Министерство образования и науки Украины
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра ПЭЭА
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине: “Элементная база ЭА”
на тему: “Экранированная катушка индуктивности (индуктивность, мкГн – 215; диапазон регулировки индуктивности, % – 5; рабочая частота, МГц – 0,5)”
2009
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
- Анализ технического задания
1.1 Анализ условий эксплуатации
1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров
- Обзор аналогичных конструкций
- Электрический и конструкторский расчет
3.1 Выбор материала и обоснование конструкции
3.2 Расчет числа витков
3.3 Расчет оптимального диаметра провода
3.4 Расчет фактических параметров катушки
3.5 Расчет добротности катушки
3.6 Расчет температурного коэффициента индуктивности
- Описание конструкции
Паспорт катушки индуктивности
Выводы
Список использованной литературы
Введение
Катушка индуктивности относится к моточным изделиям радиоэлектронных средств и является важным элементом, без которого не может обойтись большая часть радиоэлектронных устройств. Функционирование катушки индуктивности определяется эффектом взаимного перехода энергии электрического поля источника напряжения, приложенного к ее выводам, в энергию магнитного поля, охватывающего контур катушки, и обратно под действием протекающего по контуру катушки электрического тока. Величина индуктивности определяется конструкцией токопровода и его размерами.
В настоящее время четко прослеживается процесс миниатюризации электронных средств, что требует создания миниатюрных катушек индуктивности. Однако уменьшение размеров катушек встречает определенные трудности, связанные с увеличением потерь в элементах конструкции и уменьшении добротности при уменьшении габаритов. В отдельных случаях, где это возможно, катушки индуктивности заменяют их аналогами – элементами на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и гираторами – специальными радиоэлектронными схемами, в которых определенными мерами создается отставание на тока в гираторе по отношению к приложенному к нему напряжению.
Очевидно, что полный отказ от применения катушек индуктивности при производстве радиоэлектронной аппаратуры невозможен. Поэтому перспективы развития катушек индуктивности связаны с разработкой новых материалов, имеющих высокие электромагнитные свойства и стабильность, превосходящие существующие, а также развитием конструкции и технологии изготовления этих изделий. В данном курсовом проекте будем проектировать экранированную катушку индуктивности.
- Анализ технического задания
Заданием данного курсового проекта является проектирование экранированной катушки фильтра промежуточной частоты (ФПЧ) диапазона УКВ бытового приёмника со следующими параметрами:
Индуктивность, мкГн – 215
диапазон регулировки индуктивности, % – 5
рабочая частота, МГц – 0.5
обеспечить температурную стабильность
годовая программа выпуска, тыс. шт. – 10000
Данная величина индуктивности и подстройка ее величины в интервале от 204,75 мкГн до 225,75 мкГн (5%) может быть реализована однослойной намоткой на каркас с магнитным сердечником, изменяя положение которого относительно обмотки можно достичь указанных пределов изменения индуктивности.
- Анализ условий эксплуатации
Условия эксплуатации по УХЛ 4.2 предусматривают работу изделия в диапазоне температур от до .
Для выбора направления проектирования произведем обзор аналогичных конструкций. Общие нормы климатических воздействий на РЭА для исполнения УХЛ приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Общие нормы климатических воздействий на РЭА
Исполнение | 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 |
Проектируемая катушка должна выдерживать нормативные воздействия, приведенные в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Бытовая РЭА. Нормы климатических и механических воздействий для 1-й группы
Вид 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 |
- Обоснование дополнительных требований и параметров
Для намотки катушки индуктивности используем стандартный цилиндрический каркас из полистирола с внешним диаметром и внутренней резьбой. Подстройку индуктивности в пределах 5% будем осуществлять продольным перемещением сердечника относительно обмотки катушки путем его вращения внутри каркаса.
В качестве сердечника используем цилиндрический стержень из феррита 600 НН, рабочий диапазон частот которого находится в пределах 0,2-7 МГц, предназначен для применения в радиотехнических устройствах. Феррит не обладает значением тангенса угла диэлектрических потерь, практически неизменной магнитной проницаемостью в рабочем диапазоне частот и хорошей температурной стабильностью.
Тип намотки катушки выбираем сплошной (виток к витку) однослойный.
Для нанесения провода на каркас используем метод горячей намотки (разогретым проводом). Данный метод намотки повышает механическую прочность катушки, улучшает ее временную и температурную стабильность.
Закрепление выводов катушки на каркасе будем осуществлять пайкой к луженным латунным выводам, запрессованным в основание каркаса при изготовлении.
Для экранирования 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.
