Типы катушек индуктивности: подробное руководство

Катушки индуктивности имеют репутацию больших и инертных компонентов. Поэтому некоторые любители могут их избегать — особенно в начале. Однако они являются критически важными пассивными компонентами и تستحق изучения. Кроме того, не все катушки индуктивности негибкие и громоздкие, и они могут быть одними из самых важных электронных компонентов для вашей печатной платы. Но сначала вам нужно знать, какой тип катушек индуктивности наиболее подходит для вашего проекта.

Типы катушек индуктивности

Катушки индуktivности выпускаются в различных формах и размерах. В этом разделе руководства мы рассмотрим все доступные типы катушек индуктивности, а также обсудим их особенности, применение и конструкцию.

Связанная катушка индуктивности (Coupled Inductor)

Конструкция

Связанные катушки индуктивности состоят из идеального трансформатора и катушки индуктивности с намагничивающей индуктивностью, и эти два компонента объединяются для формирования связанной катушки индуктивности. Как и большинство катушек индуктивности, связанная катушка использует намагниченный компонент для хранения энергии, в то время как трансформатор передаёт её. Однако обе катушки индуктивности увеличивают общую электромагнитную проницаемость через явление, известное как взаимная индуктивность/индукция.

Применение

Обычно связанные катушки индуктивности используются в понижающе-повышающих DC-DC преобразователях, таких как:

• Однотактные преобразователи с первичной катушкой индуктивности (SEPIC)
• Flyback-преобразователи
• Ćuk-преобразователи

Примерные спецификации

• Объём сердечника: 0,121 литр
• Длина зазора:
  • Бок: 0 мм
  • Центр: 26,6 мм
• Общий вес: 910 г

Диаграмма

Катушка индуктивности с воздушным сердечником (Air Core Inductor)

Конструкция

Катушка индуктивности с воздушным сердечником — один из самых распространённых типов. Она часто использует керамическое сердечко, поэтому мы обычно называем её керамической катушкой индуктивности с воздушным сердечником. Однако воздушные катушки также могут быть безсердечковыми.

Тем не менее, керамические немагнитные сердечники предпочтительны. Это потому, что керамическое сердечко придаёт катушке форму и поддерживает её. Кроме того, керамика — идеальный материал благодаря низкому температурному коэффициенту расширения, поэтому она может обеспечить высокие уровни стабильности при работе катушки. Вы не удивитесь, что керамика — один из самых распространённых материалов сердечника.

Кроме того, керамика лишена магнитных свойств. Поэтому она имеет нулевую проницаемость и не будет накапливать остаточную энергию или мешать общей индуктивности компонента. В производственном процессе производители окупают катушку в воск или лак для дополнительной стабилизации. Этот процесс необходим для безсердечковых воздушных катушек.

Применение

Мы можем использовать катушки с воздушным сердечником в высокочастотных приложениях, таких как телевизоры. Другие заметные применения включают:

• Межкаскадная связь
• Низкочастотные приложения от 20 Гц до 1 МГц
• ВЧ и ПЧ настройочные катушки
• Фильтрующие цепи

Примерные спецификации

• Рабочая температура: -40°C до 125°C
• Допуск: ± 2%, 5% и 10%
• Диапазон: 1,65 нГн до 538 нГн
• Постоянное сопротивление: 0,4 Ом
• Сечение провода: 18 AWG

Диаграмма

Катушка индуктивности со слоистым сердечником (Laminated Core Inductor)

Конструкция

Производители изготавливают сердечник этих катушек, укладывая стек ламинаций друг на друга. Материалы, из которых состоят эти ламинации, зависят от спецификаций и назначения катушки. Поэтому они могут состоять из множества материалов, все с разной толщиной.

Однако ламинации, как правило, стальные и имеют изолирующий материал между ними. Таким образом, производитель должен располагать эти ламинации параллельно магнитному полю, чтобы предотвратить потери от вихревых токов. Кроме того, другие критические компоненты катушки индуктивности со слоистым сердечником включают катушку, намотанную на каркас.

Применение

Обычно мы используем слоистые катушки в трансформаторах. Однако вы также можете использовать их в широком спектре приложений, таких как:

• Сетевые фильтры
• Фильтры шумов
• Фильтрующие дроссели
• Зарядные устройства/преобразователи для электромобилей

Примерные спецификации

• Диапазон постоянного тока: 1,0 А до 200 А
• Диапазон индуктивности: 0,12 мГн до 100 мГн
• Рабочая температура: до 130°C

Диаграмма

Катушка индуктивности с ферритовым сердечником (Ferrite Core Inductor)

Конструкция

По внешнему виду феррит напоминает керамический материал. Однако, в отличие от керамики, это ферромагнитный материал (ферримагнитный). Это означает, что он намагничивается в магнитном поле и сохраняет этот магнетизм, когда поле удаляется.

