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 техническогозадания
1.1 Анализ условий эксплуатации
1.2 Обоснованиедополнительных требований и параметров
2. Обзор аналогичныхконструкций
3. Электрический иконструкторский расчет
3.1 Выбор материала иобоснование конструкции
3.2 Расчет числа витков
3.3 Расчет оптимального диаметрапровода
3.4 Расчет фактическихпараметров катушки
3.5 Расчет добротностикатушки
3.6 Расчет температурногокоэффициента индуктивности
4. Описание конструкции
Паспорт катушки индуктивности
Выводы
Список использованнойлитературы
Приложение
Введение
Катушкаиндуктивности относится к моточным изделиям радиоэлектронных средств и являетсяважным элементом, без которого не может обойтись большая часть радиоэлектронныхустройств. Функционирование катушки индуктивности определяется эффектомвзаимного перехода энергии электрического поля источника напряжения,приложенного к ее выводам, в энергию магнитного поля, охватывающего контуркатушки, и обратно под действием протекающего по контуру катушки электрическоготока. Величина индуктивности определяется конструкцией токопровода и егоразмерами.
В настоящеевремя четко прослеживается процесс миниатюризации электронных средств, чтотребует создания миниатюрных катушек индуктивности. Однако уменьшение размеровкатушек встречает определенные трудности, связанные с увеличением потерь вэлементах конструкции и уменьшении добротности при уменьшении габаритов. Вотдельных случаях, где это возможно, катушки индуктивности заменяют иханалогами – элементами на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и гираторами– специальными радиоэлектронными схемами, в которых определенными мерамисоздается отставание на /> тока в гираторе по отношению кприложенному к нему напряжению.
Очевидно, чтополный отказ от применения катушек индуктивности при производстверадиоэлектронной аппаратуры невозможен. Поэтому перспективы развития катушекиндуктивности связаны с разработкой новых материалов, имеющих высокиеэлектромагнитные свойства и стабильность, превосходящие существующие, а такжеразвитием конструкции и технологии изготовления этих изделий. В данном курсовомпроекте будем проектировать экранированную катушку индуктивности.
1. Анализтехнического задания
Заданиемданного курсового проекта является проектирование экранированной катушкифильтра промежуточной частоты (ФПЧ) диапазона УКВ бытового приёмника соследующими параметрами:
Индуктивность,мкГн – 215
диапазонрегулировки индуктивности, % – />5
рабочаячастота, МГц – 0.5
обеспечитьтемпературную стабильность
годоваяпрограмма выпуска, тыс. шт. – 10000
Даннаявеличина индуктивности и подстройка ее величины в интервале от 204,75 мкГн до225,75 мкГн (/>5%) может быть реализованаоднослойной намоткой на каркас с магнитным сердечником, изменяя положениекоторого относительно обмотки можно достичь указанных пределов изменения индуктивности.
1.1 Анализусловий эксплуатации
Условияэксплуатации по УХЛ 4.2 предусматривают работу изделия в диапазоне температурот /> до />.
Для выборанаправления проектирования произведем обзор аналогичных конструкций. Общиенормы климатических воздействий на РЭА для исполнения УХЛ приведены в таблице1.1.
Таблица 1.1 –Общие нормы климатических воздействий на РЭАИсполнение
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
Проектируемаякатушка должна выдерживать нормативные воздействия, приведенные в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Бытовая РЭА. Нормы климатических имеханических воздействий для 1-й группыВид 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
1.2Обоснование дополнительных требований и параметров
Для намоткикатушки индуктивности используем стандартный цилиндрический каркас изполистирола с внешним диаметром /> и внутренней резьбой. Подстройкуиндуктивности в пределах />5% будем осуществлять продольнымперемещением сердечника относительно обмотки катушки путем его вращения внутрикаркаса.
