Cap.4 Bobine

7/21/2019 Cap.4 Bobine

1/24

CAPITOLUL 4

BOBINE

Bobinele sunt componente de circuit care permit nmagazina de energie electric. Energiaeste nmagazinat n cmpul magnetic care se stabilete n vecintatea circuitului bobinei.Mrimea caracteristic a unei bobine este inductana sau inductivitatea. O bobin este constituitdintr-un sistem de spire n serie, care nlnuie acelai circuit magnetic i care este utilizatpentru:

a produce o anumit tensiune magnetomotoare cnd spirele sunt parcurse de curentelectric;

a fi sediul unei tensiuni electromotoare induse, cnd circuitul magnetic este strbtut de

flux magnetic variabil n timp.Tensiunea magnetomotoare produs de bobin la curent electric dat, ct i tensiunea

electromotoare indus n bobin, sunt proporionale cu numrul de spire ale bobinei. [7]. Prindispunerea conductorului sub form de spire se intensific cmpul magnetic propriu, atunci cndeste strbtut de un curent electric. Creterea fluxului magnetic propriu se obine i prinintroducerea unei piese din material magnetic n interiorul bobinei (miezul magnetic).

4.1.Generalitati. Clasificarea bobinelor

Parametrul de baz al unei bobine este inductanaL sau inductivitatea acesteia. Inductivitateaproprie a unui circuit electric se definete prin raportul dintre fluxul magnetic care strbatesuprafaa limitat de conturul circuitului electric i curentul i care produce acest flux. Noiunea deinductan se poate interpreta ca:

-proprietatea unui circuit electric de a se opune variaiei curentului electric care l strbate:

( ) ( )tiLt = (4.1)-proprietate a bobinei de a acumula energie Wmn cmp magnetic:

2

2ILWm

= (4.2)

Valoarea inductanei L depinde de forma geometric a infurrii (forma de dispunere aspirelor), de dimensiunile nfurrii i de caracteristicile miezului magnetic. Proprietilemagnetice se pot caracteriza prin reluctana magneticRmdefinit prin relaia:

m

m

m S

lR

=

(4.3)

unde: lm - lungimea liniilor de cmp;=0r permeabilitatea absolut;Sm suprafaa prin care se nchid liniile de cmp.

Productorii de miezuri pentru bobine indic valoarea factorului de inductan AL, a cruivaloare este invers proporional cu reluctana magnetic:


2/24

COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT66

m

LR

A1

= (4.4)

Simbolizarea bobinelor se prezint n figura 4.1., respectiv: pentru inductanele fixe frmiez (a), cu miez (b), iar pentru cele cu inductan variabil (c).

a) b) c)Fig.4.1.Simbolizarea bobinelor

a) fr miez, b) cu miez, c) cu inductan variabil

Datorit diversiti utilizriilor, precum i a domeniului de valori, n general, la bobine nuexist o producie de valori tipizate ca la rezistoare i condensatoare. De obicei, productorii deaparatur electric i electronic i realizeaz bobinele necesare propriilor utilizri.

Bobinele se pot clasifica dup urmtoarele criterii [7]: destinaia bobinei, funciilendeplinite, gama de frecven n care se utilizeaz, caracteristicile geometrice: forma bobinei ia spirelor, tipul carcasei, numrul de straturi ale nfurrii, puterea circuitului electric din carefac parte, -posibilitile de reglaj a inductanei, etc. Dup destinaieca element de circuit exist: bobinele de inductan, i bobinele de reactan(care introduc n circuitele de curent alternativ o reactan). Dup funciile ndeplinite debobin exist: bobine de oc, egalizare, stingere, absorbie,

deflexie, msurare, acord. Dup gama de frecvenese ntlnesc bobine la frecvena reelei (de oc, de reactan), bobinede audiofrecven, bobine de radiofrecven.

- Bobinele la frecvena reelei (50 Hz sau 60Hz), ca i cele de audiofrecven, se realizeaz,de obicei, cu miez magnetic. Aceste bobine au un numr mare de spire, iar miezul formeaz uncircuit magnetic nchis. Prezena miezului magnetic determin o dependen neliniar ainductivitaiifuncie de valoarea curentului care o parcurge (fig.4.2).

- Bobinele de radiofrecven se realizeaz cu un strat sau mai multe straturi, cu sau farmiez magnetic, avnd circuit magnetic deschis (tabel 4.2).

- Bobinele pentru frecvene nalte (ultra high frecvencyUHF) au puine spire (1-4 spire) dinconductor gros, de cele mai multe ori fr carcas i fr miez magnetic.

Dup forma geometric, se pot deosebi: bobine cilindrice, bobine plate, bobine toroidale, iardup forma spirelor se ntlnesc bobine cu spire circulare, dreptunghiulare sau ptrate. Dupnumrul de straturi se deosebesc bobine cu un strat i bobine cu mai multe straturi. Dup puterea circuitului din care fac parte, se deosebesc bobine de mic putere (circuite

acordate, filtre, circuite de deflexie, etc.) i de putere mare folosite la filtrajul curentului laredresoarele de putere, la limitarea curentului - bobine de reactan sau la etajele finale aleemitoarelor de putere. Bobinele de putere sunt parcurse de cureni mari i de aceea bobinarease realizeaz astfel nct s se asigure o bun rcire.


