирают с учетом требований к индуктивности и добротности катушки. Чем больше индуктивность и добротность катушки, тем большими должны быть размеры кольца.
Для намотки катушек с кольцевыми сердечниками следует применять обмоточные провода с повышенной механической прочностью изоляции (с дополнительной, шелковой, изоляцией или изолированных высокопрочными эмалями). Намотку выполняют при помощи шпули, на которую предварительно наматывают провод. Перед намоткой кольцо следует обмотать лентой из лакоткани.
Индуктивно связанные катушки используются для магнитной связи между колебательными контурами, между антенной (или антенным фидером) и входным контуром приемника, в межкаскадных связях, в качестве широкополосных трансформаторов, и т.п. Для обеспечения магнитной связи между катушками их наматывают на общий каркас (или сердечник) либо располагают рядом так, чтобы их оси были параллельны. Отклонение от этого условия приводит к уменьшению связи.
Степень магнитной связи между катушками характеризуется взаимной индуктивностью, которая зависит от числа витков катушек, их формы и размеров.
Ферровариометры (вариометры с ферромагнитными сердечниками) применяются в качестве элементов настройки колебательных контуров, например, в автомобильных приемниках. Ферровариометр (рис. 3.2) состоит из цилиндрической катушки, внутрь которой вдвигается сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью, например из феррита. Катушка размещается внутри цилиндра из ферромагнитного материала.
Коэффициент перекрытия ферровариометра тем больше, чем больше магнитная проницаемость материала сердечника и чем ближе он расположен к виткам катушки. Если использовать ферритовый сердечник, можно получить коэффициент перекрытия 25...30 и больше. Следует выбирать сердечники, у которых длина в 5...10 раз больше диаметра, а диаметр сердечника меньше наружного диаметра каркаса катушки на 0,5....! мм.
Ферровариометры могут использоваться для одновременной перестройки нескольких колебательных контуров. При этом сопряжение настроек контуров преселектора приемника и гетеродина обычно достигается включением дополнительных сопрягающих катушек индуктивности. В этом случае ферровариометры преселектора и гетеродина идентичны. Сопряжение может также достигаться применением сердечников различных форм и размеров или катушек с разным расположением витков.