- Обзор аналогичных конструкций
Конструктивное разнообразие катушек индуктивности весьма велико.
Катушки индуктивности могут быть классифицированы по следующим признакам:
– по характеру индуктивности – постоянные, переменные и подстроечные;
– по конструктивному исполнению – объемные (цилиндрические) и плоские (печатные);
– по наличию экрана – экранированные и неэкранированные;
– по типу экрана – электростатический, магнитный, электромагнитный, немагнитный (защитный);
– по наличию сердечника – с сердечником и без сердечника;
– по типу сердечника – постоянный, построечный (перемещаемый);
– по материалу сердечника – магнитный и немагнитный;
– по свойствам магнитного сердечника – магнитотвердый и магнитомягкий;
– по режиму работы сердечника – с насыщением и без насыщения;
– по наличию каркаса – каркасные и бескаркасные;
– по типу исполнения обмотки – однослойные сплошные, однослойные с шагом намотки, многослойные, секционные, “универсаль”, пирамидальные, внавал и т.д.
Отечественной промышленностью выпускается достаточно много радиоприемников с УКВ диапазоном и существует масса аналогичных конструкций подобных катушек индуктивности, весьма подробно описанных в справочной литературе, например [1,2]. Накопленный опыт за годы производства радиоприемников выражается в использовании:
– цилиндрических каркасов с внутренней резьбой, составляющих с основанием квадратного профиля 1010 мм единое целое и прессуемых из специальных пресс-материалов типа ДСВ-2Р-2М, полистирола и т.п., квадратный профиль основания позволяет повысить плотность монтажа ВЧ-ПЧ блока радиоприемника и уменьшить его габариты, используемый диаметр каркаса – 6,8 мм, высота корпуса катушек с основанием18-40 мм, латунные луженые выводы запрессовываются в основание каркаса при изготовлении;
– обмоточного медного провода круглого сечения диаметром0,12-0,25 мм марок ПЭВТЛ-1, ПЭВТЛ-2, позволяющего осуществить быструю и легкую зачистку и лужение выводов путем погружения их в ванночку (тигель) с расплавленным припоем;
– цилиндрических подстроечных сердечников из феррита марки 600НН диаметром 2,8 мм и длинной 12 мм, запрессованных одним концом в такой же пресс-материал, наружная цилиндрическая поверхность которого формируется в виде винта с соответствующей резьбой под каркас;
– металлических электростатических экранов, большей частью из алюминия, реже из меди или латуни с гальваническим покрытием;
– количества витков от 20 до 40.
- Электрический и конструкторский расчет
Процесс проектирования катушки индуктивности состоит из:
– выбора материала и обоснования конструкции;
– расчета числа витков;
– определения конструктивных размеров и уточнения электрических параметров конструкции.
3.1 Выбор материала и уточнение конструкции
Материал для изготовления обмотки катушки индуктивности должен удовлетворять следующим требованиям:
– низкое удельное сопротивление для минимизации влияния на протекающий электрический ток;
– малые коэффициенты линейного и объемного расширения для обеспечения высокой температурной стабильности геометрических размеров катушки, а, следовательно, и индуктивности;
– низкая стоимость (годовая программа выпуска 50000 шт.).
Согласно справочным данным, наиболее подходящим материалом для изготовления обмотки катушки индуктивности является медь, имеющая:
удельное сопротивление ,
коэффициент линейного расширения [3, табл. П.1].
Глубина скин-слоя для частоты 0.5 МГц составляет:
(3.1)
Для исключения влияния скин-эффекта на добротность катушки индуктивности и исключения разрывов материала при намотке катушки и монтаже выводов, выбираем медный обмоточный провод круглого сечения типа ПЭВ-1 диаметром 0,25 мм [3, табл. П.2]. Данная марка провода позволяет легко осуществить очистку и лужение выводов путем погружения их в ванночку (тигель) с расплавленным припоем.
3.2. Расчет числа витков
Расчет числа витков однослойной экранированной катушки с магнитным сердечником производим по методу, изложенному в [3].
Для сердечника из феррита 600НН с начальной магнитной проницаемостью [3, таблица П.3] находим соответствующее значение относительной магнитной проницаемости [3, табл. П.4].
