Борьба за добротность катушки индуктивности.
Как намотать высокодобротную катушку без ферритового сердечника в радио-
любительских условиях?
Необузданные гонки за всё более 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, что касается выбора 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.
Источник
Каркас для катушки индуктивности своими руками
При конструировании радиопередатчиков известную сложность представляет исполнение катушек выходной колебательной системы. В диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ необходимо реализовать высокодобротные индуктивности в десятки и сотни микрогенри при уровнях мощности в десятки и сотни ватт. Предложенная конструкция позволяет в домашних условиях, буквально из подручных материалов, с помощью старого ножовочного полотна, напильника и дрели изготовить прочные изоляционные каркасы, в которых количество материала в магнитном поле катушки минимально, что удовлетворяет требованиям получения высокой добротности: катушки получаются почти воздушные.
Материалом для каркасов являются обрезки листового, полуторамиллиметрового нефольгиро-ванного стеклотекстолита (с фольгированного — фольгу надо снять), из которых уже не сделаешь печатную плату, но выбросить жалко. Размечаем детали штангенциркулем, вырезаем резаком, заточенным из куска старого ножовочного полотна, дорабатываем края личным напильником, сверлим отверстия, склеиваем детали эпоксидной смолой. После суток сушки мотаем катушки! Каркасы особенно хороши для диапазонов НЧ и СЧ (длинные и средние волны), когда катушки надо мотать литцендратом большого сечения (ЛЭШО 28 х 0,1; ЛЭШО 49 х 0,1 или двойным литцендратом с ручной перевивкой, к примеру, 3 х ЛЭШО 28 х 0,1 или даже 7 х ЛЭШО 49 х 0,1).
Из многолетней практики разработки и конструирования радиопередатчиков, предлагаю использовать форму катушки с длиной намотки l близкой к диаметру D в шести типоразмерах каркасов: КР25 х 27; КР30 х 32; КР35 х 44; КР45 х 52; КР55 х 67 и КР65 х 77, что означает (КР D х lmax — Каркас Ребристый Диаметр D х Максимальная длина намотки lmax). Возможно также продолжение ряда в сторону увеличения размеров для диапазона НЧ (137 кГц) с сохранением предлагаемых соотношений D х lmax . Однако, для больших размеров уже придется взять стеклотекстолит толщиной 2 мм и ширину планок сделать 7,5 мм и более.
Индуктивность катушки с точностью до 5% можно рассчитать по известной формуле (формула завышает индуктивность катушки): L[мкГ] = 0,001 D n2 / (l / D + 0,44), где размеры выражены в миллиметрах, а n – число витков.
Все остальное ясно из рисунков.
Щечки каркасов КР25 х 27 и КР30 х 32 выполнены с «ушками» и одной плоской стороной, чтобы намотанную катушку было удобно крепить на печатной плате транзисторного передатчика.
Каркасы КР35 х 44; КР45 х 52; КР55 х 67 и КР65 х 77 выполнены с круглыми щечками для самостоятельного крепления на стойках с помощью отверстий под винты М3. Обращаю внимание, что катушки в передатчиках надо крепить с помощью латунных винтов, гаек и шайб. Использование стального крепежа приведет к его разогреву ВЧ полем и снижению КПД передатчика. Также надо учитывать, что приближение торца катушки к металлической панели начиная с расстояния D / 2 сильно уменьшает индуктивность (образуется короткозамкнутый виток в материале панели). При использовании стального шасси желательно, чтобы катушки отстояли от его стенок и панелей на расстояние не менее своего диаметра.
В каркасах КР45 х 52; КР55 х 67 и КР65 х 77 предусмотрена возможность установки планок наоборот и тем самым увеличения диаметра намотки на 2,5 мм, то есть, 47,5; 57,5; 67,5 мм, соответственно. Это может пригодиться при точной подгонке индуктивности в тех же габаритах катушки.
Впрочем, если лень работать резаком и напильником, эти чертежи можно отдать на любую фирму по изготовлению печатных плат, и тогда через пару-тройку недель вы получите вот такие деталюшки, ровно, точно и красиво выпиленные в едином листе стеклотекстолита.
Выломав детали каркаса из листа и, все-таки, обработав крепежные отростки напильником, после склейки получите вот такой замечательный каркасик (на примере КР35 х 44):.
А на этом снимке показана катушка П-контура маломощного (10 Вт) АМ передатчика 200-т метрового диапазона средних волн, намотанная на каркасе КР35 х 44 проводом ПЭТВ-1,0.
Далее – на правах рекламы:
Как Вы, наверное, догадались, я, конечно, отдал эти чертежи на московскую фирму, которая, помимо всего прочего, хорошо делает печатные платы и по вполне приемлемым ценам:
Фирма МЭЛТ, www.melt.com.ru, телефон: +7 495 662 4414, E-mail: sales@melt.com.ru
Вы можете заказать у них эти каркасы, но… лишь в больших (оптовых) количествах – десятки, сотни. Ну, не выгодно производителям запускать производство ради одной или двух плат. Ну, хотя бы большой стандартный лист стеклотекстолита уложить заказанными конструктивами.
Впрочем, для радиокружка, в самый раз заказать 50 – 100 штук. Как только радиолюбители эти каркасы «распробуют», они начнут пользоваться большим спросом и все незаметно уйдут в дело.
Если же Вам хочется приобрести мелкий опт или даже две-три заготовки для таких каркасов, да еще, чтобы их Вам выслали бандеролью по почте, тогда стоит обратиться в компанию «Чип-набор»: www.chipnabor.ru, телефон: +7 916 080 2446, E-mail: nabor@inbox.ru
В компаниях МЭЛТ (опт) и «Чип-набор» (единично) можно также приобрести печатные платы для синтезатора С9-1449-1800, опубликованного в «Радио» № 9, 10 за 2012 г.
Источник
