L.3 PARAMETRII BOBINELOR. DEPENDENŢA PARAMETRILOR DE FRECVENŢĂ 1. Scopul lucrării cunoaşterea parametrilor bobinelor şi a dependenţei acetora de contrucţie şi frecvenţă; înuşirea modului de determinare a parametrilor chemei echivalente; domenii de utilizare a bobinelor în funcţie de contrucţie.. Conideraţii teoretice Bobinele e întâlnec în diferite aplicaţii în domeniul electronicii şi telecomunicaţiilor: circuite ocilante, filtre (trece bandă, opreşte bandă, trece jo au trece u), circuite de deflexie ale tuburilor cinecop, etc. Contrucţia bobinelor depinde de o erie de factori cum ar fi: detinaţia bobinei, valoarea inductanţei, factorul de calitate, mod de aamblare şi ecranare, etc. Bobinele de valori mici e realizează fără miez magnetic au cu miez cilindric, iar bobinele cu inductanţe mari e realizează cu miezuri magnetice (ferite) de diferite forme (cilindrică, toroidală, oală). Părţile componente ale unei bobine unt: înfăşurarea (bobinajul), carcaa, miezul magnetic şi ecranul. În funcţie de varianta contructivă unele părţi componente pot lipi, dar înfăşurarea ete indipenabilă..1. Parametri bobinelor Bobinele pot fi caracterizate, în principal, prin: valoarea inductanţei L, au a factorului de inductanţă A L şi prin factorul de calitate Q L. Inductivitatea (inductanţa proprie) e defineşte prin raportul dintre fluxul magnetic propriu Φ şi valoarea curentului i care trăbate bobina, iar prin înlocuirea numărului de pire N şi a reluctanţei R m rezultă: Φ N L = = (1) i R m Reluctanţa magnetică R m ete: R l m m = () µ Sm unde: l m - lungimea liniilor de câmp; µ =µ 0 µ r permeabilitatea abolută; S m uprafaţa prin care e închid liniile de câmp. Factorul de inductanţă A L [nh / p ] reprezintă inductanţa pe care o poate avea o bobină, de formă şi dimeniuni date, ituată pe un miez într-o poziţie determinantă, dacă ar
Lucrare de laborator nr. 3 PARAMETRII BOBINELOR. DEPENDENŢA PARAMETRILOR DE FRECVENŢĂ fi formată dintr-o ingură piră. În funcţie de factorul de inductanţă A L, inductanţa unei bobine cu N pire e calculează cu relaţia: 9 [ H ] N A 10 L (3) = L Valoarea factorului de inductanţă A L ete indicată de către producătorii de anambluri pentru bobine (carcae, miez magnetic, juguri de trângere şi fixare) cu miez din ferită. Factorul de calitate Q L reprezintă raportul dintre puterea reactivă P r şi puterea activă P diipată în bobină, repectiv: Q L = Pr P ω L = R (4) În general, factorul de calitate Q L = 0...300 la bobinele utilizate în echipamentele electronice... Contrucţia şi comportarea bobinelor în frecvenţă Schema echivalentă a bobinei reale conţine pe lângă inductanţa L S şi rezitenţa de pierderi R S în înfăşurare şi în miez (chema echivalentă erie), precum şi capacităţile C 10, C 0 şi C 1 (fig.1). L S C 1 R S Fig. 1 Schema echivalentă a bobinei 1 C 10 reale C0 Miez magnetic Bobinajul e realizează, de obicei, cu conductoare de cupru izolate (email - CuEm, email+bumbac, email+mătae), cupru neizolat au argintat (pentru bobine de înaltă frecvenţă) au argint, înfăşurare piră lână piră au cu paţii între pire (bobinaj cu pa). Pentru acet tip de bobinaj rezultă o capacitate parazită mai mare şi apare pericolul trăpungerii electrice din cauza alăturării de pire cu diferenţe mari de potenţial. La bobinajele de înaltă frecvenţă (ÎF) (f 10 MHz) e foloec conductoare multifilare formate din 7-15 conductoare cu diametru foarte redu şi izolate individual, anamblul lor fiind izolat cu bumbac au mătae (liţa de radiofrecvenţă - liţa de RF). Liţa de RF e poate foloi până la frecvenţe de ordinul 1-3 MHz, înă numai în cazurile în care ete neceară obţinerea unui factor de calitate ridicat. Acet conductor liţat are rezitenţă echivalentă în curent alternativ căzută, datorită unui efect pelicular mai redu în comparaţie cu conductoarele maive. Pentru bobinajele foloite la ultraînaltă frecvenţă (Ultra High Frequency-UIF), datorită efectului pelicular, e foloec conductoare din cupru argintat izolate cu email-mătae au chiar neizolate. Principalele tipuri de bobine cilindrice şi bobinaje utilizate la frecvenţe medii şi mari (ordin MHz) cu caracteriticile (formă, factor de calitate Q, capacitate proprie C p ) şi utilizările corepunzătoare unt prezentate în tabelul 1.
