inductanta - Factorul de calitate (Q)

  Principalul parametru al bobinelor este inductanta. Aceasta depinde, in principal, de forma, dimensiunile si numarul de spire ale bobinei, precum si de permeabilitatea magnetica a miezului, daca exista..

    La bobinele cu miez, permeabilitatea acestuia depinde de intensitatea campului magnetic, deci de intensitatea curentului prin bobina. Pe masura cresterii curentului, permeabilitatea creste pana la un anumit punct pentru ca apoi sa scada datorita efectului de saturare. Dintre bobinele care lucreaza la curenti mari pot fi mentionate bobinele de soc din celulele de filtraj, transformatoarele din celulele de redresare etc.

    Factorul de calitate (Q), alt parametru important al bobinelor, este egal cu raportul dintre reactanta si rezistenta proprie:

    De obicei se cauta realizarea unor bobine cu rezistente cat mai mici, deci cu factori de calitate ridicati. Cresterea frecventei de lucru este insotita de cresterea rezistentei conductorului de bobinaj, datorita efectului pelicular si aparitiei curentilor turibionari. Efectul pelicular se datoreaza distributiei neuniforme a campului magnetic in interiorul conductorului. Curentul circula numai la suprafata conductorului, interiorul ramanand 'gol', ceea ce echivaleaza cu reducerea sectiunii transversale.

    Se poate mari diametrul conductoarelor coductoarelor de bobinaj, dar, in acelasi timp, cresc pierderile datorate curentilor turbionari. Pentru fiecare frecventa exista un diametru optim, la fel cum pentru fiecare bobina exista o frecventa la care factorul de calitate este maxim, frecventa ce depinde de constructia bobinei. Factorul de calitate poate creste prin alegerea optima a dimensiunilor bobinelor. Astfel, pentru bobinele cu un singur strat se recomanda raportul: l/D=0,71; iar la bobinele cu mai multe straturi: l/D=0,20,5 si b/D=0,51 (a se vedea figura de mai jos).     Pana la frecvente de 11,5MHz se recomanda utilizarea litei de radiofrecventa, care reprezinta un conductor cu diametru echivalent mare, dar neinfluientat de curentii turbionari.

Capacitatea proprie reprezinta capacitatea dintre spirele bobinei. In scopul micsorarii ei, bobinajul se face cu pas, bobina se imparte in cateva sectiuni sau se utilizeaza sisteme de bobinaj speciale, la care spirele nu sunt paralele, ci se intersecteaza sub un anumit unghi (bobinaj fagure, universal etc.).

Bobine de radiofrecventa

    Cele mai simple au forma cilindrica si un singur strat. Cand numarul de spire este mic (510) si conductorul rigid, bobinajul se poate face fara carcasa. Valorile orientative ale inductantei maxime ce se pot obtine la bobinele cu un strat, functie de diametrul carcasei, se dau in tabelul de mai jos.

Inductanta unor astfel de bobine (reprezentate in figura se poate determina si cu una din urmatoarele relatii:

    Primele doua relatii se folosesc pentru cazul in care l<D/2, iar a treia pentru l>D/2. O determinare rapida se poate face folosind si nomograma din figura:

Cu o dreapta ajutatoare se unesc punctele corespunzatoare de pe axa diametrului si a raportului l/D. Rezulta un punct auxiliar pe axa A, care se uneste printr-o dreapta cu punctul corespunzator numarului de spire al bobinei. Aceasta dreapta se prelungeste pana ce intersecteaza axa inductantelor, unde se citeste valoarea cautata. Determinarea exacta a inductantei se poate face insa numai cu ajutorul unei punti de masura sau al unui Q-metru. Carcasele bobinelor cu un strat se confectioneaza din materiale dielectrice de calitate (ceramica, trolit, calit, mase plastice, teflon etc.). Carcasele pot fi prevazute cu galeti pentru impartirea spirelor in cateva sectiuni, in scopul reducerii capacitatii proprii. Capacitate proprie mica prezinta, dupa cum s-a mai spus, bobinele 'fagure', la care spirele din straturile alaturate sunt aproape perpendiculare si nu paralele ca la bobinele obisnuite 'spira langa spira'. In scopul cresterii inductantei si al micsorarii numarului de spire, bobinele pot fi prevazute cu un miez dintr-un material feromagnetic. Miezul este prevazut cu filet sau fixat intr-o piesa cilindrica din masa plastica filetata, in scopul reglarii pozitiei in interiorul bobinei. Prin aceasta se regleaza usor si valoarea inductantei. Astazi, pentru miezuri se folosesc aproape in exclusivitate feritele. Feritele sunt cristale mixte sau amestecuri ale oxizilor de fier (Fe₂O₃), cu unul sau mai multi oxizi metalici (NiO; MnO; ZnO; MgO; CuO; BeO; CdO; BaO; CoO etc.). Feritele au rezistivitatea foarte mare (10²10⁷ ohmi), ceea ce face ca pierderile datorate curentilor turbionari sa fie reduse chiar la frecvente inalte. In radiofrecventa, cele mai utilizate sunt feritele pe baza de Ni-Zn, Zn-Mn, Cu-Zn sau Li-Zn. Feritele cu Zn-Mn se folosesc la frecvente reduse pana la 100KHz). In US se folosesc feritele Cu-Zn si Li-Zn avand permeabilitati de ordinul 100250. In UUS se folosesc feritele pe baza de Ni-Pb, cu permeabilitati de ordinul zecilor.

