Текст
К. II. ЕГОРОВ и Г. П. ТИХАНОВ
КОНСТРУИРОВАНИЕ АППАРАТУРЫ ДАЛЬНЕЙ СВЯЗИ
ГО С9НЕРГОПЗДАТ
К. П. ЕГОРОВ й Г. П. ТИХАНОВ
КОНСТРУИРОВАНИЕ АППАРАТУРЫ ДАЛЬНЕЙ СВЯЗИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА 1 9 5 5 ЛЕНИНГРАД
Scan AAW
ЭС - 4 - 2
В книге излагаются инженерные расчеты л методы, лежащие в основе конструктивного оформления современных систем дальней связи. Приводятся данные деталей аппаратуры и конструкции ее узлов в тесной связи с технологией их изготовления. Рассматриваются отечественные конструкции аппаратуры, вопросы монтажа и экранировки. Книга снабжена приложениями, содержащими сведения справочного характера.
Книга рассчитана на инженеров, но она может быть также использована техниками и студентами старших курсов соответствующих втузов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время существует довольно обширная литература но вопросам дальней связи по проводам и по системам частотной многоканальное™. Советскими авторами создан ряд монографий и учебников, в которых обстоятельно рассмотрены теоретические основы построения систем дальней связи и электрические расчеты соответствующей аппаратуры. Несколько иначе обстоит дело с вопросами, касающимися конструктивного оформления аппаратуры дальней связи — при изложении электрических расчетов эти вопросы, как правило, затрагиваются мимоходом, а многие из них вообще не освещены в литературе..
Мощное развитие средств дальней проводной связи и многоканальных радиолиний, предусмотренное решениями XIX съезда КПСС, является предпосылкой дальнейшего роста соответствующих отраслей промышленности и эксплуатационного хозяйства связи. Необходимость обобщения и систематизации накопившегося у советских инженеров опыта по конструированию аппаратуры дальней связи становится весьма насущной. Настоящая книга является, насколько известно ее авторам, первой попыткой подобного рода. Поэтому всякие замечания о возможных недостатках книги весьма желательны.
В книге излагаются основные сведения по конструированию деталей и узлов аппаратуры дальней связи, а также по конструированию аппаратуры в целом. Сведения эти могут оказаться полезными не только конструкторам-электрикам и электротехнологам, работающим в области производства систем дальней связи, но также и инженерам, эксплуатирующим эти системы и ведающим их ремонтом.
Книга рассчитана на инженеров-электриков, работающих в соответствующих отраслях техники. В, известной мере она может быть использована техниками и студентами старших курсов электротехнических институтов и факультетов.
Для большего удобства практического использования книги она снабжена приложениями, содержащими значительное количество справочных материалов.
1*
3
Главы 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 14 написаны К. П. Егоровым. Главы 2, 3, 11, 15 и 16 написаны Г. П. Тихановым. Разделы 12 и 13 написаны совместно обоими авторами. Компоновка материалов книги выполнена К. П. Егоровым.
В процессе работы над рукописью авторы пользовались ценными советами со стороны Н. Н. Шольц, Т. С. Клокачевой, В. М. Сорокина , Б. С. Клебанова, Я. И. Великина и Л. И. Раб-кина. Авторам также была оказана помощь П. П. Авериным, Я. Ф. Лузяниным и Д. А. Ермолаевым. Большая работа по оформлению рукописи была проделана И. В. Тидеман.
Авторы особо отмечают ценность советов рецензента рукописи Г. Г. Бородзюк и редактора книги И. С. Стипакова.
Авторы считают своим долгом выразить искреннюю признательность всем указанным выше лицам.
Авторы
ОГЛАВЛЕНИЕ Стр.
Глава первая. Аппаратура дальней связи.......................... 7
1-1. Историческая справка....................•.............. —
1-2. Общие сведения......................................... 8
Глава вторая. Сопротивления.........................• • . • . . 12
2-1. Общие сведения......................................... —
2-2. Проволочные сопротивления.......................... . 19
2-3. Угольно-керамические сопротивления...................• . 32
2-4. Металлизированные теплостойкие сопротивления типа МЛТ . 38
2-5. Композиционные лакированные сопротивления типов КЛВ и КЛМ.................................................. 40
2-6. Углеродные переменные сопротивления.................... —
2-7. Барретеры............................................. 43
2-8. Термисторы............................................ 45
2-9. Медно-марганцевые термосопротивления типа ММТ......... 47
Глава третья. Конденсаторы...........................;......... 49
3-1. Общие сведения......................................... —
3-2. Конденсаторы с бумажным диэлектриком.................. 58
3-3. Слюдяные конденсаторы................................. 67
3-4. Стирофлексные конденсаторы............................ 75
3-5. Керамические конденсаторы............................. 79
3-6. Электролитические конденсаторы........................ 82
3-7. Воздушные переменные конденсаторы..................... 85
Глава четвертая. Катушки индуктивности......................... 90
Глава пятая. Катушки без ферромагнитных сердечников............ 95
5-1. Однослойная цилиндрическая намотка..................... —
5-2. Многослойная цилиндрическая намотка................... 96
5-3. Универсальная намотка................................. 98
5-4. Тороидальная намотка . . . . >.........................ЮЗ
5-5. Расчет индуктивности..................................104
5-6. Собственная емкость катушки...........................106
5-7. Выбор провода, влияние габаритов......•...............109
5-8. Экранирование катушек.................................118
5-9. Стабильность катушек............‘.....................122
5-10. Подгонка индуктивности...............................126
Глава шес/пая. Катушки с ферромагнитными сердечниками из фер-
ритов и магнитодиэлектриков...................• .... 128
6-1. Основные конструкции . . . . .........................—
6-2. Основные свойства ферромагнитных сердечников.........132
6-3. Расчет катушек с ферромагнитными сердечниками.........156
6-4. Стабильность катушек..................................170
6-5. Подгонка индуктивности................................176
5
Стр.
Глава седьмая. Катушки с ферромагнитными сердечниками из листовых материалов..............................................178
7-1. Общие сведения........................................—
7-2. Основные конструкции.*................................193
7-3. Расчет катушек........................................199
7-4. Нелинейные катушки....................................201
Глава восьмая. Трансформаторы..................................203
8-1. Общие сведения........................................—
8-2. Расчет индуктивности..................................205
8-3. Выбор материала сердечника.......................... 206
8-4. Емкость обмоток . .... •..............................209
8-5. Расчет индуктивности рассеяния........................210
8-6. Дифференциальные намотки..............................214
8-7. Обеспечение стабильности характеристик................215
8-8. Экранирование трансформаторов и их обмоток...........217
8-9. Нелинейные искажения в трансформаторах................218
Глава девятая. Пьезорезонаторы.................................221
Глава десятая. Сухие выпрямители...............................226
Глава одиннадцатая. Коммутационные детали...........„..........230
11-1. Общие сведения.......................................—
11-2. Детали для постоянной коммутации цепей...............231
11-3. Управляемые коммутационные детали....................236
11-4. Предохранители и разрядники..........................249
11-5. Электромагнитные реле................................253
Глава двенадцатая. Общие сведения о конструкциях аппаратуры . 256
Глава тринадцатая. Конструирование аппаратуры..................276
13-1. Порядок конструирования................................—
13-2. Конструктивное оформление ламповых схем..............279
13-3. Конструктивное оформление пассивных четырехполюсников (фильтры и выравниватели).............................282
13-4. Вопросы влагозащиты..................................287
13-5. Конструктивное оформление вспомогательных элементов аппаратуры .............................................291
Глава четырнадцатая. Экранирование и заземление................293
14-1. Общие сведения.......................................—
14-2. Электростатическое экранирование.....................296
14-3. Заземление........................................ • 308
14-4. Магнитное экранирование............................ 311
14-5. Электромагнитное экранирование ..................... 313
Глава пятнадцатая. Монтаж......................................316
15-1. Общие сведения.......................................
15-2. Жесткий монтаж узлов аппаратуры......................—
15-3. Мягкий монтаж узлов аппаратуры.......................318
15-4. Кабели межпанельных соединений..................... 321
15-5. Кабели межстоечных соединений........................324
Глава шестнадцатая. Схемная документация, необходимая при конструировании аппаратуры ............................ —
16-1. Блок-схемы (скелетные)...............................326
16-2. Принципиальные схемы.................................
16-3. Электромонтажные схемы...............................328
Литература................................................... 335
Приложения................................................. . . 337
Глава первая
АППАРАТУРА ДАЛЬНЕЙ СВЯЗИ
1-1. Историческая справка
Дальняя’ многоканальная связь является одной из важных отраслей народного хозяйства, возникшей в основном в советское время. Партия и Правительство уделяют большое внимание развитию дальней связи и производству соответствующей аппаратуры.
Создание советской промышленности дальней связи относится к годам первой пятилетки. Первыми конструкторами и учеными, обеспечившими широкую постановку производства средств дальней связи, были творцы и инициаторы ранних систем этого вида техники. К их числу следует, прежде всего, отнести В. И. Коваленкова, создавшего еще в 1919—1922 гг. первые советские трансляции тональной частоты, А. Ф. Шорина, под руководством которого инженеры В. Н. Листов, М. Н. Востоков и В. А. Дьяков создали промышленные образцы систем высокочастотного телефонирования и частотного телеграфирования, а также М. Г. Цимбалистого, ведавшего разработками измерительной аппаратуры. В части производственного освоения серийного выпуска систем дальней связи много сделал инж. М, С. Вонский.
В процессе неустанной творческой работы выросли многочисленные кадры конструкторов-дальников, работающих на заводах и в исследовательских институтах, созданных за годы довоенных пятилеток. Молодые кадры инженеров-дальников обеспечили в 1939 г. пуск в Советском Союзе самых длинных в мире высокочастотных дальних связей. Среди конструкторов, создававших аппаратуру для этих связей, особенно отличились инженеры В. Г. Черных, Г. Г. Бородзюк, И. А. Бабенко, В. Н. Амарантов, Г. В. Старицын.
В годы Великой Отечественной войны промышленность дальней связи интенсивным выпуском продукции способствовала делу победы над немецко-фашистскими захватчиками. Ряд конструкторов был удостоен Сталинских премий.
7
Послевоенное развитие средств дальней связи, связанное с большим ростом сети высокочастотных кабелей, предъявляет к конструкторам промышленности средств связи весьма высокие требования. Увеличивается номенклатура выпускаемой аппаратуры, расширяется диапазон частот, к качеству деталей и узлов предъявляются все более разнообразные и исключительно жесткие требования. В этих условиях советские конструкторы создают новые виды аппаратуры, соответствующие высокому уровню развития отечественной техники.
1-2. Общие сведения
Аппаратура дальней проводной связи делится на два вида: обслуживаемую и необслуживаемую. Обслуживаемая аппаратура устанавливается в линейно-аппаратных залах междугородных телефонных станций и телеграфов и находится под постоянным наблюдением квалифицированного эксплуатационного персонала. Такой аппаратурой оборудуются все оконечные пункты магистралей связи и часть промежуточных трансляций. Для упрощения и удешевления эксплуатации значительное количество промежуточных пунктов снабжается в последнее время аппаратурой, не требующей непрерывного обслуживания и работающей без постоянного присутствия эксплуатационного персонала.
Между условиями работы двух видов аппаратуры нельзя провести резкую грань. Объясняется это тем, что известная часть необслуживаемых трансляций располагается в помещениях, весьма похожих на обычные линейно-аппаратные залы, и только некоторые ее разновидности размещаются в ящиках, устанавливаемых под землей или в специальных будках.
Рассмотрим климатические условия, в которых используется аппаратура дальней связи.
Согласно существующим техническим условиям аппаратура линейно-аппаратных зал должна быть рассчитана на безукоризненное соблюдение всех нормированных для нее электрических характеристик в условиях температуры, меняющейся от 15 до 35—40° С. Эти условия могут считаться вполне приемлемыми для всей территории Советского Союза, поскольку температуру можно регулировать при помощи отопления, с одной стороны, и защиты от непосредственного воздействия солнечных лучей,—с другой стороны.
Величина температуры воздуха, окружающего аппаратуру, интересна не только с точки зрения непосредственного теплового воздействия на элементы аппаратуры, она представляет интерес еще и потому, что от нее зависит допустимая цифра относительной влажности воздуха.
Опыт аппаратостроения всех видов связи свидетельствует о том, что воздействие влажности является основной опасно
8
стью для нормальной работы системы связи. Влажность воздуха в сочетании с тепловыми воздействиями уменьшает сопротивление изоляции, увеличивает диэлектрические потери в ней, обусловливает нестабильность электрических параметров катушек, конденсаторов, нелинейных элементов и т. п., вызывает коррозию металлов и нарушение контактов, способствует размножению организмов, разрушающих аппаратуру.
В физике известны два понятия влажности воздуха—абсолютная и относительная влажность. Под абсолютной влажностью понимают число граммов водяного пара в 1 я3 воздуха:
?=-у[г/Л«3], О’1)
где 7И— число граммов водяного пара в объеме величины V [л<3].
Величина абсолютной влажности не дает понятия о том, насколько воздух в данном помещении близок к насыщению его водяными парами. Так, например, в жаркое время воздух может казаться сухим, несмотря на большую величину абсолютной влажности, — высокая температура быстро сушит все находящиеся в' нем предметы. Наоборот, при холоде даже мало влажный воздух оказывается насыщенным — достаточно вспомнить о зимних туманах.
Чтобы оценить, насколько воздух в данном помещении далек от состояния насыщения, вводится понятие об его относительной влажности а, определяемой по формуле
a=f, (1-2)
где абсолютная влажность, вычисленная согласно формуле (1-1);
Q—число граммов водяного пара, необходимое для насыщения 1 м3 воздуха при данной температуре (берется из таблиц, имеющихся в справочных изданиях по физике и теплотехнике).
Приборы, измеряющие влажность в помещениях, позволяют проще всего определять величину относительной влажности (так называемые гигроскопы). Поэтому в различных технических условиях на аппаратуру чаще всего приводится цифра максимально допустимой относительной влажности. Она определяет возможность выпадения росы и увлажнения поверхностей деталей аппаратуры.
Для определения степени корродирующего действия выпавшей влаги и ее проникновения в толщу деталей при наличии известной их гигроскопичности решающим является понятие абсолютной влажности, которая может быть вычислена па заданной относительной влажности и по температуре, пределы изменения которой обычно задаются в технических условиях.
9
Необходимо считаться также и с тем фактом, что молекулы водяного пара имеют весьма малые размеры и, следовательно, высокую диффузионную способность. Благодаря этому они могут проникать в толщу некоторых недостаточно плотных материалов и без выпадения росы, т. е. без конденсации влаги на поверхности деталей, сделанных из этих материалов.
Опыт показывает, что коррозия металлических частей аппаратуры без усиленных антикоррозийных покрытий не происходит в тех случаях, когда относительная влажность воздуха в помещении, где работает эта аппаратура, не превышает 65%. Эта цифра и приводится в большей части технических условий. Она является приемлемой для линейно-аппаратных зал большинства областей Советского Союза, но для некоторых местностей Юга и Востока, а также для аппаратуры, предназначенной для экспорта в тропические страны, могут иметь место более жесткие условия. В связи с этим целесообразно определить понятие о так называемом „тропическом климате". Для этого климата характерна высокая температура днем и сравнительно низкая ночью, а также высокие значения абсолютной влажности воздуха. Если принять во внимание падение температуры ночьФ до 20° С, то относительной влажности 65%, которую, как отмечалось выше, можно считать предельно допустимой, должна соответствовать абсолютная влажность 11 г/л/3.
Согласно этим расчетам климат считается тропическим, если за год наблюдается по крайней мере 180 дней (6 месяцев), когда абсолютная влажность превышает И г/л/3, и полутропическим, если это условие имеет место в течение не менее 90 дней в году. Аппаратура, рассчитанная на работу в таких условиях, должна быть выполнена с принятием особых мер по борьбе с влиянием влажности; в отдельных случаях можно говорить о сохранении аппаратуры, рассчитанной на нетропический климат, при условии кондиционирования воздуха в помещении. Такая постановка вопроса имеет известный смысл и с точки зрения улучшения условий работы эксплуатационного персонала.
Линейно-аппаратные залы необслуживаемых промежуточных пунктов чаще всего имеют систему отопления и вентиляции, эксплуатируемую неквалифицированным персоналом, не имеющим дела с самой аппаратурой. Благодаря отоплению и вентиляции условия работы аппаратуры практически не отличаются от условий ее работы в обслуживаемых линейно-аппаратных залах.
Сложнее обстоит дело с аппаратурой тех необслуживаемых промежуточных пунктов, которые размещаются в подземных ящиках или наземных будках. Здесь можно ожидать действия на аппаратуру довольно низких температур, однако наличие электронных ламп в закрытых помещениях сравнительно небольшого объема позволяет утверждать, что вряд ли следует ю
опасаться понижения температуры ниже нуля. Условия эти являются, однако, весьма тяжелыми с точки зрения воздействия влажности, так как при нуле для насыщения 1 м* воздуха достаточно всего 4,9 г водяного пара — относительная влажность весьма часто при этом превышает 65%; поэтому аппаратуру необходимо снабжать усиленными антикоррозийными покрытиями, а ее узлы подвергать специальной герметизации, или же принимать особые меры по термоизоляции необслуживаемых пунктов.
При конструировании аппаратуры необходимо рассчитывать ее не только на условия постоянной эксплуатации, но и на условия транспортирования. Сравнительно большие габариты аппаратуры дальней связи весьма ограничивают использование климатической защиты при ее транспортировании (герметизация ящиков, применение влагопоглотителей). Поэтому для любого вида аппаратуры надо предусматривать такие конструкции, которые обеспечивали бы неизменность механических свойств и электрических характеристик после транспортирования, если аппаратура подверглась при этом сравнительно кратковременным воздействиям весьма низких температур и высоких влажностей.
Кроме климатических условий, работа аппаратуры дальней связи в значительной мере определяется наличием пыли в помещениях. При конструировании должны быть приняты определенные меры для предотвращения проникновения пыли в монтаж и особенно в контактные системы (в условиях жаркого и сырого климата следует считаться с возможностью появления плесени, микроорганизмов и насекомых). Большую роль в деле борьбы с пылью играет правильная отделка помещений линейно-аппаратных зал; согласно существующим стандартам стены и потолок должны быть окрашены масляной краской, а пол покрыт линолеумом или паркетом. Кроме того, при относительной влажности менее 50% ее повышают, устанавливая в помещениях чаны с водой, и тем самым уменьшают летучесть пыли. Увлажнение уменьшает также хрупкость изоляции монтажа.
Электротехнологии аппаратуры дальней связи присущи следующие особенности:
1) относительно большая ширина полосы частот, которая характерна для большинства четырехполюсников, образующих каналы дальней связи;
2) наличие в составе каналов весьма большого количества однотипных четырехполюсников, включенных в одну и ту же цепь связи;
3) необходимость безотказного круглосуточного действия аппаратуры.
Дальняя связь по проводам представляет собой технику относительно широких частотных диапазонов. Это обстоятель
11
ство ведет к серьезному усложнению электрических схем фильтров, корректоров, межкаскадных связей в усилителях и Т. п. и требует повышенной точности расчетов и изготовления элементов этих схем.
В состав канала дальней связи входит весьма большое количество однотипных четырехполюсников, электрические характеристики которых во избежание искажений должны быть, чрезвычайно однородными и стабильными во времени. Так, например, в состав высокочастотной кабельной связи протяженностью 10 тыс. км могут входить до 200 промежуточных трансляций, на входе и выходе каждой из которых включаются переходные трансформаторы; таким образом, число трансформаторов доходит до четырехсот. Очевидно, что требования к степени всех видов искажений, вносимых таким трансформатором, и к стабильности его характеристик будут значительно» выше, чем, например, требования к трансформатору, входящему в схему радиоприемника. Это обстоятельство влияет и на конструкцию трансформатора и на выбор материалов. Можно сказать, что техника дальней связи представляет собой высокочастотную технику больших точностей.
Большое количество узлов аппаратуры, входящих в состав канала дальней связи, и высокая надежность современных линий связи требуют совершенно особого подхода к вопросу о надежности работы аппаратуры. Связь должна работать круглосуточно с весьма большими сроками между ремонтами аппаратуры. В этих условиях надо отказываться от применения таких элементов аппаратуры, срок надежной работы которых не исчисляется многими годами. Единственным элементом аппаратуры, допускающим регулярную замену и резервирование, являются электронные лампы, да и те разрабатываются по. специальным техническим условиям, обеспечивающим достаточно большие сроки службы.
Глава вторая
СОПРОТИВЛЕНИЯ
2-1. Общие сведения
Активные сопротивления относятся к числу полуфабрикатов, наиболее широко применяемых во всех устройствах аппаратуры дальней связи. В зависимости от назначения к сопротивлениям могут быть предъявлены различные требования. Они касаются главным образом допустимых величин расходуемых сопротивлением мощностей, индуктивности и емкости, стабильности во времени и температурной зависимости. К сопротивлениям специального типа предъявляются также требования в
12
отношении характера зависимости величины электрического сопротивления от тока или приложенного напряжения.
Выполнение каждого из указанных требований достигается применением соответствующего материала при изготовлении сопротивлений, а также их конструктивным оформлением. Наиболее часто при конструировании сопротивлений принимаются все меры к тому, чтобы номинальная величина их не зависела, или зависела очень мало, от величины протекающего через них тока. Тем самым обеспечивается линейный характер этих сопротивлений. Для обеспечения активного их характера добиваются минимальной величины реактивных составляющих.
При практическом осуществлении сопротивлений материал для их изготовления необходимо выбирать с учетом возможности получения требуемого номинала. Шкала номинальных значений сопротивлений, применяемых в аппаратуре дальней связи, весьма широка и практически находится в пределах от нескольких ом до нескольких десятков миллионов ом. Вполне очевидно, что изготовление сопротивлений всех номиналов данной шкалы, с учетом изложенных выше требований, из какого-либо одного материала не представляется возможным. Кроме того, при выборе материала и конструкции сопротивлений значительную роль играют также соображения, касающиеся возможной точности осуществления заданных их значений.
Основными материалами для изготовления сопротивлений являются проволока высокого удельного сопротивления, углерод и тонкие пленки металлов. Сопротивления, изготовляемые из этих материалов, значительно отличаются как по своим электрическим свойствам, так и по конструкции.
Сопротивления, изготовляемые из проволоки реостатных сплавов, называются проволочными, а сопротивления, для которых в качестве токопроводящего материала применен углерод или тонкая пленка металла,—непроволочными. Оба указанных типа сопротивлений могут быть использованы как в цепях постоянного, так и переменного тока. Если сопротивление предназначено для цепи постоянного тока, то основными требованиями к нему являются его стабильность и величина допустимой мощности рассеивания, т. е. допустимый перегрев сопротивления по сравнению с окружающей средой.
В устройствах и узлах аппаратуры нормальной температурой перегрева является величина от 40 до 60° С в зависимости от условий охлаждения, определяемых конструкцией узла. При работе этих же сопротивлений в цепях переменного тока к ним могут быть предъявлены требования в части величины реактивных составляющих. Жесткость этих требований в свою очередь определяется частотой переменного тока, в цепи которого работает сопротивление.
Каждое сопротивление, имеющее определенные геометрические размеры, принципиально должно обладать собственной
13
индуктивностью и емкостью, а также и емкостью на землю. Путем соответствующего конструирования можно уменьшить значения индуктивности и емкости, но полностью уничтожить их нельзя.
На фиг. 2-1 показана эквивалентная схема некоторого сопротивления, номинально имеющего активную величину Емкость Сх представляет собой собственную емкость сопротивления (без учета емкости на землю). Для удобства дальнейшего анализа мы предполагаем ее сосредоточенной, хотя на самом деле она распределяется некоторым образом по сопротивлению.
Л 6 Индуктивность L представ-
_____I—"| ляет с°бой собственную
| индуктивность сопротивле-----о ---- НИЯ.
_________Полное сопротивление
C# схемы фиг. 2-1 для перемен-
фиг 2-1 ного тока с круговой часто-
той ш будет равно:
______R -г _________
1 — w2LCx + juCxR ’
ИЛИ
1 + /<>(--CXR-—^LCX\
Z=R--------. (2-1)
Частота «>0=— 1— является частотой резонанса, который V LCX
мог бы иметь место в том случае, если бы в контуре фиг. 2-1 выполнялись условия возникновения собственных колебаний.
Если считать, что рабочая частота более чем в 10 раз ниже частоты —, то 2к
^LCx<0,01.
Практически это предположение вполне оправдывается. Тогда
Z'
=R (1
(2-2)
где
R
(2-3)
есть так называемая постоянная времени, измеряемая в секундах. Эта величина удобна для оценки влияния индуктивности и емкости сопротивления.
Для заданной конструкции сопротивления величины собственной индуктивности и емкости определяют область частот,'
14
в которой это сопротивление может быть использовано. Это обстоятельство в значительной мере ограничивает верхний предел диапазона частот, при которых могут быть применены проволочные сопротивления.
Минимальным влиянием собственной индуктивности и емкости отличаются углеродные сопротивления, которые можно считать активными и независящими от частоты во всем диапазоне, используемом в современной технике дальней связи. Следует, однако, учесть, что на верхнем краю этого диапазона,, при частотах, измеряемых мегагерцами, может опасно сказываться емкость этих сопротивлений на землю. В этом случае сопротивление, имеющее номинальное значение (при постоян-
о-
о
Фиг. 2-2
ном токе), равное /?, и некоторую распределенную емкость на1 землю, равную С3, удобно рассматривать как четырехполюсник, построенный по схеме фиг. 2-2,а или б (влиянием собственной индуктивности и емкости можно пренебречь).
Рассмотрим схему фиг. 2-2,а. Для этой схемы характеристическое сопротивление равно:
(2'4) а постоянная передачи
g=Vj^C3R. (2-5)
Наиболее интересным практически случаем, для которого имеет смысл учитывать влияние емкости углеродного сопротивления на землю, является часто встречающийся в ламповых схемах случай заземления одного из концов этого сопротивления. В соответствии с таким включением вычислим для четырехполюсника фиг. 2-2,а входное сопротивление короткого замыкания ZK3:
2кз=tg hg=RK3 + JXK3.
Применяя разложение tg hg в ряд
+ У‘-~е'+ ... )
IS
и ограничиваясь первыми тремя членами этого ряда, придем к следующим выражениям для активной и реактивной составляющей входного сопротивления:
и
(2-6)
(2-7)
На фиг. 2-3 показаны частотные характеристики величин
RK3 и Хкэ для различных R (измеренных при постоянном токе)
Фиг. 2-3
для случая С3=0,5«10-12 ф.
Считая предельной частотой использования сопротивления ту частоту, при которой его величина снижается на 10% по сравнению с номинальным значением, получим, используя формулу (2-6), следующее значение соответствующей круговой частоты:
2.23 ,о
шпп =---• (2-8)
пр C3R 4
^Предельная частота может быть определена на графике фиг. 2-3 по пересечению одной из частотных характеристик RK3 с прямой, определяемой уравнением
> 2>23
? шпрСз
(2-9)
Следует, однако, отметить, что наряду с падением RK3 на 10% при частоте сопротивление ZK3 имеет значительный угол, составляющий, как это нетрудно вычислить, около 60°.
В заключение следует упомянуть явление поверхностного эффекта, обусловленное вихревыми токами, индуктируемыми в толще проводника. Следствием этого эффекта является вытеснение тока на поверхность проводника, сказывающееся тем более резко, чем выше частота протекающего по проводнику переменного тока.
Вытеснение тока на поверхность ведет к увеличению сопротивления проводника, которое увеличивается по сравнений
16
с сопротивлением /?0 при постоянном токе на некоторую величину А/?:
(2-Ю)
/L = /?0-h А/?.
Для вычисления отношения — используют формулы, вы-Ro
веденные для случая прямого проводника. Влиянием увеличения индуктивности при определенной форме проводника, соответствующей той или иной конструкции, можно пренебречь, поскольку при любой конструкции стремятся обеспечить минимально возможную величину собственной индуктивности.
На фиг. 2-4 величина отношения — дана в функции от параметра х, определяемого формулой
лг = 1,5851/ , (2-11)
где
ротн—относительная магнитная проницаемость материала проводника;
/мггц~~чистота в м/ггц\
^—сопротивление постоянному току в омах 1 м проводника.
Если в формуле (2-11) задаться определенным значение^м частоты, то величина х будет тем больше, чем меньше т. е. чем больше диаметр провода. В табл. 2-1 приведены наибольшие допустимые для различных частот диаметры (в Миллвуд
метрах), при которых отношение — не превышает 1,01.
Яо
Таблица 2-1
тт ! Частота кгц 1 Нихром Манганин Частота кгц Нихром Манганин
100 2,6 1,75 5000 0,367 0,249
200 1,75 1,24 10000 0,260 0,175
500 1,27 0,785 20000 0,185 0,125
1000 0,825 0,555 50000 0,117 0,077
2000 0,585 0,315
Из этой таблицы следует, ЧТО для основного диапазона
частот, в котором используются проволочные сопротивления, т. е. для диапазона до 200 кгц, величина максимально допустимого диаметра получается больше 1 мм. Опыт работы с проволочными сопротивлениями показывает, что по ряду причин имеет смысл пользоваться проводниками диаметром менее V мм. Таким образом, при расчете проволочных сопротивлений в . диапазоне по крайней мере до 200 кгц влияние
2
Зак № 129
17
поверхностного эффекта можно не учитывать. При более вы- ’ соких частотах используются углеродные и пленочные сопротивления.
Для цилиндрического углеродного проводника на фиг. 2-5
показана частотная зависимость так
называемой глубины проникновения (о) тока в проводник, соответствующей уменьшению поля в проводнике в 100 раз по сравнению с полем на наружной поверхности этого проводника.
Толщина углеродного слоя, наносимого на поверхность непроводящего цилиндра, обычно не превышает 0,1 мм. Такой величины глубина проникновения достигает, согласно графику фиг. 2-5, только при частотах выше 1000 мггц, при более низких частотах она будет значительно больше. Благодаря этому обстоятельству влиянием поверхностного эффекта можно пренебречь и в практике использования углеродных сопротивлений.
Рассчитанное и изготовленное сопротивление с течением цремени неизбежно будет меняться в известных пределах. Изменения могут носить как обратимый, так и необратимый характер. Обратимые изменения происходят под влиянием колебаний температуры сопротивления, обуслов-
ленных как его нагревом, так и изменением температуры окружающей среды. В качестве средней нормальной температуры, для которой
ведутся все расчеты и приводятся все нормы сопротивлений, принята температура 20° С.
18
Для вычисления величины сопротивления R при некоторой температуре 0 прибегают к формуле
/?=Я20[1 + а (0-20)]. (2-12)
Входящий в эту формулу коэффициент а называется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и представляет собой изменение удельного сопротивления р на 1°С. Определение величины а производится для температур, близких к 20° С. Объясняется это тем, что, вообще говоря, величина а несколько зависит от температуры, однако для аппаратуры, используемой в комнатных условиях, этой зависимостью можно пренебречь.
Для большинства металлов величина ТКС является положительной, для углерода—отрицательной. При конструировании сопротивлений стараются или подбирать материал с минимальным значением ТКС или комбинировать сопротивления с противоположными по знаку температурными коэффициентами.
Необратимые изменения сопротивления могут происходить под влиянием механических воздействий, из-за старения, а также под воздействием влажности. Мерами, предупреждающими эти изменения, являются: а) осуществление достаточно прочных конструкций, б) искусственное старение в процессе производства и в) влагозащита в виде различного рода влагостойких покрытий.
2-2. Проволочные сопротивления
Основные свойства. Проволочные сопротивления, применяемые в узлах аппаратуры дальней связи, по своему номинальному значению занимают диапазон от десятых долей ома до нескольких десятков тысяч ом. Сопротивления этого типа нашли широкое применение в устройствах дальней связи в си-у следующих причин:
а) проволочные сопротивления могут изготовляться на любой номинал в пределах указанного диапазона с необходимой точностью, но не более чем +0,5% от номинала (определяется в основном точностью пригодной для применения в производстве измерительной аппаратуры);
б) эти сопротивления могут легко изготовляться на значительные мощности рассеивания—до нескольких десятков ватт;
в) проволочные сопротивления по своему номинальному значению могут быть как постоянными, так и переменными— регулируемыми;
г) некоторые типы конструкций этих сопротивлений обеспечивают возможность легкого осуществления в пределах одной конструктивной единицы целой схемы, составленной из отдельных-сопротивлений (например ослабители-удлинители, ступенчатые потенциометры и т. д.);
2*
19
д) проволочные сопротивления являются достаточно стабильными, в широком диапазоне рабочих температур, а также и во времени;
е) специальные типы намоток позволяют получить проволочные .сопротивления с минимальными значениями реактивных составляющих (индуктивной и емкостной) в диапазоне частот до сотен килогерц.
Проволочные сопротивления, используемые в аппаратуре дальней связи, в значительной своей части не могут быть предметом массового производства на специализированных заводах. Они изготовляются на заданные номиналы на предприятиях, изготовляющих аппаратуру. Серийное изготовление проволочных сопротивлений осуществляется на намоточных станках с механическим, реже с ручным приводом. Сопротивления изготовляются в соответствии с техническими документами (намоточными таблицами), в которых содержатся все необходимые данные и технологические указания по их изготовлению.
Материалы для намотки. Материалами для намотки проволочных сопротивлений являются изолированная, голая либо оксидированная проволока из реостатных сплавов: константана, манганина или нихрома.
Изолированная проволока из константана или манганина с изоляцией из эмалевого лака и шелковой пряжи применяется для сопротивлений небольшой (до 5 вт) мощности, которые выполняются, как правило, посредством многослойной намотки. При осуществлении сопротивлений на большую мощность намотка обычно выполняется в один слой голым или оксидированным проводом из тех же материалов на корпусах из теплостойкого материала. Одним из лучших материалов для намотки сопротивлений служит манганиновая проволока.
Манганин, являющийся сплавом меди (86%), марганца (12%) и никеля (2%), имеет ничтожно малый температурный коэффициент порядка 1-10”5 на 1°С, однако для получения высокой стабильности сопротивления манганиновую проволоку необходимо подвергать искусственному старению, которое заключается в подогревании ее в термостате при температуре 120—150° С в течение 30—40 час., с дополнительной длительной выдержкой при комнатной температуре.
В процессе намотки сопротивление из манганиновой проволоки может изменить свою величину под влиянием механических натяжений, которые могут быть устранены прогревом готового сопротивления в течение 24 час. при температуре порядка 120° С. При использовании сопротивления перегрев его свыше 120° С нежелателен.
Дополнительным достоинством манганина, обусловившим широкое его распространение в точных и измерительных устройствах дальней связи, является весьма малая величина его термо-э. д. с. по отношению к меди (порядка 2 мкв!град\
20
Константан (сплав 60% меди и 40% никеля) обладает отрицательным температурным коэффициентом, весьма близким к нулю, нет изменение его сопротивления в процессе естественного старения несколько больше, чем у манганина; термо-э. д. с. его по отношению к меди значительна и достигает 43 MKejzpad.
Сплав этот заменяет манганин во всех случаях, когда не требуется особой точности (порядка долей процента), поддержания величины сопротивления во времени, и поэтому имеет значительное распространение. Этому способствует также и то обстоятельство, что допустимая рабочая температура для константановых сопротивлений выше, чем для манганиновых, и может доходить до 500° С.
Нихром (65% никеля, 15% хрома и 15—20% железа) обладает удельным сопротивлением примерно в два раза большим, чем манганин и константан, температурным коэффициентом, равным 11-10“5 при 20° С, и значительной термо-э. д. с. по отношению к меди (22 мкв)град). Он удобен для замены константана в тех случаях, когда по соображениям уменьшения постоянной времени сопротивления требуется уменьшить длину проводника, необходимую для осуществления сопротивления заданной величины. Нихромовые сопротивления могут подвергаться весьма значительному нагреву.
Данные намоточных проводов из манганина, нихрома и константана приведены в приложениях 2-1 и 2-2.
Однослойные постоянные и регулируемые сопротивления. Однослойные проволочные сопротивления, применяемые в узлах аппаратуры, в основном предназначаются для поглощения мощности. Эти сопротивления могут быть как постоянные, так и переменные—регулируемые. Они должны допускать значительную температуру нагрева при сохранении своих электрических и конструктивных свойств.
В настоящее время, как правило, этот тип сопротивлений изготовляется на корпусах из керамики при использовании в качестве намоточного материала голой оксидированной проволоки из константана или нихрома. Оксидирование проволоки достигается быстрым ее нагревом до температуры порядка 1000° С (пропусканием через проволоку тока соответствующей силы) с последующим охлаждением на воздухе. В результате нагрева образуется пленка окислов, которой присущи электроизолирующие свойства.
В некоторых случаях (для нерегулируемых сопротивлений) вместо оксидированной проволоки применяется константановая проволока, изолированная эмалью и шелком. Такая намотка переносит нагрев значительно хуже, чем намотка из оксидированной проволоки.
При изготовлении сопротивлений из оксидированной проволоки необходимо учитывать величину напряжения между
21
двумя соседними витками, так как пробивное напряжение оксидного слоя для указанных выше проводов находится в пределах от 2 до 5 в. Превышение этого напряжения может вызвать искрообразование между витками, что в свою очередь может привести к замыканию части витков или всего сопротивления накоротко.
Даже незначительное искрение между витками недопустимо, так как может вызвать сильное мешающее действие в каналах связи, поэтому напряжение между двумя соседними витками не должно превосходить 1 в.
Шкала номинальных значений сопротивлений этого типа находится в пределах от нескольких ом (в принципе возможны и доли ома) до нескольких тысяч ом в зависимости от диаметра и удельного сопротивления провода, а также от размеров примененного корпуса.
Ввиду повышенной рабочей температуры и слабой защищенности провода от химического воздействия окружающей среды, стабильность сопротивлений из оксидированной проволоки невелика. Эти сопротивления имеют тенденцию к увеличению своей величины с течением времени в результате медленного, но непрерывного процесса окисления.
Конструктивный расчет этих сопротивлений элементарно прост и никаких затруднений не представляет. Следует заметить, что обычно расчетная величина сопротивления всегда несколько отличается от фактически получаемой. Это является следствием того, что фактический диаметр провода всегда несколько отличается от его величины, принятой при расчете, и, кроме того, зависит также от плотности намотки, которая является величиной переменной и при обычно применяемой для таких сопротивлений ручной намотке определяется квалификацией намотчицы.
Для быстрого и достаточно точного определения сопротивления в приложениях 2-3 и 2-4 приведены данные максимальных значений сопротивлений, получаемых при наиболее часто встречающихся конструкциях для заданного диаметра провода, при плотной намотке и при полном заполнении обмоточного пространства. Значения максимальных сопротивлений на данных корпусах, выполненные проводами с диаметрами промежуточных значений, могут быть определены по имеющимся в указанных приложениях кривым. Корпуса, указанные в пределах каждой из таблиц, могут отличаться друг от друга конструкцией выводов и наличием или отсутствием подвижного контакта-ползунка, иногда применяемого для плавной подгонки величины сопротивления (при намотке оксидированным проводом).
Следует отметить, что при однослойной намотке в заданном габарите сопротивление зависит от диаметра провода в кубе и поэтому допуск по сопротивлению неизбежно получается
22
большим. Это обстоятельство необходимо иметь в виду при введении в электрические схемы проволочных потенциометров.
Величина сопротивления и его допуск указываются краской на деталях арматуры.
На фиг. 2-6 показаны наиболее распространенные типы проволочных однослойных сопротивлений, а также проволочные сопротивления, намотка которых для предохранения покрыта слоем эмали (см. ниже).
Фиг. 2-6
Трубчатые эмалированные проволочные сопротивления. Эти сопротивления также относятся к типу однослойных и выпускаются с номинальными значениями от 20 до 50000 ом и мощностью рассеивания от 7,5 до 150 вт. Сопротивление этого типа представляет собой керамическую трубку с намотанной на нее оксидированной проволокой из константана или нихрома. Намотка покрывается слоем эмали толщиной порядка ОД мм. Защитный слой эмали предохраняет намотку от механических и химических воздействий и обладает высокими изоляционными свойствами.
Максимально допустимой мощностью рассеивания для данного типа сопротивлений считается мощность, при которой установившаяся температура сопротивления не превышает температуру окружающей среды более чем на 300° С. Ток, соответствующий данной мощности, называется номинальным током. Величина активного сопротивления при температуре +20° С
23
у этих сопротивлений не отличается от соответствующего номинала более чем на ±8%, а при номинальном токе нагрузки—не более чем на ±10%.
Сопротивления этого типа хорошо переносят резкие изменения температуры в диапазоне от ±300 до ±20° С без появления дефектов в конструкции и остаточных изменений электрических данных.
Промышленностью выпускаются две конструкции рассматриваемых сопротивлений: с гибкими и жесткими выводами. Сопротивления с жесткими выводами (типа ПЭВ) выпускаются с постоянными и регулируемыми значениями. В последнем случае сопротивление имеет подвижный контактный хомутик, который может перемещаться вдоль намотки, с которой снята узкая полоска эмалевого покрова.
Сопротивление между наружной поверхностью слоя эмали и обмоткой составляет для всех этих сопротивлений от 20 до 40 мгом. Изоляция между внутренней поверхностью трубки и обмоткой при температуре 20° С и влажности воздуха до 80% выдерживает 2000 эфф. в переменного тока частотой 50 гц.
В приложении 2-5 приведены габаритные данные выпускаемых эмалированных сопротивлений и соответствующая им мощность, а в приложении 2-6—действующие шкалы номинальных значений сопротивлений.
Постоянные проволочные многослойные сопротивления. Многослойные проволочные сопротивления, наиболее широко применяемые в узлах аппаратуры дальней связи, выполняются на катушечных корпусах из фенопласта, конструкция и габаритные размеры которых указаны в приложениях 2-7—2-12.
При расчете и изготовлении многослойных сопротивлений весьма существенным является правильный выбор типа корпуса в соответствии с требуемой величиной мощности рассеивания.
Практикой применения таких сопротивлений установлено, что даже незначительное превышение допустимой для данного корпуса нормы мощности рассеивания при длительной работе сопротивления приводит к значительному перегреву намотки и корпуса. В результате перегрева намотки с течением времени происходит изменение номинального значения сопротивления, а также снижается сопротивление изоляции обмотки. Перегрев средних слоев обмотки у этих сопротивлений объясняется плохой теплопроводностью материала корпуса и обычно йриме-няемой шелковой изоляцией провода.
Следует иметь в виду, что приведенные в таблицах допустимые величины мощностей рассеивания являются оптимальными и проверены практикой, однако они могут несколько изменяться в ту или иную сторону в зависимости от конкретных условий работы сопротивления. Значительные отступления, превышающие в два-три раза указанные норхмы мощности, 24
допустимы только для сопротивлений, включаемых в цепь тока\ кратковременно.
В зависимости от назначения проволочного сопротивления в схеме, намотка его должна выполняться тем или другим способом, определяемым требованиями, предъявляемыми к сопротивлению в части допустимых величин его реактивных составляющих. Сопротивления, предназначенные для работы в цепях постоянного тока, а также в цепях тока низкой частоты, где некоторое наличие реактивных составляющих не играет существенной роли, выполняются обычно способом унифилярной намотки.
Унифилярной намоткой называется такая, при которой все витки направлены в одну сторону. Практически такая намотка выполняется на намоточном станке, причем для лучшего использования намоточного пространства корпуса витки стараются укладывать рядами. В зависимости от количества витков и диаметра корпуса такие сопротивления могут обладать значительными индуктивностью и емкостью, а поэтому применение их ограничено указанными выше случаями.
В зависимости от конструкции корпуса начало и конец, обмотки припаиваются к мягким многожильным выводным концам, выходящим через отверстия щечек корпуса, или же распаиваются на перья, запрессованные в фенопласт щек катушки". В качестве выводных концов чаще всего используется многожильный провод типа АТСК, МГШДЛ или МГБДЛ, имеющий семь жил по 0,15 мм с изоляцией из шелковой пряжи и шелковой оплетки. Обмотки сопротивления, намотанные проводом, диаметром не менее 0,2 мм, могут распаиваться на контакты корпуса без предварительной заделки их на мягкие выводные концы.
Сопротивления, предназначенные для работы в цепях повышенной частоты (до 20—30 кгц), обычно изготовляют способом бифилярной намотки.
Бифилярной намоткой называется такая, при которой половина витков имеет направление в одну сторону, а другая половина в другую. Такая намотка обладает весьма малой индуктивностью, что же касается междувитковой емкости, то в зависимости от количества витков величина ее может быть достаточно велика, что ограничивает применение этого типа намотки сравнительно невысокими частотами.
Практическое выполнение этой намотки осуществляется также на намоточном станке, причем намотка ведется сразу в две проволоки, начала которых соединены между собой и закреплены на корпусе. Способ заделки концов обмотки полностью аналогичен случаю унифилярной намотки.
Оба указанных способа намотки не обеспечивают возможности изготовления проволочных сопротивлений с малыми реактивными составляющими, а поэтому практически в целом
25
ряде случаев приходится идти по пути абсолютного уменьшения емкости (особенно важно в случае бифилярной намотки) и индуктивности (случай унифилярной намотки) и, кроме того, прибегать к способам взаимной их компенсации.
Уменьшение индуктивности может быть достигнуто приме-
нением корпусов возможно меньшего диаметра, а также применением возможно более тонких проводников с высоким удельным сопротивлением (нихром), уменьшение же емкости— секционированием обмотки
Фиг. 2-7
или однослойным ее выполнением. Иногда при изготовлении сопротивления целесообразно применить оба способа намотки—унифилярный и бифилярный, при этом правильный выбор соотношения витков той и другой обмоток может обеспечить достаточно хорошее качество сопротивления для частот до 100 кгц.
Наиболее высокого качества приходится добиваться у сопротивлений, включаемых в высокочастотные тракты аппаратуры (свыше 30— 40 кгц, а в некоторых случаях и свыше 100 кгц), а также у сопротивлений, применяемых в измерительной аппаратуре. Постоянная времени у этих сопротивлений должна соответствовать величине порядка 10“7—10-8сек.
Осуществление сопротивлений с такой величиной постоянной времени может быть достигнуто применением в качестве корпуса плоской тонкой пластинки и особой намотки, которая
производится сразу в две проволоки, наматываемые в противоположных направлениях. Схема такой намотки показана на фиг. 2-7, а. Сопротивления, выполненные этим способом, обладают весьма малой индуктивностью, благодаря встречному направлению витков обеих проволок при малой площади витка, а также и малой емкостью вследствие отсутствия параллельного пробега витков. Данный тип сопротивления, ввиду своих значительных размеров, применяется главным образом в магазинах затуханий и сопротивлений.
Для узлов аппаратуры высокочастотной связи подобный тип сопротивления осуществляется применением в качестве намоточного материала ленты, состоящей из хлопчатобумажной основы и вплетенного в нее утка из изолированной константановой проволоки (фиг. 2-7, б). Такая лента наматывается на любой из типовых корпусов, а концы вплетенной проволоки заделываются на зажимы корпуса обычным способом.
Эти сопротивления являются наилучшими по качеству и находят широкое применение в узлах трактов высокой частоты,
26
а также в качестве нагрузочных при проведении измерений в высокочастотных цепях. Лента для них представляет собой готовый покупной полуфабрикат.
В тех случаях, когда высокочастотное сопротивление должно иметь особо малые габариты, имеет смысл наматывать тонкий проводник с высоким удельным сопротивлением на гибкую нить из изоляционного материала. Получающийся при этом соленоид имеет малую емкость и ничтожную индуктивность
Фиг. 2-8
(благодаря весьма малому диаметру намотки). Нить с намотанной на ней проволокой может быть свернута в очень небольшое кольцо.
В приложениях 2-7—2-12 приведены максимальные значения сопротивлений, которые могут быть получены на наиболее часто встречающихся корпусах при использовании провода заданного диаметра и при полном заполнении обмоточного пространства. Значения максимальных сопротивлений для промежуточных диаметров провода могут быть определены по приведенным в таблицах кривым.
Некоторые из типов многослойных проволочных сопротивлений, наиболее часто применяемых в узлах аппаратуры, показаны на фиг. 2-8.
Так как данными, приведенными в приложениях, не исчерпываются возможные варианты конструктивного оформления проволочных сопротивлений, встречающихся на практике, ниже приводится в общем виде порядок конструктивного расчета любого многослойного проволочного сопротивления.
27
Предварительно необходимо выбрать:
а) корпус сопротивления, наиболее удобный для данной конструкции с учетом требуемой мощности рассеивания;
б) марку и диаметр намоточного провода в соответствии с требуемой величиной сопротивления, нормой плотности тока и намоточным пространством корпуса.
Весь дальнейший расчет ведется до получения величин,, удовлетворяющих указанному в конце расчета соотношению.
Намоточное пространство корпуса S [см2]; в соответствии с обозначениями фиг. 2-9, определяется как произведение:
где
bcpt=S [см2], (2-13)
Фиг. 2-9
61 -|“ 6о
2 ’
Ь и t даны в сантиметрах.
Общая длина выбранного провода, необходимая для намотки сопротивления требуемого номинала R, может <быть определена отношением
/=4 W’ (2-14)
где R—заданный номинал сопротивления, а г—сопротивление выбранного провода длиной 1 м.
Для определения числа витков, необходимых для укладки на данном корпусе провода длиной I, определим сначала длину среднего витка 1ср. Если размеры t и Do взять в сантиметрах, то получим:
/= тс(Р9.+ °’5/). [М]. (2-15)
ср 100 1 J ’
Количество витков при данной длине I будет:
п=—. (2-16)
^ср
Далее по приложению 2-13 определяем для выбранного нами провода количество витков пъ приходящееся на 1 см2 сечения плотной намотки.
Конструктивный расчет сопротивления выполнен верно,, если между найденными величинами соблюдается следующее соотношение:
> п, (2-17)
где
коэффициент использования намоточного пространства при массовом производстве, имеющий значение порядка 0,8-0,85;
28
k2—коэффициент, учитывающий отклонение диаметра провода вследствие неравномерной толщины изоляции, значение которого находится в пределах 0,90—0,95.
В том случае, когда соотношение (2-17) не выполняется, необходимо, если имеется возможность, уменьшить диаметр провода или применить корпус с большим размером намоточного пространства. Если же количество витков получилось несколько больше требуемого, то целесообразно увеличить диаметр провода так, чтобы намоточное пространство было использовано полностью.
При расчете сопротивления (определение величины t на фиг. 2-9) необходимо также учитывать, что после намотки оно обклеивается кабельной или бакелизированной бумагой, поверх которой наклеивается этикетка. Иногда поверх слоя бумаги наворачивается прозрачная лакоткань или целлофан, под которые закладывается этикетка. На этикетке типографским способом обозначены: величина и допуск сопротивления, марка и диаметр провода, номер соответствующего чертежа, фирменный знак завода.
Ослабители. Электрические ослабители (удлинители, аттенюаторы, не искажающие искусственные линии), применяемые в узлах аппаратуры в качестве поглотителей мощности, а также для согласования отдельных элементов в трактах приема и передачи, выполняются в основном по схемам, приведенным на фиг. 2-10, составляемым из проволочных или углеродных сопротивлений.
Ослабители могут быть симметричными или несимметричными, в зависимости от того, одинаковы или нет их характеристические сопротивления со стороны входа и выхода. Каждый из указанных типов ослабителей может быть выполнен по уравновешенной или неуравновешенной схеме.
При практическом осуществлении ослабителя с применением проволочной намотки по любой из схем все составляющие его сопротивления обычно размещаются в пределах одного корпуса с количеством выводных перьев соответственно числу выводов.
Типовая разделка выводных концов плеч ослабителя по перьям корпуса указана на схемах фиг. 2-10.
Каждое из сопротивлений, входящее в состав схемы ослабителя, выполняется способом бифилярной намотки, причем точки их взаимного соединения иногда на перья корпуса не выводятся. Порядок конструктивного расчета, а также принимаемые при этом соображения в отношении допустимой мощности рассеивания, сечения провода и др. полностью аналогичны расчету обычных многослойных сопротивлений. В том случае, х если ослабитель подобной конструкции должен быть регулируемым, то составляющие его сопротивления выполняются с соответствующими отводами и располагаются на
29
отдельных корпусах с числом выводных перьев по числу отводов. Включение отдельных сопротивлений в схему ослабителя осуществляется при этом внешними перемычками.
Значения сопротивлений продольных и поперечных плеч для ослабителей по схемам приложения 2-14 с любыми значениями характеристических сопротивлений легко могут быть подсчитаны по формулам, предложенным инж. Р. Г. Ямром и приведенным в этой же таблице.
Расчет ослабителя по любой из указанных схем элементарно прост и сводится к определению сопротивления его плеч
Фиг. 2-10
путем умножения характеристического сопротивления на нормированный коэффициент элемента данной схемы.
Нормированным коэффициентом элемента схемы называется отношение величины этого сопротивления к характеристическому сопротивлению схемы. Нормированные коэффициенты для всех схем ослабителей с величиной затухания, наиболее часто встречающейся на практике, приведены в том же приложении.
Регулируемые проволочные сопротивления. Регулируемые проволочные сопротивления, используемые в аппаратуре дальней связи, чаще всего представляют собой потенциометры или реостаты, служащие для регулировки усиления. Особенности схем современной аппаратуры вызывают необходимость наличия подобных регуляторов главным образом в цепях тональной частоты (промежуточные усилители, усилители в индивидуальной приемной части каналов, реже—усилители в передающей части).
Малая величина уровней на входе усилителей требует весьма большой надежности контактов. Поэтому входные потенциометры усилителей чаще всего переключаются не плавно, а ступенями, обычно не мельче 0,1 неп. Сопротивле
30
ния, соответствующие отдельным ступеням потенциометра, выполняются в виде многослойных проволочных сопротивлений на корпусах минимального габарита, а выводы от них присоединяются к ступенчатому переключателю (см. гл. И), обеспечивающему надежный контакт при переключениях. Иногда концы сопротивлений выводятся на гребенку с перьями и переключения осуществляются перепайкой.
В последних образцах нашей аппаратуры (В-3, 12-канальный блок) для плавной регулировки усиления применяются в качестве регуляторов усиления плавно регулируемые ползун-
Корпус
Ползунок \
Пластина с
намоткой^л»$$. X
Прокладкой^ \\ \
Крышка J
Вывод
Вывод Вывод корпуса ползунка
б)
Фиг. 2-11
ковые реостаты, включаемые в цепь противосвязи. Надежность контакта при наличии не слишком больших давлений (опасных из-за возможности износа провода) обеспечивается в этом случае непрерывным обтеканием контакта постоянной составляющей анодного тока.
Применение ползунковых сопротивлений является одним из важнейших вариантов, но, конечно, не единственным. Наряду с плавной регулировкой эти сопротивления обладают по сравнению с сопротивлениями, переключаемыми ступенями, малыми габаритами, что является особенно важным достоинством при использовании намоточного материала с высоким удельным сопротивлением.
Одна из наиболее распространенных конструкций потенцио-* метра ползункового типа показана на фиг. 2-11, а.
Потенциометры и реостаты этого типа могут иметь значения. сопротивления от нескольких ом до двух и даже трех десятков тысяч ом. Величина их сопротивления определяется размерами корпуса, удельным сопротивлением и диаметром намоточного провода.
31
В качестве корпуса для намотки в этих потенциометрах применяется плоская пластинка из гетинакса. При наложении обмотки на такой корпус начало и конец ее закрепляются в отверстиях на концах пластинки. В зависимости от вида изоляции намоточного провода витки на пластинку могут накладываться вплотную или, при голом проводе, с некоторым зазором.
Намотанная пластинка (фиг. 2-11, б) вставляется в корпус потенциометра, выполненный из металла или пластмассы. Начало и конец пластинки с намоткой с помощью винтов или пайки соединяются с выводными контактами, укрепленными на корпусе. Затем в корпус устанавливается ползунок с осью управления, имеющей электрическое соединение с контактом на корпусе, установленным посередине между контактами, соответствующими концам сопротивления. Следующей операцией является зачистка до металлического блеска того ребра поверхности намотки, по которому скользит движок, и регулировка давления его на поверхность намотки. Нормальным обычно считают давление в 30—50 Г.
Потенциометры такой конструкции могут быть выполнены с регулировкой при помощи отвертки (под шлиц) или снабжены удлиненной осью, на которую может быть надета рукоятка управления. Потенциометры, примененные в последних выпусках аппаратуры уплотнения, смонтированы в латунных корпусах, намотка в которых закрывается съемной крышкой. Применение корпусов такой конструкции обеспечивает экранировку потенциометра, а также предохраняет намотку от пыли и механических повреждений.
При изготовлении потенциометров на высокие значения ✓сопротивлений, когда приходится применять провод весьма тонкого сечения, для уменьшения износа намотки при скольжении по ней движка, между движком и намоткой устанавливается плоское кольцо из упругого тонкокатанного металла.
Положение кольца относительно обмотки регулируется так, что оно соприкасается с ней только вблизи точки давления движка на обмотку и находится в приподнятом положении над остальной ее частью. При заданной конструкции кольцо обеспечивает контакт ползунка с обмоткой давлением, что значительно увеличивает срок службы потенциометра. Недостаток этой системы состоит в том, что контактная пластинка неизбежно замыкает некоторую часть витков потенциометра .накоротко.
2-3. Угольно-керамические сопротивления
Основные сведения. Проволочные сопротивления сравнительно дороги, велики по размерам и обладают свойствами, затрудняющими применение их в высокочастотном диапазоне.
32
Кроме того, изготовление высокоомных проволочных сопротивлений практически ограничено возможностями получения сплавов с высокой удельной проницаемостью и пределами уменьшения диаметра проволоки.
Работы в области изыскания новых типов сопротивлений велись в направлении получения дешевых, стабильных, малых по габаритам сопротивлений, пригодных для использования в высокочастотном диапазоне. Решение вопроса о возможности получения таких сопротивлений было достигнуто применением мелкодисперсного углерода, введение которого в пластмассу, а также нанесение его на керамические стержни позволило осуществить изготовление так называемых углеродных сопротивлений. Введение углерода в пластмассу дало возможность получить сопротивления объемного типа, а нанесение его на керамические стержни—поверхностного типа.
Наличие у сопротивлений объемного типа органических составляющих, входящих в пластмассу, привело к нестабильности при колебаниях температуры и влажности, а также к резко выраженному старению с течением времени. Выпускавшиеся ранее сопротивления объемного типа ТО оказались значительно хуже проволочных и в настоящее время не изготовляются. Нанесение углеродистых пленок на поверхность керамических стержней позволило получить высокостабильные сопротивления типа ВС, выпускаемые в настоящее время нашей промышленностью.
Нанесение слоя углерода осуществляется путем термического разложения паров углеводородов в вакуумных печах, в которые загружаются фарфоровые цилиндрические стержни. Толщина углеродистого слоя составляет несколько микрон, причем наименьшая толщина слоя соответствует среднему значению кристаллов углерода. Нанесенные таким способом на керамические стержни углеродистые пленки имеют значения сопротивлений до нескольких десятков тысяч ом, в зависимости от толщины пленки.
Дальнейшее увеличение сопротивления достигается прорезанием спиральной канавки по поверхности пленки, т. е. образованием ленточной обмотки из углерода. Таким путем можно увеличить сопротивление от 4 до 10 000 раз, в зависимости от размеров стержня и шага спиральной канавки; это, кроме того, позволяет изготовлять сопротивления на заданный номинал. После прорезания канавки на концы стержней наносится углеродистая или металлическая проводящая паста с целью обеспечения контактов.
После нагрева, при котором достигается запекание пасты, на крнцы стержней насаживаются металлические колпачки с проволочными выводами. Затем сопротивление покрывается слоем защитного лака и подвергается сушке при температуре 100° С.
з
Зак. Хе 129
33
Углеродные сопротивления весьма широко применяются в схемах высокочастотного диапазона, так как обладают незначительными реактивными составляющими и стабильным эффективным сопротивлением. Как уже указывалось (см. § 2-1), влияние поверхностного эффекта в этих сопротивлениях практически отсутствует. В высокоомных сопротивлениях при весьма высокой частоте (многие мегагерцы) наблюдается некоторая зависимость их эффективного сопротивления от частоты, что объясняется соизмеримостью при данных условиях активной и реактивной составляющих. Величины последних определяются распределенной емкостью и индуктивностью, получающейся в результате прорезания спиральной канавки.
Индуктивность таких сопротивлений может быть легко вычислена, но расположение выводов, особенно у сопротивлений малого размера, может внести в расчеты значительные отклонения. Распределенная емкость обычно определяется измерением и величина ее зависит от диэлектрической постоянной защитного слоя лака и диэлектрических потерь в керамическом сердечнике. Как уже указывалось (§ 2-1), весьма неприятной может оказаться распределенная емкость на землю, сказывающаяся во многих случаях включения сопротивлений в схемы даже при сравнительно невысоких частотах.
Опыт производства углеродных сопротивлений показал, что качество керамических стержней имеет большое влияние на качество готовых сопротивлений. Особую роль играет состояние поверхности стержня при изготовлении высокоомных сопротивлений малого размера.
Наличие микроскопических неровностей и пор приводит к понижению стабильности, повышению температурного коэффициента и увеличению э. д. с. шумов. Природа шума в углеродных сопротивлениях объясняется изменением контактного сопротивления между слабо связанными угольными кристаллами в микроскопических порах сердечников. Этот шум сказывается только при пропускании через сопротивление тока.
При пропускании постоянного тока через некоторое сопротивление R на его концах возникают колебания разности потенциалов, обусловленные упомянутыми выше изменениями контактного сопротивления. Колебания эти создают переменную составляющую „собственных" шумов сопротивления, накладывающуюся на постоянное падение напряжения, вызванное током, возбуждающим шумы. Спектр собственных шумов весьма широк и однороден. В этом смысле он весьма схож со спектром термических шумов, присущих любому сопротивлению вне зависимости от его конструкции. С увеличением силы постоянного тока и, вследствие этого, с увеличением нагрева проводника напряжение собственных шумов (равно как и напряжение термических шумов) возрастает.
Напряжение шумов на зажимах угольного сопротивления
34
измеряется по схеме, приведенной на фиг. 2-12, где ^„—испытуемое сопротивление. Сопротивление нагрузки RH (с особо малыми шумами) предотвращает короткое замыкание шумового напряжения на батарею.
Рассматривая сопротивление Ra как внутреннее сопротивление генератора, нагруженного на сопротивление RH, получим полное напряжение шума для сопротивления Rut
(2-18)
«я
где Uo—эффективное значение напряжения, измеряемого ламповым вольтметром схемы фиг. 2-12.
Усилитель лампового вольтметра выбирается так, чтобы усиление его было постоянным с точностью + 0,1 неп в полосе от 30 до 10000 гц и с достаточно резким падением усиления за пределами этой полосы. Лампа и батарея подбираются так, чтобы иметь минимум собственных шумов.
•Удобно взять RH=RU, тогда формула (2-18) принимает вид:
UU^2UO. (2-19)
Напряжение UM выражается обычно в микровольтах, отнесенных к вольтам постоянной составляющей напряжения на сопротивлении Ra.
Напряжение (Уш является следствием сочетания напряжения шума, обусловленного наличием тока в сопротивлении Ru, с напряжением термического шума этого сопротивления. Доказано, что это сочетание осуществляется согласно формуле
где UMm—напряжение шума, обусловленного наличием тока, а ^тш~напряжение термического шума.
Кроме способности к шуму, углеродные сопротивления могут обладать нелинейными свойствами, правда, выражен-
3*
35
ними весьма слабо, но тем не менее опасными при использовании их во входных цепях многоканальных усилителей. Измерениями, произведенными Г. К. Васильевым, установлено, что для некоторых экземпляров сопротивлений этого типа затухание третьей гармоники может составлять 13—14 неп. В ответственных случаях необходима специальная отбраковка сопротивлений по затуханию нелинейности.
Большое значение при изготовлении углеродных сопротивлений имеет чистота поверхности сердечников, загрязнение которых после обжига недопустимо, так как способы хими-
ческой очистки хороших результатов не дают, Влияние дефектов поверхности стержней становится особенно заметным после нарезания канавок. Некоторые керамические материалы вообще непригодны для изготовления сердечников, так как дают плохое сцепление с углеродом.
Величина температурного коэффициента (ТКС) у углеродных сопротивлений зависит от толщины углеродного слоя и находится в пределах от—300 до -900-10'6 на 1°С.
Примерная зависимость температурного коэффициента от толщины углеродного слоя приведена на фиг. 2-13.
Углеродные сопротивления обладают хорошей стабильностью: изменение номинальной величины не превышает 1% в год. Сопротивления малых размеров обладают большей стабильностью и меньшими реактивными составляющими.
Размеры сопротивлений определяются максимально допустимой температурой нагрева сопротивлений, которая при покрытии их лаком не должна превышать 160° С. Углеродные сопротивления для особо ответственных электрических цепей вместо лакового покрытия защищаются путем герметической запайки их в стеклянные трубки. В последнее время трубки перед запайкой стали заполняться гелием, что значительно улучшило теплоотдачу от проводящего слоя к стенкам трубки, в резуль-
тате чего допустимая мощность рассеивания таких сопротивлений может быть увеличена в десятки раз.
Наличие в трубке инертного газа допускает возможность работы углеродного сопротивления даже в режиме красного каления. Практически же температурным пределом для таких сопротивлений является температура размягчения стеклянной трубки. Стабильность этих сопротивлений составляет примерно 0,005% в год.
36
Сопротивления подобной конструкции нашли весьма широкое применение в аппаратуре импульсной техники, где они используются в цепях с кратковременными импульсами тока, мгновенные значения которых могут достигать большой величины и производить сильный нагрев сопротивления.
Другой конструктивной разновидностью являются углеродные сопротивления, выполненные в виде керамических дисков с контактными выводами в центре и по периферии. Поверхности дисков между контактами покрыты слоем углерода. Этот тип сопротивлений весьма удобен для осуществления электрических ослабителей, включаемых в коаксиальные линии.
Дальнейшее улучшение углеродных сопротивлений достигается путем подмешивания треххлористого бора к разлагаемым в вакуумных печах парам углеводородов. Получаемые таким способом бороуглеродные сопротивления позволяют иметь большие номинальные значения при уменьшенных температурных коэффициентах.
Постоянные сопротивления типа ВС. Сопротивления этого типа выполнены на керамических стерженьках и трубках, на поверхности которых нанесен проводящий слой углерода. С торцов сопротивления имеют контактные колпачки с выводами из проволоки или листового материала.
Сопротивления предназначаются для работы в интервале температур от —60 до + 70° С при относительной влажности воздуха до 95—98%. Шкала номинальных значений сопротивлений, выпускаемых промышленностью, находится в пределах от 10 ом до 10 мгом.
Температурный коэффициент для сопротивлений до 1 мгом в диапазоне температур от—60 до +70° С изменяется от 600 до 10000-10“б и Для сопротивлений свыше 1 мгом—от 1200 до 2000-10“6.
Э. д. с. шумов у сопротивлений типа ВС с номиналами более 10 кон при напряжениях, соответствующих номинальным мощностям, составляет не более 5 мкв/в. Распределенная емкость на землю при монтаже сопротивлений в аппаратуре не превышает 0,3—0,5 пф.
Собственная емкость этих сопротивлений, обусловленная наличием выводных колпачков, не превышает 0,1 пф. У сопротивлений ВС, снабженных канавками, наблюдается незначительная индуктивность, сказывающаяся для сопротивлений свыше 10 ком при частотах свыше 5 мггц, т. е. вне основного диапазона частот систем дальней связи.
Конструкция сопротивлений типа ВС показана на фиг. 2-14, а габаритные размеры, соответственно допустимой мощности рассеивания, приведены в приложении 2-15. Номинальные значения сопротивлений, выпускаемых промышленностью, приведены в приложении 2-16.
37
Постоянные сопротивления типа БЛП. Сопротивления типа БЛП (бороуглеродные, лакированные, прецизионные) предназначаются для работы в цепях, требующих высокой стабильности параметров элементов. Они выполняются на стержневых фарфоровых основаниях, армированы по концам металлическими наконечниками и защищены слоем лака.
Сопротивления этого типа могут быть использованы в интервале температур от +10 до +50° С при относительной влажности воздуха до 80% и нормальном атмосферном давлении.
Номинальные значения этих сопротивлений в пределах от 20 ом до 100 ком с мощностью рассеивания 0,25 вт и
Фиг. 2-14
от 30 ом до 100 ком с мощностью 0,5 вт соответствуют шкале, указанной в приложении 2-16.
Бороуглеродные сопротивления разделяются на два класса точности: класс 1—допустимое отклонение ±0,5%; класс 2— допустимое отклонение ± 1,0%.
По величине допустимого температурного коэффициента сопротивления БЛП подразделяются на две группы: группа А с ТКС, равным 1 • 10"4, и группа Б с ТКС, равным 2-10-4.
Габаритные размеры сопротивлений типа БЛП на мощности рассеивания 0,25 и 0,5 вт приведены в приложении 2-17.
2-4. Металлизированные теплостойкие сопротивления типа МЛТ
Металлизированные сопротивления представляют собой новейшую разновидность непроволочных сопротивлений, в которых слой углерода, наносимый на керамический стержень, заменен тонкой пленкой металлизации. Из физики известно, что удельное сопротивление тонких металлических пленок чрезвы-
38
чайно велико и что проводимость у таких пленок фактически появляется лишь тогда, когда их толщина превышает несколько десятков ангстрем (1 А=10~8 см}. При толщинах, превышающих длину свободного пути электрона в металле, т. е. при толщинах порядка сотен ангстрем, достигается сравнительное постоянство удельного сопротивления, которое медленно стремится к величине, соответствующей массивному металлу, и достигает ее при толщинах пленки порядка нескольких тысяч ангстрем. Регулируя толщину пленки от сотен до тысяч ангстрем, можно получать сопротивления, удобные в производстве.
Для обеспечения устойчивости сопротивлений применяют пленки из мало окисляющихся драгоценных металлов или их сплавов. Пленки могут быть осаждены на керамических телах различными методами, например катодным распылением, вжиганием или иными способами. Для защиты пленки от влаги и химических воздействий
сопротивления покрывают слоем лака, эмали или помещают в трубки из пластмассы.
Особенностью пленочных металлизированных сопротивлений является их способность выносить высокие рабочие температуры. Это позволяет осуществлять при малых габаритах сопротивления с большой мощностью рассеивания. Объясняется это тем, что пленки металла весьма прочно сцепляются с поверхностью теплостойкой керамики и выдерживают без повреждений большие плотности тока.
Температурный коэффициент для сопротивлений этого типа при изменении температуры на 1°С в интервале температур от +20 до +120° С не превышает ±0,7-10“3 для сопротивлений до 1 мгом и ± 1-10~3 для сопротивлений свыше 1 мгом. В интервале температур от + 20 до —50° С ТКС для всех номиналов не превышает ± 1,2-10~3.
Э. д. с. шума у сопротивлений с номинальными значениями свыше 10 ком определяется группой сопротивления и не превосходит следующих значений: для группы А—1 мкв/в, а для группы Б—5 мкв/в.
Сопротивления МЛТ весьма стабильны во времени и изменение их номинального значения после полного цикла испытания на старение, в соответствии с техническими условиями
39
на них, не превышает ±4%. Работа этих сопротивлений возможна даже при влажности до 100% и температуре до +40° С, при этом изменение их номинального значения не превышает величины от —3 до +6% для сопротивлений до 1 мгом и от —2 до +9% для остальных номиналов.
Величина допустимой длительной нагрузки (Wdon) для металлизированных сопротивлений, выраженная в процентах от номинальной мощности, в зависимости от температуры окружающей среды определяется кривой, подобной кривой фиг. 2-15. Номинальные значения сопротивлений, выпускаемых промышленностью, соответствуют данным приложения 2-16.
2-5. Композиционные лакированные сопротивления типов КЛВ и КЛМ
Высокоомные постоянные сопротивления типов КЛВ и КЛМ предназначаются для работы в цепях постоянного и переменного тока, первые при высоких напряжениях от 5 до 10 кв, а вторые при напряжениях до 300 и 600 в, в зависимости от номинального значения.
Сопротивления типов КЛВ и КЛМ выполнены на цилиндрических стерженьках из керамики, на поверхности которых нанесен проводящий слой лакосажевой композиции. С торцов сопротивления армированы металлическими колпачками с проволочными выводами. Для защиты от влаги и химического воздействия воздуха сопротивления покрыты слоем защитного лака или эмали.
Сопротивления обоих типов предназначаются для работы в интервале температур от —40 до ±60° С и -относительной влажности до 90%.
Сопротивления типа КЛВ выпускаются на номинальные значения от 47 до 1000 мгом, а сопротивления типд КЛМ—от 10 до 100000 мгом. Оба типа сопротивлений изготовляются с допуском не более чем ±20% и допустимой мощностью рассеивания на 0,5 втп.
Промежуточные номиналы этих сопротивлений и соответствующие им максимальные рабочие напряжения приведены в приложении 2-18.
2-6. Углеродные переменные сопротивления
Основные сведения. Основным элементом переменного непроволочного сопротивления является подковообразная пластина из изоляционного материала, на поверхности которой (с одной стороны) нанесен слой углерода^Полная величина сопротивления пластины зависит от толщины слоя углерода.
Пластина укреплена на основании из пластмассы, где с помощью трубчатых заклепок концы ее соединены с контактами 40
на основании. Ползунок у этих солротивлений чаще всего выполнен в виде щетки из нескольких упругих проволок из фосфористой бронзы и с помощью изоляции укреплен на оси.
а о,5*4,о
Фиг. 2-16
Пластина со слоем углерода и скользящий по ней ползу-
нок для предохранения дений закрыты металлическим колпачком, который крепится к основанию.
Характер изменения сопротивления, который желательно иметь пропорциональным углу смещения движка, зависит от равномерности толщины слоя углерода. При нанесении на пластину неравномерного слоя углерода вдоль ее длины можно получить сопротивление, величина которого в зависимости от поворота оси будет изменяться по законам показательной или логарифмической зависимости.
Сопротивление крепится в круглом отверстии плоскости толщиной от 0,5 до 4,0 мм с помощью нарезной втулки, и гайки.
Фиг. 2-17
запрессованной в тело основания,,
Сопротивления этого типа изготовляются с укороченной осью и шлицом (для регулировки отверткой) или с удлинен -
41
ной осью для крепления на ней рукоятки управления. Типовая конструкция такого сопротивления показана на фиг. 2-16.
Для переменных углеродных сопротивлений характерна известная нестабильность во времени и сравнительно быстрая изнашиваемость. Поэтому их следует применять только в случаях крайней необходимости, "и то только в установочных (редко меняемых) регулировках в неответственных цепях.
Сопротивления типа „Омега" и СП. Сопротивления „Омега" изготовляются двух типов: одиночные и сдвоенные, управляемые одной общей осью.
В зависимости от характера изменения величины сопротивления с углом поворота оси (от 0 до 250°) сопротивления подразделяются на три типа: 1) с прямолинейной зависимостью, 2) с логарифмической зависимостью и 3) с показательной зависимостью.
Типовые регулировочные характеристики этих сопротивлений показаны на фиг. 2-17.
Сопротивления изготовляются на номинальные значения от 470 ом до 4,7 мгом и номинальную мощность рассеивания от 0,5 до 2 вт.
Промежуточные значения номиналов у этих сопротивлений -соответствуют данном табл. 2-2.
Сопротивления изготовляются с точностью ±20%, допускают работу при напряжениях до 500 в постоянного тока,
„ , „ „ устойчиво работают в интер-
__________________________ вале температур от ± 60
Ом Килоом Мегом до —60° С при относительной влажности воздуха до 95 %. Коэффициент износа при 20000 полных поворо-'
470 4,7 47 0,47
680 6,8 68 0,68 тов ползунка, а также коэф-
1000 1500 2200 10 100 150 220 1,0 1,5 2,2 фициент старения при дли-
1О 22 тельной нагрузке на номи-
3300 33 330 3,3 нальную мощность не пре-
4,7 вышает 5%. Э. д. с. шумов у этих сопротивлений при номи-
нальных значениях от 10000 ом до 0,1 мгом составляет 5 мкв)в и для сопротивлений от 0,15 до 0,47 мгом не более 10 мкв/в.
Сопротивления типа СП по своим электрическим данным полностью аналогичны сопротивлениям типа „Омега" и отличаются от них только конструкцией.
По конструктивному оформлению сопротивления типа СП подразделяются на четыре вида:
СП-1—одиночное с осью свободного вращения;
СП-2—одиночное с осью и втулкой для стопора;
СП-3—сдвоенное с осью свободного вращения;
СП-4—сдвоенное с осью и втулкой для стопора.
42
Реактивные составляющие у этих сопротивлений имеют
значения одного порядка с углеродными сопротивлениями постоянного типа. Поэтому они нашли широкое применение во многих высокочастотных узлах современной аппаратуры уплот-
нения.
Переменные сопротивления типов ВК и ТК. Сопротивления типов ВК и ТК, также выпускаемые нашей промышленностью, отличаются в основном от сопротивлений типа „Омега" шкалой номинальных значений, которая находится в пределах от 2500 ом до 7,5 мгом, и наличием у сопротивления типа ТК устройства для включения тока питания того прибора, в схему которого оно включается (используется в радиоприемниках). Сопротивления, изменяющиеся логарифмически, изготовляются на мощность рассеивания до 0,2 вт на номиналы от 15000 ом до 2,0 мгом, сопротивления с показательной зависимостью— на номиналы от 36000 ом до 2,0 мгом и сопротивления, меняющиеся по линейному закону,—на номиналы от 2500 ом до 7,5 .мгом и на мощность рассеивания до 0,5 вт.
