создавать алюминиевые конденсаторы на рабочее напряжение до 500 В, а танталовые - до 100-150 В.

Промышленность выпускает много типов электролитических алюминиевых конденсаторов.

Параметры алюминиевых электролитических конденсаторов зависят от частоты, особенно при отрицательных температурах: емкость на частоте 5 кГц может составлять несколько процентов относительно емкости при положительной температуре и частоте 50 Гц. При частоте 10 кГц конденсаторы практически теряют емкость. С понижением температуры и увеличением частоты очень резко возрастают потери в конденсаторах.

Если электролитический конденсатор используется в схеме, которая должна работать в широком диапазоне частот, то параллельно ему следует ставить конденсатор другого типа, емкость которого обеспечивает правильную рабдту схемы при повышении частоты.

Большую емкость при малых габаритах имеют танталовые конденсаторы (К51 и К52). Пленка окиси тантала имеет е = 25, что превышает диэлектрическую проницаемость окиси алюминия в 2,5 раза. Значительное увеличение удельной емкости на единицу объема получается при использовании объемно-пористого анода, который изготавливают из порошка тантала .методом спекания. За счет пористой структуры поверхность электрода увеличивается, что позволяет получить при малых габаритах конденсаторы с большим значением емкости (10-1000 мкФ) при рабочем напряжении порядка 90-6 В. Такое малое рабочее напряжение не является препятствием к широкому применению конденсаторов, так как в современной микроминиатюрной радиоэлектронной аппаратуре часто используются источники питания с напряжением 5 В.

Многие танталовые конденсаторы можно использовать при температуре окружающего воздуха от -60 до + (150-200) °С.

Улучшенными характеристиками в сочетании с малыми габаритами обладают оксидно-полупроводниковые конденсаторы (К53). Такой конденсатор состоит из объемно-пористого анода, покрытого слоем полупроводника, на который нанесен контактный проводящий слой. Оксидно-полупроводниковые конденсаторы в меньшей мере, чем другие, теряют емкость при понижении температуры и могут использоваться при более высоких частотах.

Выбор типа конденсатора. Чтобы выбрать конденсатор для какой-то конкретной схемы, нужно проанализировать условия работы конденсаторов (напряжение в схеме, температуру и влажность окружающего воздуха и т. д.), а также требования, предъявляемые к его параметрам. После этого, пользуясь справочниками, следует определить номенклатуру интересующих нас конденсаторов, разрешенных к применению в данной категории радиоэлектронной аппаратуры. Анализируя параметры этих конденсаторов, приведенные в ТУ, нужно подобрать такой конденсатор, характеристики которого удовлетворяют предъявленным требованиям. При этом следует учитывать, что надежность конденсатора очень зависит от условий работы. Так, средний срок службы конденсатора связан со значением приложенного напряжения зависимостью

Т-ср - A/V , (6.8)

где и - приложенное напряжение; А и т - коэффициенты, зависящие от марки диэлектрика и конструкции конденсатора (для бумажных конденсаторов т<=5, для керамических т 8).

Из этой формулы следует, что при прочих неизменных условиях снижение в 2 раза напряжения, приложенного к бумажному конденсатору, увеличивает средний срок службы примерно в 32 раза.

Связь между средним сроком службы и температурой окружающей среды выражается формулой

Г,р С 10 (6.9)

где С и В-коэффициенты (для бумажных конденсаторов 55000); t - окружающая температура, °С.

Из этой формулы следует, что снижение температуры окружающего воздуха с 70 до 60°С увеличивает средний срок службы примерно в 3 раза.

На основании изложенных причин конденсатор следует подбирать так, чтобы фактическое напряжение на нем и температура окружающей среды были меньше предельных значений, установленных техническими условиями.

БЫСОКОЧАСТОтаЫЕ ИНДУКТИВНЫЕ КАТУШКИ

§ 7.1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИНДУКТИВНЫХ КАТУИ1ЕК

Индуктивные катушки по конструкции подразделяют на ряд групп: каркасные и бескаркасные, с сердечниками и без сердечников, экранированные и неэкранированные.

Свойства каждой катушки характеризуют следующие параметры:

1. Номинальная индуктивность и ее допустимые отклонения. Применяемые в радиоаппаратуре высокочастотные катушки имеют индуктивность от долей микрогенри до десятков и сотен миллигенри. Точность индуктивности может меняться в широких пределах (от долей до десятков процентов), так как она зависит от функций, которые катушка выполняет в схеме аппарата. При серийном производстве можно обеспечить изготовление катушек с отклонением индуктивности от номинального значения порядка 1-2%.