    Proprietatile materialelor magnetice sunt caracterizate de: permeabilitatea magnetica efectiva (care arata de cate ori creste inductanta unei bobine cu miez fata de una fara miez), gama frecventelor de lucru, pierderile si stabilitatea in raport cu temperatura. Acestia sunt parametri de care trebuie tinut cont atunci cand se realizeaza anumite bobine. Permeabilitatea efectiva depinde de dimensiunile si de natura materialului din care este confectionat miezul. Valoarea permeabilitatii se gaseste in cataloage sau se poate aprecia masurand o bobina cu un numar de spire cunoscut.

Ecranarea bobinelor

    Intre bobinele parcurse de curenti de inalta frecventa si alte elemente de circuit aflate in apropiere pot lua nastere cuplaje parazite. De asemenea, diferite campuri perturbatoare pot induce in bobine tensiuni parazite. Pentru evitarea acestor efecte bobinele se introduc in ecrane, realizate din aluminiu sau cupru si avand forme cilindrice sau paralelipipedice. Prin introducerea in ecrane metalice, inductanta si factorul de calitate scad, iar capacitatea proprie creste. Astfel, inductanta Lo a unei bobine, prin introducerea intr-un ecran cilindric (fig.I.26), devine:

Se vede ca influienta ecranului este cu atat mai mare cu cat rapoartele D/De si l/lc sunt mai mari. Pentru ca aceasta influienta sa fie mai mica de 10% se recomanda la bobinele cu un strat: De/D=1,62,5.

Grosimea ecranului depinde de frecventa pe care lucreaza bobina. In tabelul de mai jos se dau grosimile minime recomandate pentru ecrane din cupru si aluminiu.

Se observa ca ecranele din aluminiu trebuie sa fie mai groase din cauza adancimii de patrundere mai mari. Adancimea de patrundere se defineste ca adancimea la care un semnal cu anumita frecventa scade la cca 37% din valoarea initiala.

    Ecranarea este absolut necesara la bobinele cu diametru mare (peste 1020 mm). Bobinele cu diametru redus pot lucra fara ecrane daca sunt plasate la distanta fata de celelalte componente. De asemenea, nu necesita ecrane bobinele realizate pe miezuri toroidale din ferita. Inductanta bobinelor realizate pe miezuri toroidale sau miezuri tip oala este direct proportionala cu patratul numarului de spire:

Constanta de proportionalitate (A_L) se determina usor masurand o bobina cu un numar de spire cunoscut.

Bobine de audiofrecventa

    Se utilizeaza pentru filtru de joasa frecventa (filtre de retea, drosele de alimentare etc.). Au inductante ce pot ajunge la zeci de henry. Se realizeaza in general pe miezuri magnetice inchise, in forma de tole sau oale. Tolele se realizeaza din materiale cu permeabilitate magnetica cat mai ridicata (otel cu siliciu, permalloy, ferite, etc.).

    O particularitate a acestor bobine o constituie dependenta inductantei fata de nivelul tensiunii alternative si continue aplicate, precum si fata de frecventa. Bobinajele se executa pe carcase avand forma miezului, folosind conductor de cupru emailat cu diametru corespunzator curentului care le strabate. In cazul cand sunt strabatute si de o componenta de c.c. se intrerupe circuitul magnetic printr-un intrefier, care imbunatateste comportarea miezului, dar reduce permeabilitatea.