Промежуточные значе- Таблица 2-3
ния номиналов у этих сопротивлений соответствуют величинам, приведенным в табл. 2-3.
Начальная величина сопротивлений с номинальными значениями до 0,1 мгом не превышает 100 ом, а у сопротивлений свыше <5,1 мгом—не более 250 ом.
Следует отметить, что
Килоом Мегом
2,5 20 150 1,0
3,6 25 200 1,5
5,0 36 250 2,0
7,5 50 360 2,5
10 75 500 3,6
15 100 750 5,0
7,5
по стабильности сопротивления этих типов значительно уступают сопротивлениям типа „Омега".
Пределы отклонения регулировочных характеристик для сопротивлений типов ВК и ТК с прямолинейным и показательным законом изменения приведены на фиг. 2-18.
2-7. Барретеры
Барретеры представляют собой инерционно-нелинейные сопротивления, величина которых зависит от эффективного значения тока.
Барретер применяется для автоматической регулировки величину тока в цепи. Он состоит из железной, выполненной в виде спирали, проволоки, помещенной в наполненный водородом стеклянный баллон с контактным цоколем.
Регулирующее действие барретера основано на свойстве железной проволоки значительно увеличивать свое сопротивление при нагреве под влиянием протекающего через нее тока.
43
При повышении температуры нагрева проволоки на 100° С она увеличивает свое сопротивление на 50—60%. Размеры проволоки и давление водорода в баллоне подбираются так, чтобы изменения в известных пределах приложенного к ней напряжения вызывали увеличение сопротивления проволоки, прямо пропорциональное этому напряжению. В таких условиях величина тока, протекающего через барретер, будет оставаться постоянной. Мощность, затрачиваемая в барретере, расходуется
на нагревание проволоки и конвекцию газа в баллоне, причем интенсивность этой последней зависит от давления.
Конструктивный расчет барретера весьма сложен и практически вряд ли является возможным. Поэтому определение размеров проволоки, а также величины давления газа в баллоне, находящегося в пределах от 50 до 200 мм рт. ст., устанавливается экспериментально. Наполнение баллона водородом обеспечивает интенсивную конвекцию в баллоне; кроме того,
Проценты от полного угла вращения
Фиг. 2-18
водород обладает хорошей теплопроводностью и способствует
отводу тепловой энергии к стенкам баллона.
Свойства барретеров определяются следующими величинами: а) током барретирования, т. е. током, который барретер
поддерживает постоянным;
б) пределами барретирования, т. е. выраженными в вольтах пределами напряжения, для которых ток, протекающий через барретер, отличается от своего среднего значения не более чем на ± 4%.
Обе указанные величины определяют вольтамперную характеристику барретера.
Напряжение цепи, в которую для поддержания постоянной величины тока включен барретер, распределяется между полезной нагрузкой цепи и барретером.
Следует отметить, что барретеры обладают значительной инерционностью (порядка 2—3 мин.) и поэтому при кратковременных изменениях напряжения источника тока стабилизирующего эффекта ке оказывают. Это свойство барретеров оказывается весьма полезным при использовании их в цепях переменного тока.
44
В серийной аппаратуре дальней связи применяются электронные лампы типа ТО-3 и ТОЛ с длительным сроком службы. Ток питания подогрева катода для этих ламп стабилизируется посредством барретеров типов 0,425-Б-5, 5-12 и 0,85-Б-5, 5-12 со значениями тока барретирования на 0,425 и 0,85 а соответственно значениям тока подогрева ламп ТО-3 и ТО-4.
На фиг. 2-19, а показаны барретеры на величины токов 0,425 и 0,85 а, а на фиг. 2-20 приведены их типовые вольт-амперные характеристики.
Включение барретеров в схему осуществляется с помощью нормальной октальной ламповой панели.
2-8. Термисторы
Термистор представляет собой прибор, электрическое сопротивление которого, в зависимости от температуры, изменяется по экспоненциальному закону и имеет отрицательный темпе
45
ратурный коэффициент. Термистор состоит из частицы полупроводника (рабочее тело), помещенной в стеклянный баллон
и с помощью проволочных выводов соединенной с контактами на цоколе баллона.
Термисторы бывают вакуумные, а также заполненные разреженным газом. В малых габаритах можно осуществлять термисторы, сопротивления которых могут изменяться в широких
пределах, при незначительной затрате мощности на нагрев их рабочего тела.
По электрической схеме термисторы бывают двух типов: прямого и косвенного подогрева. В первых из них нагревающий ток протекает непосредственно через рабочее тело термистора, во вторых рабочее тело помещается внутри изолированной от него подогревной обмотки.
Термистор, непосредственно нагреваемый протекающим по нему током, можно рассматривать как своеобразный нелинейный двухполюсник, в котором нелинейной является связь не между мгновенными значениями напряжения и тока, а между эффективными их
значениями. Эта особенность термистора делает его весьма ценным для использования в системах многоканальной связи.
Для изготовления тела термисторов чаще всего применяются материалы, составной частью которых являются, например, магниево-титановая шпинель или окислы урана. Эти материалы обладают большой и стабильной зависимостью сопротивления от температуры и не имеют выпрямительных свойств. Термисторы, выполненные из этих материалов, для предохранения их от разрушающего действия кислорода воздуха выполняются
вакуумными.
Термисторы прямого подогрева, типов ТП 6/2, ТП 2/2 и ТП 2/0,5 (соответственно на 6и2вина2и 0,5 ма) и термисторы косвенного подогрева ТКП-300 и ТКП-450, имеющие минимальные сопротивления 300 и 450 ом, выпускаются нашей промышленностью и находят применение в узлах аппаратуры дальней связи. Устройства для автоматической регулировки уровня передачи (АРУ) в последних выпусках аппаратуры вы
46
сокочастотной связи выполнены с применением в их схемах термисторов, что в ряде случаев значительно упростило решение задачи и позволило получить более удачные характеристики. Срок службы термистора, при соблюдении правильного температурного режима для его рабочего тела, составляет ориентировочно 7000 час.
Термисторы косвенного подогрева типа ТКП допускают в течение 15 мин. перегрузку до 40% от максимального рабочего тока. Испытательное напряжение на пробой между обмоткой подогрева и рабочим телом термистора составляет примерно 50 в.
Термистор типа ТКП показан на фиг. 2-19, б.
Типовые характеристики зависимости сопротивлений термисторов прямого и косвенного подогрева от величины протекающего через них тока приведены на фиг. 2-21.
К числу материалов, пригодных для изготовления термисторов, относится также и окись меди, которая не реагирует с кислородом воздуха и обеспечивает возможность осуществлять термисторы без применения вакуума. Однако на малые токи и напряжения такие термисторы изготовлять трудно.
2-9. Медно-марганцевые термосопротивления типа ММТ
Медно-марганцевые термосопротивления могут быть использованы для измерения и регулирования температур термокомпенсации в электрических схемах, реле времени и для других целей.
Эти сопротивления предназначаются для- работы в диапазоне температур от —70 до +120° С при атмосферном давлении от 10 атм до 10 мм рт. ст. и относительной влажности до 70%.
Термосопротивления представляют собой объемные полупроводниковые сопротивления, изготовляемые из смеси оки-слов меди и марганца. Термосопротивления изготовляются в виде стержней, торцы которых армированы контактными выводами.
Особенностью этих сопротивлений является резкая зависимость величины их активного сопротивления от температуры при отрицательном знаке температурного коэффициента. Температурный коэффициент сопротивлений ММТ для номиналь-- ных значений от 1,0 до 10 ком составляет не менее 2,8% на 1°С,'а для сопротивлений свыше 10 ком—не менее 3%.
^ольтамперные характеристики термосопротивлений определяются величиной омического сопротивления, их габаритными размерами, средой, окружающей сопротивления, и степенью-тепловой связи с этой средой.
47
В качестве примера на фиг. 2-22 приведены вольтамперные характеристики термосопротивлений с номиналом в 23 ком, снятые при спокойном состоянии окружающей среды (воздуха), и при температуре, равной 20° С.
В настоящее время промышленностью изготовляются три типа этих сопротивлений:
ММТ-1—покрытые влагостойким лаком;
ММТ-4—в герметизированном металлическом кожухе;
ММТ-5—в комбинированном кожухе (стекло—металл).
48
Термосопротивления этих типов изготовляются на те же номинальные значения, что и сопротивления типа ВС (см. приложение 2-16), причем сопротивления от 1000 до 200000 ом изготовляются только с допуском ±20%. Максимальная мощность рассеивания для всех указанных типов термосопротивлений соответствует величине порядка 0,4 вт.
Глава третья
КОНДЕНСАТОРЫ
3-1. Общие сведения
В узлах аппаратуры дальней связи конденсаторы применяются в первую очередь при осуществлении схем электрических фильтров и четырехполюсников, служащих для коррекции амплитудночастотных и фазовых искажений. Кроме того, конденсаторы входят в состав колебательных контуров ламповых генераторов и других применяемых в аппаратуре двухполюсников, а также в состав межкаскадных четырехполюсников ламповых усилителей и емкостных делителей напряжения, используемых в схемах авторегулировки уровней. Конденсаторы применяются также для разделения цепей постоянного и переменного токов, искрогашения и в ряде других случаев.
Весьма большое количество конденсаторов, применяемых в аппаратуре дальней связи, изготовляется на специализированных конденсаторных заводах. К числу таких конденсаторов относятся, как правило, все конденсаторы, номинальные значения емкостей которых совпадают со стандартной шкалой емкостей, поставляемых специализированными предприятиями.
Иначе обстоит дело с конденсаторами фильтров и корректирующих контуров—эти конденсаторы получаются в результате расчетов с весьма „неровными" значениями емкостей, не подпадающими ни под одну из принятых на специализированных заводах градаций. Кроме того, годовая потребность в таких конденсаторах невелика, так как аппаратура дальней связи не является аппаратурой массового производства, а выпускается, в лучшем случае, крупными сериями. Поэтому для производства конденсаторов фильтров и корректирующих контуров приходится создавать специальные конденсаторные цехина заводах дальней связи. В условиях таких цехов-мастерских легче обеспечить выполнение требований высокой точности и добротности’ предъявляемых к фильтровым конденсаторам, однако их стоимость получается значительной.
Развитие конденсаторостроения для целей электросвязи тесно связано с ее развитием и быстрым продвижением в высокочастотные диапазоны. Так, например, в первых фильтрах под-
4 Зак. № 129
49
тонального телеграфирования, построенных В. И. Величутиным, применялись конденсаторы с бумажной изоляцией. Развитие систем высокочастотного телефонирования потребовало применения слюдяных конденсаторов высокой точности, над созданием которых много потрудился В. Т. Ренне. Высокая стоимость и дефицитность слюды привели к появлению в качестве диэлектрика стирофлекса. Дальнейшее развитие систем дальней связи, характеризующееся применением высоких частот, позволило в значительной мере использовать конденсаторы, применяемые в приемной радиотехнике, например конденсаторы с керамическими диэлектриками.
Все конденсаторы, применяемые в установках аппаратуры дальней связи, могут быть подразделены на шесть следующих групп, характеризуемых родом примененного диэлектрика:
1) бумажные конденсаторы (органический диэлектрик):
а) с твердой пропиткой;
б) „ полужидкой пропиткой;
в) „ жидкой пропиткой;
2) слюдяные конденсаторы (неорганический диэлектрик);
3) стирофлексные конденсаторы (искусственный органический диэлектрик);
4) керамические конденсаторы (неорганический диэлектрик);
5) электролитические конденсаторы:
а) жидкостные;
б) сухие;
6) воздушные конденсаторы (переменные).
Заряд q некоторого конденсатора и напряжение и, приложенное к его обкладкам, связано соотношением
q = Cu [я]. (3-1)
Константа С, входящая в эту формулу, называется емкостью» конденсатора:
С=^- [*/«] или [#]. (3-2)
Наиболее важной геометрической формой конденсатора, лежащей в основе всех применяемых в настоящее время конструкций, является плоская форма. Из теоретической электротехники известно, что емкость плоского конденсатора может быть вычислена по формуле
C = som«e0-7 [$]• (3-3)
а
Первый из двух множителей, образующий правую часть этой формулы, определяется веществом диэлектрика конденсатора, а второй—его геометрическими размерами.
Множитель = £ называется абсолютной диэлектрической проницаемостью диэлектрика конденсатора и измеряется в фарадах на метр.
50
Величина s0 есть так называемая диэлектрическая постоянная, равная
% = [Ф1М]>
4л-КГ7^
где = 2,998-108^3-108—значение скорости света в пустоте,
выраженное в метрах в секунду.
Вычисляя, получим:
е0=8,85-10-12 [ф/м]. (3-4)
Безразмерная величина еооти=-^ есть так называемая относительная диэлектрическая проницаемость.
Для вакуума
e = so и еотя=1. (3-5)
Для воздуха величина готн отличается от единицы примерно на 0,6% в сторону увеличения. Практически можно считать, что равенство (3-5) справедливо и для воздуха.
р
Множитель —, входящий в формулу (3-3), равен отношению d
площади обкладки F, выраженной в квадратных метрах, к расстоянию между обкладками d, выраженному в метрах.
В формуле (3-3) емкость выражена в фарадах. Емкость в одну фараду чрезвычайно велика. Достаточно сказать, что емкость земного шара составляет всего 708-10-6 ф. Поэтому на практике применяются более мелкие единицы:
1 микрофарада = 10-6 фарад;
1 нанофарада = 1 миллимикрофарада=10-9 фарад;
1 пикофарада=1 микромикрофарада = 10~12 фарад.
Согласно формуле (3-3) емкость конденсатора зависит от его геометрических размеров и от диэлектрика, разделяющего его пластины. Различная степень влияния отдельных диэлектриков на величину емкости объясняется различной степенью поляризации этих диэлектриков под влиянием электрического поля. Явление поляризации состоит в том, что электрическое поле, возникающее между обкладками конденсатора, смещает электрические заряды в диэлектрике в сторону обкладок.
Существует три типа поляризации:
1) электронная поляризация, при которой электроны в атомах диэлектрика претерпевают смещение в сторону обкладки, заряженной положительно;
2)" дипольная поляризация, имеющая место при наличии в диэлектрике дипольных молекул, т. е. молекул, электрически несимметричных, у которых в одной части преобладает положительный заряд, а в другой—отрицательный. При воздействии электрического поля все дипольные молекулы ориентируются 4*
51
в направлении этого последнего. Дипольная поляризация наблюдается чаще всего в жидкостях, но иногда она присуща и твердым телам. В качестве примеров могут служить клетчатка, бумага и галовакс;
3) ионная поляризация, возникающая в тех случаях, когда в диэлектрике имеются способные к смещению ионы.
Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам, наличие остальных двух зависит от того, присутствуют ли в ди-
электрике дипольные молекулы или ионы.
Диэлектрик поляризуется тем сильнее, чем больше его диэлектрическая проницаемость. Это подтверждается известной
из теоретической электротехники формулой
е = &отне0 = ^Г. (3-6) С
где
D—величина электрического смещения, а напряженность электрического поля.
Смещающиеся в результате поляризации заряды частично связывают заряды, имеющиеся на обкладках
конденсатора, и тем самым дают возможность увеличить общий его заряд без изменения геометрических его размеров и вели-
чины приложенного напряжения.
Вычисленная на основе данных диэлектрика и геометрических размеров емкость конденсатора не является величиной, абсолютно стабильной во времени. Для любого, конденсатора имеют место более или менее значительные изменения емкости, носящие обратимый или необратимый характер. В основном эти изменения определяются изменением проницаемости диэлек
трика.
На фиг. 3-1 представлена зависимость относительной диэлектрической проницаемости от температуры диэлектрика для случая электронной (кривая а) и дипольной (кривая б) поляризации.
•Непрерывное снижение проницаемости, характерное для кривой а, определяется снижением плотности диэлектрика при его нагреве. Резкое изменение плотности при переходе из твердого состояния в жидкое вызывает скачок величины готн.
При расплавлении диэлектрика с дипольной поляризацией уменьшается его вязкость, молекулы получают большую возможность ориентировки вдоль линии поля и величина готн растет. После перехода в жидкое состояние эта величина с даль
52
нейшим ростом температуры уменьшается, так как ориентация молекул затрудняется под влиянием теплового их движения. При переходе вещества в газообразное состояние относительная диэлектрическая проницаемость падает почти до единицы, что может быть объяснено резким снижением плотности.
Температурную зависимость емкости конденсаторов характеризуют величиной температурного коэффициента емкости (ТКЕ), численно равного относительному изменению емкости, приходящемуся на изменение температуры в 1° С:
дс
а.=---
с СМ
(3-7)
Температурный коэффициент емкости совпадает с температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости по знаку, но не по абсолютной величине, на которой сказывается температурная зависимость элементов конструкции конденсатора. При оценке конденсатора с точки зрения температурной зависимости его емкости надо в первую очередь обращать внимание на то, чтобы эта зависимость не приводила к необратимым изменениям.
Емкость конденсаторов зависит в значительной степени также и от влажности диэлектрика. Объясняется это тем, что относительная диэлектрическая проницаемость воды достаточно велика (порядка 80) и поэтому вода, проникая в тело диэлектрика, изменяет его диэлектрическую проницаемость. Изменения такого рода могут иметь необратимый характер.
Емкость конденсаторов зависит также и от частоты протекающего через них тока. Для некоторых типов диэлектриков это явление может быть выражено довольно резко. Объясняется оно тем, что интенсивность дипольной поляризации и некоторых разновидностей ионной поляризации уменьшается с частотой, так как при высоких частотах часть зарядов не успевает смещаться. В качестве примера можно привести показанную на фиг. 3-2 частотную характеристику бумажного конденсатора. Для твердых диэлектриков с преобладанием электронной поляризации (например слюда) зависимость емкости от частоты ничтожно мала вплоть до частот порядка сотен мегагерц.
Для оценки конденсатора, кроме его емкости, большое значение имеют и другие электрические данные, из которых важнейшими являются: сопротивление изоляции, рабочее и испытательное напряжения, потери энергии в переменном поле, собственная индуктивность.
Сопротивление изоляции конденсатора определяется сопротивлением диэлектрика, сопротивлением пропиточного вещества и српротивлением корпуса конденсатора между его выводами.
Сопротивление изоляции пропиточных веществ с увеличением температуры снижается; тем самым снижается сопротивление изоляции конденсатора. Снижение сопротивления
53
пропиточного вещества под влиянием температуры объясняется частичным разложением этого вещества. При разложении выделяются продукты, обладающие свойствами электропроводности.
Сопротивление изоляции конденсатора в значительной степени зависит и от чистоты поверхности пластин и диэлектрика, а также от его влагозащищенности. Величину сопротивления изоляции конденсатора при заданном значении его емкости можно характеризовать постоянной времени
[ом-ф] или [мгом-мкф} или [сек.]. (3-8)
Чаще всего сопротивление изоляции измеряется в мгом-мкф} такие единицы наиболее удобны при работе с конденсаторами, используемыми в цепях постоянного тока, для расчетов которых знание постоянной времени изоляции является особо важным.
Понижение сопротивления изоляции конденсатора часто является причиной его пробоя. Протекающий через конденсатор ток утечки прогревает слабые по изоляции места, в результате чего может произойти тепловой пробой конденсатора. Кроме того, сильное прогревание обычно приводит к быстрому старению пропиточных масс, вследствие чего увеличивается ток утечки, что со временем приводит к пробою конденсатора.
Наиболее эффективным методом, применяемым против старения пропиточных масс, является добавление в их состав некоторых составляющих—стабилизаторов, повышающих их температурную стойкость.
Каждый конденсатор может быть охарактеризован рабочим, испытательным и пробивным напряжением.
Рабочим напряжением конденсатора называется то постоянное напряжение, которое он может выдерживать без пробоя
54
в течение длительных промежутков времени (не менее 10000 час. непрерывной работы).
Испытательным напряжением называется то напряжение, которое конденсатор должен выдерживать, не пробиваясь в течение определенного небольшого промежутка времени (от 5 сек. до 1 мин.).
Пробивным напряжением конденсатора называется то напряжение, при котором происходит пробой при быстром (несколько секунд) испытании.
Между рабочим и испытательным напряжением, в зависимости от примененного диэлектрика и конструкции конденсатора, устанавливается определенное соотношение, величина которого колеблется от 1,5 до 4.
Пробивное напряжение конденсатора может понизиться под влиянием следующих причин:
1) нагрева конденсатора; с этой точки зрения желательно иметь конструкцию, обеспечивающую хорошую теплоотдачу, и не допускать ее перегрева рабочими токами;
2) старения диэлектрика, заключающегося в изменении его строения и химического состава под влиянием температуры и времени. Старение опасно для органических диэлектриков, при применении которых приходится предусматривать большие запасы электрической прочности;
3) проникновения в диэлектрик влаги, что может быть предотвращено герметизацией конденсатора;
4) величины площади пластин; у сравнительно низковольтных конденсаторов, применяемых в аппаратуре дальней связи, слой диэлектрика тонок и имеет значительное количество „слабых" (в смысле пробоя) мест. Поэтому, как показал В. Т. Ренне, конденсатор с большой площадью обкладок имеет большое число „слабых" мест и вследствие этого большую вероятность пробоя. Составляя диэлектрик из нескольких слоев, в которых „слабые" места вряд ли совпадают, можно добиться повышения пробивного напряжения. Конденсаторы большой емкости выгодно составлять из ряда параллельно соединенных конденсаторов малой емкости с меньшей площадью обкладок;
5) действия высокочастотных колебаний; при работе конденсаторов в цепях высокой частоты под влиянием ее токов происходит разогрев диэлектрика и усиление в нем интенсивности ионизации воздушных включений. Чем выше частота, при которой используется конденсатор, тем больше вероятность его пробоя (при равенстве воздействующих напряжений).
. При прохождении через конденсатор переменного тока часть электрической энергии поглощается самим конденсатором и переходит в тепло. Известно, что при прохождении переменного ¥ока через емкость идеального конденсатора ток опережает напряжение на его обкладках на угол ®=90°. В реальном конденсаторе, обладающем потерями, угол сдвига между током
55
и напряжением будет тем меньше, чем больше потери в конденсаторе. Поэтому потери в конденсаторе могут быть оценены по величине угла, дополняющего угол % не равный в этом случае прямому углу, до 90°.
Угол (90°—^) = о назовем углом потерь.
Эквивалентные схемы конденсатора с учетом основных видов потерь представлены на фиг. 3-3.
Для последовательной эквивалентной схемы конденсатора, показанной на фиг. 3-3,я, имеем:
tg8=~ = *>C- (3-9)
— С
й) g;
Ct
«и
Фиг. 3-3
Q= —, называется добротно-tgB
как это нетрудно показать, бу-
С
rJO
• (3-10)
Обратная величина, равн стью конденсатора.
Кажущаяся емкость схем дет равна:
С3=
Для параллельной эквивалентной схемы конденсатора, показанной на фиг. 3-3,б, имеем:
tg3=4;, (3-11)
<оС где
1 ё~~ Ry’ и кажущаяся емкость
Сэ=с/1 +tg28. (3-12)
Поправки в величине емкости, обусловленные влиянием потерь [см. формулы (3-10)—(3-12)], обычно не учитываются. Для тех конденсаторов, в которых допуски по емкости малы (например слюдяные конденсаторы), величина tgS ничтожно мала по сравнению с единицей и Сэ можно считать равным С, для конденсаторов же со сравнительно большими значениями tgo (например бумажные конденсаторы) допуски по емкости обычно столь велики, что поправка теряет смысл.
56
На основе эквивалентных схем фиг. 3-3, а и б можно вычислить потери энергии, имеющие место в конденсаторах.
Для схемы фиг. 3-3,а эти потери будут равны:
[вт], (3-13)
14- tg2 S L J v f
для схемы фиг. 3-3,6 P=(DCt/2tgo [e/n], (3-14)
где U— амплитуда напряжения, воздействующего на конденсатор.
Формулы (3-13) и (3-14) показывают, что независимо от выбора эквивалентной схемы мощность потерь пропорциональна величине емкости и квадрату напряжения. Это обстоятельство следует учитывать при выборе рабочего напряжения конденсатора.
Мощность потерь в диэлектрике конденсатора складывается из мощности Рд потерь в диэлектрике и из мощности Рм потерь в металлических частях конденсаторов:
Р=Рд + Рм. (3-15)
Величина Рд в свою очередь слагается (по В. Т. Ренне) из< следующих потерь:
а) от движения ионов (проводимость и поляризация);
б) „ вращения дипольных молекул;
в) „ ионизации воздушных включений в диэлектрике;
г) „ ионизации воздуха у краев обкладок. Величина Рм складывается из потерь: а) от нагрева обкладок;
б) „ нагрева контактов и выводов;
в) „ вибрации обкладок и пластин.
Для обеспечения достаточно малой величины Рд при конструировании конденсатора необходимо:
1) подбирать диэлектрики с малым углом потерь как для собственно конденсатора, так и для выводов, заливочной массы» корпуса и т. д.;
.2) заботиться о том, чтобы между обкладками конденсатора не было воздушных включений;
• 3) подбирать материал обкладок и их сечение таким образом, чтобы уменьшить их сопротивление;
4) устранять вибрацию обкладок и пластин стягиванием конденсатора или же заливкой его механически инертной 'массой;
’5).обеспечивать малое переходное сопротивление между выводами и обкладками.
Вопрос о том, какой из двух эквивалентных схем правильнее пользоваться для оценки потерь в конденсаторе, решается тем, какие потери преобладают. Так, например, при преоблада
57
нии потерь в обкладках удобнее последовательная схема, при преобладании потерь от движения ионов—параллельная.
В заключение настоящего параграфа отметим, что при строгом анализе конденсатора любой конструкции можно заметить, что он обладает некоторой индуктивностью, наличие которой является весьма нежелательным, и его эквивалентная схема должна иметь вид, подобный фиг. 3-3,в. Наличие индуктивности особенно заметно для тех конденсаторов, которые образуются путем сматывания длинных полос диэлектрика и металла, но оно может иметь место и в плоских конструкциях. В последнем случае индуктивность создается за счет выводных концов конденсатора.
Пренебрегая в схеме фиг. 3-3,в сопротивлением потерь и обозначая через ДС то кажущееся изменение, которое претерпевает действительная емкость конденсатора С под влиянием собственной его-индуктивности, можно вычис
лить процентное изменение кажущейся емкости по формуле
&СЭ___ <&LXC
Сэ 1 — (*~LXC
(3-16)
Для слюдяного конденсатора с емкостью С=50000 пф собственная индуктивность Lx примерно равна 0,05 мкгн.
На фиг. 3-4 для этих значений С и Lx показана частотная зависимость величины —, вычисленной по формуле (3-16). Влияние собственной индуктивности становится заметным уже при частотах порядка 50 кгц.
Для уменьшения собственной индуктивности конденсаторов при их конструировании приходится принимать ряд мер, которые будут рассмотрены в последующих параграфах.
При частотах до 100 кгц имеет место небольшое, не учитываемое графиком фиг. 3-4, падение емкости (порядка 0,1%) при росте частоты, обусловленное частотной 'зависимостью относительной диэлектрической проницаемости.
3-2. Конденсаторы с бумажным диэлектриком
Основные свойства. В аппаратуре дальней связи бумажные конденсаторы применяются там, где не требуется большая точность, стабильность емкости и малые потери и где главным
68
требованием к конденсаторам является способность выдерживать в течение длительного времени напряжение заданной величины.
Бумажные конденсаторы изготовляются на емкость от нескольких сот пикофарад до нескольких микрофарад. По величине рабочего напряжения конденсаторы изготовляются на рабочее напряжение постоянного тока в 200, 400 и 600 в, а некоторые специальные типы—на напряжение до нескольких киловольт. Температурный диапазон их работы находится в пределах от —60 до +70° С.
Бумажные конденсаторы изготовляются по трем классам точности. Первый класс соответствует точности ±5%, второй + 10% и третий + 20% к величине указанного на конденсаторе номинала.
Сопротивление изоляции бумажных конденсаторов находится в пределах от 100 до 200 мгом-мкф, а тангенс угла потерь—в пределах от 0,003 до 0,01.
Элементы конструкции, и их связь с процессом изготовления. Производственный процесс изготовления бумажных конденсаторов в основном состоит в следующем.
На специальных станках из конденсаторной бумаги 2 (фиг. 3-5) толщиной 6—12 мкн и алюминиевой или свинцово-оловян-ной фольги 1 толщиной 8—10 мкн производится намотка конденсаторных галет (секций). В бумаге имеются иногда металлические включения. Для устранения короткого замыкания обкладок бумажная изоляция составляется по крайней мере из двух слоев. Намотка секций может производиться двумя способами: с полным перекрытием фольги конденсаторной бумагой (фиг. 3-5,а) и с частичным перекрытием (фиг. 3-5,б), когда фольга выступает за край бумаги. Выводы от галет, намотанных первым способом, осуществляются полосками из фольги, закладываемыми между фольгой и бумагой. В галетах второго типа выводы делаются из проволоки и припаиваются к обкладкам, загнутым на торцах секции.
Если конденсатор выполнен из алюминиевой фольги, то торцы галет предварительно покрываются специальным сплавом, к
59
которому затем припаиваются выводы. Большие возможности в этом отношении открывают недавно изобретенные методы ультразвуковой пайки алюминия.
Для уменьшения индуктивности конденсаторов при первом способе намотки выводные проводники закладываются в середине металлических лент, составляющих обкладки. В этом случае каждая из металлических лент образует своеобразную би-филярную обмотку (фиг. 3-5,в). При раздвигании выводов заключенные между ними части обкладок создают складывающиеся вместе магнитные поля, ведущие к увеличению индуктивности. При втором способе намотки индуктивность уменьшается за счет сплошного контакта по закраине каждой из обкладок. Достоинством этого способа является также высокая надежность контакта и малая величина потерь в обкладках. Недостаток второго способа заключается в увеличенном расходе фольги, поэтому иногда применяют намотку по первому способу, но число выводных контактов увеличивают.
Способ изготовления путем намотки делают весьма нежелательным изготовление бумажных конденсаторов на любые заданные значения емкости. Следует заметить, что в отношении бумажных конденсаторов в таком изготовлении, как правило, нет особой нужды; для тех цепей, в которых они применяются, достаточно ряда стандартизированных номиналов.
Изготовленные галеты просушиваются для удаления влаги. В последнее время применяют преимущественно вакуумный способ сушки при температуре до 100° С и атмосферном давлении 0,25 мм рт. ст. Время сушки определяется объемом галеты и колеблется от 20 до 30 час. После окончания сушки бак, в котором она производилась, без снятия вакуума заполняется пропиточным составом. Процесс пропитки заканчивается постепенным снижением температуры состава с последующим перегруженном галет в парафин с температурой 60—65° С и завершается охлаждением секций на воздухе.
Пропиточные вещества, применяемые для пропитки секций, подразделяются на два вида: жидкие (масла) и твердые (воски).
К пропиточным веществам предъявляются следующие общие требования:
1) высокая диэлектрическая постоянная, что позволяет значительно сократить габариты конденсаторов;
2) высокое пробивное напряжение;
3) большое удельное сопротивление и возможно малые потери;
4) малая гигроскопичность;
5) стабильность свойств во времени под влиянием электрического поля и температуры.
Температурная зависимость емкости бумажных конденсаторов в значительной степени определяется правильным выбором пропиточного вещества. Точка плавления пропиточного веще-60
ства должна находиться вне интервала рабочих температур конденсатора. Если это обстоятельство не соблюдается, то в интервале рабочих температур конденсатора диэлектрическая постоянная пропиточного вещества будет изменяться и, следовательно, будет изменяться емкость конденсатора.
Конденсаторы, пропитанные парафином, допускают предельную рабочую температуру не выше + 45° С, пропитанные церезином—до 4-60° С и пропитанные галоваксом—не свыше + 70° С. При незначительном превышении предела рабочей температуры у бумажных конденсаторов резко снижается емкость, увеличиваются потери и ток утечки, который вызывает дополнительный нагрев конденсатора в слабых по изоляции местах, что приводит к пробою.
Существенным моментом в процессе изготовления конденсаторов является защита галеты от внешних влияний. Защита галет конденсаторов от механических повреждений и особенно от проникновения в конденсатор влаги достигается помещением их после пропитки в корпус.
Корпусы для бумажных конденсаторов изготовляются из различных материалов и имеют много разновидностей конструктивного оформления. Как показала практика применения бумажных конденсаторов, наиболее устойчивыми являются конденсаторы в металлических или керамических корпусах.
Металлический корпус должен иметь возможно меньшее количество паяных швов, так как в рабочих условиях, под влиянием вероятных вибраций и резких перепадов температур, в пайках швов могут появиться микроскопические отверстия. В качестве металла берется белая жесть, обеспечивающая хорошее качество пайки.
. Герметизация в местах выводов у конденсаторов в металлических корпусах достигается применением специальных стеклянных изоляторов, припаиваемых к корпусу (фиг. 3-6). Изоляторы имеют сквозные металлические трубки, через которые пропускаются выводы секции, припаиваемые к наружной части трубки. Изоляторы впаиваются в металлический корпус конденсатора паяльником специальной конфигурации или с помощью установки тока высокой частоты. Последний способ, не вызывая сильного разогрева конденсатора, позволяет производить впаивание изоляторов у собранного конденсатора.
Керамические корпусы для конденсаторов изготовляются обычно в виде трубки, в которую вкладывается галета конденсатора. Выводы от галет припаиваются к металлическим кол-‘па^кам, которыми закрываются керамические трубки с торцов. Для достижения вакуумплотной герметизации колпачки припаиваются к керамическому корпусу.
Технология припайки металла к керамике в основном заключается в следующем. На керамику, в местах пайки, наносится слой специальной пасты, содержащей углекислое серебро и
61
флюсы. В результате термической обработки при определенном температурном режиме на керамике в местах, смазанных пастой, выделяется чистое серебро. При необходимости этот процесс повторяется дважды. Поверх слоя серебра гальваническим способом наносится слой меди и затем производится лужение. К облуженным торцам керамического корпуса колпачки припаиваются обычным способом.
Размер, мм
Тип
h
Dt D.
Внутренний диаметр Внешний диаметр
Позиция на фигуре
21 10 9,6 1,4
2,0
б
Фиг. 3-6
Каждый готовый конденсатор подвергается испытанию на герметичность. Наиболее совершенным способом проверки является освещение готовых и предварительно нагретых до + 70° С конденсаторов ультрафиолетовыми лучами в темной камере. Пары конденсаторного вазелина, проникая сквозь трещины в паяных швах корпусов при освещении их ультрафиолетовыми лучами, дают яркое свечение, позволяющее определить место их выхода. В тех случаях, когда вазелин не входит в состав пропиточной массы, внутрь корпуса конденсатора закладывается крупинка вазелина.
62
Соединения секций и выводов у бумажных конденсаторов: осуществляются в соответствии со схемами, приведенными в приложении 3-1.
Бумажные герметизированные конденсаторы. К этой категории конденсаторов относятся конденсаторы нескольких типов, перечисляемых ниже.
Конденсаторы типа Б Г. Эти конденсаторы предназначены для работы в интервале температур от —50 до + 60° С. и относительной влажности воздуха до 95—98%.
По габаритам и номинальной емкости конденсаторы типа БГ подразделяются на три типа: БГ-1, БГ-2 и БГ-3. Данные этих конденсаторов приведены в приложении 3-2.
Фиг. 3-7
Конденсаторы типов КБГ-МН и КБГ-МП. Конденсаторы типа КБГ-МН (конденсатор бумажный, герметизированный, в нормальном металлическом прямоугольном корпусе) и конденсаторы типа КБГ-МП (в плоском прямоугольном металлическом корпусе) предназначены для работы в интервале “температур от —60 до + 70°С и относительной влажности воздуха 95—98%. Внешний вид этих конденсаторов показан на фиг. 3-7; данные их приведены в приложениях 3-3 и 3-4.
Конденсаторы типов КБГ-МН и КБГ-МП изготовляются со-следующими допусками по емкости: ± 5% —1-й класс, + 10%— 2-й класс и +20%—3-й класс.
Конденсаторы типов КБГ-М и КБГ-И. Бумажные конденсаторы типа КБГ-М (корпус цилиндрический из металла) ' и типа КБГ-И (корпус цилиндрический из керамики) предназначены для работы в интервале температур от —60 до +70° С и относительной влажности воздуха 95—98%.
Конденсаторы изготовляются со следующими допусками по-емкости: ±5% —1-й класс, + 10%—2-й класс и +20%—3-й класс..
63-
Конденсаторы КБГ-М1(М2) ввиду значительного их веса крепить за контактные выводы не рекомендуется.
Электрические и габаритные данные конденсаторов этих типов приведены в приложениях 3-5 и 3-6.
Конденсаторы с металлизированной бумагой. Конденсаторы этого типа отличаются от обычных бумажных тем, что фольга в них заменена тонким слоем металла, непосредственно нанесенного на ленту конденсаторной бумаги. При этом чаще всего применяется цинк, так как в вакууме он испаряется при более низкой температуре (около 300° С).
Толщина металлизации должна быть такой, чтобы сопротивление 1 см2 площади металлизированной ленты имело величину 1—2 ом. Перед металлизацией бумажная лента покрывается тонким (около 1 мкн) слоем целлюлозного лака, который препятствует проникновению паров металла в толщу бумаги.
Металлизация бумажной ленты производится в специальной камере с давлением 10~4—10-5 мм рт. ст., где над ванной с испаряющимся металлом протягивается бумажная лента. Площадь металлизации определяется размерами ограничивающей рамки. Толщина слоя металлизации регулируется скоростью протягивания ленты над ванной. Ограничивающая рамка устанавливается таким образом, чтобы один край бумажной ленты шириной 3—4 мм не металлизировался.
Намотка секции конденсатора производится из двух лент, причем они располагаются так, чтобы непокрытые кромки ленты находились по разным сторонам секции.
Торцы секций облуживаются посредством распыления расплавленного олова и к ним припаиваются выводы.
Конденсаторы из металлизированной бумаги по сравнению с обычными бумажными имеют ряд преимуществ, основными из которых являются следующие:
1) малый расход металла,
2) повышенная емкость на единицу объема,
3) способность самовосстанавливаться после пробоя.
Способность к самовосстановлению у этих конденсаторов объясняется тем, что в момент пробоя развивается высокая температура, достаточная для испарения и окисления пленки металла вблизи места пробоя.
Малые габариты конденсаторов с металлизированной бумагой делают их весьма ценными для фильтров питания и развязок, для которых в условиях аппаратуры дальней связи применение сравнительно недолговечных электролитических конденсаторов нежелательно.
Конденсаторы типа МБГ. Конденсаторы этого типа (из металлизированной бумаги, герметизированные) предназначены для работы при напряжениях до 1500 в постоянного тока, температурах от —60 до -}- 70° С и относительной влажности до 95—98%.
64
По сопротивлению изоляции между выводами, в зависимости от величины емкости и рабочего напряжения, конденсаторы подразделяются на две группы (сопротивление изоляции выражается в мгом;мкф при 20° С).
Номинальная емкость
Для работы до 200 в
до 0,1 мкф включ. от 0,25 до 4 мкф .
свыше 4 мкф . . .
Группа Б от 0,25 мкф и выше
Группа А
500
300
100
Для работы свыше 200 в
5 000
1 000
1 000
Конденсаторы типа МБГ выпускаются с допусками по емкости: ±5%—1-й класс, ±10%—2-й класс и ±20%—3-й класс.
Конденсаторы этого типа изготовляются в прямоугольных и цилиндрических корпусах. Конденсаторам, выпускаемым в прямоугольных корпусах, присвоено обозначение МБГП, а конденсаторам в цилиндрических корпусах — МБГЦ.
Фиг. 3-8
. Конденсаторы МБГП по способу крепления подразделяются на три вида: МБГП-1, МБГП-2 и МБГП-3, а конденсаторы МБГЦ, в зависимости от количества изолированных выводов, на два вида: МБГЦ-1 и МБГЦ-2.
При использовании этих конденсаторов в цепях пульсирующего тока максимальное значение переменной составляющей напряжения не должно быть более
20% от номинального рабочего напряжения для
15% », » » » »
10% » » » » »
5 % » » » » »
Внешний вид конденсаторов этого типа корпусах.показан на фиг. 3-8.
5 Зак. № 129
частоты 50 гц
» 100 »
» 400 »
» 1000 »
в прямоугольных
Шкалы емкостей и размеры корпусов конденсаторов типа МБГ приведены в приложении 3-7.
Конденсаторы типа МБГО. Конденсаторы этого типа изготовляются из однослойной металлизированной бумаги и предназначаются для работы в цепях постоянного или пульсирующего тока в интервале температур от —60 до +60° С и относительной влажности воздуха до 98%.
В цепях с пульсирующим напряжением максимальное значение переменной составляющей не должно быть более величин, заданных выше для конденсаторов типа МБГ.
a) ff)
Фиг. 3-9
Конденсаторы типа МБГО обладают сопротивлением изоляции в 200 мгом. на 1 мкф между выводами и в 5000 мгом ыежру любым из выводов и корпусом.
Опыт показывает, что конденсаторы МБГО эксплуатируются более продолжительное время, чем электролитические конденсаторы; ориентировочно срок их службы составляет 2—3 тыс. часов.
Номинальные значения конденсаторов типа МБГО, рабочие напряжения и габаритные размеры приведены в приложении 3-8.
Конденсаторы типа КБП (бумажные проходные конденсаторы). Упоминавшиеся в предыдущих разделах меры борьбы с собственной индуктивностью конденсаторов не могут устранить это нежелательное их свойство полностью. Исследования показывают, что в современном хорошем бумажном конденсаторе наличие индуктивности обусловливается главным образом выводами конденсатора. Индуктивность представляется крайне нежелательной при использовании конденсаторов в развязывающих устройствах цепей питания тех узлов аппаратуры дальней связи, которые работают при частотах выше 1 мггц.
Весьма часто в развязывающих устройствах можно применять конденсаторы с одной заземленной обкладкой (фиг. 3-9,а).
66
В этом случае очень удобны „проходные“ конденсаторы, у которых провод, в который включено развязывающее сопротивление, проходит насквозь через конденсатор; емкость этого конденсатора, представляющая собой емкость на его корпус (фиг. 5-9,б), присоединяется в схему без участия специальных выводных проводников. Конденсаторы этого типа представляют собой герметические бумажные конденсаторы с вазелиновой пропиткой, у которых одна обкладка присоединена к корпусу, а другая к медному стержню, на который намотана галета. Вазелиновая пропитка является весьма температуростойкой — это обстоятельство важно, так как через сквозной стержень конденсатора могут проходить значительные токи.
Проходные конденсаторы, выпускаемые промышленностью, предназначаются для работы в цепях с напряжением постоянного тока до 1500 в или переменного (с частотой 50 гц) до 500 в эффективного значения, в интервале температур от —60 до +70° С и относительной влажности до 98%.
По способу крепления конденсаторы этого типа выпускаются в трех вариантах: с резьбовым креплением (вариант Р), с фланцевым креплением (вариант Ф) и с креплением скобой (вариант С).
Конденсаторы, изготовляемые по варианту Р, имеют только один размер, а по вариантам Ф и С—выпускаются трех размеров, в зависимости от величины пропускаемого через них тока. Конденсаторы первого размера предназначены для работы в цепях с током не более 20 а, второго—до 40 а и третьего-до 70 а.
Проходные бумажные конденсаторы изготовляются на следующие номинальные значения емкости: 0,025, 0,05, 0,1, 0,25, 0,5, 1,0 и 2,0 мкф. По отклонению емкости от номинальной конденсаторы подразделяются на два класса: 2-й класс—допуск ± 10% и 3-й класс—допуск ± 20.
Схема конденсаторов, а также их рабочие напряжения, шкала емкостей и размеры корпусов первого размера, наиболее удобного для использования в узлах аппаратуры дальней связи, цриведены в приложении 3-9.
3-3. Слюдяные конденсаторы
Основные свойства. Слюдяные конденсаторы находят весьма широкое применение во многих элементах аппаратуры дальней связи. Изготовление высокостабильных генераторов, электрических фильтров с крутыми и стабильными характеристиками, а также различного типа выравнивателей и искусственных линий невозможно без применения слюдяных конденсаторов.
В этих конденсаторах в качестве диэлектрика применена слюда, являющаяся высококачественным диэлектриком, обладающим высоким пробивным напряжением, малыми потерями
5*
67
(tg о==1 • 10-4-:-1,5-10 4) и большой относительной диэлектрической проницаемостью (®отн~ 7,0); это дает возможность изготовлять конденсаторы значительных емкостей в относительно малых габаритах.
Наилучшим сортом слюды, применяемым в конденсаторах в качестве диэлектрика, является слюда типа мусковит, содержащая К2О. Средний состав мусковита: 45,2% SiO2, 38,5%А12О3, 11,8%К2О и 4,5%Н2О.
Пластины слюды, предназначенные для сборки конденсато-
ров, выпускаются определенных стандартизированных размеров.
Качество слюдяных конденсаторов в значительной степени зависит от чистоты поверхности пластин, поэтому перед сбор-
кой конденсатора слюдяные пластины очищаются от загрязнения и жиров путем промывки в аммиачной воде или спирте. Слюда, промытая в спирте, дополнительно промывается в дестиллиро ванной воде и затем просушивается при температуре 400—500° С в течение 30 мин.
фиг- 3-10 Наиболее простая конструкция
слюдяного конденсатора представляет собой стопку чередующихся слюдяных и металлических пластин (фиг. 3-10). Для удобства припайки выводов
металлические пластины изготовляются из олова, сплава свинца с оловом или из меди. Собранный конденсатор скрепляется стальными пластинами-обжимками и заделывается в оболочку, предохраняющую его от механических повреждений и влаги.
Емкость такого конденсатора можно рассчитать, исходя из формулы (3-3). Для случая конденсатора, собранного из п обкладок, соединенных через одну параллельно, его емкость будет равна:
[пф\. (3-17)
а
Величина F равна площади, заштрихованной на фиг. 3-10; она измеряется в кв. метрах, величина d равна толщине диэлектрика, выраженной в метрах.
Приведенная формула дает только ориентировочное значение емкости или количества пластин.
При практическом осуществлении конденсатора выдержать величину расчетной емкости довольно трудно вследствие влияния следующих причин:
1) разброса толщины слюды (индикатор дает точность + 5 мкн)-,
2) разброса относительной диэлектрической постоянной (от 6,5 до 7,0);
68
3) разброса в перекрытии пластин при сборке секции.
Все указанные отклонения могут дать погрешность по емкости элемента от —50 до +50%. При наборе конденсаторов на большое значение емкости будет происходить взаимная компенсация допусков и емкость секции может получиться ближе к требуемой.
При изготовлении конденсаторов на заданную величину емкости с жестким допуском применяют слюду, рассортированную не по толщине, а по емкости через каждые 3 пф (измеряется емкость элементарного конденсатора с одной пластиной слюды), что позволяет получить емкость элемента с отклонением ± 1,5 пф.
Следующим источником отклонения емкости от номинала может быть степень сжатия пакета обжимками при его сборке. При слабом сжатии, когда между пластинами конденсатора и слюдой остается воздушная прослойка, емкость, потери и стабильность конденсатора будут резко отличаться от расчетных. По этой причине винты, стягивающие обоймы, завинчиваются настолько, что дальнейшее стягивание уже не увеличивает давление на пакет пластин.
Электрическая прочность слюдяных конденсаторов значительно выше, чем бумажных. Пробой слюдяного конденсатора может происходить или непосредственно через слюду или вокруг слюды через воздух. В первом случае пробивное напряжение будет определяться толщиной слюды, а во втором — удвоенным размером расстояния с (фиг. 3-10). Ввиду того что пробивная прочность слюды в 20 раз больше воздуха, величина с должна быть не меньше чем 10^. Практически величину с выбирают в два-три раза большей, так как при сборке возможны смещения обкладок относительно слюды.
При изготовлении слюдяных конденсаторов на повышенное рабочее напряжение между конденсаторными пластинами прокладывают не одну слюдяную пластину, а несколько более тонких, что позволяет получить более однородную слюдяную прокладку.
Рабочее напряжение слюдяного конденсатора в два-три раза меньше испытательного. Практически испытательным напряжением считается такое, которое конденсатор выдерживает, не пробиваясь, в течение одной минуты. Перегрев конденсатора очень вредно сказывается на его качестве и часто приводит к пробою.
Повышение температуры конденсатора при его работе в* области высоких частот может происходить за счет гистерезисных потерь в диэлектрике, активных потерь в обкладках, а Также за счет возникновения короны. Возникновение искры-короцы между обкладками конденсатора вокруг слюды через воздух сопровождается сильным разогревом в месте ее возникновения, что ведет к пробок) конденсатора.
69
При использовании в слюдяных конденсаторах металлических фольговых обкладок между этими последними и слюдой неизбежно существуют воздушные прослойки. Эти прослойки являются основной причиной нестабильности конденсаторов данной конструкции, а в конденсаторах с небольшими значениями емкости они приводят к увеличению потерь.
Для достижения абсолютно плотного прилегания металлических обкладок к слюде их стали выполнять путем серебрения слюды. Серебрению подвергается та часть поверхности слюды, которая в старой конструкции соприкасалась с металлической обкладкой. Поверхность слюды, не подлежащая се-
ребрению, закрывается рамкой. Расчет емкости конденсатора и размеров пластин производится на основании указанных выше формул и соображений. Вероятность случайного сдвига обкладок у таких конденсаторов практически отсутствует.
Нанесение серебра на поверхность слюды может быть осуществлено тремя способами: а) восстановлением серебра из водного раствора азотнокислого серебра; б) термическим распылением чистого серебра в вакууме; в) нанесением пасты с углекислым серебром, с последующей термической обработкой.
Первый способ серебрения — химический — весьма прост, но требует чрезвычайно высокой степени предварительной очистки слюды, и тем не менее часто дает пониженные значения сопротивления изоляции.
Второй способ серебрения—вак у у м ны й—применяется в настоящее время сравнительно редко ввиду сложности получения высокого вакуума и значительных потерь серебра, которое осаждается на стенках камеры.
Третий способ серебрения—термохимический— более производителен и экономичен в части расхода серебра.
70
Последний способ заключается в следующем. На слюдяные пластины пульверизатором наносится равномерный слой жидкой пасты, составленной из углекислого серебра, канифоли и скипидара. В процессе прокаливания при температуре 500—600° С (скипидар и канифоль сгорают, а углекислое серебро, разлагаясь, выделяет на слюде слой чистого серебра. Термическая обработка пластин приводит к выгоранию абсорбированных углеводородных примесей и испарению следов воды. Тем самым улучшается тангенс угла потерь.
Для присоединения серебрёных поверхностей к выводам конденсатора между пластинами слюды укладываются пластины из оловянно-свинцовой фольги. Возможны два способа соединения отдельных элементов конденсатора при помощи листков фольги (фиг. 3-11). Второй способ, при котором фольга укладывается петлеобразно и обеспечивает непрерывный контакт при наборе пакета из серебрёных слюдяных пластин, позволяет вести непрерывный контроль емкости изготовляемого конденсатора и достаточно близко подойти к требуемой величине.
Набранный пакет пластин обжимается с обеих сторон скобами, к которым припаиваются внешние выводы конденсатора. На фиг. 3-12 показан зажатый в обжимающие скобы пакет пластин конденсатора типа ССГ (см. ниже). Скобы изготовляются из тонкого, но достаточно упругого материала. Больших давлений на собранный пакет в этом случае не требуется.
Точной подгонки емкости конденсатора под заданную величину добиваются снятием (соскребанием) серебряного слоя с внешней поверхности последней пластины слюды. Таким образом, можно добиться точности изготовления ±0,1% для больших емкостей и до 0,5% ± 1 пф для малых емкостей. Допуски в 0,1% находятся на пределе возможностей, обеспечиваемых современными мостами для измерения емкостей. Применение столь жестких допусков оправдывается высокой стабильностью этого типа конденсаторов.
Тангенс угла потерь серебрёного конденсатора имеет вели-•чину порядка от 2-10~4 до 10-10-4 при частоте 1 кгц. Частотная характеристика тангенса угла потерь приведена на фиг. 3-13.
71
При низких частотах тангенс угла потерь увеличивается, в особенности при малых номиналах емкости, из-за действия паразитной емкости на корпус. При высоких частотах тангенс угла потерь увеличивается, особенно при больших номиналах,
Благодаря чрезвычайно плотному сцеплению обкладок со слюдой серебрёные конденсаторы имеют весьма малый темпе-
диэлектрической проницаемости слюды. Конденсаторы с обкладками из фольги имеют ТКЕ, равный 4-н6-10“5.
Следует также отметить, что слюдяные конденсаторы могут обладать известной степенью нелинейности, т. е. их емкость зависит от приложенного напряжения. Знание степени нелинейности весьма важно при конструировании многоканальных систем. Наличие нелинейности может быть объяснено механической вибрацией, а также явлением диэлектрического гистерезиса. Преобладающее значение имеют продукты третьего порядка.
72
На фиг. 3-14 приведен график разности Др уровней напряжения продукта нелинейности вида 2А— В и исходных колебаний Л и Z? в зависимости от напряжений этих колебаний. График измерен для конденсатора с серебрёной слюдой при 2А—В=7,& кгц.
Собранные пакеты пластин слюдяных конденсаторов необходимо помещать в герметически закрытые корпуса или опрессовывать в пластмассу, так как благодаря своему слоистому строению слюда гигроскопична и может поглощать влагу. Перед заделкой секции конденсатора в корпус ее просушивают при температуре 120—180° С и затем пропитывают в парафине.
Слюдяные конденсаторы на малые значения емкости и с допуском не менее ±5% часто изготовляются в пластмассовом корпусе. Пластмассы, применяемые для запрессовки конденсаторов, относятся к типу термореактивных, т. е. к такимг которые при определенной температуре и давлении переходят в неплавкое состояние с полной потерей пластических свойств.
Пластмасса для запрессовки конденсаторов должна удовлетворять следующим требованиям:
а) малая гигроскопичность;
б) текучесть при сравнительно низкой температуре и давлении;
в) хорошее сцепление с материалом выводов;
г) высокое поверхностное и объемное сопротивление и малые потери.
Наиболее употребительным и высококачественным сортом порошка для изготовления пластмассы является фенопласт типа К-211-3 или К-21-22.
Для конденсаторов, применяемых в фильтрах на частоты порядка мегагерц, имеет смысл применять опрессовку из полистирола. Конденсаторы, опрессованные в пластмассу типа фенопласт, подвергаются стабилизации, которая заключается в прогревании конденсатора до 100—120° С. При этом из пластмассовой оболочки удаляются летучие вещества, появляющиеся в результате термореактивного процесса, и, кроме того, устраняются внутренние напряжения в конденсаторе.
Для получения однородности пластмассового корпуса порошок к прессформе подается в виде дозированных, предварительно подогретых таблеток. Предварительный подогрев таблеток производится токами высокой частоты за счет диэлектрических потерь и равномерен по всему объему.
Слюдяные конденсаторы, запрессованные в пластмассу, не являются полностью герметичными и поэтому со временем теряют свои высокие качества. В тех случаях, когда необходимо иметь емкость, весьма стабильную во времени, пакет пластин конденсатора размещают в герметическом металлическом корпусе с выводами через стеклянные изоляторы или в корпусе из керамики.
73.
Для изготовления металлического корпуса обычно берется красная медь или латунь, так как эти металлы, наряду с возможностью пайки, обеспечивают хорошее экранирование при повышенных частотах. Если экранирование не играет роли, то корпус можно изготовлять из железа.
Пакет пластин, образующий конденсатор, должен быть изолирован от стенок корпуса. Для этого применяют слюду или материалы пониженного качества (например гетинакс). Появляются паразитные емкости Q и С2 (фиг. 3-15,а), которые как бы включены параллельно основной емкости С и ухудшают конденсатор в целом. Влияние одной из этих емкостей можно устранить, соединив один из выводов конденсатора с корпусом (фиг. 3-15,6). Для устранения влияния обеих паразитных ем-
а) б) б)
Фиг. 3-15
костей В. Т. Ренне предложил выполнять конденсатор из двух пакетов, соединенных параллельно (фиг. 3-15,в).
Типы слюдяных конденсаторов. В аппаратуре дальней связи наиболее часто применяются слюдяные конденсаторы типов ССГ (слюдяные, серебрёные, герметизированные) и КСГ (конденсаторы слюдяные, герметизированные). Как в тех, так и в других в качестве обкладок используется слой серебра, нанесенный непосредственно на поверхность слюды. Оба типа конденсаторов изготовляются в металлических герметизированных корпусах с выводами через стеклянные изоляторы.
Конденсаторы ССГ производятся непосредственно на заводах, выпускающих аппаратуру дальней связи, и вследствие этого могут быть изготовлены на любое заданное значение емкости в пределах, установленных техническими условиями. Конденсаторы КСГ выпускаются специализированными предприятиями на определенные нормированные номиналы емкости.
На фиг. 3-16 показан внешний вид конденсаторов ССГ (сзади слева) и конденсаторов КСГ (сзади справа).
По величине емкости конденсаторы ССГ подразделяются на три типа: ССГ-1, ССГ-2 и ССГ-3 в соответствии с данными приложения 3-10. Данные конденсаторов КСГ приведены в приложении 3-11.
74
Конденсаторы типа ССГ изготовляются со следующими допусками: + 5 пф при номинальных значениях емкости от 200 до 1000 пф, + 10 пф при номиналах от 1000 до 3000 пф и + 0,3% при номиналах от 3000 до 200000 пф. В случае особой необходимости, по специальному заказу, конденсаторы ССГ могут быть изготовлены со следующими допусками: от 200 до 1000 пф с допуском ± 3,0 пф, от 1000 до 10000 пф с допуском + 0,2%, от 10000 до 200 000 пф с допуском ±0,1%.
Оба типа конденсаторов соответствуют рабочему диапазону температур от —60 до ± 70° С и могут длительно работать
Фиг. 3-16
при относительной влажности воздуха до 95—98%. ТКЕ для этих конденсаторов не превышает 0,1 %.
Все разновидности конденсаторов типа ССГ рассчитаны на рабочее напряжение 500 в, а конденсаторы типа КСГ—на разные напряжения в соответствии с данными приложения 3-11.
Из опрессованных пластмассовых конденсаторов следует указать конденсаторы типа КСО (не серебрёные), данные которых приведены в приложении 3-12. Конденсаторы этого типа показаны на фиг. 3-16 (слева спереди).
3-4. Стирофлексные конденсаторы
Большой рост потребности в высококачественных конденсаторах привел к значительному расходу слюды, вызвавшему насущную необходимость в создании синтетических материалов, близких по своим диэлектрическим свойствам к слюде, недефицитных и более дешевых. Таким веществом является полистирол, который при переработке его в длинные ленты получил название стирофлекса. Стоимость стирофлекса во много раз меньше стоимости слюды.
Полистирол представляет собой смолу, получающуюся в результате полимеризации стирола, иначе называемого винил-
75
бензолом. Полистирол является чистым углеводородом. Из этого вещества изготовляется так называемая стирофлексная пленка. Молекулы полистирола, расположенные хаотично, при изготовлении пленки ориентируются как вдоль ленты, так и поперек нее. В результате пленка имеет внутренние механические напряжения, которые могут быть с выгодой использованы при производстве конденсаторов. Частично эти напряжения устраняются продольным натяжением ленты в процессе ее изготовления—лента становится гибкой в йродольном направлении, оставаясь хрупкой в поперечном направлении.
Готовая пленка должна удовлетворять следующим требованиям:
а) относительная диэлектрическая проницаемость при + 20° С должна лежать в пределах от 2,6 до 2,8;
б) тангенс угла потерь при 20° С и /=Ь106 гц не должен быть более 4-10~4 (обычно порядка 2-10~4);
в) удельное объемное сопротивление при +20° С должно быть не менее 1018 ом/см3;
г) толщину пленки желательно иметь не более 25 мкн. Минимальная из встречающихся толщин составляет 6 мкн.
В качестве обкладок в стирофлексных конденсаторах применяется алюминиевая или свинцово-оловянная фольга толщиной 7—8 мкн. Алюминиевая фольга более удобна в производстве вследствие большой ее механической прочности, однако представляет значительные трудности для осуществления надежных выводных контактов.
Способ изготовления стирофлексных конденсаторов аналогичен изготовлению бумажных конденсаторов, т. е. основная часть конденсатора представляет галету в виде рулона, намотанного из чередующихся лент пленки и фольги. Станки для намотки стирофлексных галет аналогичны по конструкции станкам для намотки бумажных галет.
Галета рулонного типа является лучшей конструкцией сти-рофлексного конденсатора, так как она представляет удобства в части термической обработки (см. ниже).
Пленка и фольга для производства конденсаторов должны быть намотаны в рулоны, причем толщина и ширина пленки и фольги выбираются в соответствии с требуемыми размерами. Взаимное расположение лент пленки и фольги при намотке секции показано на фиг. 3-17.
Контактные выводы от обкладок часто осуществляются с помощью лепестков из медной или латунной фольги с приваренными к ним медными проволочными выводами. Контактные лепестки закладываются между фольгой и пленкой после намотки двух третей галеты. Иногда, для уменьшения индуктивности, закладывают несколько пар выводов.
Такой способ осуществления выводов пригоден только для конденсаторов, используемых при напряжениях свыше 0,1 в.
76
Для конденсаторов, работающих при меньших напряжениях (к ним следует отнести большинство конденсаторов, входящих в схемы фильтров), необходимо применять более надежные способы присоединения выводных концов к фольге. Для оловянной фольги таким соединением может быть пайка, для алюминиевой—сварка или пайка при помощи ультразвука.
Необходимость приварки или припайки выводных контактов объясняется тем, что напряжения меньше 0,1 в не способны пробить пленку окисла, образующуюся на фольге, особенно на алюминиевой, при неплотном прилегании вывода, образующемся вследствие разницы в температурных коэффициентах расширения фольги и стирофлекса. Плохое качество контакта, обусловленное пленкой окисла, может также, не вызывая полного
обрыва, привести к резкому увеличению потерь в конденсаторе.
Намотка галеты под заданный номинал производится в соответствии с табличными данными, где для определенных размеров пленки и фольги, для каждого номинала емкости, указано число оборотов наматываемой галеты. Же-
Фиг. 3-17
лательно иметь приспособления для непрерывного контроля емкости в процессе намотки.
После требуемого числа оборотов лента фольги обрезается, затем делается несколько дополнительных оборотов одной пленки, конец которой приклеивается к галете идитоловым
клеем.
Подгонка галеты под заданную емкость производится путем укорочения последнего витка фольги с таким расчетом, чтобы емкость галеты стала меньше на 2,5—3,5% ниже требуемого номинала.
Следующей операцией является термическая обработка галеты — ее запекание, которое ведется в термостате при повышенной температуре. Сущность этого процесса заключается в том, что упомянутые выше механические натяжения в стиро-флексной ленте при нагреве устраняются, и галета сморщивается. Температура, при которой производится запекание, подбирается так, чтобы торцы оплавлялись, лента же внутри галеты оставалась упругой. Благодаря сморщиванию галеты она становится крепче, из пространства между отдельными витками выжимается воздух.
•^Процесс запекания обычно подразделяется на несколько циклов, каждый из которых проводится при строго определенном температурном режиме. В результате запекания емкость конденсаторной галеты увеличивается на 2—4%. При правиль
77
ной подгонке и запекании емкость стирофлексного конденсатора может быть получена с точностью от ± 1 до ± 0,5% по отношению к номиналу. При необходимости в более точной подгонке, а также для облегчения технологии изготовления рекомендуется составлять конденсатор из двух галет—основной и подгоночной, выбираемой из заранее приготовленных галет.
Галеты, проверенные на соответствие параметрам, обертываются стирофлексной пленкой и помещаются в металлический корпус, стенки которого выложены кабельной бумагой, пропитанной церезином. После этого корпус наполняется церезином, концы галеты распаиваются на зажимы крышки корпуса,, а сама крышка припаивается к корпусу.
Для особо высококачественных стирофлексных конденсаторов удобно использовать вакуумплотные корпусы от слюдяных конденсаторов. Возможна также запайка галет в керамических трубках. Следует, однако, отметить, что влагопоглощающая способность стирофлекса весьма невелика, благодаря чему герметизация требуется только в весьма ответственных случаях. Для конденсаторов с большими допусками по емкости применяют заделку в трубки из бакелизированной бумаги. Из такой же бумаги делают трубочки-каркасы, несущие на себе галеты с большой емкостью. Опрессовка галет стирофлексных конденсаторов корпусом из пластмассы невозможна из-за низкой теплоемкости стирофлекса.
Электрические свойства готовых стирофлексных конденсаторов достаточно высоки. Тангенс угла потерь, измеренный при частоте 1 кгц и температуре от —60 до + 70° С, не превышает 5—10-10“4. При частоте 100 кгц эти цифры увеличиваются примерно вдвое, а при частоте 1 мггц—примерно втрое. Приведенные данные справедливы для конденсаторов с емкостью порядка 0,01 мкф и меньше. С увеличением номинала емкости потери возрастают. Температурный коэффициент емкости в отличие от ТКЕ слюдяных конденсаторов отрицателен и составляет —15-10~5 на 1°С. Стабильность стирофлексных конденсаторов во времени пока что изучена недостаточно, но все же можно считать, что изменение емкости конденсатора за первый год его работы составляет не более 0,3%.
Сравнивая стирофлексные конденсаторы со слюдяными, приходим к выводу о том, что они не могут полностью заменить последние, так как уступают им по величине температурного коэффициента емкости (иногда имеет значение и знак ТКЕ), а также по стабильности во времени. Сочетая вместе стирофлексные и слюдяные конденсаторы, можно получать конденсаторы с весьма малыми значениями ТКЕ. Для дальнейшего улучшения стабильности стирофлексных конденсаторов необходимо нанесение обкладок осуществлять непосредственно на стиро-флексную ленту путем ее серебрения.
78
Интересной особенностью стирофлексных конденсаторов является весьма большая величина их постоянной времени; так,, например, емкости меньше 80000 пф имеют RU3~> 10000 мгом, а емкости более 80000 пф имеют /?„3>8000 мгом. Эта особенность стирофлексных конденсаторов заставляет предпочитать их в некоторых специальных случаях бумажным конденсаторам.
Как и слюдяные конденсаторы, стирофлексные конденсаторы изготовляются или на любые заданные значения емкости (на заводах дальней связи) или на ряд фиксированных значений (на специализированных заводах).
Выпускаемые промышленностью стирофлексные конденсаторы типа КПГ (конденсаторы пленочные, герметические) изготовляются как в металлических, так и в трубчатых керамических корпусах с допусками в 1, 2, 5 и 10% от номинального значения в соответствии с 0, 1, 2 и 3 классами точности.
Данные стирофлексных конденсаторов (типа КПГ) и их габариты приведены в приложениях 3-13 и 3-14. Эти конденсаторы рассчитаны на работу при напряжениях не менее 0,1—1 в. Для меньших напряжений применяются конденсаторы с улучшенной конструкцией выводов (см. выше).
3-5. Керамические конденсаторы
Основные свойства. Керамические конденсаторы находят широкое применение в высокочастотных схемах, к элементам которых предъявляются жесткие требования в отношении потерь и стабильности во времени.
Керамические конденсаторы по своей конструкции разделяются на два типа: конденсаторы постоянной емкости и конденсаторы переменной емкости.
Первый тип конденсаторов в узлах аппаратуры дальней связи в большинстве случаев используется в качестве дополнительных подгоночных емкостей к конденсаторам с диэлектриком из слюды, а также и в качестве основных емкостей в цепях тракта высокой частоты. Второй тип конденсаторов применяется главным образом в качестве подстроечного в настраиваемых элементах схем.
Применяемая в этих конденсаторах в качестве диэлектрика керамика изготавливается из рутилового порошка, представляющего собой одну из модификаций двуокиси титана (ТЮ2). •Большая величина относительной диэлектрической проницаемости этого материала, равная приблизительно 105, послужила причиной широкого его применения в качестве диэлектрика. В: отличие от всех диэлектриков, рассмотренных выше (за исключением стирофлекса), керамика обладает не положительным, а отрицательным температурным коэффициентом емкости порядка 8*10~4 на 1°С.
79
Керамическая масса, из которой изготовляются детали конденсаторов, должна отвечать следующим требованиям:
а) масса должна быть пластичной для возможности получения из нее деталей необходимой формы;
б) температура термической обработки должна быть не выше 1350° С, которую могут обеспечивать пламенные печи;
в) температурный интервал спекания массы должен быть не менее 15° С для возможности наблюдения и управления процессом.
Для придания массе пластических свойств к ней добавляют плавки и другие компоненты, позволяющие также влиять на ее температурный коэффициент.
Вследствие того что коэффициент линейного расширения керамики очень мал, а серебрёные электроды конденсатора нанесены непосредственно на керамику, воздушный зазор между слоем серебра и керамикой отсутствует и температурный коэффициент этих конденсаторов определяется главным образом температурным коэффициентом диэлектрической постоянной.
Подбирая соответствующие компоненты, обладающие положительным температурным коэффициентом, можно приготовить массу, диэлектрическая постоянная которой в некотором интервале рабочих температур будет постоянна.
К числу наиболее распространенных керамических масс относятся тиконд, тиглин и тимаг, разработанные Н. П. Богородицким и Г. А. Смоленским.
Производственный процесс керамических конденсаторов разбивается на следующие этапы:
а) подготовка сырых материалов;
б) приготовление керамической массы;
в) придание формы диэлектрику;
г) обжиг заготовок формы;
д) нанесение электродов;
е) монтаж выводов.
Все материалы, входящие в состав массы, подвергаются обжигу при температуре 1300—1600° С и измельчению до частиц, проходящих через отверстия сита с 100—144 отверстиями/ на 1 см2.
Приготовление керамической массы сводится к дальнейшему измельчению ее составляющих мокрым помолом на шаровых мельницах. Полученная таким способом масса называется шликером и имеет частицы, проходящие через сито с 10 000 отверстий на 1 см2. Шликер обезвоживается в фильтрпрессах или гипсовых формах, после чего посредством особых приборов— вакууммялок — из него удаляются пузырьки воздуха и газов.
Детали конденсаторов из такой массы формуются или способом продавливания ее через мундштук (получение трубок) или же с помощью прессформ. Прессовка производится при давлении порядка 88 кГ}см2.
во
Отпрессованные детали просушиваются при комнатной температуре и затем подвергаются предварительному обжигу при 600-800° С.
После предварительного обжига производится дополнительная обработка деталей (обточка, сверление и т. д.).
Второй обжиг производится при 1300° С с последующим постепенным охлаждением.
Нанесение серебрёных электродов осуществляется с помощью пасты, которая наносится пульверизатором. В результате последующего обжига при температуре 650° С на электродах выделяется слой серебра толщиной до 5 мкн.
Конденсаторы предохраняются от влаги покрытием их поверхности влагостойким лаком или глазурью. Полная герметизация конденсаторов достигается лишь размещением их в керамических запаянных корпусах.
Типы керамических конденсаторов. К наиболее распространенным типам керамических конденсаторов относятся конденсаторы постоянной емкости типов КТК (трубчатый), КДК (дисковый) и КГК (герметизированный), а также переменные конденсаторы типа КПК (подстроечный) емкостью от 2 до 450 пф.
Керамические конденсаторы типов КТК, КДК и КГК. Низковольтные керамические конденсаторы этих типов предназначены для работы в узлах аппаратуры в качестве контурных, разделительных и сеточных.
Эти конденсаторы рассчитаны на рабочие напряжения до 250 в эфф. тока высокой частоты или до 500 в от источника постоянного тока в интервале температур от — 60 до + 60° С и относительной влажности воздуха до 98%.
Электрические и габаритные данные этих конденсаторов приведены в приложениях 3-15, 3-16 и 3-17, а внешний вид конденсаторов КТК и КГК на фиг. 3-16 (спереди справа).
Подстроечные керамические конденсаторы типа КПК. Этот тип конденсаторов применяется в основном в качестве подстроечного при осуществлении настраиваемых контуров.
Конденсаторы рассчитаны для работы при напряжении тока высокой частоты до 250 в и при напряжении от источника постоянного тока до 500 в в интервале температур от —60 до + 80°С и относительной влажности воздуха до 80%.
Промышленностью выпускаются три типа подстроечных конденсаторов: КПК-1, КПК-2 и КПК-3, отличающиеся друг of друга нижними и верхними пределами емкости, а также конструкцией.
Электрические и конструктивные данные этих конденсаторов приведены в приложении 3-18.
6 Зак. № 129
81
3-6. Электролитические конденсаторы
Основные свойства. Электролитические конденсаторы находят весьма широкое применение в различного рода выпрямительных устройствах, питаемых током промышленной частоты. В этих устройствах для сглаживания пульсаций переменной составляющей устанавливаются фильтры, требующие значительных емкостей.
В ламповых схемах аппаратуры электролитические конденсаторы применяются главным образом в цепях развязок, осуществить которые, особенно в устройствах низкочастотного диапазона, без применения электролитических конденсаторов трудно.
Особенностью конденсаторов этого типа является большая удельная емкость, т. е. емкость, приходящаяся на единицу объема. Это обстоятельство позволяет осуществить конденсаторы сравнительно больших емкостей в относительно малых габаритах, что особенно характерно для конденсаторов, рассчитанных на низкие (до 50 в) рабочие напряжения.
В настоящее время нашей промышленностью выпускается несколько типов электролитических конденсаторов, конструкции которых предусматривают возможность их использования в расширенных диапазонах рабочего напряжения, температуры и влажности воздуха.
При применении электролитических конденсаторов следует учитывать вероятность значительного отклонения их действительной емкости от указанных номиналов, а также снижение номинальной емкости с течением времени при одновременном увеличении тока утечки и потерь. В особо ответственных узлах аппаратуры можно рекомендовать применение герметизированных электролитических конденсаторов, работающих в широком температурном диапазоне, в которых указанные выше недостатки сведены к возможному минимуму.
Тем не менее и эти конденсаторы не могут полностью удовлетворить потребности основных систем дальней связи, аппаратура которых рассчитывается на круглосуточную работу и весьма длительные сроки амортизации (десятки лет). Даже при применении лучших электролитических конденсаторов их приходится периодически заменять. Поэтому в последнее время в основной аппаратуре дальней связи вместо электролитических конденсаторов применяют сравнительно малогабаритные и надежные конденсаторы с металлизированной бумагой. Применение их является особенно удачным для высокочастотных узлов, где емкости сравнительно невелики.
Основным процессом при изготовлении электролитических конденсаторов является получение слоя диэлектрика на алюминиевой фольге. Нанесение слоя диэлектрика на алюминиевую пленку называется формовкой и для высоковольтных конденсаторов обычно осуществляется в два этапа. Первая, подго
82
товительная, формовка производится на ленте алюминиевой фольги и вторая—уже на собранном конденсаторе. Низковольтные конденсаторы (с рабочим напряжением до 50 в) проходят только одну стадию формовки в собранном виде.
Формовка слоя диэлектрика производится электролитическим путем; в качестве электролита служит раствор борцой кислоты. Процесс формовки может быть осуществлен при двух режимах работы электролитической ванны. При одном из них к электродам ванны подают определенное напряжение и поддерживают его постоянным, при другом — поддерживают постоянным ток через ванну, повышая напряжение.
Уменьшение величины тока, протекающего через электролитическую ванну, свидетельствует об образовании на алюминиевой фольге оксидной пленки, состоящей из окиси и гидроокиси алюминия. Эта пленка обладает свойством вентиля, т. е. при подключении к ней плюса источника тока представляет большое сопротивление, а при обратном порядке подключения полюсов—малое.
В электролитических конденсаторах оксидная пленка используется как диэлектрик, но благодаря ее вентильным свойствам электролитические конденсаторы могут быть использованы только в цепях постоянного или пульсирующего тока.
Оксидная пленка в зависимости от процесса формовки может иметь различную структуру. Нормальной плотностью тока при формовке является 0,5—1,0 ajcM2. Если формовку диэлектрика вести при большей плотности тока, то пленка получится крупнозернистой и пористой и может быть применена только в конденсаторах, рассчитанных для работы при низких напряжениях. При формовке диэлектрика током меньше указанной плотности пленка получается мелкозернистой и более устойчивой против высоких напряжений.
Образующаяся на алюминиевой фольге оксидная пленка может быть охарактеризована как диэлектрик со следующими свойствами:
а) диэлектрическая постоянная $отн =7,4 н- 7,45;
б) сопротивление 7? = 1О15н- 1014 ом/см3;
в) прочность на электрический пробой 0,952-107 в/см.
Существенной величиной, определяющей возможность применения оксидированной фольги в конденсаторах на то или иное рабочее напряжение, является толщина пленки. Толщина пленки зависит от напряжения, при котором производилась ее формовка. Чем выше напряжение формовки, тем больше толщина пленки. В электролитических конденсаторах, рассчитанных на рабочее напряжение до 450 в, толщина пленки составляет от 10“4 ДО Ю-6 см.
Соответственно способу перемещения оксидируемой фольги через электролитическую ванну различаются три метода формовки;
6* 83
1) статический метод (лента фольги неподвижна);
2) динамический метод (лента фольги передвигается);
3) ступенчатый метод (лента фольги проходит ряд ванн с повышенными ступенями напряжений).
Формовку слоя диэлектрика ведут до тех пор, пока плотность тока через электролит устанавливается в 0,1 яа на 1 ся? поверхности оксидируемой фольги.
Процесс оксидирования продолжается обычно от 4 до 8 час., с перерывами в 2—5 мин. Перерывы благоприятно влияют на качество оксидной пленки.
Для увеличения активной поверхности пластины алюминиевую фольгу обрабатывают травлением, в результате чего ее поверхность становится шероховатой.
Типы электролитических конденсаторов. Электролитические конденсаторы разделяются на три типа: сухие, полусухие и' жидкостные. Каждый из этих типов состоит из оксидированной алюминиевой фольги и рабочего электролита.
В зависимости от типа конденсатора, в нем применен тот или иной вид электролита. В сухих конденсаторах электролит представляет собой пастообразное вещество, в полусухих— электролитом пропитана бумажная лента, которая прокладывается между оксидированной пластиной и обычной алюминиевой, служащей контактом между источником тока и электролитом; в жидкостных конденсаторах электролитом является водный раствор, в который помещается оксидированная пластина.
Секции электролитических конденсаторов изготовляются в виде рулона или гармошки и помещаются в металлические корпусы, которые, в зависимости от требований, могут быть герметизированы.
Данные наиболее часто применяемых в аппаратуре дальней связи электролитических конденсаторов типа КЭГ и КЭ приведены в приложениях 3-19, 3-20 и 3-21, а внешний вид герметизированного типа—на фиг. 3-18.
Танталовые электролитические конденсаторы. По имеющимся в литературе данным, в настоящее время ведутся работы над экспериментальным исследованием и освоением электролитических конденсаторов, в которых в качестве металлического электрода применена оксидированная фольга тантала или обработанное особым способом пористое тело из тантала.
Основными преимуществами конденсаторов этого типа перед обычными электролитическими, изготовляемыми из оксидированной алюминиевой фольги, являются следующие:
а) значительно меньшие габариты на единицу емкости, вследствие большей диэлектрической постоянной оксидной пленки, которая на 50% выше, чем у алюминиевой;
б) повышенная устойчивость во времени;
в) малый температурный коэффициент;
84
г) значительно большая электрическая прочность оксидной пленки.
Танталовые электролитические конденсаторы изготовляются двух типов: 1) рулонные, из тонкокатаной танталовой фольги, причем способ изготовления галет аналогичен изготовлению галет конденсаторов из алюминиевой фольги, и 2) цилиндрические, тело которых прессуется из порошкообразного тантала и после термической обработки приобретает пористую структуру.
Сравнительные данные оксидированных гладких поверхностей пленок фольги из алюминия и тантала показывают, что
Фиг. 3-18
последняя эффективнее на 15—20%. Применение пористой структуры обеспечивает значительный выигрыш в эффективно используемой площади, так как площадь пористой структуры примерно в 40—50 раз больше, чем у эквивалентной массы. Вторым электродом является жидкий электролит, приготовляемый на основе гликоля. Конденсаторы пористой структуры пригодны главным образом для работы при низких напряжениях. Рабочий температурный диапазон конденсаторов этого типа лежит в пределах от —40 до +60° С.
Корпус конденсаторов изготовляется из медной трубки, посеребренной внутри, так как чистое серебро не вступает в химическую реакцию с электролитом. Трубчатый корпус имеет с обеих сторон заваленные торцы с вставленными в них пробками из эбонита, в которых закреплены выводы.
3-7. Воздушные переменные конденсаторы
Воздушные переменные конденсаторы, применяемые в узлах Л аппаратуры дальней связи, как по своей конструкции, параметрам, так и по назначению подразделяются на два типа:
85
секционированные, используемые в качестве емкостных делителей, и подстроечные.
Секционированные конденсаторы. Эти конденсаторы применяются в узлах автоматической регулировки уровня. Наиболее сложные конденсаторы этого типа используются в 12-
Фиг. 3-19
канальных системах для воздушных линий (диапазон от 96 до 143 кгц). Согласно техническим условиям на аппаратуру конденсаторы предназначаются для работы в диапазоне температур от + 5 до + 50° С, причем для температуры 25 ± 5° С предусматривается работа в условиях относительной влажности, доходящей до 90%.
По своей электрической схеме переменные секционированные конденсаторы образуют или емкостной потенциометр,
86
включенный на входе усилителя и обеспечивающий „плоскую* регулировку усиления, или емкостной делитель напряжения, обеспечивающий снятие напряжения „наклонной" регулировки
с выхода того или иного звена переменного выравнивателя, включенного на входе устройства АРУ. В некоторых случаях
все звенья выравнивателя включаются нированный конденсатор применяется
параллельно, а секцио-для поочередного их
присоединения к входу усилителя.
Роторы секционированных переменных конденсаторов приводятся во вращение синхронным двигателем малой (6 вт) мощности, запуск которого осуществляется в зависимости от изменений тока контрольной частоты. Для удобства эксплуатации при конструировании таких конденсаторов предусматривают возможность вращения их роторов вручную.
Имеет смысл конструировать конденсаторы в виде так называемых блоков, приспособленных для самостоятельного крепления на панелях аппаратуры.
Возьмем, в качестве примера, блок конденсатора на диапазон от 92 до 143 кгц, внешний вид которого показан на фиг. 3-19. В блок входят две секции, образующие схему „наклонной" регулировки, и потенциометр „плоской" регулировки.
Каждая из секций конден-
сатора наклонной регулировки
(фиг. 3-20) имеет ротор и статор. Статор состоит из четырех изолированных друг от друга наборов пластин. Ротор имеет один набор пластин, обеспечивающий поочередное, в двух секциях, снятие напряжения с пластин статора. Для этой цели размеры пластин ротора берутся равными размерам пластин статора.
Условия авторегулировки уровней позволяют иметь линей-
ную зависимость емкости от угла поворота, что упрощает требования к форме пластин статора и ротора — эти пластины можно делать в виде секторов круга. В рассматриваемом примере каждая из пластин статора соответствует углу 45°. Диэлектриком между пластинами ротора и статора служит воздух.
Для получения возможно более плавной регулировки статорные пластины секций, при подключении к ним звеньев переменного выравнивателя, включаются поочередно из одной и
87
из другой секции, а роторы секций смещены друг относительно друга на угол 45°. Для уменьшения взаимного влияния одной секции на другую между ними установлены экраны, а для получения минимальной емкости при выведенных пластинах ротора ось его защищена от статора экранирующей втулкой. Экраны введены также между первым и четвертым набором пластин статора в пределах каждой секции.
Упрощенная схема привода конденсатора показана на фиг. 3-21.
Минимальная емкость у этих конденсаторов (пластины ротора не перекрывают пластин статора) не превышает 15 ± 5 пф,
Фиг. 3-21
а максимальная (при полном перекрытии пластин ротора с одним из секторов статора) доходит до 120 пф. Сопротивление изоляции между ротором и статором составляет при нормальных условиях 500 мгом. Изоляция между ротором -и статором при любом их взаимном положении выдерживает напряжение 400 в эфф. с частотой 50 гц. Тангенс угла потерь у этих конденсаторов не превышает 0,015 при максимальном значении емкости.
Кроме 12-канальных систем аналогичные переменные конденсаторы (фиг. 3-22) используются и в 3-канальных системах (диапазон от 6 до 27 кгц). Меньшие значения рабочих частот приводят в этом случае к большим значениям максимальной емкости, доходящим до 400 пф. Для уменьшения габаритов таких конденсаторов между пластинами ротора и статора прокладываются пластинки из листового гетинакса.
Интересно отметить, что для конденсаторов 12-канальных систем применение твердого диэлектрика оказалось невозможным вследствие явления электризации пластин при их трении 88
о гетинакс. Электризация пластин вызывает разряды, которые могут вызвать увеличение шума в каналах связи. Для трехканальных систем это явление не представляет опасности благодаря меньшему значению усиления усилителей, работающих, при более низких частотах.
Величина температурного коэффициента емкости при конструировании секционированных конденсаторов обычно не задается, так как небольшие изменения емкости всегда могут быть скомпенсированы посредством упомянутой выше плоской АРУ.
Фиг. 3-22
Подстроечные конденсаторы. Подстроечные переменные воздушные конденсаторы применяются в узлах аппаратуры дальней связи главным образом для подгонки требуемого номинала основной емкости. Точная подгонка емкости часто-бывает необходима при осуществлении схем колебательных контуров, а также схем селективных устройств.
В узлах высокочастотного диапазона, где номинальное значение емкости такого конденсатора может оказаться достаточным, конденсатор может быть использован и в качестве основной емкости.
Подстроечные воздушные конденсаторы собираются на основаниях как из керамики, так и высококачественного гети-накса, а поэтому обладают потерями и температурным коэффициентом емкости того же порядка, что и подстроечные керамические.
'Эти конденсаторы предназначены для работы в интервале температур от —40 до 4-60° С- при влажности воздуха до 95%. и напряжении тока высокой частоты до 250 в.
89
По конструктивному оформлению подстроечные конденсаторы выпускаются двух типов: с регулировкой под отвертку и с удлиненной осью.
При использовании этих конденсаторов следует иметь в виду, что потери их резко возрастают при загрязнении основания, а также пластин ротора и статора. Поэтому их рекомендуется устанавливать в закрытых конструкциях, ограждающих их от осаждения на них пыли.
Электрические и конструктивные данные подстроечных конденсаторов приведены в приложении 3-22.
Глава четвертая
КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
Область применения катушек индуктивности в аппаратуре дальней связи чрезвычайно разнообразна. Наряду с конденсаторами они являются одним из основных элементов, составляющих фильтры и корректирующие четырехполюсники. Кроме того, катушки индуктивности входят в состав генераторных контуров и других двухполюсников, в состав межкаскадных четырехполюсников ламповых усилителей и, наконец, являются важнейшей составной частью пупинизированных линий. Диапазон частот, при которых используются индуктивности, ограничивался, на первых порах развития систем дальней связи, тональными частотами. В настоящее время верхний его предел достиг десятков мегагерц.
Катушки индуктивности могут быть классифицированы двояким образом: по роду сердечника — различают катушки без ферромагнитного сердечника (так называемые „воздушные катушки") и катушки с ферромагнитными сердечниками; по •форме намотки различают катушки:
а) цилиндрические с однослойной намоткой;
б) цилиндрические с простой многослойной намоткой;
в) цилиндрические с универсальной многослойной намоткой; г) тороидальные с однослойной намоткой;
д) тороидальные с многослойной намоткой.
Из теоретической электротехники известно, что э. д. с. 'Самоиндукции, появляющаяся при изменении тока в некоторой соленоидальной катушке с весьма длинной цилиндрической намоткой, имеющей достаточно близкие по величине наружный и внутренний диаметры, площадь поперечного сечения F, число витков п, при длине магнитной силовой линии /—равна:
n2F di г т />114
U ' z * [#L (4’1)
I at
90
:ИЛИ и=—const— [в]. (4-2)
dt
Константа, входящая в формулу (4-2), называется собственной индуктивностью, или индуктивностью катушки:
const=L = ^omH^- [гн\. (4-3)
Выражение, определяющее индуктивность L, состоит из двух множителей. Первый из них определяется веществом магнитопровода, а второй—геометрическими размерами катушки.
Множитель Р'оНотя=И называется абсолютной магнитной проницаемостью вещества и измеряется в генри на метр [гн/м].
Величина р-0 есть так называемая магнитная постоянная, равная
р.о=4к-1О~7^ 1,257-10-6 [гн/м].
Безразмерная величина
^оя1«= 77
>есть относительная магнитная проницаемость.
Для в.акуума
^=Но и (4-4)
Вещества, для которых ?отн< 1, называют диамагнитными. ’Примером такого вещества является медь. Вещества, для которых р.отк > 1, называются парамагнитными. Частным случаем 'парамагнитных веществ являются вещества ферромагнитные, к которым относятся железо, кобальт, никель и их сплавы. В качестве редкого исключения могут встретиться ферромагнитные сплавы, не содержащие этих веществ.
Опыт показывает, что для всех неферромагнитных веществ, как диамагнитных, так и парамагнитных, равенство (4-4) практически справедливо с достаточно большой точностью; так, например, для воздуха величина р-отн превышает единицу всего на несколько тысячных долей.
Множитель
n2F ~Г
представляет собой произведение квадрата числа витков катушки на частное от деления площади внутреннего сечения соленоида, измеренной в квадратных метрах, на длину силовой линии, измеренную в метрах.
Согласно формуле (4-3) индуктивность катушек должна измеряться в генри. Для индуктивностей, меньших одного .генри, приняты единицы:
1 миллигенри = 1 • 10-3 генри
1 микрогенри=1•10-6 „
1 наногенри = 1 • 1.0-9 „
91
Конструктору приходится считаться с тем, что всякая катушка индуктивности обладает активным сопротивлениемг обусловленным потерей энергии на нагревание проводника, которым она намотана, на нагревание диэлектриков, из которых
сделан каркас и изоляция проводника, а также потерями энергии в ферромагнитном сердечнике, если таковой имеется. Можно предположить, что все эти потери соответствуют некоторому активному сопротивлению R, которое в схеме, эквивалентной катушке, включено последовательно с индуктивностью L
(фиг. 4-1). Емкость Сх, вклю-
* ченная параллельно к после-
___— довательно соединенным со-
противлению и индуктивно-
—-* "— сти, представляет собственную»
Н емкость катушки. Действие
с этой емкости определяется со-
х четанием всех междувитко-
1 вых емкостей и емкостей на
землю.
Реальная катушка индуктивности является сложным двухполюсником, полное сопротивление которого переменному току частотой <о равно:
z=R-------. (4-5)
(1 — <» Z-C^)2 + <o2CxR2
При частоте
_ 1 / * 1 * * * V R2
° V LCX 4£2
или, приближенно, при частоте
1 “о — 77=’
V LCX
называемой частотой собственного резонанса катушки, выражение (4-5) имеет максимум.
При конструировании катушки следует добиваться такого значения ®0, которое было бы по крайней мере в 10 раз больше наивысшего значения частоты пропускаемого через катушку рабочего тока. В этом случае ошибка по индуктивности не превысит 1 % и не выйдет за пределы обычных допусков.
При частотах ниже резонансной полное сопротивление катушки носит индуктивный характер и может быть эквивалентна представлено в виде последовательного соединения сопротивления Rs и индуктивности Ьэ, равных
R3=R---------------
(1-^ + ^
92
где
С R2
Обычно —— < 1 — *12, поэтому можно написать прибли
женно:
(4-6)
(4-7)
Различие в величинах множителей
становится заметным лишь начиная с т] = 0,999.
Индуктивность катушки, вычисленная по предыдущим формулам, не является величиной, абсолютно стабильной во времени. Для любой катушки имеют место более или менее значительные изменения индуктивности, носящие обратимый или необратимый характер.
Изменения обратимого характера возникают под влиянием изменений температуры среды, окружающей катушку. Они характеризуются температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), численно равным относительному изменению индуктивности, приходящемуся на изменение температуры в 1°С. Обозначая величину ТКИ через аЛ, получим, согласно определению:
К числу обратимых изменений индуктивности следует в известной мере отнести также изменения, возникающие под влиянием влаги. Эти изменения при неблагоприятных условиях могут достигнуть значительной величины. В некоторой степени влага может внести в катушку изменения, остающиеся и после fee высыхания и, таким образом, являющиеся необратимыми..
93
К числу необратимых относятся все те изменения, которые* могут возникать под влиянием разного рода механических воздействий.
При конструировании катушки и определении технологии ее изготовления стремятся обеспечить незначительность всех изменений, как обратимых, так, особенно, и необратимых.
Для расчетов электрических параметров схем, в которые входят катушки индуктивности, весьма важно знать, как велика индуктивное сопротивление катушки по сравнению с активным ее сопротивлением. Для этой цели служит коэффициент
Q=~. (4-9>
А
называемый добротностью катушки. Величины Ли/? взяты вместо L3 и R3, так как предполагается, что частота <о находится достаточно далеко от резонансной частоты <о0, а также из-за того, что коэффициент Q достаточно определять с точностью порядка целых процентов.
Величина /? является, как уже упоминалось, суммой всех потерь, имеющих место в катушке при круговой частоте <о, т. е.
R=Rm + Rc "г Rd’ где
RM—потери в меди;
Rc— „ в сердечнике;
Rd— „ в деталях из диэлектрика и в изоляции проводов.
При расчете фильтров часто встречается так называемый коэффициент потерь, равный
Коэффициент потерь удобен, в отличие от добротности, тем, что он может быть очень просто вычислен по отдельным составляющим сопротивления:
d= Rm + Rc + Rs =^L + ^. + ^_=dM + dc+dd. (4-11) со Л (joL
Каждый из коэффициентов dM, dc и dd представляет собой тангенс угла потерь (т. е. угла, дополняющего до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением), который имел бы место при отсутствии в катушке всех других видов потерь, кроме рассматриваемых. Общий коэффициент d согласно формуле (4-10) равен тангенсу угла потерь всей катушки в целом.
Коэффициенты Q и d удобны тем, что благодаря однонаправленности частотной зависимости величин R и они ме
94
няются сравнительно незначительно в пределах довольношироких частотных диапазонов.
Добротность катушек, так же как и их индуктивность, изменяется в зависимости от температуры и влажности, поскольку эти факторы влияют также и на величину потерь в меди, сердечнике, изоляции и каркасе.
Глава пятая
КАТУШКИ БЕЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СЕРДЕЧНИКОВ
5-1. Однослойная цилиндрическая намотка
Одной из простейших конструкций катушек индуктивности является однослойная цилиндрическая катушка. Возможны два исполнения такой конструкции: в первой из них (фиг. 5-1, а)-
Фиг. 5-1
витки разделяются только изоляцией провода, во второй витки располагаются на некотором расстоянии друг от друга, намотка ведется с „принудительным шагом" (фиг. 5-1,б).1
Для уменьшения диэлектрических потерь на высоких частотах каркасы катушек следует изготовлять из хорошего высокочастотного диэлектрика (керамики или полистирола) и придавать им форму полого цилиндра (трубки). При сравни-
1 Под термином „шаг намотки" понимают расстояние между центрами соседних витков.
9S
тельно невысоких частотах допустимы трубки, изготовленные из гетинакса или намотанные из бакелизированной бумаги. В тех случаях, когда требуется большая стабильность размеров катушки, лучше всего применять керамический каркас. В каркасах катушек, наматываемых с принудительным шагом, рекомендуется производить нарезку, в которую удобно укладываются витки катушки. Для уменьшения потерь в каркасе его делают ребристым (фиг. 5-1, в).
Катушки со сплошной намоткой дают высокую добротность и имеют высокую стабильность, однако без значительного увеличения габаритов в такой конструкции нельзя получить индуктивности больше чем 300—500 мкгн (при диаметре до 100мм). При малых габаритах (диаметр порядка 20 мм) индуктивность таких катушек не превышает 10 мкгн. Следует учитывать, что большие размеры каркаса приводят к увеличению диэлектрических потерь в нем.
Дальнейшего увеличения добротности однослойных катушек можно достигнуть применением намотки с принудительным шагом. Стабильность таких катушек при соответствующем выборе материала каркаса также получается выше, чем при сплошной намотке. Эти достоинства достигаются за счет уменьшения максимально возможной величины индуктивности по сравнению со сплошной намоткой при равных габаритах.
Если от катушки требуется особенно высокая* стабильность индуктивности (например катушка колебательного контура измерительного генератора), применяется так называемая „горячая" намотка, которая ведется проводом, нагретым до 70—80° С. Иногда вместо горячей намотки производится вжигание серебряной ленточки в керамический каркас.1 В последнем случае необходимо считаться с некоторым уменьшением добротности из-за повышенного сопротивления слоя металлизации.
5-2. Многослойная цилиндрическая намотка
В тех случаях, когда индуктивность, требуемая от катушки, слишком велика для того, чтобы можно было использовать конструкцию с однослойной намоткой, прибегают к многослойной намотке. При этом габариты катушки используются лучше, чем при однослойной намотке, однако собственная емкость и связанные с ней диэлектрические потери возрастают.
На фиг. 5-2 показана катушка, применяемая в некоторых узлах современной аппаратуры (фильтры, выравниватели, колебательные контуры генераторов). Каркас изготовляется из пластмассы типа фенопласт. Иногда в катушке предусматривается средняя щека, которая делит ее на две полукатушки. Такая конструкция позволяет весьма просто решать вопрос
1 О вжигании серебра см. гл. 3.
96
разнесения индуктивности в противоположные плечи фильтров с уравновешенной схемой.
Катушки, изготовленные согласно фиг. 5-2, позволяют осуществлять индуктивности от 0,3—0,5 до 70 мгн и даже более. Такая конструкция рассчитана на получение значительных индуктивностей при сравнительно низких частотах.
Для осуществления малогабаритных катушек со сравнительно небольшой индуктивностью, необходимых при работе на частотах не свыше 150 кгц, следует применять каркасы
меньших размеров. Один из возможных вариантов такого каркаса показан на фиг. 5-3.
Повышенные значения частоты требуют замены фенопластов материалами с возможно меньшими диэлектрическими потерями. Малые размеры каркасов затрудняют применение керамики, вместо которой обычно используется полистирол. Площадь окна, как правило, разделяется перегородками на отдельные секции. Эта мера позволяет уменьшить собственную емкость катушки (см. ниже).
В новейших образцах аппаратуры катушки, показанные на фиг. 5-2 и 5-3, применяются сравнительно редко. Объясняется это тем, что на частотах ниже 30—40 кгц, где эти катушки позволяют добиваться больших значений индуктивности, они, как правило, заменяются катушками с особой конструкцией намотки и ферромагнитными сердечниками (за исключением тех случаев, когда катушки обтекаются значительными токами, опасными с точки зрения возникновения нелинейных искажений)-, а на более высоких частотах на смену им пришли более простые по конструкции, стабильные и обладающие достаточно малой собственной емкостью катушки с так называемой универсальной намоткой, применяемые как с ферромагнитными сердечниками, так и без них.
7 Зак. № 129 97
5-3. Универсальная намотка
Появление универсальной намотки было вызвано стремлением, с одной стороны, уменьшить собственную емкость намотки и, с другой стороны, по возможности упростить конструкцию каркаса. Для уменьшения собственной емкости надо изменить конструкцию намотки многослойной цилиндрической катушки таким образом, чтобы отдельные витки провода касались друг друга на наименьшей длине. Этого можно добиться, перейдя к намотке, конструкция которой становится ясной при рассмотрении про-
цесса ее осуществления.
Каркасом универсальной катушки служит трубка из бакелизированной бумаги или радиофарфора, которая при намотке прочно закрепляется на валу намоточного станка, приводимом во вращение электродвигателем (фиг. 5-4). Пара конических шестерен с отношением зубцов 1 :1 приводит во вращение зубчатку Д, которая
Зксцентрик через пару ленивцев воз-
действует на зубчатку Б. фиг- 5'4 Ленивцы имеют, как пра-
вило, одинаковое число зубцов, но иногда, если с отношением 1 :1 конструкция намотки не удается, применяют отношение 1:2. На ось зубчатки Б насаживается эксцентрик, толкающий стержень, на который насажен поводок, укладывающий провод. Форма эксцентрика рассчитывается таким образом, чтобы между переменами направления его движения поводок двигался вдоль оси катушки с постоянной скоростью. При обычной цилиндрической многослойной намотке вместо трубки на оси станка закрепляют каркас со щеками, а ход поводка рассчитывают так, чтобы он проходил длину намотки за время, соответствующее числу оборотов, примерно равному длине намотки, деленной на диа-
метр провода в изоляции.
Универсальная многослойная намотка отличается от обычной цилиндрической тем, что движение поводка совершается значительно быстрее. Один виток намотки соответствует движению поводка по крайней мере- в одну и другую сторону с размахом на всю длину намотки.
На фиг. 5-5, а показана в развернутом виде наружная поверхность катушки, проходящая перед поводком за один полный цикл его движения. Провод ложится на ней, образуя
98
ломаную линию. Если расположить соседние витки так, как показано на фиг. 5-5, б, то они будут соприкасаться друг с другом только в точках пересечения и собственная емкость будет минимальной.
Ломаная линия на фиг. 5-5, а получается, как это нетрудно сообразить, при отношении чисел зубцов зубчаток
Фиг. 5-5
А и Б, равном 1:1. В этом случае одному полному циклу движения поводка соответствует по окружности катушки длина тс£)0, где Do—диаметр каркаса. Длину намотки можно считать равной размаху b движения эксцентрика или, что то же самое, размаху движения поводка (точнее b + d, где d—диаметр провода).
Если отношение чисел зубцов зубчаток А и Б равно некоторой величине х, то один цикл движения поводка (фиг. 5-5, в) будет соответствовать по окружности катушки длине 7*
99
откуда
. 2Ьх
или
rcZ?0 tg а
•А, —
2b
Угол а, называемый углом наклона намотки, не должен быть слишком большим, так как иначе провод будет соскальзывать с поводка при перемене направления укладки, катушка увеличится в направлении длины намотки и будет механически непрочной. С другой стороны, при слишком малых значениях угла а витки будут сползать и катушка также будет механически непрочной. Допустимая величина этого угла зависит от диаметра каркаса, степени трения между проводом и каркасом и от жесткости провода.
Для заданных материалов провода и каркаса величина a является функцией диаметра каркаса; чем больше диаметр, тем меньше следует брать а. При заданном диаметре этот угол допустим тем большим, чем более шероховата поверхность каркаса. На практике встречаются углы от 19 до 26°.
Выбор соотношения чисел зубцов колес А и Б определяет не только форму намотки за один цикл движения поводка, но и ее форму за один намоточный цикл. Под этим термином мы условимся понимать целое число циклов движения поводка, примерно соответствующее одному витку намотки.
Опыт показывает, что катушки получаются более прочными механически, если провод образует на их внешней поверхности сравнительно простой рисунок. Поэтому надо стремиться к тому, чтобы отношение количеств зубцов колес А и Б имело в числителе и знаменателе возможно меньшие целые числа. Если подсчет величины х, произведенный по формуле (5-1), не дает таких простых отношений, то надо взять ближайшее значение, выражаемое простой дробью. Поскольку подсчет обычно ведется исходя из максимально возможного а, то это ближайшее значение хг следует брать меньше расчетного значения х.
В связи с переходом от отношения х к отношению х' удобно ввести некоторый фиктивный Диаметр каркаса как бы сохраняющий исходную расчетную величину а. определения £>0 перепишем уравнение (5-1):
Г) — 0 л tg а ’
Если каждый намоточный цикл будет накладываться ностью на предыдущий, то намотка не будет соответствовать фиг. 5-5, б. Для получения подобной намотки необходимо, 100
(5-1)
Для
(5-2)
пол-
чтобы каждый последующий цикл заканчивался раньше предыдущего (намотка с опережением) или позже его (намотка с отставанием). Опыт показывает, что механические свойства катушек получаются наилучшими, если расстояние между центрами соседних витков будет равно 1,25 d9 где d—диаметр провода с изоляцией. Для получения такого смещения витков надо перейти от некоторого соотношения л/, вычисленного выше, к новой величине этого соотношения, равной х". Опыт также показывает, что от выбора и дальнейшего соблюдения этой величины весьма сильно зависит прочность катушки.
На фиг. 5-5, г показана часть намоточного цикла, соответствующая при намотке с отставанием одному циклу движения поводка. Пунктиром обозначена укладка провода при отношении х' вместо х". Началу намотки отвечает точка г, первый цикл движения поводка во время первого намоточного цикла заканчивается в точке s.
При отношении зубчаток, равном х", расстояние r—s равно Л£°. При отношении х' за один поводковый цикл по окруж-х"
ности будет покрыто расстояние -р—.
Обозначим разность этих расстояний через
Z
где q равно
числу циклов движения поводка, приходящихся на один намоточный цикл. Получим:
х” х' q
(5-3)
В случае намотки с опережением знак минус следует заменить знаком плюс. Учитывая это обстоятельство, уравнение (5-3) можно написать в общем виде:
х" х'
(5-4)
На фиг. 5-5, д представлены два аналогичных цикла движения поводка, взятые из двух последовательных циклов намотки с отставанием: первый поводковый цикл rs и второй r's'. За один намоточный цикл запаздывание или отставание будет в q раз больше, чем за один цикл движения поводка, т. е. оно будет равно величине z.
Из треугольника гг'г" на фиг. 5-5, д, при расстоянии между центрами проводов, равном l,25tZ, имеем:
l,25d sin
(5-5)
101
l,25d
Введем это значение z в (5-4): 1 __1_ х” х' пИцд sin р
Углы а и р отличаются друг от друга весьма незначительно. Перепишем (5-6), полагая а = р и подставляя величину Do из (5-2):
(5-6)
1,25dA'u tg a 2nbx q sin a
v" х1
Это выражение можно упростить, полагая, ввиду малости угла, синус равным тангенсу:
1 х'
0,63d bq
(5-7)
Величина — обычно значительно меньше единицы. По-bq
этому можно написать:
0,63d bq
(5-8)
Намотке с отставанием соответствует знак плюс, намотке с опережением—знак минус.
При определении величины х" надо следить за тем, чтобы за один ход поводка на каркасе укладывалось по крайней мере пять-шесть диаметров провода. Это создает прочное основание для последующих слоев.
Зная b и число витков, нетрудно определить высоту намотки. По фиг. 5-5, е, на которой представлен один слой универсальной намотки, можно вычислить расстояние между аналогичными точками соседних витков. Оно будет равно:
-*^. — 1,25 d,
COS a
поскольку угол a мал.
На длине b уложится
b
— витков, а на каждый слои при-
(А \
------h 1 витков.
l,25d /
дется, как это видно из
Если п есть общее число витков в катушке, а /п—число слоев, то
n
m ’
b l,25d
откуда
l,25dn т==-------------
b + l,25d
102
и высота намотки
t=md=
1,25сРп b + l,25d
Из-за некоторого сплющивания изоляции проводов при на мотке фактическая высота будет на 5—10% меньше.
5-4. Тороидальная намотка
Все рассмотренные выше конструкции катушек без магнитных сердечников имеют весьма существенный недостаток— они обладают значительными внешними электромагнитными полями, вследствие чего могут вызывать помехи в соседних электрических цепях и сами подвергаться воздействию внешних полей, Та- -FT'WVc. кие катушки нельзя располагать близко jT\\\ ///% друг к другу; при установке в аппара-туре их приходится экранировать, экран же изменяет их электрические свойства л -ъ I (см. ниже). (L-Д ;
От указанного недостатка почти пол-ностью свободны только тороидальные катушки. Подобная катушка (фиг. 5-6) представляет собой цилиндрическую ка-тушку, свернутую в кольцо. При равно- f / \ х
мерном нанесении намотки на тороид \ \ J /7))$
все силовые линии замыкаются внутри г“~
него, в результате чего внешнее маг- Фиг. 5-6
нитное поле,, при идеально равной намотке, отсутствует полностью. Однородные внешние поля не воздействуют на катушки этой конструкции.
Указанные особенности тороидальных катушек привели к тому, что они иногда находят применение среди прочих катушек, не имеющих магнитных сердечников, несмотря на присущие им явные недостатки, выражающиеся в трудности получения высокой добротности по сравнению с другими конструкциями, в значительности величины собственной емкости и, особенно, в сложности технологии нанесения намотки на тороид.
Тороидальные катушки без магнитных сердечников применяются в тех фильтрах, которые подвергаются воздействию больших уровней, а также в некоторых системах пупинизации вводных кабелей, предназначенных для многоканальной связи. При частотах до 10 кгц иногда применяются катушки, намотанные на сплошных тороидах из хорошо просушенного дерева (пальма, дуб). При более высоких частотах используют радиофарфор или пластмассы с малыми диэлектрическими потерями. В,последнем случае имеет смысл придавать каркасу двутавровое сечение, чем увеличивается его жесткость и уменьшается
103
возможность коробления. Кроме того, это уменьшает объем пластмассы как диэлектрика внутри катушки, благодаря чему уменьшается соответствующий вид потерь.
Для получения небольших индуктивностей максимальной стабильности на фарфоровые тороиды наносят намотку путем вжигания серебряной спирали.
5-5. Расчет индуктивности
В четвертой главе была дана формула (4-3) для вычисления индуктивности весьма длинной цилиндрической катушки с наружным диаметром, близким к внутреннему:
т п'2? Г 1
L = №omH— [г«1-
Для катушки без ферромагнитного сердечника можно написать:
L = 1,257-у^- 10-6 [гн\, (5-9)
где F выражается в кв. метрах, а /—в метрах.
Вместо I для очень длинных катушек можно подставить длину намотки b (см. фиг. 5-8). Вместо F можно подставить
F=—°-,
4
где Do—внутренний диаметр катушки (наружный диаметр каркаса) в метрах (см. фиг. 5-8). Тогда
1=^М0-7[гя]. <5'10)
При обычно' принятых, не слишком больших, значениях длины катушки формула (5-10) даст неточные результаты. Неточность получается также за счет того, что во многих случаях нельзя считать равными внешний и внутренний диаметры намотки.
Влияние длины катушки на точность подсчета индуктивности согласно формуле (5-10) можно оценить по кривой, приведенной на фиг. 5-7. Здесь по оси абсцисс отложены значе-
Ь L т 7
ния —, по оси ординат—отношения —, где L — индуктивность» вычисленная по формуле (5-10), a L— истинная индуктивность» полученная путем сложных вычислений по формулам, приводимым в специальных монографиях.
Кривая фиг. 5-7 может быть использована в качестве поправочного графика в ряде расчетов однослойных цилиндрических катушек. Для многослойных катушек она, как правило»
104
неприменима, так как в этом случае обычно нельзя говорить даже приближенно о равенстве внешнего и внутреннего диаметров намотки.
Точному расчету катушек различной конфигурации посвящена довольно большая литература, из которой следует упомянуть работы А. А. Колосова и Н. Н. Шольц. При инженерных расчетах лучше всего пользоваться номограммами. Один из удобных вариантов таких номограмм, составленный для
Фиг. 5-7
Для катушки, показанной на фиг. 5-2, расчеты дают следующую формулу:
п-170]/ Ьмгн.
Наиболее важным результатом расчета всякой катушки является число витков, необходимое для осуществления индуктивности заданной величины при заданных геометрических размерах. Сверх рассчитанного числа витков делают накидку до 5% для обеспечения возможности подгонки индуктивности в процессе производства. Если катушка будет помещена в Зкран, то число витков увеличивают дополнительно, чтобы компенсировать влияние экрана (см. ниже).
Для катушек универсальной намотки индуктивность получается несколько больше рассчитанной по упомянутым выше номограммам; отклонение получается за счет того, что при такой намотке длина провода при заданном числе витков получается больше, чем при простой цилиндрической намотке. Увеличение индуктивности достигает 7—8%.
10&
Из всех конструкций катушек наилучшее приближение к случаю весьма длинной катушки, для которой полностью справедлива формула (5-10), дают катушки тороидальной формы. При этом формулой (5-10) можно пользоваться, не вводя никаких поправок. Вместо величины b следует подставлять умноженную на число тс полусумму внешнего и внутреннего диаметров тороидного каркаса. При однослойной намотке толстым проводом следует вместо Do для формулы (5-10) брать величину Dq + d, где d—диаметр изолированного провода, а при намотке т слоев—величину D^+md,
5-6. Собственная емкость катушки
Из рассмотрения формул (4-6) и (4-7) явствует, что наличие собственной емкости катушки вызывает изменение фактического значения* ее индуктивности и особенно ее активного сопротивления [см. формулу (4-6)]. При анализе, проведенном в предыдущей главе, принималось, что собственная емкость может быть представлена в виде идеального конденсатора.
В реальных условиях необходимо считаться с тем, что этот конденсатор обладает потерями, действие которых, особенно на повышенных частотах, сказывается в дополнительном увеличении сопротивления катушки переменному току и, следовательно, в снижении ее добротности.
Собственную емкость однослойной катушки принято рассчитывать по весьма простой эмпирической формуле
Cx=kD. [пф], (5-11)
где Dq—наружный диаметр каркаса в сантиметрах.
Коэффициент k, входящий в эту формулу, зависит от шага намотки т и диаметра провода без изоляции d0. Его значения могут быть определены из следующей таблицы:
z/do 1,25 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 >5,0
k 0,65 0,61 0,55 0,51 0,48 0,445 0,435 0,43
Формулой (5-11) можно пользоваться для гладких каркасов с относительной диэлектрической проницаемостью soznw=4-4-6. При большем значении $отн величина емкости пропорционально возрастает. Значения еотн для различных материалов приведены в приложении 5-2.
Если намотка ведется с принудительным шагом и витки укладываются в нарезную канавку, то емкость катушки увеличивается на 15—25% по сравнению с расчетом по формуле (5-11).
а Об
Катушки, намотанные на гладком каркасе, как правило, покрываются лаком, придающим намотке механическую прочность и защищающим ее от действия влаги. Такое покрытие увеличивает собственную емкость на 20—30%.
Наименьшие собственные емкости порядка 1,0—1,5 пф получаются при намотке с принудительным шагом без укладки витков в канавку. При сплошной однослойной намотке емкость доходит до 5 пф.
Многослойные намотки могут обладать значительной емкостью, составляющей десятки пикофарад. Емкость многослойной катушки, намотанной ряд на ряд, вычисляется приближенно по формуле
Сх=(0,0845 еооти1 + 0,0823 готн^ 1ср {пф\, (5-12)
где
1ср—длина среднего витка в сантиметрах;
готн 1—относительная диэлектрическая проницаемость материала изоляции проводников;
8о7п«2““Т0 же для внешней среды (обычно
Формула (5-12) дает лишь приближенные (оценочные) значения Сх. Кроме того, она' не годится в тех весьма распространенных случаях, когда для уменьшения емкости между слоями витков делают прокладки из кабельной или бакелизированной бумаги. В таких случаях прибегают к измерениям, которые, будучи произведены на нескольких образцах, позволяют судить о величине емкости, которую можно ожидать от катушки заданных размеров и конструкции.
Собственную емкость проще всего определять по ее влиянию на эквивалентную индуктивность катушки. Если измерить три значения индуктивности Lzo, Lfl и Lf2 при частоте /0, близкой к нулю, и при частотах и /2, то значение собственной емкости может быть определено по формуле
С = ~~~ Lfi
Универсальные намотки дают по сравнению с обычными не-секционированными многослойными уменьшение емкости в несколько раз. Собственная емкость катушек с такой намоткой может быть подсчитана по эмпирической формуле
Сх=1^-[пф\, (5-14)
где
DcP—средний диаметр намотки в сантиметрах;
Ь—длина намотки 1 в любых одинаковых единицах;
t— высота намотки J
107
р—число циклов движения поводка за один намоточный цикл;
7—коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств изоляции обмотки и ее толщины.
Значения у можно взять из следующей таблицы:
Тип изоляции1 ПЭ ПЭШО пшд ПЭБО ЛЭШО
7 3,7 3,8 3,9 4,3 5,0
Исследования емкости катушек с универсальной намоткой показывают, что при неизменности диаметра каркаса и длины намотки собственная емкость уменьшается с увеличением числа витков.
Многослойные катушки пропитываются изолирующими составами для уменьшения влияния влаги. Пропитка увеличивает собственную емкость на 20—30%, но зато, укрепляя катушку в механическом отношении, стабилизирует , величину емкости.
Весьма эффективным средством борьбы с влиянием собственной емкости является секционирование катушек—в обычных цилиндрических катушках для этой цели предусматриваются перегородки внутри окна намотки, при универсальной намотке на одном и том же каркасе наматываются несколько катушек, разделенных небольшим зазором. Уменьшение общей емкости катушки происходит за счет последовательного соединения емкостей отдельных секций.
Точных формул для подсчета влияния секционирования не существует, однако известно, что, разбив цилиндрическую катушку с многослойной намоткой на три-четыре секции, можно добиться такой же собственной емкости, что и у несекциони-рованной катушки с универсальной намоткой соизмеримых размеров, а иногда и меньшей емкости. Увеличение числа секций свыше четырех серьезного уменьшения емкости не вызывает, потеря же площади намоточного окна получается значительной.
Вопрос о собственной емкости тороидальных катушек будет рассмотрен ниже, в разделе о катушках с магнитными сердечниками. Укажем только, что эта емкость получается большей, чем емкость цилиндрических катушек аналогичной конструкции,—тороид является согнутой в кольцо цилиндрической катушкой, в месте стыка концов которой образуется дополнительная емкость.
При расчете собственной емкости катушек следует учитывать, что она может серьезно увеличиться под влиянием помещения катушки в экран.
1 Типы изоляции проводов см. в приложении 5-3.
108
5-7. Выбор провода, влияние габаритов
Расчет добротности катушек без магнитных сердечников сводится в основном к расчету активного сопротивления ее намотки переменному току. При повышенных частотах (диапазон коаксиальных систем) в дополнение к этому основному расчету приходится учитывать потери энергии в диэлектрике каркаса и изоляции проводов.
Активное сопротивление катушки переменному току частотой f может быть выражено следующей формулой
R ^A + Cf + Df; (5-15)
здесь
А=/?0—сопротивление катушки постоянному току;
Cf2=R6M—сопротивление, обусловленное потерями энергии вследствие образования вихревых токов в меди, индуктируемых в каждом витке катушки как от собственного поля данного витка, так и от полей остальных витков;
Dfz=Rd—сопротивление потерь в диэлектрике каркаса и изоляции проводов.
Влияние вихревых токов приводит к поверхностному эффекту в проводнике—ток как бы вытесняется к наружной поверхности проводника, чем уменьшается его полезное сечение, а также к поверхностному эффекту обмотки или, иначе, эффекту близости, благодаря которому ток в проводнике как бы сдвигается к внешней части обмотки.
Для намотки катушек удобнее всего использовать медный провод марки ПЭШО,1 изолированный так называемой эмалью, представляющей собой жирный лак, и одним слоем шелка.
Для уменьшения потерь на вихревые токи применяется многожильный провод типа ЛЭШО, называемый литцендратом. Литцендрат состоит из значительного количества тонких жилок, отделенных друг от друга эмалевой изоляцией и скрепленных общей шелковой обмоткой. Токонесущая поверхность такого многожильного проводника получается гораздо большей, чем у равного ему по размеру проводника со сплошным сечением. Тем самым ослабляется вредное действие поверхностного эффекта. Для ослабления эффекта близости желательно свивать многожильный проводник в канатик.
Сопротивление катушки постоянному току зависит от величины и формы катушки, от числа ее витков, от сечения провода и его проводимости.
При частотах подтонального и тонального диапазонов сопротивление /?0 является основным источником потерь в катушке. При частотах до 1 мггц оно может составлять до
1 Марки для проводов см. в приложении 5-3.
109
Фиг. 5-8
половины активного сопротивления катушки, однако уже при частотах порядка десятков мегагерц (малые индуктивности!) оно становится исчезающе малым по сравнению с сопротивлениями, обусловленными другими видами потерь.
Сопротивление /?0 для случая цилиндрической катушки, намотанной одножильным проводом, может быть вычислено по формуле
Яо = Р^% [ом], (5-16)
яф>
4
где
d0—диаметр провода без изоляции в миллиметрах;
п—число витков;
р—удельное сопротивление материала провода в омах на метр при сечении в 1 мм2 (для меди 0,0175 ом)-,
lcp = ^Dcp—средняя длина витка в метрах;
DCp
Для многожильного высокочастотного проводника (литцендрат) с диаметром жилы, равным rf0, и числом жил z
R0 = a9^ [ол«]. (5-17)
Z---
4
средний диаметр катушки (фиг. 5-8).
Коэффициент а, входящий в эту формулу, учитывает удлинение жилки литцендрата под влиянием скрутки; он имеет следующие значения:
Для z — 3.............................а = 1,02
» z — 9..............................а = 1,04
» z = 21.............................а = 1,06
В случае универсальной намотки необходимо учитывать увеличение средней длины витка по сравнению с намоткой цилиндрического типа. Из геометрии катушки вытекает, что длина витка, а следовательно, и сопротивление катушки увеличивается в —-— раз, где а есть угол отклонения провода.
COS а
Для тороидальных катушек без магнитных сердечников, имеющих небольшое число витков, /?0 можно определять по тем же формулам, что и для цилиндрических катушек.
Вычисление потерь, обусловленных вихревыми токами, сравнительно сложно. Для катушек без магнитных сердечни-
110
ков удобно пользоваться формулами, выведенными Баттервортом и основанными на представлении сопротивления, обусловленного вихревыми токами, в виде суммы двух сопротивлений, одно из которых равно приросту активного сопротивления прямого провода, подлежащего намотке, при возрастании частоты от нуля до /, а другое—дополнительному приросту, имеющему место при частоте / под влиянием сворачивания провода в катушку.
Для катушек с намоткой сплошным проводом сопротивление R„M может быть вычислено по формуле
ReM = R0 f^+f—Г о], ем I I । 2Z) / I 7
(5-18)
где
D—наружный диаметр катушки (фиг. 5-8);
k —коэффициент, учитывающий связь между размерами катушки и эффектом близости; определяется по графикам фиг. 5-9 для однослойных катушек и фиг. 5-10— для многослойных катушек;
F—коэффициент, учитывающий влияние поверхностного эффекта;
G—коэффициент, учитывающий связь между частотой, диаметром провода и величиной эффекта близости.
Значения коэффициентов F и G определяются по таблице,, приведенной в приложении 5-4.
При намотке литцендратом сопротивление ReM вычисляется по формуле
ReM=R. I/7 + Г тг + ®2] *4°) - (5-19)
I L “о ' ' J J
где ;
dQ—общий диаметр многожильного проводника в миллиметрах,, без учета наружной шелковой изоляции;
Ш
d0—диаметр отдельной жилки в миллиметрах;
г0—число жилок;
с—коэффициент, зависящий от числа жил и определяемый из следующей таблицы:
Z 1 3 7 9 15 19 27 <27
с 0 1,55 1,82 1,84 1,88 1,9 1,92 «2,0
Коэффициенты F, G и k, входящие в формулу (5-19), определяются так же, как и в предыдущем случае.
Расчеты потерь в меди по формулам (5-18) и (5-19) довольно громоздки. В практике дальней связи часто применяются упрощенные формулы, выведенные Вейзом. Эти формулы выведены в предположении, что все вихревые потери в 112
меди обмотки определяются фактом сматывания провода в катушку, вихревыми же потерями в прямом проводнике можно пренебречь. Н. Н. Шольц и Г. Керстен показали, что такое предположение вполне подтверждается на практике.
Для литцендрата из z жилок сопротивление R6M может быть приближенно выражено, по Вейзу, следующим образом:
/?вл=у--^-/2<гпг.1О-16 , (5-20)
где
1ср—средняя длина витка в сантиметрах;
/—средняя длина магнитной линии в сантиметрах;
/"—частота в герцах;
dQ—диаметр жилки в миллиметрах.
Проще всего эта формула применима к весьма длинным катушкам, где вместо Z подставляется длина намотки Ь, и к тороидам, где величина 1=Ь вычисляется согласно соображениям, приведенным на стр. 106.
Для коротких цилиндрических катушек формулой (5-20) можно пользоваться, если вместо I подставлять так называемую условную длину катушки Ьу, которая может быть найдена в соответствии с истинной длиной намотки b и ее средним диаметром Dcp по следующей таблице:
Dcplb bylb Dcplb bylb
0,01 1,005 1,0 1,445
0,02 1,009 2,0 1,880
0,05 1,023 5,0 3,125
0,1 1,045 10,0 5,000
0,2 1,090 20,0 8,000
0,5 1,224 50,0 11,000
Сопротивление потерь в диэлектрике, определенное третьим членом в правой части формулы (5-15), расчетным путем учесть трудно, приходится прибегать к эксперименту. Потерями, вносимыми диэлектриком каркаса, обычно, при правильном выборе материала для его изготовления, можно пренебречь; более опасными представляются потери в диэлектрике собственной емкости, который бывает менее совершенным, чем Материал каркаса. Особенно опасны в этом отношении материалы пропиточных масс.
Формулы (5-18) — (5-20) позволяют рассчитать потери на вихревые токи в меди обмотки при заданных габаритах катушки, числе витков и диаметре провода. Для конструктора представляет весьма большой интерес вопрос о том, как зависят эти потери от диаметра провода при прочих заданных
8
Зак. № 129
113
условиях. Ответ на этот вопрос можно получить при рассмотрении фиг. 5-11, на которой кривая а представляет сопротивление вытянутого проводника (сопротивление постоянному току плюс дополнительное сопротивление, обусловленное поверхностным эффектом); с ростом диаметра это сопротивление падает как за счет уменьшения сопротивления постоянному току, так и за счет увеличения поверхности проводника. Кривая б представляет собой дополнительную составляющую активного сопротивления, возникающую под влиянием эффекта близости (т. е. под влиянием сворачивания провода в катушку), который при постоянных габаритах катушки проявляется тем сильнее, чем больше диаметр провода.
Суммарный график а + б имеет минимальное значение при определенном диаметре провода,
Фиг. 5-11 который можно считать опти-
мальным для данной частоты.
Для определения оптимального диаметра сперва находят некоторую вспомогательную величину р по формуле
р2= £^.1о-12, 2)з
(5-21)
где
£—индуктивность в генри;
D—наружный диаметр намотки в сантиметрах;
S—коэффициент, определяемый по размерам катушки (см. приложения 5-5 и 5-6).
f
Далее вычисляется отношение —, где f выражается в гер-р2
цах, и из графика фиг. 5-12 находится donm. f Для значений — р2
по формуле
• < 104 оптимальный диаметр определяется р2
з
где f выражено
Оптимальный заданного числа чина р определяется по формуле
о , z2LS2-10-12
r D3
в герцах.
диаметр жилки литцендрата определяется для жилок z аналогичным образом, только вели-
114
где о берется из следующей таблицы:
Z 1 3 7 9 15 27 >27
о 0 0,9 2,4 3,3 5,7 10,4 0,4z
При выборе провода для осуществления универсальной намотки следует учитывать также соображения механического порядка: диаметр провода не должен быть менее 0,07 мм, так как более тонкий провод будет рваться при укладке его
ибо иначе не получится правильной укладки при принятых углах наклона провода. Максимальное значение этих углов, на основании данных практики, можно принять равным 20—21° для ПЭШО и ПЭШД и порядка 25° для ЛЭШО.
Добротность катушки при некоторой частоте зависит не только от того, насколько выбранный диаметр провода близок к оптимальному при заданных габаритах для данной частоты, но также и от соотношения размеров катушки и их абсолютной величины. В качестве общего правила можно утверждать, что основным средством увеличения добротности катушки в весьма значительных пределах будет увеличение ее размеров, так как при неизменности диаметра провода можно наматывать катушку с прокладками и тем самым ослабить эффект близости. В части увеличения диаметра провода при увеличении размеров катушки далеко идти нельзя, это ясно показывает 'формула (5-21). Также нельзя слишком увеличивать подразделенность литцендрата за счет уменьшения диаметра от-
8*
115
дельных жилок — чрезмерно повышается процент содержания
изоляции и растет стоимость намотки.
Для однослойных катушек, при заданных индуктивности и диаметре, добротность, как показывают расчеты, будет максимальной при -^-^0,5. Соотношение это не является критич
ным. При постоянстве индуктивности и пропорциональном изменении всех размеров катушки добротность возрастает (при
а ~
1М2Н
^*****Л*" 10 мгн——
i | Men
/У Наивыгоднейший
рабочий диапазон
Г
10 20 зо о о кга
Фиг. 5-13
тах они теряют свои преимущества
сохранении оптимальности диаметра провода) примерно пропорционально корню квадратному из диаметра катушки. Для катушек с принудительным шагом намотки известного увеличения добротности можно добиться подбором шага намотки. В среднем следует стремиться к шагу т = 2б/0.
Для намотки однослойных катушек применяется, как правило, сплошной провод. Многожильные провода имеет смысл применять лишь при частотах ниже 1—\,Ьмггц, при более высоких часто-из-за действия диэлектри-
ческих потерь в изоляции отдельных жилок.
Для однослойных катушек со сплошной намоткой удается получать добротности порядка Q= 100-^-150, для катушек с принудительным шагом Q^200.
Расчеты показывают, что для многослойных катушек наилучшая добротность получается при условии 3t 2b=D. Применяемая в аппаратуре дальней связи катушка, показанная на фиг. 5-2, удовлетворяет этому условию, которое не является остро критичным (допустимы некоторые отклонения).
С увеличением размеров катушки добротность возрастает. Фенопластовый каркас, показанный на фиг. 5-2, был первоначально создан для катушек, используемых в диапазоне от 6 до 40 кгц. На фиг. 5-13 приведена частотная зависимость добротности катущек, намотанных на этом каркасе. Катушки намотаны проводом ЛЭШО, который имеет смысл применять, начиная с частот порядка 15 кгц. Кривые фиг. 5-13 типичны для частотных характеристик добротности. Эти характеристики имеют сравнительно тупой максимум, который должен соответствовать рабочей частоте катушки. Под этим термином
116
следует понимать: для катушек генераторных контуров — частоту резонанса контура, для катушек фильтров—частоту среза для фильтров верхних и нижних частот и среднее геометри-
ческое из частот срезов для полосовых фильтров, для катушек всплесковых контуров фильтров—частоту всплесков затухания.
В последних советских установках (В-12, В-3) катушки, показанные на фиг. 5-2, употребляются в основном при частотах порядка 30—150 кгц и даже несколько выше. Катушки этого типа вмещают индуктивности до 70 мгн (фильтр ДК-33); при такой индуктивности для повышения добротности используется провод ЛЭШО 7 X 0,1. При меньших индуктивностях, соответствующих более высоким частотам, применяются более подразделенные проводники.
Для уменьшения влияния собственной емкости и для обеспечения опти
мальных соотношений размеров намотки, все катушки рассчитываются на полное заполнение габаритов каркаса. Как правило, провод оптимального диаметра не дает полного заполнения каркаса. Тогда между рядами витков намотки помещают прокладки из бумажной ленты, толщину которых нетрудно определить простейшими геометрическими соображениями. В практических условиях количество прокладок может почти безошибочно определить на глаз любая опытная намотчица.
.Катушки, показанные на фиг. 5-2, позволяют получать при -частотах до 150 кгц и индуктивностях, доходящих в сторону уменьшения до 1 мгн, добротности порядка 150. Для индук
117
тивностей меньше 1 мгн удобнее пользоваться меньшими каркасами.
На фиг. 5-14 показана частотная характеристика добротности малогабаритной цилиндрической катушки, секционированной для уменьшения собственной емкости.
Для универсальной намотки наибольшие добротности получаются при квадратном сечении окна намотки, т. е. при равных b и t, однако следует помнить о том, что узкие катушки обладают меньшей собственной емкостью, чем широкие. Кроме того, надо учитывать также и то, что для достижения, при существующих станках, правильной укладки провода длина намотки не должна превышать примерно 10 мм, высота же ее технологией не ограничивается. По этим причинам сечения катушек с универсальными намотками очень часто отличаются от оптимальной квадратной формы. Ввиду малой критичности соблюдения оптимальной формы отклонения от нее допустимы.
На фиг. 5-15 показана катушка с универсальной намоткой, используемая в кварцевых фильтрах 12-канального блока. При индуктивности порядка 40 мгн эта катушка имеет добротность до 170 (ЛЭШО 12X0,1).
5-8. Экранирование катушек
Серьезным недостатком большинства катушек без магнитных сердечников являются большие внешние поля.
В настоящее время катушки без магнитных сердечников используются в основном при частотах от 30 кгц и выше. При таких частотах наиболее выгодным является принцип электромагнитного экранирования, при котором поле катушки возбуждает в металлическом экране вихревые токи. Поле этих токов компенсирует действие поля, создаваемого катушкой за экраном. Экран защищает таким образом элементы схемы, расположенные рядом с катушкой, от воздействия ее поля и, наоборот, защищает катушку от воздействия внешних полей. Экранирование будет тем более совершенным, чем больше будут вихревые токи, т. е. чем выше частота тока в катушке, чем меньше удельное сопротивление материала экрана и чем толще экран. В гл. 14 излагаются подробности расчетов затухания экранирования — величины, определяющей уменьшение поля помехи под влиянием экрана,—в зависимости от материала экрана, его толщины и конфигурации.
’ При частотах, используемых в проводной связи по коаксиальным кабелям и в радиосвязи, толщина экранов из меди и алюминия определяется только механической их прочностью. Иначе обстоит дело для более низких частот, используемых во многих системах дальней связи. В таких системах, в особо ответственных случаях, толщина экранов доходит до 2 мм. При определении этой толщины необходимо учитывать то об
ив
стоятельство, что одиночное действие экранов встречается в аппаратуре сравнительно редко; кроме экрана на самой катушке, часто предусматривается общий экран для всего четырехполюсника, в который эта катушка входит, имеются экраны на соседних катушках и т. д. Благодаря этому требования к толщине одиночных экранов могут быть снижены.
Для того чтобы экран вокруг катушки был сплошным, прибегают к пропаиванию его швов. Эта мера одновременно позволяет осуществить герметизацию катушки, полезную с точки зрения ее стабильности. На фиг. 5-16 показано экранирование катушки, используемой в кварцевых фильтрах 12-канального блока (см. фиг. 5-15). Экран сделан из красной меди. Приме
нению алюминия для экранов до последнего времени препятствовали трудности его паяния. Открытие технологии ультразвуковой пайки устраняет эти трудности и открывает интересные перспективы в части замены алюминием дорогостоящей меди.
В тех случаях, когда от катушки требуется максимально возможная добротность, экран, расположенный близко к ней, применять нельзя. При этом рекомендуется рассчитывать расстояние до ближайших металлических предметов по крайней мере равный диаметру намотки, а соседние катушки располагать так, чтобы их плоскости намотки были взаимно перпендикулярны.
Помещение катушки в экран ведет к изменению ее индуктивности и добротности. Первое из этих изменений объясняется размагничивающим действием встречного потока, создаваемого индуктированными в экране вихревыми токами, второе же — отбором энергии, идущей на создание вихревых токов.
Влияние экрана на электрические качества катушки было подробно исследовано А. А. Колосовым и Г. Каденом. Наиболее полный расчет влияния экрана на катушку был создан Каденом для случая цилиндрических катушек в цилиндрических же’ экранах.
119
Согласно этому расчету экран уменьшает индуктивность катушки Lo на величину Ьжр, которая связана с £0 следующим соотношением:
УкшяМ 3&\ при (5-22)
Lo 4~r^ •, r ]
где
d—толщина экрана;
г—радиус экрана;
О—так называемая толщина эквивалентного токонесущего слоя, вычисляемая по формуле (14-10). При г ЗВ вторым членом в скобках можно пренебречь, поэтому изменение индуктивности обычно весьма слабо зависит от частоты;
7-—коэффициент; для катушек с равными длиной и средним диаметром 7=0,7; для любых длин, для которых b > 0,4Dcp, величину X определяют по формуле
7 = ---------; в остальных случаях 7 определяется
1 •_]_ 0,45 ь
экспериментально;
VKam—объем катушки, вычисленный по ее длине и среднему диаметру.
Изменение добротности под влиянием отбора энергии экра-нОхМ равноценно внесению в катушку дополнительного сопротивления потерь которое увеличивает коэффициент потерь катушки на величину
Rwp ш (Л) L3Kp)
&экр
------------ при (5-23)
4тсг4Х Л Ьэкр \
Общая добротность дена по формуле
катушки с экраном может быть най-
Q=—-— 4“ ^экр
где d0—добротность катушки без экрана.
Измеренная добротность катушки в экране будет несколько ниже рассчитанной по способу Кадена, так как экран, воздействуя на электромагнитное поле катушки, вызывает дополнительные изменения добротности, обусловленные изменением всех потерь, за исключением потерь при постоянном токе.
При проектировании катушек в экранах габариты экранов весьма часто оказываются заданными наперед, так как они определяются размерами соседних деталей и прибора в целом. При этом существует наивыгоднейшее соотношение между диаметрами экрана и намотки, соответствующее наивыгодней
120
шим ее электрическим параметрам (максимум индуктивности и минимум дополнительных потерь)—при слишком близком расположении катушки к экрану его размагничивающее действие будет чрезмерно велико, при слишком большом расстоянии до экрана катушка будет чрезмерно мала, что также невыгодно. А. А. Колосов показал, что оптимальное соотношение диаметров экрана и намотки должно находиться в пределах 1,5—2,1.
Значения добротности, приведенные выше для типовых катушек дальней связи, относятся, как правило, к катушкам^ заключенным в общий для некоторого четырехполюсника красномедный экран. Изменение индуктивности при этих уело-
Фиг. 5-17
Фиг. 5-18
виях доходит до—10%, что необходимо учитывать при расчете числа витков. В последнее время Л. И. Рабкиным был предложен весьма интересный метод экранирования катушек, заключающийся в том, что медный экран снабжается „подкладкой" из резиноподобного магнитодиэлектрика—ферроэласта (см. гл. 6), благодаря которому магнитное поле концентрируется у катушки и мало проникает в экран (фиг. 5-17). Такие экраны при незначительном снижении добротности не дают уменьшения индуктивности, которая может даже несколько увеличиться за счет магнитодиэлектрика.
Наличие вблизи катушки экрана, чаще всего заземленного, приводит к необходимости учитывать при подсчете собственной емкости катушки емкости между катушкой и землей. Опыт показывает, что эти емкости имеют своими обкладками первый внутренний слой намотки и последний ее наружный слой, поэтому их можно мыслить сосредоточенными на концах катушки (емкости С31 и С32 на фиг. 5-18).
При незаземляемой обмотке общая емкость катушки равна: С=С +--1<?32 .
Х ‘V С31 + С
121.
При заземлении внутреннего конца обмотки замыкается накоротко емкость С32, при заземлении наружного конца — емкость С31. Соответственно получим для емкости катушки:
С”Х = САСЧ И CZ = Cv+C31-
Таким образом, собственная емкость катушки в экране зависит от схемы ее включения (эта особенность важна, например, при переходе от четырехполюсника по уравновешенной схеме к неуравновешенному). Для катушек, рассматриваемых в настоящем разделе, влияние емкостей на экран следует учитывать при частотах свыше 100 кгц.
5-9. Стабильность катушек
Одной из важнейших причин нестабильности катушек индуктивности является непостоянство температуры окружающей среды, вызывающее изменения индуктивности.
Эффективная индуктивность катушки изменяется под влиянием колебаний температуры, которые вызывают:
а) изменения размеров провода и каркаса;
б) изменение удельного сопротивления провода и тем самым — изменения сопротивления катушки переменному току, определяющему величину эффективной индуктивности;
в) изменения собственной емкости катушки и потерь в ней;
г) изменения размеров экрана и удельного сопротивления -их материала.
Вопросы температурной зависимости величины индуктивности подробно изложены в работах В. Б. Пестрякова и Д. Д. Сачкова и, в особенности, С. С. Аршинова.
В идеальном случае свободно подвешенная намотка должна иметь температурный коэффициент индуктивности (ТКИ), равный линейному коэффициенту расширения меди. Опыт, однако, показывает, что механические напряжения в проводниках обусловливают значительно большую величину ТКИ. Наличие каркаса ограничивает изменение размеров, однако ТКИ бывает обычно больше коэффициента линейного расширения каркаса или провода.
Зависимость ТКИ от температурных изменений удельного сопротивления довольно значительна, так как для меди температурный коэффициент сопротивления примерно в 250 раз больше коэффициента линейного расширения. При этом для разных частот, в соответствии с различной степенью влияния вихревых токов, получается и разная степень влияния температурного коэффициента удельного сопротивления. Влияние температурной зависимости собственной емкости заметно лишь при очень малых ТКИ.
122
Для каркасов следует выбирать материал с наименьшими значениями коэффициента линейного расширения. С этой точки зрения наименее удачными являются фенопласт и эбонит, лучше будет дерево, пропитанное воском, гетинакс, полистирол и, особенно, фарфор. При использовании полистирола надо помнить о том, что он резко меняет свои механические свойства при температурах свыше 50° С.
Фенопластовая стандартная катушка с каркасом, показанным на фиг. 5-2, имеет значительный ТКИ порядка 300-10“6. Применение таких катушек в весьма стабильных контурах, например в контурах задающих генераторов, нежелательно. ТКИ катушек с универсальной намоткой колеблется от 100-1СГ6 до 300-10“6. Известное влияние имеет материал каркаса-трубки, поэтому для катушек согласно фиг. 5-15 взят каркас из фарфора.
Однослойные катушки на керамических каркасах имеют ТКИ порядка 40 — 80-10“6, катушки с „горячей" намоткой 30 —50-10”6 и, наконец, катушки, образованные термическим нанесением на фарфор слоя металла, имеют ТКИ порядка 10-10-6. Все эти цифры соответствуют положительным ТКИ, т. е. индуктивности, возрастающей с ростом температуры.
Изменение добротности катушек под влиянием роста температуры по сравнению с добротностью при £=20° С можно принять равным 10% при изменении температуры на 30° С (по данным Пестрякова и Сачкова). В большинстве случаев практики дальней связи такими изменениями можно пренебречь.
Стабильность катушки в отношении механических воздействий достигается укреплением провода на каркасе. При однослойной намотке витки приклеиваются к каркасу шеллаком или стирольным лаком; иногда при намотке с принудительным шагом для витков делаются канавки.
В многослойных катушках начало обмотки, если она осуществляется сплошным проводником, обычно припаивается к гибкому многожильному проводнику, изолированному шелковой оплеткой (например типа АТСК 7X0,15). Место пайки изолируется кусочком шелка. В малогабаритных катушках, а также в обмотках, выполненных литцендратом, выводной конец является непосредственным продолжением обмотки.
При обычной цилиндрической намотке выводной конец начала обмотки выпускается через одно из четырех отверстий в щеке (см. фиг. 5-4). В некоторых конструкциях при малых габаритах катушки и тонком проводе в выводной щеке предусматривается прорез с шириной, обеспечивающей пропускание выводного проводника. При универсальной намотке выводной конец ее начала зажимается вышележащими витками.
Наружный конец обмотки связывается ниткой, которая предварительно закладывается под последние 5—10 витков.
123
Подпайка выводного конца и окончательное закрепление обмотки производятся после подгонки индуктивности. Для цилиндрических катушек после этой операции по наружному периметру катушки накладывается бумажная лента (иногда из линоксинового полотна), защищающая обмотку в механическом отношении. Известную механическую прочность придает катушкам пропитка, производимая перед подгонкой индуктивности, для защиты катушки от воздействия влаги.
При монтаже катушки в аппаратуре ее выводные концы должны быть по возможности короткими и прикрепляться, путем припайки или сварки, к выводным лепесткам (перьям), расположенным на щеке катушки или на особой переходной колодке.
Влага, находящаяся в окружающем катушку воздухе, оказывает сильное воздействие на ее электрические свойства. Вода, впитываясь между витками намотки и в поры изоляции проводов и каркаса, меняет их размеры и диэлектрические свойства, вследствие чего может несколько изменяться взаимное расположение витков. От воздействия влаги меняется индуктивность катушки и, особенно, ее емкость и диэлектрические потери в ее изоляции. Кроме того, весьма значительно меняется и величина ТКИ. В некоторых катушках наблюдалось увеличение ТКИ вдвое. Добротность может снижаться на величину, доходящую до 20% добротности сухой катушки.
Под действием влаги наиболее сильно изменяются свойства тех катушек, у которых для каркасов использован гигроскопичный материал, а провод имеет шелковую или хлопчатобумажную изоляцию. Однослойные катушки с принудительным шагом, особенно намотанные на фарфоровых каркасах, мало чувствительны к действию влаги, которое сказывается в основном в образовании пленки, связывающей отдельные витки.
Для защиты катушек от влияния влаги их сушат, а затем обрабатывают. Обработка включает в себя следующие операции: 1) пропитку, 2) обволакивание, 3) создание гидрофобных пленок и 4) вакуумплотную герметизацию.
Процесс пропитки состоит в заполнении пустот, пор и капилляров, имеющихся в изоляционных материалах, высококачественным и негигроскопичным диэлектриком, находящимся в жидком состоянии в момент пропитки и затвердевающим после нее. Размеры молекул пропиточного вещества должны быть по крайней мере одного порядка с молекулами воды (10-8 см}- при больших размерах они не смогут проникнуть в тончайшие поры.
По этой причине для пропитки непригодны лаки и компаунды из полиэтилена, полистирола и различных каучуков. Более подходят бакелитовые, глифталевые, шеллачные и. канифольные лаки. В промышленности дальней связи чаще всего используются углеводородные соединения типа парафина, це-124
резина и озокерита, иногда в сочетании с маслами, вазелином или канифолью.
При выборе пропиточного материала для катушек высокочастотного диапазона следует стремиться к малому значению относительной диэлектрической проницаемости, чтобы избежать заметного повышения собственной емкости катушки, а также и к малой величине угла потерь (tg8 < 1 • 10~3), чтобы не увеличивать потери в собственной емкости. Кроме того, материал не должен давать значительной усадки при охлаждении, должен хорошо прилипать к пропитываемому веществу и не должен быть гигроскопичным. При рабочей температуре катушки он не должен размягчаться и вытекать.
Следует отметить, что для частот порядка сотен килогерц пока что не найдено удовлетворительных пропиточных компаундов—все лаки, подходящие по указанным значениям, обладают слишком крупными молекулами и весьма часто размягчаются при сравнительно невысоких температурах. Эти лаки, не обеспечивая полной пропитки, обволакивают катушку, образуя тем самым защитную пленку, замедляющую проникновение влаги.
Наиболее основательно удаление влаги из катушек достигается путем сушки их в вакуумном баке под вакуумом, соответствующим 3—5 мм (но не свыше 10 мм) рт. ст. Разогрев и плавка пропиточного состава, как и сам процесс пропитки, также ведутся под вакуумом. Для малогабаритных и маловитковых катушек, соответствующих частотам верхнего края диапазона систем дальней связи, достаточно сушки при температуре порядка 100—150° С в течение 6 час. (данные С. А. Яманова и Д. Д. Сачкова); для более объемистых катушек, соответствующих диапазону до 30 кгц, этот срок увеличивается до 24 час. Нагрев катушек при сушке устраняет также механические напряжения провода, возникающие в процессе намотки, и тем самым повышает их стабильность.
Обволакивание катушки пленкой из того или иного плотного и негигроскопичного компаунда может явиться подспорьем к действию пропитки. Следует помнить, что одно обволакивание серьезной влагозащитой служить не может. Обволакивание осуществляется путем двухкратного окунания пропитанных катушек в расплавленный компаунд. На добротность и собственную емкость катушек обволакивающий компаунд серьезного влияния не оказывает, поэтому к нему можно и не предъявлять строгих требований в части готн и tgS. Применяют компаунды: битумный, головаксно-полистироловый, церезиновый, церезино-полиэтиленовый, галоваксно-битумный и т. д.
Для однослойных катушек весьма хорошие результаты дает; обработка их каркасов кремнийорганическими соединениями (создание гидрофобной поверхности), сущность которой излагается в § 13-4.
125
Для тех катушек, для которых наибольшая опасность заключается в увеличении ТКИ под воздействием влаги (колебательные контуры генераторов повышенной стабильности, катушки кварцевых фильтров), необходимо после пропитки прибегать к вакуумплотной герметизации, подобной применяемой в конструкциях конденсаторов. Перед запайкой коробки, содержащей катушку, в нее целесообразно вводить сухой воздух. Коробку необходимо предварительно высушить. Иногда, для борьбы с остаточной влажностью внутри коробки, в ней помещают влагопоглощающее вещество, лучше всего—коллоидальный кремнезем (так называемый „силикагель").
В последнее время появились новые способы герметизации, заключающиеся в заливке катушки в кусок пластмассы холодного литья (см. гл. 12).
5-10. Подгонка индуктивности
Обеспечить достаточно точное выполнение заданной расчетом величины индуктивности—не просто. Число витков, определенное расчетом индуктивности по геометрическим размерам катушки, надо увеличивать, учитывая, что индуктивность уменьшается под действием экрана; обычно для катушек, показанных на фиг. 5-4, число витков увеличивают примерно на 10% по индуктивности.
Цену витка можно вычислить (по Н. Н. Шольц) следующим образом. Пусть при п витках катушка имеет индуктивность Lr=An2, а при (п— 1) витке L2=A(n— I)2. Тогда цена витка будет равна:
L2 = A [п2—(п— I)2] 2Ап при п>1.
Относительное изменение индуктивности при изменении на -г 1 виток равно:
^£=2^2=А100%. Lt Ап? "
Подгонка индуктивности катушек производится при измерении этой величины в мостовой схеме на переменном токе с частотой 800 или 1000 гц. Простейшим способом подгонки является регулирование вручную количества витков после сушки и пропитки катушки. При больших числах витков этот способ дает весьма точные результаты. Теоретически индуктивность катушки можно регулировать в пределах целого числа витков, однако практически сказывается также и расположение конца обмотки относительно катушки в целом. Объясняется это тем, что конец обмотки при выводе располагается под углом к остальным виткам. По этой причине каркас стандартной катушки согласно фиг. 5-2 снабжается четырьмя отверстиями для вывода наружного конца обмотки.
126
При малом числе витков относительное изменение индуктивности увеличивается, и для многих случаев настройки колебательных контуров желательно иметь приспособления для плавной подгонки значения индуктивности катушек или под номинальную величину, или под некоторую величину, весьма близкую к последней и соответствующую резонансной частоте контура. В ранних образцах катушек они снабжались для этой, цели вращающейся рамкой, несущей короткозамкнутую- об-
Фиг. 5-19
мотку, — получался своеобразный экран, размагничивающее действие которого менялось в зависимости от угла’^поворота рамки.
В настоящее время применяется менее громоздкая^ конструкция—в катушку (фиг. 5-19) вводится пробка из ферромагнитного вещества с относительной проницаемостью ^отн= = Ю-ь-12. Перемещая пробку вдоль оси катушки, можно регулировать величину индуктивности катушки. Для сравнительно крупных катушек согласно фиг. 5-19 передвижение пробки позволяет менять индуктивность в пределах 1 % ее значения; при расчете катушки можно считать, что ферромагнитный сердечник практически отсутствует. Для малогабаритных катушек сердечник такой величины может вызвать заметное уменьшение числа витков, потребного для осуществления индуктивности заданной величины.
Применяя плавную регулировку индуктивности, можно считать, 'что точность ее подгонки составляет в зависимости от конструкции регулятора от ±0,1 до ±0,01%.
127
Глава шестая
КАТУШКИ С ФЕРРОМАГНИТНЫМИ СЕРДЕЧНИКАМИ ИЗ ФЕРРИТОВ И МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКОВ
6-1. Основные конструкции
Из данных предыдущего раздела явствует, что катушки без ферромагнитных сердечников, в особенности при наличии экранов, не дают возможности получать добротности свыше Q=150 -4-200.
Между тем, во многих случаях практики дальней связи (пу-пиновские катушки, катушки фильтров с крутыми срезами, катушки тех фильтров, которые при относительно узкой полосе должны иметь малое затухание в полосе пропускания, отдельные режекторные контуры и т. д.) требуются величины Q, превышающие указанные пределы. От всех катушек, кроме того, требуются малые габариты и возможность тесного их размещения в аппаратуре.
Всем этим условиям катушки с ферромагнитными сердечниками могут удовлетворить лучше, чем воздушные катушки.
Предположим, что сердечник обладает конфигурацией, позволяющей пренебречь рассеянием магнитного поля. В этом случае при проницаемости сердечника, равной ротн, катушка, имевшая без него индуктивность L, будет иметь индуктивность, равную Если бы сердечник не вносил потерь, то его
введение увеличило бы добротность в ротн раз. Наличие потерь в сердечнике несколько снижает увеличение добротности, но все же при правильном выборе магнитного материала оно может быть весьма ощутимым. Наличие „запаса добротности" позволяет уменьшать габариты катушек. Уменьшение внешних полей под влиянием концентрации силовых линий в сердечнике увеличивает возможности тесного взаимного расположения катушек в приборах.
Инженеры дальней связи были пионерами применения ферромагнитных сердечников на звуковых и высоких частотах. Первые катушки с такими сердечниками появились при постройке пупинизированных телефонных линий в начале XX века. Производство пупиновских катушек послужило в дальнейшем базой для разработки сердечников как для тонального диапазона, так и для более высоких частот. Советскому Союзу принадлежит в этой области ряд оригинальных изобретений и усовершенствований, осуществленных трудами А. С. Займов-ского, Л. И. Рабкина, Г. А. Смоленского, Н. Н. Шольц и др.
В течение весьма долгого времени, примерно до 1940 г., основной формой ферромагнитного сердечника, применявшейся в системах дальней связи, был тороид (см. фиг. 5-6). В настоящее время тороиды также находят применение, хотя и не являются единственной конструкцией.
128
Тороидные сердечники из немагнитного материала применяются редко из-за того, что добротность катушек, на них намотанных, невысока по сравнению с иными типами катушек, технология же намотки достаточно сложна (требуются особые станки). При введении ферромагнитного сердечника добротность тороида может быть весьма высокой.
Отсутствие у тороида внешнего магнитного поля делает эту конструкцию весьма привлекательной для пупиновских ящиков, фильтров и выравнивателей, в которых необходимо предусмо-
Фиг. 6-1
треть возможность компактного расположения катушек внутри общего экрана. Уменьшение габаритов аппаратуры в целом компенсирует в этом случае технологическую сложность намотки. В настоящее время тороидальные сердечники применяются как в тональном диапазоне, так и при более высоких частотах, но, как правило, не выше 100—150 кгц.
При повышенных частотах на смену тороидам приходят другие конструкции—броневые или горшковые сердечники. На фиг. 6-1 показаны два основных типа броневого сердечника. Сердечник, изображенный на фиг. 6-1, б, отличается от конструкции фиг. 6-1, а наличием немагнитного зазора в плоскости, перпендикулярной линиям силового поля. Как при той, так ‘и при другой конструкции на средний стержень сердечника надевается предварительно намотанная цилиндрическая многослойная катушка, иногда на секционированном каркасе, иногда с универсальной намоткой. Такая катушка выгодно
9 Зак. № 129
129
отличается от тороида простотой технологии ее намотки. Броневой сердечник замкнут со всех сторон, поэтому внешнее поле катушки, даже при наличии зазора внутри сердечника, получается небольшим и экран можно надевать непосредственно на внешние обводы сердечника.
Наличие в сердечнике, осуществленном согласно фиг. 6-1, d, немагнитного (обычно воздушного) зазора позволяет конструктору влиять на свойства катушки.
Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее. Сравним два однотипных сердечника с одинаковой длиной средних силовых линий, равной Z, и с одинаковыми поперечными сечениями, равными F. Один из сердечников возьмем сплошным, в другом же предусмотрим немагнитный зазор толщиной 1в. Предположим, что индуктивности катушек, намотанных на этих двух сердечниках, одинаковы.
Тогда для сплошного сердечника
Т 2 Г
L = \>-n2 —
и для сердечника с зазором г 2 F Ь = ^дпх—, где магнитная проницаемость ферромагнетика, определенная, например, путем измерения тороида с сердечником из данного ферромагнетика, а „действующая“ магнитная проницаемость сердечника с зазором.
Числа витков п и должны быть связаны соотношением
f • (64>
Напряженность поля в сплошном сердечнике будет равна:
Н=-у-, (6-2)
а ее приведенное значение в сердечнике с зазором
(6-3)
Поделив (6-3) на (6-2), получим:
= = JL. (6-4)
н п у № v г
Исследовав уравнения магнитной цепи, можно показать, что действующая магнитная проницаемость определяется формулой:
—=—.£z_Le । J_. А_. (6-5)
на I* z Z Л
130
(6-7)
Обычно 1в I и
JL=2_ + _L._k :-м Iх ' 1 ’
откуда
!\>=-------
1 4~ Ixozn«
причем < {1, т. е. под влиянием зазора действующая проницаемость сердечника становится меньше проницаемости материала. В этом смысле принято говорить о размагничивающем действии зазора. Для компенсации этого действия, при осуществлении одинаковых индуктивностей, на сердечник с зазором приходится наматывать витков больше, чем на сплошной сердечник:
> п.
Индукция в ферромагнитной части сердечника с зазором равна:
Вж=-------------^-7- , (6-8)
а соответствующая напряженность поля
уу ________Нс
ж р. /
1 “г ?-отн £
На основании (6-4), (6-7) и (6-9) получим:
Нж_________1_______
н ~~ / Т ’ 1/ 1 + '^отн ~
т. е.
НЖ<Н,
(6-9)
(6-10)
(6-Н)
Таким образом, вводя зазор, конструктор получает возможность, сохраняя путем домотки витков величину индуктивности катушки, уменьшить напряженность поля в ферромагнетике и тем самым ослабить вредные явления, степень влияния которых зависит от величины этой напряженности. Такая мера во многих случаях может оказаться полезной.
Рассмотрим теперь другой случай, когда число витков на обоих сердечниках одинаково и равно п. Поделив обе стороны р уравнения (6-6) на -, получим:
Х=—н----------—
I I Iq
(6-12)
9*
131
или
где
/^—индуктивность, обусловленная сердечником с зазором; L—индуктивность при отсутствии зазора в сердечнике;
Le—индуктивность, определяемая проницаемостью р0 и толщиной зазора.
Индуктивность Ld является как бы результатом параллельного соединения индуктивностей L и Le. Чем больше зазор, тем меньше индуктивность Le и тем сильнее ее влияние на общую величину индуктивности. Индуктивность Le определяется константой |л0 и, следовательно, не зависит от напряженности поля. Поэтому и общая индуктивность L при больших зазорах мало зависит от изменений напряженности поля, если таковые имеют место.
6-2. Основные свойства ферромагнитных сердечников
Изучить свойства ферромагнитного сердечника—это значит изучить потери, вносимые им в катушку и его действующую магнитную проницаемость, определяющую величину индуктивности катушки.
Для катушки с ферромагнитным сердечником активное сопротивление переменному току частоты f определяется следующей формулой
R =А + Bf+ СР + Df, (6-14)
где
A = R0—сопротивление катушки постоянному току;
Bf=-Rz + /^—сопротивление, соответствующее потерям, обусловленным внутренней структурой магнитного материала;
Cf- = RB—сопротивление, обусловленное потерями энергии вследствие образования вихревых токов в сердечнике и в меди обмотки. В катушках без магнитных сердечников имеются только потери в меди;
Df* = Rd—сопротивление, обусловленное потерями энергии в диэлектрике, который обычно находится в составе подразделенных магнитных сердечников (см. ниже), а также в материале каркаса и в изоляции проводов.
Первое слагаемое суммы Bf, сопротивление /?2, значительно больше второго, по крайней мере при частотах, используемых в системах дальней связи. Оно обусловлено расходом энергии на преодоление магнитного трения в сердечнике и называется 132
сопротивлением потерь на гистерезис. Второе слагаемое, сопротивление Rn, обусловлено некоторыми остаточными изменениями в магнитном материале, происходящими под воздействием переменного поля. Оно называется сопротивлением потерь на последействие. Этих двух видов потерь не имеется при отсутствии ферромагнитного сердечника [см. формулу (5-15)].
Сопротивление потерь на постоянном токе не нуждается в каких-либо дополнительных пояснениях.
Влияние потерь при наличии в обмотке катушки переменного тока удобно учесть введением так называемой комплексной проницаемости сердечника. Под этим термином понимают величину
= jp". (6-15)
Согласно формуле (4-3) катушка с замкнутым магнитным сердечником, проницаемость материала которого равна р, имеет индуктивность
£ = (6-16)
где
7
£°“ / •
Если и является вещественной величиной, то сопротивление катушки переменному току Z ^j^L будет мнимой величиной. При наличии в катушке потерь ее сопротивление должно выражаться комплексной величиной. Этот факт удобно учесть, вводя в формулу (6-16) вместо ц комплексную магнитную проницаемость р. согласно (6-15).
Если принять, что сопротивление потерь в сердечнике Rc включено последовательно с индуктивностью катушки, то для ее сопротивления можно написать выражение
Z=j^L =J^'Lq + ^"LQ,
откуда
L=y/L0 (6-17)
и
Rc=vp"LQ. (6-18)
Величина р/ называется последовательной проницаемостью. Иногда можно встретить термины, предложенные В. К. Аркадьевым,—консервативная или упругая проницаемость для р' и консумптивная или вязкая проницаемость для р/'.
Относительной мерой влияния потерь в сердечнике является тангенс угла потерь:
tg8c=^=—=4- (6-19)
133
В некоторых случаях анализа потерь в катушках удобно заменять схему фиг. 4-1 равноценной ей схемой параллельного соединения некоторой индуктивности Ln и сопротивления потерь Rn. Собственную емкость Сх в обоих случаях считаем равной нулю.
Составляющие комплексной проницаемости определяются при этом из равенства
+ (6-20)
bi
При вещественном рь проводимость катушки равна:
1 = 1 1
Z j&L japLo jtoLo Iх
и является мнимой величиной. При наличии потерь в это выражение надо ввести -X- согласно (6-20). Получим:
J-=_....I +......J__,
Z i^n L0 “Рл L0
откуда
Ln = ^L0 (6-21)
и
(6-22)
Величину pn называют параллельной проницаемостью. Тангенс угла потерь будет в этом случае равен:
tgSc=-^"L°.=-!^-. (6-23)
Связь между составляющими комплексной проницаемости при последовательной и параллельной схемах найдем, подставляя в формулу (6-20) значение р. из (6-15) и приравнивая по отдельности вещественную и мнимую части. Получим:
^’(l + tg^) (6-24)
и
. -1+tg^ (6-25)
" tg2Bc
Для определения основных понятий, связанных с потерями на гистерезис, исследуем соотношения между р.' и р" для катушки, в которой все виды потерь достаточно малы по сравнению с потерями на гистерезис (весьма малое сопротивление постоянному току, частота тока в обмотке, достаточно низкая для того, чтобы не сказывались потери вихревого и диэлектрического характера).
134
Для определения величин р/ и р/' необходимо рассмотреть уравнения, связывающие значения индукции В со значениями напряженности поля Н. При слабых магнитных полях, имеющихся в подавляющем большинстве ферромагнитных сердечников, применяемых в системах связи, соотношения между индукцией и напряженностью поля приближенно определяются так называемыми уравнениями Релэя. Согласно этим уравнениям петля гистерезиса изображается в форме ланцетовидного шлейфа (фиг. 6-2), составленного из отрезков двух парабол. Напряженность поля колеблется от — Нм + Нм, а индукция от —ВЛ1 до + Вм. Для нижней, возрастающей ветви шлейфа
отсчет Н и В ведется от левого его конца, напряженность поля в любой его точке равна Н— (—НМ)=Н + НМ9 а индукция равна В— (—ВМ)=^В 4- Вм,
Парабола, соответствующая нижней ветви, выражается уравнением
в + В„=(Н + Нм) + / (Я + Нму-. (6-26а)
Для верхней, убывающей ветви, ведя отсчет от правого конца шлейфа, найдем:
Вм-В = ^ (Нм—Н) + V (6-266)
Подставляя в уравнение (6-26а) координаты правого конца шлейфа, т. е. В = ВМ и Н=НМ, получим:
+ (6-27)
Используя это равенство для исключения Вм из уравнений (6-26), придем к уравнениям:
В = (и» + Н + v' (Н2-Н2М), (6-28а)
В = (н« + 2//7J H—V (Н2-Н2М), (6-286)
135
или
(6-29а)
В=(Ия + v//J Н + (Н2-Н2М),
В = (ъЛ уНм)Н-^(Н2-Н2м). (6-296)
Величину называют начальной проницаемостью, a v—постоянной Релэя.
Динамическая или амплитудная проницаемость выражается для рассматриваемого цикла формулой
= + = +аЯл). (6-30)
Для того чтобы выразить р в генри на метр, величину Вм надо измерять в вольтсекундах на квадратный метр, а величину Нм—ъ амперах на метр.
Коэффициент
а=^-, (6-31)
характеризующий влияние поля на проницаемость, называется коэффициентом амплитудной нестабильности проницаемости. Он измеряется в метрах на ампер (поскольку коэффициент v измеряется в генри на ампер). Чем меньше этот коэффициент, тем стабильнее индуктивность катушки.
При заданном значении а и при весьма малых Нм влиянием напряженности поля на магнитную проницаемость можно пренебречь и считать, что
[Х=ря. (6-32)
Термин „начальная проницаемость" является, таким образом, оправданным.
Потери энергии на гистерезис, имеющие место за один цикл перемагничивания 1 ж3 вещества, могут быть определены по. формуле
W=^HdB. (6-33)
Площадь петли равна теплу, рассеиваемому в единицу объема сердечника за один цикл.
Остаточная индукция Во, т. е. индукция при //=0, равна:
(6-34)
эта формула получается из (6-29) при подстановке Н=0.
Длина петли гистерезиса увеличивается пропорционально росту Нм, толщина же ее, пропорциональная Вй> растет со-136
гласно формуле (6-34) пропорционально Н2М. Таким образом,. W растет пропорционально кубу величины Нм.
Умножая W? на значения частоты и объема сердечника, получим мощность потерь на гистерезис Wz. Согласно сказанному выше
W=kH3M, (6-35)
где k—коэффициент пропорциональности.
Зная W2 и ток в обмотке катушки, можно вычислить Rz—эквивалентное сопротивление потерь на гистерезис. Для катушки с замкнутым магнитным сердечником, обладающей индуктивностью £, это сопротивление при амплитуде переменной напряженности поля, равной Нм, будет в свою очередь равно:
Rz = hLHMf. (6-36)
Коэффициент h называется гистерезисным числом и измеряется в метрах на ампер. Если частоту выражать, как это часто делается, в килогерцах, то гистерезисное число будет измеряться в метрах на килоампер.
Кроме внесения потерь, наличие петли гистерезиса исследованной формы ведет еще и к появлению нелинейных искажений. При пропускании через катушку синусоидального тока индукция в ее сердечнике, а следовательно, и напряжение на ее зажимах не будут синусоидальными.
Рассмотрим поведение катушки при гармоническом изменении напряженности поля в ее обмотке.
Используя формулы (6-30) и (6-34), можно привести уравнения (6-29) к виду
(Р« + ^4) я + [1 - (£)3] В.. (6-37)
Подставляя
и учитывая, что перемена знака в правой части формулы (6-37) происходит с частотой разложим это выражение в ряд Фурье, в результате чего получим:
В= (р« + ^Нм) Нм cos + — 'Н2 sin <x>t—— vH2 sin 3&t — 3" m 15я
— ~-^H2sin 5<o£ 4- ... cos + B” sin + B" sin +
+ B5co sin + . . . (6-38)
Второй член ряда сдвинут на четверть периода относительно тока в* катушке. Отсюда следует, что соответствующая ему
137
составляющая индукции определяется активным сопротивлением, обусловленным наличием петли гистерезиса. Это сопротивление вызывает между основными видами индукции сдвиг фаз, находимый из условия
. G>L .Л 1 <л'
tor ф =--= £[&* ---=2---
О • С г, 0 2. rf
R? d2 р.
. * R2 i р*' tg о =— = а = — о г т с , р.
(6-39)
Последовательную проницаемость р' найдем по величине Вт :
, В М 4- ) /7
р' =—=— *> = ри + УНМ,
“м Мм
а консумптивную составляющую комплексной проницаемости— по величине 5/
(6-40)
(6-41)
Нм Зк ’ Нм Зг р' определяет крутизну гистерезисной петли, а р"—ее раскрытие.
Зная р' и р", можно при помощи формулы (6-39) определить угол потерь на гистерезис tg8;=dz=^—=— отс
Р« + '‘Нж
При весьма слабых полях, когда рк и р~рн, получим:
• т- (6-42)
<s>L он гн
откуда
Введем коэффициент амплитудной нестабильности проницаемости a=-j2- ; тогда
Лг=—a=0,424a. (6-44)
Коэффициент Д2 называется коэффициентом потерь на гистерезис, он характеризует при слабых полях материал сердечника. Так же как и коэффициент а, он имеет размерность метр на ампер.
Из формул (6-36) и (6-42) нетрудно вывести связь между величинами h и Дг:
A = 2itA2 (6-45)
138
В справочной литературе можно встретить данные h или А,, измеренные в 1/э (э—эрстедт). Производя пересчет, надо 6 1 103 103
помнить, что 1э=—[а/м] и, следовательно, 1 м/а=—[1/э]. 4тс 4к
Нелинейные искажения, вносимые катушкой, принято оценивать по коэффициенту третьей гармоники напряжения на ее зажимах:
B"Zm и Вю берем из разложения (6-38). При достаточно малых потерях и слабых полях первая гармоника индукции равна
тогда
ks=0,25aHM, или
£3 = 0,64/4 = 0,6d,
Кроме потерь энергии, связанных с гистерезисными явлениями, в сердечнике наблюдаются также потери энергии на образование вихревых токов. Из теоретической электротехники известно, что мощность этих токов может быть вычислена по формуле
(6-46)
где V— объем сердечника, а х~постоянный коэффициент, величина которого определяется размерами и формой сердечника, а также проводимостью материала.
Зная мощность потерь на вихревые токи и ток в обмотке катушки, можно вычислить сопротивление, вносимое данными потерями в обмотку:
Wec XB24Vf-
^вс 1% [2
г-т о \ьп1 1^2
Подставляя вместо Вм величину —j—
и учитывая, что
V=Fl и Z = ii«2-y-,
получим:
где
^e₽=2xpL/2=w£/2,
(6-47)
w = 2x|i=^. [Сек.]
есть коэффициент, измеряемый в секундах. Если в формуле (6-47) величину /, как это часто делается, выразить в килогерцах/то'w следует, отсчитывать в микросекундах.
139
В справочной литературе можно встретить тангенс угла потерь на вихревые токи
iS^c=dec=^ (6-48)
и так называемый коэффициент потерь на вихревые токи, равный тангенсу угла потерь, отнесенному к единице частоты:
л ___4ас
“вс
Rec w
2я
[сек.],
(6-49)
если w выражено в секундах, и
И» Г 1
>с=--------- сек. ,
ес 2г.-106 1 "
если w выражено в микросекундах.
Экспериментальные исследования магнитных материалов показывают, что величина угла потерь в сердечнике всегда получается больше значения, рассчитанного на основе потерь на гистерезис и вихревые токи. Поскольку величина ji' в (6-19) определяется только формой гистерезисной петли, то следует считать, что увеличение tg получается за счет наличия добавочных потерь в сердечнике.
Согласно экспериментальным данным, для всех применяемых в настоящее время ферромагнетиков, по крайней мере в пределах известного частотного диапазона, мощность этих потерь Wn пропорциональна начальной проницаемости, частоте и величине индуктивности, но не зависит от напряженности поля. Эта мощность равна:
Wn=PRn,
где 4—ток в обмотке катушки, а /?„—эквивалентное сопротивление потерь.
Согласно сказанному выше,
Rn=c^HLf=nLf, (6-50)
где с и п,— постоянные коэффициенты.
Физическая сущность этих потерь, названных потерями на последействие, пока точно не выяснена, имеются лишь гипотезы о том, что она может быть пояснена при помощи процессов, связанных с волчкообразным движением электронов внутри атома (так называемые гиромагнитные явления, см. ниже).
Если в формуле (6-50) величину /, как это часто делают, выразить в килогерцах, то безразмерный коэффициент п должен быть увеличен в 1000 раз, т. е. надо брать некоторое п.' = 1000/г.
140
В справочных изданиях часто встречается так называемый коэффициент потерь на последействие, равный тангенсу соответствующего угла потерь:
д = d =Кп =—=. п
п п шЬ 2т. 2т-103
(6-51)
Складывая мощность всех трех рассмотренных видов потерь, получим общую мощность потерь в сердечнике, равную
Wc= W, + Wec Т Wn. (6-52)
Тангенс угла общих потерь в сердечнике найдем как сумму тангенсов углов отдельных видов потерь:
dc=^= Ra+f?g;+j?n =4 + dec+d„
ИЛИ dc=^HM + becf+&n. (6-53)
При малых углах общий угол потерь можно считать равным сумме углов отдельных видов потерь.
Формула (6-53) показывает, что зависимость величины dc от амплитуды напряженности поля, как и зависимость ее от частоты, носит линейный характер (в пре
делах, указанных выше). Этот факт лежит в основе графического метода определения потерь путем их разделения. Для этой цели необходимо иметь прямолинейные характеристики dc=f (Нм), снятые экспериментально при двух значениях частоты, равных f и у (фиг. 6-3).
Коэффициент потерь на гистерезис определяется наклоном этих прямых:
dc (Н=НМ) ~ dc(H=0)
где Мм есть некоторое амплитудное значение напряженности поля в пределах прямолинейного участка.
Вычисления упрощаются, если взять Нм=\. В справочных изданиях часто встречается величина //„ = 13 = 79,6 а/м (при этом Дг выражается в 1/з).
При пользовании практической системой единиц величину Нм можно брать равной 100 а/м. Тогда, при достаточной простоте вычислений, будут использоваться примерно те же точки характеристики.
Расстояние между Двумя прямыми, взятое, например, по
141
f оси ординат при /7и=0, будучи поделено на разность /—=
f
, дает величину
2[dc(f)~dc (//2) j вс= J •
Наконец, величину можно вычислить при = Q из соотношения
А«==2^(//2)'~^(/)-
При выборе магнитного материала для сердечника катушки надо стремиться к достижению максимального постоянства величины индуктивности и к минимальным потерям. Добиваясь независимости индуктивности от величины напряженности поля, мы тем самым добиваемся и малой величины потерь на гистерезис. Для получения же высокой добротности надо, кроме того, уменьшать и все остальные виды потерь. Большую роль при выборе материала сердечника играет также стремление к независимости индуктивности от частоты. Одним из важнейших факторов, способствующих достижению такой независимости, является снижение потерь на вихревые токи, а иногда и потерь на последействие.
Современная техника дальней связи знает два основных вида ферромагнитных материалов—ферриты и магнитодиэлектрики. Первые из них представляют собой керамические материалы с весьма большим удельным сопротивлением, вторые же изготовляются из порошка ферромагнитного металла, частицы которого изолируются друг от друга и прессуются, образуя компактную массу.
Ни ферриты, ни ферромагнитные металлы, будучи применены в виде сплошных сердечников, не могут обеспечить достаточно малые потери на гистерезис, а следовательно, не позволяют получать стабильных значений индуктивности. Для обеспечения достаточно слабой зависимости индуктивности от напряженности поля необходимо вводить как в ферритовые, так и в магнитодиэлектрические сердечники немагнитные зазоры в плоскости, перпендикулярной линиям силового поля. В ферритовых сердечниках эти зазоры можно делать в каком-либо одном месте магнитной цепи (сосредоточенный или локальный зазор), в магнитодиэлектрических сердечниках они распределяются по всей длине силовых линий. В ферритах зазоры бывают чаще всего воздушными, в магнитодиэлектриках они заполнены диэлектриком, окружающим зерна металла.
Для обеспечения частотной стабильности индуктивности необходимо ослаблять вихревые токи. В магнитодиэлектриках
142
это достигается за счет наличия распределенных зазоров, ориентированных вдоль линий магнитного поля и заполненных: диэлектриком. В ферритах такие зазоры не нужны, так как вихревые токи ослабляются за счет большого удельного сопротивления самого материала; сердечник имеет в этом случае только один зазор (в плоскости, перпендикулярной линиям магнитного поля).
При наличии в сердечнике сосредоточенного зазора в плоскости, перпендикулярной силовому полю, надо стремиться поместить этот зазор таким образом, чтобы не вызвать заметного увеличения внешнего поля. В этом смысле совершенна непригодной является тороидальная форма сердечника и, наоборот, представляется весьма выгодной броневая, показанная на фиг. 6-1Д при которой внешний панцырь является надежным магнитным экраном. Именно эта форма принята в настоящее время как основная для ферритовых сердечников, в то-время как тороиды и конструкции, показанные на фиг. 6-1,а, применяются главным образом для сердечников из магнитодиэлектрических материалов. Тороиды используются в основном при частотах до 100 кгц, применению их при более высоких частотах препятствует значительная собственная емкость и невысокая добротность получаемых катушек.
Наиболее перспективными ферромагнетиками являются ферриты. Так называются в современной химии соединения вида МО—Fe2O3. Символ М означает двухвалентный металл. Такие соединения по своей структуре являются сложными кристаллами.
Феррит железа FeO—Fe2O3 = Fe3O4, называемый магнетитом, известен давно. Из него пытались изготовлять сердечники высокочастотных катушек. Некоторая возможность к этому имелась, так как удельное сопротивление у магнетита примерно, в 106 раз больше, чем у магнитных металлов, однако малая величина ротн, характерная для этого материала (рьот//=4), наряду с другими отрицательными качествами, воспрепятствовала распространению таких сердечников.
При замене в FeO—Fe2O3 атома железа в составляющей-FeO другим металлом, например медью, марганцем или никелем, получается феррит меди CuO—Fe2O3, феррит марганца MnO—Fe2O3 и т. д. Ферриты делятся на ферромагнитные и неферромагнитные—ферриты меди, марганца, никеля и магния являются ферромагнитными, а ферриты цинка или кадмия—не-фёрромагнитными.
Материалы, применяемые в йастоящее время для сердечников катушек и трансформаторов и известные под названием ферритов, на самом деле представляют собой твердые растворы разнотипных ферритов. В их состав входят как ферромагнитные, так и неферромагнитные ферриты; таков, например, сложный марганцево-цинковый феррит 25MnO—25ZnO—5bFe2O3.
143*
Некоторые авторы называют такие материалы оксидными ферромагнетиками, оставляя название ферритов для составных их частей, однако термин „феррит", как понятие общее, успел уже получить широкое распространение. К классу сложных ферритов принадлежат и так называемые оксиферы, выпускаемые нашей промышленностью и применяемые в новейших образцах аппаратуры дальней связи.
Смешивание разнородных ферритов позволяет улучшать магнитные свойства сложных ферритов по сравнению с отдельными ферромагнитными их составляющими. При этом в первую очередь добиваются высоких значений магнитной проницаемости и удельного сопротивления. Упомянутый выше марганцево-цинковый феррит имеет ротн = 1500 при р = 1О10 ом-мм2)м.
Высокая магнитная проницаемость ферритов получается за счет низких значений так называемой точки Кюри. Из физики ферромагнетиков известно, что начальная магнитная проницаемость непрерывно возрастает с увеличением температуры и имеет особо резкий подъем перед характерной для каждого материала температурой, именуемой точкой Кюри, при которой юна падает до нуля. Для железа эта точка соответствует 770° С, для кобальта 1130° С. Чтобы получать высокие значения проницаемости, химический состав ферритов подбирают таким образом, чтобы точка Кюри лежала вблизи рабочих температур. Этого добиваются примешиванием к ферромагнитным ферритам неферромагнитных. Значения точки Кюри колеблются для различных ферритов от 70 до 250° С (чаще всего порядка 120— 150° С).
Наличие у ферритов низких величин точки Кюри ведет к низким значениям индукции насыщения, так как при точке Кюри индукция исчезает совершенно. При комнатной температуре индукция насыщения ферритового материала составляет всего 0,3—0,4 в-сек^м2, в то время как для железа она равна 2,1 в-сек/м2.
Для изготовления ферритовых сердечников смешивают порошки окислов различных металлов с добавлением вяжущих веществ, облегчающих последующую прессовку; из полученной смеси прессуются сердечники. Отпрессованные сердечники обжигаются при высокой температуре (1100—1400° С). При этом происходит реакция образования твердых растворов ферритов— так называемое „спекание". При спекании образуется чрезвычайно твердый материал, похожий на керамику; он не поддается действию влажности и инертен в химическом отношении. Его плотность лежит между 3 и 5, теплопроводность около 10-4 кал!см • сек • град, линейный коэффициент расширения составляет около 1-10~5. Этот материал поддается только абразивной обработке. Наиболее важные поверхности сердечника, например стыки, перпендикулярные к магнитным силовым
144
линиям, шлифуются. Указанными свойствами обладают ферриты с относительно большими проницаемостями. Ферриты с р-отн<С < 1000 получаются с меньшим удельным весом, они пористы и поэтому подвергаются обработке бакелитовым лаком.
Зависимость магнитных свойств ферритов от частоты носит достаточно сложный характер, определяемый рядом резонансных явлений. На фиг. 6-4 показана примерная частотная характеристика комплексной магнитной проницаемости ферритового сердечника. При двух частотах, обозначенных через и
Фиг. 6-4
/2, имеют место резонансные явления, при которых магнитная проницаемость резко падает, а потери возрастают.
Первый из этих резонансов отмечается при частотах от 1 до 100 мггц. Его частота определяется частотой собственных колебаний так называемых доменовых стенок. Под термином домены принято понимать элементарные области однородного намагничивания, на которые делится ферромагнитное тело. Границы их можно обнаружить экспериментально, наливая суспензию окиси железа на шлифованный срез ферромагнетика— взвешенные частицы располагаются по этим границам. При воздействии на сердечник переменного поля доменовые стенки приходят в состояние колебательного движения, следствием которого является резонанс, соответствующий на фиг. 6-4 частоте
Второй резонанс при частоте /2, значение которой колеблется между 3000 и 4000 мггц, определяется гиромагнитными явлениями внутри атомов ферромагнетика. Современная физика объясняет наличие элементарных магнитных диполей внутри ферромагнетика предположением о том, что электроны, входящие в состав атома, вращаются не только по орбитам вокруг
Ю эак. № 129 145
ядра, но также и вокруг собственной оси наподобие волчков. Наличие у электронов собственной массы ведет при воздействии внешнего постоянного поля к так называемым „прецессионным явлениям"—вместо простого вращения вокруг собственной оси возникает сложное движение, при котором ось электронного волчка описывает конус—прецессирует. При замене постоянного поля переменным и при совпадении частоты этого последнего с частотой прецессии имеет место гиромагнитный резонанс. Интересно отметить, что к гиромагнитным явлениям сводятся и новейшие пояснения сущности потерь на последействие, упоминавшихся в предыдущих разделах. Эти потери определяют декремент при гиромагнитном резонансе.
Кроме двух рассмотренных резонансов, которые всегда выражены достаточно резко, в ферритовых сердечниках могут иметь место еще и другие резонансные явления. При частотах до 100 кгц могут наблюдаться нежелательные собственные колебания магнитострикционного типа. Явление магнитострикции нежелательно и с другой точки зрения—оно препятствует получению высоких проницаемостей. Все ферриты имеют положительную магнитострикцию, т. е. их длина увеличивается при намагничивании, только феррит железа—магнетит имеет отрицательную магнитострикцию. Для ослабления магнитострикции в состав многих сложных ферритов вводится магнетит. Если сердечник все же обладает магнитострикционным резонансом, то следует предусматривать демпфирующее крепление, например, при помощи соответствующих заливок.
Кроме магнитострикции, следует считаться и с влиянием объемного резонанса сердечника. Возможность его объясняется тем, что с электростатической точки зрения ферриты представляют собой диэлектрики с весьма большими значениями готк и низкой добротностью. Одновременное наличие больших значений еотн и р.оти может привести к тому, что длина электромагнитной волны в ферритовом сердечнике станет равной наименьшему из его размеров, в результате чего будет иметь место объемный резонанс, напряженность поля внутри сердечника станет крайне высокой и потери резко возрастут.
Для одного из марганцево-цинковых ферритов, обладающего готн= ЮО ООО, частота такого резонанса при сечении 1X1 см2 получается несколько ниже 1 мггц. В общем случае она может быть рассчитана по размерам сердечника и скорости распространения электромагнитной волны, равной
V Ротн^отн где с—скорость света.
Величина somw=100000, приведенная в качестве примера, исключительно высока. Обычно значения еошн бывают меньше и объемный резонанс проявляется при частотах не ниже АОмггц.
146
При конструировании катушек систем дальней связи используется участок кривой р-' фиг. 6-4, соответствующий частотам ниже /1. Как правило, это будут частоты до 200—300 кгц. При достаточно слабом влиянии магнитострикции значения проницаемости можно считать постоянными для большей доли участка, еще более справедливо это утверждение для отдельных его отрезков, соответствующих рабочим диапазонам индивидуальных типов катушек. Область постоянства проницаемости будет больше для низких проницаемостей и меньше для высоких. В этой области, при достаточно слабых полях, можно вести оценку ферритов согласно уравнению (6-53), т. е. по коэффициентам Дг, Двс и Д„.
В табл. 6-1 приводятся данные сплошных ферритовых материалов типа оксифер, полученные путем измерения опытных тороидов. Материалы этого типа выпускаются нашей промышленностью (более подробно об этих материалах см. приложение 6-1).
Таблица 6-1
Материал Рн.отн Дг, м[а Две, сек. дя
Оксифер-2000 . . 2000 25000-Ю-6 500-10“9 ЗО-1О“3
Оксифер-400 . . 400 1506-Ю-6 30-10“9 3,5-10“3
Оксифер-200 . . 200 942-10~6 20-Ю-9 4,0-10“3
Данные оксиферовых материалов могут быть улучшены. В настоящее время уже известны типы ферритов с [хОП1и^=2000, Дг=2500- 1(Г6, Двс=100-10-9 и Д„=5-10-3.
Следует особо подчеркнуть, что для сплошных ферритовых сердечников (без зазоров)-с !1оти>400 разделение потерь согласно формуле (6-53) можно вести только для весьма слабых полей, коэффициент Дг можно считать постоянным и не зависящим от напряженности поля лишь при индукциях не свыше 3-10~3 в-сек/м?, что при [лоти=2000 соответствует полям порядка 1 а/м. Если проводить, как это делается для других ферромагнетиков и для конструкций с зазором, разделение потерь при полях порядка 100 а/м, то соответствующее этой точке значение следует искать не на кривой dc=f(Hj^, а на продолжении ее начального прямолинейного участка. Для ферритовых материалов с р-ООТи=400 и ниже разделение потерь носит вполне реальный характер в широких диапазонах изменения напряженности поля.
Как уже указывалось, для практического использования ферритов при изготовлении сердечников катушек необходимо применить конструкцию с сосредоточенным зазором. В этом 10* 147
случае сердечник будет вести себя в магнитном отношении как сплошной сердечник с уменьшенной магнитной проницаемостью и уменьшенным значением коэффициента Дг.
Уменьшение проницаемости под влиянием зазора определяется формулой (6-7). Увеличивая, после введения зазора, число витков согласно формуле (6-1) и сохраняя ту же индуктивность, которая имелась у катушки до введения зазора, мы, тем не менее, ослабляем поле в феррите с величины Н до величины Нж, причем ослабление это определяется формулой (6-10).
Согласно формуле (6-35) отношение мощностей потерь на гистерезис равно кубу отношения напряженностей соответствующих полей в ферромагнетике:
/ Я\з
W!3 \НМ)
(6-54)
(6-55)
где
U7,—мощность гистерезисных потерь при сплошном сердечнике, а мощность тех же потерь при наличии зазора.
С другой стороны, выражая мощность через ток в обмотке и сопротивление гистерезисных потерь согласно (6-36), имеем:
Гг _ I-hLHf _h Н W23~ №i3LHcf~h3' Нс’
где гистерезисное число при наличии зазора.
На основании (6-54) и (6-55) получаем:
h_ Ьг/ НУ>НС h3 &гз \Нм/ Н
где Дгз—коэффициент потерь на гистерезис при наличии зазора.
Используя (6-10) и (6-4), находим:
А. = f 1 л- u, А | ' Готн I
(6-56)
(6-57)
игз \ или, согласно формуле (6-7), _ / У-отн V &гз v'omH. д)
Влияние зазора на величину коэффициента потерь на гистерезис является, таким образом, весьма сильным, однако, используя его, не следует забывать и о возможности влиять непосредственно химическим и технологическим путем на величину Дг исходного материала.
В табл. 6-2 приведены данные сердечников с зазором, разработанных Н. Н. Шольц и К. А. Пискаревым на основе материала оксифер-400.
148
Таблица 6-2
Ри. отн Д2, м/а Д2, сек.
100 100-Ю-6 8-Ю-9 1,0-Ю-3
60 31,4-10~6 5-Ю-9 0,6-10~3
22 5-10~6 4-10—9 0,4-10-3
12 1,25-10-6 3-10-9 0,2-10-3
В последнее время, в связи с большим распространением ферритов, появилась тенденция к созданию оценочных параметров с величиной, не зависящей от зазора. Такие параметры позволяют сравнивать материалы, из которых изготовлены сердечники.
Одним из таких параметров является так называемый удельный коэффициент потерь на гистерезис, равный
д' =—____
2 р2 “я. отн
Другим параметром является произведение
Qpomw или обратная ему величина tgA Ротн
Величина эта в широкой степени не зависит от зазора, что нетрудно доказать. Пусть в сплошном сердечнике некоторой катушки с п витками при токе / имеется индукция В. Чтобы сохранить ту же индукцию и после введения зазора, надо увеличить число витков в отношении
п__Ра .
fl' <1 ’
Из (6-58) и (6-59) получим:
(6-58)
(6-59)
(6-60)
Неизменность индукции влечет неизменность потерь в сердечнике (небольшим изменением R() пренебрегаем). Поэтому
Re Rc
149
или
tg6c tg5c
И Ptf
Серьезными соперниками ферритов продолжают оставаться значительно раньше их изобретенные магнитодиэлектрики (см. выше).
Зазоры, перпендикулярные к направлению магнитного поля, существуют в магнитодиэлектрике в весьма большом количестве. Действие их сказывается в уменьшении коэффициентов потерь на гистерезис. Путем рассуждений, аналогичных тем, которые были изложены в связи с изучением зазора в ферритовых сердечниках, можно показать, что коэффициент гистерезисных потерь магнитодиэлектрика равен:
где
ДгЛ—-аналогичный коэффициент для материала ферромагнитной фазы магнитодиэлектрика;
^—действующая магнитная проницаемость магнитодиэлектрика;
р.—магнитная проницаемость материала ферромагнитной фазы;
р—так называемый коэффициент заполнения, равный отношению объема ферромагнитной фазы к объему компактного сердечника тех же размеров, что магнитодиэлектрический.
Уменьшение потерь на последействие определяется формулой
А. = А„ (»)’}. (6-62)
Таким образом, наличие у магнитодиэлектриков распределенных зазоров позволяет бороться с гистерезисными потерями еще более эффективно, чем у ферритов. Так же как и у ферритов, дополнительным средством такой борьбы является подбор химической композиции ферромагнитной фазы.
В принципе возможен также путь введения в магнитодиэлектрический сердечник сосредоточенных зазоров, однако он испытан весьма мало, главным образом на торах, для которых он неудобен из-за появления полей рассеяния.
Сопротивление, вносимое в обмотку катушк» потерями на вихревые токи в сердечнике из прессованного материала, может быть вычислено по формуле
Rec== wLf,
(6-63)
150
где
магнитная проницаемость сердечника в гн/м;
о—проводимость сердечника в м/ом-мм2;
б/—диаметр частицы ферромагнетика в миллиметрах;
L—индуктивность в генри;
/—частота в герцах.
Согласно этому выражению борьбу с потерями на вихревые токи целесообразно вести, уменьшая размеры частиц. Такая мера будет снижать также уменьшение магнитной проницаемости сердечника под влиянием поверхностного магнитного эффекта, обусловленного вихревыми токами. Это влияние будет сказываться тем сильнее, чем выше частота тока, протекающего через катушку. Теория показывает, что относительное изменение магнитной проницаемости при частоте / по сравнению с частотой, достаточно близкой к нулю, может быть выражено формулой
где 7—коэффициент частотной нестабильности.
Для получения стабильных значений индуктивности некоторой катушки надо обеспечивать весьма малые значения у. Чем выше рабочие частоты катушки с сердечником из заданного магнитного материала, тем меньше должно быть значение 7. Уменьшение 7 может быть достигнуто увеличением степени подразделенности сердечника. Получающееся при этом уменьшение действующей проницаемости сердечника должно быть компенсировано увеличением проницаемости исходного ферромагнитного материала, т. е. изменением его химического состава и методов обработки.
Принятые в практике значения подразделенности сердечников, выбираемые исходя из необходимости уменьшения гистерезисных и вихревых потерь, обеспечивают в большинстве случаев полную стабильность значения магнитной проницаемости во всем рабочем диапазоне катушек. Опыт показывает, что верхний частотный предел использования того или иного магнитодиэлектрика определяется не столько его частотной нестабильностью, сколько потерями энергии в нем. В отличие от ферритов, при работе с магнитодиэлектриками не приходится сталкиваться с какими-либо резонансными явлениями.
Все предыдущие рассуждения приводят к желательности возможно более мелкого подразделения магнитодиэлектрика, однако в этом отношении имеется предел. При очень малых размерах частиц ферромагнетика он изменяет свои свойства и из магнитно-мягкого становится магнитно-жестким. Кроме того, с увеличением количества частиц увеличивается процентное содержание диэлектрика, их разделяющего, и магнитная про-
151
ницаемость сердечника падает. Связь между действующей относительной магнитной проницаемостью ^отНгд прессованного порошкообразного материала, измеренной при достаточно низкой частоте, и относительной проницаемостью сплошного ферромагнетика выражается формулой ^отн. м отн.д' ' о ।
Р №отн. м
(6-64)
где р'—процентное содержание диэлектрика в общем объеме сердечника. Формула эта справедлива для р'« 1 и ^отн,м^>^-
ПРИ °° имеем:
отн. д р’ ‘
Считая предельным значением р' величину pz = l,5%, получим предельное значение ротн. д порядка 200. Эта цифра пока-
зывает возможности
Фиг. 6-5
магнитодиэлектриков, которые в этой части уступают ферритам, превосходя их (по крайней мере в настоящее время) по амплитудной стабильности. По этой последней причине, при разделении потерь согласно формуле (6-53) для магнитодиэлектриков можно вести вычисления при полях порядка 100 а/м, оставаясь при этом в пределах практически прямолинейной части характеристики
Магнито диэлектрики отличаются от ферритов наличием в сердечниках допол-
нительного вида потерь — на нагрев диэлектрической фазы, сказывающегося при частотах свыше 30 кгц. При этих частотах в правую часть формулы (6-52) необходимо ввести дополнительный член, характеризующий потери в ди-
электрике сердечника.
На фиг. 6-5 приведена схема, эквивалентная катушке с ферромагнитным сердечником. На этой схеме емкость Сх представляет емкость между обмоткой и сердечником, а С2—емкость части сердечника между началом и концом обмотки.
Подсчет диэлектрических потерь в сердечнике невозможен— их определяют путем измерений. Их можно уменьшить, подбирая материал диэлектрической фазы, а также уменьшая емкость т. е. удаляя намотку от сердечника.
Магнитодиэлектрики, применяемые в технике дальней связи, изготовляются в основном из альсифера и карбонильного
железа.
Альсифер, разработанный Н. Н. Шольц и Л. И. Рабкиным, представляет собой сплав алюминия (7,5%), кремния (9%) и
152
железа (83,5%). Сплав этот размалывается, а затем перемешивается с изолирующим веществом, находящимся в сухом или жидком виде. В качестве изоляционного материала применяются шеллак, бакелит, стирол, растворяемые в соответствующих растворителях, а также нитролаки, жидкое стекло и т. п. При перемешивании и сопутствующем ему подогреве растворитель испаряется. Иногда изолирование производится сухим способом — перемешиванием ферромагнитного порошка с изолирующим порошком (бакелит, аминопласт).
Полученная тем или иным способом магнитодиэлектрическая смесь закладывается в прессформы, изготовляемые в соответствии с заданными размерами сердечников, и прессуется при больших давлениях и повышенной температуре. Для снятия наклепа, образующегося при прессовании и ухудшающего магнитные свойства, сердечник отжигается, после чего подвергается искусственному старению (прогрев в течение определенного времени при повышенных температурах) и кипячению в воде для устранения окисляющихся примесей. Для защиты от влаги сердечник пропитывается лаком и иногда окрашивается (для маркировки).
В промышленности дальней связи альсиферовые сердечники изготовляются в виде тороидов, размеры которых приведены в приложении 6-2. Материал для этих тороидов делится на пять типов: ТЧ-60, ТЧК-55, ВЧ-22, ВЧ-32 и ВЧК-22. Кольца, изготовленные из альсифера ТЧ-60 и ТЧК-55, предназначаются для использования при частотах не свыше 10 кгц из ВЧ-32—не более 50 кгц, из ВЧ-22 и ВЧК-22—до 100 кгц (при некотором ухудшении добротности—до 150 кгц). Материалы ТЧК и ВЧК имеют уменьшенный температурный коэффициент проницаемости, получаемый за счет составления соответствующих магнитодиэлектриков из смеси двух порошков с противоположными по знаку температурными коэффициентами. Изготовление сердечников из этих двух видов альсифера достаточно сложно и дорого, поэтому без особой необходимости применять их не следует.
Магнитные свойства советских альсиферов приведены в табл. 6-3.
Примерно до напряженности поля в 400—500 а/м относительная проницаемость альсифера ТЧ-60 возрастает линейно, в соответствии с величиной коэффициента амплитудной нестабильности (переменные поля при рабочих значениях токов в катушках составляют десятые и сотые доли а/м).
Кроме магнитодиэлектриков на основе альсифера в советской аппаратуре применялись магнитодиэлектрики типа пресс-перм. В качестве магнитного вещества в них применялся пермаллой—сплав железа с никелем. Прессперм изготовлялся в трех вариантах: ТЧ-80 для тональных частот, ВЧ-30 —да 30 кгц и ВЧ-20—до 150 кгц.
153
Таблица 6-3
Тип материала <J H. ОШИ1 Температурный коэффициент проницаемости р Дг, Mja
ТЧ-60 ТЧК-55 ВЧ-32 ВЧ-22 ВЧК-22 55—65 50—60 30—34 20—24 20—24 —400-Ю-6 —150-Ю-6 4-50-Ю-6 —250-10—6 —200-Ю-6 —50 -10~6 ч-бОЛО-6 62,8-Ю*6 62,8-10—6 25,12-Ю-6 15-Ю-6 15-Ю-6 П родолжение
Тип материала Д8С, сек. а, м/а Частота, при ко- торойДО" №отн стигает 1 %
ТЧ-60 . . . ТЧК-55 . . ВЧ-32 . . . ВЧ-22. . . ВЧК-22 . . 250-10~9 — 500-10“9 250-10~9 — 500-10“9 60-10~9 — 85 -Ю”9 Ю.IO-9 — 12 -10“9 10.Ю-9 — 12 -10-9 СО СО со со со 1 1 1 1 1 о о о о о Т-Ч т—и т—t т—I • О О С4 С4 СЧ тЧ rd 4^ 4^ О 4^ 4^ О О ОО 00 о о о о о 1 1 1 1 1 о о о о 500 кгц 1,5 мггц
1 Данные отн приведены для t = 20° С; уменьшение omti за один год составляет не более 1 % при температуре, не превышающей 120° С.
Значительный интерес представляет порошкообразный магнитный материал, называемый карбонильным железом. Порошок карбонильного железа получается из обычного рудного железа путем весьма сложного химико-термического процесса. При высоком давлении и температуре обычное железо приводят в соприкосновение с окисью углерода, в результате чего образуется жидкое вещество—пентакарбонил железа. Пары этой жидкости вводятся в сосуд, нагретый до 200—250° С. При этом пентакарбонил разлагается, выделяя карбонильное железо в виде очень тонкого и плотного • порошка, зерна которого имеют всего лишь несколько микрон в поперечнике; они круглы и имеют гладкую поверхность, способствующую отложению на них ровной изоляционной пленки.
В тех случаях, когда от карбонильного железа требуется особо малая величина гистерезисных потерь, оно подвергается азотированию — в железе растворяется несколько процентов -154
азота. Такая обработка железа уменьшает гистерезисные потери, но несколько снижает его магнитную проницаемость.
Большая дисперсность карбонильного порошка позволяет создавать магнитодиэлектрики, хорошо работающие при весьма высоких частотах. Порошки с зернами от 1 до 5 микрон могут быть использованы при частотах порядка десятков мегагерц. Вследствие возможности получения сердечников с малыми гистерезисными потерями, карбонильное железо применяется во всех тех случаях, когда от катушек требуется минимальная величина нелинейных искажений (катушки направляющих и линейных фильтров систем многократного телефонирования, катушки часто-пупинизированных кабелей и т. п.).
В табл. 6-4 приводятся данные магнитодиэлектриков на основе карбонильного железа, заимствованные из книги Н. Н. Шольц и Л. И. Рабкина. При использовании на частотах до 30 кгц сердечникам обычно придается тороидальная форма, при работе же на более высоких частотах чаще всего применяются горшковые конструкции.
Таблица 6-4
отн Дг, м/а Дб, сек.
60 68-Ю-6 10-ю-9 1,9-10~3
12 1,6-10-6 2,5-Ю-9 ОДб-Ю-3
9 5-IO'6 2,5-Ю-9 0,4-Ю-3
Как правило, материал с большими значениями отн используется при более низких частотах, однако иногда решающее влияние при его выборе может оказать величина гистерезисных потерь; именно поэтому материал с отн= 12, приведенный в предпоследней строке табл. 6-4, применяется при частотах ниже 100 кгц-, малая величина этого материала объясняется желанием снизить потери на гистерезис. Материал с от„=9 является типичным высокочастотным диэлектриком и применяется в радиопромышленности вплоть до частот порядка 40 мггц.
Особо следует упомянуть изобретенные Л. И. Рабкиным магнитодиэлектрики, названные им ферроэластами. Это гибкие магнитодиэлектрики, для которых в качестве ферромагнетика используется порошок альсифера или другой ферромагнитный порошок, а диэлектриком служат каучук и специальные смолы (например хлорвинил). Каучук разминают на вальцах, добавляя при этом ферромагнитный порошок; затем материал подвергают вулканизации.
155
Альсифер на основе ферроэласта имеет следующие данные: Дг = 15,1.10-6^;
Дв=8-1(Г9сек.; Д„ = 9,1 • 10~3.
Ферроэласты могут быть применены для изготовления сердечников катушек; механическая гибкость этого материала открывает известные перспективы для создания катушек с плавно подстраиваемой индуктивностью. Весьма интересно также использование ферроэластов при конструировании экранов воздушных катушек (см. гл. 5).
6-3. Расчет катушек с ферромагнитными сердечниками
Выбор сердечника. При выборе материала сердечника и определении его конструкции и размеров обычно задаются следующие величины:
1) диапазон индуктивностей, осуществляемых на выбираемом сердечнике;
2) рабочий диапазон частот и, особо, рабочая частота;
3) добротность катушки;
4) величина нелинейных искажений при заданном токе в обмотке;
5) температурный коэффициент и диапазон рабочих температур;
6) предельные габариты;
7) стабильность во времени;
8) производственные возможности и степень дефицитности отдельных материалов.
Диапазон индуктивностей в весьма значительной мере определяет габариты сердечника.
Диапазон частот определяет тип ферромагнетика, который должен обеспечить практически полную частотную стабильность индуктивности. Рабочая частота определяет при заданной добротности величину потерь.
Добротность катушки является одним из важнейших ее параметров, однако в технике дальней связи для весьма большого количества катушек не менее важную роль играют нелинейные искажения, т. е. амплитудная нестабильность. Поэтому, задавшись определенными габаритами сердечника, надо найти напряженность поля в нем по формуле
^«= —.
* I ’
где 1М—амплитуда тока, после чего, зная Нм и взяв из справочника Дг для данного ферромагнетика, вычислить коэффициент нелинейных искажений.
156
При неблагоприятности результатов подсчета следует выбрать сердечник большего размера или же подобрать материал с меньшим значением Д2. При отсутствии подходящего материала можно пытаться создать конструкцию с зазором (эта рекомендация применима в принципе и к магнитодиэлектрикам), но при этом надо учитывать влияние уменьшения на добротность.
Влияние остальных факторов вряд ли нуждается в пояснении. Температурные зависимости и меры по увеличению стабильности во времени будут рассмотрены особо в § 6-5.
Резюмируя, можно сказать, что стремление выполнить отдельные требования приводит к принятию решений, явно противоречащих друг другу, поэтому общее решение должно представлять собой разумный компромисс.
Вопрос о выборе оптимальных размеров сердечника и проницаемости материала довольно сложен. Он возникает перед конструктором при появлении новых магнитных материалов, так как при использовании старых, давно известных материалов конструктор имеет в своем распоряжении уже готовые сердечники со стандартизованными и проверенными многолетней практикой данными.
В настоящее время новыми материалами являются ферриты, для которых и излагаются ниже соображения по расчету сердечника, основанные на последних работах, опубликованных в литературе. Некоторые из этих соображений применимы и к магнитодиэлектрическим горшковым конструкциям.
Как указывалось выше, наиболее рациональной формой ферритового сердечника является броневая, или горшковая, с внутренним зазором (см. фиг. 6-1,6), которую мы и примем за основу.
Добротность катушки будем оценивать по ее коэффициенту потерь d\
1 _ ^0 । R? । Rec । Rn । Rbm । Rd
Q шЬ &L (nL (*>L (&L
= dQ + + dec + + deM + dd. (6-65)
При выборе сердечника заданными являются индуктивность, рабочая частота, ток в обмотке и вид материала. Последний при неблагоприятных результатах расчета может быть заменяем в пределах имеющихся возможностей. При всех случаях надо стремиться к получению от катушек максимальной величины Q, которая зависит: 1) от величины магнитной проницаемости материала, 2) от объема сердечника и 3) от соотношения его размеров. Добиваясь максимального Q, не следует забывать и о нелинейных искажениях.
Вопрос о выборе рациональной величины у. наиболее просто решается именно для ферритовых сердечников, так как в этом
157
случае проницаемость легко регулировать посредством зазоров. Для магнитодиэлектрических сердечников приходится устанавливать ряд стандартных значений у. (см выше), каждое для сравнительно широкого спектра. Применение локальных зазоров в конструкциях с магнитодиэлектриками сравнительно неудобно в технологическом отношении — из-за хрупкости материала.
При определении значения рь, оптимального с точки зрения наибольшей величины Q, будем исходить из суммарной величины потерь в сердечнике. На основании (6-52) имеем:
R^ Rz + Rec + Rn-
Подставляя значения R3) Rec и Rn из формул (6-36), (6-47) и (6-50), получим:
Rc=hLHMf+ wLf + nLf. (6-66)
Считая напряженность поля достаточно слабой и полагая, вследствие этого, проницаемость постоянной и равной ее начальному значению, приходим к следующему равенству:
Rc=a^BMfL + b^fL + c^fL. (6-67)
Таким образом, все составляющие Rc, а следовательно, и коэффициенты d3t dec, dn в формуле (6-65) являются прямыми функциями проницаемости. То же самое можно сказать и о коэффициенте dQ.
Для дальнейших вычислений по определению оптимального значения рь введем в выкладки объем сердечника V. В частности, эта мера позволит нам удобно определить коэффициент dQ.
Выразим индуктивность катушки через объем ее сердечника.
2
В формуле (4-3) величина F пропорциональна V3, а I про-1
порционально V3. Поэтому можем написать:
1
A = (6-68)
где kr—коэффициент пропорциональности.
То же самое проделаем с выражением для сопротивления постоянному току:
А>о = Р = Р (6-69)
^0 ^0
П--- 7Z---- П
4 4
где
Д„ = р-^. (6-70)
* FHqM
Коэффициент qM равен отношению меди к имеющейся площади намотки FH.
158
Вводя объем, получим для /?0:
(6-71 >
V3
Используя (6-68) и (6-71), находим:
/?0= (6-72)
V3 |Л
4>=-|*-; (6-73)
V3
здесь k2, ks и ^—коэффициенты пропорциональности.
Остальные коэффициенты потерь вычислим на основании (6-65) и (6-67):
или учитывая, что
^=^==^7- = ^|/ = l/v-2-
3 1
и 2 г 2 Г
dz=k. L-~ , (6-74>
V2
dec-=k&f, (6-75)
dn=k&. (6-76)
Сочетая (6-73)—(6-76), получим общий коэффициент потерь, без учета потерь на переменном токе в меди и диэлектрике:
3 1
d= + W+k^- <6’77>
В правой части формулы находятся только заданные величины. Оптимальную проницаемость, соответствующую минимальному значению d, можно найти графически, подставляя в формулу (6-77) различные значения L, J и I.
В отдельных частных случаях, вводя упрощения, можно-обойтйсь без графических вычислений. Так, например, в ферритовых катушках малых размеров можно пренебречь всеми видами потерь, кроме сопротивления постоянному току и гистерезисных. При этом оптимум проницаемости вычисляют по
159-
нулевому значению первой производной от d по рь. Он будет 7? О 3 П о
иметь место при — = —. При этом надо помнить, что кг за-2
висит от £ и /. Для ферритовых катушек средних размеров, не относящихся к миниатюрным, при очень малых токах можно считать, что в сердечнике преобладают потери постоянного тока и последействие. В этом случае оптимум проницаемости имеет место при RQ=Rn.
Наконец, в том случае, когда считаться приходится с. RQ, Rec и R2 (магнитодиэлектрики), оптимум проницаемости будет при Ro = Rec + Rz> причем R2 зависит от тока. При преобладании /?0 и Rec оптимум получим для RQ = Rec.
Оптимальное значение магнитной проницаемости обеспечивается при ферритовых сердечниках выбором материала и размерами зазора, а при магнитодиэлектрических—выбором материала с наиболее подходящим значением ji. В обоих случаях необходимо производить большое количество поверочных измерений. В ферритовых конструкциях величина зазора часто делается переменной с целью подгонки индуктивности, причем значение [а, полученное на основе предыдущего расчета, следует рассматривать как соответствующее среднему значению зазора. При конструировании необходимо помнить, что отклонения от оптимального значения проницаемости не являются критичными, пока они не превышают 20%.
Для определения добротности катушки надо знать не только коэффициенты dQ, d2, dec и dn, но и deM и ddJ так как эти последние могут влиять на добротность весьма существенно. Для уменьшения этого влияния надо стремиться увеличивать размеры катушки, однако, при этом следует считаться с ограничениями, указанными в пятой главе.
Влияние собственной емкости катушки на коэффициент потерь dd является функцией не только объема сердечника, но и абсолютного значения этого коэффициента. Кроме того, действие потерь в собственной емкости сказывается на катушках с большой добротностью гораздо резче, чем на катушках с малой добротностью.
Потери в меди, как известно, могут быть рассчитаны, что же касается потерь в собственной емкости, то единственно правильным методом их определения является измерение опытных образцов.
Перейдем к определению пропорций сердечника. Конструкция, показанная на фиг. 6-1, б, должна быть рассчитана так, чтобы магнитное сопротивление было одинаковым на всем пути силовых линий. Для этого необходимо подобрать толщину внешнего панцыря таким образом, чтобы сечение магнитного пути было однородным, т. е. площадь сечения наружного кольца должна быть равна площади сечения внутреннего стержня.
460
Применяя обозначения, показанные на фиг. 6-1, б, получим условие равенства этих площадей:
№—я (г—t)2 = кр2г2, откуда _____
£=г(1-]А-р2). (6-78)
Соотношения между остальными размерами легко вычисляются на основе фиг. 6-1,6:
F=w2p2, (6-79)
/ = г(з|А -р2 - 1 +2А). (6-80)
Площадь окна равна:
Ги=г2()Л1 -р2 — р) (2 |Л1 — р2 — 2 А); (6-81)
+4 (6-82)
Общий объем катушки составляет:
У=тгг3Л. (6-83)
При определении оптимальных размеров будем исходить из
оптимальной величины проницаемости. Для случая преобладания /?0 и (см. выше) имеем оптимальную проницаемость при 36г=2</0. (6-84)
Коэффициент dQ может быть представлен в виде
<4=*,,^, (6-85)
где k10— —-— может считаться величиной постоянной, так ЪфЧм
как при изменении конфигурации сердечника qM меняется весьма мало.
Коэффициент dz может быть представлен на основе формулы (6-74) в виде 3 1
,,2 j 2 j
d,=ke? / • (6-86)
l~FT
Используя равенства (6-84) — (6-86), можно выразить d0 через размеры сердечника:
3 2 /5 /5 d0=ku-^—,
FH F 5
11 Зак. № 129
161
где =/(/), что надо помнить при дальнейшем использовании рассчитываемого сердечника (расчет ведется для заданного предельно возможного значения I).
Общий коэффициент потерь равен:
3 2
к I 13
d=da + d^ — d0 = — kn .
«12 3 ° 3 11 3 4
fJ~ft
В эту формулу можно подставить значения размеров согласно формулам (6-79)—(6-82). Минимум выраженной таким образом величины d (при постоянстве общего объема) получается при
р^0,5 и h ^1,0. (6-87)
Примерно те же значения р и h получаются и при других соотношениях потерь. Абсолютная величина размеров определяется индуктивностью, добротностью и требованиями в части нелинейных искажений. В приложении 6-3 даны размеры наиболее распространенных в настоящее время магнитодиэлектрических горшковых сердечников. Размеры ферритовых сердечников могут быть нормализованы аналогичным образом. С пропорциями согласно (6-87) построены ферритовые катушки индивидуальных полосовых фильтров одной из новейших систем высокочастотного телефонирования. Приведем в качестве примера данные подобной катушки:
Л=5 мгн, 1/=23 см3, /=100 кгц,
= 10 пф, d0-\-dc=0,00092,
что соответствует Q > 1000;
d0 4- dc + deM—0,0016, для провода-литцендрата, т. е. Q^630;
<4 4~ “1“ d-вм 4“ 0,00183,
т. е. Q = 550.
Расчет индуктивности. Для катушек с сердечниками броневого типа расчет индуктивности можно вести по общей формуле
^~“сс отн. д^бс1
где Lcc—индуктивность при наличии сердечника, a L6c—индуктивность в его отсутствии, когда индуктивность и определяющие ее витки могут быть найдены по методам, изложенным в пятой главе.
^отн.д вычисляется для ферритов по |х0(ЯМ сплошного материала и величине зазора; для магнитодиэлектриков следует
162
учитывать влияние стыка полупанцырей броневого сердечника, снижающего проницаемость на несколько процентов.
Перейдем к катушкам тороидальной формы — наиболее старой, но вместе с тем все еще весьма распространенной. Она применяется, как правило, только с магнитодиэлектриками. В приложении 6-1 приведены размеры типовых колец из альсифера. Такие же кольца могут быть изготовлены и из карбонильного железа. Сорт магнитодиэлектрика обычно отмечается наносимой на сердечник цветной полоской. Для придания сердечнику формы, удобной для намотки, типовые кольца применяются парами — два одинаковых кольца складываются вместе и скрепляются обычно миткалевой лентой, на которую наносится обмотка (фиг. 6-6, а и 6-6, в); иногда скрепляют вместе три кольца (фиг. 6-6,6). На ленту насаживаются разрезные прессшпановые перегородки для секций (фиг. 6-6, в), служащих для уменьшения собственной емкости намотки (если это требуется). Возможно также приме-
нение чехлов из пластмассы с малыми диэлектрическими потерями (фиг. 6-6, г).
Выбор того или иного диаметра колец и сечения сердечника определяется заданными габаритами и добротностью катушки. В известных пределах можно утверждать, что при заданном типе магнитодиэлектрика ббльшие катушки будут соответствовать большим добротностям.
Для подсчета индуктивности тороида с достаточно малым отношением радиальной ширины к его диаметру можно применить формулу (4-3).
Вводя размеры сердечника (фиг. 6-7), получим:
j _ (О/ г вн)
2
(6-88)
Это уравнение справедливо полностью только в том случае, когда сердечник имеет весьма малую величину отношения 11* 163
Th — T
—----—, когда намотка на нем весьма тонка и когда он на-
Т н
ходится в условной среде, абсолютно не проводящей магнитный поток.
Влияние конечной величины отношения Гн ~Гвн сказывается гн
в том, что несмотря на равномерность распределения обмотки по окружности тороида поле распределяется по его сечению неравномерно, так как на внутренней окружности на единицу
Фиг. 6-7
тонкой ленточки в сердечнике
длины приходится большее число витков, чем на внешней, и магнитные силовые линии, стремясь сократиться, концентрируются у внутреннего периметра.
Рассмотрим величину ^°^hF в формуле (4-3). Величина произведения аналогичных сомножителей для бесконечно равна (фиг. 6-7):
/
2кг
и, следовательно,
гн
I 2к J т 2тс гвн
гвн
Подставляя это выражение в формулу (4-3), получим:
£ =-----. (6-89)
2л (гя г вЛ) -
1п-^-
Тен
Эта формула отличается от формулы (6-88) тем, что средний арифметический радиус заменен в ней так называемым гармоническим радиусом:
г _ гн гвн
г г
1П-^_
Т вн
Если этой замены не делать, то при общепринятых размерах сердечников ошибка в определении индуктивности, как показала Н. Н. Шольц, может доходить до 2,5%. Гармонический радиус необходимо вводить в вычисления лишь тогда, когда в данных материала сердечника приводится ротн, под
164
считанное по формуле (6-89) на основе измерения индуктивности опытного тороида. Если же подсчет ротн велся для данного материала по среднему арифметическому радиусу, то при расчете индуктивности следует пользоваться этим последним.
Еще большая ошибка может иметь место за счет того, что в практических условиях магнитный поток существует не только в сердечнике, но и в немагнитном сечении обмотки, ее окружающем. Это явление становится заметным тогда, когда сечение обмотки значительно отличается от сечения сердечника (обычное явление при многослойных намотках).
Обмотка Сердечник
Каркас или лента
Фиг. 6-8
Соответствующую поправку вносят, вводя в формулу (6-89) вместо величины уотн приведенную величину
где
/—средняя длина магнитной линии в сантиметрах;
/?! и R2—максимальный и минимальный радиусы кругового сечения обмотки в сантиметрах (фиг. 6-8).
Формула (6-90) полностью справедлива только для тороидов кругового сечения, однако ею пользуются и для других сечений, поскольку обмотка с большим числом витков всегда получается круглой, а точность, с которой определяется поправочный член, может быть небольшой.
В приложении 6-4 приведены расчетные формулы, применяемые в практике для определения числа витков по заданной индуктивности для наиболее ходовых размеров тороидальных сердечников. Формулы даны для минимальных допускаемых значений ротн. При заводском проектировании обычно указывается несколько значений числа витков, в соответствии с несколькими градациями ротн и с допусками на эту величину.
165
В процессе производства перед намоткой сердечники разбраковываются по величине проницаемости. Эта мера позволяет экономить намоточные материалы.
С влиянием экрана на величину индуктивности (как при броневых сердечниках, так и при равномерно намотанных тороидальных) можно не считаться. Экранирование, все же применяемое для обоих типов катушек, преследует цели защиты от внешних полей. Чем равномернее намотан тороид и чем лучше сомкнуты половинки броневого сердечника, тем меньшей будет степень экранирования. Для частот ниже 10 кгц обычно применяют стальные экраны, для частот более 10 кгц—медные или алюминиевые, для частот выше 100 кгц, как правило, только алюминиевые. Экраны располагаются непосредственно по внешним обводам катушек, т. е. весьма близко к намотке (торы) или к сердечнику (горшки).
Величину собственной емкости катушек с ферромагнитными сердечниками определить расчетным путем невозможно. Для оценки ее величины следует накапливать опыт систематических измерений. В приложении 6-5 приведены данные собственной емкости, измеренные Н. Н. Шольц.
Собственная емкость цилиндрических катушек, надеваемых на стержни броневых сердёчников, сильно увеличивается по сравнению с катушками без сердечников из-за концентрации электрического поля внутри последних. Тем не менее броневые катушки имеют емкости меньшие, чем сравнимые с ними тороиды.
Основной мерой уменьшения собственной емкости является секционирование обмотки. Положительное влияние этой меры ясно из данных приложения 6-5. В тороидальных катушках число секций берут не более четырех, в броневых — не более трех.
Расчет потерь. Начнем с определения /?0 — потерь в катушке при постоянном токе. Для тороидов со сравнительно большим числом витков и многослойной намоткой сопротивление Rq постоянному току вычисляется довольно сложно, так как плотное размещение витков на внутреннем периметре сердечника и более свободное их размещение на наружном периметре весьма осложняет расчет средней длины витйа. В приложении 6-4 приведены значения этой величины для наиболее ходовых размеров тороидов.
Для цилиндрических катушек, помещаемых в круглых сердечниках броневого типа, величина 7?0 определяется так же, как и для соответствующих катушек без ферромагнитного сердечника.
Критерием для выбора диаметра и типа провода на тональных и надтональных частотах, при которых применяются, как правило, лишь тороидальные катушки, служит минимум /?0 при заданной величине L, т. е. при заданном числе витков.
166
Диаметр провода определяется на основе следующих сооб-бражений. Пусть гвн—внутренний радиус тороидального сердечника, а готв— радиус отверстия намотки; тогда
"J=(Jr2-r2 V
\ вн отв)
где коэффициент заполнения площади обмотки медью, определяемый, согласно данным Н. Н. Шольц, из табл. 6-5.
Таблица 6-5
dQ, мм ПЭБО, ПЭШД, ПВО, пшд ПЭШО, ПШО ПЭ
0,3 0,22 0,28 0,37
0,4 0,26 0,32 0,40
0,6 0,38 0,40 0,45
0,8 0,40 0,49 0,56
1,0 0,45 0,50 0,56
Зная коэффициент q для некоторого выбранного типа провода (чаще всего ПЭШО), можно, задаваясь типом сердечника и внутренним радиусом готе намотки (определяется челноком намоточного станка), подсчитать количество витков, которое уложится в заданном намоточном пространстве. Проделав ряд таких подсчетов, можно построить кривые, позволяющие выбрать оптимальный диаметр провода и определить Ro для заданного типа сердечника при заданном числе витков. В приложении 6-4 приведены формулы для упрощенного подсчета величины диаметра провода с изоляцией для наиболее ходовых размеров тороидов.
Для сердечников броневого типа, используемых на высоких частотах, выбор диаметра провода и его изоляции определяется в основном соображениями, касающимися вихревых и диэлектрических потерь.
Сопротивление /?г потерь на гистерезис определяется по формуле (6-36), причем напряженность поля Нм вычисляется в амперах на метр по амплитуде тока и габаритам сердечника, а коэффициент h вычисляется по коэффициенту потерь на гистерезис Дг, величина которого приводится в справочных изданиях. Если Дг дано в то его надо пересчитать в метры на ампер.
Сопротивление Re потерь на вихревые токи складывается из двух составляющих: сопротивления Rec вихревых потерь в сердечнике и сопротивления ReM вихревых потерь в меди.
Первое из них рассчитывается по формуле (6-47) на основе значений Двс, приводимых в справочных материалах, второе же
167
(как для тороидов, так и для круглых броневых сердечников) удобно подсчитывать по формуле (5-20). При практических расчетах эту формулу часто видоизменяют следующим образом:
ReM = -• — • ^-fd\ (6-91)
вМ ? Ротн VCJ 0 4 ’
здесь р и d0 имеют те же значения, что и в (5-20); L обозначает индуктивность катушки в генри, ^отн—относительную проницаемость сердечника, /—частоту в килогерцах.
Кроме того, объем меди равен:
* 4
где /р—средняя длина витка в миллиметрах (см. приложение 6-3), величина z обозначает число жилок литцендрата (для одножильного провода 2=1).
Объем сердечника равен:
Vc=/F,
где /—средняя длина магнитной силовой линии в миллиметрах, a F—сечение сердечника в квадратных миллиметрах (для броневых катушек определяется сечением среднего стержня).
Зная заданные габариты, можно определить диаметр и тип провода, обеспечивающий допустимое значение ReM. Начиная с частот 15—20 кгц, для тороидов применяют литцендрат.
Сопротивление потерь на последействие определяется по формуле (6-51) на основе справочных материалов.
Сопротивление диэлектрических потерь весьма трудно поддается расчету. Учитывать его приходится в основном для частот от 30 кгц и выше. Оно складывается из двух составляющих: из потерь в диэлектрике, разделяющем зерна ферромагнетика, и потерь в изоляции провода и каркаса (если таковой имеется). Эта составляющая потерь может быть определена лишь экспериментальным путем. В последнее время стали появляться предложения об уменьшении потерь, имеющих своим источником электрическое поле внутри сердечника, путем экранирования последнего тонким (во избежание увеличения потерь на вихревые токи) слоем углерода.
Полные потери в катушке, определяющие ее добротность, находятся суммированием всех рассмотренных выше сопротивлений. Для полного учета потерь к этим сопротивлениям следует добавить небольшой прирост сопротивления под влиянием потерь в экране (если таковой имеется). Выше уже приводились данные добротности катушек с ферритовыми сердечниками. Эти сердечники обладают наибольшими возможностями в смысле получения высокой добротности; так, добротности порядка Q=500 могут быть получены без особого труда. Из
168
магнитодиэлектриков подобную добротность могут обеспечить лучшие сорта карбонильного железа, весьма дорогие и сложные в производстве.
На фиг. 6-9, а приведена частотная характеристика добротности ферритовой катушки, а на фиг. 6-9, б дано сравнение
добротности катушек с сердечниками из феррита и из ходовых сортов карбонильного железа (р.ооти^12).
Надо, однако, помнить, что на современной ступени развития ферритовых сердечников они значительно уступают сердеч
169
никам из карбонильного железа в части нелинейных искажений.
На фиг. 6-10 дана частотная зависимость всех составляющих активного сопротивления весьма высококачественного тороида с сердечником из карбонильного железа с р-от«=13, отличающегося особо малыми гистерезисными потерями. Катушки с сердечниками из альсифера имеют сравнительно невысокие добротности. С сердечниками из альсифера ТЧ-60 в тональном диапазоне удается получать Q=200-4-250, а с сердечниками из альсифера ВЧ-30, при более высоких частотах, Q —250-4-300 (при повышенных частотах горшковые конструкции дают по сравнению с тороидальными лучшие результаты).
Можно надеяться, что усовершенствование ферритов, в особенности в части уменьшения гистерезисных потерь, определяющих нелинейные искажения, позволит в недалеком будущем распространить область их применения и на те величины частот, токов и индуктивностей, которые в настоящее время неразрывно связаны с громоздкими и неудобными в производстве тороидами из магнитодиэлектриков.
6-4. Стабильность катушек
Величины р (для магнитодиэлектриков) и рд (ддя ферритов), входящие в формулы предыдущих разделов, относятся к температуре 20° С. При изменении температуры проницаемость будет изменяться в соответствии с температурным коэффициентом проницаемости (ТКП), равным
8=-^ ‘ [Ш
или, более строго,
(М2)
Коэффициент р является функцией температуры, однако зависимостью этой в пределах комнатных температур можно пренебречь и пользоваться некоторым постоянным значением.
Температурная зависимость проницаемости является основной причиной температурной нестабильности индуктивности, однако необходимо считаться также и с изменениями намотки и каркаса, если таковой имеется. Рассчитать температурный коэффициент индуктивности при наличии сердечника крайне трудно, можно только указать, что величина этого коэффициента будет больше, чем при отсутствии сердечника. У броневых сердечников из магнитодиэлектриков температурная зависимость индуктивности получается больше, чем у аналогичных тороидов; причиной этого является наличие в броневой конструкции неизбежного, несмотря на пришлифовку ее полови
170
нок, неоднородного и малого зазора, размеры которого зависят от температуры.
Альсиферы обладают отрицательным ТКП от 100-Ю-6 до 400-10-6, а карбонильное железо положительным ТКП порядка 100-10-6. Прессованные пермаллоевые сердечники также обладают положительным ТКП. Уменьшить ТКП магнитодиэлектрического сердечника можно путем составления его из двух частей, изготовленных из материалов с противоположными по знаку ТКП. Таким путем можно получать катушки с ТКИ меньше 100-10-6, близкие по стабильности к катушкам без ферромагнетика. Производство таких катушек крайне сложно, поэтому там, где это позволяют габариты и добротность, следует обходиться без ферромагнетиков.
ТКП ферритов весьма велик, так как эти материалы используются при температурах, близких к точке Кюри (например для феррита оксифер-400 ТКП= + 20-10-4). Наличие зазора, вводимого в сердечник для уменьшения гистерезисных потерь, улучшает также и ТКП.
На основании формулы (6-7) действующая проницаемость •сердечника связана с проницаемостью материала выражением
_L = ± +А А Рд н ' И) i ‘
Дифференцируя это выражение по температуре, получим:
1 _ 1 dp.
J * ~dt 'Ц'
Обозначая по аналогии с (6-92) величину—--А как дей-dt
ствующий ТКП сердечника, найдем:
' А = £
откуда
А = р н ’
т. е. ТКП уменьшается под влиянием зазора в одинаковой мере с самой проницаемостью.
Несмотря на отсутствие в настоящее время обобщенных данных о ТКП ферритовых сердечников, можно все же утверждать, что наличие в этих сердечниках неизбежных зазоров позволяет получать ТКП и ТКИ, обеспечивающие работу в комнатных условиях.
171
Фиг. 6-11
172
Сложность химического состава и технологии изготовления магнитодиэлектрических сердечников заставляет опасаться постепенного медленного изменения индуктивности катушек. Опыт показывает, что для пермаллоевых и альсиферовых магнитодиэлектриков такое изменение составляет—0,2% за первый год. Значительно бблыпие изменения возникают из-за влияния трещин в сердечнике, которые могут образоваться в результате неаккуратного обращения с катушкой в процессе производства, из-за остаточных изменений, появляющихся при случайном чрезмерном нагреве (свыше 150—200° С), а также из-за случайных сильных намагничиваний постоянным током при измерениях. Избежать всего этого можно только соблюдением предписанной технологии и аккуратным обращением с катушками.
Ферритовые сердечники, более прочные механически и инертные хи- [(''—\\ мически, значительно стабильнее маг- I1 |
нитодиэлектрических; этому способ- I I wl I
ствует также и относительно боль- \ \ у I
шая величина зазоров. \ У/
Стабильность катушки в отноше- -'у/
нии механических воздействий опре-деляется рядом конструктивных мероприятий, непосредственно связанных с технологией ее производства. Кон- _____________
структивные меры, указанные в этой 1 — ’С"3) )
связи в пятой главе для цилиндри- -1--J
ческих катушек без магнитных сер-дечников, полностью применимы и Фиг. 6-12
к намоткам броневых сердечников.
Конструкции некоторых броневых катушек с магнитодиэлектрическими сердечниками показаны на фиг. 6-11.
Намотку тороидов можно производить вручную и на станке.
При ручной намотке предварительно заряжается проводом челнок, имеющий форму удлиненной буквы Н, после чего катушка наматывается путем повторяющегося просовывания челнока в отверстие сердечника. Вследствие двухкратной намотки (сперва на узкий челнок, а затем на сердечник) провод мнется, изоляция его портится, прилегание витков к сердечнику и друг к другу получается недостаточным, размещение витков по окружности катушки неоднородным.
Для улучшения стабильности катушек и увеличения однородности намотки, что важно с точки зрения внешних влияний, следует заменять ручную намотку машинной. Кроме того, машинная намотка увеличивает производительность труда намотчиц.
Принцип станка для намотки тороидов может быть пояснен на основании фиг. 6-12. Сквозь тороид проходят два кольца:
173
челночное с намотанным на нем запасом проволоки и параллельное, ему ведущее. Для пропускания обоих колец через среднее отверстие тороида в них предусматривается выемной сегмент. После того как кольца пропущены сквозь тороид, выемной сегмент вставляется наместо, и оба кольца скрепляютсЯ( вместе. Затем на челноке закрепляется конец проводника, намотанного на барабанчик, ведущее колесо приводится во вращение и на челночном кольце наматывается запас проводника, достаточный для намотки тороида. После окончания намотки челнока проводник пропускается через ролик на ведущем кольце и закрепляется на тороиде. При вращении ведущего кольца в направлении, обратном тому, которое имело место при зарядке челнока, проводник будет наматываться на тороид, медленно вращающийся вокруг своей оси.