В качестве сердечникаиспользуем цилиндрический стержень из феррита 600 НН, рабочий диапазон частоткоторого находится в пределах 0,2-7 МГц, предназначен для применения врадиотехнических устройствах. Феррит не обладает значением тангенса угладиэлектрических потерь, практически неизменной магнитной проницаемостью врабочем диапазоне частот и хорошей температурной стабильностью.
Тип намоткикатушки выбираем сплошной (виток к витку) однослойный.
Для нанесенияпровода на каркас используем метод горячей намотки (разогретым проводом).Данный метод намотки повышает механическую прочность катушки, улучшает ее временнуюи температурную стабильность.
Закреплениевыводов катушки на каркасе будем осуществлять пайкой к луженным латуннымвыводам, запрессованным в основание каркаса при изготовлении.
Дляэкранирования 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. Обзораналогичных конструкций
Конструктивноеразнообразие катушек индуктивности весьма велико.
Катушкииндуктивности могут быть классифицированы по следующим признакам:
— похарактеру индуктивности – постоянные, переменные и подстроечные;
— поконструктивному исполнению – объемные (цилиндрические) и плоские (печатные);
— по наличиюэкрана – экранированные и неэкранированные;
— по типуэкрана – электростатический, магнитный, электромагнитный, немагнитный(защитный);
— по наличиюсердечника – с сердечником и без сердечника;
— по типусердечника – постоянный, построечный (перемещаемый);
— поматериалу сердечника – магнитный и немагнитный;
— посвойствам магнитного сердечника – магнитотвердый и магнитомягкий;
— по режимуработы сердечника – с насыщением и без насыщения;
— по наличиюкаркаса – каркасные и бескаркасные;
— по типуисполнения обмотки – однослойные сплошные, однослойные с шагом намотки,многослойные, секционные, “универсаль”, пирамидальные, внавал и т.д.
Отечественнойпромышленностью выпускается достаточно много радиоприемников с УКВ диапазоном исуществует масса аналогичных конструкций подобных катушек индуктивности, весьмаподробно описанных в справочной литературе, например [1,2]. Накопленный опыт загоды производства радиоприемников выражается в использовании:
— цилиндрическихкаркасов с внутренней резьбой, составляющих с основанием квадратного профиля 10/>10 мм единоецелое и прессуемых из специальных пресс-материалов типа ДСВ-2Р-2М, полистиролаи т.п., квадратный профиль основания позволяет повысить плотность монтажа ВЧ-ПЧблока радиоприемника и уменьшить его габариты, используемый диаметр каркаса –6,8 мм, высота корпуса катушек с основанием/>18-40 мм, латунные луженые выводызапрессовываются в основание каркаса при изготовлении;
— обмоточногомедного провода круглого сечения диаметром/>0,12-0,25 мм марок ПЭВТЛ-1,ПЭВТЛ-2, позволяющего осуществить быструю и легкую зачистку и лужение выводовпутем погружения их в ванночку (тигель) с расплавленным припоем;
— цилиндрических подстроечных сердечников из феррита марки 600НН диаметром 2,8 мми длинной 12 мм, запрессованных одним концом в такой же пресс-материал,наружная цилиндрическая поверхность которого формируется в виде винта с соответствующейрезьбой под каркас;
— металлических электростатических экранов, большей частью из алюминия, реже измеди или латуни с гальваническим покрытием;
— количествавитков от 20 до 40.
3.Электрический и конструкторский расчет
Процесспроектирования катушки индуктивности состоит из:
— выбораматериала и обоснования конструкции;
— расчетачисла витков;
— определенияконструктивных размеров и уточнения электрических параметров конструкции.
3.1 Выборматериала и уточнение конструкции
Материал дляизготовления обмотки катушки индуктивности должен удовлетворять следующимтребованиям:
— низкоеудельное сопротивление для минимизации влияния на протекающий электрическийток;
— малыекоэффициенты линейного и объемного расширения для обеспечения высокойтемпературной стабильности геометрических размеров катушки, а, следовательно, ииндуктивности;
— низкаястоимость (годовая программа выпуска 50000 шт.).
Согласносправочным данным, наиболее подходящим материалом для изготовления обмоткикатушки индуктивности является медь, имеющая:
удельноесопротивление />,
коэффициентлинейного расширения /> [3, табл. П.1].
Глубинаскин-слоя для частоты 0.5 МГц составляет:
/> (3.1)
Дляисключения влияния скин-эффекта на добротность катушки индуктивности иисключения разрывов материала при намотке катушки и монтаже выводов, выбираеммедный обмоточный провод круглого сечения типа ПЭВ-1 диаметром 0,25 мм [3,табл. П.2]. Данная марка провода позволяет легко осуществить очистку и лужениевыводов путем погружения их в ванночку (тигель) с расплавленным припоем.
3.2 Расчетчисла витков
Расчет числавитков однослойной экранированной катушки с магнитным сердечником производим пометоду, изложенному в [3].
Длясердечника из феррита 600НН с начальной магнитной проницаемостью /> [3, таблица П.3]находим соответствующее значение относительной магнитной проницаемости /> [3, табл.П.4].
По заданномузначению индуктивности /> определяем расчетное значениеиндуктивности /> катушки без сердечника с учетомтребуемой подстройки +5%
/> (3.2)
Помещениекатушки в экран приводит к уменьшению ее индуктивности и добротности иувеличению собственной емкости. Поэтому при расчете индуктивности катушкинеобходимо учесть влияние экрана. Учет влияния экрана производится с помощьюкоэффициента />, который является функциейсоотношения диаметра катушки и диаметра экрана. Для обеспечения стабильностииндуктивности это соотношение должно выбираться из условия /> Чрезмерное увеличениеданного соотношения приведет к возрастанию габаритов изделия, поэтому принимаемвеличину соотношения равной /> При этом диаметр экрана будетсоставлять:
/>
Поскольку былвыбран экран квадратного сечения, то размер стороны экрана будет равен:
/> (3.3)
/>
где />– коэффициентформы.
Второйвеличиной, оказывающей влияние на коэффициент />, является параметр />, в свою очередьявляющийся функцией соотношения длины обмотки катушки /> и диаметра намотки />. Для экранированныхкатушек оптимальным является соотношение /> из [3]. Для соотношения /> по графику [3,рис. П.1] находим значение /> Определяем значение коэффициента />:
/> (3.4)
/>
Расчетноезначение индуктивности с учетом влияния экрана:
/> (3.5)
/>
Длякомпенсации влияния экрана расчетное значение индуктивности должно составлять:
/> (3.6)
/>
3.3 Расчетоптимального диаметра провода
Для намоткикатушки выбираю провод ПЭВ-1 диаметром 0,25 мм без учета изоляционногопокрытия. Определим диаметр данного провода в изоляции [3, табл. П.5]
/> (3.7)
/>
Коэффициент неплотности/> дляданного значения /> [3, табл.П.6] равен />
Определимчисло витков катушки, приходящихся на единицу длины намотки />:
/> (3.8)
/>
Вычислимпараметр /> определяющийсоотношение длины и диаметра намотки:
/> (3.9)
/>
По графику[3, рис.П.2] определяем для /> значение />,
Длина обмоткикатушки будет составлять:
/> (3.10)
/>см
Число витковкатушки будет равно:
/> (3.11)
/> витка.
3.4 Расчетфактических параметров катушки
При сплошнойнамотке фактическая геометрическая длина катушки будет равна:
/> (3.12)
/>
Фактическоесоотношение /> приэтом составляет:
/>
По графику[3, рис. П.3] находим значение поправочного коэффициента /> для />, которое будет равно />.
Определяемфактическую расчетную индуктивность катушки:
/> (3.13)
/>
Рассчитываемскорректированное число витков:
/> (3.14)
/> витков
Принимаемскорректированное число витков равным 35. Для скорректированного числа витковфактическая расчетная индуктивность катушки будет равна:
/>
аскорректированная длина намотки:
/>
Минимальноезначение индуктивности с учетом подстройки будет составлять:
/>
Минимальноерасчетное значение индуктивности при этом будет равно:
/>
С учетомвлияния экрана это значение уменьшится до величины:
/>
Расчетоптимального диаметра провода производится графоаналитическим методом. Пографику (из [3], рисунок П.4) для отношения /> и числа слоев /> определяем значениепоправочного коэффициента />.
Определяемвспомогательный коэффициент />:
/> (3.15)
/>
Вычисляемвспомогательный параметр />:
/> (3.16)
/>
По графикурис. 4-16 Z=2
Рассчитываемоптимальный диаметр провода:
/> (3.18)
/>
Полученноезначение округляем к стандартному 0,27мм, который и принимаем как окончательнуювеличину.
3.5 Расчетдобротности катушки
Для расчетадобротности катушки необходимо предварительно определить суммарное сопротивлениепотерь катушки, вычисляемое по формуле:
/> (3.19)
где />– сопротивлениепровода току высокой частоты, Ом;
/>– сопротивлениепотерь, вносимое экраном, Ом;
/> –сопротивление потерь, вносимое сердечником, Ом;
/>– сопротивлениепотерь в диэлектрике каркаса, Ом.
Определимкаждую составляющую сопротивления потерь />.
Сопротивлениепровода току высокой частоты:
/> (3.20)
/> Ом
Сопротивлениепотерь, вносимое экраном:
/> (3.21)
/> Ом
Ферритовыйсердечник не имеет потерь, поэтому он не вносит сопротивления.
Длявычисления сопротивления потерь, обусловленного потерями в материале каркаса,необходимо предварительно рассчитать значение емкости />:
/> (3.24)
/>
Для расчетаемкости через диэлектрик /> потребуется коэффициент />, значениекоторого для провода круглого сечения на гладком каркасе составляет />=0,08, иотносительная диэлектрическая проницаемость полистирола, из которогоизготавливается каркас, равная /> Определяем значение />:
/> (3.25)
/>
Рассчитаемсопротивление потерь, обусловленное диэлектрическими потерями в материале каркаса:
/> (3.26)
где />– тангенс угладиэлектрических потерь для полистирола (из [3], таблица П.7).
/> Ом
Такимобразом, суммарное сопротивление потерь катушки индуктивности будет составлять:
/>
Определяемзначение добротности катушки индуктивности:
/> (3.27)
/>
3.6Определение температурного коэффициента индуктивности
Температурныйкоэффициент индуктивности (ТКИ) представляет собой сумму нескольких слагаемых иопределяется по формуле:
/> (3.28)
где />–высокочастотная составляющая, учитывающая влияние эффекта близости, />
/>– составляющая,вносимая сердечником, />
/>–геометрическая составляющая, />
/>– составляющая,вносимая емкостью через диэлектрик, />
/>– составляющая,вносимая экраном, />
Воздействиетемпературы приводит к изменению удельного сопротивления материала обмотки. Врезультате происходит изменение глубины проникновения тока высокой частоты, чтоэквивалентно изменению диаметра витка обмотки. Данная высокочастотнаясоставляющая ТКИ определяется через добротность катушки для значениякоэффициента /> для провода круглого сечения [3].
/> (3.29)
/> />
СоставляющаяТКИ />,вносимая магнитным сердечником, определяется как:
/> (3.30)
где />– коэффициентиспользования магнитной проницаемости,
/>/>– температурныйкоэффициент изменения магнитной проницаемости карбонильного железа марки Р100.Тогда составляющая /> ТКИ будет равна:
/> />
Геометрическаясоставляющая ТКИ рассчитывается по формуле:
/>(3.31)
где />– ТКЛРдиаметра,
/>– ТКЛР длины,
/>
Поскольку дляизготовления катушки был выбран метод горячей намотки, то /> и формула длягеометрической составляющей ТКИ приобретает вид:
/> (3.32)
В данномслучае /> являетсяТКЛР диаметра полистирольного каркаса, а ТКЛР полистирола /> />. Таким образом />=/>/>.
СоставляющаяТКИ />,вызываемая изменением собственной емкости, рассчитывается по формуле:
/> (3.33)
где />– температурныйкоэффициент диэлектрической проницаемости каркаса (полистирола), равный /> (из [3],таблица П.8);
С – полнаяемкость контура, равная
/> (3.34)
/>
Рассчитываемвеличину />:
/> />
СоставляющаяТКИ />,обусловленная влиянием экрана, вычисляется по формуле:
/> (3.35)
где />– ТКЛРматериала 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
/> />
ТКИпроектируемой катушки является суммой всех рассчитанных компонентов:
/>/>
4.Описание конструкции и технологии
Катушкаиндуктивности состоит из провода, которым является медный обмоточный проводмарки ПЭВТЛ-1-0,25 намотанного на каркас из полистирола с длиной намотки 12,3мм и использованием метода “горячей намотки”; сердечника из феррита 600НН,которым производится подстройка индуктивности в заданных пределах. Для защитыкатушки от внешних электрических полей, влияния окружающей среды, и защиты отмеханических повреждений используется электростатический алюминиевый экранквадратного сечения размерами 25/>25/>18 мм. Выводы катушки механическизакрепляются на контактных ножках и припаиваются припоем ПОС-61. Согласнотехническому заданию годовая программа выпуска катушек индуктивности составляет10000 штук, что соответствует массовому производству, значит возможноиспользовать полуавтоматизированное производство.
Паспорт катушкииндуктивности
Фактическаяиндуктивность
— максимальная, мкГн 225,75
— минимальная, мкГн 204,75
Возможноеотклонение от фактической величины, />5
Добротность 243,4
Температурногокоэффициента индуктивности 1/град. 55,2 10-6
Количествовитков 35
Тип провода ПЭВТЛ-1-0,25
Сердечник феррит600НН
Диаметркаркаса, мм 12
Длинанамотки, мм 12,3
Условияэксплуатации (ГОСТ 15150-69) УХЛ 4.2
Механическиеусловия эксплуатации (ГОСТ 15230-69) УХЛ 4.2
Выводы
В процессерасчета катушки индуктивности была определена ее конструкция, сборочный чертежкоторой помещен в приложении. Величина индуктивности катушки может изменяться впределах 214,75…225,75 мкГн, что конструктивно обеспечивается перемещениемсердечника относительно обмотки. Катушка обладает хорошей добротностью (/>) и ТКИ (/>/>). Конструкция катушкииндуктивности очень проста. Это дает возможность свести к минимуму количествосборочных операций, что весьма необходимо для массового производства при годовойпрограмме выпуска 1000 штук. Таким образом, поставленная в техническом заданиизадача решена.
Списокиспользованной литературы
1. ПолонскийН.В. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА.- М.: Сов. радио, 1975. –323с.
2. РогинскийВ.Ю. Экранирование в радиоустройствах.- Л.: Энергия, 1969.- 112с.
3. БландоваЕ.С. Индуктивные элементы. — М.: Высш.шк., 1985. – 405с.
4. ВасильеваЛ.С. и др. Катушки индуктивности аппаратуры связи. – М.: Связь. – 1973.
5. ПолонскийН.Б. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА.
6. РогинскийВ.Ю. Экранирование в радиоустановках. Л.: Энергия, 1969. – 112с.
7. Справочныйматериал на магнитные материалы и магнитопроводы. ж.Радио" №3, №10/2001,№6/2000.
8. КостиковВ.Г. и др. источники электропитания электронных средств. Схемотехника иконструирование: Учебник для вузов. — 2-е изд. – М.: Горячая линия –Телеком, 2001. – 344с.
9. ГорскийА.Н. Расчет электрических элементов источников вторичного электропитания. – М.:Радио и связь, 1998.
10. РедЭ. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. Пер. с нем.– М.: Мир,1990. –256с.
11. ВолговВ.А. Детали и узлы РЭА.- М.: Энергия, 1977.- 623с.