2. Возможность изменения индуктивности в процессе регулировки аппарата. Во многих случаях нельзя обеспечить необходимые параметры аппарата при приемлемой с точки зрения серийного производства точности изготовления катуШек, конденсаторов и других элементов схемы. В этих случаях в катушку вводят специальные сердечники, с помощью которых индуктивность может быть изменена до требуемого значения в процессе регулировки аппарата или при изготовлении катушки.

3. Добротность катушки. Этот параметр наиболее существенно влияет на свойства схемы, если катушка используется в качестве элемента

резонансного контура. Применяемые в радиоаппаратуре катушки имеют доброт--ность порядка 30-200.

4. Собственная емкость катушки. Между отдельными витками катушки, д^гТка - У сердечником,

L - индуктивность; С„ - емкость; ВИТКЗМИ И ЭКраНОМ, ВИТКаМИ И ДруГИМИ

(/- сопротивление потерь в проводе ЭЛеМеНТаМИ КОНСТРУКЦИИ СущССТВуЮТ ЭЛС-

намотки; га-свпротивлеиие потерь мСНТарНЫС раСПрСДеЛеННЫе еМКОСТИ, КО-в диэлектрике собственной емкости

торые МОЖНО заменить одной эквивалентной емкостью, подключенной к началу и концу провода обмотки. Эту эквивалентную емкость называют собственной емкостью катушки Со. Эквивалентная схема катушки с учетом собственной емкости приведена на рис. 7.1.

В зависимости от конструкции катушки собственная емкость может составлять доли или десятки пикофарад.

5. Температурная стабильность индуктивности. При изменении температуры окружающего воздуха происходит изменение размеров каркаса, провода катушки, а значит, и изменение расстояния между витками и ряд других явлений, в результате которых изменяется индуктивность катушки.

Если после окончания температурного воздействия индуктивность катушки возвращается к своему первоначальному значению, то такое изменение называют обратимым (цикличным).

Обратимое изменение характеризуется температурным коэффициентом индуктивности

TKL = AL/(LAt), (7.1)

где AL -изменение индуктивности при изменении температуры на А t°C; L - значение индуктивности катушки при нормальной температуре окружающего воздуха.

Применяемые в радиоаппаратуре катушки имеют TKL не меньше (5--10) 10-

Если значение индуктивности не возвращается к исходному после окончания температурного воздействия, то такое изменение называют необратимым. Необратимое изменение характеризуется коэффициентом температурной нестабильности индуктивности:

KTHL = (L2 -Z )/L (7.2)

где L 1 - значение индуктивности катушки до испытаний; L 2 - значение индуктивности после окончания температурного воздействия.

Необратимые изменения происходят из-за остаточных деформаций в элементах конструкции или из-за остаточных изменений параметров материалов.

6. Допустимые условия эксплуатации. Значения положительной и отрицательной температур, относительной влажности воздуха, частоты вибрации и перегрузок, при которых параметры катушки сохраняются в установленных пределах.

7. Габариты и масса катушки.

§ 7.2. ТИПЫ ОБМОТСЖ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ КАТУШЕК

Обмотки индуктивных катушек могут быть однослойные, многослойные и плоские спиральные

Катушки с однослойной обмоткой. Однослойная катушка представляет собой провод, намотанный на поверхность каркаса в один слой по винтовой линии. Витки обмотки располагаются плотно, виток к витку, или на некотором расстоянии др>т от друга. В первом случае обмотку называют сплошной, во второй - с шагом.

Обмотку однослойных катушек выполняют на гладких каркасах, на каркасах с канавкой, расположенной по винтовой линии, на каркасах с ребрами или без каркаса (рис. 7.2).

В последнем случае для изготовления катушек применяют провод диаметром 1-1,5 мм и более, а количество витков составляет 5-10. Применение провода меньшего диаметра или увеличение числа витков крайне нежелательно, так как это уменьшает жесткость и нарушает стабильность катушек. -

При использовании керамических каркасов, обладающих высокими диэлектрическими свойствами, токопроводящий слой иногда выполняют из серебра, нанесенного методом вжигания.

Фактически при сплошной обмотке нельзя уложить провод без зазора, и расстояние между осевыми линиями двух соседних витков (шаг намотки т) оказывается несколько больше, чем диаметр провода в изоляции (/ 3. Шаг обмотки зависит от диаметра провода:

т = ad ,

(7.3)

где а - коэффициент неплотности обмотки, значения которого зависят от диаметра провода (а= 1,05 1,3); d - диаметр провода в изоляции.