Следовательно, он имеет высокую электромагнитную проницаемость и низкое сопротивление магнитному потоку. Поскольку материалы сердечника состоят из оксида железа, мы также можем называть их катушками индуктивности с железным сердечником.

Существует два типа ферритовых сердечников:

• Мягкий феррит: Он несет электромагнетизм только временно. Следовательно, когда магнитное поле спадает, феррит теряет свой магнетизм. Таким образом, он может менять магнитную полярность. Соответственно, поэтому мы часто называем его временным или переходным магнитом.
• Твёрдый феррит: Плотный и прочный материал, который может работать при температурах до 180°C. Однако, в отличие от мягкого феррита, он сохраняет свой магнетизм после удаления магнитного поля. Поэтому мы называем их постоянными магнитами.

Применение

Мы можем использовать катушки индуктивности с ферритовым сердечником в следующих приложениях:

• Pi-фильтры
• Коммутационные схемы
• Различные частотные диапазоны

Примерные спецификации

• Индуктивность: 1400±25% нГн
• Рабочий частотный диапазон: ≥ 150 кГц
• Рабочая температура: -25°C до ±180°C
• Вес: 1,4 г до 27,6 г

Диаграмма

Тороидальные катушки индуктивности (Toroidal Core Inductors)

Тороидальные катушки индуктивности используюттороиды в качестве сердечника. Следовательно, вы заметите, что большинство типов катушек индуктивности в этом списке основывают своё название на материале, который использует корпус. Однако «тороидальный» относится к форме сердечника больше, чем к материалу.

Тороиды — это пончиковые структуры — круглые с дыркой в середине. Соответственно, индуктивности на основе тороидов поставляются в различных размерах и материалах. Следовательно, вы можете найти тороидальные катушки индуктивности с ферритовым материалом или порошковыми сердечниками, такими как Kool Mµ.

Причина разных материалов в том, что они ведут себя по-разному при разных частотах и значениях индуктивности. Тем не менее, независимо от материала, главное преимущество тороидальной катушки индуктивности над другими типами — более низкие электромагнитные интерференции (EMI).

Хотя вы можете создать свою тороидальную катушку индуктивности дома, вам потребуется уникальная обмотка с согласованием в производственном процессе.

Применение

Применение тороидальных катушек индуктивности может включать:

• Блоки питания
• Электронные схемы
• Аналоговые схемы
• Системы связи
• Медицинские устройства

Примерные спецификации

• Типы материалов:
  • Молипермаллой порошок
  • High Flux (порошковый сплав никель-जелезо)
  • Kool Mµ (порошковый сплав железо-алюминий-кремний)
  • XFlux (порошковый сплав кремний-जелезо)
  • Kool Mµ Max (сплав железо-кремний-алюминий)
• Проницаемость: 14 – 300 Гн/м
• Насыщение: 0,7 до 1,6 Тл

Потери переменного тока в сердечнике: От низких до высоких

Диаграмма

Катушки индуктивности на каркасе (Bobbin Inductor)

Каркас (bobbin) — это цилиндрический материал, позволяющий намотать нить, ленту или медную катушку вокруг себя. Опять же, название описывает форму материала, а не сам материал. Следовательно, мы также можем называть этот тип катушки индуктивности барабанной катушкой индуктивности из-за её формы.

После намотки катушки на барабан, мы фиксируем её с помощью термоусадочной трубки к корпусу. Каркас может иметь различные формы и типы материалов. Например, он может состоять из ферромагнитного материала, порошкового железа или никель-железных сплавов.

Применение

Мы в основном используем катушки индуктивности на каркасе на монтажных печатных платах. Другие приложения индуктивности включают:

• Блоки питания (адаптеры)
• Pi-фильтры
• Фильтрующие цепи
• Схемы импульсных источников питания

Примерные спецификации

• Тип материала:
  • Никель-железный сплав
  • Кобальтовый сплав
  • Порошковое железо и никель
  • Феррит

Стандартная индуктивность: +/- 10%

Форм-факторы: Вертикальные и горизонтальные

Диаграмма

Осевые фиксированные катушки индуктивности (Axial Fixed Inductors)

Конструкция

Осевые катушки индуктивности очень похожи на резисторы, поэтому мы также можем называть их цветокольцевыми катушками индуктивности. Тем не менее, они часто имеют тонкую катушку вокруг миниатюрного изогнутого каркасоподобного ферритового материала. После намотки катушки на сердечник, мы подключаем выводы к обоим концам структуры. Затем мы формуем её зелёной керамической или пластиковой изоляцией. Наконец, мы маркируем её кольцами/полосами в соответствии со спецификациями и стандартами Electronic Industries Association (EIA).

Эти кольца позволяют нам определить значение катушки индуктивности или её индуктивность. Обычно вы можете найти их как 4-кольцевые или 5-кольцевые катушки. Тем не менее, для расчёта значения катушки индуктивности вы должны обратиться к цветовой таблице EIA.

Применение

Осевые катушки индуктивности — это, как правило, высокочастотные катушки. Из-за их размера и общей надёжности мы можем использовать их в нескольких приложениях, таких как:

• Печатные платы
• ВЧ приложения
• Резонансные цепи
• Понижающе-повышающие преобразователи
• Нормализация потока тока в электрической цепи
• Фильтрующие цепи и другие конструкции

Примерные спецификации

• Рабочая температура: -55°C до ± 105°C
• Типы продуктов катушек индуктивности:
  • Катушки общего назначения
  • ВЧ катушки
  • Силовые катушки
• Типы катушек и материалов:
  • Дроссель (Силовой, ВЧ, Hash, и ВВЧ)
  • Молдинговые
  • Наноженные
  • RFI катушка
• Диапазоны индуктивности: 1 нГн до 680 мГн
• Допуск: 1% до 20%
• Диапазон максимального постоянного тока: 2 мА до 188 А
• Диапазон постоянного сопротивления: 35 мкОм до 1,2 кОм

Диаграмма

Многослойные чиповые катушки индуктивности (Multilayer Chip Inductors)

Конструкция

Как следует из названия, многослойные чиповые катушки индуктивности состоят из нескольких слоёв. Как правило, эти слои состоят из ферромагнитного материала поверх керамических диэлектрических материалов. Кроме того, производители печатают индукционную катушку на этих ферромагнитных листах с помощью металлической пасты.

После того как производитель правильно размещает эти слои, узоры образуют единую катушку. Затем производитель формсует и покрывает весь пакет. По обе стороны от корпуса MLCI находятся соединительные контакты. Тем не менее, мы также можем называть эти типы катушек просто многослойными катушками индуктивности.

Применение

Их компактность позволяет использовать многослойные чиповые катушки индуктивности в различных приложениях, таких как:

• Носимые устройства
• Bluetooth-устройства
• Мобильные устройства
• Контроллеры границ сессий (SBC)
• Материнские платы компьютеров
• Сетевые адаптеры
• Коммуникационное оборудование

Примерные спецификации

• Диапазон индуктивности: 0,3 нГн до 470 нГн
• Рабочий температурный диапазон: -55°C до 125°C+
• Частотный диапазон: 12 МГц до +65 МГц

Диаграмма

Другие заметные типы катушек индуктивности

• Катушки беспроводной зарядки: Состоят из проводов меди, намотанных вокруг ферритового сердечника. Обычно используются для беспроводной зарядки мобильных устройств.
• Катушки индуктивности с порошковым железным сердечником: Это ферромагнитные сердечники, разделённые воздушными зазорами. Таким образом, магнитные материалы в сердечнике способствуют высоким уровням электромагнитной проницаемости.
• Пленочные катушки индуктивности (Film Inductor): Используют тонкопленочный материал в качестве катушки. Кроме того, они невероятно малы и легки. Поэтому мы можем использовать их в приложениях, таких как DC-DC преобразователи в мобильных телефонах и других портативных устройствах. Кроме того, мы можем использовать эти типы катушек для создания резонансной цепи.
• Регулируемая катушка индуктивности (Variable Inductor): Регулируемые катушки с подвижным магнитным сердечником. Соответственно, магнитный сердечник движется внутрь и наружу катушки индуктивности. Таким образом, это позволяет устройству изменять уровень индуктивности. Кроме того, мы также можем называть их регулируемыми ферритовыми катушками индуктивности. Обычно регулируемая индуктивность может варьироваться от 10 мкГн до 100 мГн.

Заключение

В этом руководстве мы изучили некоторые из наиболее распространённых типов катушек индуктивности. Вы могли заметить, что критическим детерминантом типа катушки индуктивности является её сердечник. Если вы дочитали до этой части руководства, у вас должно быть базовое понимание всех типов катушек индуктивности и того, как они могут соответствовать вашему следующему проекту. В любом случае, мы надеемся, что вы нашли это руководство полезным. Спасибо за чтение.