По заданному значению индуктивности определяем расчетное значение индуктивности катушки без сердечника с учетом требуемой подстройки +5%
(3.2)
Помещение катушки в экран приводит к уменьшению ее индуктивности и добротности и увеличению собственной емкости. Поэтому при расчете индуктивности катушки необходимо учесть влияние экрана. Учет влияния экрана производится с помощью коэффициента , который является функцией соотношения диаметра катушки и диаметра экрана. Для обеспечения стабильности индуктивности это соотношение должно выбираться из условия Чрезмерное увеличение данного соотношения приведет к возрастанию габаритов изделия, поэтому принимаем величину соотношения равной При этом диаметр экрана будет составлять:
Поскольку был выбран экран квадратного сечения, то размер стороны экрана будет равен:
(3.3)
где – коэффициент формы.
Второй величиной, оказывающей влияние на коэффициент , является параметр , в свою очередь являющийся функцией соотношения длины обмотки катушки и диаметра намотки . Для экранированных катушек оптимальным является соотношение из [3]. Для соотношения по графику [3, рис. П.1] находим значение Определяем значение коэффициента :
(3.4)
Расчетное значение индуктивности с учетом влияния экрана:
(3.5)
Для компенсации влияния экрана расчетное значение индуктивности должно составлять:
(3.6)
3.3 Расчет оптимального диаметра провода
Для намотки катушки выбираю провод ПЭВ-1 диаметром 0,25 мм без учета изоляционного покрытия. Определим диаметр данного провода в изоляции [3, табл. П.5]
(3.7)
Коэффициент неплотности для данного значения [3, табл.П.6] равен
Определим число витков катушки, приходящихся на единицу длины намотки :
(3.8)
Вычислим параметр определяющий соотношение длины и диаметра намотки:
(3.9)
По графику [3, рис.П.2] определяем для значение ,
Длина обмотки катушки будет составлять:
(3.10)
см
Число витков катушки будет равно:
(3.11)
витка.
3.4 Расчет фактических параметров катушки
При сплошной намотке фактическая геометрическая длина катушки будет равна:
(3.12)
Фактическое соотношение при этом составляет:
По графику [3, рис. П.3] находим значение поправочного коэффициента для , которое будет равно .
Определяем фактическую расчетную индуктивность катушки:
(3.13)
Рассчитываем скорректированное число витков:
(3.14)
витков
Принимаем скорректированное число витков равным 35. Для скорректированного числа витков фактическая расчетная индуктивность катушки будет равна:
а скорректированная длина намотки:
Минимальное значение индуктивности с учетом подстройки будет составлять:
Минимальное расчетное значение индуктивности при этом будет равно:
С учетом влияния экрана это значение уменьшится до величины:
Расчет оптимального диаметра провода производится графоаналитическим методом. По графику (из [3], рисунок П.4) для отношения и числа слоев определяем значение поправочного коэффициента .
Определяем вспомогательный коэффициент :
(3.15)
Вычисляем вспомогательный параметр :
(3.16)
По графику рис. 4-16 Z=2
Рассчитываем оптимальный диаметр провода:
(3.18)
Полученное значение округляем к стандартному 0,27мм, который и принимаем как окончательную величину.
3.5 Расчет добротности катушки
Для расчета добротности катушки необходимо предварительно определить суммарное сопротивление потерь катушки, вычисляемое по формуле:
(3.19)
где – сопротивление провода току высокой частоты, Ом;
– сопротивление потерь, вносимое экраном, Ом;
– сопротивление потерь, вносимое сердечником, Ом;
– сопротивление потерь в диэлектрике каркаса, Ом.
Определим каждую составляющую сопротивления потерь .
Сопротивление провода току высокой частоты:
(3.20)
Ом
Сопротивление потерь, вносимое экраном:
(3.21)
Ом
Ферритовый сердечник не имеет потерь, поэтому он не вносит сопротивления.
Для вычисления сопротивления потерь, обусловленного потерями в материале каркаса, необходимо предварительно рассчитать значение емкости :
(3.24)
Для расчета емкости через диэлектрик потребуется коэффициент , значение которого для провода круглого сечения на гладком каркасе составляет =0,08, и относительная диэлектрическая проницаемость полистирола, из которого изготавливается каркас, равная Определяем значение :
(3.25)
Рассчитаем сопротивление потерь, обусловленное диэлектрическими потерями в материале каркаса:
(3.26)
где – тангенс угла диэлектрических потерь для полистирола (из [3], таблица П.7).
Ом
Таким образом, суммарное сопротивление потерь катушки индуктивности будет составлять:
Определяем значение добротности катушки индуктивности:
(3.27)
3.6 Определение температурного коэффициента индуктивности
Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ) представляет собой сумму нескольких слагаемых и определяется по формуле:
(3.28)
где – высокочастотная составляющая, учитывающая влияние эффекта близости,
– составляющая, вносимая сердечником,
– геометрическая составляющая,
– составляющая, вносимая емкостью через диэлектрик,
– составляющая, вносимая экраном,
Воздействие температуры приводит к изменению удельного сопротивления материала обмотки. В результате происходит изменение глубины проникновения тока высокой частоты, что эквивалентно изменению диаметра витка обмотки. Данная высокочастотная составляющая ТКИ определяется через добротность катушки для значения коэффициента для провода круглого сечения [3].