Диаметр применяемых проводов определяется конструкцией станка и сердечников. Он берется обычно не менее 0,1—0,15 мм и не более 0,5—0,6 мм. Для намотки сердечников лентой из изоляционного материала, а также для намотки аналогичной лентой готовых катушек можно применять станки, подобные тем, которые служат для намотки проводника.
Намотка ведется по каркасу или (при его отсутствии) по подкладке из миткалевой ленты, благодаря чему уменьшается степень механического, воздействия проволоки на сердечник, вредного как с точки зрения сохранности его магнитных свойств, так и с точки зрения его прочности. Начало обмотки выводится сквозь витки (обычно вдоль одной из секционных перегородок) многожильным гибким проводом. Выводной конец прочно зажимается лежащей на нем обмоткой. После нанесения обмотки тороид сушится и пропитывается влагозащитными составами. За пропиткой следует подгонка индуктивности. Конец обмотки подогнанной катушки прочно закрепляется ниткой, после чего производится окончательная намотка катушки миткалевой или линоксиновой лентой и установка ее в крепежную конструкцию. Иногда, после подгонки, катушка окунается в лак, например стироловый, окончательно закрепляющий наружные витки.
Влияние влажности на катушку индуктивности при наличии ферромагнитного сердечника носит в основном такой же характер, как и при его отсутствии, так как сердечники, если это требуется (магнитодиэлектрики, оксиферы с малыми проницае-мостями), пропитываются защитными составами. В качестве R~
примера приведехМ значения -у— для катушки с тороидальным магнитодиэлектрическим сердечником:
Л кгц.....................8,6 12,5 16 18
До сушки................. 680 920 1150 1320
После сушки.............. 670 810 1020 1120
174
Интересен также пример, касающийся величин ТКИ:
До сушки................ 140-10-6 137-10-6
После сушки.............115-Ю-6 62-10-6
Польза сушки очевидна из рассмотрения фиг. 6-9, а, на которой показаны для сравнения добротности невысушенной и высушенной катушек с сердечником из оксифера.
Процессы сушки и пропитки были рассмотрены в пятой главе. Из-за большого объема тороидальных катушек для их сушки в вакууме требуется не менее 24 час., тем более, что наличие магнитодиэлектрического сердечника не позволяет поднимать температуру сушки свыше 85—90° С.
Весьма часто после пропитки тороидальных катушек, для увеличения их влагозащищенности, их подвергают дополнительным операциям, к которым относится описанное в пятой главе обволакивание и заливка катушек в экранирующих кожухах.
Заливка удобна в том случае, если конструкция прибора предполагает наличие отдельного кожуха-экрана для каждой катушки. Достоинство заливки заключается в возможности отказа от специальных крепежных деталей, ибо заливочная масса, налитая хотя бы снизу и с боков катушки, предотвращает перемещение ее внутри кожуха. Недостатком этой конструкции является ее большой вес. Этот недостаток воспрепятствовал распространению идеи крепления заливкой на сложные схемы, состоящие из нескольких катушек и даже из катушек и конденсаторов.
При выборе заливочной массы надо стремиться к возможно меньшей постоянной диффузии и к хорошей сцепляемости с ‘катушкой и с кожухом. Целесообразно иметь такую массу, которая бы не давала трещин и не отрывалась от стенок кожуха по крайней мере при температурах от —10 до + 50-н60°С. Наилучшими массами с точки зрения постоянной, диффузии являются углеводородные воски—парафин и озокерит, значительно хуже нефтяной битум и канифоль. Для улучшения сцепляемости воски часто смешиваются с канифолью, маслом и вазелином.
Весьма большую опасность в отношении возможности проникновения влаги внутрь катушки представляют гибкие выводные концы, за пропиткой которых надо тщательно следить.
Броневые магнитодиэлектрические сердечники, в отличие от сердечников тороидальных катушек, не закрыты намоткой, вследствие чего желательно предусматривать дополнительную защиту наружной поверхности таких сердечников от воздействия влаги. Для этой цели готовые катушки окунаются в расплавленный парафин или церезин.
Для достижения наивысшей влагозащищенности катушек их следует подвергать вакуумплотной герметизации (см. гл. 5).
175
Такая мера обходится дорого и без особой нужды не применяется. В последнее время намечаются способы сравнительно дешевой герметизации путем заливки катушек пластмассами холодного литья (см. ниже).
6-5. Подгонка индуктивности
Для подгонки величины индуктивности тороидов под заданные значения с определенной степенью точности применяется как основное средство отмотка витков. На высоких частотах при малом числе витков этот способ дает небольшую точность и более тонкая подгонка производится с использованием полей рассеяния—несколько витков располагают под углом к другим виткам.
В броневых магнитодиэлектрических сердечниках грубую подгонку индуктивности осуществляют предварительным (по данным индуктивности без сердечника) регулированием числа витков, а точную—перемещением среднего стержня с нарезкой в центре сердечника (см. фиг. 6-11). На стержне имеется шлиц и его положением можно управлять посредством отвертки. После настройки шлиц закрывается мягкой резиновой пробкой, укрепляемой клеем из смеси минерального масла и канифоли. Этот клей не засыхает и позволяет легко вынуть пробку в случае необходимости в повторной регулировке катушки. Иногда настроечный стержень закрепляют посредством контргайки.
В ферритовых сердечниках весьма удобным средством регулировки индуктивности является изменение зазора. При механическом конструировании катушки предусматривается возможность изменения зазора в обе стороны от некоторого среднего его значения, определяемого по способу, изложенному в § 6-3.
При конструировании переменного зазора исходят из следующих требований:
1) в диапазоне регулирования связь между индуктивностью и регулирующим перемещением должна выражаться по возможности более прямой линией;
2) крутизна этой прямой не должна менять знак, иначе при настройке могут получаться двойные значения;
3) чем больше крутизна, тем больший диапазон регулирования можно осуществить. Наоборот, чем меньше крутизна, тем больше точность регулирования. При слишком малой крутизне может быть заметен мертвый ход в подстроечном механизме. Точность регулирования можно увеличить, вводя замедляющие элементы в механический привод.
При регулировке посредством настроечного винта, меняющего зазор, можно без особого труда изменять положение этого винта с точностью в 1/400 оборота. Если W возможных
176
оборотов винта дают регулировку в ± т% от номинала индуктивности, то точность этой регулировки в процентах от того же номинала равна:
2т т р =----- = -----.
400W 20CW
Обычно число оборотов берут между 5 и 10; т берут не свыше 20%.
Наиболее простой метод изменения зазора заключается в изменении расстояния между двумя плоскостями, образующими данный зазор (фиг. 6-13, а). Недостаток этого метода заключается в нелинейности связи между изменением индук
Фиг. 6-13
в)
тивности и перемещением, а также в весьма небольших значениях механических перемещений.
Добиться линейности можно, перейдя к конструкции фиг. 6-13, б, в которой один из полупанцырей вращается вместе ,с центральным стержнем относительно другого, а стержни имеют полукруглое сечение. При этом изменяется площадь зазора. При таком методе регулирования, при малом совпадении площадей, возникает опасность увеличения потерь на гистерезис.
Этот недостаток можно устранить, приняв конструкцию фиг. 6-13, в, в которой зазор состоит из двух параллельных зазоров. Один из них, кольцевой постоянный зазор, имеет площадь, достаточную для того, чтобы не бояться упомянутого выше увеличения потерь на гистерезис, другой, обеспечивающий регулирование и параллельный первому, имеет сечение, приблизительно определяемое поверхностью ферритового цилиндра, перемещаемого внутри центрального стержня.
Наличие регулируемых зазоров предъявляет весьма жесткие требования к точности изготовления сердечников— необходимо тщательно учитывать усадки при обжиге.
12 зак. № 129 177
Глава седьмая
КАТУШКИ С ФЕРРОМАГНИТНЫМИ СЕРДЕЧНИКАМИ ИЗ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
7-1. Общие сведения
Рассмотренные в предыдущей главе сердечники из ферритов и магнитодиэлектриков дают возможность получать катушки, обладающие сравнительно небольшими индуктивностями, кото-
рые в определенных пределах весьма мало изменяют свою величину как под влиянием изменений напряженности поля, так и под влиянием колебаний частоты тока в их обмотках.
Наряду с такими высокостабильными катушками для осуществления схем дальней связи требуются и катушки другого типа, которые должны обладать значительно большими значениями индуктивности. По условиям работы схем можно допустить, чтобы индуктивность таких катушек
значительно зависела от величины напряженности поля, создаваемого обмоткой. Частотная зависимость их индуктивности, вообще говоря, нежелательна, но требования, предъявляемые в этом отношении, менее строги, чем требования, предъявляемые к катушкам, описанным, в предыдущей главе.
К числу катушек, для которых допустимы значительные изменения индуктивности под воздействием напряженности поля, принадлежат об-трансформаторов, а также дроссели,
мотки большинства
используемые в схемах электропитания.
Исходя из указанных особенностей таких катушек, можно рекомендовать применение для них сердечников из металлических материалов с высокой магнитной проницаемостью и с подразделением только вдоль линий магнитного поля. Для этих сердечников удобнее всего использовать листовые магнитные материалы.
В конструкциях раннего периода из листовых ферромагнетиков штамповали кольца или прокатывали их в виде ленты. Собирая кольца в стопку или свивая ленту в катушку, получали тороидальные сердечники.
Неудобства тороидальной намотки, наряду с некоторыми другими ее недостатками, привели к появлению плоской броневой конструкции, показанной нафиг. 7-1. Такая конструкция применяется для всех дросселей и трансформаторов. Сердечник набирается из отдельных фигурно выштампованных, изолиро
178
ванных друг от друга пластин и при надлежащей их конструкции (см. ниже) может быть сделан легко разбираемым.
Отсутствие магнитных зазоров в листовых сердечниках приводит к тому, что для них влияние гистерезиса носит более сложный характер, в частности нарушается линейность зависимости проницаемости от напряженности поля, выражаемой для магнитодиэлектриков и ферритов (при слабых полях) формулой (6-30). Уравнения Релэя [формула (6-28)] должны быть уточнены. Целесообразно провести это уточнение следующим образом—для нижней ветви написать:
В= [н« + 2Л (Нм)] + , <7'1а)
Фиг. 7-2 а для верхней
В= + 2Л (Яж)] Нм-±-Ъ (Нм) (Н2-Н2М) . (7-16)
Функции /1(/Л) и Л (74) могут быть определены путем измерения.
Рассматривая эти уравнения при гармоническом изменении напряженности поля, найдем:
1*,=1‘« + 2/1(ЯД (7-2)
(7-3)
О7С
И
= + 2Л (HJ.
О7С
На фиг. 7-2 приведены значения р' и р", измеренные для сердечника из трансформаторной стали при отсутствии в нем зазоров. Зависимость комплексной проницаемости от напря
12* 179
женности поля получается значительной; этим листовые материалы серьезно отличаются от магнитодиэлектриков и ферритов (при слабых полях). Что касается зависимости комплексной проницаемости от частоты, возникающей под действием вихревых токов, то и здесь следует ожидать, что листовые материалы окажутся менее стабильными, чем магнитодиэлектрики, так как возможности раскатки листов меньше, чем возможности измельчения порошков.
Предположим, что в пакете пластин согласно фиг. 7-1 содержится т пластин металлического ферромагнетика толщи-
ной йф. При ширине средней ветви сердечника, равной Ь, сечение ее будет равно:
Р=тйфЬ. (7-4)
На фиг. 7-3,а показаны пути вихревых токов, индуктируемых в толще пластины. При 6 > можно считать, что эти пути пролегают параллельно поверхности пластины на всей ее
ширине.
Произведем учет вихревых токов по методу, предложенному Фельдткеллером. Для этой цели разделим пластину пополам по ее толщине (фиг. 7 3,6) и каждую половину снова разделим на р слоев толщиной . Предположим, что этим слоям при-2р
суща только магнитная проводимость и что электрическая проводимость сосредоточена в проводящих немагнитных тон
180
чайших прослойках, расположенных между магнитными слоями. Будем считать, что для слоя 1 электрическая проводимость обеспечивается прослойкой между слоями 7 и 2, для слоя 2— между слоями 2 и 3 и т. д. Соответствующие прослойки в обеих половинах пластины мыслятся соединенными на краях идеально проводящими перемычками.
Представим себе, что на одиночной пластине укреплен одиночный виток, создающий в середине пластины при круговой частоте <очполе с напряженностью настолько малой, что ему соответствует проницаемость, практически равная начальной проницаемости Вычислим ток в витке, необходимый для создания этой напряженности, и напряжение, наведенное в витке.
В слоях 1 индукция будет равна:
= (7-5)
Общее сечение двух внутренних слоев равно b . Маг-нитный поток в этих слоях создает в упомянутом выше витке частичное напряжение
(7-6)
Если бы пластина состояла только из этих двух внутренних слоев, лишенных электропроводности, то для создания поля с напряженностью при длине силовой линии, равной Z, потребовался бы ток
h=H,l, (7-7)
и индуктивность одновитковой катушки можно было бы вычислить следующим образом:
(7-8)
/ш /1 pl
Эта индуктивность показана в составе эквивалентной схемы одновитковой катушки, изображенной на фиг. 7-3,в.
Внутренние магнитные слои обтекаются вихревым током в цепи из облегающих их прослоек. Поток, имеющийся внутри этой цепи, индуктирует в ней напряжение U} согласно формуле (7-6).
Сопротивление шлейфа 1—1 с сечением и длиной 2Ь равно:
2д
181
где p^—удельное сопротивление ферромагнитного материала.
Вихревой ток в шлейфе равен:
(7-10)
Ri ?ф 4р2 v 7
Этот ток нужно добавить к току в одновитковой катушке— только при этом условии напряженность поля сохранит ранее принятую величину В эквивалентной схеме фиг. 7-3,в необходимо добавить шунтовую ветвь с сопротивлением R19 равным сопротивлению пути вихревых токов.
Для магнитных слоев, отмеченных на фиг. 7-3,6 цифрой 2, имеет место напряженность поля Н2, соответствующая току Л + IR . Ей соответствует индукция
Индуктивность в эквивалентной схеме будет равна:
I — u ь2“Гн--Г •
Pl
В эквивалентной схеме фиг. 7-3,в этой индуктивности соответствует шунтирующая ветвь с сопротивлением /?2, определяемым шлейфом из проводящих прослоек.
Производя аналогичные построения для всех р пар слоев, придем к полной эквивалентной схеме в виде цепочки, показанной на фиг. 7-3,в. Вихревые токи равны токам в поперечных ветвях, а общий входной ток цепочки I равен току в витке, надетом на пластину. Напряженность поля в этой последней растет изнутри наружу, подобно тому, как токи в эквивалентной схеме фиг. 7-3,в растут справа налево.
Для пакета из т пластин все частичные напряжения, индуктируемые во внешнем витке, вырастут в т раз, т. е. в эквивалентной цепочке все индуктивности и сопротивления надо увеличить в т раз.
Увеличение числа витков катушки от одного до п ведет к увеличению всех индуктивностей и сопротивлений в п1 раз.
Для случая т пластин и п витков, при подразделении каждой пластины на р слоев, эквивалентная схема катушки будет представлять собой цепочку, у которой в продольных ветвях включены индуктивности величины
(?-')
а в поперечных—сопротивления величины
RK=rfp^p. (М2)
182
Сопротивление катушки переменному току частотой о> равно входному сопротивлению W цепочки фиг. 7-3,в. Для вычисления целесообразно применить теорию однородных линий. Пусть
толщина условных слоев внутри пластины, равная станет бесконечно малой. Это будет при бесконечно большом/?. Тогда
цепочка превратится в однородную линию из одинаковых звеньев, замкнутую на выходе накоротко.
Обозначая через х расстояние от некоторого слоя до поверхности пластины, а через dx толщину этого слоя, получим:
dx =
Продольная индуктивность в составе элементарного звена бесконечной цепочки будет равна:
dL = n^H-2ydx, (7-13)
а утечка в поперечном плече dG=-------------------------------5---dx.
„„„ отЬ «2₽«р-2 —
(7-14)
Связь между напряжением и током в точке х выражается дифференциальными уравнениями
d2U . dL di . dL dG r T dx2 dx dx dx dx (7-15а)
d2I . dG dU . dL dG T —= —/<d — —= 7ю—• — dx2 dx dx dx dx (7-156)
Решая эти уравнения и учитывая, что линия замкнута на-
коротко при х=-^, получим:
U=U' (7-16)
(7-17)
где
и 7 = 1 / У°)1х« у Ч (7-18)
Z=n2-2y]/]^Н9Ф, (7-19)
а ТУ'-—некоторая постоянная величина.
183
Входное сопротивление будет равно:
W=^=Zigh(^\ (7-20)
I вХ V 2 /
или
. (7-21)
Это сопротивление можно рассматривать как сопротивление катушки с индуктивностью
(7-22) определяемой комплексной проницаемостью -^ = —7==-^. (7-23)
1 / * 4рф
Этой формулой учитывается действие вихревых токов при малой напряженности (р.^р.н), но при любом значении частоты. Полагая
(7-24)
формулу (7-23) можно привести к виду
V ШПр
позволяющему рассчитать частотную зависимость начальной проницаемости.
На фиг. 7-4 показано геометрическое место концов вектора начальной комплексной проницаемости для разных значений
СО т-г О)
отношения —. При значениях —, лежащих между нулем и единицей, модуль рассматриваемой величины почти не меняется, появляется лишь отрицательный угол, величина которого пропорциональна частоте. Начиная от — = 1, модуль уменьшается. *°пр
При больших значениях — модуль падает до весьма малых шпр значений, а угол равен—45°.
Частота &пр, выше которой начинается резкое действие вихревых токов на комплексную проницаемость, называется предельной частотой материала сердечника.
184
На фиг. 7-5 дан график значений предельной частоты для легированной трансформаторной стали. Для р.н=500 и йф = =0,35 мм предельная частота находится около 10 кгц. Согласно формуле (7-24) значение предельной частоты обратно пропорционально квадрату толщины пластины. Таким образом, раскатка листового материала является весьма эффективным.
средством уменьшения влияния вихревых токов на частотную зависимость начальной проницаемости.
Исследуем влияние частоты на комплексную проницаемость.
На основании формул (7-21) и (7-22) можно написать:
ir=j(o£1F = ^ + jo>Z,=jW^^. (7-26)
Учитывая, что
получим:
(7-27)
R = <mYh^ . (7-28)
185
Величины и рн найдем, определяя вещественную и мнимую составляющие из формулы (7-25). Применяя ряд
‘-^-=1--г2 + -z4+
2 3 15
получим для при достаточно низких частотах:
(7-29)
откуда
Р-30»
и, следовательно,
L = n^H^ = LH, (7-31)
/?=-(—Y а>я_£„ = а>2^£и. (7-32)
3 \<*пР) пр н 12р^ н V 7
Для частот выше предельной можно считать, что tg hz 1
Г” ~ z 9
поскольку z=j-2— велико и
^пр
' = и." =.1 1/"^ и. =1 / 2р* и
2 V « У ^4^’
откуда
(7-33)
Эти значения L и R соответствуют последовательному соединению индуктивности и сопротивления в эквивалентной схеме катушки. В шестой главе упоминалось также о возможности представления катушки в виде параллельного соединения индуктивности Lnap и сопротивления Rnap\ Lnap и Rnap будут выражаться формулами (7-27) и (7-28), в которые вместо р.' и р" должны быть подставлены значения соответствующих составляющих рн пар и р." пар параллельной проницаемости.
Значения р/ пар и у." пар найдем по обратной величине комплексной проницаемости:
J-= l/y.2^- ctg h l/j-2-”. 1.
У J ^np b J “>np
186
Применяя к этому выражению разложение
z ctg hz = 1 + — z2—- г4 + . ..,
s 3 45
получим:
/ =U ; L =n2v. mbd# = L (7-34)
< н. nap ’ nap <h h3 ' '
" =12p^ =±w L (7-35)
wdy 'пар 2 пр н н '
Таким образом, параллельная индуктивность Lnap, так же как и последовательная индуктивность L rjik частот значительно ниже предельной, есть величина постоянная и равная LH. Параллельное сопротивление Rnapi в отличие от последовательного сопротивления R, также является постоянной величиной. Эта особенность представляет большое удобство параллельной эквивалентной схемы. Кроме того, подсчет точности приближений при разложении в примененные выше ряды показывает, что при последовательной эквивалентной схеме ошибка будет в шесть раз больше, чем при параллельной.
Для частот выше предельной можно использовать приближение
z ctg hz^z
и установить, что
/ =/' = 1/^р. =л[ (7-36)
г н. пап к «. пар Г со ‘ н I/ ‘ п \ /
I ^‘нАф И
L =1/^£ ; R =1/^—<о L . (7-37)
пар У о, н ’ хпар У &пр пр^н V /
Произведенный выше раздельный анализ влияния гистерезиса и вихревых токов на магнитную проницаемость материала сердечника позволяет сделать известные конструктивные выводы, но, в отличие от практики магнитодиэлектриков и ферритов (при слабых полях), не позволяет вычислить общие потери в сердечнике на основе их составляющих. Причиной этого является нелинейная зависимость гистерезисных потерь от амплитуды напряженности поля, обусловленная отсутствием зазоров и не позволяющая производить разделения потерь. Поэтому потери в сердечнике принято характеризовать тангенсом угла общих потерь
tgo=^, (7-38)
определяемым путем измерений.
187
фиг. 7-6
В настоящее время в промышленности применяются следующие магнитные листовые материалы: легированная трансформаторная сталь толщиной 0,35 и 0,1 мм, высоконикелевый и низконикелевый пермаллой, чаще всего также толщиной 0,35 и 0,1 мм. Подобные данные сортамента этих материалов приведены в приложении 7-1.
Частотная зависимость tg8 для этих материалов показана на фиг. 7-6, а на фиг. 7-7 даны для них частотные характеристики последовательной начальной проницаемости . Сопоставляя соответствующие графики фиг. 7-5 и 7-6, мы видим, что в той области частот, где проницаемость сравнительно постоянна, значения tg 8 существенно больше, чем, например, тангенсы углов потерь в магнитодиэлектриках.
ПерейдехМ к анализу свойств броневых сердечников, обладающих сосредоточенным зазором в плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям.
Согласно формуле (6-5) действующая проницаемость сердечника с зазором определяется выражением
I 1 7 -I ' Iх ’ I 9
где 1в—толщина воздушного зазора.
При практических расчетах вместо 1в приходится подставлять некоторую длину 1в, отличную от 1в. Объясняется это, с одной стороны, тем, что толщина зазора никогда не бывает однородной благодаря неточностям сборки пластин в пакет и, с другой стороны, тем, что зазор несколько шунтируется путями линий рассеивания.
/' /
На фиг. 7-8 показана зависимость —• от , полученная путем измерения проницаемости наиболее распространенных сердечников типа Шп (см. ниже).
Итак, проницаемость сердечника определяется из уравнения
W--—. (7-39)
Р \ I ) Ро I v
Подставляя вместо р начальную проницаемость материала и беря 1в по графику фиг. 7-8, можно построить показанный на фиг. 7-9 график зависимости начальной проницаемости сердечника |лкй от величины -у для разных ри. Чем ниже значение начальной проницаемости, тем меньше влияет зазор на ее величину. С другой стороны, чем больше зазор, тем меньше зависит начальная проницаемость сердечника от величины начальной проницаемости материала.
189
Фиг. 7-7
В шестой главе было показано, что при больших зазорах индуктивность катушки мало зависит от напряженности поля. Этим обстоятельством иногда пользуются для осуществления на сердечниках, собранных из пластин, катушек с постоянной
Фиг. 7-11
Фиг. 7-10
индуктивностью, однако добротности катушек получаются сравнительно низкими; подобные катушки применяются лишь при подтональных частотах.
Особое значение приобретает зазор в тех случаях, когда в сердечнике трансформатора имеет место подмагничивание,, т. е. когда переменное поле, создаваемое рабочими сигналами,, накладывается на весьма сильное постоянное поле (например
191
на поле от постоянной составляющей тока в случае анодного трансформатора). При больших значениях напряженности этого поля в ферромагнетике наступает состояние насыщения, проницаемость уменьшается. В трансформаторных сталях насыщение наступает при полях, соответствующих индукциям порядка 1—2 в-сек[м2. Чтобы снизить влияние постоянного поля, не увеличивая габаритов сердечника, в нем делают зазор.
Фиг. 7-12
Для напряженности постоянного поля в сердечнике можно написать:
нос^, (7-40)
где 10—ток.
Исходя из второго закона Кирхгофа для магнитных цепей, напишем:
+ (7‘41)
где
Ноф—напряженность постоянного поля в ферромагнетике ° с длиной соответствующего участка силовой линии, равной 1ф-,
Воф—постоянная индукция в зазоре, равная индукции в ферромагнетике.
На фиг. 7-10 сплошной линией показана некоторая кривая намагничивания. Точка А соответствует некоторому значению.
492
ВОф- Согласно уравнению (7-41) величину Ноф надо уменьшить
в отношении ; тем самым точка А передвинется в точку Б.
После этого точку Б надо сдвинуть вправо, в точку В на величину, равную второму члену уравнения (7-41). В результате кривая намагничивания спрямится, перегиб ее передвинется несколько выше и станет более резким.
Зазор определяет величину проницаемости сердечника. Для определения обратной величины этой последней можно использовать формулу (7-39). При увеличении /в вто{?ой член правой части этого равенства возрастает, а первый уменьшается под влиянием уменьшающегося воздействия постоянного поля. Таким образом, существует некоторая наивыгоднейшая величина
зазора, соответствующая максимальному значению
На фиг. 7-11 показаны кривые наивыгоднейшего зазора 1в в процентах от длины силовой линии в зависимости от величины т^=Нос1, называемой ампервитками подмагничивания. На фиг. 7-12 показана зависимость от той же величины начальной проницаемости магнитных материалов (с учетом наивыгоднейшего зазора).1
7-2. Основные конструкции
Для осуществления конструкции согласно фиг. 7-1 трансформатор должен иметь разборный сердечник из пластин.
В ранних образцах аппаратуры дальней связи применялись так называемые Ш-образные сердечники, пластины которых показаны на фиг. 7-13,а. Большинство пластин этих сердечников делится на две части, одна из которых имеет форму буквы Ш, а другая—прямоугольную форму (так называемая „пе-рекрышка"). Сердечники такой формы выгодны в производстве (дают мало отходов при штамповке) и при сборке пакета с зазором легко позволяют регулировать толщину зазора.
Возможны два способа сборки Ш-образных сердечников. При первом из них взаимное положение любых двух соседних пластин должно соответствовать фиг. 7-13,d—такой способ сборки называется сборкой вперехлест. При хорошей штамповке (отсутствие грата) и тщательной сборке сердечник получается практически эквивалентным сердечнику из неразрезанных пластин. Исключением являются пластины вида, показанного нафиг. 7-13,^ справа, которые при сборке дают стержнеобразное отверстие на пересечении косых срезов.
При втором способе сборки все Ш-образные пластины собираются ориентированными в одну сторону и снабжаются паке-
1 Кривые фиг. 7-11 и 7-12 взяты из книги Г. С. Цыкина „Трансформаторы низкой частоты".
13 Зак. № 129
193
том перекрышек. Прокладывая между основным пакетом и пакетом перекрышек пластины из немагнитного материала, можно осуществлять зазор и регулировать его толщину. При необходимости выполнения очень малых зазоров (несколько* сотых миллиметра) пакет Ш-образных пластин и пакет перекрышек собирают впритык. При этом, за счет неровности сжимаемых поверхностей, в месте стыка появляется увеличение магнитного сопротивления, эквивалентное воздушному зазору толщиной от 0,01 до 0,05 мм (в зависимости от качества штамповки, аккуратности сборки и степени обжима).
Сердечники Ш-образ-ного типа применялись как для дросселей, так и для трансформаторов. Изучение работы аппаратуры с такими трансформаторами показало, 1что для систем дальней связи, в которых число । однотипных трансформаторов в составе одного* канала может быть весьма большим, необходимо иметь более солидную конструкцию пакета пластин, образующих сердечник. В особенности это указание относится * к необходимости выдерживать стабильность величины зазора (при нали
чии такового). Крепление перекрышек в Ш-образных сердечниках трудно сделать достаточно прочным, особенно при малых размерах пластин.
Результатом стремления к большей стабильности сердечников явилось введение новой серии пластин—так называемых пластин типа Шп; типовая пластина показана на фиг. 7-13,в. Размеры пластин стандартного набора приведены в приложении 7-2. Зазор в пластинах типа Шп выштамповывается за счет некоторого укорочения среднего языка. Так же как и у Ш-об-разных пластин, здесь возможна сборка вперехлест и с зазором.
Вопрос о выборе размеров пластин стандартизованной серии весьма сложен и выходит за рамки настоящей книги. Он освещен в ряде специальных трудов и, в частности, в книге Г. С. Цыкина „Трансформаторы низкой частоты". Одним из наиболее важных моментов при определении конфигурации пластин является выбор соотношения сечений ферромагнетика и меди 194
обмотки. Не вдаваясь в анализ этого вопроса, отметим только, что сечение ферромагнетика в сердечниках типа Шп примерно равно сечению меди обмотки. Для соблюдения этого соотно-
шения сечение средней ветви сердечника берется квадратным / з\
для малых размеров и прямоугольным /с отношением — 1 для
больших.
При штамповке пластин из трансформаторных сталей необходимо считаться с тем, что их магнитные свойства улучшаются при ориентировке основного магнитного потока вдоль направления проката. Это явление заметно даже для обычных трансформаторных сталей (по данным Г. С. Цыкина, проницаемость увеличивается на 5—10%).
В ранних конструкциях слаботочных трансформаторов стальные пластины оклеивались изоляцией из тонкой бумаги. М. С. Вонский путем измерений потерь в сердечниках показал в 1932—1933 гг., что эта мера не является необходимой—окислы, возникающие на поверхности пластин при их термической обработке, вполне достаточны в качестве изоляции. Изоляция, притом только в виде пленки нехрупкого лака, требуется лишь в больших трансформаторах, в которых индукция превышает 1 в -сек/м2. Тем не менее в практике производства принято одностороннее покрытие пластин тонким слоем нитроэмали. Пластины из трансформаторной стали покрываются нитроэмалью черного цвета, низконикелевого пермаллоя—красного цвета, высоконикелевого—серого цвета. Цветная кодировка материалов облегчает процесс производства трансформаторов.
При сборке сердечника из пластин типа Шп средний язык, имеющийся в этих пластинах, приходится отгибать на время в сторону. Величина отгиба определяется размером каркаса. Отклонение языка происходит при неподвижности ближайших к нему углов пластины. В результате появляются дополнительные деформации, могущие иметь опасные последствия в тех случаях, когда материалом пластин является высоконикелевый пермаллой. Проницаемость такого сердечника может резко уменьшится под влиянием деформаций (так называемое явление магнитного наклепа).
В табл. 7-1 показана величина отклонений среднего языка, соответствующих изменению проницаемости на 10%, для пластин размера Шп-12.
Эта таблица показывает, что между степенью деформации и изменением проницаемости существует определенная зависимость (см. сравнительное постоянство произведения Согласно литературным данным, это утверждение было проверено измерениями и на сердечниках других размеров. В результате оказалось возможным составить таблицу толщины пластин, максимально допустимой для высоконикелевого пермаллоя при пользовании штампами типа Шп (табл. 7-2). Эти цифры выве
13*
195
дены, исходя из величины отгиба, удобной для быстрой набивки пластин в нормальные каркасы (см. ниже).
Само по себе применение тонких пластин вместо более толстых ухудшения характеристик дросселя или трансформатора вызвать не может, однако стоимость его возрастет. Выходом из положения является создание специальных вариантов штампа типа Шп, позволяющих набивать катушку пластинами без отгибания среднего языка. Примером такого штампа является штамп, показанный на фиг. 7-13, г.
Таблица 7-1
Толщина пластины йф, мм
Отгиб среднего языка t, мм
Ыф
0,1
0,16
0,21
0,24
0,35
14
10
8,2
7,3
4,2
1,4
1,6
1,72
1,75
1,47
Штамп
Предельная толщина пластины
Таблица 7-2
Примечание
Шп-7
Шп-12
Шп-17
Шп-20
Шп-29
Шп-34
0,1
0,15
0,20
0,25
0,35
0,75
Существующая стандартная толщина 0,1 мм
Каркасы трансформаторной катушки могут быть изготовлены тремя методами: склейкой из прессшпана, прессовкой из пластмассы и сборкой из пластинок гетинакса.
Прессшпановые каркасы применяются в настоящее время редко, главным образом в макетных и опытных конструкциях. Они легко деформируются в процессе производства и не обеспечивают однородности. Для склеивания таких каркасов следует применять негигроскопичные клеющие составы, не содержащие кислот и щелочей. Нарушение этого правила может привести к коррозии обмоток.
Каркасы из пластмассы очень удобны в производстве и могут быть изготовлены с * малыми допусками. Благодаря их гладкой внутренней поверхности облегчается набивка катушки пластинами и повышается степень заполнения сердечника ферромагнитным материалом. Недостатком таких каркасов является сравнительно высокая стоимость, они окупаются лишь при мас
196
совом выпуске, что редко имеет место в условиях заводов дальней связи. Поэтому каркасы из пластмассы применяются обычно только для трансформаторов с небольшими пластинами, например для трансформаторов типа Шп-7 и Шп-12. Для всех прочих размеров в настоящее время широко применяются ге-тинаксовые каркасы, показанные на фиг. 7-14, собираемые без клея и специальных креплений.
В щеках каркасов всех типов предусматриваются круглые
или щелевидные отверстия для выводных концов, число которых, в случае трансформаторов со сложными обмотками или
дросселей с отводами, может быть значительным.
Для придания пакету пластин и составному гетинаксо-вому каркасу большей прочности, в каркас, после набивки его пластинами, между пакетом и одной из внутренних поверхностей каркаса забивают тонкий клин, сделанный из гетинаксовой пластинки.
Для уменьшения емкостей обмоток каркасы секциониру
ются обычно не более чем на
четыре секции. Данные нормализованных каркасов приведены в приложении 7-3.
Пакет пластин, собранных в сердечник, стягивается, что обеспечивает необходимую прочность и стабильность характеристик. Обоймы для стягивания используются также для крепления выводных гребенок, к которым подпаиваются концы обмоток и отводы дросселей или трансформаторов. На болты, стягивающие пакет, надеваются трубки из изолирующего материала, предотвращающие касание болтов с пластинами.
На фиг. 7-15 показано несколько характерных конструкций, применяемых для дросселей или трансформаторов.
Намотка дросселей и трансформаторов производится на станках с ручной или автоматической укладкой проводника.
В первом случае возможно осуществить так называемую „дикую намотку", т. е. такую, витки которой ложатся беспорядочно, а также намотку „пучками", при которой вся обмотка разбита на приблизительно равные части—„пучки", в каждом из которых имеет место, по существу, дикая намотка. Простая дикая намотка в трансформаторах дальней связи применяется крайне редко. Пучковая намотка встречается чаще, так как она позволяет значительно уменьшить собственную емкость трансформатора.
Наиболее часто применяется „намотка в слой", при которой скорость движения укладочного поводка регулируется в
197
Фиг. 7-15
198
соответствии с диаметром провода и витки ложатся плотно друг к другу. Для придания намотке большей регулярности, при проводах диаметром меньше 2 мм через каждые 5—7 слоев (определяется работницей в процессе намотки) прокладываются полоски конденсаторной бумаги.
Для намотки дросселей и трансформаторов питания применяются эмалированные проводники марок ПЭ и ПЭЛ,1 для всех других дросселей, и особенно трансформаторов,—проводники марок ПЭШО и ПЭЛШО (см. приложение 5-3).
Плотность намотки „в слой" характеризуется числом витков на 1 см2 площади сечения окна намотки, приведенным в приложении 2-13.
Намотка дросселей и трансформаторов питания, включаемых в цепи анодного напряжения, ведется с применением между слоями прокладок из бакелизированной или кабельной бумаги. Г. С. Цыкин рекомендует брать следующую толщину прокладок: при проводе 0,1—0,2 мм—прокладки толщиной 0,03— 0,05 мм, при проводе 0,5—0,7 мм—толщиной 0,1—0,15 мм. Прокладки увеличивают электрическую прочность намотки и предотвращают появление короткозамкнутых витков. В тех случаях, когда возможности станочного парка не позволяют вести намотку в слой, применяют дикую намотку, но ширину прокладок берут несколько больше ширины каркаса. С краев прокладок делают частые надрезы, при загибании закрывающие щели, в которые мог бы сползти провод.
Выводные концы обмоток выполняют при помощи гибких многожильных проводников (например типа АТСК); желательна цветная кодировка начал, концов и нумерации обмоток. Внутренние выводные концы закрепляются на месте давлением лежащей сверху обмотки, из наружных же концов следует образовать два-три витка и крепить их суровой ниткой. Пайка выводного конца к проводу обмотки изолируется сложенным пополам кусочком шелка или лакоткани, заклеиваемым каплей изолирующего лака.
7-3. Расчет катушек
Окна, выштампованные в пластинах сердечников М или Ш, заполняются каркасом, изоляцией провода и собственно медью провода.
Площадь намотки FH получается существенно меньше площади окна в сердечнике, а площадь чистого сечения меди— еще меньше. Данные FH для стандартной серии каркасов приведены в приложении 7-4.
1 При очень большОхМ диаметре провода (0,8—1 мм) и малом радиусе
изгиба при намотке эмаль может трескаться, поэтому рекомендуется брать провод с дополнительной изоляцией (ПЭЛБО, ПЭЛШО).
199
Отношение чистого сечения меди к площади намотки называется коэффициентом заполнения медью:
(7-42) Г н
Коэффициент этот имеет следующие значения: для провода ПЭЛ—от 0,35 ((Zo = O,65 мм) до 0,6 (d0 = l мм); для провода ПЭЛШО—от 6,15 (tZo = O,O5 мм) до 0,55 (d0=l мм).
Сопротивление обмотки постоянному току может быть рассчитано по формулам (6-69) и (6-70). Значения 1ср для каркасов стандартной серии приведены в приложении 7-4.
Подставляя в (6-70) значение </^=0,35 для наиболее употребительного провода ПЭЛШО-0,15, получим:
Л^=3^. (7-43)
н
Формула (6-70) удобна для быстрых прикидок, так как величина Ar является постоянной для заданного каркаса.
В приложении 7-5 приведены графики для расчета А?о в соответствии с данными советских намоточных проводов, составленные Т. С. Клокачевой и Г. К. Васильевым. Для каждого типа сердечника-каркаса приведены три графика: для полного использования площади намотки (дроссели) и для использования ее нижней и верхней половин (трансформаторы).
При определении числа витков, соответствующего определенной индуктивности, следует учитывать зависимость этой последней от напряженности поля. В большинстве случаев для нормальной работы дросселя или обмотки трансформатора в электрических схемах требуется наличие у них индуктивности, превышающей некоторую номинальную величину L. Число витков обмотки рекомендуется выбирать таким образом, чтобы эта номинальная индуктивность получалась при начальном значении проницаемости, т. е. при напряженности поля, близкой к нулю. При всяком другом значении напряженности поля индуктивность будет больше.
Число витков, таким образом, определяется по формуле
»=i/44=i/^4- (7-44)
Величина F, входящая в эту формулу, равна чистому сечению ферромагнетика. Для получения этой величины геометрическую площадь сечения сердечника надо умножить на коэффициент заполнения ферромагнетиком дф, равный 0,78 для толщины листа 0,05 мм, 0,825 для 0,1 мм и 0,86 для 0,35 мм. В дф учитывается также наличие клина, скрепляющего пакет.
200
Величина I, входящая в формулу (7-44), равна длине средней силовой линии, вычисляемой с учетом закруглений на углах и отклонений при наличии крепежных отверстий. Для стандартной серии пластин значения I приведены в приложении 7-4.
При р.о, измеряемом в генри на метр, размеры I и F надо представлять в метрах и квадратных метрах.
Основываясь на (7-44), формулу для подсчета индуктивности можно привести к виду
L = n2AL, (7-45)
где
A = (7-46)
есть так называемая индуктивность на один виток. Для подсчета ее можно пользоваться приведенными в приложении 7-4 данными величины p0F/l.
В приложении 7-6 даны графики величины £1000—индуктивности на 1000 витков в зависимости от у/ для различных каркасов при средней цифре заполнения сердечника, соответствующей с1ф^0,2 мм.
Зная £1000, нетрудно вычислить AL по формуле ДЛ = £1ооо-1О-6. Для тех же условий составлены графики, приведенные в приложении 7-5 и служащие для вычисления числа витков по заданным отн и ь.
7-4. Нелинейные катушки
Нелинейными катушками в технике дальней связи называются катушки, являющиеся основным узлом в схемах магнитной генерации гармоник. Наибольшее распространение получили катушки, создающие гармоники частотой 4 кгц, необходимые для работы генераторного устройства 12-канального блока.
Как известно, для нормальной работы катушки в схеме генератора гармоник она должна иметь весьма большую дифференциальную проницаемость dBidH при малых напряженностях поля, вплоть до некоторой определенной величины Н=Н' (фиг. 7-16, а), и весьма малое значение dBjdH при полях,, превосходящих это значение.
Переход от больших значений dBidH к малым должен происходить по возможности более резко, для этого петля гистерезиса должна быть весьма узкой, а амплитуда напряженности воздействующего поля—значительно превосходить величину Н=Н' (фиг. 7-16, б). Узкая петля гистерезиса полезна также и с точки зрения увеличения коэффициента полезного действия всего устройства в целом. Для уменьшения вихревых токов, снижающих крутизну гистерезисной петли, катушка
201
должна быть сделана из тонкого подразделенного магнитного
материала.
На фиг. 7-16, в показан поперечный разрез каркаса и сердечника нелинейной катушки 12-канального блока, сконструированной Л. И. Рабкиным. Внутри тонкого каркаса, выточенного из эбонита (прессовка из пластмассы не оправдывается
экономически ввиду небольшой потребности в таких катушках даже на крупных предприятиях), размещается тороидальный сердечник, собранный из штампованных колец молибденистого пермаллоя с толщиной в 60 микрон. Эксперимент показал, что эта цифра является оптимальной для частоты 4 кгц, при более тонкой раскатке вихревые потери начинают возрастать под влиянием внутренних процессов, происходящих в материале (уменьшение металлографического ' зерна, усложнение процессов перемагничивания).1 Столь тонкая прокатка сравнительно дорога, но все же является допустимой ввиду немассового характера производства.
Размеры катушки выбраны на основании следующих соображений. Для того чтобы сравнительно небольшие токи могли вызвать насыщение катушки, желатель-
но иметь тороид возможно меньшего диаметра (определяется технологией Челноковой намотки). Площадь поперечного сечения сердечника определяется величиной мощности переменного тока, которую он может вынести без чрезмерного нагрева (мощность определяется объемом сердечника). Площадь поперечного сечения намотки должна быть как можно более близкой к площади
1 Обычные листовые материалы никогда не раскатываются до столь малой толщины, и поэтому для них вопрос о выборе оптимальной толщины d& не возникает.
’202 .
сечения сердечника—индуктивность такой намотки при насыщении, когда проницаемость близка к величине р.о, будет минимальной. Поэтому катушку наматывают весьма тонким проводом.
Для катушки, сердечник которой показан на фиг. 7-16, в, величина Н' составляет 160 а/м, а амплитуда напряженности поля Нш равна примерно 2000 а/м. При этом синусоидальный ток в катушке равен 0,25 а. К. п. д. такой катушки составляет 60%.
Глава восьмая
ТРАНСФОРМАТОРЫ
8-1. Общие сведения
Трансформаторы нашли применение уже в самых ранних системах дальней связи—это были переходные трансформаторы, служившие для согласования линий с аппаратурой и другими линиями, а также для изоляции станционной аппаратуры от линии. Трансформаторы использовались для образования фантомных цепей. Первые теоретические работы в области трансформаторов дальней связи принадлежат В. И. Коваленкову.
По мере развития дальней связи, обусловленного введением ламповых усилителей и систем частотной многократности, область применения трансформаторов значительно расширилась. В первых ламповых трансляциях применялись примитивные конструкции, заимствованные из ранней практики линейных переходных трансформаторов. В дальнейшем конструкторам пришлось много поработать над тем, чтобы удовлетворить весьма сложные требования в части относительной ширины полосы частот при достаточно большой абсолютной величине наивысшей частоты передачи, а также в части амплитудных, фазовых и нелинейных искажений.
Всем этим требованиям современный трансформатор должен удовлетворять при использовании его в каналах, в состав которых входит, кроме него, весьма большое количество однотипных с ним трансформаторов. Эта особенность отличает трансформаторы дальней связи от трансформаторов, применяемых, например, в аппаратурах радиовещания и радиосвязи.
Сравнительно небольшая величина частот и большая относительная ширина частотных диапазонов, используемых в системах дальней связи, применявшихся в качестве основных до последнего времени, привела к тому, что все трансформаторы этих систем снабжаются ферромагнитными сердечниками, обеспечивающими сильную связь между обмотками. Трансформаторы без ферромагнитных сердечников, широко применяемые в одноканальных системах радиосвязи (Относительно узкие по-
203
лосы частот), в устройствах дальней связи используются крайне редко, главным образом в настроенных усилителях для цепей подачи несущих частот.
С переходом к системам связи по коаксиальному кабелю и к уплотнению радиорелейных линий (частоты порядка мегагерц) также пришлось сохранить ферромагнитные сердечники— этого требует большая относительная ширина частотных диапазонов.
Теория трансформаторов с ферромагнитными сердечниками развилась главным образом из практики переходных телефонных трансформаторов (работы В. И. Коваленкова, М. Г. Цим-балистого, М. С. Бонского, Р. Фельдткеллера), а также из практики низкочастотных усилительных схем (работы А. И. Берга, Г. С. Цыкина). Трансформаторы со стальными сердечниками были впервые применены в высокочастотных схемах В. Н. Листовым. Техника таких трансформаторов была значительно усовершенствована трудами М. С. Бонского и в дальнейшем работами Г. Г. Бородзюк, В. Г. Черных и Т. С. Кло-качевой.
При конструировании трансформатора необходимо иметь следующие исходные данные, являющиеся результатом электрического расчета:
а) пределы и /2 рабочего диапазона частот;
б) номинальное (по сути дела, минимальное) значение индуктивности L первичной обмотки трансформатора;
в) индуктивность рассеяния или коэффициент рассеяния а (или коэффициент связи &);
г) коэффициент трансформации по виткам, равный
где /ij и п2—числа витков первичной и вторичной обмоток.
Для выходных трансформаторов ламповых схем, особенно для разного рода переходных трансформаторов, должно быть задано также еще и затухание при среднегеометрической частоте рабочего диапазона трансформатора.
Для трансформаторов напряжения необходимо знать величину собственной емкости трансформатора (ею задаются, хотя бы примерно, при электрическом расчете).
В тех случаях, когда выходной или переходный трансформатор используется в тракте многоканальной передачи, существенное значение приобретает вопрос о величине нелинейных искажений.
При работе трансформаторов в широких диапазонах, нижний предел которых равен по крайней мере 0,1 мггц (трансформаторы коаксиальных систем), емкости обмоток играют роль для всех видов трансформаторов—как входных, так и 204
переходных. При этом входные трансформаторы очень часто имеют во вторичной обмотке активную нагрузку. Различие между трансформаторами мощности и напряжения в этом случае исчезает.
8-2. Расчет индуктивности
В большинстве случаев расчета трансформаторов, особенно при сравнительно низких частотах, приходится мириться с наличием магнитной проницаемости, сильно зависящей от поля, и рассчитывать витки таким образом, чтобы минимальное заданное значение индуктивности осуществлялось при весьма малых полях = Индуктивность первичной обмотки входит, как известно, в поперечную ветвь эквивалентного четырехполюсника. Поэтому увеличение ее под влиянием конечных значений напряженности поля не будет вносить искажений.
В тех случаях, когда индуктивность какой-либо из обмоток трансформатора входит как составная часть в колебательный контур, настраиваемый на определенную частоту, применять листовые сердечники нельзя; их заменяют тороидальными магнитодиэлектрическими, обеспечивающими достаточную стабиль-ность индуктивности.
Расчет индуктивности обмоток ведется по методам, изложенным в седьмой главе. Выбор размеров сердечника трансформатора можно производить на основании так называемой конструктивной постоянной (термин введен Г. С. Цыкиным):
Д=—±. (8-1)
отн
Сопротивление /?0 получается из электрического расчета трансформатора на основании заданной величины его затухания; величина относительной начальной проницаемости ^отн определяется выбором магнитного материала.
Величины L и 7?0 можно выразить через конструктивные данные трансформатора:
2 ' F
п ^н. отн^О . 9$
А =--------------,
9 >
^н. отн
РнЯм
ИЛИ
A = (8-2)
Правая часть этого уравнения определяется габаритами трансформатора и каркаса и материалом провода. Данные для ее вычисления при штампах и каркасах серии Шп приведены в приложении 7-4. В том же приложении дана величина А для средних значений qM и q& для трансформаторов серии Шп.
205
При частотах выше 50—100 кгц сопротивление Ro становится весьма малой величиной. Затухание трансформатора определяется, в основном, потерями в его сердечнике. В этом случае удобно пользоваться графиком фиг. 8-1, составленным Г. К. Васильевым и позволяющим находить для разных углов потерь при заданном затухании или коэффициенте отражения
величину последовательной индуктивности первичной обмотки согласно формуле
N R
L=----- [микрогенри], (8-3)
2<о1
где
Wj—низшая частота рабочего диапазона;
Л—нагрузка первичной обмотки трансформатора;
N—коэффициент, определяемый по графику.
Значения tgS берутся для различных материалов из графиков фиг. 7-6. Размеры сердечника, необходимого для осуществления заданной величины £, подбираются исходя из величины емкости обмоток и нелинейных искажений.
8-3. Выбор материала сердечника
При выборе того или иного материала для сердечника трансформатора решающее значение имеют данные о крайних пределах диапазона рабочих частот трансформатора. С одной 206
стороны, следует стремиться выбирать материал с большим значением ротн, так как это позволяет уменьшить габариты трансформатора, а с другой,—надо стремиться к выбору такого материала, который позволил бы иметь значение предельной частоты, удовлетворяющее требованиям работы в заданном диапазоне.
Высоконикелевый пермаллой, имеющий весьма большую проницаемость, позволяет серьезно снижать габариты, но это его положительное качество можно использовать лишь при сравнительно невысоких частотах (см. фиг. 7-7). Следует также помнить, что материалы с более высокой проницаемостью меняют ее под влиянием подмагничивания более резко, чем материалы со сравнительно низкой проницаемостью (см. фиг. 7-2)— стальной сердечник может оказаться равноценным более дорогому, пермаллоевому. Применение высоконикелевых пермаллоев возможно поэтому только при полном отсутствии подмагничивания.
При анализе влияния потерь и величины индуктивности на частотные искажения удобно исходить из такого варианта эквивалентной схемы трансформатора, при котором в поперечной ветви эквивалентного четырехполюсника находятся пересчитанная из индуктивности первичной обмотки параллельная индуктивность Lnap и сопротивление потерь Rnap.
Для того чтобы трансформатор имел малые потери и небольшой коэффициент отражения, необходимо иметь во всем диапазоне рабочих частот
^пар И Rnap R> где /?—сопротивление первичной нагрузки.
До предельной частоты материала выполнить это условие нетрудно, поскольку и Lnap и Rnap в этом диапазоне не зависят* от частоты [см. формулы (7-34) и (7-35)]. При частотах выше предельной Lnap и Rnap зависят от частоты, в частности Lnap* падает с увеличением частоты [см. формулу (7-37)]. С точки зрения удобств производства (более толстый лист), желательно брать величину предельной частоты как можно ближе к нижнему краю рабочего диапазона. Так и поступают на практике. Возможность работы трансформатора при частотах значительно выше предельной объясняется тем, что несмотря на падение Lnap величина <&Lnap возрастает за счет увеличения ю.
Возможности уменьшения толщины йф листового материала сравнительно невелики — прокатка пермаллоя до толщин порядка 0,05 мм представляет известные трудности. Из литературы известны случаи проката пермаллоев до толщины 0,01 мм и изготовления торов из такой ленты (тор является при этом наиболее жесткой конструкцией), но стоимость их была велика.
В поисках дешевого материала, обеспечивающего более простую технологию, инженерная мысль обратилась к ферри
207“
там — оксиферам. Данные этих материалов приведены на фиг. 7-6 и 7-7. Здесь обозначение О соответствует результатам измерения тороидов, а ОШ—Ш-образной конструкции (см. ниже). Размеры сердечников из оксифера приведены в приложениях 8-1 и 8-2.
Для сравнения различных материалов удобно вычислить (пользуясь графиками фиг. 7-6, 7-7 и 8-1) число витков для ряда однотипичных трансформаторов, снабженных сердечниками из этих материалов и работающих в одинаковых элек-
Фиг. 8-2
трических условиях. Наилучшему материалу будет соответствовать минимальное число витков. Такие вычисления, произведенные Г. К. Васильевым, сравнивавшим оксиферы с высоко- и низконикелевыми пермаллоями с толщиной d$ = = 0,05 мм, показали, что для частот нижнего края диапазона (широкополосного), не превышающих 30 кгц, наилучшим материалом является высоконикелевый пермаллой, а для нижних пределов от 30 до 1000 мггц—оксифер 0-2000 (см. фиг. 7-7). При более высоких частотах первенство переходит к оксиферам с меньшей проницаемостью.
Оксифер удобно использовать в Ш-образных конструкциях, составленных из двух половинок (фиг. 8-2), размеры которых соответствуют малым размерам серии Шп или даже меньше. Иногда применяют намотку на тороидах (меньшее рассеяние). Каркас следует делать из полистирола или, что лучше, из керамики или кварца (большая теплостойкость); на частотах до 5 мггц допустимы каркасы из гетинакса. Наличие зазора на стыке двух одинаковых Ш-образных половинок, хотя и пришлифованных, приводит к тому, что проницаемость сердечника
208
получается несколько ниже измеренной на тороидальнохм образце.
Размеры высокочастотных оксиферовых сердечников определяются в основном допустимой степенью нелинейных искажений. Известное уменьшение емкости дает применение намотки пучками (см. выше). В этих условиях площадь намотки используется весьма слабо. Дешевизна оксифера (в 4—5 раз дешевле пермаллоя не слишком тонкой прокатки) приведет, по всей вероятности, к использованию его не только на весьма высоких частотах, но и на более низких.
8-4. Емкость обмоток
В предыдущих главах при оценке емкостей катушек ука-
Фиг. 8-3
зывалось, что подсчет их весьма неточен и носит ориентировочный характер. Еще в большей степени это относится к емкостям в трансформаторах, особенно в низкочастотных трансформаторах, в которых число витков весьма велико. Поэтому сведения о емкости трансформаторов получают, главным образом, путем накопления экспериментальных данных.
Для трансформаторов с плотной и многослойной намоткой (тональные и сравнительно небольшие по величине „высокие
частоты") основным видом емкости является распределенная емкость обмоток, однако кроме нее имеется и ряд других емкостей, показанных на фиг. 8-3, а. Действие их может быть заменено одной эквивалентной емкостью, соединенной с вто* ричной обмоткой трансформатора (фиг. 8-3, б). Величина этой емкости зависит от того, какой конец трансформатора заземлен (см. гл. 5), от наличия экрана и от заземления сердечника.
Для обмотки из тонкого провода с 10—15 тысячами витков и с небольшим количеством тонких прокладок распределенная емкость составляет 100—200 пф. Для уменьшения этой емкости
каркас секционируют; при четырех секциях емкость снижается до 15—25 пф. Дальнейшее увеличение числа секций невыгодно, так как приводит к слишком большой потере площади намотки. Наличие прокладок в обмотке также уменьшает емкость. Объясняется это не столько увеличением интервала между слоями намотки, сколько тем, что прокладки предотвращают сползание отдельных крайних витков вдоль щек. При
14 Зак. Xs 129
209
таком сползании образуются частичные емкости, находящиеся под напряжением, значительно превосходящим напряжение между двумя соседними слоями, и тем самым сильно увеличивающие общую емкость обмотки. Изменение диаметра провода сравнительно мало влияет на распределенную емкость, да оно и не всегда возможно при большом заполнении окна. Пропитки увеличивают емкость, но зато делают ее вполне стабильной.
Уменьшить емкость на сердечник можно путем утолщения гильзы каркаса. Уменьшить емкость между обмотками (в секционированных трансформаторах именно эта емкость является основной) можно, вводя между обмотками утолщенные прокладки. К сожалению, далеко в этом направлении идти нельзя, так как разнесение обмоток увеличивает индуктивность рассеяния; приходится парализовать действие межобмоточной емкости посредством экранирования.
Порядок расположения обмоток на катушке сильно влияет на величину эквивалентной емкости трансформатора. Для уменьшения емкости обмотка с меньшим числом витков должна быть расположена ближе к сердечнику, а обмотка с большим числом витков—удалена от него.
В упомянутых в предыдущем параграфе высокочастотных трансформаторах с сердечниками из оксифера количество витков исчисляется в лучшем случае десятками, часто же—единицами. Обмотки таких трансформаторов представляют собой однослойные катушки с шаговой намоткой, распределенная емкость их ничтожно мала. В этих условиях наиболее опасной является межобмоточная емкость и емкость на сердечник. Для уменьшения последней следует прибегать к мерам, указанным выше, т. е. к утолщению гильзы и наматыванию вниз меньшей обмотки.
Для уменьшения межобмоточной емкости увеличивают толщину межобмоточных прокладок или даже делают „воздушную прокладку" (двойной каркас). Малое число витков, приводящее к недоиспользованию окна, позволяет осуществлять такие конструкции. Другой мерой уменьшения межобмоточной емкости является сосредоточение витков одной из обмоток при равномерном распределении витков другой обмотки по длине намотки. Следует указать, что, как правило, все меры по уменьшению емкости приводят к увеличению индуктивности рассеяния. Исключение составляет применение электростатических экранов (см. ниже).
8-5. Расчет индуктивности рассеяния
На фиг. 8-4, а показан разрез трансформатора с сердечником броневой конструкции. Основной поток Ф12 пронизывает сердечник и охватывает обе обмотки, первичную и вторичную,.
210
Фиг. 8-4
поток же рассеяния Фст замыкается через немагнитную прослойку между обмотками.
В принципе желательно иметь трансформаторы с наименьшим рассеянием. Поэтому обмотки следует располагать весьма тесно друг к другу (недоиспользование намоточной площади, применение тонких проводов), однако это противоречит требованию малой межобмоточной емкости.
Тем же недостатком страдает и другой способ уменьшения рассеяния, согласно которому при коэффициенте трансформации, равном целому числу /?, обмотку выполняют в виде пучка из k + 1 проводов. Один из этих проводов является пеивичной обмоткой, a k других, соединенных последовательно, — вторичной. Такой способ намотки дает ничтожно малое рассеяние, но емкость между обмотками получается при этом чрезвычайно большой.
Наконец, способ уменьшения рассеяния, который заключается во вматывании вторичной обмотки в промежуток между двумя половинами первичной обмотки, также увеличивает емкость между обмотками.
У величение собственной емкости трансформатора является, таким образом, препятствием к осуществлению специальных обмоток, уменьшающих рассеяние. Поэтому чаще конструкцию, показанную на фиг. 8-4, а. В этом случае для уменьшения рассеяния используются материалы с возможно более высокой проницаемостью; это уменьшает число витков, а индуктивность рассеяния уменьшается пропорционально квадрату уменьшения витков.
Для оценочного расчета величины индуктивности и коэффициента рассеяния представим первичную и вторичную обмотки в виде концентрированных цилиндрических однослойных обмоток (фиг. 8-4,6), расположенных в середине соответствующих намоточных площадей. Определение индуктивности
всего применяют простейшую
14*
211
рассеяния основано на том известном из теории трансформаторов факте, что при коротком замыкании первичной обмотки входное сопротивление со стороны вторичной обмотки равно индуктивности рассеяния.
Напряженность поля в пространстве между вторичной и первичной обмотками будет равна (обозначения размеров см. на фиг. 8,4-а):
тт ^2^2
к'
где /2—ток во вторичной обмотке.
Индукция в этом пространстве составляет
ь
Эта индукция существует только в межобмоточном пространстве, так как внутри первичной обмотки имеет место равная и противоположная по знаку индукция Вг (фиг. 8-4,в). Компенсация индукции В2 индукцией Вг необходима для того, чтобы в соответствии с условиями короткого замыкания напряжение в первичном контуре было равно нулю.
Индукция В2 определяет поток рассеяния через площадь / j . -4- h2\ f
с сечением I й12 - - j 1ср;
Фа = В2(1г1, + 1г-^-^\1ср.
Этот поток вызывает во вторичной обмотке напряжение
О \ * )
откуда
о \ - /
и коэффициент рассеяния
Точный подсчет, учитывающий реальные размеры обмоток, дает несколько меньшие цифры, однако эта поправка не столь важна, так как она не учитывает компенсирующее ее в из-, вестной мере несоблюдение в реальных трансформаторах строго цилиндрической формы обмоток, положенной в основу вывода формулы (8-4). Во всяком случае, расчеты по этой формуле могут носить только ориентировочный характер.
212
Согласно (8-4) обмотки с малыми hx и Л2 позволяют получать малые о и тем самым облегчают создание широкополосных трансформаторов, характерных для систем дальней связи. Именно таковы обмотки трансформаторов упомянутой выше серии Шп.
При весьма малом числе витков (высокочастотные трансформаторы) расчет индуктивности рассеяния становится крайне приблизительным. Наименьшее рассеяние и при таких частотах дают тороидальные конструкции, которые, как, однако, из-
вестно, неудобны технологически, они имеют большие значения собственной емкости и вследствие этого заменяются Ш-образными.
При малом числе витков для уменьшения рассеяния можно использовать ряд следующих мер. Одной из них является применение для намотки вместо провода тонкой медной ленты, что уменьшает интервалы между витками. Другой мерой является применение электростатического экрана, тело которого, несмотря на наличие в нем разрезов (см. гл. 14), можно рассматривать как вспомогательную обмотку, увеличивающую связь между первичной и вторичной обмотками. Третьей мерой (применимой и при более низких частотах) является переход от трансформаторной схемы к автотрансформаторной.
Для трансформатора, включенного между двумя неуравновешенными схемами (фиг. 8-5), выигрыш по индуктивности рассеяния при переходе к автотрансформатору может быть охарактеризован следующим равенством:
Lamp f 1 4- П У
ъавтр
Смысл п и т уясняется из фиг. 8-5.
213
8-6. Дифференциальные намотки
В технике дальней связи значительная часть трансформа торов выполняется с одной или даже двумя обмотками, имею щими среднюю точку, относительно которой полуобмотю
Фиг. 8-6
должны быть строго симметричными по активным и реактивным составляющим их сопротивления, а также и по сопротивлениям на землю. Такие трансформаторы называются дифференциальными и применяются как на тональных частотах (дифференциальные системы, эхозаградители, трансформаторы для осуществления фантомных цепей и т. д.), так и на более высоких (преобразователи частоты, развязывающие схемы, двухтактные усилители и т. д.).
214
Намотка тональных дифференциальных обмоток (фиг. 8-6,а) ведется „в две нитки", т. е. парой проводов, сматываемых одновременно с двух катушек. Общий конец двух проводов соединяется и образует среднюю точку обмотки. Для получения уравновешенности емкостей и утечек концов обмоток по отношению к земле обмотку делят на две секции, намотка которых производится в противоположные стороны — после намотки первой секции каркас снимают со шпинделя намоточного станка, переворачивают и ставят обратно, а затем производят намотку второй секции.
При намотке в две нитки трудно достичь ровной укладки проводников, неровность же ведет к снижению дифференпи-альности. Поэтому лучше всего применять специальный проводник, состоящий из двух калиброванных жил в общей обмотке, или изготовлять такой проводник на специальном приспособлении, обматывая пару, сматываемую с двух катушек, тонкой ниткой. Это позволяет увеличить балансное затухание трансформатора с 5,5—6 до 7,5—8 неп.
На высоких частотах намотка в две нитки неудобна из-за слишком большой величины межобмоточной емкости. В этом случае хорошие результаты дает так называемая шахматная намогка, схема которой показана на фиг. 8-6,6. Иногда одновременно с шахматным расположением дифференциальной намотки производят переплетение вторичной и первичной обмоток, что полезно с точки зрения уменьшения рассеяния. Для симметрии концов обмотки всегда имеет смысл переворачивать каркас при намотке второй половины.
На фиг. 8-6, в показана одна из наиболее сложных дифференциальных намоток — намотка линейного автотрансформатора.
8-7. Обеспечение стабильности характеристик
Стабильность характеристик трансформатора обеспечивается рядом конструктивных мероприятий как в отношении сердечника, так и в отношении обмотки.
Стабильность сердечника определяется применением пластин типа Шп (стабильность зазора) и сжатием пакета посредством клина и обойм. Стабильность намотки обеспечивается главным образом устранением действия влаги, которая может вызвать изменение электрических данных трансформатора, в первую очередь понижение сопротивления изоляции и изменение величины его емкости Кроме того, длительное воздействие влаги приводит к явлениям коррозии, разрушающим материал провода обмоток. Для предотвращения этих явлений трансформаторы подвергаются сушке и пропитке, примерно по тем же нормам, что и катушки с магнитодиэлектрическими сердечниками.
215
Для большинства трансформаторов дальней связи в качестве пропиточного материала используется церезин, для входных трансформаторов кабельных систем (например К-12, К-24)— полистироловый лак. Поверх внешней обмотки трансформатор плотно закрывается слоем кабельной бумаги или линоксино-вого полотна—для защиты от механических повреждений при сборке.
Наиболее сложны меры по увеличению стабильности параметров входных и выходных трансформаторов усилителей систем связи по коаксиальным кабелям. Большая величина
Фиг. 8-7
рабочих частот в этих системах приводит к тому, что паразитные параметры трансформаторов, т. е. емкости между обмотками, емкости на сердечник и т. п., а также индуктивности рассеяния определяют в значительной степени частотные характеристики усиления и входного сопротивления усилителя. Это обстоятельство, а также исключительно большое число трансформаторов в системе связи обусловливают крайне жесткие требования к стабильности паразитных параметров.
На фиг. 8-7 показана конструкция одного из таких трансформаторов. Корпус трансформатора сделан из керамического материала—стеатита. На одно из плеч разъемного ферритового сердечника надеты три концентрических каркаса из плавленого кварца. Два из них несут обмотки, а на третьем (среднем) находится экран.
Обмотка изготовляется следующим образом: на поверхности кварцевого цилиндра алмазным резцом протачиваются канавки; затем канавки заполняются пастой из тонкомолотого кварцевого стекла и серебра. После значительного нагрева стекло сплавляется с основным массивом кварца и сцепляет
216
с ним частицы серебра. Поверх серебра гальваническим путем наносится слой меди, заполняющий канавки. Температурная стабильность размеров выполненных таким способом обмоток соответствует стабильности размеров кварцевого каркаса. Однородность трансформаторов обеспечивается весьма жесткими допусками на основные размеры каркасов и сердечника.
8-8. Экранирование трансформаторов и их обмоток
Для защиты трансформаторов от воздействия внешних полей в диапазоне весьма низких частот применяют магнитное экранирование (стальные или пермаллоевые экраны), а в диапазоне высоких частот—электромагнитное экранирование (медные или алюминиевые экраны). Подробности расчетов экранирования приводятся в гл. 14.
Для большинства трансформаторов в наиболее распространенных конструкциях аппаратуры экранирование (сравнительно слабое) обеспечивается коробками отдельных блоков. При установке трансформаторов отдельно на платах они, как правило, для защиты от механических повреждений помещаются в металлические коробки, которые в известной мере являются экранами.
Тщательному экранированию как при размещении на платах, так и при размещении в блоках подвергаются только особо ответственные трансформаторы, например входные трансформаторы усилителей с большим усилением. При этом для получения высокой степени экранировки обмотки таких трансформаторов часто заключают полностью в экран. В качестве экрана в этом случае применяются две ленты из фольги (свинцово-оловянной, бронзовой или латунной; алюминий не пригоден из-за трудности пайки выводов), наматываемые сверху или снизу обмотки; для предотвращения образования короткозамкнутого витка служат прокладки из бумаги или тонкой лакоткани. Ширина нижней ленты должна превышать длину намотки, и края ее загибаются вверх, вдоль щек каркаса, благодаря чему их можно соединять с верхней лентой. При этом следует смотреть за тем, чтобы не образовался короткозамкнутый виток. В аппаратуре старых выпусков применялись паяные латунные каркасы с разрезом, весьма дорогие и сложные в производстве.
Между первичной и вторичной обмотками трансформатора часто вводят простейшие электростатические экраны, которые заземляются. Такие экраны представляют собой или одиночный слой изолированной проволоки, заземляемой с одного конца, или слой тонкой фольги с припаянным проводником. Наличие экрана парализует действие межобмоточной емкости— при хорошем экране передача энергии идет только через магнитное поле между обмотками.
217
Вспомогательной, хотя и не очень эффективной, мерой при экранировании является также заземление сердечника. В современных конструкциях оно производится двумя способами. При первом способе провод заземления припаивается к лепестку, зажимаемому под одним из болтиков, стягивающих пакет пластин (см. фиг. 7-15,6). С заземляющего болтика снимается изолирующая трубка и он касается части пластин. Более надежным способом (см. фиг. 7-15, а) является закладывание в пакет одной составной пластины, верхняя половина которой сделана из тонкой латуни и имеет лепесток для подпайки провода, а нижняя—из гетинакса той же толщины (для экономии латуни).
Насколько действует электростатический экран между обмотками трансформатора, показывает следующий пример, основанный на данных промышленных измерений. У трансформатора с заземленным сердечником Шп-17 емкость между обмотками была равна 130 пф, при введении экрана она уменьшилась до 10 пф, а при полном экранировании, т. е. при помещении одной из обмоток в полностью ее охватывающий экран эта емкость упала до 0,1—0,2 пф.
Сплошное экранирование обмоток сложно в производстве, да и не нужно, так как опыт показывает, что описанных- простейших экранов, как правило, достаточно для работы схем. Экранирование особенно необходимо в таких трансформаторах, одна из обмоток которых нагружена на весьма большое сопротивление, так как по закону деления напряжений емкостная связь действует тем сильнее, чем больше сопротивление, на котором падает передаваемое через нее паразитное напряжение. В качестве примера можно привести сеточные трансформаторы с большими коэффициентами трансформации. На входе этих трансформаторов обычно имеют место довольно низкие уровни передачи. Экран играет роль дополнительной защиты от помех.
В случае входных трансформаторов усилителей, рассчитанных на усиление в весьма широкой полосе частот с низкими значениями ее нижнего предела (усилители каналов вещания), применяется двойное экранирование — на экран из железа или пермаллоя надевается медный экран. Плоскость стыков половинок железного экрана ориентируется вдоль оси обмоток, плоскость стыков медного экрана—параллельно плоскости обмоток.
8-9. Нелинейные искажения в трансформаторах
Вопросы нелинейных искажений в трансформаторах с сердечниками из листовых ферромагнетиков были исследованы Г. В. Добровольским и А. С. Блохиным. Ниже приводятся основные сведения об учете нелинейных искажений (по Добровольскому).
518
Основой расчета нелинейных искажений являются кривые, показывающие зависимость коэффициента нелинейности холостого хода от напряженности поля.
Коэффициент нелинейности холостого хода определяется отношением напряжения третьей гармоники к напряжению основной волны на зажимах катушки, нагружающей генератор с внутренним сопротивлением Reti\
вычислить затуха-
По коэффициенту нелинейности можно ние нелинейных искажений при холостом ходе, равное
, 1 1 1 и<»
Ь/хх=^~— =1п77~-Rfxx ЧЗш
На фиг. 8-8, а, бив приведены графики Kfxx=<i>(H), построенные на основании измерений А. С. Блохина. В основе этих графиков лежат уравнения (7-1а) и (7-16).
В условиях схемы, эквивалентной трансформатору, упомянутая выше катушка, представляющая собой в этом случае индуктивность первичной обмотки, будет зашунтирована сопротивлением нагрузки R2.
Затухание нелинейности в этих условиях будет равно:
&z=ln
4- —1п Г1 +
2 [
/Зо>Л\2'
IV/.
(8-6)
и3ш
где
D—_
Ren + t
219
При расчете трансформатора задаются, как известно, неравенством
тогда формула (8-6) примет вид:
— bfx + in 3<UWo'"«w2f
(8-7)
Для величины ротн берется значение, соответствующее частоте <о, так как основное поле в трансформаторе меняется с этой частотой. При переходе от сердечника с данными F,
I, п и \>*отн к сердечнику с данными 1Ъ пг, pomHi разность затуханий нелинейности будет равна:
bf. - bfi = b/xxi - b/xxl T ln^ -Ип . (8-8)
J J J J Fnl готн
Задавшись при расчете некоторым типом трансформатора (например, выбрав его более или менее приближенно по конструктивной постоянной) и зная напряженность поля (вычисляется по величине тока в обмотке и размерам трансформатора), проверяем величину затухания нелинейности по формуле (8-7). Если она не удовлетворяет требуемым условиям, то можно или увеличить размеры сердечника или взять материал с другой проницаемостью и другим значением bfxx.
Проверка годности принятого решения производится по формуле (8-8). Для материалов с высокой магнитной проницаемостью нелинейные искажения можно уменьшить, вводя немагнитный зазор; так, например, измерения на трансформаторе средних размеров с сердечником из высоконикелевого пермаллоя показывают, что введение зазора толщиной 0,2 мм 220
увеличивает bfxx примерно на 1 неп\ дальнейшее увеличение зазора влияет весьма слабо.
На фиг. 8-9 показаны характеристики Ь;хх=у(В) для высокочастотных магнитных материалов, измеренные Г. К. Васильевым Сравнение характеристик тонкокатаного высоконикелевого пермаллоя с характеристикой оксифера свидетельствует о том, что последний сравнительно мало уступает указанному сорту пермаллоя и может быть с успехом применен для трансформаторов многоканальных систем.
Следует отметить, что техника ферритов еще очень молода, есть все основания полагать, что, варьируя химический состав сердечников, удастся создать магнитные материалы, сердечники из которых обеспечат достаточно малую степень нелинейных искажений.
Глава девятая
ПЬЕЗОРЕЗОНАТОРЫ
Пьезорезонаторы в аппаратуре дальней связи применяются: 1) для стабилизации частоты задающих генераторов и 2) для стабилизации и улучшения частотных характеристических затуханий фильтров. Как в том, так и в другом случае используются чрезвычайно высокая добротность контура, эквивалентного пьезорезонатору (Q порядка десятков тысяч), и стабильность параметров этого контура.1
Развитие собственно пьезотехники основано на работах А. В. Шубникова, Г. М. Михайлова, Кэди, Мезона и др. Основы расчета кварцевых генераторов и фильтров были созданы трудами А. И. Берга, Д. А. Рожанского, Э. В. Зелях и Я. И. Великина.
Наиболее распространенным видом пьезоэлектрического вещества, служащего для изготовления резонаторов, в настоящее время является кварц.
Кварцевые резонаторы представляют собой вырезанные из тела кварцевого кристалла (фиг. 9-1) пластины—параллелепипеды, на одной паре боковых граней которых наносятся электроды. Резонаторы классифицируются по так называемым срезам, т. е. по ориентации пластин относительно основных осей кристалла (оптической оси Z, одной из трех электрических осей X и одной из трех механических осей Y).
На фиг. 9-2, а показана ориентация пластин со срезами — 18,5° и + 5°, весьма распространенными в кварцевых фильтрах дальней связи. Каждому срезу соответствует определенный вид
1 Основные сведения о пьезоэлектричестве и об его использовании даются в литературе, относящейся к электрическим расчетам систем дальней связи.
221
деформации пластины при колебаниях. На фиг. 9-2, б показаны деформации в пластинах тех же срезов.
Колебания, совершаемые кварцевыми пластинами, делятся на две основные группы: колебания по длине (продольные) и колебания по толщине (поперечные). Опыт показывает, что в диапазоне частот, используемом для связи по воздушным линиям и симметричным кабельным парам (до 300—500 кгц), можно ограничиться колебаниями продольного типа. Для частот, используемых в коаксиальных системах, и больших (до 50 мггц), пластины, колеблющиеся продольно, получаются слиш
6)
Фиг. 9-2
ком тонкими; поэтому они сложны в производстве. Вместо них имеет смысл применять пластины, колеблющиеся ио толщине. При весьма низких частотах (ниже 50—40 кгц) применяются так называемые колебания изгиба (см. ниже).
Кроме этих основных указаний, необходимо учитывать, что от выбора типа среза пластин зависят еще два обстоятельства: температурный коэффициент и многочастотность (наличие дополнительных паразитных резонансов). Пластины, имеющие резко выраженные паразитные резонансы, обычно обладают значительными температурными коэффициентами частоты (ТКЧ), а добротность их меняется с температурой. При выборе типа среза с учетом этой особенности кварцевых пластин надо учитывать разницу в требованиях, предъявляемых к генераторным и фильтровым резонаторам.
Для генераторных резонаторов требуется прежде всего высокая добротность, многочастотность не играет никакой роли;
222
при выборе ТКЧ следует учитывать возможность установки генератора в термостат. Для фильтровых резонаторов прежде всего важно отсутствие паразитных резонансов в полосе, достаточно широко охватывающей оба основных резонанса. Добротность может быть в этом случае ниже, чем для генераторов,, однако при определении ТКЧ следует помнить, что существующие конструкции фильтров слишком громоздки для установки их в термостатах.
Таковы основные данные в части выбора среза и типа колебания, которые должен знать конструктор для того, чтобы заказать кварцевые резонаторы на специализированном предприятии.1
В приложении 9-1 приведены основные данные о кварцевых резонаторах фильтров системы В-12.
Резонаторные пластины вырезаются из кварцевого сырья (кристаллов) при помощи алмазных фрез, представляющих собой стальные (для грубой резки) и медные (для точной резки) диски, в насечки на внешнем периметре которых впрессовывается алмазная крошка. При распиловке диск непрерывно’ охлаждается смесью из керосина и трансформаторного масла.
После придания пластинам основной формы они подвергаются грубой, предварительной шлифовке абразивами на автоматических шлифовальных станках; затем следуют точная доводка и полировка, производимые вручную.
Пластины резонаторов должны быть снабжены металлическими электродами. Для этого на соответствующие противоположные плоскости пластины наносится тонкий слой серебра или, реже, золота. Способы нанесения металла примерно те же, что и при серебрении конденсаторных пластин.
В технике фильтров одна и та же пластина иногда применяется для осуществления двух тождественных резонаторов, входящих в противоположные продольные плечи четырехполюсника. В этом случае электроды пластины делятся вдоль большего из ее размеров пополам узенькой полоской, с которой металлическое покрытие снимается путем выжигания.
В первых типах советских кварцевых фильтров пластины крепились путем игольчатого зажатия в узловых точках колебаний. Такая конструкция оказалась не совсем удобной как в механическом, так и в технологическом отношении и была заменена креплением на бронзовых пружинящих проволочках, припаиваемых в узлах колебаний к вожженным в кварц серебряным точкам (фиг. 9-3, а).
Вжигание производится до серебрения пластины. Проволочки держащей системы делаются из бериллиевой или фосфо-
1 Подробные данные о свойствах различных срезов представляет собой материал, выходящий за рамки настоящей книги, они составляют предмет специальных исследований и трудов.
223,
ристой бронзы, обладающей большой упругостью и мало устающей; концы их, подлежащие паянию, расплющиваются наподобие шляпок гвоздей.
Пайка ведется посредством остро-направленного потока раскаленного воздуха, припоем служит насыщенный раствор серебра в олове (во избежание миграции серебра электродов в припой). Противоположные концы крепежных проволочек
соединяются с выводными проводниками системы, принятой для ножек электронных ламп.
Для увеличения добротности резонаторов и предотвращения влпя-
Фиг. 9-3 Фиг. 9-4
ния влажности и колебаний давления, пластины с припаянными выводами помещают в стеклянный баллон, из которого удаляется воздух (давление не выше 50 микрон рт. ст.). Баллон запаивается и снабжается выводами, подобными выводам электронных ламп (фиг. 9-3, б). Размеры применяемых у нас баллонов с цоколем не превышают 125 мм по высоте и 33 мм по диаметру. Баллон следует изготовлять из высших сортов стекла, не требующих отжига после запайки откаченного вывода.
При частотах свыше 300 кгц резонаторы продольных колебаний получаются слишком тонкими. Чтобы избежать этой трудности и несколько расширить диапазон применения пластин, колеблющихся по длине, прибегают к возбуждению колебаний на гармониках. Пусть показанная на фиг. 9-4, а пластина колеблется на частоте 150 кгц, тогда третья гармоника этой частоты будет выражена весьма слабо. Она станет значительно сильнее, если нанести электроды только на одной трети площади пластины (фиг. 9-4, б), и весьма сильной, если подразделить каждый электрод на три части и соединить их так, как показано на фиг. 9-4, в. При этом образуются как бы три резонатора с основной частотой 450 помогающие друг другу.
224
На фиг. 9-4, г показана схема соединений частей обкладок. Иногда эти соединения осуществляются на торце пластины.
В некоторых случаях, для использования в ламповых генераторах, применяют пластины, у которых площадь одного из электродов подразделена так, как показано на фиг. 9-5. Этот прием позволяет включать кварц в цепь обратной связи генератора четырехполюсно, наподобие некоторого трансформатора с коэффициентом трансформации, равным отношению площадей частей подразделенного электрода.
При построении резонаторов для весьма низких частот, ниже 40 кгц, конструктор сталкивается с трудностями, связанными с увеличением размеров, которые ограничены раз
мерами встречающихся в природе кристаллов. В этом случае приходится переходить к колебаниям изгиба, совершающимся с частотой значительно более низкой, чем частота обычных продольных колебаний сжатия и растяжения.
На фиг. 9-6, б показано подразделение электродов и полярности действующих напряжений, необходимое для того, чтобы получить колебания изгиба в соответствии с фиг. 9-6, а. Таким путем можно получить резонаторы с собственными частотами не ниже 1 кгц.
Другой метод получения низкочастотных резонаторов, предложенный Я. И. Великиным и Э. В. Зелях, состоит в том, что резонатор осуществляют путем склеивания (канадским бальзамом или карбинольным клеем) двух пластин продольных колебаний, причем соединяются грани противоположных колебаний (фиг. 9-6, в). Таким образом, удавалось получать кварцевые резонаторы на частоты порядка 350 гц.
На фиг. 9-7 показан кварцевый резонатор подобного типа, предназначенный для задающего генератора системы В-3, обладающий основной частотой 9 кгц. Электроды его подразделены для включения в цепь обратной связи лампового генератора.
Наличие в аппаратуре кварцевых резонаторов сильно увеличивает ее цену, так как стоимость резонаторов составляет от 100 до 350 р. за штуку. Это обстоятельство поставило перед
15 Зак. Ns 129
225
электротехникой задачу изыскания резонаторов, изготовляемых из более дешевых материалов и не требующих столь сложной технологии, как при использовании кварца. В настоящее время можно считать, что такие материалы, по крайней мере для фильтровых резонаторов, найдены. Этими материалами являются соли виннокаменной кислоты, именуемые тартратами. Они получаются путем выращивания кристаллов из растворов, причем размеры кристаллов могут быть весьма большими.
Тартраты очень легко растворяются в воде. Поэтому для распиловки кристаллов вместо алмазных фрез применяют мокрые нити. Шлифовка и доводка резонаторов также производятся смачиванием и трением соответствующих поверхностей. Раз
Фиг. 9-7
Угол среза +5° ~ТКЧ-8'1(Г6
меры резонаторов получаются близкими к размерам кварцевых резонаторов, благодаря чему можно использовать методы нанесения электродов и крепления, разработанные для кварца. При пользовании этими методами необходимо соблюдать осторожность, так как тартратовые пластины весьма хрупки и боятся действия высоких температур.
Вследствие дешевизны исходного материала (менее 10 р. за 1 кг) и простоты технологии, изготовление тартратовых резонаторов обходится примерно в три-четыре раза дешевле, чем кварцевых.
Глава десятая
СУХИЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Основным и наиболее важным применением сухих выпрямителей в аппаратуре дальней связи является использование их в качестве нелинейных элементов схем преобразователей частоты. В этой области они совершенно вытеснили применявшиеся до них электронные лампы.
Сухие выпрямители находят значительное применение также , и в детектирующих устройствах, преобразующих переменные токи в постоянные (измерительные схемы, схемы приемников АРУ и т. д.).
226
До последнего времени основным видом сухих выпрямителей были меднозакисные или купроксные выпрямители, сокращенно называемые купроксами. Они были введены в практику аппаратуры дальней связи К. П. Егоровым и Г. В. Старицыным. Первые образцы высокочастотных купроксов, созданных специально для этой цели, были разработаны В. Т. Ренне и В. В. Пасынковым и в дальнейшем усовершенствованы С. П. Пекар и В. Е. Лошкаревым. По мере роста потребности в ку-проксах их производство перешло из небольших мастерских при заводах дальней связи на специализированные заводы.
Основной частью купроксного выпрямителя является медный диск, диаметр которого для высокочастотных выпрямителей составляет от 2 до 7 мм. Образование выпрямляющего слоя на одной из поверхностей диска производится посредством его термической обработки. Перед термообработкой диски тщательно очищаются t путем травления и последующего промывания.
Очищенные диски вносятся в печи, где производится обжиг. Для того чтобы диски покрывались закисью лишь с одной стороны, другую сторону предохраняют от непосредственного воздействия обжига. Обжиг ведется при температуре, близкой к температуре плавления меди, например при 1040° С, и длится до 15 мин., после чего следует относительно медленное охлаждение до 600° С. Диски при этой температуре закаливаются опусканием их в воду. При обжиге на открытой поверхности дисков образуется закись меди Сп2О, необходимая для осуществления выпрямителей. Закалка нужна для уменьшения сопротивления пропускания выпрямителей, которое оказывается чрезмерно большим. При закалке диски покрываются черной окисью меди, которая удаляется травлением.
Для присоединения к выпрямителю внешних проводников надо осуществить контактные выводы как от медного тела диска (так называемая „материнская" медь), так и от слоя закиси. В первом случае устройство непосредственного контакта не представляет затруднений, во втором же приходится применять специальное проводящее покрытие, создающее интимный контакт со слоем закиси меди. В первых образцах советских купроксов для этой цели применялось покрытие слоя закиси слоем аквадага (коллоидального графита), к которому сильной пружиной прижимался медный контактный диск. Аквадаг создает неплохой в электрическом отношении контакт, но свойства этого последнего чрезвычайно резко зависят от влаги. Для получения стабильных купроксов приходилось принимать меры по весьма тщательной герметизации капсюлей с дисками и вводить внутрь капсюля поглощающие вещества. В настоящее время слой аквадага заменяется тонким слоем серебра или золота, наносимого распылением металла в вакууме. Контакты этой конструкции не боятся влаги.
15=
227
На фиг. 10-1 показана конструкция купроксного выпрямителя типа МКВ, применяемого в системах дальней связи. Диски, соединяемые последовательно, заключены в фарфоровую трубочку с выводными колпачками, укрепленными на ней путем пайки на термически нанесенный серебряный поясок. Выпрямительный столбик (или одиночный диск) зажимается между контактными медными дисками, упирающимися в один из колпачков, и сильной пружиной, упирающейся в другой колпачок.
В зависимости от требований к величине сопротивления пропускания выбираются диаметр дисков и число их в столбике, соответствующем последовательному соединению. Возможности, имеющиеся в этом направлении, определяются табл. 10-1.
Таблица 10-1
Тип Диаметр элемента, мм Количество элементов, соединенных последовательно
МКВ-7-1 .... 7 1
МКВ-7-4 .... 7 4
МКВ-7-6 .... 7 < 6
МКВ-5-1 .... 5 1
МКВ-5-4 .... 5 4
МКВ-5-6 .... 5 6
МКВ-4-1 .... 4 1
МКВ-4-4 .... 4 4
МКВ-2-1 .... 2 1
Электрические параметры выпрямителей МКВ, измеренные при температуре +20° С, приведены в табл. 10-2 (при отклонениях температуры ± 5° С допускается пересчет значения
228
прямого тока по соответствующему температурному коэффициенту).
Таблица 10-2
Тип Прямой ток (ма) при напряжении 4-0,4 в на один элемент Обратный ток (мка) при напряжении —2 в на один элемент, не более Емкость одного элемента (пф) при напряжении —2 в на элемент, не более Температурный коэффициент по прямому току в % на 1°С, не более Допустимый ток нагрузки (ма), не более
от ДО
МКВ-7-1 ... 6 МКВ-5-1 ... 6 МКВ-4-1 ... 4 МКВ-2-1 .... 5,0 2,0 1,5 0,1 19,0 8,0 6,0 0,8 85 50 30 20 4 000 1500 800 300 3,0 3,0 3,0 3,0 12 6 4 1
Вольтамперные характеристики купроксов МКВ приведены в приложениях 10-1 и 10-2.
Купроксы типа МКВ, предназначенные для работы в схемах кольцевых и мостиковых преобразователей частоты, подвергаются особой разбраковке. Сперва удаляются все купроксы, имеющие при напряжении —2 в обратный ток более 50 мка. Выбранные таким образом купроксы разбиваются на основании их паспортов на три группы по величине температурного коэффициента (менее 1%, от 1 до 2%, от 2 до 3%) и на пять групп по величине прямого тока (2,4—2,7 ма, 2,7—3,0 ма, 3,0—3,3 ма, 3,3—3,6 ма, 3,6—4,0 ма). В состав преобразовательной четверки подбираются купроксы, принадлежащие по обоим признакам к одинаковой группе.
При оценке купроксов как выпрямителей следует обращать внимание на величину допустимого тока нагрузки. Под этой величиной принято понимать ток в нагрузке однополупериод-ного выпрямителя при частоте выпрямляемого тока, равной 50 гц.
К недостаткам купроксных выпрямителей относятся легкая повреждаемость под действием повышенных напряжений и, в особенности, наличие у них значительной паразитной емкости, достигающей десятков тысяч пикофарад на 1 см2 площади диска. Эта емкость сильно затрудняет использование купроксов при высоких частотах и полностью препятствует ему при частотах свыше нескольких мегагерц.
Указанными недостатками не обладают германиевые выпрямители, разработанные А. Н. Пужай и быстро вытесняющие купроксные. Единственным существенным недостатком этого
229
нового типа выпрямителей является сравнительно большой уровень собственных шумов (примерно на 1 неп выше, чем у купроксных), что может играть известную роль при создании групповых преобразователей частоты.
На фиг. 10-2 показана конструкция германиевого выпрямителя типа ДГ-Ц. Небольшая пластинка германия прикреплена к медному выводному электроду. В эту пластинку упирается заостренный конец упругой вольфрамовой пружины, соединенной с противоположным электродом. Выпрямляющий контакт защищается от внешних воздействий герметизированной фарфоровой трубочкой. Припайка внешних проводников допускается лишь к концам выводных хвостов (перегрев опасен).
Керамическая втулка^ Иглах Кристалл Втулка кристаллоЗержателя
TZZZZZ.
Фиг. 10-2
Благодаря точечному характеру контакта германиевого выпрямителя его емкость при характеристике, сходной с характеристикой купрокса, не превышает 0,3—1,0 пф, что позволяет использовать его на крайне высоких частотах.
В приложении 10-3 даны вольтамперные характеристики германиевого выпрямителя ДГ-Ц8, представляющего наибольший интерес для систем дальней связи.
Глава одиннадцатая
КОММУТАЦИОННЫЕ ДЕТАЛИ
11-1. Общие сведения
В современной аппаратуре дальней связи, представляющей собой сложный комплекс отдельных устройств, взаимное соединение последних, а также их включение или изменение схемы включения осуществляется с помощью коммутационных деталей.
Так как спектр аппаратуры дальней связи занимает довольно широкий диапазон частот и условия ее эксплуатации требуют значительного количества всевозможных переключений и измерений, то число типов коммутационных деталей как по назначению, так и по особенностям конструктивного выполнения весьма велико.
230
Коммутационные детали по характеру осуществляемой коммутации можно разделить на две группы: 1) детали, с помощью которых осуществляется постоянное соединение цепей, не меняющееся в процессе эксплуатации аппаратуры, и 2) детали, обеспечивающие коммутацию цепей вручную или автоматически в процессе работы аппаратуры.
К первой группе деталей относятся все типы вводных гребенок, колодки с контактными винтами, контактные разъемы, а также парные и одиночные зажимы. Все эти детали обеспечивают возможность подключения к ним проводников с помощью пайки или под винт, причем в последних случаях, для более надежного контакта, подключаемый провод иногда снабжается специальным наконечником.
Вторая группа деталей значительно разнообразнее как по номенклатуре, так и по количеству разновидностей схемного и конструктивного оформления. К этой группе относятся все типы переключателей, ключей, кнопок и гнезд, применяемых для включения источников тока, коммутации цепей низкой и высокой частоты, а также панели для включения электронных ламп, патроны и держатели для сигнальных ламп и электромагнитные реле.
11-2. Детали для пЬстоянной коммутации цепей
Вводные гребенка. Вводные гребенки предназначаются для установки на отдельных узлах аппаратуры и служат для соединения монтажа данного узла с монтажом смежного с ним узла.
Фиг. 11-1
Неэкранированный тип такой гребенки показан на фиг. 11-1. Корпус ее обычно изготовляется из фенопласта марки НКХП 980-43 или другого пресспорошка, обеспечивающего высокое сопротивление изоляции.
Сопротивление изоляции между двумя соседними перьями (обычно из десяти имеющихся на гребенке) должно составлять не менее 200 мгом. Электрическая прочность изоляции между двумя рядом расположенными перьями должна быть такой,
231
чтобы к ним могло быть приложено напряжение до 600 в при частоте 50 гц и мощности источника тока до 250 вт.
Перья гребенки рекомендуется изготовлять из латуни или подобного ей материала, обладающего достаточной твердостью и электропроводностью. Во избежание коррозии их покрывают слоем матового никеля, а концы и отверстия, для удобства подпайки проводников, облуживают. Для облегчения монтажа около перьев следует выпрессовывать рельефные цифры от 1 до 10, облегчающие счет.
Крепление гребенки к угольникам соответствующего узла производится винтами через отверстия в корпусе, расположенные по краям.
Перо для Изоляционный подключения к екладыш
корпусу
Контактное
0 о о
Корпус-
букса для крепления гребенки
о о
1Г
Фиг. 11-2
Экранированный тип вводной гребенки такого же назначения, показанный на фиг. 11-2, изготовляется только с двумя перьями и предназначается для подключения одной экранированной пары проводов. Ввиду ограниченного применения и сложности изготовления эта гребенка применяется редко и выпускается небольшими сериями.
Для коммутации значительного числа цепей, что может иметь место при соединении между собой крупных узлов аппаратуры (стоек), применяются вводные гребенки большой емкости. По конструкции такие гребенки бывают одиночные и двойные, причем как те, так и другие могут быть выполнены с различным набором перьев.
Одиночные гребенки могут иметь набор перьев как в одном, так и во всех шести рядах наборной планки, причем каждый ряд содержит десять перьев. Двойные гребенки имеют такую же конструкцию, но только они длиннее одиночных в два раза и могут быть укомплектованы перьями в количестве от 20 до 120 штук.
Конструкция одиночной гребенки приведена на фиг. 11-3.
232
Все указанные типы вводных гребенок имеют контактные перья, рассчитанные на подключение к ним проводов с помощью-пайки. Наборные планки гребенки изготовляют из лучших сортов гетинакса (зеркальный гетинакс) и обязательно покры-
Фиг. 11-3
вают до сборки бакелитовым лаком, с сушкой при высокой температуре (100—120° С) для полимеризации лака. Бакелиза-ция предотвращает от воздействия влаги, особенно на поверхностях, подвергавшихся штамповке и сверлению.
--------96
Фиг. 11-4
Колодки с контактными винтами. Колодки с контактными винтами предназначаются для установки на некоторых узлах аппаратуры и рассчитаны на подключение проводников путем, зажатия их под имеющиеся на колодках контактные винты. Колодки служат в основном для подключения внешних цепей питания, заземления, а также цепей специального назначения, связывающих аппаратуру с общестанционными устройствами (сигнальные транспаранты, звонок и т. д.).
233-
Тело колодки, показанное на фиг. 11-4, изготовляется путем прессовки из фенопласта марки НКХП 980-43. Колодки выпускаются на 4, 6, 8 и 10 выемок, в которых с помощью винтов крепятся латунные планки с контактными винтами. Фенопласт не является наилучшим материалом для такого типа жолодок и безусловно может быть заменен керамикой.
Сопротивление изоляции, электрическая прочность и максимально допустимое напряжение между двумя соседними планками должны быть примерно такими же, как и для фенопластовых гребенок на 10 перьев. Сечение ламелей и контактных винтов надлежит выбирать таким, чтобы оно допускало подключение цепей с величиной тока до нескольких десятков ампер (при выборе сечения надо руководствоваться электротехническими справочниками).
Контактные колодка. Разъемные контактные колодки являются удобной коммутационной деталью, с помощью которой 234
может быть легко осуществлено подключение одного узла аппаратуры к другому.
Наиболее часто встречаются разъемные колодки (фиг. 11-5, а), имеющие 16 или 30 контактов. Такая колодка состоит из двух частей: одна снабжена контактными гнездами и приспособлена для крепления на аппаратуре, другая—жесткими ножами и является съемной. На выводных перьях гнезд и ножей распаиваются соединительные кабели.
Фиг. 11-6
Корпус и основание колодки изготовляются из фенопласта марки НКХП 980-43, причем конструкцией съемной части предусмотрена возможность некоторого качания вмонтированных в нее гнезд, что облегчает их сочленение и разъем.
Наружная—монтажная часть съемной колодки, на которую выходят паяльные концы ножей для подключения внешнего кабеля, закрывается для предохранения монтажа и удобства обращения металлическим чехлом, который прикрепляется к съемной части винтами.
Ножи и гнезда разъемных колодок изготовляются из латуни (ГОСТ 2208) и покрываются слоем серебра. На фиг. 11-5, б показана конструкция гнезда.
Для надежности контактов между ножами и гнездами, последние снабжаются жесткими стальными пружинами, обеспечивающими давление порядка 200—300 Г.
235
Для быстрой ориентировки при монтаже продольные ряды ножей и гнезд обозначаются буквами, а ножи и гнезда в рядах цифрами. Разъемные колодки в основном предназначаются для включения цепей тока низкой частоты, цепей сигнализации и питания напряжением до 250 в. В некоторых случаях они используются также и в высокочастотных цепях аппаратуры многоканальной связи.
Сопротивление изоляции между двумя любыми контактами при влажности воздуха 95% составляет, при указанной марке фенопласта, не менее 500 мгом. Пробивное напряжение между любым контактом разъемной колодки и корпусом должно составлять не менее 2000 в.
Универсальные зажимы. Универсальные зажимы предназначаются для электрического соединения отдельных измерительных приборов как переносного, так и стоечного типа. Название универсальных эти зажимы получили вследствие того,, что подключение к ним съемных проводников осуществляется как посредством зажимания под их головку, так и вставлением штепселей в предусмотренные на них гнезда.
Универсальные зажимы подразделяются на два типа: одиночные (фиг. 11-6, а) и двойные (два зажима на общем основании—фиг. 11-6, б). Одиночные зажимы, снабженные металлическим колпачком (фиг. 11-6, в), могут служить в качестве зажимов для присоединения проводников к корпусу аппаратуры.
Зажимы выполняются из латунной арматуры, запрессованной в пластмассу типа НКХП 980-43 с высоким сопротивлением изоляции, и пригодны для работы в интервале температур от —40 до +50°С и относительной влажности воздуха до 95%. Сопротивление изоляции зажимов при такой влажности не падает ниже 100 мгом. Зажимы выдерживают без пробоя на корпус напряжение 500 в эфф. с частотой 50 гц в течение 3 сек.
11-3. Управляемые коммутационные детали
Основные требования. Управляемые коммутационные детали должны быть удобны для эксплуатации и регулировки. К ним могут быть предъявлены следующие требования:
а) надежность электрического контакта между коммутируемыми цепями;
б) отсутствие нелинейных явлений в контактах;
в) высокая изоляция контактной системы и большая электрическая прочность по отношению к корпусу;
г) надежность работы в определенном диапазоне температур и влажности воздуха;
д) защищенность контактной системы от коррозии;
е) устойчивость соединения коммутируемой цепи при сотрясениях и вибрации аппаратуры;
236
ж) удобство и простота управления;
з) доступность контактной системы для осмотра и регулировки;
и) защищенность рукоятки управления (если таковая имеется) от токопроводящих частей.
Необходимость в удовлетворении тех или иных требований определяется условиями работы аппаратуры. Так, например, в аппаратуре низкочастотного телефонирования нелинейность контактов не играет существенной роли, в то время как в аппаратуре многоканальной высокочастотной связи она может
вызвать весьма неприятные последствия.
Детали коммутации цепей низкой частоты. К этим деталям относятся телефонные ключи, кнопочные переключатели,
гнезда и электромагнитные реле, широко применяемые в устройствах местной и междугородной телефонной коммутации.
В аппаратуре дальней связи, где от исправности одного контакта зависит действие весьма большого числа каналов, эти детали, как показал опыт эксплуатации, оказались недостаточно надежными: регулировка их подвижных элементов слишком часто нарушалась; особенно много неприятностей доставляли ключи и кнопочные пере-
Фиг. 11-7
ключатели, применявшиеся ранее в цепях питания.
В настоящее время из всех частотных цепей посредством телефонных ключей и кнопочных переключателей коммутируются только вспомогательные цепи тональной частоты, например переговорно-вызывные устройства и комплекты вну-тристанционных служебных линий.
Коммутация цепей накала электронных ламп осуществляется с помощью телефонных гнезд, которые по своим схемным возможностям эквивалентны телефонному ключу и, кроме того, обеспечивают возможность измерения тока накала. В отношении постоянства регулировки телефонные гнезда оказались более стабильными, чем ключи; к тому же, возможность парал-
лельного включения пружин резко увеличивает надежность соединения. Цепи от источника анодного напряжения подключаются к узлам аппаратуры без каких-либо коммутационных устройств и отключаются только снятием предохранителей.
Коммутационные детали, применяемые в настоящее время, несколько улучшены по сравнению с предшествовавшими им конструкциями. Это достигнуто удвоением контактов на каждой пружине.
Конструкция контактной части пружин, применяемых в настоящее время для телефонных ключей, кнопок, гнезд и реле, приведена на фиг. 11-7.
Телефонные роликовые ключи по числу положений рукоятки и способу ее возвращения из рабочего положения в исходное
237
подразделяются на ряд типов в зависимости от положений,, в которых рукоятка ключа фиксируется или не фиксируется посредством арретира. Подробные данные о наборах контактных пружин в ключах типовых конструкций и о возможностях арретирования рукоятки приведены в приложении 11-1.
Ключи, применяемые в современной аппаратуре, предназначены для работы в интервале температур от —40 до + 50° С и влажности воздуха до 70%, при этом сопротивление изоляции между соседними пружинами составляет не менее 2000 мгом. При температуре +25° С и относительной влажности воздуха 95% сопротивление изоляции снижается до 200 мгом..
Фиг. 11-8
Пружины ключей выполнены из алюминиевой бронзы марки БРА7 с контактами полушаровой формы из серебра 900 пробы или вольфрама. Вольфрамовые контакты применяются в весьма редких случаях коммутации цепей сильного тока. Изоляционные прокладки между пружинами изготовляются из лучших сортов гетинакса (этот материал калибруется по толщине, обладает малой усадкой и высоким сопротивлением изоляции), а упоры пружин и изоляционные втулки—из электротехнического эбонита (обладает высокой сопротивляемостью на истирание).
Схематическая конструкция телефонного роликового ключа приведена на фиг. 11-8. Величина размера а, показанного на этом чертеже, дана в таблицах приложения 11-1.
Кроме ключей, указанных в приложении 11-1, в аппаратуре иногда применяются роликовые ключи с фиксатором положения. Фиксация достигается применением специальной рукоятки управления, имеющей внутреннюю пружину, и накладной выпуклой планки с отверстиями, в которые утепляется рукоятка управления под действием внутренней пружины (фиг. 11-9).
Кнопочные переключатели по способу возвращения головки управления из рабочего (нажатие) положения в исходное подразделяются на два типа: с арретиром (тип ПКА) и без арретира (тип ПК).
238
Применяемые в аппаратуре кнопочные переключатели предназначены для работы в интервале температур от —40 до + 50°С и влажности воздуха до 70%, при этом сопротивление
Фиг. 11-9
изоляции между соседними пружинами составляет 2000 мгом.. При температуре +25° С и относительной влажности 95% сопротивление изоляции снижается до 200,'л/го.и.
Букса кнопочного переключателя с арретиром
Букса кнопочного переключателя без арретира
Фиг.'11-10
Пружины переключателей выполнены из алюминиевой бронзы марки БРА7 с контактами полушаровой формы из серебра 900 пробы. Изоляционные прокладки, упоры и втулки для винтов, скрепляющих пружины, так же как и у роликовых ключей, изготовляются соответственно из зеркального гетинакса и электротехнического эбонита.
239
Схема конструкции кнопочного переключателя и его основные размеры приведены на фиг. 11-10. Электрические схемы переключателей, а также размер а, соответствующий высоте набора пружины для каждой из схем, даны в приложении 11-2.
Телефонные гнезда и штепсели собираются на том же корпусе и из тех же деталей, что и кнопочные переключатели: разница между ними заключается в том, что переключение пружин в гнезде осуществляется двух- или трехпроводным
Скрепляющие .
jz винты Набор пружин
>7 ---------
; Корпус Втулка
70,5
±1
43,5-
Фиг. 11-11
штепселем, а в кнопочном переключателе—буксой. Электрические параметры телефонных гнезд и штепселей полностью аналогичны таковым для кнопочных переключателей. Надежность электрических контактов в гнездах получается несколько
большая, чем в ключах, и особенно в кнопочных переключателях, за счет малого хода пружин.
Конструкция телефонного гнезда и габариты его приведены на фиг. 11-11, а электрические схемы гнезд и размер а—в приложении 11-3.
При использовании телефонных гнезд для коммутации цепей низкой частоты, соединение цепей, подключенных к гнездам, осуществляется с помощью шнуров, заканчивающихся телефонными штепселями двух- или трехпроводной конструкции. Конструкция и габаритные размеры штепселей показаны на фиг. 11-12.
Детали для коммутации высокочастотных цепей. Вследствие использования в высокочастотной технике дальней связи
-240
спектра до 150 кгц и тенденции к использованию еще более высокочастотных спектров, возникла необходимость разработки и создания ряда специальных полуфабрикатов, пригодных для схем коммутации многоканальных цепей высокой частоты.
Применение прежних коммутационных деталей, сохранивших свое значение для коммутации цепей низкой частоты,
оказалось невозможным по следующим причинам:
а) точечные контакты, обеспечиваемые применением клю-
чей и кнопок, ненадежны из-за малого напряжения в цепях
высокой частоты. Фактор, улучшающий надежность контактов—
обтекание их постоянным током в цепях низкой частоты,—в данном случае отсутствует;
б) загрязнение контактов этих деталей увеличивает сопротивление переходного контакта, а окислы и даже незначительная коррозия приводят к появлению нелинейных искажений в цепи (результат частичного детектирования);
в) использование в высокочастотных цепях
Фиг. 11-13
коммутационных деталей
типа ключей или кнопочных переключателей не может обеспечить требуемую во многих случаях величину переходного
затухания между параллельно коммутируемыми цепями.
Если при осуществлении схем высокочастотного диапазона нельзя обойтись без переключателей ключевого типа (в основном в измерительных схемах), то применяют так называемые
малоемкостные ключи, в которых все недостатки, присущие обычным ключам, сведены к возможному минимуму. Характерной особенностью этой конструкции является увеличенное
контактное давление, весьма ограниченное число вариантов коммутации и такое взаимное расположение пружин, при котором обеспечивается высокое переходное затухание (минимум емкости между пружинами). Схематичная конструкция такого ключа приведена на фиг. 11-13. В особо ответственных случаях прибегают к введению экранов между пружинами (см. гл. 14).
Все указанные недостатки, характерные для обычных ключей и кнопочных переключателей, устранены в специально разработанном комплекте деталей высокочастотной коммутации, который состоит из двух или четырех однопроводных гнезд и замыкающей их съемной одиночной или сдвоенной перемычки-дужки (фиг, 11-14).
16 зак. № 129
241
В тех случаях, когда коммутируемые гнезда располагаются на различных узлах аппаратуры, для их коммутации применяется пара вилок с контактными штепселями такой же кон
б) б) г)
Гнездо !!!i ill!
Заземляющий штифт
Экран для пары гнезд
б)
втулка из I фенопласта ’Экран латунный
Втулка из фенопласта
Фиг. 11-14
струкции, как и у дужек; вилки соединяются гибким двухжильным шнуром. В зависимости от требований к защищенности коммутируемой цепи, шнур может быть неэкранированной или экранированной конструкции. В последнем случае шнур снабжается дополнительным одиночным штепселем, соединен-
242
ним гибким проводом с экраном; штепсель экрана включается в гнездо, соединенное с корпусом аппаратуры.
Однопроводное гнездо (фиг. 11-14, а) представляет собой латунную трубку с паяльным концом для подключения цепи, запрессованную в планку из материала высокой изоляции.
Характерной конструктивной особенностью упомянутой перемычки являются ее контактные штепсели (фиг. 11-14, б), принадлежащие к типу так называемых „банановых" штепселей. Они выполняются из лепестков фосфористой бронзы, обеспечивающих очень плотный контакт с внутренней поверхностью гнезда при большой контактной поверхности.
С помощью дужек и гнезд осуществляется взаимное соединение узлов в высокочастотных трактах аппаратуры, а также йроизводится коммутация высокочастотных элементов схемы в пределах узла (переключение переменных выравнивателей, ослабителей и т. п.). Этот способ коммутации был в свое время рекомендован МККФ и применяется во всем мире, за исключением США, где в подобных случаях используются гнезда телефонного типа с мощными пружинами и контактами из сплава золота с никелем. Применение таких гнезд вряд ли является рациональным, поскольку конструкции получаются весьма громоздкими.
Контакт бананового штепселя с цилиндрическим гнездом будет надежным только при том условии, если контактирующие поверхности не будут покрыты слоем отделки (например никель), который может создать дополнительное переходное сопротивление. Очистка поверхностей от окислов происходит при вставлении штепселя.
Для коммутации высокочастотных экранированных цепей, требующих особой защищенности, применяется комплект деталей, состоящий из экранированных однопроводных гнезд и экранированной дужки, которые обеспечивают непрерывность экрана цепи в точках коммутации (фиг. 11-14, д и е).
Сдвоенные ду&ки выпускаются также и с двумя дополнительными гнездами, вмонтированными в рукоятку дужки, причем каждое из гнезд соединено с одной из пар короткозамкнутых штепселей (фиг. 11-14, в и г). Эти гнезда обеспечивают возможность параллельного подключения к коммутируемой цепи измерительного прибора с высокоомным входом (указателя уровня, лампового вольтметра) для измерения уровня передачи (по напряжению) в данной точке тракта.
Коммутация высокочастотных цепей, выполненных концентрическим (коаксиальным) кабелем, применяемым для монтажа цепей с токами частот порядка нескольких мегагерц, производится с помощью коаксиальных гнезд и штепселей, показанных на фиг. 11-14, ж. Соединение между собой коаксиальных штепселей осуществляется посредством концентрического кабеля гибкой или жесткой конструкции (фиг. 11-14, з).
16*
243
Необходимо отметить, что с развитием техники дальней связи число точек высокочастотного тракта, в которые вводятся контакты для каждой единицы аппаратуры (конечная станция, трансляция), все время уменьшается. Объясняется это увеличением объема аппаратуры, вводимой в составе высокочастотных трактов (большое число трансляций), а также стремлением к увеличению надежности работы узлов и деталей.
Все рассмотренные выше коммутационные детали требуют ручного обслуживания, связанного при сложной схеме коммутации с затратой значительного времени. Поэтому необходимо осуществить хотя бы частичную автоматизацию высокочастотных схем коммутации, что упростило бы обслуживание аппаратуры.
Решение таких вопросов, как автоматическая замена основного оборудования запасным, автоматическое образование высокочастотного транзита и замена линейных цепей, встречает ряд трудностей принципиального и конструктивного порядка, по которым в настоящее время имеются только частичные решения.
В тех случаях, когда по условиям эксплуатации приходится быстро осуществлять коммутацию сложных схем из высокочастотных цепей, применяют ступенчатые переключатели, контроллеры и электромагнитные реле. Применение этих деталей, оправдываемое только крайней необходимостью, должно сопровождаться соблюдением ряда предосторожностей, частично или полностью исключающих возможность возникновения указанных выше мешающих явлений.
Ступенчатые переключатели и контроллеры применяются главным образом в измерительной аппаратуре, где с их помощью достигается быстрая перестройка схемы прибора при компактности конструкции.
Электромагнитные реле являются весьма удобным прибором для быстрой коммутации цепей и рациональное их включение иногда (например в необслуживаемой станции типа ВУС) может обеспечить сравнительно выгодные условия работы.
Особенно сложным является вопрос об автоматической коммутации в цепях многоканальной связи по коаксиальным кабелям (например автоматическая смена усилителей). Реле должно быть исключительно быстродействующим; чтобы не влиять на работу каналов тонального телеграфа, контакты его должны обеспечивать высокую степень линейности. Одним из решений этого вопроса является создание реле, контакты которых помещаются в эвакуированном баллоне.
Технологическое выполнение переключателей, контроллеров и других коммутационных деталей, предназначенных для коммутации высокочастотных цепей, должно быть ориентировано на весьма высокое качество работы. Для их изготовления применяются наиболее высококачественные материалы: керамика»
244
и зеркальный гетинакс—для изоляции, благородные металлы и лучшие сорта бронзы—для контактов, пружин и щеток.
Ламповые панели. Ламповые панели являются коммутационной деталью, с помощью которой производится включение электронных ламп. Лампы, применяемые в аппаратуре дальней связи, как по назначению, так и по конструктивному оформлению цоколя требуют применения панелей различной конструкции.
Для изготовления корпусов панелей применяются следующие изоляционные материалы: фенопласт, зеркальный гетинакс и керамика, причем последняя используется для ламповых панелей, включаемых в схемы высокочастотного диапазона (частоты порядка мегагерц), где потери могут сказываться весьма существенно.
При конструировании ламповых панелей систем дальней связи следует помнить *о том, что количество ламп, входящих последовательно в один высокочастотный тракт, необычайно велико и что, следовательно, надежность контактов в панелях должна быть значительно выше, чем надежность в обычной радиоприемной аппаратуре.
Контактные системы (гнезда) чаще всего изготовляются из высококачественной бронзы БРА7 или другого материала, эквивалентного ей по электрическим и механическим свойствам.
Для уменьшения контактного сопротивления между штырьками цоколя лампы и гнездами панели последние покрываются слоем серебра гальваническим способом.
Панели для электронных ламп типов ТО-1, ТО-3, ТО-2 и ТО-4, а также для ламп 10Ж1Л и 12Ж1Л изготовляются из пресс-порошка марки К-21-22 и предназначены для работы в интервале температур от —40 до + 50° С и влажности воздуха до .70%. При температуре +25° С и относительной влажности воздуха 95% сопротивление изоляции контактных гнезд по отношению к корпусу должно составлять не менее 1000 мгом. Электрическая прочность изоляции между любой парой контактных гнезд должна выдерживать 500 в эфф. переменного тока частоты 50 гц.
Конструкция панелей для ламп типа ТО приведена на фиг. 11-15, а. Контактные выводы у панелей для этих ламп могут быть обращены как кверху, так и книзу. Панели крепятся с помощью винтов и боковых отверстий в приливах корпуса. Дополнительными устройствами к этим панелям являются гибкий экранированный сеточный вывод, держатель которого устанавливается под винт крепления панели, и контактные скобы для заземления съемных экранов ламп, которыми они снабжаются при работе в узлах трактов высокой частоты с низкими уровнями. Экраны для ламп типа ТО изготовляются из тонкой латуни, по своей конфигурации соответствуют форме баллона
245
лампы и состоят из двух продольных половинок, скрепляемых пружинящим кольцом.
Конструкция ламповых панелей для ламп 10Ж1Л и 12Ж1Л показана на фиг. 11-15, б. Тело панели выполнено также из пресспорошка марки К-21-22, а контакты из латуни.
Цоколь этих ламп снабжен проволочными контактными ножками из жесткой проволоки, вваренными в стекло баллона (локтальный цоколь). При вставлении лампы в гнезда панели ножки не должны испытывать боковых давлений, так как при этом может треснуть стекло баллона. Этой опасности можно избежать, применяя для отверстий гнезд не круглую, а овальную форму, что позволяет значительно расширить допуск на точность заварки контактных ножек в стекло баллона и облегчить регулировку гнезд.
Для лучшей фиксации лампы панель при установке снабжается дополнительным металлическим стаканом, который с помощью расположенных в нем продольных пружин фиксирует баллон лампы, увеличивая тем самым разъемное усилие. Кроме того, стакан улучшает экранировку лампы.
Ламповая панель крепится через круглое отверстие в плате с помощью шестигранной гайки, которая навертывается на тело панели.
Особо сложные задачи возникают в отношении включения ламп в аппаратуре коаксиальных кабелей, где число трансляций, входящих в состав высокочастотного тракта, можег быть порядка сотен, и от исправности каждой из них зависит работа многих сотен каналов. В данном случае иногда приходится применять особые меры повышения надежности контактов, например, припайку выводов лампы к монтажу схемы. В менее ответственных целях той же аппаратуры для высокочастотных ламп могут быть использованы и обычные ламповые панели, например локтальные (фиг. 11-15, в).
Кроме указанных двух типов ламповых панелей, в аппаратуре дальней связи используются также октальные керамические ламповые панели, применяемые в радиоприемных устройствах. Они применяются для включения вспомогательных приборов—барретеров, тиратронов, термисторов, стабиловольтов. Ламповые панели этого типа соотвектвуют стандартному октальному цоколю с направляющим ключом и рассчитаны на напряжение не свыше 700 в.
Панели (фиг. 11-15, г) снабжены пружинящими гофрированными гнездами и накладным фланцем для крепления панели к плоской плате. Конструкция корпуса панели допускает установку фланца как с лицевой, так и внутренней стороны платы в четырех положениях, отличающихся поворотом на 90° относительно выступа направляющего ключа.
Тело панели изготовляется из керамического материала класса IV, группы „а“ по ГОСТ 5458-50.
246
to >u
Фиг. 11-15
В нормальных условиях температуры и влажности изоляция панели должна выдерживать напряжение 1500 в переменного тока частотой 50 гц и при повышенной влажности—до 750 в.
Наряду с ламповыми панелями следует упомянуть также панели для сигнальных ламп накаливания. Они применяются в современной аппаратуре дальней связи для контроля ее работы в сигнальных устройствах. К приборам визуальной сигнализа-
а)
дин относятся сигнальные лампы коммутаторного типа К-24, К-48 и К-60, а также лампы типа СМ-14 на 24 в, мощностью 5 вт.
Включение указанных ламп в схемы сигнализации осуществляется с помощью так называемого ламподержателя (для коммутаторных ламп) и штыкового патрона' (для ламп СМ-14). Конструкция этих деталей приспособлена для крепления на монтажной стороне панели с плосковыпуклой молочной или цветной линзой, выступающей на лицевую сторону.
Корпус ламподержателя, показанный на фиг. 11-16, а, изготовляется из пластмассы марки К-18-2, а токопроводящие пружины—из бронзы БРА7, защищаемой от коррозии слоем никеля.
Конструкцией пружин и их регулировкой обеспечивается контактное давление на выводы лампы, равное 250 Г.
248
Подключение проводов к ламподержателю осуществляется пайкой на контактных перьях, которыми оканчиваются пружины.
Ламподержатели предназначены для работы в диапазоне температур от —40 до + 50° С и относительной влажности воздуха до 70%. При этом сопротивление изоляции между пружинами и любой пружиной и корпусом должно составлять не менее 500 мгом. При температуре +25° С и относительной влажности воздуха 95% сопротивление изоляции снижается до 50 мгом. Изоляция между указанными деталями выдерживает эффективное напряжение 500 в переменного тока частотой 50 гц.
Тело штыкового патрона для ламп СМ-14 (фиг. 11-16, б) изготовляется из пластмассы марки К-18-2, а запрессованная в него арматура—из латуни. Корпус патрона стальной, для предотвращения коррозии его покрывают цинком. Провода подключаются к патрону посредством зажатия их под винты, установленные на теле патрона.
11-4. Предохранители и разрядники
Предохранители типа ППС-1. Предохранители, применяемые в аппаратуре дальней связи, работают по принципу плавления проволочной вставки при токе, превышающем в 2,5—3 раза номинальное значение рабочего тока.
Наиболее широкое применение получили предохранители разрывного типа ППС-1 с дополнительными контактами, с помощью которых в момент перегорания плавкой вставки образуется сигнальная цепь, связанная со стоечными и общестанционными устройствами сигнализации. Эти предохранители применяются в цепях с напряжением от 24 до 250 в и при рабочих токах, не превышающих значений, указанных в приложении 11-4.
Разрывной предохранитель (фиг. 11-17, а) состоит из основания, укрепляемого на наружной поверхности плиты, к контактам которого подводятся питание и сигнальные цепи, и съемной части, на которой крепится (впаивается) плавкая вставка, изготовляемая, как правило, из константановой или медной проволоки.
При использовании этих предохранителей следует иметь в виду, что для обеспечения нормальной и безотказной работы необходимо включать контакты основания точно по схеме фиг. 11-17, б, а плавкую вставку рекомендуется рассчитывать по номограммам Б. Г. Поздеева, приведенным в приложении 11-4. Соблюдение схемы фиг. 11-17, б обеспечивает нормальную работу предохранителя не только в моменты короткого замыкания нагрузки, но исключает также возможность возникновения аварии при неправильном вставлении съемной части в основание, что может иметь место в результате неправиль
249
ных действий обслуживающего персонала. Применение любой другой схемы включения основания может привести (при коротком замыкании цепи) к образованию проводящего пути между токонесущими контактами на основании. Проводящий путь образуется за счет распыления металла вставки, вследствие чего может произойти прогорание пластмассы и порча основания. Весьма важным является также точное соблюдение данных плавких вставок, определяемых согласно приложению 11-4.
При работе предохранителей в цепях с напряжением 220 в ни в коем случае нельзя использовать для плавких вставок
б)
Основание
сторонымонтажа (повернуть слева направо)
Фиг. 11-17
медную проволоку с диаметром более чем 0,25 мм, так как при коротком замыкании цепи это может привести к интенсивному образованию дуги не только между контактами данного предохранителя, но и между данным предохранителем и соседними.
Аварии такого характера имели место при заводских испытаниях некоторых образцов аппаратуры, в результате чего была выбрана наиболее рациональная схема включения, а также были определены для различных напряжений и токов данные плавких вставок.
Следует указать, что хотя предохранители ППС-1 и имеют ряд преимуществ перед выпущенными ранее конструкциями, они все же далеки от совершенства й всякую работу по их улучшению следует всемерно приветствовать.
Предохранители установочные с резьбой типа Е. Эти предохранители принадлежат к широко распространенному типу пробочных предохранителей. Они применяются в аппаратуре в тех случаях, когда величина тока в цепи питания выходит за пределы, допустимые для предохранителей типа ППС-1.
250
К таким цепям относятся общие цепи подачи питания на аппаратуру до их разветвления на разрывные предохранители, через каждый из которых обычно осуществляется питание только одного или двух узлов.
Предохранители этого типа изготовляются из керамики и также состоят из основания и съемной части (фиг. 11-18).
Основания предохранителей по своей форме и способу под
ключения цепи подразде
ляются:
а) на прямоугольные, с подводом тока спереди или через болты сзади;
б) на квадратные, с подводом тока только сзади через болты.
Съемная часть предохранителя (пробка) является стандартной для обоих типов оснований, имеет цилиндрическую форму и укрепляется в основании с помощью металлических резьбовых втулок, которыми снабжены как основание, так и съемная часть.
Предохранители типа Е, выпускаемые нашей
промышленностью, изготовляются и имеют электрические параметры в соответствии с ГОСТ 1138-41; данные предохранителей, наиболее удобных для использования в устройствах аппаратуры дальней связи, приведены в приложении 11-5
Недостатком пробочных предохранителей является отсутствие у них устройств сигнализации перегорания. Недостаток этот может быть восполнен параллельным включением предохранителя типа ППС-1. Усовершенствованием пробочных предохранителей являются автоматические пробки, внутри которых помещаются выключатели-автоматы, срабатывающие при определенном токе. Такие приборы имеют известные перспективы и возможности в части осуществления сигнальных цепей.
Предохранители трубочного типа. Предохранители этого типа находят применение главным образом в измерительной аппаратуре, а также в устройствах линейной защиты.
Эти предохранители, подобно рассмотренным выше, состоят из двух частей: из керамического или пластмассового основания с контактными держателями и винтами для подключения к токопроводящей цепи и из съемной предохранительной трубки.
251
Простейший тип трубочного предохранителя (фиг. 11-19) представляет собой стеклянную трубку, снабженную с обоих концов металлическими колпачками или ножевыми контактами. Плавкая вставка, соединяющая контактные выводы предохранителя, размещается внутри стеклянной трубки.
Трубчатые предохранители
Основание
I® t=l © © (=[@[
Фиг. 11-19
Предохранители выпускаются с плавкими вставками на 0,5; 1,0; 2,0; 4,0 и 5,0 а.
В аналогичном конструктивном выполнении в настоящее
время выпускается особый
Урубчатый предохранитель
теплоемкого предохранителя (СН-0,15, СН-0,5, СК-0,15 и СК-0,5), используемый в устройствах линейной защиты. Характерной особенностью этих предохранителей является их способность длительно пропускать номинальное значение тока (0,15—0,5а) и расплавляться лишь по истечении определенного времени. Такое свойство предохранителей обеспечивается выбором соответствующего материала плавкой вставки и является весьма удобным при использовании их для защиты линейных и станционных сооружений связи; кратковременное повышенное значение тока в линии, воз-
пикающее в результате наво-
Фиг. 11-20 док и разрЯдов, не вызывает
перегорания предохранителя.
Остальные типы предохранителей, встречающиеся на практике, не представляют собой чего-либо существенно нового и в основном отличаются от предохранителей, показанных на фиг. 11-19, видоизмененной конструкцией основания при ис
252
пользовании самой предохранительной трубки. Одной из распространенных конструкций такого основания (фиг. 11-20), широко применяемого при установке предохранителей на измерительной аппаратуре, является пластмассовый патрон и ввинчивающаяся в него головка, в качестве же плавкой вставки используется обычная предохранительная трубка с коническими контактами.
Патрон такого предохранителя имеет большие размеры, определяемые размерами предохранительной трубки, уменьшение его может быть достигнуто применением малогабаритных предохранительных трубок.
Разрядники. Защита станционных устройств телефонной и телеграфной связи осуществляется с помощью так называемых разрядников из теплоемких предохранителей типов СН и СК на номинальные значения токов 0,15 и 0,5 а.
Разрядник представляет собой стеклянный баллон, наполненный инертным газом. В баллоне смонтированы два или три электрода, между которыми образуется искровой разряд при подаче высокого напряжения.
В практике дальней связи применяется несколько типов разрядников, отличающихся друг от друга как своими электрическими, так и конструктивными данными. Электрические схемы и данные разрядников, а также их внешний вид с указанием основных габаритных размеров приведены в приложении 11-6.
При выборе схем защиты для устройств дальней связи необходимо руководствоваться ГОСТ 5238-50, в котором приведены схемы для всех возможных вариантов ввода цепи и указаны наименования приборов защиты.
11-5. Электромагнитные реле1
Нормальные телефонные реле постоянного тока типа РПН (фиг. 11-21), применяемые в устройствах дальней связи, в большинстве случаев имеют нормальные временные характеристики (время срабатывания 20—25 мсек.). Эти реле могут работать длительное время без потери регулировки в диапазоне температур от +10 до +30° С. При расширении диапазона температур (от —5 до +50° С) регулировка реле нарушается быстрее. При проектировании схем следует иметь в виду, что максимально допустимый ток на один контакт у этих реле при индуктивной нагрузке не должен превышать 200—400 ма.
В реле типа РПН применена магнитная система с полным использованием магнитного потока, выполненная из мягкого электротехнического железа типа „армко". Для предохранения
1 Настоящий параграф написан на основании сведений, заимствованных из книги Б. К. Мартьянова „Конструирование телефонной аппаратуры*.
253
от коррозии корпус, якорь и сердечник реле покрываются слоем никеля, который в незначительной степени, но все же снижает магнитные свойства системы. Пружины реле изготовляются из материалов высокой упругости—нейзильбера, а также из алюминиевой и марганцовистой бронзы, применение которых легко обеспечивает контакт-
ное давление в 20—25 Г.
Контакты, которыми снабжаются пружины этих реле^ выполненные из серебра 900 и 999 пробы, обладают хорошей устойчивостью против коррозии и малым переходным сопротивлением. Для надежности работы каждая пружина снабжена
Фиг. 11-21
прорезью и двумя контактами, благодаря чему резко сокращается число нарушений цепей в результате потери регулировки.
Типовые контактные группы для реле типа РПН и их обозначения на схемах приведены в приложении 11-7.
Контактные группы набираются в пружинные пакеты, которые устанавливаются на корпусе реле. Скрепление контактных групп в общий пакет произ- Обозначением
водится с помощью гети-наксовых прокладок и скрепляющих винтов. При сборке пружинных пакетов необходимо контактные группы располагать так, чтобы их давление на якорь было равномерным. Контактные группы на реле типа РПН
могут располагаться на
пяти местах, причем максимально может быть установлено
четыре группы.
На фиг. 11-22 показано обозначение мест контактных групп и выводных штифтов обмоток (вид со стороны монтажа). Счет пружин в каждой группе ведется от корпуса, начиная от 1 до 5. Номер, которым обозначается любая из установленных на корпусе пружин, составляется из обозначения номера места, на котором установлена пружина, и ее порядкового номера. Расположение контактных групп на корпусе в зависимости от схемы реле (числа контактных групп) также показано на фиг. 11-22.
Реле этого типа, используемые в устройствах сигнализации аппаратуры дальней связи, обычно имеют небольшое число простых контактных групп (малую нагрузку), а поэтому пи
254
тание обмоток осуществляется от станционной батареи накала с напряжением 24 в. При установке таких реле в конструкцию* необходимо учитывать, что нормальным рабочим положением его является такое, при котором якорь и пружины находятся в вертикальной плоскости. Для удобства регулировки в условиях эксплуатации и предохранения контактов от загрязнения пылью, реле следует устанавливать так, чтобы пружинный пакет находился с правой стороны по отношению к корпусу, если смотреть на реле со стороны контактных групп.
Основные параметры реле типа РПН приведены в приложении 11-8.
Малогабаритное телеграфное реле типа РП-4 или РП-5 (фиг. 11-23) имеет одну группу на переключение. Неподвиж-
Фиг. 11-23
ные контакты установлены на упорах из керамики, а подвижной контакт—на якоре. Якорь реле представляет собой пару скользящих друг относительно друга пружин из алюминиевой бронзы. Контакты, установленные на якоре, имеют плоскосферическую форму; при нормальном токе через обмотку реле между контактом на якоре и неподвижным контактом на упоре обеспечивается давление порядка 4—6 Г.
Примененная в данном реле конструкция якоря способствует уплотнению контактов при срабатывании реле и предотвращает их дребезжание (отскакивание). Зазор между контактами у этих реле весьма мал и составляет примерно 0,08— 0,1 мм.
Ток срабатывания у описываемых реле, в зависимости от данных обмотки, лежит в пределах от 3 до 7 ма, а время срабатывания не превосходит 5 мсек.
Обмотки выполняются проводом марки ПЭЛ-1 тонких диаметров (0,05—0,08 мм).
Реле этих типов обладают весьма высокой чувствительностью, так как срабатывают при малых значениях тока, а
255
поэтому находят применение в некоторых ламповых схемах аппаратуры, выход которых должен быть оборудован электромагнитным механизмом.
Применение этих реле обеспечивает возможность создания выпрямительного устройства на выходе лампового узла с помощью схемы, собранной из весьма компактных меднозакисных или германиевых выпрямителей.
Глава двенадцатая
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНСТРУКЦИЯХ АППАРАТУРЫ
Первыми приборами дальней связи, серийно изготовлявшимися на советских заводах, были трансляции тональной частоты. Наличие электронных ламп и трансформаторов в этих приборах привело к подражанию уже принятым в то время конструкциям советской ламповой аппаратуры—элементы схемы размещались внутри деревянного или металлического ящика, на верхней или боковой стороне которого располагались панели электронных ламп и рукоятки управления. В дальнейшем, в связи с использованием ламповых усилителей при организации транзитных соединений, была сделана попытка устанавливать их непосредственно в корпусах телефонных коммутаторов. Элементы схемы усилителя были размещены на железном листе— плате, приспособленной для установки в коммутаторе над рамками с гнездами. На лицевую сторону коммутатора выходили ручки управления и электронные лампы.
От размещения усилителей в коммутаторах в дальнейшем отказались, но идея конструкции на платах, размещенных на вертикальных направляющих, привилась довольно прочно. Последовавшие затем тональные трансляции выпусков 1930 г. имели уже небольшие (по размеру коммутаторных рамок) ллаты, крепившиеся на вертикальных стальных рамах-каркасах. Так родилась широко распространенная в настоящее время конструкция стоек аппаратуры.
С появлением в производстве аппаратуры высокочастотного телефонирования размеры первых плат, применявшиеся для усилителей тональной частоты, оказались недостаточными. В ранних высокочастотных системах катушки фильтров не имели ферромагнитных сердечников, несовершенство экранирования заставляло разносить элементы схем далеко друг от друга; все это приводило к значительному увеличению габаритов аппаратуры. Например, в первой, освоенной производством, системе высокочастотного телефонирования с передачей несущего тока типа ОСА-406 (фиг. 12-1) ширина плат составляла 600 мм. При размещении элементов на платах, ввиду сложности схемы и в целях экономий места, часть узлов (например фильтры) 256
17 Зак. № 129
Фиг. 12-1
Фиг. 12-2
располагалась с обеих сторон стойки. Электронные лампы и некоторые элементы управления были помещены под чехлами.
В дальнейшем в трехканальных системах СМТ-34 и СМТ-35 снова вернулись к размещению на лицевой стороне плат только ламп, измерительных приборов и элементов управления. Исключение составляли фильтры, большие габариты которых (отсутствие ферромагнитных сердечников) заставляли располагать их на обеих сторонах стойки, В этой конструкции был впервые введен повсеместно принятый в настоящее время способ крепления плат к каркасу стоек, согласно которому на лицевой стороне вертикальных образующих каркаса высверливаются с интервалом в 30 мм резьбовые отверстия, а платы снабжаются боковыми вырезами, расстояние между которыми кратно 30 мм. Номинальная высота плат также берется кратной этому размеру с уменьшением общей высоты на 2 мм для обеспечения необходимого зазора между платами при установке их на каркасе. Примером подобной конструкции является аппаратура, показанная на фиг. 12-2 и 12-3.
Начиная с аппаратуры СМТ-35, ширина всех плат была принята равной стандартизированной величине 482 мм (ширина каркаса 523 мм), а высота стоек в соответствии с размерами помещений линейно-аппаратных зал была установлена в 2,5 м. Унификация размеров стоек упростила проектирование предприятий связи.
Дальнейшее развитие конструкций систем связано со стремлением уменьшить площадь, занимаемую аппаратурой в линейно-аппаратных залах, без особого увеличения веса аппаратуры. Это стремление было вызвано значительным ростом потребности в связях большой протяженности. Наряду с уменьшением габаритов деталей (например за счет применения сплавов высокой проницаемости для сердечников трансформаторов, введения ферромагнитных сердечников для катушек многих фильтров и т. д.) проводились и серьезные изменения общей конструкции аппаратуры.
Основной идеей, позволившей увеличить количество узлов 'аппаратуры в пределах одной стойки с размерами 523X2500 мм, является двустороннее покрытие стойки платами, примененное, например, в первой советской 12-канальной системе.
Подобная конструкция показана на фиг. 12-4 и 12-5.
Характерной особенностью является в этом случае применение вертикальных каркасов из стали корытообразного профиля (40X80X40).
Резьбовые отверстия для крепления плат высверливаются на обеих полках корытообразных каркасов. Платы крепятся на стойке как с лицевой, так и с задней стороны, причем с задней стороны стараются размещать такие платы, которые не имеют элементов управления, гнезд и, по возможности, электронных ламп. На обращенных друг к другу сторонах плат находятся 17^
259
только гайки крепления деталей, размещенных на противоположных их сторонах. На этих последних сосредоточиваются все элементы схемы и ее монтажа (фиг. 12-6). Элементы управления и гнезда располагаются на панельках, приподнятых
на консолях; над ними в кожухах, закрывающих платы, делаются вырезы. Монтаж схемы плат выводится на гребенки, соединяемые с межпанельными кабелями, расположенными внутри корытообразных стоек.
Конструкция фиг. 12-5 дала значительный выигрыш в габаритах. В некоторых частных случаях концентрация узлов на стойке может привести к чрезмерному увеличению ее веса,
261
который, как показывает опыт строительства линейно-аппаратных зал, не должен быть больше 250—300 кг. В качестве примера могут быть указаны стойки фазовых контуров, большой вес которых (пермаллоевые сердечники, слюдяные конден-
саторы, битумная заливка) обусловил необходимость разнесения данной аппаратуры на две стойки вместо одной.
Появление*малогабаритных деталей привело к значительному уменьшению габаритов отдельных узлов. В первую очередь такому уменьшению подверглись пассивные элементы схем:
262
фильтры, амплитудные и фазовые выравниватели. Использование ферромагнитных сердечников с высокой проницаемостью и малыми внешними полями, а также переход на конденсаторы с покрытой серебром слюдой (без громоздких стальных креплений) позволили сжать габариты фильтров и других пассивных четырехполюсников до размеров блока-коробки, занимающей небольшую часть площади платы. Коробки изготовлялись чаще всего паяными из латуни или красной меди и обеспечивали экранирование, а при необходимости и герметизацию.
Фиг. 12-6
Фильтры и выравниватели явились первыми образцами узлов блочной конструкции. Они применялись в конструкциях, подобных показанной на фиг. 12-5. В дальнейшем метод образования блоков, уже без экранировки и возможности герметизации, был распространен на другие элементы схем дальней связи.
Аппаратура всех основных видов дальней связи постепенно стала переходить, в той или иной мере, на блочную конструкцию.
Главная идея блочной конструкции заключается в том, что схема основных цепей установки дальней связи разбивается на ряд самостоятельных узлов, составленных из тяготеющих схемно друг к другу деталей. Эти узлы размещаются в коробках-бло-* ках с одинаковой высотой и глубиной и с нормированной, но разной для разных блоков шириной (фиг. 12-7).
В зависимости от сложности узла и количества составляющих его блоков, размещение их производится в так называемой ванне: одиночной, сдвоенной или строенной (фиг. 12-8). Ванна представляет собой конструкцию, приспособленную для уста-
263
новки на каркасе. Соединение схем отдельных блоков в общую схему устройства осуществляется через контактные перья,, установленные на крышках блоков. Для получения высокой изоляции между перьями, где в процессе эксплуатации может осаждаться пыль и влага, крышки блоков изготовляются из. высококачественного гетинакса и подвергаются после механической обработки поверхностной бакелизации. Крепление кры-
шек производится винтами к угольникам, приваренным к коробкам блоков.
В тех случаях, когда при размещении блоков в ванне остаются пустые места, они занимаются пластинками гетинакса, поставленными наискось и образующими наклонную плоскость между одним из верхних краев ванны и ее противоположным нижним краем. При установке ванны на стойке пластинка должна закрывать ту из свободных боковых плоскостей ванны, на которой может скопляться пыль.
Развитие блочной конструкции может быть характеризовано двумя этапами.
Фиг. 12-7 На первом этапе, когда
детали были сравнительно крупными, схема разбивалась на довольно мелкие участки; так,
например, одноламповый усилитель составлялся как минимум из трех блоков: входного трансформатора, лампы с развязывающими цепями и выходного трансформатора. Такая разбивка была весьма удобна в эксплуатации (см. ниже), но зато представляла серьезные неудобства для проверки аппаратуры
в процессе производства.
Второй этап развития блочной системы характеризуется уменьшением габаритов деталей и в связи с этим укрупнением участков схемы, образующих отдельные блоки. Упомянутый, выше одноламповый усилитель может быть размещен в одном блоке. Такое стремление во многих случаях связано с увеличением ширины блоков, но в то же время оно обеспечивает уменьшение габаритов всего устройства (по сравнению с при
264
менением мелких блоков), а также сокращение количества крепежных деталей и номенклатуры запасных блоков в эксплуатации. Укрупнение блоков позволяет удобно проверять электрические свойства схемы в процессе производства. Не следует, однако, увлекаться чрезмерным укрупнением блоков (например,, размещением в одном блоке многолампового усилителя), так как при этом могут возникнуть трудности в части эксплуатационной проверки и ремонта, обусловленные чрезмерной сложностью внутренней конструкции блока.
Характерной особенностью блочной конструкции является объемное размещение элементов схемы внутри блоков, кото-
Фиг. 12-8
рое и обеспечивает значительное сокращение габаритов узлов сравнительно с другими типами конструкций.
Элементы схем с повышенной температурой нагрева или вообще не приспособленные к размещению в блоке (например большинство коммутационных деталей, сопротивления, в которых рассеивается большая мощность, телефонные реле и т. п.) устанавливаются при данной конструкции рядом с блоками.
Монтаж ванн с блоками может осуществляться как жесткими перемычками, так и кабелем из мягких монтажных проводов, который укрепляется сбоку ванн на угольниках. Для электрического соединения ванн и блоков на их каркасах устанавливаются вводные гребенки, к которым подключаются цепи межпанельного кабеля.
Ванны с управляемыми деталями и электронными лампами, для удобства замены этих последних, обычно располагаются на лицевой стороне каркаса и закрываются съемными чехлами. Чехлы предохраняют монтаж и контактные перья на крышках блоков от повреждений и пыли.
265
Замена плат ваннами с блоками потребовала увеличения ширины плат на стойках. Опыт первых блочных конструкций показал, что более широкие стойки представляют большие возможности и удобства в части размещения нескольких узлов в одной ванне. В результате вместо плат шириной порядка 480 мм стали применять платы шириной 640 мм.
Более значительное сокращение габаритов аппаратуры при блочной конструкции узлов может быть достигнуто при шкафном ее оформлении и расположении ванн с блоками на выдвигающихся полках. В этом случае блочные ванны могут быть установленье на полках на всю глубину шкафа, что более выгодно по сравнению с расположением их на обычном каркасе. Малая высота блоков обеспечивает возможность размещения значительного количества полок с ваннами в корпусе шкафа. Соединение ванн, расположенных на выдвигающихся полках, с кабелями межпанельных соединений осуществляют через врубающиеся гребенки (разъемы). Вследствие значительного веса выдвигающихся полок каркасы их должны быть солидной конструкции. Для фиксации врубающейся части контактного разъема каркас полки надо снабжать направляющими штифтами. Широкого распространения этот вид конструкции пока не нашел, так как при существующих деталях стойки-шкафы получаются чрезмерно тяжелыми.
При оценке принятой в настоящее время блочной системы конструкции ее надлежит рассматривать с двух точек зрения: удобства обслуживания при эксплуатации и сложности производства и стоимости.
В отношении удобства обслуживания при эксплуатации необходимо отметить следующее:
1) конструкция узла, составленного из блоков, допускает сравнительно легкую и быструю замену любого поврежденного блока запасным, но обязательно требует наличия в эксплуатации значительного запаса различных блоков и хорошо поставленного хозяйства запасных частей;
2) все точки схемы узла, необходимые для измерения и проверки, легко могут быть выведены через контактные перья на крышку блока при мелких блоках. При укрупненных блоках эту идею полностью осуществить невозможно;
3) все контактные перья коробок находятся в одной плоскости, что весьма удобно для осмотра, подключения измерительных приборов и монтажа;
4) монтаж ванн с блоками находится в одной плоскости, является наиболее коротким и удобным как в части выполнения, так и профилактического ремонта и наблюдения;
5) детали и полуфабрикаты узлов хорошо защищены от повреждений и пыли;
6) коробки блоков даже при гетинаксовых крышках обеспечивают некоторую степень экранирования узлов. В случае
.266
необходимости полного экранирования блоки могут быть выполнены с металлическими крышками и пропаянными швами коробок.
В производственном отношении система удобна благодаря следующим обстоятельствам:
1) содержит большое количество однотипных деталей, например: ванны, коробки, крышки, контактные перья, крепежные детали и т. д.;
2) применение малогабаритных деталей при размещении их в коробках и ваннах обеспечивает более рациональное использование объема, что позволяет значительно сократить габариты аппаратуры;
3) при условии оборудования плат врубающимися гребенками (разъемами) система удобна также для осуществления аппаратуры упоминавшейся выше шкафной конструкции;
4) производство аппаратуры данной конструкции не требует специального оборудования повышенного класса точности, а также применения ручного труда высокой квалификации.
Блочная система обладает также и рядом существенных недостатков, основными из которых являются:
1) производство аппаратуры такой конструкции требует значительного количества вспомогательных крепежных и переходных деталей (мелкие угольники и планки, мелкие гребенки и т. п.);
2) блочная конструкция, являясь закрытой, требует повышенного качества сборки, монтажа и проверки отдельных элементов аппаратуры, так как внутренние дефекты часто оказываются незамеченными при общих испытаниях и проявляют себя только в процессе эксплуатации;
3) применение мощных ламп в такой конструкции крайне затруднено;
4) не все детали по своим габаритам подходят для размещения в блоках, пригодных для основной массы деталей;
5) теснота размещения в стандартизированных блоках препятствует осуществлению схем, работающих при частотах свыше 150—250 кгц.
Подводя итоги рассмотрения блочной конструкции, можно указать, что применение ее целесообразно только в том случае, •если:
а) производство хорошо оснащено инструментом, т. е. если детали блоков будут дешевыми при соблюдении необходимых допусков;
б) может быть осуществлен надежный технический контроль;
в) эксплуатация снабжена достаточным количеством запасных блоков при большой их номенклатуре.
Блочная система довольно широко использована в новейшей советской аппаратуре высокочастотного телефонирования по воздушным и кабельным линиям связи. Применение блочной
267
конструкции узлов позволило создать эту аппаратуру с уплотненным размещением оборудования.
Перечисленные выше новейшие советские установки построены не только по блочной системе; вместе с ваннами на плоскости стойки располагаются и платы типа фиг. 12-6. Кроме того, существуют платы/ на которых, кроме отдельных деталей, располагаются блоки и даже ванны с блоками.
Необходимость применения такой комбинированной конструкции объясняется тем, что, как уже упоминалось, использование блоков затруднено: 1) при работе со сравнительно S высокими частотами, 2) при наличии мощных ламп, рассеивающих большое количество тепла, и 3) при наличии деталей, не размещающихся в блоках (конденсаторы авторегулировки, некоторые реле, эмалированные сопротивления на большую мощность).
Конструктивной особенностью тех ванн и плат нашей аппаратуры, в состав которых входят электронные лампы, является наличие так называемых измерительных блоков или планок с гнездами (фиг. 12-9). Как те, так и другие обеспечивают возможность проведения измерений рабочих то-Фиг. 12-9 ков электронных ламп без на-
рушения работы платы. Кроме того, на всех ваннах и платах, где требуется производить измерения входящего и исходящего уровня передачи, устанавливаются однопроводные гнезда, коммутируемые дужками.
На фиг. 12-10 показан разрез стойки современной советской конструкции. Ванны и платы размещаются, как и при конструкции согласно фиг. 12-3, с обеих сторон корытообразных вертикалей стойки. В отличие от фиг. 12-4, в этом случае раствор корыт обращен наружу, что позволяет закреплять кабели дополнительного монтажа при постепенном наращивании объема аппаратуры на стойке. Для обеспечения этой операции между соседними стойками предусматривается интервал, перекрываемый кожухами плат. Возможность установки дополнительных плат является весьма существенной в тех случаях, когда одна и та же стойка (например стойки дифференциальных систем и тонального вызова) комплектуются постепенно, по мере роста числа систем в данном линейно-аппаратном зале.
268
В качестве примера стойки современной комбинированной конструкции можно привести стойку промежуточной трансляции системы В-12 (фиг. 12-11,а), а в качестве примера блочной конструкции—стойку тонального вызова (фиг. 12-11,6).
В верхней части стоек с лицевой стороны располагаются платы с предохранителями и, если требуется, с разрядниками. С задней стороны устанавливают, в случае необходимости, платы со стоечными гребенками и над ними, на уровне уголка, скрепляющего вертикали стоек, крепят на кронштейнах (через изоляционные прокладки) три медные шины для подачи токов
Фиг. 12-10
питания. Шины отдельных стоек соединяются между собой накладками на болтах. Кабельросты, на которых укладывается межстоечный монтаж, уже не являются частью аппаратуры— •они входят в оборудование линейно-аппаратного зала.
Выдвижные столики с ящиками для съемных частей (фиг. 12-11) обеспечивают известные удобства при эксплуатации аппаратуры. Над столиками размещены платы, содержащие гнездовые поля и переговорно-вызывные устройства. Последние приходится выполнять в виде нестандартных блоков. Пример конструкции подобного блока показан на фиг. 12-12.
В отличие от стройной системы блоков, применяемой в советских конструкциях, в некоторых видах зарубежной аппаратуры, в основном американской, применяются нестандарти-зованные блоки, которые крепятся на толстых стальных платах, причем выводные перья пропускаются сквозь отверстия в платах. Таким образом, в этом случае монтаж осуществляется •с одной стороны платы. Данная система обеспечивает несколько •большие возможности в части размещения деталей в блоках,
269
Фиг. 12-11
но во многих случаях препятствует двустороннему покрытию каркаса платами. Кроме того, очевидным ее недостатком является нестандартность блоков.
В настоящее время каждая стойка, выпускаемая с завода,, представляет собой отдельную конструктивную единицу и транспортируется как единое целое—снимаются и упаковываются наиболее тяжелые платы и платы, содержащие хрупкие детали (например кварцевые фильтры). Однако возможен и другой вариант, когда аппаратура поставляется отдельными платами,
Фиг. 12-12
а сборка стоек и их монтаж ведутся на месте установки. Такое решение вопроса представляет большие возможности для заказчика, удобно в производстве и, особенно, в транспортировке.
Иногда стойки с конструкцией, подобной изображенной на фиг. 12-11, заключают в шкафы из листового металла со съемными дверцами. В таких случаях можно, когда это позволяют условия экранировки, обходиться без отдельных чехлов на платах и ваннах.
Шкаф особенно удобен тогда, когда аппаратура устанавливается в помещениях, не удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к линейно-аппаратным залам; он защищает аппаратуру и все ее узлы от случайных механических повреждений,, от пыли и непосредственного попадания влаги. Некоторые конструкторы считают также, что размещение стоек в шкафах улучшает внешний вид аппаратуры.
Шкаф следует конструировать так, чтобы в него можно-было поместить целиком смонтированную стойку и обеспечить
271
доступ к монтажу в процессе ее эксплуатации. В верхней части шкафа должны быть вентиляционные жалюзи для отвода нагретого воздуха. Необходимо отметить, что теплоотвод в шкафных конструкциях получается весьма неплохим, так как пространство между стойкой и стенками шкафа действует наподобие вытяжной трубы. Если нагрев аппаратуры незначителен, шкаф можно делать закрытым наглухо (меньше проникновение пыли и влаги).
В дальнейшем развитии конструкций аппаратуры линейноаппаратных зал наметились две основные линии: развитие аппаратуры спектра до 200—250 кгц и аппаратуры, использующей более высокие частоты, порядка мегагерц.
Первая линия развития заключается в дальнейшем уменьшении габаритов полуфабрикатов и усовершенствовании блочной системы. Уменьшение габаритов полуфабрикатов производится за счет применения материалов с необычайно высокими магнитными проницаемостями (например суперпермаллой), применения новых диэлектриков и разработки электротехнологии намоток с проводниками диаметром порядка сотых миллиметра, а также за счет применения малогабаритных ламп и крепежных деталей. Наличие малогабаритных деталей позволяет осуществлять компактные блоки с большим схемным содержанием. Будет ли и в этом случае целесообразной стандартизация блоков, пока сказать трудно. Следует особо подчеркнуть, что опыт существующих систем блочной конструкции показывает, что дальнейший прогресс этих конструкций в сторону уменьшения габаритов невозможен без создания особо надежных в работе и долговечных деталей и полуфабрикатов.
Компактность блоков и сложность их схемного содержания исключает возможность ремонта блоков и проверки внутренней их схемы силами эксплуатационного персонала. Однако при наличии особо надежных деталей вероятность повреждения внутри блока невелика. Поврежденный блок должен быть заменен запасным. При этом возникает необходимость нарушения значительного количества монтажных паек; это обусловило сильную тенденцию к применению разъемных коммутационных устройств для соединения схемы блоков с остальной схемой установки. Высокие частоты, наличие многоканальной передачи, а также увеличение при введении разъемов числа непаяных контактов заставляет предъявлять чрезвычайно высокие требования к качеству и надежности контактных соединений.
Большие возможности в части конструирования блоков открываются благодаря применению металлического литья под давлением и пластмасс холодного литья.
Литье под давлением (выгодное только при крупносерийном производстве) позволяет заменять ванны упрощенными литыми рамами и избегать большого количества переходных деталей. Кроме того, это литье сокращает операции по отделке.
272
Пластмассы холодного литья представляют собой смолы, полимеризующиеся при комнатной температуре (или при несколько повышенной температуре) после добавления к ним веществ-отвердителей. Из них наиболее распространены пластмассы типа эпоксидных смол. Из этих пластмасс можно, отливать детали в жестяные формы, выложенные целлофаном. Отсутствие необходимости в дорогих прессформах и высоких давлениях делает эти отливки чрезвычайно дешевыми. Из эпоксидных смол можно изготовлять переходные детали и даже сами блоки, заключая узлы схем в параллелепипеды из пластмассы (обычно прозрачные). Пластмассы холодного литья обладают неплохими электроизоляционными качествами, а также необычно высокой адгезией к металлам, что открывает значительные перспективы в отношении герметизации узлов и деталей.
Чрезвычайно большая компактность аппаратуры, вследствие уменьшения габаритов деталей и блоков, приводит к тенденции строить стойки, обслуживаемые не с одной, а с двух сторон. В связи с этим перед проектировщиками линейно-аппаратных зал встает задача расширения интервалов между рядами. Такая мера будет своевременной, так как все шире распространяется практика измерений посредством комплекта измерительных приборов, смонтированных на так называемых измерительных тележках.
В результате прогрессирующего насыщения объемов аппаратуры деталями перед конструкторами возникают еще и другие проблемы. В частности, можно указать на проблему веса аппаратуры и связанный с ней вопрос о прочности перекрытий линейно-аппаратных зал. Не менее важной является проблема теплоотвода. Уже сейчас существуют системы дальней связи, в которых из-за чрезвычайно скученности деталей приходится устанавливать внизу стоек вентиляторы, непрерывно действующие при эксплуатации аппаратуры.
Второе из упомянутых выше направлений развития аппаратуры заключается в отказе от отдельных блоков в пределах одной платы, содержащей сложный узел, и в выполнении всей платы в виде большого блока с просторным размещением деталей. Пример подобной конструкции показан на фиг. 12-13. Плата выполняется в виде неглубокой коробки с экранными перегородками внутри (наподобие шасси радиоприемников), с размещением ламп и некоторых деталей на лицевой стороне. Весь монтаж находится внутри коробки, которая закрывается с задней стороны экранной крышкой. Такие платы надеваются на стойки только с лицевой ее стороны. Поверх плат, с лицевой их стороны, надеваются кожухи. В дальнейшем, с уменьшением габаритов деталей и развитием методов экранирования, следует ожидать, что и эта система конструкции станет по существу блочной системой.
18 Зак. № 129
273
Совершенно особо стоит вопрос о трансляционной аппаратуре для необслуживаемых усилительных пунктов систем связи по коаксиальным кабелям. Аппаратура этих пунктов (усилители, иногда авторегулировка уровней, а также выпрямитель-
ные питающие устройства, телесигнализация и телеуправление} размещается в надземных будках либо в подземных бетонных или металлических колодцах. В последнем случае аппаратура подвергается очень сильному воздействию влажности. Поэтому при конструировании такой аппаратуры особое внимание следует уделять вопросам влагозащиты.
Конструкция современной подземной установки характеризуется следующими основными чертами. Аппаратура состоит из-
274
ряда крупных (в отношении схемного содержания) блоков, размещенных в абсолютно герметизированных и полностью экранированных коробках-блоках. Ввиду сравнительно малого количества блоков, образующих трансляцию, стандартизация размеров блоков не представляется необходимой. При повреждении какого-либо из блоков в процессе эксплуатации1 он удаляется из схемы и заменяется запасным, привозимым ремонтным персоналом. Для быстрой смены блоков они снабжаются врубными разъемными контактами высокого качества и надежности. Разъемные контакты крепятся на раме-каркасе. Рама укрепляется внутри литого или сварного шкафа. Дверцы шкафа снабжаются резиновым уплотнением, а вводы проводов—сальниками. Дверцы затягиваются болтами. Эти меры замедляют проникновение влаги внутрь шкафа.
При размещении аппаратуры в будках стенки последних желательно снабжать теплоизоляцией (воздушные зазоры, стеклянное волокно и т. п.), которая совместно с нагревающим действием ламп трансляции обеспечивает сглаживание влияния резких изменений внешней температуры. Так, например, опыты, произведенные с одной из таких будок, дали результаты, приведенные в табл. 12-1.
Таблица 12-1
Изменения внешней температуры Изменения внутренней температуры
от до от до
Первая неделя опытов . + 27° + 46° + 38° + 41°
Вторая неделя опытов (другой сезон) .... — 5° + 21° + 13° + 18°
Весьма интересные перспективы в части уменьшения размеров трансляционных пунктов коаксиальных систем создает применение кристаллических триодов и тетродов. Их малая величина в сочетании с техникой новых малогабаритных деталей (использование которых облегчается малой величиной электрических мощностей в цепях кристаллических приборов) позволит свести трансляцию к размерам небольшого цилиндрика, помещаемого внутри оболочки кабеля. Описания первых опытных моделей подобных трансляций уже появились в технической литературе.
1 Речь идет о смене основного элемента аппаратуры, замененного на время смены автоматически включенным тождественным ему резервным элементом.
18* '
275
Глава тринадцатая
КОНСТРУИРОВАНИЕ АППАРАТУРЫ
13-1. Порядок конструирования
Конструктивная разработка сложного комплекса аппаратуры, каким является современная аппаратура дальней связи, представляет весьма большую задачу, решение которой возможно только в результате предварительного технически грамотного схемно-монтажного проектирования с одновременным решением вопроса об общей конструкции.
Вопросы, которые решаются при схемно-конструктивном проектировании аппаратуры, затрагивают как чисто принципиальную сторону ее работы, так и методы технического ее выполнения, а также степень удобства обслуживания в эксплуатации и целесообразность применения для нее той или иной конструкции. Всякая разработка ведется на основе технических требований, согласованных между соответствующим конструкторским бюро, заводом или научногисследовательским институтом (поставщиком) и эксплуатирующей организацией (заказчиком).
В технических требованиях на аппаратуру должны быть указаны не только ее электрические параметры и характеристики, но и конкретные требования к ее конструкции.
Необходимым условием для начала монтажно-конструктивной разработки аппаратуры является завершение разработки принципиальных ее схем. При проведении монтажно-конструктивной разработки аппаратуры прежде всего уточняется состав оборудования по скелетной схеме проектируемой станции и принципиальным схемам ее узлов с одновременным предварительным решением вопросов эксплуатационного и конструктивного характера.
Уточнение состава оборудования станции позволяет перейти к его распределению по’ отдельным платам и стойкам и к составлению для них уточненных принципиальных схем. При составлении принципиальных схем стоек окончательно решаются все вопросы как взаимной связи отдельных элементов каждой стойки, так и вопросы питания, заземления, экранирования, коммутации, сигнализации при повреждениях и устройствах служебной связи.
Принципиальная схема стойки, дополненная схемами узлов в их первоначальном начертании и сведениями о предполагаемых габаритах деталей, является исходным документом для конструктивной разработки как стойки, так и входящих в нее узлов. Конструкция любого узла, входящего в состав оборудования стойки, неразрывно связана с ее общей конструкцией и, кроме того, конечно, зависит от применяемых в нем
276
полуфабрикатов, рабочего спектра частот и расположения узла на стойке вместе с другими узлами.
Одним из первых вопросов, который приходится решать при конструировании стойки и входящих в нее узлов, является вопрос о наиболее рациональном размещении оборудования за ней. При решении этого вопроса для стоек высокочастотного диапазона исходят главным образом из необходимости получения высоких переходных затуханий между цепями высокого и низкого уровней с одинаковыми частотными спектрами, а также наиболее удобного расположения узлов, требующих в процессе эксплуатации регулировок и наблюдения.
Для определения наиболее рационального размещения оборудования составляется несколько вариантов размещения в упрощенном эскизном виде, обычно в масштабе 1 :10. Размеры отдельных узлов на таких эскизах устанавливаются по возможности точно, а там, где это затруднительно,—ориентировочно, но с учетом габаритов состава оборудования узлов по их принципиальным схемам.
Исходя из требуемого взаимного соединения узлов, в соответствии с принципиальной схемой стойки, определяют необходимое расположение входов и выходов отдельных устройств четырехполюсников, образующих частотные тракты, а также точек подключения источников тока. При этом следует всячески стремиться разносить цепи с одинаковыми частотами и разными уровнями передачи на противоположные вертикали стойки (близость монтажа на соседних стойках одного ряда можно не учитывать, так как расстояние между соответствующими кабелями составляет около 150 мм).
Для ориентировочной оценки переходных затуханий в монтаже можно привести следующие данные: при частоте порядка 150 кгц переходное затухание между двумя парными экранированными проводами марки РВЧ-160 при расстоянии между ними 25—30 мм составляет 13—16 неп, в зависимости от взаимного расположения участков скрутки пар. При дальнейшем разнесении проводов прирост затухания будет чрезвычайно медленным. В отличие от частотных цепей, кабели которых согласно отмеченному выше прокладываются по обеим вертикалям стойки, кабели цепей питания и других вспомогательных цепей обычно прокладываются по правой (глядя с лицевой стороны) вертикали каркаса. Наличие двух кабелей питания на противоположных вертикалях может иметь место только в том случае, когда передняя и задняя стороны ком-йлектуются одинаковыми платами.
Для наглядности рассматриваемого вопроса и оценки правильности принятого варианта, основные частотные цепи, а также направления кабелей питающих и коммутационных цепей наносятся на том же эскизе, что и упомянутое выше
277
расположение входов и выходов. Этот эскиз называется кабельным планом стойки.
Детальная проработка нескольких вариантов размещения оборудования и получение кабельных планов с различным взаимным расположением частотных цепей позволяют выбрать
Л8У
Стол
Фильтр oU Доп.к Д~88 X Пл Г-50
Кфильтру К-33
Пл. Пр. к к
ПЛ CU8H
Пл. рег пл
Пл. коммут.
Пл. предел ран.
Пл. Happen?.
вт 77
Пл. л ин. ус.
X Выр.(В)
Фильтр К-22
К-38 -1-1
Д-88-Л-1
ФДК-2,6
выр НФ (мД
Заглушка
вл. Фильтр Д-88-1-1
вь/л Д- 88 -Ш-1
На Плод фильтра
Д-88 стойки 84 направлен.
свых.лин. Ус. ст. 84 направлен-
Зых' Фильтр
К-88-Л-1
-5
Заглушка
Лицевая сторона
У///////7//77///7
Задняя сторона
-^П
Фиг. 13-1
наилучший вариант, удовлетворяющий поставленным требованиям.
На фиг. 13-1 приведен окончательный вариант кабельного плана стойки нижнечастотного направления промежуточной высокочастотной трансляции типа ПВ-12, общий вид которой показан на фиг/ 12-11, а. Выбранное для этой стойки разме
278
щение оборудования явилось наиболее рациональным как с точки зрения удобства обслуживания узлов, так и с точки зрения взаимного расположения цепей с различными уровнями передачи.
Кабельный план определяет места подключения различных цепей к платам, а следовательно, и места гребенок на этих платах. Соответствующие гребенки также наносятся на кабельный план (фиг. 13-1). В стойках группового оборудования многоканальных трактов (за исключением трехканальной системы) высокочастотные цепи поступают помимо гребенок стоек и плат непосредственно на контактные перья соответствующих плат, блоков или отдельных полуфабрикатов. Это позволяет сохранить непрерывность экранировки цепей (см. гл. 14) и повысить их взаимную защищенность.
При размещении оборудования на стойках придерживаются одного из двух возможных вариантов. Согласно первому варианту аппаратура каждой системы (12- или 3-канальной) представляет собой законченный комплект стоек. Для второго варианта характерно, во-первых, объединение разнотипных узлов разных систем (например объединение на одной стойке нескольких десятков дифференциальных устройств, соответствующих каналам, входящим в самые различные системы) и, во-вторых, наличие устройств, обслуживающих несколько систем одновременно. Каждое из этих устройств представляет собой законченную единицу аппаратуры. Примером может служить стойка индивидуальных несущих частот (СИНК), обслуживающая до десяти 12-канальных систем. Стойки, содержащие объединяемые однотипные устройства, комплектуются по мере роста числа систем на станции.
Первый вариант размещения аппаратуры характерен для небольших линейно-аппаратных зал и применяется для систем с числом каналов не более трех. Второй вариант характерен для крупных зал и применяется при большом числе каналов в системе.
Выбор типа конструкции отдельных плат производится в зависимости от электрических данных их схемы и ассортимента примененных деталей. При этом необходим тесный контакт конструктора с лицом, разрабатывавшим принципиальную схему аппаратуры; даже опытный конструктор не всегда может учесть все особенности схемы в части взаимного расположения деталей, экранирования и т. п.
13-2. Конструктивное оформление ламповых схем
Блочная конструкция. При конструировании ламповых устройств по блочной системе необходимо учитывать, что эта система может быть применена только для конструктивного оформления схем с лампами, для которых мощность рассеива
279
ния невелика. Из существующих ламп проводной связи допустимы лампы типа 10Ж1Л, 12Ж1Л, а также лампы ТО, кроме ламп ТО-2 и ТО-4. Попытка изготовления стандартных блоков с лампами ТО-2 и ТО-4, а также с лампами большей мощности привела к чрезмерному повышению температуры блока, порче его деталей и трещинам в цоколе лампы.
При разбивке сложного лампового узла на отдельные блоки надлежит руководствоваться следующими соображениями:
а) схемное содержание > gj каждого блока должно быть
по возможности закончен-
Фиг. 13-2
ным и обеспечивать независимость его электрической проверки, что особенно важно в процессе производства (это требование удается полностью осуществить только для несложных схем);
б) при распределении сложной схемы по отдельным блокам следует стремиться к возможно меньшему количеству цепей,, соединяющих блоки;
в) желательно избегать размещения в одном блоке полуфабрикатов, сильно влияющих электрически друг на друга.
Несоблюдение последнего указания приводит к увеличению объема работы по экранированию или, в лучшем случае, к увеличению блока. Примером та
кого увеличения может служить размещение рядом двух трансформаторов с резко различными уровнями мощности— трансформаторы придется ориентировать так, чтобы направления магнитных полей были перпендикулярны, а иногда и
разносить по возможности дальше друг от друга.
При размещении в блоках ламповых панелей необходимо обеспечить достаточный воздушный зазор (порядка 40 мм) между крышками блоков и чехлами на ванне. Это означает (при принятой у нас высоте чехла в 160 мм над основанием платы), что непосредственно на крышках блоков можно крепить лишь панели малогабаритных ламп и термисторов (см. фиг. 12-8). Лампы типа 10Ж1Л (и подобные им), а также термисторы приходится иногда вставлять в несколько утопленные панели
280
(фиг. 13-2, а и б). 'Наконец, панели ламп типа ТО-1 приходится делать сильно утопленными (так называемый „ступенчатый блок", показанный на фиг. 13-2, в).
Размещение деталей внутри блока, а также выбор вспомогательных деталей для их крепления должны обеспечивать легкий доступ к контактным перьям полуфабрикатов и к винтам крепления. Это обстоятельство является весьма существенным для сборки и монтажа.
Особое внимание при размещении деталей в блоке следует уделять мелким полуфабрикатам в виде цилиндров с проволочными выводами (сопротивления, конденсаторы, выпрямители). Крепление этих деталей непосредственно на монтаже нежелательно по соображениям прочности, да и внутри блоков удоб* нее всего применять мягкий монтаж. Поэтому их надо крепить припайкой между двумя рядами контактных перьев, укрепляемых на отдельных гетинаксовых планках.
Размеры типовых блоков советской конструкции даны r приложении 13-1. Там же приводятся конструкции соответствующих крышек с типовыми контактами и нумерацией.
Набор контактных перьев рекомендуется набирать согласно требованиям схемы конкретного узла. На крышке блока в отдельных случаях приходится устанавливать цилиндрические гнезда (для дужек с банановыми штепселями) и иногда—мелкие сопротивления, подбираемые „по месту", а также подстроечные конденсаторы; изредка через отверстия в крышке выводятся оси регулируемых сопротивлений, подстроечных конденсаторов и подстраивающиеся сердечники горшковых катушек. При необходимости усиленного экранирования одного из элементов ламповой схемы (например входного трансформатора) применяют блок с металлическими впаянными крышками (выводы через герметичные проходные стеклянные изоляторы).
В некоторых случаях необходимость в перепайке провода на большом числе контактов (порядка двенадцати) заставляет выделять из комплекса сложной схемы отдельный ее участок и осуществлять небольшой отдельный блок. Примером могут служить высокочастотные входные потенциометры линейных усилителей, выполняемые в виде набора сопротивлений, размещенных в узком блоке с выводом отводов на его крышку.
Конструкция на платах. Этот вид конструкции (см. фиг. 12-6) является наиболее приемлемым для ламповых схем, в состав которых входят лампы с большой мощностью рассеивания (например ТО-2, ТО-4 и лампы с большей мощностью). Размещение этих ламп на плате необходимо производить в верхней ее части, а все остальные элементы схемы под ними. Такое размещение уменьшает нагрев схемы.
Оценочный подсчет превышения температуры внутри чехлаЛ закрывающего плату, над средой, его окружающей и имеющей температуру 25° С, может быть произведен, в зависимости
2821
от поверхности охлаждения, по графику фиг. 13-3. В качестве рассеиваемой внутри чехла мощности можно брать мощность накала электронных ламп. Цифры перегрева, полученные из этого графика, несколько выше получаемых в реальных условиях, так как графиком не учитывается отвод тепла стойкой, а также возможность оборудования в верхней части чехла перфорации или жалюзи для отвода нагретого воздуха.
Жалюзи рациональнее простой перфорации, ибо они защищают внутренность чехла от пыли. Наличие удачно расположенных жалюзи может уменьшить перегрев примерно на одну треть.
Размещение деталей на плате определяется примерно теми же соображениями, что размещение деталей внутри блоков
(см. выше), но может быть, как правило, осуществлено значительно легче, так как в данном случае имеется большая свобода маневрирования отдельными деталями. Мелкие детали с проволочными выводами в конструкциях плат крепятся чаще всего так же, как и в блоках, но на весьма высоких частотах их приходится крепить на монтаже, вследствие того, что при этих частотах монтаж ведется кратчайшими путями и жестким проводом.
13-3. Конструктивное оформление пассивных четырехполюсников
(фильтры и выравниватели)
Фильтры с катушками, имеющими ферромагнитные сердечники. Конструктивное оформление электрических фильтров сильно зависит от спектра пропускания, а также от величины уровней в этом спектре.
Как указывалось в шестой главе, применение ферромагнитных катушек возможно только в индивидуальных каналах, но не в групповом тракте. Основной особенностью фильтров с такими катушками является возможность уменьшения их габа-282
ритов по сравнению с габаритами фильтров, катушки которых не имеют ферромагнитных сердечников.
На фиг. 13-4 показаны сравнительные размеры более или менее однотипных в электрическом отношении фильтров старой трехканальной системы СМТ-35 (фиг. 13-4, а) и новой системы В-3 (фиг. 13-4, б).
Свойства тороидальных катушек, изложенные в шестой главе, позволяют применять для крепления их в блоке приспособления согласно фиг. 13-5. Шпильки, скрепляющие группы тороидов, устанавливаются совместно с соответствующими конденсаторами на поддонах из изолирующего материала (чаще
Фиг. 13-5
всего дуб или береза, проваренные в парафине), которые в свою очередь привинчиваются ко дну блока. Дно блока в этом случае усиливается на углах привариванием металлических квадратов. Если установка шпильки производится непосредственно на дне блока, то в крышке последнего необходимо вставить изолирующую втулку (фиг. 13-5, б) во избежание образования короткозамкнутого витка. Кроме торов и конденсаторов на поддонах удобно ставить переходные гребенки, облегчающие монтаж.
Крепление согласно фиг. 13-5 удобно применять только для торов малых и средних размеров. Размещение тороидальных
283
катушек большого размера осуществляется постановкой их „на ребро" на дне блока. В процессе производства тор устанавливается около одной из стенок блока и отделяется от остального внутриблочного пространства временной металлической перегородкой, после чего образовавшийся отсек, примерно на одну треть его высоты, заливается расплавленным нефтяным битумом. После достаточного застывания битума, перегородка удаляется и процесс повторяется снова для следующего тора или комплекта конденсаторов. Такая система крепления деталей удобна тем, что не требует уголков, винтов, шпилек и поддонов. Недостатком ее является отсутствие переходных гребенок и сравнительно' •____________большой вес, определяемый большой
плотностью битумов. В качестве мон-тажных проводов приходится исполь-зовать гибкие выводы от катушек,. а общие точки осуществлять навывод-
Чхх Л ных перьях конденсаторов.
J Блочная конструкция фильтров» s' обеспечивает легкую возможность их s' герметизации (при необходимости) и
s' экранирования по частям и в целом.
При отсутствии герметизации блоков» влагозащищенность фильтров опреде-Фиг. 13-6 ляется конструкцией конденсаторов>
и катушек.
Если нет необходимости в полной экранировке фильтра, он закрывается, как и прочие блоки, гетинаксовой крышкой, с размещенными на ней выводными контактами. Для элементарной экранировки, но без герметизации, крышки делаются, металлическими и крепятся к блокам с помощью встречно загибаемых лапок (фиг. 13-6). В качестве выводных контактов в этом случае используются перья, укрепленные на небольших гетинаксовых пластинках.
При полностью герметизированной и экранированной конструкции фильтра швы коробки и крышка пропаиваются, а выводы пропускаются через стеклянные проходные изоляторы.
Фильтры блочной конструкции устанавливаются в ваннах или непосредственно на платах, причем в последнем случае донные части блоков снабжаются приварными ушками для крепления к плате.
В тех фильтрах, в которых катушки имеют броневые (горш-ковые) сердечники, катушки крепятся к гетинаксовой пластине, располагаемой под крышкой, герметизирующей блок, (фиг. 13-7). На этой же пластине крепятся конденсаторы, в то время как экранирующие перегородки устанавливаются в самом блоке.
284
Филь три с катушками без ферромагнитных сердечников. Фильтры этого типа используются в двух случаях: 1) на сравнительно невысоких частотах, но при уровнях столь больших (порядка + 1 ней и выше), что применение ферромагнитных сердечников невозможно из-за нелинейных искажений, 2) на весьма высоких частотах, при которых относительно высокую добротность и малые габариты можно получить и без применения ферромагнитного материала.
Первому случаю соответствуют некоторые линейные фильтры, а также направляющие фильтры систем В-3 и В-12. Для больших внешних полей катушек (см. гл. 4) требуются простор-
Фиг. 13-7
ные экраны, что приводит к увеличению габаритов фильтра в целом. Экранировка обычно производится по контурам фильтра с помощью медных перегородок, устанавливаемых в медном же кожухе. Внутри каждого экранного отсека устанавливаются поддоны с расположенными на них катушками и конденсаторами соответствующих контуров (см. фиг. 5-19). Все экранные отсеки имеют стенки несколько ниже наружных стенок кожуха и позволяют крепить под его крышкой отдельные экранные крышки, на которые выводятся провода от отдельных контуров (на изолированные одиночные контактные перья) и в которых предусматриваются отверстия для настройки контуров (фиг. 13-8).
Наличие вспомогательной экранной крышки позволяет настраивать контуры в нормальных условиях экранирования и герметизировать их наложением и запайкой сплошной верхней крышки только после полной настройки. Монтаж фильтров осуществляется жесткими проводниками в плоскости вспомогательной крышки, а выводы (стеклянные проходные изоляторы) устанавливаются в верхней части боковых стенок. Герметизация фильтра улучшает стабильность его характеристик. Весьма
285
Фиг. 13-8
часто фильтр перед герметизацией наполняют сухим воздухом* который вводится в предварительно запаянную коробку фильтра через ниппель, вытесняя через другой ниппель воздух, находящийся в коробке. После достаточно длительного пропускания сухого воздуха оба ниппеля запаиваются. Несмотря на герметизацию фильтра в целом, его катушки должны быть пропитаны, чтобы предупредить изменения их данных в процессе производства фильтра до его запайки.
Следует учесть, что в кожухе, устанавливаемом на плате размерами 648X 180, может быть размещено не более трехчетырех звеньев фильтра. Для размещения элементов сложной схемы приходится использовать два или три кожуха. Располагать эти кожухи можно или на одной большой плате, или на нескольких отдельных.
В пьезорезонаторных фильтрах наряду с пьезорезонаторами применяются также обычные катушки индуктивности и конденсаторы. Фильтры эти, как правило, строятся по мостиковой схеме, что предъявляет весьма жесткие требования в отношении точности изготовления и стабильности
конденсаторов и катушек. Для катушек можно принять конструкцию, показанную на фиг. 5-15. Универсальная намотка такой катушки пропитывается стироловым лаком и помещается в герметизированный чехол.
Конденсаторы, применяемые в пьезорезонаторных фильтрах, должны обладать возможно меньшими потерями и минимальным температурным коэффициентом. Из существующей номенклатуры конденсаторов наиболее подходящими являются керамические конденсаторы КДК, КГК и КПК (см. гл. 3). Конденсаторы типов КДК и КПК не имеют достаточной влагозащиты, в то время как от состояния их изоляции в весьма сильной мере зависят характеристики фильтров. По этой причине коробку пьезорезонаторного фильтра приходится обязательно герметизи
286
ровать в целом, (герметизация катушек все же необходима для сохранения их параметров до запайки всего кожуха). I®
Коробки-блоки, содержащие пьезорезонаторные фильтры сравнительно несложных схем (например фильтры контрольных каналов—фиг. 13-9), рассчитываются на установку их как в ваннах вместе с обычными стандартными блоками, так и непосредственно на платах. В первом случае высоту коробок приходится брать несколько больше стандартной, так как иначе в них не разместятся пьезорезонаторы. Фильтры, построенные по более сложной схеме, например фильтры индиви-
Фиг. 13-9
дуальных преобразователей 12-канального блока, размещаются в аналогичных по конструкции, но удлиненных коробках-блоках, приспособленных только для непосредственной установки на платах.
13-4. Вопросы влагозащиты
Как указывалось выше, вопросы влагозащиты при конструировании аппаратуры играют весьма важную роль.
В современной технологии влагозащиты известны два основных варианта ее осуществления:
1) вакуумплотная герметизация в металлических коробках или в стеклянных и керамических футлярах;
2) частичная герметизация, которая предусматривает:
а) применение сплошных металлических коробок с запрессованными в них выводами из пластмассы;
б) заливку компаундами при размещении элементов защищаемой схемы в негерметизированной коробке;
в) обработку полуфабрикатов гидрофобными пленками.
Наилучшим способом герметизации является вакуумплотная герметизация. При этом используются металлические, паяные по всем швам коробки с проходными изоляторами из осо-
287'
бого стекла или фарфора. Проходные изоляторы из стекла были показаны на фиг. 3-6.
Узел аппаратуры сушится в термостате или специальном сушильном шкафу в течение нескольких часов (длительность сушки определяется объемом узла и полуфабрикатов) при температурах от 55 до 110°С (верхний предел определяется теплостойкостью примененных материалов). Просушенный узел устанавливается в коробку-блок, все швы которой предварительно пропаиваются, а на боковой стенке или крышке впаиваются проходные изоляторы и воздуходувные ниппели. После установки узла и подводки монтажа к выводам крышка коробки запаивается. Для некоторых особенно ответственных узлов коробка заполняется сухим воздухом, в остальных случаях ограничиваются запайкой. Иногда вместо металлических воздуходувных трубок применяются вваренные в стенку коробки стеклянные трубки, которые могут быть запаяны без отсоединения от камеры с сухим воздухом.
Воздух сушился путем пропускания его через бак с коллоидальным кремнеземом—белым стеклообразным чрезвычайно мелкопористым веществом, обладающим высокой способностью к поглощению влаги. Влажность воздуха, подаваемого в герметизируемый узел, измеряется волосяным гироскопом, показание которого должно соответствовать почти нулю. Время от времени коллоидальный кремнезем просушивается (прокаливается).
Для связывания остаточной влаги, которая при отсутствии особой сушки может остаться в герметизируемом пространстве, в последнем перед запайкой иногда помещают небольшое количество влагопоглощающего вещества. Первоначально для этой цели использовали хлористый кальций. Однако способность хлористого кальция растворяться в поглощаемой влаге привела к применению нерастворяющегося вещества—коллоидального кремнезема.
Герметичность таких конструкций может быть проверена различными способами. Согласно одному из них, проверка производится погружением конструкций в горячую воду. При нарушениях герметичности будут выделяться пузырьки воздуха. Согласно иному способу, в коробку через специальный ниппель вдувают воздух и наблюдают за ее швами, которые предварительно смазываются мыльным раствором. При наличии пор и трещин на них будут образовываться мыльные пузыри.
При большом количестве проверяемых блоков имеет смысл применять метод проверки при помощи паров вазелина, поясненный в третьей главе.
После проверки герметизации блок поступает в окончательную отделку.
Второй способ герметизации, предусматривающий применение сплошных металлических коробок с пластмассовыми
-288
выводами, по технологии не отличается от предыдущего, но при длительном воздействии влаги может оказаться непригодным вследствие постепенного проникновения влаги сквозь толщу пластмассы и плоскости сцепления ее с металлом.
Рассмотренные методы герметизации весьма громоздки по своей технологии; применение их значительно удорожает аппаратуру. Поэтому без крайней необходимости прибегать к ним не следует.
Частичная герметизация полуфабрикатов и узлов, заключающаяся в их заливке компаундами, значительно проще. Полуфабрикаты или узлы, размещенные после предварительной просушки в коробках-блоках, заливаются битумным лаком или какой-либо другой массой.1 При использовании такого способа герметизации следует проявлять известную осторожность и учитывать возможность влияния потерь в паразитных емкостях с компаундом в качестве диэлектрика. При пропускании через заливочную массу мягких выводных концов от полуфабрикатов необходимо обязательно эти концы пропитывать, так как в непропитанном состоянии они могут превратиться в своеобразные фитили, всасывающие влагу.
В Советском Союзе К. А. Андриановым разработан новый способ обработки материалов парами кремнийорганических соединений, обеспечивающий весьма высококачественную влаго-защиту. Применение этого способа для обработки поверхностей полуфабрикатов и монтажа позволит во многих случаях отказаться от рассмотренных выше методов герметизации.
Пары кремнийорганических соединений проникают в поры и трещины обрабатываемой ими поверхности и, соединяясь с водой, образуют так называемую гидрофобную пленку. Под этим термином понимают пленку, поверхность которой обладает весьма малой смачиваемостью—вода на ней может находиться только в виде отдельных сфероидальных образований (капель).
Обработке парами могут быть подвергнуты не только твердые изоляционные материалы (фарфор, керамика и др.), но также и материалы из целлюлозы (бумага, картон, ткани, дерево и др.). В книге С. А. Яманова и Д. Д. Сачкова „Методы защиты радиодеталей от влаги" приводится пример измерения поверхностного сопротивления деталей, изготовленных из керамики и обработанных кремнийорганическими соединениями. Результаты измерений показывают, что создание на деталях гидрофобной пленки повышает их поверхностное сопротивление примерно в 100 раз.
Следует отметить, что в настоящее время технология метода создания гидрофобных пленок на пластмассах и металлах еще не разработана.
1 Вопрос о выборе массы изложен в шестой главе.
19 Зак. 129
289
Фиг. 13-10
Фиг. 13-11
Фиг. 13-12
290
13-5. Конструктивное оформление вспомогательных элементов аппаратуры
К вспомогательным устройствам аппаратуры дальней связи относятся:
1) платы с предохранителями и разрядниками;
2) устройства сигнализации повреждений;
3) устройства коммутации цепей низкой и высокой частоты;
4) переговорно-вызывные устройства и комплекты реле служебных линий.
Типовой конструкцией узлов согласно первому пункту следует считать расположение элементов схемы на плоской плате с вынесением остальных деталей, требующих доступа к ним при эксплуатации, на отдельную плату, приподнятую над основной до уровня чехла, в котором для нее предусматривается вырез (фиг. 13-10). К этому типу устройств относятся платы с предохранителями, через которые осуществляется питание ламповых и других устройств стойки, а также платы с разрядниками. При размещении оборудования на этих платах следует руководствоваться только требованиями удобства эксплуатации.
Устройства сигнализации повреждений (фиг. 13-11 и 13-12) на аппаратуре размещаются на платах с приподнятыми панелями, аналогичных тем, о которых шла речь выше. На основных платах расположены реле, крепящиеся на съемных или поворотных скобах (для удобства доступа к контактным перьям реле), и гребенки межпанельного монтажа. На приподнятых панелях размещаются сигнальные лампы, кнопочные переключатели и гнезда.
Отдельно следует отметить сигнальные транспаранты (фиг. 13-13). Такой
транспарант представляет собой укреп- Фиг. 13-13
ляемую на боковом щите стойки панель с сигнальными лампами, прикрытыми колпаками из молочного стекла, на которых наносятся надписи, характеризующие повреждения. В нижней части платы устанавливается звонок.
Коммутационные устройства низкой частоты (фиг. 13-14) состоят в основном из гнезд однопроводной и трехпроводной схемы, которые обычно располагаются на приподнятых платах
19*
291
вместе с ключами и кнопками или же в виде гнездовых полей на платах из изоляционного материала, размещаемых в средней части стоек. Гнездовые поля иногда собираются из коммутаторных рамок. Поля гнезд монтируются на решетчатых металлических каркасах. При конструировании полей гнезда одинакового назначения следует группировать вместе для облегчения эксплуатации и выполнения надписей.
Фиг. 13-14
Коммутационные устройства высокой частоты представляют собой небольшие гнездовые поля (экранированные однопроходные гнезда), располагаемые на панелях, приподнятых над основной платой. Для увеличения защищенности гнезда с разными уровнями разносятся на противоположные края платы.
Конструкция типового переговорно-вызывного устройства (ПВУ) ясна из фиг. 13-14. Оно представляет собой открытый нестандартный блок, на лицевой стороне которого сконцентрированы детали управления (см. лицевую сторону нижней платы на фиг. 13-14). К нему добавляется блок микротелефонной приставки. По электрической схеме ПВУ представляет собой телефонный аппарат дежурного техника и состоит из типичных деталей телефонной техники.
Комплекты реле служебных линий конструируются аналогично релейным схемам устройств сигнализации повреждений.
292
Глава четырнадцатая
ЭКРАНИРОВАНИЕ И ЗАЗЕМЛЕНИЕ
14-1. Общие сведения
Устройства экранирования и заземления являются важнейшей составной частью всякой высокочастотной аппаратуры. В системах дальней связи они играют особенно важную роль, поскольку в этих системах аппаратура конструируется весьма компактно и в сравнительно небольшом объеме размещается значительное количество деталей и проводов, создающих электрические и магнитные высокочастотные поля. Поля эти должны по возможности существовать самостоятельно, не взаимодействуя с другими полями. Кроме того, аппаратура должна быть защищена от воздействия внешних полей.
Непосредственным результатом нежелательного взаимодействия полей будут помехи в каналах и в некоторых случаях— самовозбуждение узлов аппаратуры. Возможны также искажения частотных и фазовых характеристик четырехполюсников, входящих в состав высокочастотных трактов.
Устранение взаимных влияний между элементами аппаратуры и между участками монтажа, а также устранение влияния внешних полей достигается экранированием отдельных деталей, узлов и аппаратуры в целом при помощи металлических экранов.
Различают три основных вида экранов: а) электрические (электростатические), б) магнитные и в) электромагнитные.
Электрический экран изменяет картину как постоянных, таки переменных электрических полей. Такой экран представляет собой эквипотенциальную поверхность, на которой заканчиваются силовые линии электрического поля. Если поле существует только с одной стороны экрана, то за экраном оно будет отсутствовать. Если электрические поля существуют по обе стороны экрана, то изменение одного из них не будет вызывать изменений другого.
Магнитный экран изменяет картину как постоянных, так и переменных магнитных полей. Для осуществления этого вида экранирования необходимы экраны из ферромагнитного вещества, магнитное сопротивление которых в ^отн раз меньше, чем воздуха. Если полое тело из ферромагнитного вещества поместить в однородное магнитное поле, то большая часть силовых линий окажется расположенной в пределах стенок этого тела—пространство внутри него будет заэкранировано.
Электромагнитное экранирование или, иначе, экранирование за счет вихревых токов в экране воздействует только на переменное магнитное поле и притом тем сильнее, чем выше частота этого последнего. Электромагнитный экран представ
293
ляет собой замкнутый по возможности контур, в котором под действием мешающего поля образуются вихревые токи. Эти токи создают за экраном поле, которое компенсирует мешающее поле.
В большинстве случаев действие экранов носит комплексный характер, вследствие чего можно говорить только о преобладании того или иного вида экранирования. Так, например, экран из ферромагнитного вещества ведет себя при низких частотах, как магнитный экран, а при весьма высоких, — как
Неуравновешенная относительно земли цепь
Уравновешенная относительно земли цепь
Фиг. 14-1
электромагнитный экран. В переходном диапазоне частот он совмещает оба эти качества. Кроме того, как всякий металлический экран, он является и электрическим экраном. Любой разомкнутый электростатический экран при повышенных частотах ведет себя, в известной степени, как электромагнитный экран за счет образования в его толще вихревых токов. v
Выделяя для каждой отдельной конструкции характерный для нее преобладающий вид экранирования, можно установить следующие области применения экранов:
< а) магнитные и электромагнитные экраны применяются в основном для наружного экранирования катушек, трансформаторов и проволочных сопротивлений;
б) электростатические экраны применяются внутри отдельных узлов, а также для наружного экранирования как узлов, так и монтажа, их соединяющего; кроме того, они применяются и внутри трансформаторов.
294
При построении схем узлов аппаратуры дальней связи за нулевой потенциал принимают потенциал металлической массы (корпуса). Как правило, этот потенциал уравнивают с потенциалом земли путем заземления корпуса конструкции данного узла. Вообще говоря, возможны случаи, когда потенциал условного нуля можно и не соединять с землей, но случаи эти редки, поэтому в дальнейшем мы не будем делать различия между терминами „нулевой потенциал" и „потенциал земли".
Оценка экранирования посредством того или иного экрана тесно связана с понятиями переходного затухания и затухания экранирования.
Если между двумя четырехполюсниками (фиг. 14-1) или между входом и выходом одного и того же четырехполюсника (при большом его затухании) существует некоторая паразитная связь, благодаря которой наличие напряжения Ut влечет за собой существование напряжения U2, то говорят о переходном затухании, равном:
В = 1п
и2 |/ Zj
[неп].
(И-1)
Если введение экрана уменьшило напряжение помехи от величины UQ до U3, то говорят о затухании экранирования:
Вэ=1п
и0 и.
[неп].
(14-2)
Помехи попадают из мешающей цепи в цепь, подвергающуюся помехам, через сопротивление связи, соединяющее цепи. В зависимости от характера этих сопротивлений различают следующие виды связи:
1) гальваническую (через активное сопротивление или индуктивность);
2) емкостную (через электрическое поле);
3) индуктивную (через магнитное поле);
4) смешанную (емкостно-гальваническая и др.).
Действие отдельных видов связи в сильной степени зависит от симметрии относительно земли схемы влияющего и подверженного влиянию четырехполюсника.
Четырехполюсники, построенные по неуравновешенной схеме, весьма распространены в аппаратуре дальней связи, в которой они применяются тем больше, чем выше рабочие частоты. Выгодность такой схемы по сравнению с уравновешенной состоит в уменьшении вдвое количества деталей, необходимых для ее построения. Ламповые схемы по своей природе являются чаще всего неуравновешенными. Так называемая „сквозная шина" неуравновешенной цепи заземляется или соединяется с корпусом, т. е. имеет потенциал нуль.
295
В уравновешенных четырехполюсниках все элементы схемы размещаются симметрично относительно продольной оси (по направлению передачи). Монтаж такого четырехполюсника производят геометрически симметрично по отношению к его элементам. Емкости и утечки на корпус любых двух точек уравновешенной схемы, расположенных зеркально симметрично относительно ее продольной оси, будут одинаковыми. Следствием этого будет равенство (при противоположности знаков) абсолютных величин потенциалов упомянутых точек относительно нуля.
Средние точки поперечных ветвей уравновешенного четырехполюсника могут быть соединены с потенциалом нуль. В общем случае такое соединение не является обязательным. Оно обязательно при осуществлении так называемой „принудительной симметрии”, когда потенциалы продольных плечей схемы уравниваются путем шунтирования ее поперечных ветвей парой одинаковых емкостей, сопротивлений или индуктивностей, с приведением средней точки между ними к потенциалу нуль.
14-2. Электростатическое экранирование
Электростатические экраны служат для устранения влияния емкостных связей. Они изготовляются из красной меди, латуни, алюминия и свинцово-оловянной фольги, так как именно эти металлы удовлетворяют требованию о том, что экран, представляющий препятствие для линий электрического поля, не должен являться шунтом для линий магнитного поля (например экран между двумя обмотками трансформатора).
При конструировании таких экранов надо принимать меры к ослаблению индуктируемых в них вихревых токов (разрезы в экране, возможно меньшая толщина экрана, замена листового металла дощечкой из изолирующего материала, на кото,-рую наматывается виток к витку изолированная медная проволока). Иногда желательно, наоборот, одновременно с электростатическим иметь электромагнитное экранирование, основанное на действии вихревых токов. Для увеличения их силы необходимо повышать проводимость материала экрана; чем выш*е проводимость, тем меньше расход материала.
Достоинством перечисленных выше металлов является также и то, что они легко обрабатываются, что необходимо для придания экранам определенной, подчас весьма сложной, формы.
Иногда экран соединяется с экранируемой схемой таким образом, что по нему протекает ток полезной передачи. Такие экраны называются токонесущими. Анализ их действия значительно сложнее, чем анализ действия экранов, по которым рабочие токи схемы не протекают. Поэтому имеет смысл на
296
чать разбор электростатического экранирования с рассмотрения* второго, более простого вида. Электростатические экраны, не несущие токов, применяются во всех тех случаях, когда магнитная связь между разделяемыми экраном объектами не является опасной или нежелательной. Эти экраны могут заземляться или не заземляться.
Заземляемые экраны, не несущие тока. Такие экраны служат для устранения влияния емкостных связей между точ-
ками, обладающими различными потенциалами и находящимися внутри какого-либо прибора (иногда и внутри детали, например между первичной и вторичной обмотками трансформатора). Эти экраны применяются также для защиты аппаратуры от влияния внешних полей.
Экранирование уравновешенных и неуравновешенных четырехполюсников будем рассматривать отдельно.
В уравновешенных системах,, при аккуратном их выполнении
Фиг. 14-2
с учетом геометрической симметрии, можно получить весьма* малую величину внешнего поля (как электрического, так и магнитного). Это особенно справедливо для скрученных пар проводов.
Электростатическое экранирование уравновешенных систем следует производить только в двух случаях: а) при резком нарушении геометрической симметрии системы в одной из ее точек, например при включении крупной детали в парном монтаже для включения измерительных гнезд и т. п., б) при; больших длинах пробега взаимно влияющих уравновешенных цепей (межпанельный и межстоечный монтаж), когда остаточная неуравновешенность становится опасной.
Поясним сказанное примерами. На фиг. 14-2, а показана* схема включения измерительных гнезд в две соседние урав-
297
новешенные цепи. На фиг. 14-2, б, в и г приведены соответственно исходная схема для подсчета емкостного влияния и схемы, ей эквивалентные. Переходное затухание между цепями 1—2 и 3—4 будет в этом случае равно:
B=,n<Jz (14-3)
где
£ С13С24 — С14С23 (14-4)
С13 + С 24 4- С14 + С _1>
При размерах гнездового поля, показанных на фиг. 14-2, а, частичные емкости получаются равными:
С13 = С24=0,35 пф; С23 = 1,8 пф;
С14 = 0,2 пф; С=0,09 пф.
При Z=150 ом и /=150 кгц переходное затухание равно 12 неп. Для Z=600 ом ту же величину затухания получим при /=35 кгц. Величина В=12 неп позволяет в большинстве случаев обходиться без заземленного экрана между парами гнезд и соответствующими штепсельными перемычками. Экран может понадобиться только при наличии между цепями 1—2 и 3—4 большой разности уровней. Увеличить переходное затухание можно также, уравнивая произведения С13С24 и С14С23 путем искусственного симметрирования при помощи небольших конденсаторов, однако мера эта, широко используемая в практике линий, в применении к аппаратуре слишком громоздка.
Совсем иначе обстояло бы дело в случае неуравновешенных цепей. Так, например, если уравнять потенциалы проводов 2 и 4, то емкость С в формуле (14-3) будет равна С13 = 298
= 0,35 пф, а при уравнении потенциалов проводов 1 и 4 эта емкость станет равной С23 = 1,8 пф. Увеличение емкости связи вызовет уменьшение переходного затухания.
О влиянии электростатического экранирования на величину переходного затухания в межпанельном и межстоечном монтажах дают понятие графики фиг. 14-3. Каждый из этих графиков является результатом измерения переходного затухания между двумя проложенными непосредственно рядом одинаковыми кусками провода, каждый из которых имел длину 3 м и нагружался на сопротивление 600 ом (в одном только случае на сопротивление 150 ом~).
Кривая 1 соответствует случаю неэкранированных симметричных (скрученных) пар. Она показывает, что по крайней мере до частот порядка 30 кгц можно обходиться без экранирования. Кривая 2 показывает влияние экранирования — переходное затухание повышается примерно на 5 неп.
Остаточные влияния, имеющие место при наличии экранирования, объясняются магнитными связями между парами проводов. Это утверждение можно доказать посредством кривой 3, которая получается из кривой 2 при изменении нагрузки с 600 на 150 ом. Переходное затухание падает на 1,4 неп в соответствии с увеличением мешающего тока в четыре раза. Переходное затухание экранированных проводов уменьшается, в пределах графиков фиг. 14-3, с увеличением частоты, однако при частотах выше 50 кгц уменьшение происходит медленнее, чем при более низких частотах. Данное явление объясняется тем, что при частотах выше 50 кгц начинает сказываться дополнительное экранирование, носящее электромагнитный характер.
В какой точке электростатического экрана, экранирующего уравновешенную систему, следует присоединить к нему провода, идущие от устройств заземления? В практике заземление производится в точке наибольшего потенциала внутри этой системы, т. е. в точке наибольшего уровня передачи, однако сущее । венного значения точка присоединения земли не имеет, поскольку даже при заземлении средних точек уравновешенной системы ток на землю будет определяться только остаточной неуравновешенностью и будет ничтожно мал.
Как было показано выше на примере экранирования в гнездовом поле, в неуравновешенных системах влияние емкостных связей значительно сильнее, чем в уравновешенных. Поэтому, например, при вязке межпанельных и межстоечных кабелей неуравновешенные пары, как правило, экранируются (медный чулок или, в крайнем случае, свинцовая оболочка поверх изоляции пары). Кривая 4 на фиг. 14-3 соответствует экранированной паре, один из проводов которой заземлен. При экранировании внутри приборов следует оценивать (путем измерений и хотя бы грубых прикидочных расчетов) величину
299
емкостной связи и вводить экраны только в тех точках схемы,, где это действие наиболее опасно.
В качестве примера рационального экранирования неуравновешенного четырехполюсника на фиг. 14-4 показано экранирование магазина затухания. Весь магазин окружается экраном,, препятствующим (электростатически и отчасти электромагнитно) воздействию внешних полей. Кроме того, экран, соединенный с нулевым потенциалом, точно фиксирует частичные емкости отдельных деталей. Между точками, в которых при включении отдельных звеньев магазина затуханий имеют место большие разности уровней, вводятся экраны, парализующие действие частичных емкостей.
Ключи, замыкающие продольные ветви звеньев с затуханием до 4 неп, могут иметь нормальную конструкцию только
Фиг. 14-4
тогда, когда емкость между пружинами не превышает 3 пф (при работе на частотах до 300 кгц). В противном случае приходится прибегать к введению экранирующей прокладки между пружинами (от хвостов пружин и почти до контактов). Это позволяет уменьшить действующую между контактами емкость примерно в пять раз. Для звеньев с затуханием более 4 неп введение экранных пружин недостаточно. В этом случае удобно использовать два ключа, общая точка которых,, соединенная с корпусом, представляет собой своеобразный экран.
При экранировании фильтров наличие электростатического экрана вокруг всего фильтра необходимо для устранения внешних полей, наличие же экранированных отсеков для отдельных контуров внутри общего экрана позволяет, с одной стороны, точно фиксировать частичные емкости отдельных деталей и, с другой стороны, препятствует при частотах полосы задерживания проникновению энергии с входа фильтра на его выход.
Усилители, за исключением построенных по балансным схемам, являются системами неуравновешенного типа и, следовательно, требуют тщательного экранирования. Сторона
300
сетки должна быть отделена от стороны анода экраном, соединенным с точкой нулевого потенциала, — иначе могут быть сведены на нет преимущества современных малоемкостных ламп. В ответственных случаях желательно иметь экран даже между соответствующими ножками лампы. Самую лампу также желательно экранировать во избежание внешних влияний.
Электростатическому экранированию подвергаются также и отдельные обмотки трансформаторов (см. гл. 8).
Экранировка генераторов не нужна для работы самих генераторов, но является весьма желательной для устранения наводок на помещаемые вблизи усилительные устройства.
В какой точке „сквозной шины" неуравновешенных четырехполюсников ее следует соединять с заземленным экраном? Данный вопрос имеет серьезное значение, так как падение напряжения в этой шине может вызвать серьезные последствия, особенно при высоких частотах, где сказывается индуктивность провода. При передаче сигнала через неуравновешенный четырехполюсник на входе и выходе последнего имеются полезные напряжения, которые должны быть равны разности потенциалов соответствующих зажимов, не соединенных со сквозной шиной, и потенциалов зажимов, соединенных со сквозной шиной, которые должны быть равны нулю. Если эти последние не равны нулю (например вследствие индуктивности провода), то напряжения на входных и выходных зажимах четырехполюсника изменятся. Точку соединения экрана со сквозной шиной надо подбирать так, чтобы относительная величина этих изменений была минимальной. В этом смысле наибольшая опасность грозит точкам наиболее низкого уровня, следовательно, соединение экрана со сквозной шиной надо осуществлять именно в этих чувствительных точках. Для четырехполюсников, обладающих затуханием, такой точкой будет их выход, для усилителей—катод первой лампы.
При заземлении сквозных шин надо следить за тем, чтобы цепи, в которых протекают сравнительно сильные токи, не влияли через заземляющие провода на другие цепи низкого уровня. Такие влияния могут возникнуть при многократных заземлениях, произведенных одновременно в нескольких четырехполюсных системах. Заземление сквозной шины более чем в одной точке допустимо лишь при одиночной работе четырехполюсника, при очень малом сопротивлении сквозной шины и при малом затухании самого четырехполюсника. Во всех других случаях следует опасаться появления вредной гальванической связи.
Пример такой связи через систему двойного заземления сквозных шин двух неуравновешенных четырехполюсников показан на фиг. 14-5, а. На этой схеме сопротивления гх и г2 суть сопротивления сквозных шин, которые следует считать
801
активными при низких частотах и индуктивными при высоких частотах.
Переходное затухание между двумя четырехполюсниками, рассчитанное по эквивалентной схеме фиг. 14-5, б, получается
равным:
В=1п
4Z(l,5r1 + ra)
[неп].
(14-5)
Если считать, что как так и г2 определяются сопротивлением куска медной проволоки длиной 10 см и диаметром
а)
Фиг. 14-5
0,8-^и, то каждое из этих сопротивлений будет равно 0,0035 ом. При Z=600 ом переходное затухание на постоянном токе будет равно 14,3 неп. С увеличением частоты до 60 кгц оно упадет до 12 неп, в соответствии с увеличением модуля сопротивлений и г2 в 10 раз.
Данный пример показывает, что при вязке кабелей, в состав которых входят неуравновешенные экранированные провода, экран этих последних должен быть изолирован снаружи.
Другим примером недопустимости двойного заземления может служить экранированный ослабитель, показанный на фиг. 14-5, в. Предположим, что его затухание составляет 10 неп. Тогда ток на входе будет в 22 000 раз больше тока
302
на выходе. Пусть сопротивления участков сквозной шины равны Г1 и г2. При соединении этой шины с заземленным экраном на входе и выходе эти два сопротивления соединятся через сопротивление экрана R3 и падение напряжения на rt вызовет на г2 появление мешающего напряжения, которое будет действовать последовательно с выходным напряжением.
Схема фиг. 14-5, г дает понятие о том, к каким неприятным последствиям может привести излишняя длина заземляющего проводника. На этой схеме изображен колебательный контур некоторого сравнительно мощного генератора и вход расположенного на той же плате чувствительного усилителя. Корпус переменного конденсатора колебательного контура заземляется автоматически через крепление его к плате, то же можно сказать и о катоде первой лампы усилителя, на который подается земля через цепь питания. К какой из двух точек — Ь> или с—лучше присоединить заземляемый конец а катушки колебательного контура? Следует выбрать точку с, так как падение колебательного напряжения на пути abd может вызвать наводки на вход усилителя.
Экраны, не заземляемые и не несущие тока. Экраны этого типа применяются как совместно с заземляемыми, так и. без них. В качестве примера использования подобных экранов' можно привести симметрирующий трансформатор, схема, которого показана на фиг. 14-6, а. Подобные трансформаторы устанавливаются между двумя четырехполюсниками, один из которых обладает неуравновешенной схемой, а другой—уравновешенной (например при переходе от неуравновешенного направляющего фильтра к линии). Экран Эх является электростатическим заземляемым экраном.
Экраны Э2 и Э3 соединяются только с концами соответствующих обмоток. Тем самым емкости обмоток по отношению к окружающим предметам оказываются, во-первых, сосредоточенными на их концах (результирующие емкости), во-вторых, соответствующие емкостные сопротивления не зависят от частоты (поскольку результирующие емкости на концах обмоток не включены, подобно емкостям отдельных витков, через индуктивность обмоток) и, в-третьих, емкости обмоток становятся равными емкостям каждого из экранов Э2 и Э3 по. отношению к заземляемому экрану Эх. Включая между Эг и Э2 или Эг и Э3 дополнительный конденсатор, можно добиться полной уравновешенности емкостей концов обмотки на землю.
Другим интересным примером совместного использования незаземляемых экранов является фильтр, показанный на фиг. 14-6, б. Фиксирование частичных емкостей отдельных элементов и контуров посредством незаземляемых экранов позволяет использовать их емкости на внешний заземляемый экран в качестве элементов схемы фильтра. Такой прием иногда применяется на частотах порядка сотен килогерц.
303.
Примером использования в схеме одних незаземляемых экранов может служить пьезорезонаторный фильтр, показанный на фиг. 14-6, в. Емкость параллельного сочетания пьезорезонатора и подстроечного конденсатора весьма мала; вследствие этого даже незначительные емкости точки а по отношению к земле могут вызвать искажение характеристик фильтра. Введение незаземленных экранов и Э2 позволяет заменить емкости резонатора с конденсатором и катушки на экран ем
Фиг. 14-6
костями экранов на землю и присоединить эти последние параллельно небольшому по величине входному сопротивлению фильтра.
Токонесущие экраны. Экраны этого типа представляют собой некоторый наружный проводник, охватывающий внутренний проводник, и входят как составная часть в четырехполюсники неуравновешенной схемы.
Примером такого экрана может служить коаксиальный кабель; в нем, кроме электростатического экранирования внешним проводником, имеет место также еще и практически полная компенсация магнитного поля внутреннего проводника полем внешнего проводника. Примером прибора с токонесущим экраном может служить высокочастотный магазин затуханий, схема которого показана на фиг. 14-7, а. Токонесущие экраны всегда заземляются.
304
a)
Фиг. 14-7
20 Зак. № 129
305
Применение токонесущих экранов удобно в конструктивном отношении, так как при монтаже экранированная пара заменяется экранированным одиночным проводом.
Рассмотрение свойств токонесущего экрана удобно вести отдельно для двух диапазонов: низкочастотного, для которого эквивалентная глубина1 токонесущего слоя в экране больше толщины его стенок, и высокочастотного, для которого эта глубина значительно меньше толщины стенок.
В пределах низкочастотного диапазона потенциалы точек,, противолежащих на обеих поверхностях экрана, как внешней, так и внутренней, одинаковы, поскольку ток распределяется равномерно по сечению. Такой экран нельзя считать эквипотенциальной поверхностью; при соседстве нескольких заэкранированных объектов падение напряжения от токов в экранах может стать причиной гальванической связи.
Практическим выводом из этого положения является необходимость изоляции друг от друга токонесущих экранов, принадлежащих различным четырехполюсникам. На фиг. 14-7, б показана схема двух неуравновешенных монтажных проводов с волновым сопротивлением Z и продольным сопротивлением экрана Ra и эквивалентная схема действия помехи. При соединении точек с- и d, т. е. при заземлении экранов на двух концах, возникают сильные взаимные влияния между цепями.
Затухание помехи, в соответствии с эквивалентной схемой фиг. 14-7,6, будет равно:
D . /о , 4Z \ 1 4Z
В=1п 34------h^ln —.
В рассматриваемом диапазоне величины Z и R3 можно приближенно считать не зависящими от частоты. Затухание В также не будет зависеть от частоты. В качестве примера возьмем данные коаксиального экранированного проводника, соответствующего кривой 5 фиг. 14-3. Этот проводник имеет при длине 3 м Ra = 0,3 ом, величина Z равна 600 ом. Кривая 5 соответствует тому случаю, когда экраны двух проводников, являющихся объектами измерения переходного затухания, соединены вместе только в начальных точках этих проводников. Кривая 6 получается при соединении экранов как в начале, так и в конце проводников. Переходное затухание, в. соответствии с расчетом по приведенным выше данным R3 и Z, получается равным всего 9 неп и очень мало зависит от частоты. Таким образом, экраны необходимо изолировать друг от друга во всех точках кроме одной.
Следует, однако, отметить, что изоляция между экранами не сводит гальваническую связь на нет, а превращает ее в
1 Точное определение эквивалентной глубины токонесущего слоя см. § 14-5.
306
более слабую емкостно-гальваническую связь. Это утверждение становится очевидным, если рассмотреть влияние емкости экрана на землю. При этом надо учитывать, что действие данной емкости имеет совершенно различный характер в зависимости от наличия или отсутствия в экране разрывов, устраиваемых, например, для включения измерительных цепей. Иными словами, свойства токонесущих экранов, так же как и свойства всех других видов электростатических экранов, зависят от того, соблюдается ли непрерывность экранировки или нет.
В устройстве, экранированном безразрывно, внутренний провод и все детали полностью охватываются экраном и действие емкости на землю сосредоточивается на незаземленном конце экрана. При наличии разрывов в экране внутренний проводник обладает в местах разрывов некоторой непосредственной емкостью на землю.
На фиг. 14-7, виг показаны примеры безразрывного экрана и экрана с разрывами. Сопротивление R3 означает в обоих случаях сопротивление заземления.
Принимая упрощения — > Z и Z^> R3, получим, основы-ваясь на эквивалентных схемах, для безразрывного экрана:
В = 1п
8Z ^3^3
(14-6)
и для экрана с разрывами:
Б'=1п-------=В-21п—. (14-7)
^C3R3Z Яэ
Во втором случае переходное затухание получается значительно меньшим. Так, например, при Z=135 ом и Ra=A ом разность затуханий равна 9,8 неп. Увеличить В' можно лишь путем уменьшения R3 и емкости С3. Для уменьшения R3 надо при разрывах экранирования заземлять экран непосредственно у места разрыва. При этом необходимо помнить об указанной выше невозможности заземления экранов в двух точках. При конструировании аппаратуры следует также помнить о крайней нежелательности разрывов в экране.
Абсолютная величина переходного затухания, получаемая при токонесущих экранах в аппаратуре низкочастотного диапазона при соблюдении всех мер предосторожности в отношении влияния сопротивлений R3 и емкости С3, оказывается все же достаточной для того, чтобы применять эти экраны наряду с другими, рассмотренными выше. Доказательством может служить кривая 5 фиг. 14-3.
В высокочастотном диапазоне, используемом для целей связи по коаксиальным кабелям, перечисленные выше трудности использования токонесущих экранов резко возрастают как из-за уменьшения емкостных сопротивлений, так и из-за
20*
307
увеличения сопротивлений заземляющих проводов и „сквозной шины".
Единственным методом, позволяющим преодолеть эти трудности, является применение не имеющих ни одного разрыва, полностью экранированных неуравновешенных систем с токонесущим экраном. Этот экран должен иметь относительно большую толщину, во всяком случае большую, чем толщина эквивалентного проводящего слоя.
Пример схемы подобного экранирования показан нафиг. 14-8. Все точки схемы, которые должны находиться под потенциалом земли, соединяются с экраном посредством кратчайших проводников. Соединение экранированных таким образом от-
Фиг. 14-8 дельных четырехполюсников должно осуществляться коаксиальным кабелем с внешней оболочкой в виде сплошной металлической трубки.
При присоединении проводов коаксиальной линии к соответствующей аппаратуре внешний проводник линии соединяется со свинцовой оболочкой кабеля. Монтажные проводники с внешней оболочкой из медной плетенки, часто используемые в низкочастотном диапазоне, здесь неприменимы из-за недостаточной однородности строения плетенки. Эксцентричность центрального проводника по отношению к внешнему проводу должна быть весьма невысокой. В случае необходимости разрыва такой цепи для введения в нее измерительных гнезд, последние также выполняют в коаксиальной конструкции, равно как и штепсели и соответствующую измерительную аппаратуру.
Возможность соединения между экранами двух систем при этом методе экранирования не представляет опасности—при частотах свыше 100 кгц переходное затухание превышает 15 неп. При таких частотах можно считать, что токонесущий экран окружен проводящей металлической средой, лишенной тока.
14-3. Заземление
При оборудовании в аппаратуре устройств заземления необходимо различать заземление двух видов: так называемую „батарейную землю" и „электростатическую землю".
308
Батарейная земля представляет собой проводники, посредством которых осуществляется соединение заземленного полюса станционной батареи с отдельными приборами и деталями на стойке. Батарейную землю следует считать нулевым потенциалом схем аппаратуры, поскольку именно с этой землей всегда соединяется минус батареи анода. К проводу, идущему от батарейной земли, присоединяются все чехлы ванн, блоков и заземляющие контакты на платах.
Электростатическая земля представляет собой проводники, которыми стойки и кабельросты соединяются с тем заземляющим устройством, к которому присоединен заземляемый полюс станционной батареи.
Существование двух систем заземления требует изоляции плат от стоек. Необходимость в двух системах заземления объясняется тем, что при соединении плат со стойкой тело этой последней, имеющее сравнительно большое сопротивление, может быть источником гальванической связи между цепями схем отдельных плат. Кроме того, присоединение стоек именно к электростатической земле объясняется тем, что в случае соединения их с одним из полюсов батареи может иметь место частичное стекание тока питания на батарею через соединенные со стойками и кабельростами стальные части здания, что может привести к коррозии металлических конструкций (эта возможность отпадает при питании аппаратуры переменным током).
Если стойки и кабельросты не соединены с металлическим каркасом здания и укреплены на сухом полу, от полного разделения батарейной и электростатической земли можно отказаться в пользу частичного их разделения, при котором оба заземляющих провода, ведущих от стойки к заземляющему устройству, объединяются в один.
Изоляцию плат от стоек следует проводить для всех видов высокочастотной дальней связи, исключением могут явиться только усилители тональной частоты и простейшие высокочастотные одноканальные системы. Наличие такой изоляции обеспечивает отсутствие гальванической связи между экранами отдельных плат и ванн.
Как указывалось выше, необходимо избегать заземления неуравновешенных систем в нескольких точках. С другой стороны, было также указано, что при наличии в экране разрывов заземление должно осуществляться непосредственно у этих последних, во всех же остальных случаях—в наиболее чувствительной точке схемы. Чтобы удовлетворить эти противоречивые требования, в трансформаторы, имеющиеся в тракте передачи (например на выходе усилителей), между первичной и вторичной обмотками вводят заземляемые электростатические экраны и тем самым разбивают тракт на несколько участков, заземляемых независимо.
309
co
о
Еелая (запасная)
Синяя (-2^ в) °)
Красная (^220в)
а> Шины
Каркас стойки
Изоляцион' ная прокладка
Фиг. 14-9
Плата
На фиг. 14-9, а показана принятая в настоящее время (кроме коаксиальной аппаратуры) система заземления. Эта система характеризуется неполным разделением батарейной и электростатической земель—проводники от тела стойки и от изолированных от нее плат присоединяются к одной из трех медных шин, расположенных в верхней части стойки и служащих для подачи питания (24 в и земля). На тот случай, когда в системе линейно-аппаратного зала потребуется полное разделение земель, предусматривается запасная шина, к которой присоединяется электростатическая земля.
На каждую плату, требующую заземления, подается отдельный провод от шины (ч-24, —220), окрашиваемой обычно в красный цвет. Этот провод присоединяется к одному из контактных перьев вводной гребенки платы, являющемуся основной точкой заземления цепей и экранов данной платы. Такая система заземления называется радиальной. Характерной ее особенностью является отсутствие замкнутых петель, образуемых экранами проводов неметаллическими частями каркаса.
На фиг. 14-9, б показана конструкция, позволяющая крепить платы на стойке с обеспечением электрической изоляции. Заземление каркаса стойки осуществляется через контактный лепесток, который крепится под болт крепления верхнего угла каркаса. Лепесток соединяется проводом с шиной (+ 24, —220). Кожухи отдельных блоков заземляются через контактные лепестки, зажимаемые под винт крепления крышки (фиг. 14-9, в).
Для заземления металлических чехлов полуфабрикатов и сердечников трансформаторов на плате (конструкция без блоков или смешанная) устанавливается колонка с контактными лепестками, которая соединяется с заземленным пером вводной гребенки (фиг. 14-9, г). При наличии большого числа заземляемых объектов лепестки заменяются облуженной латунной контактной воронкой (фиг. 14-9, д).
При использовании монтажных проводников, снабженных экраном, к одному из концов экрана припаивается мягкий монтажный провод марки МБДЛ или МЩДЛ, который при включении кабеля межпанельных соединений присоединяется к земляному перу вводной гребенки платы (фиг. 14-9, е).
В последнее время в аппаратуре, использующей весьма высокие частоты и большие усиления, начинает входить в практику осуществление заземлений подпайкой непосредственно к высадкам на панелях, прорубаемым вблизи заземляемых углов схемы (фиг. 14-9, д).
14-4. Магнитное экранирование
Как указывалось в § 14-1, магнитные экраны применяются только при низких частотах. Наилучшие результаты получаются при использовании материалов с высокой магнитной проницае
311
мостью. Результаты экранирования примерно одинаковы как при экранировании источника помехи, так и при экранировании объекта, подвергающегося помехам.
Точный расчет затухания экранирования возможен только для полого шара и бесконечного цилиндра (формулы этих расчетов приведены в приложении 14-1). В приложении 14-2 даны нормы перехода к техническим конструкциям. Получающиеся при этом показатели затухания экранирования носят приближенный характер и позволяют лишь оценивать порядок этой величины. Указанные формулы тем точнее, чем меньше сер-
дечник экранируемого объекта (если таковой имеется) шунтирует магнитную цепь экрана, т. е. чем просторнее экран. Затухание магнитного экранирования при частотах выше предельной частоты магнитного листа заданной толщины уменьшается с увеличением частоты. Объясняется это тем, что действующая магнитная проницаемость материала при этих частотах падает с увеличением частоты.
При экранировании на повышенных частотах предельную частоту листа повышают путем подразделения его на тонкие листы.
Следует также избегать воздушных зазоров на пути магнитных силовых линий в экране (сварка швом или очень тесная точечная сварка). Швы желательно располагать так, чтобы они были ориентированы вдоль силовых линий. Крышки на экранирующих коробках должны насаживаться без зазоров и с широким перекрытием.
Если необходимо получить очень высокое значение затухания экранирования, применяют многослойные экраны. Оптимальные соотношения размеров такого экрана (фиг. 14-10, а, на которой представлен разрез шара или достаточно длинного
312
цилиндра) могут шения: быть определены из следующего СООТНО- СИ Г2 ^2 ЛЗ #3 /1 л о\ г. г,- я,-- (!4-8)
Затухание двуслойного экрана равно:
Вэ=В91 + Вэ2+ 1н[1--^3] [неп], (14-9)
где ВЭ1 и Вэ2—затухания, вычисленные отдельно для каждого из двух экранов.
14-5. Электромагнитное экранирование
Для обеспечения эффективности электромагнитного экранирования толщина материала экрана должна быть больше так называемой толщины эквивалентного токонесущего слоя, обусловленного поверхностным эффектом. Эта толщина равна толщине стенок полого проводника, сопротивление которого постоянному току равно сопротивлению переменному току некоторого сплошного проводника, равного ему по наружным размерам.
Из теоретической электротехники известно, что толщина эквивалентного токонесущего слоя равна:
Я = [мм], (14-10)
0,02 л |/ fv.omH \ >
где
/—частота [кгц];
р—удельное сопротивление [ом^мм^м];
^отн—относительная магнитная проницаемость.
На фиг. 14-11 показаны графики зависимости от частоты величины ft для различных материалов. Вихревые токи вытесняются на обращенную к источнику помехи наружную сторону экрана. В сторону внутренней поверхности экрана магнитное поле в проводнике может быть вычислено по формуле
Нх = Нйе~\ (14-11)
где Нх—напряженность поля на расстоянии х от наружной поверхности, измеряется в тех же единицах, что и ft, //0—напряженность поля на этой последней.
Таким образом, напряженность быстро падает с увеличением л—на внутренней поверхности толстого экрана, при достаточно высоких частотах, магнитное поле отсутствует.
313
Величина л=8, соответствующая уменьшению поля в 100 раз, называется глубиной проникновения. Из формулы (14-11) вытекает, что эта величина равна:
8=4,6». (14-12)
При х=» поле уменьшается, согласно формуле (14-11), в е раз, т. е. поле на расстоянии » от поверхности составляет —=0,37 начального значения.
Степень электромагнитного экранирования может быть оцениваема по величине затухания экранирования, равной
Вэ=Лп
Но
Hi
где
Hi—напряженность поля у внутренней поверхности данного экрана при наличии извне его некоторой помехи;
HQ—напряженность поля, которая имела бы место в этой точке при отсутствии экрана.
При однородности полей внутри экрана и вне его затухание экранирования определяется отношением мешающего поля к полю за экраном. Для этих условий Каденом были выведены формулы для подсчета затухания экранирования, вносимого экранами простейших исходных форм (параллельные плоскости, бесконечно длинный цилиндр, полый шар). В приложении
314
14-3 дан график, составленный Каденом на основе этих формул и позволяющий определить затухание экранирования в зависимости от толщины экрана d, его диаметра или ширины Z), ве-личин ft и у.отн.
При переходе к реальным конструкциям следует пользоваться приложением 14-2, с оговорками, аналогичными случаю магнитных экранов. Подсчеты показывают, что для надежного экранирования толщина экрана должна быть по крайней мере в два-три раза больше толщины эквивалентного проводящего слоя. Щели и швы в электромагнитных экранах, если их нельзя избежать (они, например, неизбежны при выводе наружу концов экранируемой схемы), должны быть ориентированы по возможности перпендикулярно к линиям вихревого поля, т. е. параллельно путям вихревых токов в экране. Крышки на экранирующих коробках должны быть припаяны или, в крайнем случае, приварены.
Иногда требуется определить затухание экранирования двух рядом стоящих экранов (например при устранении связи между рядом расположенными катушками). В этом случае затухания отдельных экранов складываются.
Для экранирования в весьма широком диапазоне частот, охватывающем как самые низкие частоты, так и более высокие, применяются сложные экраны, состоящие из двух слоев меди или алюминия, между которыми без зазора помещен слой ферромагнитного материала (например пермаллоя). Размеры слоев выбираются в зависимости от того, в каком диапазоне желательно получить наилучшее экранирование.
При требовании наилучшего экранирования на низких частотах, при которых поверхностный эффект отсутствует и толщина общего экрана меньше толщины эквивалентного проводящего слоя, все три экрана берутся с одинаковой толщиной.
При требовании наилучшего экранирования на высоких частотах, на которых поверхностный эффект проявляется полностью, толщину ферромагнитного экрана берут равной толщине эквивалентного слоя для меди, медные же экраны берут с одинаковой толщиной, значительно превышающей величину Я.
Общая толщина сложного экрана может быть определена по приведенному в приложении 14-4 графику Кадена, аналогичному графику приложения 14-3. График приложения 14-4 составлен для случая одинаковой толщины всех трех экранов. Общая толщина, равная утроенной толщине одиночного слоя, находится по заданной величине затухания, относительной проницаемости ферромагнитной прокладки (при заданной частоте) и по внутреннему радиусу экрана (фиг. 14-10,6).
В заключение укажем, что при осуществлении сложного экрана надо учитывать взаимную противоречивость указаний о расположении стыков, швов и щелей для магнитных и электромагнитных экранов.
315
Глава пятнадцатая
МОНТАЖ
15-1. Общие сведения
В настоящей главе приводится описание основных производственных процессов монтажа как отдельных узлов аппаратуры, так и станций; кроме того, даются некоторые рекомендации в части его выполнения. Сведения эти необходимы для конструктора, который должен учесть все особенности монтажа при конструировании аппаратуры.
Монтаж узлов аппаратуры дальней связи (блоков, блочных ванн и плат) может производиться как жесткими проводами-перемычками, так и с помощью мягких монтажных проводов. Во втором случае провода на пути их общего параллельного пробега группируются в пучок, образуя соединительный кабель.
Применение того или иного способа монтажа определяется главным образом рабочим спектром частот данного узла и возможностью взаимного влияния его отдельных цепей друг на друга. В ряде случаев целесообразно применять оба способа монтажа: жесткий для прокладки частотных цепей и мягкий, в виде отдельного кабеля, для цепей питания, заземления и сигнализации. Иногда выбор способа монтажа определяется эксплуатационными соображениями, в результате чего обеспечивается наибольшее удобство обслуживания.
Монтаж стоек и станций аппаратуры всегда осуществляется мягким кабелем, при этом вопросы устранения взаимного влияния цепей решаются применением экранированных проводов с соответствующими параметрами.
Исходным документом для осуществления монтажа любого узла или стойки аппаратуры является электромонтажная схема, на которой указываются все необходимые соединения и, кроме того, даны дополнительные указания по осуществлению монтажа.
15-2. Жесткий монтаж узлов аппаратуры
Жесткий монтаж является наиболее простым как в смысле его осуществления, так и с точки зрения объема подготовительных работ. Для проведения монтажа какого-либо узла необходимо иметь полностью собранный узел, а также его электромонтажную схему.
Жесткий монтаж производится медным голым или изолированным проводом, диаметр которого выбирается в соответствии
а) с плотностью тока в данной цепи из расчета от 2 до 5 а на 1 мм2,
б) с длиной соединительного провода и необходимой жесткостью данного соединения.
316
Самыми употребительными являются провода с диаметрами по меди 0,8, 1,0 и реже 1,5 мм. Применение для монтажа голого провода допустимо только для цепей заземления и низкого напряжения, где случайное замыкание их на корпус не опасно. Кроме того, можно применять голый провод и для других (коротких) цепей, если замыкание их на землю и между собой исключается. Все остальные цепи рекомендуется выполнять изолированным проводом или голым проводом, заключенным в линоксиновую трубку.
При жестком монтаже низкочастотных узлов (применяется при небольшом количестве цепей) основное внимание должно уделяться надежности паек и жесткости соединений, гарантирующей невозможность излома проводов и контактных перьев деталей.
Сортамент и размеры голых медных проводов и линоксино-вых трубок, применяемых при монтаже, приведены в приложении 15-1.
При монтаже высокочастотных узлов возникают дополнительные требования в отношении допустимой длины некоторых цепей параллельного пробега цепей, а также их взаимного расположения. Если при монтаже низкочастотных узлов допустимо за счет некоторого удлинения соединительных проводов, чтобы большинство цепей лежало на плоскости платы, то при монтаже высокочастотных узлов длину соединительных проводов приходится сокращать до минимума, прокладывая их кратчайшим путем. Монтаж располагается на уровне контактных перьев деталей, что значительно ухудшает доступ к отдельным элементам узла при их осмотре, регулировке или замене. Устранение этого недостатка может быть достигнуто применением более длинного, но экранированного провода, расположенного вдоль платы. Такая замена возможна только в том случае, если величина емкости провода по отношению к экрану (соединенному с корпусом) не превышает величины, допустимой для данного случая.
При жестком монтаже на блочных ваннах следует обращать особое внимание на расположение перемычек монтажа, которое должно обеспечивать легкий доступ к перьям блоков и вынимание любого блока без нарушения монтажных соединений на соседних блоках. Внутренний монтаж блоков, характерной особенностью которых является объемное и весьма компактное расположение деталей, выполняется отдельными перемычками, но мягким монтажным проводом марок МБДЛ и МШДЛ. Электрические данные и размеры этих типов проводов приведены в приложении 15-2.
На практике часто встречаются случаи, когда отдельные части узла должны иметь возможность легко разниматься или поворачиваться без нарушения соединений монтажа. К таким узлам относятся платы с коммутационными деталями, индика
317
торными и измерительными приборами и релейными устройствами.
Если по условиям работы схемы съемная (или поворачиваемая) часть устройства должна быть соединена с остальной частью жестким монтажом, последний должен быть выполнен в виде одного или нескольких слабо связанных жгутов, жестко прикрепленных к основной и съемной (поворотной) частям конструкции. Для того чтобы разъемные части конструкции могли быть разнесены на необходимое расстояние, соединяющие их цепи должны быть выполнены с необходимым запасом по длине, которому придается форма петли.
Во всех остальных случаях, особенно когда количество соединительных проводов в такой петле велико и отсутствует требование к обособленности цепей, монтаж выполняется мягким монтажным проводом марки МБДЛ или МШДЛ, причем петле придается форма, обеспечивающая при ее выпрямлении некоторое скручивание жгута относительно его продольной оси. Скручивание проводов при разгибании петли, как показал опыт эксплуатации, предохраняет провода от излома.