3/24

BOBINE 67

n funcie de posibilitatea de modificare a inductaneise deosebesc bobine fixe i bobine cu

inductan variabil. La ultima variant inductana se poate regla n anumite limite, prinmodificarea numrului de spire sau a poziiei miezului magnetic. Modificarea numrului de spirese poate face n mod continuu, n cazul bobinelor cu un singur strat sau n trepte prin comutareaspirelor sau seciunilor bobinei. Deplasarea miezului magnetic n interiorul bobinei permite deasemenea un reglaj al inductanei ntre anumite limite. n diagrama de mai jos se prezint o

clasificare a bobinelor i a utilizrilor acestora (fig. 4.2)

4.2. Caracteristicile bobinelor. Parametrii

n cele ce urmeaz se vor face referiri numai la bobinele de inductivitate proprie, cu simbolulL sau cu un indice,L1. Principalele caracteristici ale unei bobine sunt:

Inductivitatea (inductana proprie) se definete prin raportul dintre fluxul magnetic propriu i valoarea curentuluiicare strbate bobina:

masiv

Relee,Electromagnei,Electromotoare

Bobine de excitaie

BOBINE

Fr miez(cu aer)

Cu miez

din tole din ferit magnetodielectric

Transformatoare,Bobine de oc

Transformatoarede impuls

Bobine de inducie Bobine deradio frecven

BOBINE

Fig. 4.2 Diagrama clasificri bobinelor i a utilizrilor acestora


4/24


iL

= (4.5)

Unitatea de inductivitate nSistemulInternaional se numete henry [H], avnd submultiplii:

1mH=10-3H, 1H=10-6H i 1nH=10-9H.

Fluxul magnetic prin circuitul considerat se calculeaz n funcie de inducia magnetic B,fiindproporional cu numrul deNspire ale nfurrii bobinei i cu fluxul fascicular f (printr-ospir):

f

S

NSdB ==

(4.6)

Calculul induciei magnetice B se face simplu numai n cazuri particulare, i de aceea seobinuiete exprimarea inductivitii n funcie de reluctana magnetic echivalentRm, comformrelaiei:

mm

f

RN

RiN

iNL

2

1 === (4.7)

unde, =N ireprezint solenaia.

Inductivitatea bobinelor cu miez magnetic (feromagnetic sau din ferit) este neliniar(depinde de valoarea curentului), deoarece fluxul magnetic depinde neliniar de valorile curentului(fig.4.2.). Valorile maxime ale inductivitii bobinei rezult pentru valorile curentului i la carevariaia fluxului did este maxim (intervalul marcat prin linie ntrerupt n figura 4.2). Pentrua ine sama de aceast dependen se definete inductivitatea dinamicLd:

didLd = (4.8)

Modul de variaie al fluxului i respectiv al inductivitaii dinamice Ldn funcie de valoareacurentului se datoreaz modificrii permeabilitii magnetice relative ( )HBr 0= a miezuluibobinei. La funcionarea bobinei cu miez n curent alternativ de amplitudine redus(regimul desemnal mic) permeabilitatea este egal cu permeabilitatea relativ iniial i a miezului(proporional cu panta n origine la curba (i)) este practic constant. Punctul de funcionare sedeplaseaz pe un un ciclu minor, indicat cu linie ntrerupt figura 4.3.a, i ca urmare, a variaieimici a a fluxului se poate aproxima valoarea inductivitaiicu cea din regim staticL (LdL).

La funcionarea cu amplitudinea mare a componentei tensiunii alternative (regimul de

semnal mare) inductivitatea variaz n funcie de limitele de variaie ale curentului care strbatebobina. Punctul de funcionare, n acest caz, se deplaseaz pe un ciclu de histerezis (ciclu limit)aa cum se indic n figura 4.3.a (cu linie continu). n cazul n care, curentul prin bobin are i ocomponent continu I0 ,variaia inductivitaii se stabilete pe un ciclu de histerezis parial (fig.4.3.b). n acest regim se definete fie o inductivitate dinamic medieLdm, , fie o inductivitate Lpentru o anumit valoare a curentului:

L Lidm

= =

sau

0IIdi

dL =

= (4.9)


5/24

BOBINE 69

Fig.4.3 DependenaLd(i)n curent sinusoidal a) fr component continu;b) cu component continu

i0

max

i(t) i(t)

i

Ld=/i

ii

I0Imax

Ld=/i

b)

i

Fig.4.2 Dependene la bobina cumiez magnetic a) a fuxuluimagnetic de curent;b) a inductivitaii n funcie devaloarea curentului din circuit


6/24


Principalii parametrii ai bobinelor sunt:Factorul de inductanAL[nH / sp

2] reprezint inductana pe care ar avea-o o bobin deform i dimensiuni date, situat pe un miez ntr-o poziie determinant, dac ar fi formatdintr-o singur spir. n funcie de factorul de inductanAL,inductana unei bobine cuNspire secalculeaz cu relaia:

[ ] 92 10= LANHL (4.10)

Cunoscnd factorul de inductan AL al unei carcase cu miez se poate calcula numrul despireNpentru realizarea unei anumite inductivitiL:

LA

LN

910= (4.11)

Factorul de inductanAL[nH / sp2] reprezint inductana pe care ar avea-o o bobin de

form i dimensiuni date, situat pe un miez ntr-o poziie determinant, dac ar fi formatdintr-o singur spir. n funcie de factorul de inductanAL,inductana unei bobine cuNspire secalculeaz cu relaia:

[ ] 92 10= LANHL (4.10)

Cunoscnd factorul de inductan ALal unei carcase cu miez se poate calcula numrul despireNpentru realizarea unei anumite inductivitiL:

LA

LN

910= (4.11)

Valoarea factorului de inductanALeste indicat de ctre productorii de ansambluri pentrubobine (carcase, miez magnetic, juguri de strngere i fixare) cu miez din ferit tip: oal,RM, Xsau de form toroidal, prin marcarea acesteia pe miezul magnetic.Reglarea inductaneise poate face la bobinele cu miez la care exist posibilitatea de modificare apoziiei miezului sau a ntrefierului. La miezurile tip oal sau RM cu ntrefier modificareainductanei n limite de pn la 40% se poate face cu ajutorul unui urub de reglaj din materialmagnetic (ferit). La bobinele cu miez cilindric reglajul inductanei se face prin deplasareamiezului filetat (prin nurubare) n interiorul bobinei. Limita maxim de variaie a inductanei seobine prin introducerea complet a miezului (valoarea maxim) i la scoaterea (valoareaminim) miezului din bobin.