(3.29)
Составляющая ТКИ , вносимая магнитным сердечником, определяется как:
(3.30)
где – коэффициент использования магнитной проницаемости,
– температурный коэффициент изменения магнитной проницаемости карбонильного железа марки Р100. Тогда составляющая ТКИ будет равна:
Геометрическая составляющая ТКИ рассчитывается по формуле:
(3.31)
где – ТКЛР диаметра,
– ТКЛР длины,
Поскольку для изготовления катушки был выбран метод горячей намотки, то и формула для геометрической составляющей ТКИ приобретает вид:
(3.32)
В данном случае является ТКЛР диаметра полистирольного каркаса, а ТКЛР полистирола . Таким образом = .
Составляющая ТКИ , вызываемая изменением собственной емкости, рассчитывается по формуле:
(3.33)
где – температурный коэффициент диэлектрической проницаемости каркаса (полистирола), равный (из [3], таблица П.8);
С – полная емкость контура, равная
(3.34)
Рассчитываем величину :
Составляющая ТКИ , обусловленная влиянием экрана, вычисляется по формуле:
(3.35)
где – ТКЛР материала 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
ТКИ проектируемой катушки является суммой всех рассчитанных компонентов:
- Описание конструкции и технологии
Катушка индуктивности состоит из провода, которым является медный обмоточный провод марки ПЭВТЛ-1-0,25 намотанного на каркас из полистирола с длиной намотки 12,3 мм и использованием метода “горячей намотки”; сердечника из феррита 600НН, которым производится подстройка индуктивности в заданных пределах. Для защиты катушки от внешних электрических полей, влияния окружающей среды, и защиты от механических повреждений используется электростатический алюминиевый экран квадратного сечения размерами 252518 мм. Выводы катушки механически закрепляются на контактных ножках и припаиваются припоем ПОС-61. Согласно техническому заданию годовая программа выпуска катушек индуктивности составляет 10000 штук, что соответствует массовому производству, значит возможно использовать полуавтоматизированное производство.
ПАСПОРТ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
Фактическая индуктивность
– максимальная, мкГн 225,75
– минимальная, мкГн 204,75
Возможное отклонение от фактической величины, 5
Добротность 243,4
Температурного коэффициента индуктивности 1/град. 55,2 10-6
Количество витков 35
Тип провода ПЭВТЛ-1-0,25
Сердечник феррит 600НН
Диаметр каркаса, мм 12
Длина намотки, мм 12,3
Условия эксплуатации (ГОСТ 15150-69) УХЛ 4.2
Механические условия эксплуатации (ГОСТ 15230-69) УХЛ 4.2
Выводы
В процессе расчета катушки индуктивности была определена ее конструкция, сборочный чертеж которой помещен в приложении. Величина индуктивности катушки может изменяться в пределах 214,75…225,75 мкГн, что конструктивно обеспечивается перемещением сердечника относительно обмотки. Катушка обладает хорошей добротностью () и ТКИ (). Конструкция катушки индуктивности очень проста. Это дает возможность свести к минимуму количество сборочных операций, что весьма необходимо для массового производства при годовой программе выпуска 1000 штук. Таким образом, поставленная в техническом задании задача решена.
Список использованной литературы
- Полонский Н.В. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА.- М.: Сов. радио, 1975. – 323с.
- Рогинский В.Ю. Экранирование в радиоустройствах.- Л.: Энергия, 1969.- 112с.
- Бландова Е.С. Индуктивные элементы. – М.:Высш.шк., 1985. – 405с.
- Васильева Л.С. и др. Катушки индуктивности аппаратуры связи. – М.: Связь. – 1973.
- Полонский Н.Б. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА.
- Рогинский В.Ю. Экранирование в радиоустановках. Л.: Энергия, 1969. – 112с.
- Справочный материал на магнитные материалы и магнитопроводы. ж.Радио” №3, №10/2001, №6/2000.
- Костиков В.Г. и др. источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344с.
- Горский А.Н. Расчет электрических элементов источников вторичного электропитания. – М.: Радио и связь, 1998.
- Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. Пер. с нем.– М.: Мир, 1990. –256с.
- Волгов В.А. Детали и узлы РЭА.- М.: Энергия, 1977.- 623с.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter