L.3 PARAMETRII BOBINELOR. DEPENDENA PARAMETRILOR DE FRECVEN

1. Scopul lucrrii

cunoaterea parametrilor bobinelor i a dependenei acestora de construcie i frecven;

nsuirea modului de determinare a parametrilor schemei echivalente; domenii de utilizare a bobinelor n funcie de construcie.

2. Consideraii teoretice Bobinele se ntlnesc n diferite aplicaii n domeniul electronicii i

telecomunicaiilor: circuite oscilante, filtre (trece band, oprete band, trece jos sau trece sus), circuite de deflexie ale tuburilor cinescop, etc. Construcia bobinelor depinde de o serie de factori cum ar fi: destinaia bobinei, valoarea inductanei, factorul de calitate, mod de asamblare i ecranare, etc. Bobinele de valori mici se realizeaz fr miez magnetic sau cu miez cilindric, iar bobinele cu inductane mari se realizeaz cu miezuri magnetice (ferite) de diferite forme (cilindric, toroidal, oal).

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

2.1. Parametri bobinelor Bobinele pot fi caracterizate, n principal, prin: valoarea inductanei L, sau a factorului

de inductan AL i prin factorul de calitate QL. Inductivitatea (inductana proprie) se definete prin raportul dintre fluxul magnetic

propriu i valoarea curentului i care strbate bobina, iar prin nlocuirea numrului de spire N i a reluctanei Rm rezult:

mR

Ni

L2

=

= (1)

Reluctana magnetic Rm este:

m

mm S

lR

=

(2)

unde: lm - lungimea liniilor de cmp; =0 r permeabilitatea absolut; Sm suprafaa prin care se nchid liniile de cmp. Factorul de inductan AL [nH / sp2 ] reprezint inductana pe care o poate avea o bobin, de form i dimensiuni date, situat pe un miez ntr-o poziie determinant, dac ar

Lucrare de laborator nr. 3 PARAMETRII BOBINELOR. DEPENDENA PARAMETRILOR DE FRECVEN

2

fi format dintr-o singur spir. n funcie de factorul de inductan AL, inductana unei bobine cu N spire se calculeaz cu relaia:

[ ] 92 10= LANHL (3)

Valoarea factorului de inductan AL este indicat de ctre productorii de ansambluri pentru bobine (carcase, miez magnetic, juguri de strngere i fixare) cu miez din ferit.

Factorul de calitate QL reprezint raportul dintre puterea reactiv Pr i puterea activ P disipat n bobin, respectiv:

s

srL R

LPPQ

==

(4)

n general, factorul de calitate QL = 0...300 la bobinele utilizate n echipamentele electronice.

2.2. Construcia i comportarea bobinelor n frecven Schema echivalent a bobinei reale conine pe lng inductana LS i rezistena de

pierderi RS n nfurare i n miez (schema echivalent serie), precum i capacitile C10, C20 i C12 (fig.1).

Miez magnetic

21

LS RSC12

C10 C20

Fig. 1 Schema echivalent a bobinei reale

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) sau argint, nfurare spir ln spir sau cu spaii ntre spire (bobinaj cu pas). Pentru acest tip de bobinaj rezult o capacitate parazit mai mare i apare pericolul strpungerii electrice din cauza alturrii de spire cu diferene mari de potenial.

La bobinajele de nalt frecven (F) (f10 MHz) se folosesc conductoare multifilare formate din 7-15 conductoare cu diametru foarte redus i izolate individual, ansamblul lor fiind izolat cu bumbac sau mtase (lia de radiofrecven - lia de RF). Lia de RF se poate folosi pn la frecvene de ordinul 1-3 MHz, ns numai n cazurile n care este necesar obinerea unui factor de calitate ridicat. Acest conductor liat are rezisten echivalent n curent alternativ sczut, datorit unui efect pelicular mai redus n comparaie cu conductoarele masive. Pentru bobinajele folosite la ultranalt frecven (Ultra High Frequency-UIF), datorit efectului pelicular, se folosesc conductoare din cupru argintat izolate cu email-mtase sau chiar neizolate.

Principalele tipuri de bobine cilindrice i bobinaje utilizate la frecvene medii i mari (ordin MHz) cu caracteristicile (form, factor de calitate Q, capacitate proprie Cp) i utilizrile corespunztoare sunt prezentate n tabelul 1.

Tehnici i aparate de msur n telecomunicaii Prof. dr. Ioan D. Oltean

3

Tabelul 1 Bobinaje utilizate pentru diferite domenii de frecvene

Nr. crt.

Tipul

bobinajului

Aspect

Domeniu de utilizare

Q

Cp

Observaii

1.

ntr-un strat cu spire alturate

ntreaga gam de

frecvene; L mici ( 0,1 H..

0,1 H)

80... .250

mic

cu/fra miez

cu/fr carcas

2.

ntr-un strat cu spire distanate

Frecvene nalte i

foarte nalte, L mici ( nH... 0,1 mH)

150... 350

f. mic

idem 1

puteri mari (emisie)

3.

Bobinaj spiral

Frecvene nalte i foarte inalte, L mici ( nH) puteri mari pentru

emisie

150... ...300

f. mic

Fr miez; se fac i pe cablaj imprimat

4.

Mai multe straturi spir lnga spir i

strat peste strat

Frecvente joase cnd nu conteaz Q, Q mic, L mari

mic < 50

f. mare

idem 1

5.

Mai multe straturi

bobinate ntmpltor

Frecvene medii < ( < 2MHz), L mari

uneori satisfa-cator

mare

pe carcas cu flan sau pe miez

6.

Piramidal

Frecvene medii i nalte

bun (> 80)

medie

pe carcas sau pe miez

7.

Cu straturi distanate

Frecvene medii si nalte, puteri mari (emisie, L medie)

bun (> 80)

mic

carcase speciale

8

Bobinaj secionat (galei)

Frecvene medii i joase, L medie mare

mediu (50...

...100)

medie

pe carcase

9.

n fagure

(ncruciat)

Frecvene medii i joase

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

f. bun (> 50)

mic

pe miez sau pe carcase; au

rigiditate bun

10.

n fagure

(universal)

idem 9

idem 9

idem 9

idem 9

se execut mai uor

11.

Bifilar

Toat gama, n unul sau mai multe straturi pentru obinerea unui

cuplaj strns

idem 1, 2

Lucrare de laborator nr. 3 PARAMETRII BOBINELOR. DEPENDENA PARAMETRILOR DE FRECVEN

4

Carcasa constituie suportul izolant pe care se realizeaz bobinajul. Acesta are n general o form tubular de diferite seciuni (circular, ptrat, dreptunghiular sau n funcie de forma miezului magnetic) cu sau fr flane.

Miezul constituie circuitul magnetic care intr n componena unor bobine pentru asigurarea concentrrii liniilor cmpului magnetic. Prezena miezului magnetic n interiorul bobinei permite, prin concentrarea liniilor de flux magnetic, obinerea unei inductiviti i a unui factor de calitate de valori mult mai mari dect n lipsa acestuia. n unele cazuri, prin modificarea poziiei relative a miezului n raport cu bobinajul, se asigur i posibilitate de reglaj a inductivitii ntre anumite limite.

Miezurile din ferit se folosesc uzual pentru domeniul de frecven 10 kHz200 MHz. n domeniul 10 kHz1 MHz se folosesc ferite Mn-Zn, n domeniul radiofrecvenei, respectiv 1MkHz100 MHz se utilizeaz feritele Ni-Zn, iar pentru frecvene mai mari, ferite Li-Zn.

Ecranul are rolul de a atenua influenele reciproce dintre bobin i circuitele nvecinate. Pentru joas frecven se folosesc ecrane din material feromagnetice, iar pentru nalt frecven ecranele se realizeaz din materiale de mare conductivitate: cupru sau aluminiu.

3. Probleme de studiat 3.1. Se msoar inductivitatea i parametrii schemei echivalente a unor bobine cu miez de ferit i se determin: factorul de inductan AL, factorul de calitate Q la frecvene diferite (f=1 kHz, 10 kHz, 100 kHz) i se stabilete variaia parametrilor n funcie de frecvena de funcionare; 3.2. Se calculeaz permeabilitatea magnetic a miezului de ferit folosit i se stabilete domeniul de frecven n care se pot utiliza bobinele msurate.

4. Desfurarea lucrrii

4.1. Se msoar inductana Lx unor bobine cu miez de ferit n domeniul frecvenelor

f=1...100 kHz i se determin factorul de inductan AL i factorul de calitate Q. Se stabilete dependena de frecven.