Pierderile de energie ntr-o bobin real se indic prin unul dintre parametrii: rezistenatotal de pierderiRL[], factorul de calitate QLsau tangenta unghiului de pierderi tg L.Rezistena total de pierderi RL[] reprezint valoarea rezistenei electrice a bobinei determinatde pierderile n conductor n curent alternativRc (valoare este mai mare dect n curent continuu

Rc~ f ), pierderilor n materialul magnetic (prin cureni turbionari i prin histerezis) , ct i

datorit rezistenei de izolaie dintre spire i dintre straturi. Avnd n vedere dependena de


7/24

BOBINE 71

frecven a rezistenei total de pierderiRL la bobinele cu miez, aceasta se poate aproxima, dacse neglijeaz pierderile dielectrice [9], cu o relaie de forma:

( ) LCfBfARL ++= 2 (4.12)

unde, A, B, Csunt constante care depind de geometria bobinei, de modul de bobinare

(A ,C)i de caracteristicile miezului (B,C).Factorul de calitateQLreprezint raportul dintre puterea reactivPri puterea activP disipat nbobin, respectiv:

L

rL tgR

L

P

PQ

1=

== (4.13)

n general, factorul de calitate QL = 0...300 la bobinele utilizate n echipamenteleradioelectronice.Unghiul de pierderi L caracterizeaz comportarea bobinei reale din punct de vedere alpierderilor. Valoarea mrimii tgLexprim efectul tuturor pierderilor din bobin: n conductor, n

miez magnetic i n izolaie. Pierderile ntr-o bobina real se echivaleaz prin rezistena de piederiRL, (din schema echivalent fig.4.4.b), ceea ce n diagrama de fazori (fig.4.4.c) corespundedefazajului dintre tensiunea Ude alimentare i tensiunea de la bornele bobinei UL.

Capacitateaproprie Cp(parazit) se datoreaz diferenei de potenial dintre spire, dintre straturi,precum i dintre acestea i mas electric a circuitului n care este conectat bobina. Valoareacapacitii parazite totale echivalente Cpeste de ordinulpF...sute depF.

Aceast capacitate depinde de:- dimensiunile bobinei;- tipul de bobinaj;- numrul de spire.

Variabilitatea L/Leste un parametru prin care se exprim modificarea inductivitii uneibobine cu variaia temperaturii i cu trecerea timpului. Valoarea inductivitii este influenat detemperatura de lucru att prin dependena permeabilitii r de temperatur, ct i prin

U

U2

1

u

UL UR

L RL

b)

UL

UR

c)

I

a)

Fig.4.4 Bobina cu miez magnetic a) Construcieb) Schem echivalent; c) Diagrama de fazori

Circuitul magnetic

Bobinaj


8/24


modificarea dimensiunilor geometrice ale bobinei. Variaia relativ a inductivitii datorittemperaturiise poate aprecia pe baza factorului de temperatur TF prin relaia:

=

TFL

Le (4.14)

unde:

= d

dTF

i

i2

1

e- permeabilitatea efectiv (pentru miez i ntrefierurile circuitului magnetic);i- permeabilitatea magnetic relativ iniial.

Variaia relativ a inductivitii ntr-un interval de timpt (t2 > t1) se datoreaz modificrii ntimp a caracteristicilor miezului magnetic i se evalueaz pe baza factorului de dezacomodare DFprintr-o lege logaritmic:

1

2

t

tlgDF

L

L=

(4.15)

DFD

i

=

; Di

=

1 2 ,

unde,D este dezacomodarea, iar 1, 2sunt permeabilitile efective la momentele t1 i t2.Datorit construciei bobinajului, ntre bornele 1i 2 (fig.4.5.a), la bobina real se manifest

de asemenea, capacitile parazite dintre spire, care se echivaleaz cu capacitatea C12, , iar lacapetele bobinei apar capacitile C10i C20n raport cu masa electric a montajului n care esteamplasat bobina (fig.4.5).

Capacitatea parazit total Cp a unei bobine, format din: capacitatea dintre spirele

nfurrii-C12 i capacitile capetelor bobinei n raport cu masa-C10 i C20 (fig.4.5), secalculeaz cu relaia:

( )

201012

201012

CCC

CCCCp ++

+= (4.16)

Rezistena de pierderi a bobinei reale (fig. 4.5) RRL este format din trei componentecorespunzatoare pierderilor: n conductorul nfaurrii-Rc, n miezul magnetic-Rmi n izolaie-Rp.

C20C10

L R

C12

Miez magnetic

Fig. 4.5. Schema echivalent abobinei reale


9/24

BOBINE 73

Pe baza parametrilor bobinei definii anterior, impedana complexZ12dintre bornele 1i 2a bobinei cu pierderi (bobina real), se poate scrie:

( )

++

+

=

pL

p

L

CjLjR

CjLjR

Z1

1

12 (4.17)

4.3. Construcia bobinelor

Constructia bobinelor depinde de o serie de factori cum ar fi: destinaia bobinei, valoareainductanei, factorul de calitate, mod de asamblare i ecranare, etc. Bobinele de valori mici serealizeaz fr miez magnetic sau cu miez cilindric, iar bobinele cu inductane mari se realizeazcu miezuri magnetice (feromagnetice sau ferite) de diferite forme (cilindrice, toroidale, oale sauforme nchise U+I, E+I, E+E, U+Usau X).

Prile componente ale unei bobine sunt: nfurarea (bobinajul), carcasa, miezulmagnetic i ecranul. n funcie de varianta constructiv unele pri componente pot lipsi.