Под длиной обмотки однослойной катушки / понимают расстояние между осевыми линиями двух крайних витков:

Рис. 7.2. Индуктивная катушка с

однослойной обмоткой: а - на гладком каркасе (сплошная намотка); б - иа каркасе с ребрами; в - на каркасе с канавками; г - с токопроводящий слоем, выполненным методом металлизации керамики: / - керамический каркас; 2 - слой серебра; д - бескаркасная

/ = т (N - 1) .

(7.4)

Здесь N - число витков. /

Наружный диаметр катушки

Z)=2)o + 2 3, (7.5)

где Do - диаметр каркаса.

Для однослойных катушек с достаточной для практики точностью можно считать D <Do.

Катушки с многослойной обмоткой. Многослойные катушки имеют рядовую обмотку или обмотку внавал . В первом случае витки располагают правильными рядами, а во втором - беспорядочно.

Размеры, характеризуюгцие многослойную катушку, приведены на рис. 7.3. Радиальная толщина обмотки

f = (2)-2)о)/2 (7.6)

Если задано число витков и диаметр провода, то радиальная толщина обмотки

t=adl,NII.

(7.7).

К категории многослойных относится также универсальная обмотка, при выполнении которой провод укладывают не перпендикулярно образующей каркаса, а под некоторым углом. Как только провод доходит до края катушки, направление его укладки меняется. Схема укладки провода приведена на рис. 7.4.

Универсальная обмотка характеризуется числом переходов

тип

III

Рис. 7. 3. Индуктивная катушка с многослойной обмоткой на каркасе:

/ - каркас; 2 - обмотка

Рис. 7. 4. Схема укладки провода для универсальной обмотки:

а - обмотка с запаздыванием р = 2; 6 - обмотка с опережением р = 2; в - обмотка с -запаздыванием р = 3

(перегибов) провода за один оборот каркаса. На рис. 7.4, а, б показана обмотка с двумя переходами, а на рис. 7.4, в - с тремя.

Число переходов р связано с углом ф, который образует провод с торцом катушки. Как видно из рис. 7.4,

tg (р /р/(пО),

где /-осевая длина катушки; D - диаметр окружности витка.

Наибольшее значение угла ф получается для витков, имеющих наименьший диаметр, равный диаметру каркаса Do. В этом случае

р= (nDotgip ) . (7.8)

Следует иметь в виду, что при укладке провода под углом Ф^0° появляются осевые усилия, которые вызывают сползание витков при намотке. Эти усилия тем больше, чем больше угол ф. Максимально допустимое значение ср зависит от коэффициента трения между изоляцией проводов. Экспериментально установлено, что для проводов в эмалевой изоляции (ПЭЛ,ПЭВ, ПЭМ и др.) ф^ах = .17,5 19°; для одножильных проводов в шелковой изоляции (ПШО, ПШД и др.) {р^ах = 19н-21,5°; 1\ля проводов типа ЛЭШО, ЛЭШД ф^ах = 23 н-26°.

Если полный цикл совершается при угле, меньшем 360°, то обмотка получается с запаздыванием, а если при большем 360°, то с опережением. Запаздывание (опережение) характеризуется углом запаздывания (опережения) р. Его выбирают таким, чтобы каждый последующий виток ложился рядом с предыдущим:

tgP > 2(/ з/(£ о sin ф). (7.9)

Расчет Р ведут по наименьшему диаметру витков (диаметру каркаса Do).

Цикл универсальной обмотки характеризуется таким поворотом каркаса, при котором провод, совершив р переходов, возвращается к .положению, отличающемуся от исход ного на угол р.

Для обмотки с запаздыванием число циклов

N = N (1 - р/360) .

(7.10)

Аналогично для обмотки с опфеже-нием

N = N(1 -Ь р/360) . (7.11) Полная радиальная толщина обмотки

t = Njpd /m. (7.12)

Обычно при использовании универсальной обмотки длину катушки берут в пределах 2-10 мм. Выполнение катушек с иным значением длины вызывает технологические затруднения.

Катушки с универсальной обмоткой

Рис. 7.5. Плоская спиральная индуктивная катушка:

/ - изоляционное основание; 2 - печатный проводник

мотают на цилиндрических гильзах без щечек. Даже при больших радиальных размерах катушки они имеют хорошую механическую прочность и не рассыпаются, так как каждый предыдуший виток прижимается последующим.

Плоские спиральные катушки. Диаметр наружного витка плоской однослойной катушки (рис. 7.5) определяют по формуле

D = Do+tN, (7.13)

где Do - диаметр внутреннего витка; т - шаг спирали; N - число витков спирали.

§ 7.3. РАСЧЕТ ИНДУКТИВНОСТИ И СОБСТВЕННЕЙ EMlOCTH КАТУШЕК

Из теоретических основ электротехники известно, что- индуктивность катушки (в мкГн, имеющей большую длину:

L = 10-- NDO, (7-14)

где N - число витков; D - диаметр катушки, см; / - длина обмотки, см.

Для реальной катушки, в которой D и /- величины одного порядка, указанная формула не может быть использована, так как в этом случае рассеивается магнитный поток и фактическая индуктивность окажется меньше, чем вычисленная по формуле. Для определения индуктивности реальных однослойных катушек в формулу (7.14) необходимо ввести в виде множителя поправочный коэффициент к, значение которого зависит от отношения f/D. Тогда

L = (knD/f) ND 10- . Пусть L Q = knD/l, тогда

L = L oDN 10

N = V 10-Ь/(Lot)) .

(7.15) (7.16)

0,2 0,3 О,* 0,6 0,8 \

Рис. 7.6. График значений коэффициента io для расчета индуктивности

Значения коэффициента Lo, зависящего от Z), приведены на рис. 7.6 (для t/D=0).

Для определения индуктивности многослойных катушек можно пользоваться формулой (7.15), однако в этом случае

Lo =f(t/D; l/D),

где t-радиальная толщина обмотки, см; / - длина обмотки, см; D - наружный диаметр катушки, см.

Значение Lo для многослойных катушек может быть найдено из графика рис. 7.6 (для t/D+O).

Если рассчитанное по указанным формулам значение индуктивности незначительно отличается от заданного значения Z-з (не бо-

лее 10-15%), то число витков катушки можно уточнить по формуле

ЛГ = N ./ЩГ, (7.17)

где N VL N -числа витков, которым соответствуют индуктивности L п L 3-

Индуктивность плоской спиральной катушки (см. рис. 7.5)

L = 0,025Ар ЛГ/з Ig , (7.18)

здесь Ар = (Do + D) 12.

В этой формуле D следует выражать в сантиметрах, тогда L будет вьфажена в микрогенри.

Собственную емкость можно выразить через две составляющие: емкость через воздух Сов и емкость через твердый диэлектрик Сод.

При конструировании индуктивных катушек стремятся к уменьшению собственной емкости Со, так как'она оказывает вредное влияние на параметры контуров, особенно в КВ- и УКВ-диапазонах: собственная емкость может оказаться соизмеримой с емкостью контура, что затруднит настройку его на заданную частоту и снизит стабильность частоты контура. Составляющая собственной емкости Сод уменьшает добротность контура, так как потери в диэлектрике катушки вносят дополнительное затухание в контур. Для уменьшения Сод (а следовательно, и Со) катушку следует конструировать так, чтобы вблизи витков было меньше диэлектрика, имеющего е> 1.

Наименьшим значением Со обладают однослойные катушки.

Для катушек, намотанных на гладком каркасе, из материала, имеющего 8 4-6:

Со 0,5Z)o, (7.19)

где Со - собственная емкость, пФ; Do - диаметр каркаса, см.

При использовании каркасов с ребрами (см. рис. 7.2) собственная емкость Со индуктивной катушки уменьшается из-за уменьшения Сод. Минимальную собственную емкость имеют катушки с бескаркасной обмоткой (на 15-25% меньше, чем у'аналогичных катушек, намотанных на гладком каркасе). Наоборот, при использовании каркасов с канавками (рис. 7.2, в) после пропитки и обволакивания катушки пространство между витками заполняется диэлектриком, имеющим е > 1, и собственная емкость увеличивается на 20-25%.

Собственная емкость однослойных катушек обычно не превышает 1-2 пФ.

Значение Со для катушек с универсальной обмоткой обычно составляет 3-8 пф. Такое относительно небольшое значение Со получается потому, что витки соседних рядов перекрещиваются.

Наибольшее значение собственной емкости имеют катушки с рядовой обмоткой. Для них Со может достигать 30 пФ и более. Несколько

меньшее значение Со имеют многослойные

Рис. 7.7. Секционированная

катушки, обмотка которых выполнена вна- индуктивная катушка с уни-вал . версальной обмоткой

Уменьшения собственной емкости многослойных катушек можно достичь, выполняя катушки в виде отдельных секций, соединенных последовательно (рис. 7.7).

Чем больше число секций катушки, чем больше расстояние между ними и меньше высота каждой секции, тем меньше собственная емкость секционированной катушки. Для уменьшения Со следует уменьшить диаметр каркаса.

При расстоянии между секциями, примерно равном ширине секции,

С = Сос (0,33н] + 0,67) / т, (7.20)

где Сос - емкость секции; ni - число секций.

Следует отметить, что увеличение числа секций (более 4-6) не дает значительного уменьшения Со.

§ 7.4. ДОБРОТНОСТЬ ИНДУКТИВНЫХ КАТУШЕК Добротность катушки

Q (йЬ /R . (7.21)

Здесь со - частота, рад/с; L - индуктивность, Гн; К„ - сопротивление потерь в катушке. Ом.

Сопротивление К„ определяется суммой потерь в проводе обмотки, в диэлектрике, а Также в экранах, сердечниках и элементах конструкции прибора, расположенных в непосредственной близости от катушки.

Потери в обмотке. Сопротивление проводника постоянному току определяется формулой r=pl/s. Постоянный ток проходит по всей площади поперечного сечения проводника, причем плотность его в различных участках поперечного сечения одинакова.

В результате поверхностного эффекта сопротивление проводника току высокой частоты в несколько десятков раз превышает сопротивление постоянному току или току низкой частоты, так как переменный ток проходит по кольцевой части, поперечного сечения проводника Глубина проникновения тока (ширина кольца, по которому практически проходит основная часть тока) обратно пропорциональна корню квадратному из частоты/

При увеличении диаметра проводника глубина проникновения тока остается неизменной, а сопротивление току высокой частоты при этом уменьшается, так как возрастает активная площадь поперечного сечения.

Все сказанное относится только к прямолинейному проводнику. При сворачивании его в спираль на распределение тока по поперечному сечению проводника начинает оказывать влияние эффект близости. В результате этого ток вытесняется в область поперечного сечения проводника, прилежащую осевой линии катушки (заштрихованная площадка на рис. 7.8), и сопротивление провода току высокой частоты возрастает еще больше.

Дополнительное сопротивление, появляющееся из-за эффекта близости, при заданной частоте прямо пропорционально диаметру провода.

На рис. 7.9 приведена зависимость сопротивления индуктивной катушки с учетом поверхностного эффекта (> ), а также дополнительного сопротивления из-за эффекта близости (г^) от диаметра провода d для

Рис 7.8. Распределение тока по поперечному сечению проводника при эффекте близости

Рис. 7.9. Зависимость сопротивления индуктивной катушки току высокой частоты от диаметра провода

определенной частоты. На этом же рисунке показано суммарное сопротивление . Как видно из рис. 7.9, при некотором значении диаметра провода сопротивление катушки току высокой частоты имеет минимальное значение. Указанное значение диаметра провода называют оптимальным .

Значительного уменьшения сопротивления провода катушки можно достичь, применяя для намотки многожильный провод, состоящий из отдельных перевитых проводников малого сечения, изолированных друг от друга. Благодаря такой конструкции меньше сказывается увеличение сопротивления из-за поверхностного эффекта и эффекта близости, в результате чего сопротивление провода оказывается меньше, чем у монолитного проводника, имеющего ту же площадь поперечного сечения.

Применение многожильного провода для длинно- и средневолновых индуктивных катушек приводит к улучшению их добротности на 30- 40%. При использовании такого провода в диапазоне коротких волн добротность катушки не увеличивается из-за роста потерь в изоляции жил. Следует также иметь в виду, что многожильный провод имеет больший диаметр (0,25-0,3 мм), и диаметр катушки получается также большим.

Сопротивление провода индуктивной катушки току высокой частоты зависит также от отношения геометрических размеров катушки, так как при этом из-за эффекта близости меняется дополнительное сопротивление. Ориентировочно можно считать, что наилучшая добротность однослойной катушки получается при £) =0,6-f-l,0 (значение 0,6 относится к катушкам большого диаметра, имеющим D порядка 5-6 см), а многослойной - npil/D 0,2-0,5 и t/Z) 0,3--0,5. Чем больше размеры катушки, тем больше ее добротность.

Потери в собственной емкости индуктивной катушки. Кроме потерь в проводе намотки дополнительные потери возникают и в диэлектрике собственной емкости. Последовательное сопротивление, эквивалентное этим потерям:

= 250Сод tg ЬЬ \f 10- (7.22)

где Гд - сопротивление потерь в диэлектрике, Ом; Сод - емкость,