Борьба за добротность катушки индуктивности
Как намотать высокодобротную катушку без ферритового
сердечника в радиолюбительских условиях?
Необузданные гонки за высокими параметрами добротности колебательных контуров не так просты, как могли бы показаться
на первый взгляд.
На предыдущей странице, мы определились, что добротность контура в первую очередь определяется добротностью катушки индуктивности,
а она в свою очередь напрямую связана с сопротивлением потерь и описывается формулой Q=2πfL/Rпот.
Сопротивление потерь – это параметр, связанный не только с потерями в проводах, но и учитывающий потери
в диэлектрике, сердечнике и экране.
– Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи и потерь на гистерезис, связанных с перемагничивание материала
в течение периода.
– Потери в диэлектрике обусловлены как паразитной межвитковой ёмкостью между соседними витками катушки, так и магнитными
свойствами диэлектрика каркаса катушки (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).
– Потери в экране вызываются индуцированием переменным магнитным полем вихревых ЭДС в окружающих проводниках.
Точный расчёт всех перечисленных параметров – дело весьма затруднительное, поэтому, с целью упрощения задачи, обычно учитываются только
потери в проводах, как вносящие основной вклад в общую сумму потерь.
При этом применяются специальные меры по минимизации неучтённых потерь – керамические, или ребристые каркасы, бескаркасные катушки
(с "воздушным" каркасом), отказ от использования сердечника.
А теперь несколько слов о выборе параметра индуктивности катушки для достижения максимальной добротности.
Глядя на формулу, описывающую величину добротности Q=2πfL/Rпот, а так же приведённую на рисунке, можно сделать
преждевременный вывод – добротность катушки линейно растёт с ростом частоты и достигает максимума на частоте собственного
резонанса, когда С минимальна и равна собственной паразитной ёмкости катушки и паразитных емкостей источника, нагрузки и монтажа.
Однако, не всё так просто!
Оказывается, что для достижения максимальной добротности на определённой частоте существует оптимальная величина индуктивности катушки.
При понижении частоты добротность уменьшается, но не линейно, а несколько медленнее, за счёт снижения влияния действия скин эффекта,
гуляющего внутри провода, а при повышении – тоже плавно уменьшается из-за проявляющейся зависимости совокупных паразитных ёмкостей
от частоты (варикапный эффект).
К тому же эти паразитные ёмкости начинают доминировать в общей ёмкости колебательного контура, а образованный ими конденсатор,
как известно, обладает далеко не самым выдающимся параметром добротности.
И в заключение нашего теоретического экскурса всё же не воздержусь и приведу основные факторы, определяющие сопротивление потерь
в проводах катушек на высоких частотах:
1. Омическое (активное) сопротивление проводника постоянному току – классика жанра, рассчитать можно по длине и диаметру провода
на странице ссылка на страницу.
2. Поверхностный эффект, скин-эффект – эффект роста сопротивления провода с ростом частоты. Суть эффекта состоит в вытеснении тока
в поверхностные слои провода, в связи с чем уменьшается полезное сечение проводника и, как следствие, растёт его сопротивление.
3. Эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к части провода,
прилегающей к каркасу.
В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления
проводника.
Думаю, на этом хватит!
Переходим к опытно-практической части дипломной работы: Приготовим закуски и коктейли, накроем стол...
Итак, какой должна быть высокодобротная катушка:
1. Очевидно, что из металла!
Ладно, посмеялись – и будет.
Нам нужен металл с минимальным удельным сопротивлением и с максимально возможным (в пределах разумного) диаметром проводника.
На начальном уровне – медь, на продвинутом – медь с серебряным напылением.
2. Катушка должна быть большой! Опять же, как и в первом пункте – излишний фанатизм не приветствуется.
Однако, помимо размеров катушки, пристальное внимание следует обратить и на форм-фактор – отношение длины к диаметру
металлоизделия.
Опытными мотальщиками было продемонстрировано, что оптимальная по добротности катушка имеет отношение длины к диаметру L/D ≈ 1,
причём изменение этого отношения в пару раз в ту, или иную сторону – к существенному изменению добротности не приводит.
3. Желание минимизировать эффект близости и уменьшить собственную ёмкость катушки сподвигло специалистов к следующему постулату:
оптимальное отношение шага намотки (расстояние между центрами соседних витков) к диаметру провода равно ≈2.
4. И вот теперь главный вопрос радиолюбительства: Сколько мотать витков в оптимизированной катушке для достижения максимальной
добротности?
На вопрос викторины отвечает М. Филатов, досконально изучивший этот предмет в 1976 г. на кафедре конструирования РЭА ФРиС РПИ.
|
Диапазон |
Параметры катушки |
D каркаса
|
|
L, мкГн |
расчётные |
20 мм |
30 мм |
40 мм |
|
10 м |
1,5 |
L нам.(мм) |
10 |
15 |
20 |
|
n (вит.) |
8,5 |
7 |
6 |
|
d пров.(мм) |
0,84 |
1,5 |
2,4 |
|
Q |
472 |
708 |
945 |
|
|
14 м |
2,0 |
L нам.(мм) |
12 |
18 |
24 |
|
n (вит.) |
10,3 |
8,4 |
7,3 |
|
d пров.(мм) |
0,8 |
1,46 |
2,2 |
|
Q |
439 |
660 |
879 |
|
|
20 м |
3,0 |
L нам.(мм) |
12 |
18 |
24 |
|
n (вит.) |
18,7 |
10,3 |
9 |
|
d пров.(мм) |
0,67 |
1,2 |
1,8 |
|
Q |
359 |
538 |
718 |
|
|
40 м |
6,0 |
L нам.(мм) |
14 |
21 |
28 |
|
n (вит.) |
18,7 |
15,2 |
13,2 |
|
d пров.(мм) |
0,53 |
0,66 |
1,46 |
|
Q |
270 |
406 |
542 |
|
|
80 м |
12,0 |
L нам.(мм) |
14 |
21 |
28 |
|
n (вит.) |
26,4 |
21,5 |
18,6 |
|
d пров.(мм) |
0,37 |
0,66 |
1,0 |
|
Q |
191 |
287 |
382 |
|
|
160 м |
24,0 |
L нам.(мм) |
16 |
24 |
32 |
|
n (вит.) |
39 |
32 |
27,5 |
|
d пров.(мм) |
0,31 |
0,53 |
0,8 |
|
Q |
144 |
216 |
288 |
Данная таблица дошла до наших взоров благодаря стараниям латвийского радиолюбителя Юрия Балтина (YL2DX), опубликовавшим её
в далёком 2003 году на своём сайте http://dx.ardi.lv, за что ему большое человеческое спасибо!
Таблица эта – не догма и не абсолютная истина в последней инстанции, однако она позволяет достаточно наглядно пронаблюдать
зависимость параметра добротности катушки индуктивности от диаметра каркаса и толщины провода, а заодно и оценить оптимальное
значение индуктивности для того или иного частотного диапазона.
Поэтому, если Вы всё-таки озадачились намоткой высокодобротного изделия, вооружайтесь информацией, изложенной на этой странице,
доступным каркасом, или оправкой для бескаркасной катушки и бодро шагайте на сайт coil32.ru, где вы найдёте бесплатную, но очень
хорошую программу для расчёта катушек индуктивности, а заодно и массу полезной теоретической информации по всему,
что касается разнообразных намоточных изделий.
А на следующей странице будем мотать высокодобротные катушки на ферритовых кольцах, а также на кольцах из распылённого
железа.
|