RLC -metru

Lx

Fig. 2 Schema de msurare a bobinelor cu RLC - metru

Datele se trec ntr-un tabel de forma indicat mai jos (tabelul 2).

Tehnici i aparate de msur n telecomunicaii Prof. dr. Ioan D. Oltean

5

Tabelul 2 Nr. Tip

bobin (tip miez, form)

f [kHz]

Ls [mH]

Rs []

Q AL [nH/sp2]

Observaii

Se va conecta pe rnd cte o bobin la bornele la bornele RLC metrului

(impedanmetru de laborator WK-4265 -Wayne Kerr) (fig. 2). Aparatul va indica schema echivalent cu parametrii corespunztore schemei echivalente serie sau paralel (L i R sau L i Q) la o anumit frecven.

Factorul de inductan AL se calculeaz cu relaia (3) n care nlocuind unitatea de msur [mH], rezult:

[ ] 62 10= N

mHLAL (5)

Factorul de calitate Qij la schema echivalent serie se determin cu relaia (4) n

care prin introducerea frecvenei de msurare se obine:

s

s

s

s

RLf

RLQ == 2 (6)

4.2 Se determin variaia permeabilitii magnetice echivalente e cu frecvena

pentru cteva miezuri de ferit de form toroidal. Pentru aceasta se msoar valoarea inductanei unei bobine (cu N spire uniform bobinate pe miez) Lm n domeniul frecvenelor f=1kHz100kHz i se raporteaz la valoarea calculat a inductanei unui tor (fr miez) L0 cu relaia (6):

0L

Lme = (7)

unde:

=

dDNhL ln

200 (8)

iar D, d - diametrele exterior i interior; h limea torului, 0=4 10-7 H/m.

Rezultatele obinute se trec n tabelul 3. Dimensiunile geometrice ale torurilor se

msoar cu ajutorul unui ubler. Tabelul 3

Dimensiuni N [spire]

L0 [mH]

f [kHz]

Lm [mH]

e Nr crt.

D[mm] d[mm] h[mm]

Lucrare de laborator nr. 3 PARAMETRII BOBINELOR. DEPENDENA PARAMETRILOR DE FRECVEN

6

Valoarea permeabilitii magnetice echivalente e depinde n mare msur de tipul materialului miezului (tipul feritei). Feritele au permeabilitatea magnetic e cu att mai mare cu ct frecvena de lucru a acestora este mai joas (tabelul 4).

Tabelul 4 Parametrii unor ferite folosite pentru miezuri de bobine Tipul feritei Permeabilitatea iniial Frecvena max. [MHz}

150010.000 0,010,5 10001500 0,40,6

Mn-Zn

7501000 0,61 500750 13 200300 48 80100 1020 4050 2040

Ni-Zn

1520 4080 5. ntrebri

1. Cum se pot determin parametrii schemei echivalente serie n funcie de cei ai schemei echivalente paralel i care sunt relaiile de calcul n funcie de factorul de calitate Q? 2. Care este valoarea permeabilitii magnetice echivalente e (i care este tipul

feritei) a unei miez toroidal de ferit pe care s-au bobinat N=10 spire i se obine L=1H? Torul de ferit are urmtoarele date: D=25mm; d=15mm; h=10mm.

3. Care este factorul de calitate Q al bobinei toroidale de la pct. 2, dac la frecvena f=100kHz Ls=1H i Rs=0,1? Cum se poate realiza o cretere a factorului de calitate?

4. Cum se realizeaz ecranarea bobinelor de nalt frecven i cum poate fi explicat efectul de ecranare obinut n acest caz?

6. Coninutul referatului

1. Scopul lucrrii; 2. Parametrii bobinelor i mod de determinare; caracteristicile aparaturii folosite. 3. Completarea tabelelor 2 i 3 i indicarea modului de calcul (exemple de

calcul). 4. Prezentarea concluziilor desprinse din determinrilor experimentale

(caracteristicile de frecven, domenii de utilizare ale bobinelor msurate). 5. Rspunsuri la ntrebri.

L.3Tabelul 1 Bobinaje utilizate pentru diferite domenii de frecventeObservatiiTabelul 3Dimensiuni

Mn-ZnNi-Zn