Bobinajul se realizeaz, de obicei, cu conductoare de cupru izolate (email - CuEm,email+bumbac, email+mtase), cupru neizolat sau argintat (pentru bobine de nalt frecven) imai rar din aluminiu sau argint. Se caracterizeaz prin: diametrul (seciunea) conductorului,numr de spire, pas, numr de straturi i de seciuni. Dup modul n care sunt dispuse spirelebobinajului pe carcas acesta poate fi: ntr-un singur strat sau cu mai multe straturi (multistrat).Bobinajul ntr-un singur strat se realizeaz printr-o tehnologie simpl de nfurare spir lnspir sau cu spaii ntre spire (bobinaj cu pas). Bobinajul cu pas se folosete, n general, larealizarea bobinelor cu valoare mic a inductivitii. La bobinarea cu pas (constant sau variabil)

se folosesc, de obicei, conductoare neizolate, rezultnd valori mici ale capacitii parazite Cp.Bobinajul multistratpermite obinerea unei inductane proprii mai mari la acelai volum. Pentruacest tip de bobinaj rezult o capacitate parazit mai mare i apare pericolul strpungerii electriceprin alturarea de spire cu diferene mari de potenial. Diminuarea acestor inconveniente se poateobine prin diferite modaliti de dispunere a spirelor n cadrul bobinei. Astfel, creterea tensiuniide strpungere se poate obine prin distanarea spirelor i prin izolarea ntre straturi. Cretereadistanei dintre spire i dintre straturi permite de asemenea i o micorare a capacitii parazite. nfigura 4.6. se indic unele variante de bobinare: cu o singur seciune (4.6.a), piramidal bobinatnormal (4.6.b), piramidal bobinat alternat (4.6.c), secionat n galei (fig. 4.6.d).


10/24


Fig.4.6.Tipuri de bobinaje

Bobinajul n fagure (universal - fig.4.6.e-sus i ncruciat - fig.4.6.e-jos) asigur i o

reducere a capacitii parazite, deoarece spirele cu diferene mari de tensiune nu sunt paralele.Conductorul de bobinajcel mai frecvent utilizat este din cupru de seciune circular i diametrenormalizate. Pentru cureni foarte mari se folosesc conductoare cu seciune dreptunghiular sauptrat (uneori tubular pentru rcire cu ap), din cupru sau aluminiu. La bobinajele de joasfrecven (JF) conductoarele sunt izolate cu email (CuEm), cu email i fibre textile sau cu fibreanorganice (sticl). Caracteristicile conductoarelor de bobinaj din cupru folosite uzual labobinajele de mic putere sunt indicate n tabelul 4.1.

Tabelul 4.1 Caracteristicile conductoarelor de bobinaj din cupruDiametrul

conductorului

[mm]

Izolaie cuemail

[mm]

Izolaie cuemail i

mtase [mm]

Rezistena la 1 mde conductor

[] la 200C

Curentuladmisibil [A]

pentruJ=2A/mm

0,05 0,062 0,10 8,781 0,003920,06 0,074 0,110 6,098 0,005660,08 0,088 -- 4,355 0,01010,10 0,121 0,157 2,195 0,01570,15 0,177 0,214 0,975 0,03540,20 0,230 0,265 0,549 0,06280,30 0,336 0,377 0,244 0,1410,40 0,442 0,484 0,137 0,2520,50 0,548 0,591 0,0878 0,3920,60 0,654 0,699 0,0698 0,5660,70 0,767 -- 0,0435 0,7700,8 0,861 0,912 0,0343 1,010,9 0,965 -- 0,0271 1,251,0 1,068 -- 0,0219 1,57

a) b

c) d)e)


11/24

BOBINE 75

La alegerea diametrului (a seciunii) conductorului de bobinaj se ine seama, n special labobinele de putere, de densitatea de curent admisibil J=1,5-5[A/mm2]. Valorile uzuale aledensitii de curent depinde de construcia bobinei i de condiiile de rcire ale bobinajului.Pentru obinerea unui factor de calitate Q ridicat este necesar ca rezistena de pierderi R, deci irezistena conductorului nfurriiRcs aib o valoare ct mai mic. n acest caz, densitatea decurent admisibil este mult mai mic

La bobinajelede nalt frecven (F) se folosesc conductoare multifilare formate din 7-15conductoare cu diametru foarte redus i izolate individual, ansamblul lor fiind izolat cu bumbacsau mtase (lia de radiofrecven - lia de RF). Lia de RFse poate folosi pn la frecvene deordinul 1-3 MHz, ns numai n cazurile n care este necesar obinerea unui factor de calitateridicat. . Acest conductor liat are rezisten sczut n curent alternativ datorit unui efectpelicular mai sczut n comparaie cu conductoarele masive.

Pentru bobinajele folosite la ultranalt frecven (Ultra High Frequency-UIF), datoritefectului pelicular, se folosesc conductoare din cupru argintat izolate cu email-mtase sau chiarneizolate.

Principalele tipuri de bobine cilindrice i bobinaje utilizate la frecvene medii i mari (ordinMHz) cu caracteristicile (form, factor de calitate Q, capacitate proprie Cp) i utilizrile

corespunztoare (conform indicaiilor din lucrarea [12])sunt prezentate n tabelul 4.2.

Tabelul 4.2. Bobinaje utilizate pentru diferite domenii de frecvene (conform [12])Nr.crt. Tipul

bobinajuluiAspect Domeniu de utilizare Q Cp Observaii

1. ntr-un strat cuspire alturate

ntreaga gam defrecvene;

L mici (0,1 H..0,1 H)

80....250 mic

cu/fra miezcu/fr carcas

2.ntr-un strat cu

spiredistanate

Frecvene nalte ifoarte nalte, L mici(nH... 0,1 mH)

150...350 f. mic idem 1

puteri mari(emisie)

3. Bobinaj spiral

Frecvene nalte ifoarte inalte, L mici(nH) puteri mari

pentru emisie

150......300 f. mic Fr miez; se fac

i pe cablajimprimat

4.Mai multe

straturi spirlnga spir i

strat peste strat

Frecvente joase cndnu conteaz Q,Q mic, L mari

mic 80) mic carcase speciale


12/24


8Bobinajsecionat(galei)

Frecvene medii ijoase, L medie mare

mediu(50......100)

medie pe carcase

9. n fagure

(ncruciat)

Frecvene medii ijoase

(50 KHz... 5MHz)L mare (> 50H)

f. bun(> 50) mic

pe miez sau pecarcase; au

rigiditate bun

10. n fagure(universal)

idem 9 idem 9 idem 9 idem 9se execut mai

uor

11. BifilarToat gama, n unulsau mai multe straturipentru obinerea unui

cuplaj strns

idem1, 2

Carcasaconstituie suportul izolant pe care se realizeaz bobinajul. Acesta are n general o formtubular de diferite seciuni (circular, ptrat, dreptunghiular sau n funcie de forma miezuluimagnetic) cu sau fr flane. Pentru bobinele fr miez sau cu miez cilindric din ferit, sefolosesc carcase de form cilindric (fig.4.7). Pentru bobinele cu nfurri ntr-un singur strat seutilizeaz carcase cu nervur elicoidal pentru fixarea conductorului (fig.4.7.c). Pentrubobinajele multistrat carcasele sunt prevzute, de obicei, cu flane (fig.4.7.d). Acestea se prevdcu orificii prin care se scot capetele nfurrilor i cu piese pentru fixare pe asiu sau pe placa decircuit imprimat (fig.4.7.b).

Fig.4.7. Carcase pentru bobine de nalt frecven

Materialele electroizolante care se utilizeaz la realizarea carcaselor pentru bobine trebuie s

ndeplineasc condiii mecanice: rezisten, stabilitate termic i la aciunea umiditii, stabilitaten timp i electrice: rigiditate dielectric mare, permitivitate relativ r mic. n ordineacresctoare a performanelor, cele mai utilizate materiale pentru carcase sunt: cartonelectroizolant, pertinax, textolit, materialele termorigide, bachelit, materiale termoplaste(polietilen, policlorvinil, polistiren, teflon), materiale ceramice.

Miezul constituie circuitul magnetic care intr n componena unor bobine pentru asigurareaconcentrrii liniilor cmpului magnetic. Prezena miezului magnetic n interiorul bobinei permite,

a) b) c) d)


13/24

BOBINE 77

prin concentrarea liniilor de flux magnetic, obinerea unei inductiviti i a unui factor de calitatede valoare mai mari dect n lipsa acestuia. n unele cazuri prin modificarea poziiei relative amiezului n raport cu bobinajul se asigur i posibilitate de reglaj a inductivitii ntre anumitelimite. La elaborarea materialelor magnetice utilizate la miezurile bobinelor de nalt frecven seurmrete reducerea pierderilor prin cureni turbionari. Pentru aceasta se acioneaz asuprareducerii seciunii materialului magnetic prin care se nchid curenii turbionari i asupra creterii

rezistivitii acestuia. S-au impus urmatoarele soluii:-folii subiri din materiale feromagnetice - tole sau benzi;-ferite i magnetodielectricii (pulberi presate din materiale feromagnetice).Fiecare dintre aceste materiale au domenii specifice de utilizare. La bobinele care

funcioneaz n regim de semnal mare este necesar ca inducia magnetic din miez B s nu atinginducia de saturaie a materialului (B


14/24


200300 4880100 10204050 2040

Ni-Zn

1520 4080

Se observ c domeniul de frecven n care se utilizeaz feritele este cu att mai mare, cuct permeabilitatea acestora este mai sczut. Codul de identificare al feritelor este specificproductorului (cod literar, numeric sau combinat). Pe baza acestui cod, din catalog, se obincaracteristicile i parametrii magnetici pe baza crora se poate stabili domeniul optim defuncionare. Din feritele Mn-Zn i Ni-Zn se realizeaz miezuri cilindrice i circuite magneticenchise (de exemplu: miezuri tip oal, tor, X, etc.) pentru bobine de mare inductivitate (fig.4.8.b). Miezurile din feritde tip oalprezint avantajul (fa de tor) unui bobinaj mai uor derealizat (pe carcas cilindric din material plastic) i posibilitatea de reglaj a inductanei. Acestemiezuri, se realizeaz din anumite tipuri de ferite cu sau fr ntrefier, avnd anumite dimensiunigeometrice (fig. 4.8). n funcie de aceste caracteristici se realizeaz codificarea miezului, deexemplu: O(1) 36 (2) x 22 (3) A5(4) 1500 (5) J (6), avnd urmtoarea semnificaie:

O miez oal; diametrul exterior(2) x nlimea(3) codul feritei (4) factorul deinductan (5) codificarea toleranei. (6).

Unii dintre parametri feritelor de fabricaie romneasc cum ar fi: permeabilitatea iniial,domeniul optim de frecven, inducia de saturaie BS, factorul de dezacomodareDFsau factorulde temperatur al permeabilitii F [1/

0C] determinat la B=0,1T i rezistivitatea se indic ntabelul 4.6.

Fig. 4.8. Miez tip oal

Tabelul 4.6.Caracteristicile unor ferite din producie romneascTip ferit Permeabil.

iniial i

Domeniul optimde frecven

[kHz]

BS[T] DFX 10-6

sau F*

Rezistivitatea

[.m]

A71 6.000 1-100 0,39 1A8 10.000 1-50 0,38 2A7 3500 1-100 0,36 4 0,6

A5 2200 1-100 0,4 6 0,25A3 1500 1-100 0,38 5 0,35A1 600 1-1000 0,4 15 2E2 300 0,5-10 MHz 3*

D7 120 1-30 MHz 0,25 40* 300D5 50 10-50 MHz 50* 450D1 9 80-300 MHz 250* 105


15/24

BOBINE 79

Miezuri cilindricedin ferit se utilizeaz pentru ajustarea valorii indutivitii bobinelor oal,precum i a bobinelor cilindrice de freven medie i mare (de radiofrecven). CaracteristicilegeometriceDMx lMi marcajul unor miezuri cilindrice din ferit [22] se prezint n tabelul 4.7.

Tabelul 4.7. Miezuri cilindrice pentru bobine (producie romneasc)Cod DM[mm] lM[mm] Marcaj [Culoare]

C 2 x 6 2,1-0,05 6,10,3 Violet (D12)C 2 x 16 2+0,1 160,5 Alb (F4)C 3 x 8 3-0,15 80,5 Bleu (D41)C 3 x 16 3-0,15 160,5 Galben (D2)C 4 x 10 4-0,2 100,3 Alb (F4)C 4 x 16 4-0,2 160,5 Alb (F4)C 6 x 20 6-0,3 201 Rou (D3)C 6 x 30 6-0,3 301 Alb (F4)C 10 x 25 10-0,4 301 Roz (F5)

Ecranulare rolul de a diminua cmpul electric sau magnetic din jurul bobinei - de la bobinspre exterior i din exterior spre bobin. Se utilizeaz numai la bobinele fr miez i la cele cumiez, dar cu circuit magnetic deschis sau cu ntrefier mare. La bobinele cu circuit magnetic nchisecranul nu este necesar, deoarece cmpul magnetic este concentrat n interiorul miezuluimagnetic.La joas frecven efectul de ecranare la cmpuri magnetice perturbatoare se obine utilizndmateriale feromagnetice de permeabilitate ridicat (de exemplu: permalloy). Bobina se plaseazn interiorul acestui ecran fr contact magnetic cu miezul acesteia.Pentru frecvene ridicate ecranele bobinelor se realizeaz din materiale conductoare cuconductibilitate ridicat (Cu, Al). n acest caz efectul de ecranare se realizeaz prin aciuneacurenilor turbionari care apar n peretele ecranului, datorit cmpului magnetic exterior sau

interior. Acest cmp magnetic variabil induce n materialul conductor al ecranului cureniturbionari (legea induciei electromagnetice) care creaz un cmp magnetic ce se opune efectuluiperturbator.Ecranarea electrostaticfa de tensiunile parazite prin cuplaje capacitive se poateobine prin utilizarea de ecrane din materiale bune conductoare electric (Cu, Al) conectate lapunctul de potenial nul al circuitului electric (punct de mas).

Sistemul de prindere are rolul de a fixa carcasa, miezul magnetic i terminalele pentru apermite conectarea bobinei n circuitul electric i fixarea mecanic a ansamblului.

Forma i prile componente ale sistemului de prindere depinde de construcia i dedimensiunile bobinei. Astfel, la bobinele tip oal sistemul de prindere conine: placa de baz icolierul de strngere. n figura 4.9 se indic prile componente ale unei bobine tip oal (de la

stnga la dreapta): placa de baz care conine i terminalele, miezul (partea inferioar), carcasa,miezul de reglaj, miez (partea superioar), i colierul de strngere.


16/24


Fig.4.9 Prile componente ale unei bobine (miez oal)

4.4. Calculul inductivitii bobinelor.

Dup cum s-a artat inductanta bobinelor este o mrime care depinde de construciageometric (forme, dimensiuni, amplasare) i de caracteristicile miezului (magnetic) n care

acesta este amplasat. n cazul general, valoarea inductivitii unei bobine se determin conformrelaiei (4.5) prin determinarea induciei i calculul fluxului sau n funcie de numrul de spire N

i reluctana magneticS

lR mm

= ( mRNL2= ). Liniile de cmp magnetic se nchid n cea mai

mare parte pe calea de reluctan minim, iar alt parte se inchid prin aer, formnd cmpul descpri .

4.4.1. Calculul inductivitii bobinelor fr miez (cu aer)

Inductana bobinelor fr miez este o mrime care depinde numai de forma idimensiunile bobinei. Relaiile de calcul pentru bobine se obin prin calculul fluxului magnetic

produs de curentul ce trece prin circuitul bobinei. Calculul fluxului magnetic necesit cunoatereainduciei magnetice B, n diferite puncte din spaiu, ceea ce se face simplu numai n cazuriparticulare. Pentru unele forme de bobine i de circuite magnetice, la calculul fluxului sau alreluctanei magnetice se introduc aproximaii simplificatoare. Relaiile de calcul ale inductivitiicare se indic n continuare dau erori de obicei sub 5-10%, precizie suficient pentru calculetehnice.

a.)Bobine de form toroidalForma toroidal este cea care se caracterizeaz prin flux de dispersie minim. Valoarea fluxului

magnetic al unui tor = dSB unde, inducia

=l

iNB 0 , iar dS=h dr(diametrul interior

di exteriorD cu seciune dreptunghiular de lime h (fig. 4.10.a) ) se determin cu relaia:

=

= d

DiNhdr

r

iNh

D

d

ln22

0

2

2

0

(4.18)

Inductana (/i) este:


17/24

BOBINE 81

L

=

d

Dln

Nh

20 (4.19)

Fig. 4.10. Geometria bobinelor, .a)Tor, b.)Bobin cilindricPentru toruri la care limea este mult mai mic n comparaie cu diametrul

( ( ) 2dD


18/24


La bobine cilindrice cu un singur strat (Tabelul 4.2.-pct.1, 2 cu lungimea l, diametrul bobineiD i ddiametrul conductorului) la care raportulD/l are o valoare finit pentru calculul inductaneise folosete relaia (4.21), care se mulete cu factorulsubunitarKn(factorul Nagaoka). n acestcaz, prin nlocuirea seciunii ( 42DS = ), rezult:

20

22

04 NAl

DNKL Ln =

= (4.22)

unde: 21 nnn KKK = , iar

2

23

1

10545,01

1

l

D

l

DKn

+=

(4.23.a)

( )

12

21

nn

KD

BAlK

+

= , cup

dA

=

73,1lg3,2 ;

+= 28,35,21336,0 NN

B . (4.23.b)

Pentru bobinare spir lng spir (pasulp=0) factorulKn2=1. n cazul n care bobina arelungimea mult mai mare ca diametru (l>>D) factorul NagaokaKn1.

b.)Bobin cilindric cu seciune dreptunghiular (fig.4.10.b)

Relaia de calcul, pentru acest tip de bobin (formula lui Welsby) [8]:

b

NaKL w

22

0

2 =

(4.24)

este asemntoare cu relaia (4.20), la care factorul subunitarKweste:

bcacbaKw +++

=84,032,09,01

1

Cu aceast relaie se obin precizii bune, cu att mai ridicate cu ct bobinele au dimensiunilec i b mai mici. Pentru alte forme constructive n relaiile de calcul se folosesc coeficieni care secalculeaz sau se determin din nomograme.

Pentru determinarea factorului de calitate al bobinelor fr miez s-au obinut relaii de calculfolosind diverse ipoteze simplificatoare, care n practic ns au gsit o aplicare restrns, dincauza complexitii mari i preciziei relativ sczute.

4.4.2. Calculul inductivitii bobinelor cu miez

Inductivitatea bobinelor cu miez depinde pe lng dimensiunile geometrice ale bobinei i depermeabilitatea relativ r a materialului magnetic al miezului. Valoarea acestei permeabiliti,


19/24

BOBINE 83

cu excepia bobinelor care lucreaz la valori mici ale curentului (regimul de semnal mic), depindede valoarea curentului (pct. 4.2).

Pentru a ine seama de construcia practic a bobinei (forma miezului i mrimeantrefierului) i de proprietile magnetice ale miezului, n calculul inductivitii bobinelor cumiez se introduce, fie reluctana echivalent a circuitului magnetic, fie o valoare echivalent apermeabilitii circuitului magnetic, numit permeabilitate efective.

a) Bobine cu circuit magnetic nchis (cu ntrefier mic)

O metod de calcul [12] folosit n aceste situaii este cea care utilizeaz parametrii efectiviai unui tor de substituie. Inductana unei bobine, calculat cu parametrii efectivi este:

e

ee

l

SNL

=

2

0 (4.25)

unde: eestepermeabilitatea efectiv a circuitului magnetic;leeste lungimea efectiv a liniei de cmp magnetic;Seestearia efectiv a seciunii transversale a torului echivalent (de substituie).

Permeabilitatea efectiv epentru un circuit magnetic realizat dintr-un singur material, avndpermeabilitatea iniiali,cu un intrefier de lungime i cu seciune Sse calculeaz cu relaia:

+

=

SS

lS

l

ei

e

e

e

e (4.26)

Valorile mrimilor efective Se i lese calculeaz cu relaiile:

2

21

C

Cle = ,

2

1

C

CSe = (4.27)

n care se introduc constantele miezului C1i C2:

=i

i

S

lC1 ; = 22

i

i

S

lC (4.28)

unde, lieste lungimea unei poriuni omogene a circuitului magnetic, avnd seciunea Siconstant.

Prin introducerea mrimilor obinute cu relaiile (4.27) i (4.28) n ecuaia (4.26) sedetermin premeabilitatea echivalent i cu relaia (4.25) se calculeaz inductana, care n acestcaz, este afectat de erori mai mari dect cele de la bobinele fr miez.

Pentru un miez magnetic dat, mbuntirea preciziei de calcul a inductanei se poate obineprin determinarea experimental a permeabilitii efective e sau a factorului de inductan AL.Acest determinare se poate face prin msurarea inductivitii unei bobine de prob (cu numrcunoscut de spire) realizat pe miezul respectiv. La miezurile de ferit, productorii acestoraindic [22], [23] valorile mrimilor efective: Se, le, , precum i volumul efectiv Ve.


20/24


Bobinele cu miez oal, X i RM se utilizeaz n echipamentele de telecomunicaii, nelectronica profesional, n automatizri i aparaturade bunuri de larg consum, pentru bobine deinductan, filtre, transformatoare, etc., deoareceaceste bobine, au un cmp de scpri foarte redus.Cu aceste miezuri se pot realiza bobine (fig. 4.9) cu

factor de calitate ridicat, stabilitate n timp i cutemperatura, avnd o greutate i un volum redus. ndatele de catalog productorii acestor miezuri [22]indic codul miezului (exemplu :O oal)alturi dedimensiunile d1 x h1 , valoarea factorului deinductanAL cu o toleran n urmtoarele limite:

Fig. 4.9. Ansamblu bobin tip oal

+30%-20% (R), 10% (K), 5% (J), 3% (A).

n acest caz, o bobin de inductan L se calculeaz folosind relaia (4.10), alturi de

nomograme [12], dar valoarea obinut va fi afectat de clasa de toleran a miezului. Reglareainductanei este posibil numai al miezurile oal cu ntrefier (fig.4.8.b) prin untarea magnetic antrefierului cu ajutorul unui urub de reglaj din material magnetic (ferit).

c) Bobinele cu miez cilindric

Bobinele cu miez cilindric folosite la nalt frecven prezint, comparativ cu aceleai bobinefr miez, urmtoarele avantaje:

- reducerea numrului de spire, deci a pierderilor n conductor (scade Rc) i a capacitiiparazite a bobinei;

- creterea factorului de calitate Q1;

- posibilitatea de reglaj a inductanei.