Tehnici şi aparate de măură în telecomunicaţii Prof. dr. Ioan D. Oltean 3 Nr. crt. Tabelul 1 Bobinaje utilizate pentru diferite domenii de frecvenţe Tipul bobinajului Apect Domeniu de utilizare Q C p Obervaţii 1. Într-un trat cu pire alăturate. Într-un trat cu pire ditanţate 3. Bobinaj piral Întreaga gamă de frecvenţe; L mici ( 0,1 µh.. 0,1 H) Frecvenţe înalte şi foarte înalte, L mici ( nh... 0,1 mh) Frecvenţe înalte şi foarte inalte, L mici ( nh) puteri mari pentru emiie 80....50 mică cu/făra miez cu/fără carcaă 150... 350 f. mică idem 1 puteri mari (emiie) 150......300 f. mică Fără miez; e fac şi pe cablaj imprimat 4. Mai multe traturi piră lânga piră şi trat pete trat Frecvente joae când nu contează Q, Q mic, L mari mic < 50 f. mare idem 1 5. Mai multe traturi bobinate întâmplător Frecvenţe medii < ( < MHz), L mari uneori atifacator mare pe carcaă cu flanşă au pe miez 6. Piramidal Frecvenţe medii şi înalte bun (> 80) medie pe carcaă au pe miez 7. Cu traturi ditanţate Frecvenţe medii i înalte, puteri mari (emiie, L medie) bun (> 80) mică carcae peciale 8 Bobinaj ecţionat (galeţi) Frecvenţe medii şi joae, L medie mare mediu (50......100) medie pe carcae 9. În fagure (încrucişat) Frecvenţe medii şi joae (50 KHz... 5MHz) L mare (> 50µH) f. bun (> 50) mică pe miez au pe carcae; au rigiditate bună 10. În fagure (univeral) idem 9 idem 9 idem 9 idem 9 e execută mai uşor 11. Bifilar Toată gama, în unul au mai multe traturi pentru obţinerea unui cuplaj trân idem 1,
4 Lucrare de laborator nr. 3 PARAMETRII BOBINELOR. DEPENDENŢA PARAMETRILOR DE FRECVENŢĂ Carcaa contituie uportul izolant pe care e realizează bobinajul. Aceta are în general o formă tubulară de diferite ecţiuni (circulară, pătrată, dreptunghiulară au în funcţie de forma miezului magnetic) cu au fără flanşe. Miezul contituie circuitul magnetic care intră în componenţa unor bobine pentru aigurarea concentrării liniilor câmpului magnetic. Prezenţa miezului magnetic în interiorul bobinei permite, prin concentrarea liniilor de flux magnetic, obţinerea unei inductivităţi şi a unui factor de calitate de valori mult mai mari decât în lipa acetuia. În unele cazuri, prin modificarea poziţiei relative a miezului în raport cu bobinajul, e aigură şi poibilitate de reglaj a inductivităţii între anumite limite. Miezurile din ferită e foloec uzual pentru domeniul de frecvenţă 10 khz 00 MHz. În domeniul 10 khz 1 MHz e foloec ferite Mn-Zn, în domeniul radiofrecvenţei, repectiv 1MkHz 100 MHz e utilizează feritele Ni-Zn, iar pentru frecvenţe mai mari, ferite Li-Zn. Ecranul are rolul de a atenua influenţele reciproce dintre bobină şi circuitele învecinate. Pentru joaă frecvenţă e foloec ecrane din material feromagnetice, iar pentru înaltă frecvenţă ecranele e realizează din materiale de mare conductivitate: cupru au aluminiu. 3. Probleme de tudiat 3.1. Se măoară inductivitatea şi parametrii chemei echivalente a unor bobine cu miez de ferită şi e determină: factorul de inductanţă A L, factorul de calitate Q la frecvenţe diferite (f=1 khz, 10 khz, 100 khz) şi e tabileşte variaţia parametrilor în funcţie de frecvenţa de funcţionare; 3.. Se calculează permeabilitatea magnetică a miezului de ferită foloit şi e tabileşte domeniul de frecvenţă în care e pot utiliza bobinele măurate. 4. Defăşurarea lucrării 4.1. Se măoară inductanţa L x unor bobine cu miez de ferită în domeniul frecvenţelor f=1...100 khz şi e determină factorul de inductanţă A L şi factorul de calitate Q. Se tabileşte dependenţa de frecvenţă. RLC -metru L x Fig. Schema de măurare a bobinelor cu RLC - metru Datele e trec într-un tabel de forma indicată mai jo (tabelul ).
Tehnici şi aparate de măură în telecomunicaţii Prof. dr. Ioan D. Oltean 5 Tabelul Nr. Tip bobină (tip miez, formă) f [khz] L [mh] R [Ω] Q A L [nh/p ] Obervaţii Se va conecta pe rând câte o bobină la bornele la bornele RLC metrului (impedanţmetru de laborator WK-465 -Wayne Kerr) (fig. ). Aparatul va indica chema echivalentă cu parametrii corepunzătore chemei echivalente erie au paralel (L şi R au L şi Q) la o anumită frecvenţă. Factorul de inductanţă A L e calculează cu relaţia (3) în care înlocuind unitatea de măură [mh], rezultă: [ ] 6 L mh A L = 10 (5) N Factorul de calitate Q ij la chema echivalentă erie e determină cu relaţia (4) în care prin introducerea frecvenţei de măurare e obţine: Q ω L π f = = R R L (6) 4. Se determină variaţia permeabilităţii magnetice echivalente µ e cu frecvenţa pentru câteva miezuri de ferită de formă toroidală. Pentru aceata e măoară valoarea inductanţei unei bobine (cu N pire uniform bobinate pe miez) L m în domeniul frecvenţelor f=1khz 100kHz şi e raportează la valoarea calculată a inductanţei unui tor (fără miez) L 0 cu relaţia (6): unde: = L m e L 0 µ (7) L 0 h N D = µ 0 ln (8) π d iar D, d - diametrele exterior şi interior; h lăţimea torului, µ 0 =4π 10-7 H/m. Rezultatele obţinute e trec în tabelul 3. Dimeniunile geometrice ale torurilor e măoară cu ajutorul unui şubler. Tabelul 3 Nr Dimeniuni crt. D[mm] d[mm] h[mm] N [pire] L 0 [mh] f [khz] L m [mh] µ e
6 Lucrare de laborator nr. 3 PARAMETRII BOBINELOR. DEPENDENŢA PARAMETRILOR DE FRECVENŢĂ Valoarea permeabilităţii magnetice echivalente µ e depinde în mare măură de tipul materialului miezului (tipul feritei). Feritele au permeabilitatea magnetică µ e cu atât mai mare cu cât frecvenţa de lucru a acetora ete mai joaă (tabelul 4). Tabelul 4 Parametrii unor ferite foloite pentru miezuri de bobine Tipul feritei Permeabilitatea iniţială Frecvenţa max. [MHz} 1500 10.000 0,01 0,5 Mn-Zn 1000 1500 0,4 0,6 750 1000 0,6 1 500 750 1 3 00 300 4 8 Ni-Zn 80 100 10 0 40 50 0 40 15 0 40 80 5. Întrebări 1. Cum e pot determină parametrii chemei echivalente erie în funcţie de cei ai chemei echivalente paralel şi care unt relaţiile de calcul în funcţie de factorul de calitate Q?. Care ete valoarea permeabilităţii magnetice echivalente µ e (şi care ete tipul feritei) a unei miez toroidal de ferită pe care -au bobinat N=10 pire şi e obţine L=1µH? Torul de ferită are următoarele date: D=5mm; d=15mm; h=10mm. 3. Care ete factorul de calitate Q al bobinei toroidale de la pct., dacă la frecvenţa f=100khz L =1µH şi R =0,1Ω? Cum e poate realiza o creştere a factorului de calitate? 4. Cum e realizează ecranarea bobinelor de înaltă frecvenţă şi cum poate fi explicat efectul de ecranare obţinut în acet caz? 6. Conţinutul referatului 1. Scopul lucrării;. Parametrii bobinelor şi mod de determinare; caracteriticile aparaturii foloite. 3. Completarea tabelelor şi 3 şi indicarea modului de calcul (exemple de calcul). 4. Prezentarea concluziilor deprine din determinărilor experimentale (caracteriticile de frecvenţă, domenii de utilizare ale bobinelor măurate). 5. Răpunuri la întrebări.