Bobinele cu miez cilindric se folosesc n diverse aplicaii, dar ndeosebi n radiotehnic la:oscilatoreleLC, filtre de band, circuitele de intrare ale amplificatoarelor, etc., folosind carcasecilindrice n interiorul crora se introduc prin nfiletare miezuri cilindrice din ferit. Datoritaportului de permeabilitate al miezului, bobinele se caracterizeaz printr-un factor de calitate maimare n comparaie cu aceleai bobine fr miez. Comparativ cu bobinele cu circuit magneticnchis, care concentreaz fluxul magnetic n interiorul miezului, la bobinele cu miez cilindricfluxul de dispersie (prin aer) este nsemnat i numai o parte a liniilor de cmp care ies la un captal bobinei intr n cellalt. De asemenea, exist i o variaie a fluxului n funcie de poziiamiezului n raport cu bobinajul. Din aceast cauz, la aceste bobine nu se poate face un calcul

riguros, avnd n vedere dependena acestora de:-caracteristicile miezului (form, dimensiuni, permeabilitatea e);-dimensiunile carcasei;-modul de dispunere a nfurrii;-modul de ecranare.

Un parametru care caracterizeaz bobinele cu miez cilindric de ferit este permeabilitateaaparent:


21/24

BOBINE 85

ap =L/L0, ,unde L reprezint inductana bobinei cu miez, iar L0 - inductanabobinei fr miez.

Dac se ine seama de pierderile n miez, permeabilitatea aparent ap are caracterul uneimrimi complexe:

=

Qjapap

11 (4.29)

unde, Qeste factorul de calitate intrinsec al miezului.Permeabilitatea aparent ap este o mrime care se determin experimental. Aceasta

depinde de permeabilitatea iniial i a miezului, de forma i dimensiunile miezului, precum de ide poziia acestuia n raport cu bobina.

Inductana La bobinei cu miez se obine din cea a bobinei fr miez L0multiplicat cupermeabilitatea aparent ap:

200 NALL Lapap == (4.30)

Permeabilitateaapeste mai mic cel mult egal cu permeabilitatea efectiv i inferioarpermeabilitii iniiale a miezului magnetic. Dependenaap n funcie deraportul l/d (diametrul di lungimea la miezului) pentru diferite valori ale permeabilitii iniiale se prezint sub formgrafic n lucrarea [12].Un calcul aproximativ al permeabilitii apse poate face cu relaia:

( )m

mapap

l

d= 08,0...6,0 (4.31)

unde ap0 reprezint permeabilitatea aparent iniial, lm lungimea miezului, iar dm diametrul

acestuia.Permeabilitatea ap0 este mai mic dect e , astfel ap0e n cazul n care bobina estentr-un singur strat i lungimea miezului este egal cu cea a bobinei.

O relaie empiric de calcul pentru permeabilitatea efectiv e [9] n funcie depermeabilitatea iniial i a feritei, diametrul dmi lungimealm a miezului este:

( )1840171

+

=

i

,

m

m

ie

l

d,

(4.32)

La calcululapcu relaia (4.30) se consider c materialul magnetic al miezului (tipul deferit) s-a ales innd seama de domeniul de frecven n care funcioneaz bobina.

4.5. Exemplu de calcul

Se cere s se dimensioneze o bobin pentru un circuitLCparalel (C=470pF) pe frecvenaf0=6.5 MHz(frecvena intermediar sunet la norma OIRT), avnd urmtoareale caracteristici:

factor de calitate Q>50;


22/24


variaia relativ a inductivitii cu temperatura mai mic de 1% , pe un interval

cuprins ntre 5550C; posibilitatea de ajustare a inductanei minim: 10%..

Soluie

Valoarea inductanei bobinei se obine din expresia frecvenei de rezonan: LCf 2

1

= ,respectiv:

CfL

=

20

24

1

unde dup nlocuirea frecvenei i a valoarii capacitii condensatorului de acord C=470 pF,

rezult:L= 1,275H.

Construcia bobinei

Pentru acest frecven (6,5 MHz) se alege varianta de bobin cilindric ntr-un strat cumiez magnetic, pentru a obine un factor de calitate ridicat (Q>50).

Se adopt un bobinaj format dintr-un singur strat cu spirele distanate (tabel 4.2- poz. 2).realizat pe o carcas (fig. 4.7.b) i cu miez de ferit (miez cilindric).

Se alege o carcas cilindric din polistiren cu diametrul exteriorD=6 mmi diametrulinterior d=4 mm, filetat interior pentru fixarea miezului din ferit ;

Se alege un miez din feritNi-Znde (tabelul 4.4) tipE2cu urmtoarele caracteristici(tabelul 4.6):

- permeabilitatea iniial I= 300;

- factorulde temperatur al permeabilitii: TF=3.10-61/0C. Se alege un miez cilindric C3x8, avnd urmtoarele dimensiuni: dm=3 mm, lm=8 mm.(tabelul 4.7).

Valoarea permeabilitii efective se calculeaz cu relaia (4. 32) i se obine:

( )

6

13008

38401

30071

+

=,e

,

iar,apse determin cu relaia (4.29) i rezult 71,ap

Calculul inductaneiL (bobin cilindric cu un singur strat) se face pe baza relaiilor (4.22) i(4.23).

Prin nlocuire datelor geometrice ale bobinei n relaia factoruluiKn1, rezult:


23/24

BOBINE 87

75,0

8

6105

8

645,01

12

3

1

+

=

nK ;

Din relaia (4.22), se determin numrul de spireN al bobinei:

( )15

10675071104

1084102751

4237

36

210

=

=

,,,

DK

lLN

nap

spire,

iar factorul de inductan al bobinei este:

[ ]665

15

1027512

3

20,

,nHLAL

==

Se alege:N=16 spire, pentru a putea ajusta valoarea inductanei (+10%).

Bobinajul se face cu conductor de cupru cu diametrul d=0,3 mm, iar pentru izolaie cuemail CuEmd =0,336 mm (tabel 4.1), rezultnd urmtoarele caracteristici:

limea bobinei spir lng spir: l=16 . 0,336=5,376 mm


24/24


Prin alegerea tipului de bobin i a caracteristicilor bobinajului se consider ndeplinitcondiia impus Q>50.

Valoarea factorului de calitate Q se poate determina conform indicaiilor din lucrarea [12].

Cap.4 Bobine

Documents

Transcript of Cap.4 Bobine