15-3. Мягкий монтаж узлов аппаратуры
Мягкий монтаж, который производится сравнительно тонкими одножильными проводами марок МБДЛ, МШДЛ или с помощью одножильных проводов с резиновой изоляцией* находит весьма широкое применение при монтаже узлов аппаратуры дальней связи. Мягким монтажом, как правило, осуществляются все цепи постоянного тока и тока низкой частоты.
Мягкий монтаж цепей высокой частоты выполняется парным экранированным проводом гибкой конструкции. Характерной особенностью этого монтажа является его компактность, благодаря которой обеспечивается легкий доступ к деталям устройства. Другой особенностью мягкого монтажа является необходимость предварительного изготовления соединительного кабеля, в соответствии с данными конструкции и монтажной схемой узла.
Заготовка кабелей производится на шаблонах, которые изготовляются в масштабе 1 : 1 к линейным размерам узла, с учетом взаимного расположения, размеров деталей и конфигурации кабеля. Шаблон обычно изготовляется на деревянной доске. При весьма большом числе кабелей доски покрываются листовым материалом из мягкого металла. На поверхности металла вычерчивается конфигурация кабеля с учетом его изгибов, подъемов, а также линейных размеров не только отдельных частей, но и необходимой длины концевых проводов. На изготовленный таким способом чертеж кабеля во всех местах его изгиба, подъема, ответвления и разветвления отростков на отдельные провода набиваются стальные штифты без шляпок..
318
Дальнейший процесс изготовления кабеля сводится к раскладке проводов на шаблоне между штифтами, закреплению их на штифтах и скреплению (шитью) кабеля нитками. Кабель скрепляется прочной вощеной ниткой с шагом петли 15—2 0 .мл/, после чего он снимается с шаблона, оборачивается с 50% перекрытием лентой из лакоткани и поступает на укладку и крепление в конструкцию узла для последующего включения.
При изготовлении кабелей для узлов, содержащих некоторое количество однотипных деталей с многократно повторяющейся комбинацией соединения, удобно применять провода с изоляцией нескольких расцветок, что значительно облегчает раскладку, включение кабеля и представляет известные удобства для эксплуатации.
При вычерчивании шаблонов для тонких кабелей часто применяют трафареты из листового материала (стали или латуни). Трафареты дают возможность быстро вычертить разводку отдельных цепей отростка кабеля на контактные перья типовых деталей коммутации: ключей, кнопочных переключателей, телефонных реле и других деталей. Это дает значительную экономию во времени.
Покрытие шаблона мягким металлом позволяет выгравировать или набить около штифтов нестирающиеся в процессе вязки и шитья кабелей обозначения, соответствующие схеме. Иногда при изготовлении шаблонов (для узлов с большим числом соединительных цепей, подключенных к одним и тем же точкам) более удобно вместо набивки штифтов делать в. шаблоне соответствующее число крупных отверстий, в которые опускаются провода.
Шаблоны для кабелей узлов мелкосерийного выпуска обычно изготовляются на доске с бумажной или картонной подкладкой, которая после изготовления кабеля снимается с доски и хранится до момента производства следующей серии. В последнее время на промышленных предприятиях шаблоны кабелей стали оформляться так же, как и чертежи, с хранением оригинала и копий в архиве.
При монтаже сложных узлов аппаратуры иногда, вследствие особых требований к защищенности цепей и особенностям конструкции, электрические соединения приходится разбивать на два (или более) кабеля, которые изготовляются описанным выше способом, а включение производится в последовательности, удобной для производства.
Ввиду того что конфигурация соединительного кабеля, иногде сложна и имеет перегибы, при которых пучок работает на сгиб и скручивание (при съемных или откидных частях узла), у монтажных проводов марок МБДЛ и МШДЛ возможно частичное нарушение наружного лакового покрытия, что со временем может привести к значительному снижению сопротивления изоляции. В таких кабелях цепи анодного напряже-
319
ния рекомендуется выполнять одножильным или многожильным проводом с резиновой изоляцией. В данном случае наиболее удобными являются монтажные провода марки МР, ПРГ и ШР, электрические и размерные данные которых приведены в приложениях 15-3 и 15-4. Эти же провода следует применять при монтаже цепей с напряжением свыше 220 в.
Подключение кабеля к контактным перьям деталей узла является весьма ответственной операцией, в значительной степени определяющей устойчивость его работы. Включение кабеля сводится к следующим операциям
а) укладке и закреплению кабеля в конструкции (для этой цели часто приходится предусматривать крепящие скобы или кронштейны, к которым привязывается кабель);
б) разводке его отростков к отдельным деталям и концов отростков по контактным перьям деталей;
в) обрезанию включаемых проводов кабеля под требуемую длину с учетом необходимого запаса (в соответствии с указаниями схемы), сообразуясь с расположением их по месту;
г) зачистке изоляции проводов кабеля специальным зубчатым пинцетом, обеспечивающим отсутствие поперечных надрезов на металлической жиле провода (или обжигании изоляции специальными обжигалками);
д) лужение зачищенных концов кабеля припоем ПОС-40;1 е) впаиванию облуженных концов кабеля в контактные перья деталей припоем ПОС-40.
Качество выполнения последней операции имеет весьма существенное значение для устойчивой работы узла, так как ненадежные, качающиеся пайки дают переменный контакт, который со временем, в результате окисления провода и припоя, приводит к полному нарушению цепи. Поэтому большинство предприятий ввело в практику проверку паяных контактов и окраску их цветным лаком, который при качании провода или пайки дает четко выделяющийся излом лаковой пленки. Кроме того, наличие окраски на пайке свидетельствует о ее проверке.
В последнее время появилась идея замены паяных соединений соединениями, осуществляемыми путем весьма плотной намотки зачищенных концов монтажного проводника на контактные перья. Контактным перьям придается квадратное или прямоугольное сечение. Намотка концов проводника ведется под большим натяжением. Она производится специальными пневматическими или электрическими машинами пистолетного типа. „Дуло“ пистолета надевается на контактный вывод и фиксирует его. Конец проводника, вводимый в прорез дула, наворачивается на вывод,
1 Следует отметить, что при массовохм изготовлении однотипных кабелей, изготовляемых с учетом необходимой длины отдельных концов, операции по пунктам в), г) и д) обычно производят до укладки кабеля в конструкцию.
320
образуя несколько весьма плотных витков. Прямоугольные ребра контактного вывода (пера) врезаются во внутренние обводы витков монтажного провода и обеспечивают герметичный и весьма надежный контакт.
Вторым весьма важным новшеством в области монтажа является замена пайки сваркой, производимой специальными сварочными клещами. Внедрение этого метода встречается с известными трудностями при монтаже тонких проводов, сечение которых у места приварки ослабляется из-за давления сварочных клещей. При необходимости разъединения сварного контакта провод приходится обрезать и приваривать после наращивания заново. Наращивания можно избежать, предусмотрев небольшие запасные петли.
В радиотехнической аппаратуре крупносерийного производства в последнее время находит применение монтаж по методу „печатных схем". Согласно этому методу схема изготовляется на плоских пластинах или платах из изоляционного материала (пластмассы, керамики). На поверхность пластин металлизацией, осуществляемой различными способами, наносятся все необходимые монтажные соединения. Посредством специальных проводящих лаков можно осуществлять значительное количество полуфабрикатов: катушки индуктивности, конденсаторы и сопротивления. Элементы, которые не могут быть изготовлены печатным способом (электронные лампы, электрические конденсаторы, некоторые трансформаторы и т. п.), устанавливаются на пластинах дополнительно.
Кроме значительного уменьшения габаритов аппаратуры при конструировании ее этим методом, достигается еще и значительное сокращение трудоемкости сборки и монтажа, а также полная идентичность отдельных экземпляров схемы. Эта особенность может оказаться полезной, например, при монтаже усилителей коаксиальных систем и некоторых фильтров, электрический расчет которых ведется со строгим учетом паразитных и монтажных емкостей. Значительная часть процессов, связанных с изготовлением узлов и их проверкой, может быть автоматизирована.
Недостатками аппаратуры, изготовленной методом печатных схем, являются затруднения при исправлении брака в процессе производства, ремонте аппаратуры при эксплуатации, а также трудности нанесения на плату конденсаторов и катушек с большими номиналами емкости и индуктивности.
15-4. Кабели межпанельных соединений
Порядок изготовления, укладки и включения кабеля межпанельных соединений полностью совпадает с порядком аналогичных операций при изготовлении кабелей для узлов аппаратуры.
21 Зак. № 1£9
321
Характерной особенностью этого типа кабелей часто является большая протяженность параллельного пробега цепей, в результате чего на этих участках, вследствие наводок со стороны цепей с высоким уровнем передачи, на цепях с низкими уровнями передачи возникают мешающие напряжения. Появление этих напряжений может также происходить за счет влияния низкочастотных цепей с высоким уровнем (ток 50 гц, пульсирующий ток, отдельные импульсы). Одним из методов устранения таких дефектов является экранирование этих цепей с помощью металлических оплеток (см. приложение 15-5) или применение специального парного экранированного провода марки РВЧС-160. Конструкции проводов этой марки приведены на фиг. 15-1, а электрические данные — в приложении 15-6.
Медная жило
из резины проволок
Фиг. 15-1
Провод имеет две медные луженые жилы диаметром 0,7 мм в резиновой изоляции, скрученные с шагом 25 мм. Скрученная пара опрессована круглой резиной, поверх которой надета оплетка из медных проволок, соединяемая при монтаже с точкой заземления, а затем оплетка из хлопчатобумажных ниток.
Провода РВЧС-60 и РВЧС-160 рассчитаны для работы, соответственно, в диапазоне частот до 60 и 160 кгц, имеют в среднем наружные диаметры 8 и 10,5 мм, величину емкости между проводами (при длине в 1 м) 25—30 и 15—20 пф. Волновое сопротивление провода РВЧС-160 равно 135 ом, что принято в групповых трактах всех 12-канальных систем.
Значительное уменьшение мешающих влияний между цепями достигается также путем выделения экранированных частотных цепей в самостоятельный кабель. Это удобно и по производственным соображениям, так как изготовлению кабеля из экранированных проводов предшествует заготовка кусков необходимой длины и заделка концов, тогда как кабель цепей низкой частоты, питания и заземления может быть разложен проводами марки МБДЛ и МШДЛ, сматываемыми прямо 0 катушек.
Иногда по конструктивным и производственным соображениям оказывается удобным перед укладкой нескольких кабелей в вертикаль стойки скрепить их вместе. При этом должна 322
быть заранее учтена возможная величина переходного затухания между цепями этих кабелей. Совместное крепление кабелей чаще всего приходится делать в том случае, когда каждый из них занимает по высоте только часть вертикали стойки и между ними имеется разрыв. В таком случае свободное пространство между скрепляемыми кабелями заполняется искусственным жгутом из изолированной проволоки, являющейся отходом производства, а жгут привязывается к тому и другому кабелю. В результате образуется один, более удобный для крепления кабель.
Для прокладки низкочастотных цепей спектра до 3—5 кгц обычно применяют провод марки МБДЛ или МШДЛ, скрученный в пару с шагом 15—20 мм, или парный экранированный, конструкция которого показана на фиг. 15-1.
При изготовлении высокочастотных кабелей иногда задается взаимное расположение некоторых цепей в нем, на что следует обращать внимание, так как переходное затухание между цепями в зависимости от расстояния между ними (в пределах нескольких сантиметров) возрастает весьма резко. Таким образом, незначительное изменение расстояния между двумя параллельно прокладываемыми цепями может сильно повысить переходное затухание между ними.
При конструировании аппаратуры, как было указано выше, входы и выходы плат, расположенных на стойке, стараются спроектировать так, чтобы цепи межпанельного кабеля, соединяющие их, лежали в одной правой или левой вертикали и не ответвлялись в кабель другой вертикали. Если при проектировании кабеля межпанельных соединений такая необходимость все же возникает, то так называемый переход осуществляют на уровне свободного, не занятого платой места, прикрываемого каркасом по форме обычной платы и снабженного типовым съемным чехлом.
Ввиду того что на стойках аппаратуры дальней связи размещается значительное количество коммутационных и вспомогательных устройств, которые при эксплуатации требуют их снятия со стойки для осмотра, чистки и регулировки, отростки кабеля к таким устройствам делают с необходимым запасом, обеспечивающим их снятие без отключения монтажа. Практика эксплуатации аппаратуры показала, что наиболее удобным вариантом включения съемных узлов является их подключение только с левой стороны. При этом запас кабеля по длине должен быть таким, чтобы снятый узел мог быть положен на столик стойки.
Форма петли запаса кабеля, как указывалось выше, должна быть такой, чтобы при отделении платы от стойки она работала не только на растягивание, но и на скручивание, благодаря чему провода петли предохраняются от излома. В последнее время в эксплуатации вошло в практику постепенное
21*
323
наращивание оборудования на стойках станции, а поэтому появилась необходимость предварительного изготовления кабелей межпанельных соединений на полную емкость оборудования стоек, но с частичным его включением на производстве. Полное включение цепей кабеля происходит по мере установки оборудования на стойках в условиях эксплуатации.
Для получения весьма высоких переходных затуханий инж. В. Г. Черных было сделано предложение не концентрировать межпанельный монтаж в вертикалях стойки, а разносить его на ряд кабелей, расположенных между вертикалями. Предложение это весьма рационально, но требует некоторого изменения общепринятой конструкции стоек и плат.
15-5. Кабели межстоечных соединений
Кабели межстоечных соединений (станционных), ввиду отсутствия в настоящее время типового, утвержденного расположения аппаратуры в линейно-аппаратных залах, обычно выполняются в местах установки аппаратуры по ориентировочным в отношении расположения стоек схемам.
Материалами для кабелей межстоечных соединений являются те же марки проводов, которые применяются при изготовлении кабелей межпанельных соединений. Группирование соединительных проводов в кабели производится по принципу получения возможно более высоких переходных затуханий между ними, что достигается разносом кабелей и отдельных цепей их в пределах ширины кабельроста.
Подробные указания в части установки, монтажа и настройки станции обычно даются в специальной инструкции, которой и руководствуются при осуществлении межстоечного монтажа станции.
Глава шестнадцатая
СХЕМНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ, НЕОБХОДИМАЯ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ АППАРАТУРЫ
При решении вопросов, связанных с схемно-конструктивным проектированием, приходится в основном иметь дело с документами схемного характера, эскизными чертежами и весьма редко—с чертежами, приближающимися по своей законченности к производственным.
Эскизными чертежами называются такие, которые дают только общее представление о конструкции, с указанием основных размеров и взаимного размещения отдельных устройств данной конструкции, и являются исходным материалом (заданием) для дальнейшей разработки.
324
На вход фильтра К-33 стойки в К
Кфильтрам К-88 направлен ил 84
Фиг. 16-1
На вход тильтра К-33 стойки 8К
К фильтрам Н~88 направления 84
При разработке какого-либо узла или устройства аппаратуры связи наряду с разработкой его эскизных чертежей приходится создавать ряд документов схемного характера, каждый из которых имеет определенное назначение.
Электрические схемы устройств дальней связи по своему назначению подразделяются на следующие разновидности:
1) блочные (скелетные) схемы (СхБ);
2) принципиальные схемы (СхЭ);
3) электромонтажные схемы (СхМ).
16-1. Блок-схемы (скелетные)
Блок-схемами устройств связи называются такие схемы, в которых отдельные элементы схемы и даже узлы изображаются графически в виде прямоугольников, в пределах которых (или около них) наносятся условные знаки или надписи, определяющие их назначение.
Взаимные соединения между элементами выполняются соответственно принципу действия данного устройства; они могут быть указаны однопроводно (одной линией) или, при необходимости указания уравновешенных участков схемы, двухпро-водно (двумя линиями).
Блок-схема должна давать только общее представление об устройстве, содержать лишь основные элементы, определяющие принцип его действия и приближенный состав оборудования. Блок-схемы, являющиеся исходным документом для детальной разработки любого вида аппаратуры связи, и в то же время могут являться и самостоятельными документами. Это обстоятельство имеет место в том случае, если блок-схема устройства связи служит приложением к разработанному эскизному проекту или общему разделу описания устройства.
Блок-схемы, на которых в трактах приема и передачи нанесены значения уровней передачи, весьма удобны в эксплуатационных условиях и поэтому обычно входят в состав схемноописательного материала, прилагаемого к аппаратуре. На фиг. 16-1 показано графическое оформление блок схемы низкочастотного направления промежуточной станции аппаратуры В-12.
16-2. Принципиальные схемы
Основным видом схем, которые приходится создавать при разработке аппаратуры дальней связи, являются принципиальные схемы. Этот вид схем по своей полноте и законченности служит не только производственно-техническим, но и эксплуатационным документом.
На принципиальной схеме, кроме изображаемых на ней цепей, обычно наносятся обозначения, определяющие некоторые конструктивные данные устройства. Так, например, на прин
326
ципиальной схеме какого-либо узла аппаратуры, в конструктивном отношении представляющего собой совокупность элементарных самостоятельных узлов, объединенных в общую конструкцию, пунктирными линиями выделяются те части схемы, которые в конструктивном отношении являются обособленными.
Ввиду того что принципиальная схема является исходным документом для разработки остальной производственно-технической документации (электромонтажных схем, инструкций, описанийит. д.), на ней должны быть указаны все схемные обозначения элементов, нумерация монтажных перьев, а также надписи и гравировки в соответствии с чертежами ее элементов.
На принципиальных схемах относительно несложных узлов наряду со схемным обозначением элементов рекомендуется указывать их номинальные величины, что облегчает уяснение принципа ее работы, а в эксплуатационных условиях позволяет быстрее ориентироваться в устройстве во время исправления повреждений.
Пример оформления принципиальной схемы двухлампового усилителя показан на фиг. 16-2.
В том случае, если ’схема является сложной
Фиг. 16-2
327
по содержанию и достаточно плотной по своему выполнению, то на ней наносятся только схемные обозначения элементов, а номинальные значения их указываются в таблице, располагаемой на этой .же схеме или отдельно. Следует иметь в виду, что указанные таблицы не являются производственными документами, вследствие недостаточной полноты и точности данных, и предназначены в качестве справочного материала для эксплуатации.
Принципиальные схемы сложных устройств, к которым относятся отдельные стойки аппаратуры и станции, обычно выполняют следующим образом. Отдельные устройства стойки (станции) на общей схеме изображают в виде прямоугольников. В пределах каждого прямоугольника или около него указывают номер соответствующей этому устройству принципиальной и электромонтажной схемы, вся же общая часть схемы стойки (станции), состоящая из устройств токораспределения, защиты, сигнализации и в некоторых случаях устройств служебной связи, на схеме указывается полностью.
16-3. Электромонтажные схемы
Электромонтажными схемами устройств связи называются схемы, по которым производятся электрический монтаж устройства и их первая производственно-техническая проверка (так называемая прозвонка).
Условные изображения деталей на электромонтажной схеме располагают в возможно точном соответствии с конструкцией устройства в отношении их взаимного расположения; отступления допускаются только в тех случаях, когда детали схемы конструктивно располагаются в нескольких плоскостях. При этом план расположения деталей на схеме должен быть выполнен так, чтобы каждая плоскость конструкции с расположенными на ней деталями была повернута или смещена для совмещения ее с плоскостью чертежа.
Ввиду того что нормализованных условных изображений электрических полуфабрикатов для электромонтажных схем не существует, они изображаются в виде упрощенных контуров-полуфабрикатов с обозначенными на них монтажными перьями и гравировками, или надписями около них. Отсутствие нормализованных условных графических изображений для этих схем объясняется тем, что один и тот же электрический полуфабрикат может иметь различное конструктивное оформление.
При разработке электромонтажных схем простых узлов аппаратуры, в которых количество элементов невелико, взаимные соединения между ними целесообразно показывать в виде соединяющих их линий.
Пример выполнения электромонтажной схемы однолампового-узла блочной конструкции с расположением элементов на не-328
ТО-1
Фиг. 16-3
329
скольких плоскостях показан на фиг. 16-3. Этот же способ применяется и тогда, когда монтаж выполняется жестким проводом и задается взаимное расположение проводов.
На электромонтажных схемах коммутационного оборудования и ламповых узлов низкой частоты соединения между деталями часто показывают в виде кабеля, связанного из мягких монтажных проводов, с помощью которых осуществлено соединение перьев отдельных элементов схемы или составляющих ее блоков. Все цепи такого кабеля нумеруются, а порядок подключения цепей к перьям элементов или составляющим схему блокам записывается в таблицу, которая может быть совмещена со схемой или выполнена отдельно.
В качестве примера (фиг. 16-4) приводится электромонтажная схема усилителя, принципиальная схема которого указана на фиг. 16-2.
Каждая цепь кабеля в начале и конце отмечается присвоенным ей номером. Кроме того, при необходимости в таблице и около провода можё*г быть указана его расцветка.
В электромонтажных схемах ламповых и других высокочастотных узлов часто приходится применять оба способа монтажа: жесткий—для прокладки частотных цепей и мягкий—для цепей питания и заземления. В этом случае оформление схемы полностью аналогично указанным выше случаям, с той лишь разницей, что для однотипности соединения жесткого монтажа также нумеруются и под присвоенными им номерами заносятся в отдельную графу „жесткие перемычки“ в той же таблице.
Некоторой разновидностью электромонтажных схем являются схемы межпанельных соединений, с помощью которых осуществляется взаимное соединение плат в пределах стойки.
Схемы этих соединений также проектируются с применением кабеля и оформляются по табличному способу, так как он обеспечивает наименьшие размеры схем и, кроме того, прилагаемая к схеме таблица дает возможность производить раскладку кабеля на шаблоне при его изготовлении.
Для стоек с односторонним покрытием платами схема представляет собой фасадное изображение стойки с указанием всех плат и тех коммутационных деталей, к которым должно быть произведено подключение цепей межпанельного кабеля. Размеры плат на фасадном чертеже обычно выполняются без соблюдения относительного масштаба, но с учетом свободного размещения условных изображений вводных гребенок и других участвующих в монтаже деталей; этим достигается возможно более четкое начертание соединительных цепей. С правой и левой сторон фасадного чертежа стойки наносятся кабели, монтажные концы которых подводятся к перьям вводных гребенок в соответствии с принципиальной схемой стойки.
330
№ цепи Деталь № пера Деталь № пера Марка и 0 провода № цепи Деталь № пера Деталь № пера Марка и 0 провода
1 I А 1 Бл. вых. в() МБДЛ 0,5 7 Бл. мл. А! Бл. вх. п МБДЛ 0,5
Бл. мл. В-, Бл. мл. Вь МБДЛ 0.5 8 А2 ff г3 МБДЛ 0,5
2 I А 3 „ вых. Во МБДЛ 0,8 Жесткие перемычки
3 I А 10 fl ff Ао МБДЛ 0,8 9 I А 5 Бл. вых. rt голый медный
Бл. мл. А6 „ ВХ. А6 МБДЛ 0,8 10 I А 6 ff ff г2 0 0,8 в линокс.
4 Бл.вых. , Ai „ мл. Bi МБДЛ 0,5 11 II А 5 „ вх. Ai трубке
5 а4 в4 МБДЛ 0.5 12 11 А 6 Ао
6 б- ВХ. В., МБДЛ 0,8
Фиг. 16-4
фиг. 1(3~5
Кабель N3
Плана вводных ?ре бонов
СДП
вязка кабеля 61
/Г цели Стойка Пл Дет. Стой: ка Пл. Дет Марка, прав.'
1 ВКС1 671 1 СПб 2 вхГ] 1жил. вжил. Зкр
2 ВКС1 ПТ1 3 спу 2 Bzft
3 8КС1 Л71
вязка кабеля У2
У цели Стойка Пл. Дет. Стойка Пл. Дет Марка проб.
1 8КС2 J1T1 1 СПб 2 fail} Зжил.г^ Зкр '§£»
2 ВХС2 ДТ1 3 СПЗ 2
3 ввез
вязка кабеля 63
6 цела Стоика Пл. Дет. Стойка Пл. Дет. Марка проб
1 СДП 1 А-1 СПУ 1 Гр.1 М6ДЛД8
2 СДП 1 А-2 СЛУ 1 Гр. 7 МбДЛОЬ
Фиг. 16-6
Перед нанесением на схему условных изображений кабеля необходимо произвести распределение цепей схемы по отдельным кабелям с учетом следующих моментов:
а) принадлежность цепей к правому или левому пакету в соответствии с конструкцией плат и их расположением на стойке;
б) разбивку цепей правого и левого пакетов на отдельные кабели необходимо производить с учетом наименьшего взаимного влияния между цепями (см. гл. 13), а также с учетом наиболее удобного и легкого изготовления кабелей.
Порядок составления таблицы соединительных цепей аналогичен таковому же для схемы фиг. 16-4.
Составление схемы стойки для случая двустороннего покрытия ее платами полностью аналогично случаю, рассмотренному выше, и отличается от него только дополнительным указанием на схеме расположения плат на задней стороне стойки, которую способом условного продольного расчленения разделяют на две части и располагают в плоскости чертежа.
Пример оформления электромонтажной межпанёльной схемы стойки групповых устройств (СГУ) аппаратуры В-12, имеющей двустороннее заполнение платами, показан на фиг. 16-5.
Аналогично описанным выше случаям производится составление и схем межстоечных (станционных) соединений, по которым осуществляется взаимное соединение стоек станции при ее монтаже на месте установки. В этом случае, так же как и в предыдущих, выбор типа соединительных проводов производится в соответствии с требованиями к защищенности цепей и ожидаемой плотностью тока.
В качестве образца такого типа схем на фиг. 16-6 приведена схема межстоечных соединений промежуточной станции аппаратуры типа К-12. На схеме указаны фасадное изображение стоек, соединительные кабели и порядок составления таблицы для них.
ЛИТЕРАТУРА i
1. Н. А. Баев и К. П. Егоров, Основы дальней связи, Связьиздат, 1948.
2. Н. П. Б о г о р о д и ц к и й, В. В. Пасынков, В. М. Т а р е е в, Электротехнические материалы, Госэнергоиздат, 1950.
3. Е. К. Л а ш е в, Слюда, Госстройиздат, 1948.
4. Г. А. Жиров, Конденсаторы, применяемые в радиотехнике, Госэнергоиздат, 1950.
5. Д. Г. Бедов, В. А. Виноградов и Н. Н. Куликов, Технология массового изготовления слюдяных и бумажных конденсаторов, Госэнергоиздат, 1950.
6. А. К. В а р д е н б у р г, Пластические массы в электропромышленности, Госэнергоиздат, 1950.
7. Н. П. Богородицкий и И. Д. Фридберг, Высокочастотные неорганические диэлектрики, „Советское радио , 1948.
8. В. Т. Ренне, Электрические конденсаторы, Госэнергоиздат, 1952.
9. Л. И. Рабкин и И. Н. Шольц, Магнитодиэлектрики и феррокатушки, Госэнергоиздат, 1946.
10. Г. С. Ц ы к и н, Трансформаторы низкой частоты, Связьиздат, 1950.
11. В. В. Усов, Металлы и сплавы в электротехнике, Госэнергоиздат, 1949.
12. Прейскурант оптовых цен на качественную сталь, Металлургиздат, 1949.
13. А. В. Шубников, Кварц и его применение, Изд. АН СССР, 1940.
14. А. Ф. П л о н с к и й, Пьезокварц в технике связи, Госэнергоиздат^ 1951.
15. А. Ф. Беляев и В. Н.'Логинов, Кристаллические детекторы и усилители, Госэнергоиздат, 1951.
16. А. П у ж а й, В. Гольденберг, Германиевые диоды, „Радио", 1953, № 5.
17. Г. В. Добровольский, Нелинейные искажения в катушках и. трансформаторах с ферромагнитным сердечником, Сб. научных работ по проводной связи, АН СССР, 1949.
18. А. С. Блохин, Нелинейные искажения, вызываемые ферромагнитными сердечниками при слабых полях, Сб. научных трудов ЦНИИС Министерства связи, 1948 и 1949.
19. Б. К. Мартьянов, Конструирование телефонной аппаратуры, Госэнергоиздат, 1949.
20. В. Б. Пестряков и Д. Д. Сачков, Конструирование деталей и узлов радиоаппаратуры, Госэнергоиздат, 1949.
21. Д. Д. Сачков, Конструирование радиоаппаратуры, Госэнергоиздат, 1951.
22. С. М. Плахотник, Технология производства радиоаппаратуры,. Госэнергоиздат, 1949.
1 В настоящем списке приведена только основная литература, использованная при составлении книги.
335
23. С. А. Я м а н о в, Д.' Д. С а ч к о в, Методы защиты радиодеталей от влаги, Госэнергоиздат, 1952.
24. Heritage, Metal Film Resistors, Electronic Engineering, July 1952.
25. R. F e 1 d t k e 11 e r, Einfiihrung in die Theorie der Spulen und Obertra -ger mit Eisenblechkernen—Hirzel, Stuttgart, 1949.
26. H a k, Eisenlose Drosselspulen, Kohler, Leipzig, 1938.
27. H. N о 11 e b г о c k, Bauelemente der Nachrichtentechnik—Widerstande, Kondensatoren, Spulen, Berlin, 1951.
28. R о h r m a n n, Berechnung der Induktivitat von Luftspulen, Elektrote-chnik, Mai 1951.
29. К о r n e t z k i, Die magnetischen Kennwerte von Spulen mit Topfkernen aus Masseeisen, Frequenz, Mai 1950.
30. Abraham, Progress in coaxial transmission systems, Transactions of the AIEE, Vol. 66.
31. Tiny transistor repeaters, Bell Laboratories Record, Apr. 1953.
32. Weinert, Die Schirmung in elektrischen Nachrichtengeraten, Funk u. Ton, Juli 1950, Vol. 4, № 7.
33. H. К a d e n, Die elektromagnetische Schirmung in der Fernmelde—und Hochfrequenztechnik, Springer Verlag, 1950.
34. H. A. Stone, Ferrite Core Inductors, The Bell System Technical Journal, March 1953.
35. Alley, A Review of New Magnetic Phenomena, The Bell System Technical Journal, Sept. 1953.
36. S a 1 p e t e r, Developpments in Sintered Magnetic Materials, Proceedings ,of the IRE, March 1954.
37. Miniaturization with Plastics, British Plastics, 24, 1951.
38. Potted circuits, Wireless World, 57, 1951.
39. T h u 1 i n, Precision Transformers for the L-3 system Bell Laboratories Record, Aug. 1954.
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-1
Данные манганиновых и нихромовых проводов для сопротивлений
Манганиновый провод Нихромовый провод
Номинальный диаметр, мм Сопротивление, ом[м Максимальный наружный диаметр, мм Ном и-наль-ный диаметр, мм Сопротивление, ом/м Номинальный диаметр, мм Со-про-тивле-ние, ом}м
ПЭШОМТ ПШДМТ МПТ
0,03 606 0,09 0,03 0,03 1530 1,о 1,38
0,05 220 0,135 — 0,05 0,05 551 1,1 1,14
0,06 152 0,145 — — 0,07 281 1,2 0,95
0,07 112 0,155 — — 0,08 215 1,3 0,81
0,08 81,0 0,165 — — 0,10 138 1,4 0,70
0,10 54,8 0,21 0,25 0,10 0,15 61,2 1,5 0,61
0,12 38,0 0,23 — — 0,20 34,4 1,6 0,54
0,15 24,3 0,26 0,30 — 0,25 22,0 1,7 0,47
0,18 16,9 0,29 — — 0,30 15,3 1,8 0,42
0,20 13,7 0,31 — 0,2 0,35 11,2 1,9 0,38
0,25 8,93 0,38 0,40 — 0,40 8,58 2,0 0,34
0,30 6,22 0,43 0,46 — 0,45 6,78 2,25 0,27
0,40 3,50 0,54 — 0,4 0,50 5,51 2,50 0,22
0,50 2,24 0,65 0,67 0,5 0,60 3,82 2,75 0,18
0,60 1,52 0,76 — — 0,70 2,81 3,0 0,15
0,80 0,854 0,97 — — 0,80 2,15 — —
1,00 0,548 1,19 — — 0,90 1,70 — —
ПЭШОМТ—провод манганиновый, эмалированный, в однослойной шелковой обмотке, твердый.
ПШДМТ—провод манганиновый, изолированный двумя слоями шелка, твердый.
МПТ—провод манганиновый, голый, твердый.
Примечания. 1. Температурный коэффициент манганина в интервале температур от 0 до 100° С:
для провода класса А я я я Б
от 3 • 10~5 до 4 • 10—5 ом на 1°С „ 6 • 10—5 ом на 1°
2. Активное сопротивление при 20° С провода длиной 1 м при сечении 1 мм2 должно быть в пределах 0,43—0,5 ом.
22 Зак. № 129
337
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-2
Данные константановых проводов для сопротивлений
Номинальный диаметр, мм Сопротивление, ом]м Максимальный наружный диаметр, мм
ПК ПЭК ПШДК ПЭШОК ПШОК
0,03 693,0 0,03 0,08
0,05 248,0 0,05 0,075 0,17 0,135
0,06 163,0 0,06 — 0,18 0,145
0,07 127,0 0,07 0,095 0,19 0,155 —
0,08 95,0 0,08 0,105 0,20 0,165 —
0,09 73,2 — — — 0,175
0,10 61,8 0,10 0,140 0,23 0,20
0,12 41,1 0,12 0,160 0,25 0,22
0,14 30,2 0,14 —
0,15 26,82 0,15 0,190 0,28 0,25
0,16 0,18 21,9 0,16 — 0,29
18,3 0,18 0,225 0,31 0,285 —
0,20 14,8 0,20 0,245 0,35 0,315 —
0,22 12,2 0,22 —- 0,37 — —
0,25 9,47 0,25 0,310 0,40 0,38 —
0,28 7,55 0,28 — —, — —
0,30 6,578 0,30 0,35 0,360 0,45 0,43
0,35 4,83 0,420 0,49 —
0,40 3,7 0,40 0,45 0,470 0,54 0,54
0,45 2,905 0,530 — 0,60
0,50 2,38 0,50 0,580 0,64 0,65 —
0,60 1,645 0,60 0,690 — 0,76
0,65 1,39 0,65 — — — —
0,70 1,21 — 0,80 — 0,87 —
0,75 1,10 0,75 — — —
0,80 0,9251 0,80 0,90 0,94 0,97 —
1,0 0,5921 1,00 0,12 1,19 —
1,2 0,411 1,20 — — — —
1,3 0,301 1,30 — — —
1,5 0,268 1,50 — — — —
1,8 0,183 1,80 2,25 — — — —
2,25 0,123 — — —
2,5 0,095 2,50 — — — —
3,0 0,066 3,0 — — — —
ПК—провод константановый.
ПЭК—провод константановый, эмалированный.
ПШДК—провод с изоляцией двумя слоями шелковой обмотки, с константановой жилой.
ПЭШОК—провод с эмалевой изоляцией и одним слоем шелковой обмотки,, с константановой жилой.
ПШОК—провод с изоляцией одним слоем шелковой обмотки с константановой жилой.
Примечания. 1. Активное сопротивление константана при 20° С на 1 м длины и сечении 1 мм2 должно находиться в пределах от 0,44 до 0,49 ом.
2. Температурный коэффициент должен находиться в пределах от 10-10-5 до 30-1(Г5 на 1° С.
3. Максимальная рабочая температура до 500° С.
4. Среднее пробивное напряжение для двух скрученных образцов провода ПЭК должно быть:
при диаметре до 0,1 мм.....,..................не менее 250 в (эфф.>
„ » от 0,12 до 0,3 .......................я я 350 „ „
„ „ „ 0,35 мм и выше...................... „ 450 » „
338
22*
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-3
График зависимости величины сопротивления R от диаметра провода dnp и его изоляции, размещающегося на цилиндрическом корпусе из керамики
00 05 О
с*> s
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-4
График зависимости величины сопротивления R от диаметра провода dnp и его изоляции, размещающегося на цилиндрическом корпусе из керамики
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-5
Габаритные данные и величины максимальных мощностей рассеивания для эмалированных проволочных сопротивлений
Сопротивления с гибкими выводами
Тип Максимальная мощность рассеивания, вт Размеры, мм
D d L 1 ъ
I 15 14±2 6±0,5 50±1,5 42±1,5 60±5,0
II 23 18±2 10±0,5 50±1,5 42±1,5 60±5,0
III 28 23±2 13±0,6 50±1,5 42±1,5 60±5,0
IV 50 23±2 13±0,6 90±2,0 80±2,5 80±5,0
V 88 23±2 13±0,6 160±3,5 148±3,5 80±5,0
VI 150 30±2 18±1,0 215±4,5 203±5,0 100±5,0
Сопротивления с жесткими выводами (тип ПЭВ)
Марка провода Максимальная мощность рассеивания, вт Пределы номинальных значений, ом Размеры, мм
постоянные переменные
L 1 D D, d 1 н t я. С
ПЭВ-7 7,5 5— 3300 47 10 11 4,5 38 26 4,5 - - __
ПЭВ-10 10 5— 3300 51 12 13 6 31 28 4,5 28 22
ПЭВ-15 15 20— 68б0 51 16 17 9 42 32 4,5 32 31
ПЭВ -20 20 20— 7500 51 16 17 9 42 32 4,5 33 32
ПЭВ-25 25 20—10000 51 18 19 11 43 33 4,5 34,5 35
ПЭВ-30 30 20—15000 71 20 21 13 57 36 6 38 49
ПЭВ-40 40 20—20000 87 18 19 11 75 33 6 —-- ——
ПЭВ-50 50 25—24000 91 25 26 17 77 41 6 43 64
ПЭВ-75 75 50—43000 140 28 29 17 129 44 6 —
ПЭВ-100 100 50—51000 170 29 30 18 159 45 6 45 145
341
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-6
Номинальные значения эмалированных проволочных сопротивлений
Сопротивления с жесткими выводами (тип ПЭ В)
Величина сопротивления, ом
56 560 5 600
— 6 62 620 6 200
— — 68 680 6 800
— 7 72 720 7 200
— 8 82 820 8 200
— 9 91 910 9100
— 10 100 1000 10 000
— 11 НО 1 100 11000
— 12 120 1200 12 000
— 13 130 1300 13 000
— 15 150 1500 15000
— 16 160 1600 16 000
— 18 180 1800 18 000
— 20 200 2 000 20 000
— 22 220 2 200 22 000
— 24 240 2 400 24 000
— 27 270 2 700 27 000
— 30 300 3 000 30 000
— 33 330 3 300 33 000
— 36 360 3 600 36 000
— 39 390 3 900 39 000
— 43 430 4300 43 000
— 47 470 4 700 47 000
5 51 510 5100 51000
Сопротивления с гибкими выводами
Величина сопротивления, ом
— — — 600 700 —
— — 750 — —.
— 800 —
— — — 900 —
— 100 1000 10 000
— 125 — 12 500
— — 150 1500 15000
— — 175 1750 —
— 20 200 2 000 —
-— 25 __ 2 500 25000
— 30 300 3 000 30 000
— 35 — 3500 —
— 40 400 4 000 40 000
— 45 4 500 —
— 50 500 5 000 50 000
342
Co
величины
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-7 r от диаметра провода dnp (ПЭШОК и ПЭШОМ)
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-8
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-9
График зависимости величины сопротивления R от диаметра провода dnp (ПЭШОК и ПЭШОМ) для корпуса из фенопласта
345
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-Ю
346
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-11
График зависимости величины сопротивления R от диаметра провода dnp (ПЭШОК и ПЭШОМ)
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-12
График зависимости величины сопротивления R от диаметра провода dnD (ПЭШОК и ПЭШОМ)
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-13
Число витков, приходящееся на 1 см2 сечения сплошной намотки
Номинальный диаметр, мм Сечение, мм2 Марка провода
ПЭ пшд пэшо пшо
0,05 0,00196 18 000 5 300 6 600 10 000
0,06 0,00283 12 600 4 600 5500 8 200
0,07 0,00385 10 000 4 000 4 800 6 800
0,08 0,00503 8 200 3520 4 200 5 700
0,10 0,00785 5 700 2 800 3100 4 250
0,12 0,01131 4 000 2 280 2 500 3 320
0,14 0,0154 3130 1 900 2100 2 650
0,15 0,0177 2 800 1 720 1900 2 400
0,16 0,0201 2 500 1600 1700 2170
0,18 0,0254 2 070 1360 1500 1800
0,20 0,0314 1720 1 180 1300 1530
0,22 0,0380 1400 1020 1 100 1260
0,25 0,0491 1 140 835 880 1020
0,30 0,0707 810 630 660 740
0,35 0,0962 592 493 530 567
0,40 0,1257 470 395 395 450
0,50 0,1964 308 274 255 302
0,60 0,283 217 194 175 217
0,70 0,385 164 148 135 167
0,80 0,503 125 117 108 128
0,90 0,636 101 95 85 103
1,0 0,785 83 79 70 85
1,1 0,95 69 64 — 70
1,2 1,13 58 55 — 59
1,3 1,33 50 48 — 51
1,4 1,54 44 42 — 45
1,5 1,77 39 37 — 39
1,6 2,01 — — — —
1,7 2,27 — — — —
1,8 2,54 — — — —
1,9 2,84 — — — —
2,0 3,14 — — — —
349
Формулы для
Симметричные ослабители
Величины нормированных коэффициентов
th—; Р1 = е*-1; р, 2е& 2 e2ft—1
1 — рз ~2Г
Затухание
& = 1п1±2
1 — р
6 = 1п (1 + Р1)
, _ eb—1
Н ~ eb + 1
Z> = ln^±£
1 — р
Расчет элемента схемы по формуле
rv = Яр,
Значения нормированных коэффициентов
Нормированный коэффициент Затухание b
г-<СМОО’’ФЮОЬ*ООООт-нСМООт$<иООЬ*ООООЮОЮО о o' o' о~ o' o' o' о~ o' г-7 г-7 г-7 г-7 г-7 г-7 г-7 г-7 т-7 ,-7 см см со со
Р Р1 Р2 ”ФОт}<О'’ФО001^СМОО00Г'*О00ООт-100О’'3,‘О'’ФС0 о* o' o' о" о" о о" о" о о" o' о" о" о" о" о" о~ о* о" о" о" о" о" о
ljQr_<05T-(Q00100LOOQO'’^OOiQT-«<?0J’fO<OOC4iOOQO OOl’^O’^CMr-'CMtQr-iQOlOiOOOLQb.tQOOOOOOOOOlO T-'OlOO’^OOOOCM'^b-OoOOOTfO’^OOOOi-tOr-HLQ о~ о" о" о" о" о" т-7 т-Г г-7 т-Г сч оГ сч оо со оо м7 iq to o' т-7 оГ сч оо г-1 Г-н со Ю
OOOOOTfOOOOOTfOCMCMr-HCOOT-HOOOOb*tQLQOC4CO ОООООООт-нЬ.т-нСЧЬ.Ю’^ООСМОСЧЬ-’^ОЬ.ООсООО ООСМ”ФОЮООт-нОЭ001>.ОЮЮ’^’'3,‘ООООоОСМт—«ООО о ^7 со см Д" т-7 г-7 г-7 о* о" о" о" о" о" о" о" о~ о о" о~ о" о~ о" о
350
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-14
расчета ослабителей
Несимметричные ослабители
р + (1 —<р) Pg '
Рз ср р и р2 — табличные
= р2 значения b — Ьмин
р5 = ?Р + (<? — !) Рз
2еь 1
<р =---------=--------
е2* + 1 ch b
г,=р,я0; ^ = ?2
А1
Область минимального затухания несимметричных ослабителей
351
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-15
Данные угольно-керамических сопротивлений типа ВС
Тип
Допустимая мощность рассеивания
Размеры, мм
№
чертежа
ВС-0,25 ВС-0,5 ВС-1,0 ВС-2,0 ВС-5,0
ВС-10,0
0,25 0,5
1,0
2,0
5,0
10
5,2
5,2
7,2
9,5
17
27
0,5—0,6 0,5—0,6 0,8 0,8 15 25
2,6
4,0
17,5
27,5
31
31
75
120
8,0
12
42
42
45
55
65
105
1 1 1 1 2
2
По допускаемой мощности на шесть следующих типов:
рассеивания сопротивления подразделяются
, Диапазон номинальных значений сопротивлений, ом Номинальная мощность, вт Максимальное рабочее напряжение, в
51-ь 5,Ь1О6 0,25 250
51ч- 10-106 0,5 450
51ч- 10-106 1,0 500
51ч- 10-106 2,0 750
51ч- 10-106 5,0 750
100— 10-106 10,0 1500
По отклонению величины сопротивления от номинала сопротивления подразделяются на три класса точности:
1-й класс
2-й „
3-й „
допуск ± 5°/о
- ± 10%
. ± 20%
Примечание. Сопротивления величиной до 1000 ом и свыше 2 мгом изготовляются только по 2 и 3 классам точности.
352
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-16
Номинальные значения сопротивлений типа ВС
ом мго w
10 100 1000 10 000 100 000 1,0
11 НО 1 100 11000 110 000 1,1
12 120 1200 12 000 120 000 1,2
13 130 1300 13 000 130 000 1,3
15 150 1500 15 000 150000 1,5
16 160 1600 16 000 160 000 1,6
18 180 1800 18 000 180 000 1,8
20 200 2 000 20 000 200 000 2,0
22 220 2 200 22 000 220 000 2,2
24 240 2 400 24 000 240 000 2,4
27 270 2 700 27 000 270 000 2,7
30 300 3 000 30 000 300 000 3,0
33 330 3 300 33 000 330 000 3,3
36 360 3 600 36 000 360 000 3,6
39 390 3 900 39 000 390 000 3,9
43 430 4 300 43 000 430 000 4,3
47 470 4 700 47 000 470 000 4,7
51 510 5100 51000 510 000 5,1
56 560 5 600 56 000 560 000 5,6
62 620 6 200 62 000 620 000 6,2
68 680 6 800 68 000 680 000 6,8
75 750 7 500 75 000 750 000 7,5
82 820 8 200 82 000 820 000 8,2
91 910 9 100 91 000 910 000 9,1
10,0
Примечание. Сопротивления типа ВС с номиналами от 10 до 24 ом на мощности рассеивания 0,25, 0,5, 1,0, 2,0 и 5,0 вт, а также на 10 от до 100 ом, ввиду незначительной потребности в них, изготовляются в ограниченном количестве.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-17
Габаритные данные бороуглеродных сопротивлений типа БЛП
Мощность 6т Сопротивление L D
0,25 20 ом +100 ком 28 5,5
0,5 30 ом г 100 ком 31,5 7,5
23 зак. № 129
353
ПРИЛОЖЕНИЕ 2-18
Номинальное значение сопротивления, мгом
47
68
100
150
220
330
470
680
1000
Данные сопротивлений типов КЛВ и КЛМ
Сопротивления типа КЛВ
Номинальная мощность, вт.
Максимальное рабочее напряжение, кв
Конструкция
0,5
5,0
6,0
7,0
8,5
10
10
10
10
10
Сопротивления типа КЛМ
Номинальное значение сопротивления, мгом Максимальное рабочее напряжение, в Номинальное значение сопротивления, ком Максимальное рабочее напряжение, в
10 1,0-103
15 1,5-Юз
22 2,2-Юз
33 300 3,3-Юз
47 4,7-103
68 6,8-Юз 600
100 10,0-Юз
150 J 22-Юз
330 600 33-Юз
470 47-Юз 68-Юз 100-103
Конструкция
354
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-1
Схемы соединения секций у бумажных конденсаторов
Число секций Электрическая схема. Количество изолированных выводов
1 t—II—||||- 1
1 ‘ -11 J г
2
2 Uh 3
3 о 9 о чЛн
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-2
Данные конденсаторов типов БГ-1, БГ-2 и БГ-3
Тип Емкость Напряжение постоянного тока Размеры, мм Общий вид конденсатора
номинальная, мкф отклонение, % рабочее, в испытательное, в а ь с
БГ-1-250-0,05 0,05 ±10% 250 750 35 40 10 1ЛР
БГ-1-250-0,07 0,07 ±10% 250 750 35 40 io & » & А
БГ-1-250-0,1 0,1 ±10% 250 750 35 40 10 I
БГ-1-250-0,2 0,2 ±10% 250 750 35 40 10
БГ-1-250-0,25 0,25 ±10% 250 750 35 40 10 1
БГ-2-250-0,5 0,5 ±10% 250 750 60 40 10 L J
1* J -* с
БГ-3-250-1,0 1,0 ±10% 250 750 60 40 20
23*
355
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-3
Данные конденсаторов типа КБГ-МН
Номинальная емкость, мкф
0,25 0,5 1,0 2,0 4,0 6,0 8,0
10,0 2X0,25 2X0,5 2XL0 2X2,0
Рабочее напряжение, в № корпуса
^макс смакс
200 400 600 1000- 1500
№ корпусов
— — — 1 — 1 60 23
— 1 1 2 4 2 60 28
1 2 3. 4 5 3 60 33
2 4 6 6 8 4 ; 80 33
4 6 7 8 — 5 по 33
6 7 8 — — 6 95 38
6 8 — — — 7 ПО 38
7 — — — — 8 ПО 63
— —. <— 2 4
— 2 3 4 5
2 4 5 6 8
4 6 7 8
Размеры, мм
h
Рабочее напряжение, в
до до
1000 1500 1000
1500
Общий вид конденсатора
38
48
48
48
48
68
68
68
51
61
61
63
73
73
15
15
15
15
15
15
15
15
19
19
19
10
19
19
19
19
15
20
20
20
20
35
35
35
20
20
20
35
35
35
Примечания. 1. Конденсаторы типа КБГ-МН на рабочее напряжение 1000 в с тремя выводами изготовляются только в корпусах № 3, 4 и 5 по варианту а и в корпусах № 6, 7 и 8 по варианту б. Эти же конденсаторы на 1500 в с тремя выводамй изготовляются в корпусах № 7 и 8.
2. Корпусы для конденсаторов КБГ-МН № 1, 2 и 3 изготовляются с хомутиком, № 4, 5, 6, 7 и 8 выпускаются как без крепления, так и с лапками.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-4
Данные конденсаторов типа КБГ-МП
Номинальная емкость, мкф Рабочее напряжение, в Общий вид конденсатора
200 400 600 | 1000 | 1500
№ корпусов
Вариант в _L
0,07 0,05 1 1
1 1 1 -— 1 — 4
L. / .J
0,10 1 1 3
1 1 ' 1 1 4 * ' 1 V 1
0,25 1 1 2 з 4
0,50 2 3 3 4 l2
1,00 3 4 4 — ' * — Вариант &
2,00 4 — — — —
2X0,05 1 1 1 1 3
г
2X0,1 2X0,25 1 .. 1 2 3 4 (сГ
2 3 4 4 Ш
2X0,50 3 4 4 — —
3X0,05 1 1 2 3 — Вариант а
3X0,1 2 3 3 4 — Л
3X0,25 3 4 4 — — (сГ W ¥ °)
№ кор- Размеры, мм
пусов Л £2 1 ь h Л, d
1 64 54 46 26 18 15—19 20—26
2 64 54 46 26 22 15 26
3 64 54 46 36 22 15—19 20—26
4 70 60 51 51 25 15—19 20—26
Примечания. 1. Количество выводов в конденсаторах КБГ-МП осуществляется в соответствии с таблицей схем соединения секций.
2. Конденсаторы КБГ-МП на рабочее напряжение 1500 в с двумя выводами изготовляются только по варианту б.
357
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-5
Данные конденсаторов типов КБГ-М1 и КБГ-М2
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-6
Данные конденсаторов типа КБГИ
Номинальная емкость Рабочее напряжение, в
200 400 600
№ корпусов
Общий вид конденсатора
470 1 1 4
1000 1 2 4
пф 3300 2 3 4
4700 3 4 5
6800 4 4 5
0,01 4 4 5
0,015 4 5 6
0,02 4 5 6
0,025 5 5 6
мкф 0,03 5 5 —
0,04 5 6 —
0,05 5 6 —
0,07 5 — —
0,10 6 — —
№ корпусов Размеры, мм
d d, l
1 7 5,8 15
2 7 5,8 18
3 7 5,8 21
4 9,2 7,6 25
5 13,4 11,8 25
6 15,4 13,8 25
358
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-7
Данные конденсаторов типа МБГ (МБГП и МБГЦ)
359
П рвдолжение
Номиналь- Номинальное рабочее напряжение, в
Вид конструкции на я емкость, 200 | 400 | 600 | 1000 | 1500
миф №
корпусов
МБГП 0,1 0,25 1 1 2 —
с двумя 0,5 1 2 5 — —
Высота выводами 1,0 2 — —- — —
2,0 4 — — — —
25 мм
МБГП 2X0,1 1 — . —
с тремя 2X0,25 1 — — — —
выводами 2X0,5 2 —_ — — —
0,25 — — — .— 7
0,5 — — — 7 9
Высота 50 мм 1,0 — 6 7 9 13
МБГП 2,0 4,0 7 8 10 10 15 14 18
10,0 10 17 — — — .
15,0 12 — — — —
25,0 16 — — — —
Высота 115 мм МБГП 4,0 10,0 — — 20 19 21 20 22
0,025 1
0,05 — — 1 2 —
МБ ГЦ- 1 и МБГЦ-2 0,1 0,25 1 1 3 2 4 3 —
0,5 2 4 — — —
1,0 3 — — — —
Продолжение
Вид № Размеры корпуса, мм
конструк- кор-
ции пуса а ь b2 L d D
1 2 3 4 5 6 7 8 11 16 26 31 И 16 21 29 81 1 11 1 I 1 1 HI HI 1 — II 1 II 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
9 26 34 40 — — — —
10 31 39 45 — — — —
МБГП И 12 41 49 55 41 — —
13 46 54 60 31 — — —
14 51 59 65 36 — — —
15 56 64 70 41 -— — —
16 61 69 75 46 — — —
17 66 74 80 51 — — —
18 86 94 100 71 — — —
19 34 — — — — —- —
20 47 — — — — — —
21 64 — — — — — —
22 107 — — — — — —
1 38 11,5 10
МБГЦ 2 38 15,5 14
3 — — 38 18,5 17
4 — — — — 50 18,5 17
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-8
Данные конденсаторов типа МБГО
361
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-9
Данные конденсаторов типа КБП первого размера для максимального рабочего тока до 20 а
Вариант Ф
вариант С
Электрическая схема
При напряжении до W00 в h -10 мм При ‘Напряжении до 1500 5И=13 мм
Рабочее напряжение, в
Номинальная емкость, мкф
№ корпусов
0,025 1 2 3 4
0,05 1 2 3 4 5
0,1 2 3 4 5 6
0,25 3 4 5 — 7
0,5 4 5 6 7 —
1,0 5 6 7 —
2,0 6 7 — — —
05 О С о и Размеры, мм
D±0,5 +1 ю +1 ю -Н +1 В,±0,5 io о -н сч ?| и о +1 и ^3 о -Н
1 10 25 104 35 34 М8 __ ___
2 14 35 115 40 45 30 19 23 12 М10 М4 3,2
3 20 35 115 40 — 35 24 28 20 — М4 3,2
4 20 45 125 40 — 35 24 28 20 — М4 3,2
5 24 55 175 60 — 39 28 32 20 — М4 3,2
6 35 55 255 100 — 58 42 48 30 — Мб 4,2
7 40 62 262 100 — 63 47 53 30 — Мб 5,2
362
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-10
Данные конденсаторов типа ССГ
Тип Емкость, пф Нормальный допуск Допуск по спец, заказу Размеры, мм Общий вид конденсатора Примечание
а ь с
ССГ-1 200-±- 50 000 * ** 35 40 10 22 i Рабочий диапазон темпе-
1 ратур — 60 + 70° С
ССГ-2 50 000—100 000 ±0,3% ±0,1% 60 40 10 «3 1 Влажность воздуха 95—98%
ссг-з 100000 — 200 000 ±0,3% ±0,1% 60 40 20 с ТКЕ не более 0,1%
* Конденсаторы изготовляются с допуском по емкости:
От 200 до 1000 пф . ..............± 5 пф
Свыше 1000 до 3 000 пф............±10 пф
„ 3000 „ 20 000'»............±0,3%
** В случае особой необходимости, по специальному заказу, конденсаторы могут быть изготовлены со следующими допусками:
От 200 до 1000 пф .......... ±3 пф со Свыше 1000 до 10 000 л# . . • . . ±0,2%
gj „ 10 000 „ 200 000 , .±0,1%
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-11
Данные конденсаторов типа КСГ
Тип Раб, напр. Пред. емк. в1пф, мкф Номинальная емкость по классам точности Общий вид конденсаторов Примечание
класс 1+5% класс 11 + 10% | класс Ш ± 20%
КСГ-1 1000 470 510 560 620 680 750 820 910 1 000 1 100 1200 1300 1500 1 600 1 800 2 000 2 200 2 400 2 700 3 000 3 300 3 600 3 900 4 300 4 700 5100 5 600 6 200 6 800 7 500 8 200 9100 10 000 12 000 15 000 18 000 20 000 470 560 680 820 1 000 1 200 1500 1 800 2 200 2 700 3 300 3 900 4 700 5 600 6 800 8 200 10 000 12 000 15 000 18 000 20 000 470 680 1 000 1 500 2 200 3 300 4 700 6 800 10 000 15 000 20 000 ft ♦ Реак'1 ивная мощность 50 вт
470—4700 500 24—- ♦ 4
470—20000 КСГ-1 и КСГ-2
Группа Б Г ТКЕ на 1° С ± 200 • 10~6 + 50 • 10~6
КСГ-2 1000 0,02—0,03 500 0,02—0,1 0,02 0,025 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,1 — 0,02 0,025 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,1 0,02 0,03 0,05 0,07 ОД Реактивная мощность 100 вт
1 W
+33 — 23
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-12
Конструкция и габаритные размеры конденсаторов типа КСО
КСО-1 до КСО-5
Тип Р а з м е р bi, мм
а ь С ’ d е f
КСО-1 13 36 85 7 0,6 4,5
КСО-2 18 36 90 11 0,8 5,5
ксо-з 20 36 92 12 0,9 5,5
КСО-4 26 36 98 16 КО 5
КСО-5 20 36 92 20 1,0 9io
КСО-6 27 — 42 16,5 0,5 11,5
КСО-7 32 — 46 29 0,5 8,6
КСО-8 32 — 46 29 0,5 ti,0
КСО-9 44,5 — 32 34 12,5
КСО-Ю 44,5 — 32 34 20
КСО-11 41 — 50 20 0,8 10
КСО-12 46 — 61 27 1,0 12
КСО-13 64 — 89 40 14
КСО-1 и КСО-8
КСО-9 и КСО-Ю
КСО-Н и КСО-12
365
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-13
Данные стирофлексных конденсаторов типа КПГ
Емкость {пф) Раб. напр. Количество
в пределах Исп. напр. ’ в секций
50 000—170 000 300 1000 2
Общий вид конденсатора
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-14
Данные стирофлексных конденсаторов типа КПГ
Я Й
«4
о,1
0,15
0,25
0,5
1,0
0,01
0,015
0,025
0,03
0,05
s я
<u «
2*
3 «
Sg £
I
36,2
Размеры, мм
b
h
hx
21,2
60
± 1, ±2, ±5, ± Ю
± 1,
± 2, ±5, ± Ю
250
200
250
500
48
48
48
400 68
500
28
33
33
63
60
60
95
65
25
41
41
41
41
Общий вид конденсатора
6
3
3
3
3
15
20
20
20
35
15,4
15,4
19,4
'0,5
19,4
21,2
366
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-15
Данные конденсаторов типа КТК
Тип Пределы номинальной емкости, пф Размер мм Максимальная реактивная мощность Группа по ТКЕ ТКЕ на 1° С Отличительный цвет
Группа Группа Ж Группа М Группа Р Группа С
КТК-1 2— 180 2—150 2— 39 2— 15 2— 15 11 25 Д — (700 ± 100) 10“6 Красный
КТК-2 100— 360 100—300 30— 91 10— 39 10— 30 20 50 Ж — (600 ± 70) 10-6 Оранжевый
ктк-з 240— 560 240—430 82—150 36— 62 24— 51 30 75 м — ( 50 ± 20) 10~6 Голубой
КТК-4 430— 750 390—620 130—200 56— 82 43— 68 40 100 р + ( 30 ± 20) 10~6 Серый
КТК-5 680—1000 560—750 180—240 75—120 62—100 50 125 с + (110± 30)10~6 Синий
Номинальные емкости, пф
2 9 24 51 ПО 240 510
3 10 27 56 120 270 560
3,5 12 30 62 130 300 620
4 15 33 68 .150 330 680
5 16 36 75 160 360 750
6 18 39 82 180 390 820
7 20 43 91 200 430 910
8 22 47 100 220 470 1000
По отклонению емкости от номинальной конденсаторы делятся на четыре класса точности:
5
Класс »
О
I
II
III
допустимое отклонение ± 2%
» » ± 5%
» » ± 10%
» » ± 20%
но не менее
± 0,2 пф
368
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-16
Данные конденсаторов типа КДК
Тип Пределы номинальной емкости, пф Обозначе-ние группы ТКЕ на 1° С Отличительный цвет
Группа Д Группа Ж Группа М Группа Р Группа С
КДК-1 3— 30 2— 20 1— 7 1— 5 1- 3 д — (100 + 100) 10~6 Красней
КДК-2 30—130 20—100 7—20 5-15 3-10 ж — (600 ± 70) 10~6 Оранжевый
КДК-3 30— 75 20— 62 3—10 1— 7 1— 3 м — ( 50 ± 20) 10~6 Голубой
р + ( 30 ± 20) 10~6 Серый
с + (110+ 30) 10~6 Синий
Номинальные емкости, пф
1 8 27 62
1,5 10 30 68
2 12 33 75
3 15 36 82
3,5 16 39 91
4 18 43 100
5 20 47 ПО
6 22 51 120
7 24 56 130
КДК-! КДК-2 КДК-3
По отклонению емкости от номинальной конденсаторы делятся на четыре класса точности:
Класс 0
» I
» II
» III
допустимое отклонение ± 2%
» » ± 5 %
» » ±10%
» » ± 20%
но не менее
± 0.2 пф
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-17
24 зак. № 129
Данные конденсаторов типа КГК
Тип Пределы номинальной емкости, пф Размер мм Максимальная реактивная мощность Группа по ТКЕ ТКЕ на 1° С Отличительный цвет
Группа Д Группа Ж Группа М Группа Р Группа С
КГК-1 5— 180 5—150 5— 39 5— 15 6— 15 16 25 Д — (700 ± 100) 10"6 Красный
КГК-2 100— 360 100—300 30— 91 10— 39 10— 30 25 50 Ж — (600 ± 70) 10~6 Оранжевый
кгк-з 240- 560 240—430 82—150 36— 62 24— 51 35 75 М — ( 50 ± 20) 10~6 Голубой
КГК-4 430— 750 390—620 130—200 56— 82 43— 68 45 100 Р + ( 30 ± 20) 10~6 Серый
КГК-5 680—1000 560—750 180—240 75—120 62—100 55 125 С + (110± 30) io-6 Синий
Номинальные емкости, пф
5 18 43 100 240 560 .
6 20 47 ПО 270 620
7 22 51 120 300 680
8 24 56 130 330 750
9 27 62 150 360 820
10 30 68 160 390 910
12 33 75 180 430 1000
15 36 82 200 470
16 39 91 220 510
По отклонению емкости от номинальной конденсаторы делятся на четыре класса:
Класс О
» I
» II
» III
допустимое отклонение ± 2%
» » L 5 %
» » ± 10%
» » ± 20%
но не
менее
± 0,2 пф
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-18
Данные конденсаторов типа КПК
КПК-1 КПК-2 | КПК-3
Номинальная емкость, пф
минимальная максимальная минимальная максимальная минимальная максимальная
емкость емкость емкость емкость емкость емкость
не более не менее не более не менее не более не менее
2 7 6 60 6 60
4 15 10 100 10 100
6 25 25 150 25 150
8 30 75 200 75 200
— — 125 250 125 250
— — 200 325 200 325
— — 275 375 275 375
— — 350 450 350 450
Примечания. 1. Сопротивление изоляции при нормальных температуре, влажности и атмосферном давлении— 1000 мгом.
2. Тангенс угла диэлектрических потерь не более — 0,003.
3. ТКЕ в интервале температур от 4-20 до Н-80°С4 не более
—200-Ю-6 до —700-Ю-6-
370
IO
*
Данные конденсаторов типа КЭГ-1
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-19
Номинальная емкость, мкф Группа Рабочее напряжение, в Общий вид конденсатора
8 12 20 30 50 150 300 400 1 450 | 500
№ корпусов
1 ОМ м — 1 2 2 1 3 1 а) Л 1 в) А О-
5 ом м — — — — 1 1 1 2 1 4 2 4 3 4 3
У V
10 ом м — — — — 1 2 1 4 2 4 3 3 4 (о~ ~6) (о~ Z2) Л fj > © ©
Y Y ——д, -
15 ОМ 1 м 4 — — — 1 1 3 2 4 3 4 4 —
№ корпусов Размеры, мм
20 ом м — — 1 1 2 1 4 2 3 4 4 —
1 + 0,5 b ±0,5 | Л±0,5 Л±0,2 £3±0,2 й.
1 2 3 4 Груг 46 46 46 51 ina М , RAO Г* 26 26 36 51 ДЛЯ ИН1 18 22 22 25 гервала 64 64 64 70 темпер* 54 54 54 60 ггур от 15 15 15 19 —40 до
30 ом м — 1 2 2 1 3 1 4 3 4 —- -— —
50 ом м 1 1 2 1 3 1 3 1 3 — — — —
100 ом м 1 3 1 3 2 4 3 4 — — — — —
200_ _ ом М ~ КОСО 4 3 4
оз 500 1—* ом м “Г w Группы ОМ для интервала температур от —60 до +60° С.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-20
Данные конденсаторов типа КЭГ-2
Номинальная емкость, мкф Группа Рабочее напряжение, в
12 20 | 30 1 1 50 1 150 | 300 ; | 450 I 500
№ корпусов
5 ОМ М — — — — — — 2 3 1
10 ОМ м — — — 1 2 1 3 2 4 3
20 ом м — — “ i — 2 3 2 5 3 6 4
50 ОЛ4 М — —— — 2 1 3 9 6 4 — !
100 ОМ М — 2 1 2 1 2 — —
200 ом м 2 3 2 4 3 5 4 — __ — —
500 ом м 3 2 5 3 6 4 — — — — —
1000 ом м 6 3 7 4 8 5 — — — — —
2000 ом м 7 5 8 6 — — — — — —
5000 ом м 10 9 10 9 — — — — —V ___
Общий вид конденсатора
Группа М—для интервала температур от —40 до 4-60сС.
Группа ОМ для интервала температур от —60 до 4-60° С (кроме конденсаторов на рабочее напряжение 12 и 500 в).
Размеры, мм
JL_ Я© Q
г U— Lt . -* Zz — J
пусов I b 1 h Lx L* d
1 33 23 45 56 46 12
2 38 23 60 63 51 15
3 48 28 60 73 61 20
4 48 33 60 73 61 20
-5 48 33 80 — 20
6 48 33 110 — — 20
7 68 38 110 — — 35
8 68 63 110 — — 35
9 130 50 110 — —- 35
10 130 90 110 — — 35
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-21
Данные конденсаторов типа КЭ
Рабочее напряжение, в КЭ-1 и КЭ-2 № корпусов Корпус Фланец
пределы емкости, мкф d Л Л2 А в dt форма фланца
8 50—2000 1 16 28 36 — 22 28 3,2
12 10—2000 2 19 26 36 — 25 31 3,2 | Овал
20 10—2000 3 21 35 44 62 27 33 3,2
30 10—500 4 26 60 68 87 32 38 3,2
50 10—100 5 34 65 14 93 29 35 3,2
150 10—30 6 34 90 98 118 29 35 3,2
300 5—30 7 34 114 122 142 29 35 3,2 Квадрат
400 5—20 8 50 114 122 — 41 50 4,3
450 500 5—20 5—20 । 9 65 114 122 — 55 65 4,8
Номинальная емкость, Группа Рабочее напряжение, в
8 1 12 i 20 | 30 | 50 | 150 | 300 | 400 | 450 | 500
мкф № корпусов
г ОМ — — — — — — 4 4 5 5
□ м — — — — — — 3 3 3 4
in ом — 1 1 2 з 4 4 6 6 7'
IV м — — — — 2 3 4 4 4 5
20 ом — 1 2 3 3 4 5 7 7 8
м — — 1 1 2 3 4 4 5 6
on ом — 2 3 3 4 5 6 — — —
uU м — 1 1 2 3 4 4 — — —
50 ом I 2 2 3 4 5 — — — — —
м | — 2 2 3 3 —
100 ом м СО | 4 3 4 3 5 4 5 7 —
200 ом м 4 5 4 6 4 7 5 —
• 300 ом м 6 6 5 7 6 8 7 —
1000 ом м 7 8 7 9 8 i — —
2000 ом м 9 9 8 9 —
Группа М для интервала температур от —40 до -4—60° С
Группа ОМ для интервала температур от —60 до +60° С.
К 3-1 а КЗ-1
373
ПРИЛОЖЕНИЕ 3-22
Данные подстроенных воздушных конденсаторов
Емкость, пф Количество пластин L
максимальная начальная не свыше * общее статор ротор
23±2 4 7 4 3 31
46±3 4,5 14 7 7 35,5
66±4 5 20 10 10 40,5
90±5 6 27 14 13 1,7
12,5±1,5 3,5 4 2 2 27,5
30±2 4,5 9 5 4 32,5
Примечание. Конденсаторы изготовляются с регулировкой под отвертку или с удлиненной осью.
374
ПРИЛОЖЕНИЕ 5-1
Номографический расчет катушек индуктивности по Рорману
Во всех расчетах, приведенных в этом приложении, приняты следующие обозначения:
L — индуктивность в наногенри (10~9 г);
Dcp — средний диаметр намотки в сантиметрах;
Ъ — длина намотки в сантиметрах (определение ее для катушек с малым числом витков см. фиг. 1);
t — высота намотки в сантиметрах;
п — полное число витков намотки;
/г0 — число витков на 1 см длины намотки;
F — среднее сечение намотки в квадратных сантиметрах.
Расчет индуктивности заданной однослойной катушки
Исходим из уравнения
Z. = kDcpn2— kDcpb2nl
(1)
f 2 3 4 5 6 7 8
0,1 0,2 ' ЦЗ 0,4 0,5 0,6 0,7 О,8 0,.91,01)1,21,31,41,5
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
1 2 3 ’ 4 ' 5 6 7 8 3 10 15
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
Яс*/Ъ
10 20 30 ‘ 4# 50 60 70 80 90 100 150
Фиг. 2
где коэффициент k является функцией отношения ^ср; он определяется по b
номограмме фиг. 2.
375
Проектирование однослойных катушек с заданной индуктивностью при заданных размерах каркаса или при заданной величине отношения —— Ъ
Преобразовывая уравнение (1), получим:
_ 1 _ L
П°~ Ь У kDcp '
(2)
Умножая же числитель и знаменатель под корнем на Dcp и производя преобразования, получим:
(3)
Пусть заданы Dcp, b и L, надо определить диаметр провода и число витков. Для этой цели надо найти п0 и п.
Dcp
Определяем —— и по этой величине, пользуясь номограммой фиг. 2, величину k.
Фиг. 3
Число витков на 1 см находим по формуле (2). Зная п0, определяем диаметр провода с изоляцией:
d =— [мм].
(4)
По таблицам приложения 5-2 находим, задаваясь типом изоляции, диаметр меди.
Число витков получаем по формуле
п — nQb. (5)
DCP
Пусть заданными величинами являются: L, —— и d — диаметр провода с изоляцией. Надо определить Dcp, b и п.
376
Зная —по номограмме фиг. 2 находим k. Зная d, находим п0 [фор-b
мула (4)]. Имеем все данные для вычисления Dcp по формуле (3). Определив Dcp, находим Ь. Число витков находим по формуле (5).
Проектирование однослойных, катушек с заданным диаметром
Умножая обе части уравнения (1) на D2cp и производя алгебраические преобразования, получим:
1 IDepV ,б)
L k \ b ) или
(7>
1 / DcP \2 , о
Нд основании соотношения х = — | —— I из номограммы фиг. 2 может k \ b /
быть получена номограмма фиг. 3, позволяющая определять х в функции DCP
от —, откуда, зная Dcp и п0, можно найти L и п.
Пусть заданными являются: L, Dcp и п0- Надо найти b и п.
Сперва по формуле (7) определяем х и по номограмме фиг. 3 находим Dcp
отношение —-—. Зная Dcp, определяем Ь. Число витков п находим по формуле (5).
Проектирование однослойных катушек с заданной длиной намотки
Фиг. 4
Умножая обе части уравнения (1) на Ь, придем к выражениям: = = (8)
п%Ь3 b \ b I
Величина у в функции от отношения ^ср представлена на номограмме ь
фиг. 4.
377
Пусть для некоторой катушки задана индуктивность L и длина намотки Ь. Надо найти Dcp и п при заданном d, т. е. при заданном п0.
Число витков п находится по формуле (5). Затем вычисляется по фор-
DcP
муле (8) величина у и по номограмме фиг. 4 — отношение ——. Зная 6, можно определить Dcp.
Проектирование многослойных катушек
Если у многослойной катушки Ь > 10/ (фиг. 5), то ее данные можно определять по номограммам фиг. 2—4 с ошибкой, не превышающей нескольких процентов.
10 11 12 13 74 15 16 17 18 19 20 21 22 23 20 25 26
Фиг. 7
Для многослойных катушек с b < 10/ (фиг. 6) составлены номограммы фиг. 7. При этом b всегда измеряется по оси катушки, а /—по ее радиусу.
Пусть для некоторой катушки заданы L, Dcp, but. Надо найти п и 4 Пусть также — < 10, т. е. надо применять номограммы фиг. 7.
На фиг. 7 изображены две номограммы. По верхней номограмме, зная DCP о
—, находим вспомогательный коэффициент k19 по нижнеи, зная -у’ нахо-
378
дим аналогичный коэффициент k2. Далее можно воспользоваться формулой (1), согласно которой
(9)
Коэффициент kt входящий в эту формулу, вычисляется в данном случае как разность
k = К - k2. (10)
Если каркас многослойной катушки секционирован и имеет не слишком толстые межсекционные перегородки, то при определении величины b сумма толщин этих последних добавляется к сумме длин намотки в окнах отдель
ных секций (фиг. 8). При вычислении полного сечения намотки F учитываются только площади окон секций.
Расчет плоских кату илек
Если £>106, то плоскую катушку можно рассчитывать как цилиндрическую катушку с тем же средним диаметром, поменяв ролями величины t и 6 (фиг. 9).
Если t < 106, то такая замена невозможна.
ПРИЛОЖЕНИЕ 5-2
Величины относительной диэлектрической проницаемости
Материал *отн Материал *отн
Изоляция эмалированного провода .... Изоляция провода типа ПЭШО Бакелит Резина Хлорвинил 5—6 2-3 4,5—7,5 2,5—2,8 3,1—3,5 Кабельная бумага . . . Промасленная бумага . Линоксиновое полотно . Бумага Парафин Шеллак 4 4,8—6,8 2 1,8—2,6 2—2,3 3—3,5
379
ПРИЛОЖЕНИЕ 5-3
Данные обмоточных проводов с эмалью, шелком и пряжей
Номинальный диаметр по меди, мм Максимальный диаметр изолированного провода, мм
ПЭЛ-1 ПЭЛШО ПЭЛБО ПЭБО пшд ПБД
0,03 0,038
0,05 0,065 0,12 — 0,16 —
0,06 0,075 0,13 — — —
0,07 0,085 0,14 — — 0,18 —
0,08 0,095 0,15
0,09 0,105 0,16 —
0,10 0,120 0,175 — 0,21
(0,11) 0,130 — — — —
0,12 0,140 0,195 —
(0,13) 0,150 0,205 — — — .
0,14 0,160 0,215 — — —
0,15 0,170 0,225 — — 0,26
0,16 0,180 0,235 — — —
(0,17) 0,190 0,245 — — — —
0,18 0,200 0,255 — — —
(0,19) 0,210 — — — — —
0,20 0,225 0,29 — — 0,32 —
(0,21) 0,235 0,30 — — — —
0,23 0,255 0,32 — — —
0,25 0,275 0,34 — — 0,37 —
0,27 0,305 0,37 — — —
(0,29) 0,325 0,39 — — — —
0,31 0,350 0,415 — — 0,43 —
(0,33) 0,370 0,435 — — — —
0,35 0,390 0,455 0,51 0,51 — —
0,38 0,420 0,485 0,54 0,54 0,5 —
0,41 0,450 0,520 — — —
0,44 0,485 0,550 0,605 0,605 0,56 —
0,47 0,515 0,580 0,63 0,63 — —
0,51 0,560 0,625 0,68 0,68 • 0,63 —
0,55 0,600 0,665 — — — —
0,57 0,630 — 0,73 0,73 — —
0,59 0,650 0,705 0,75 0,75 — —
0,64 0,70 0,755 0,81 0,81 —. 0,84-
(0,69) 0,75 0,805 — — —. —
0,74 0,80 0,865 — — — 0,94
0,80 0,86 0,925 0,98 0,98 — 1,02
0,86 — 0,985 — — — —
0,93 0,99 1,055 — — — —
380
П родолжение
Номинальный диаметр по меди, мм Максимальный диаметр изолированного провода, мм
ПЭЛ-1 пэлшо ПЭЛБО ПЭБО пшд ПБД
1,00 1,070 . 1,135 1,21 1,21 1,27
1,16 1,235 1,295 — — — —
1,25 1,330 1,385 1,46 1,46 — 1,52
1,35 1,430 1,485 — — — —
1,45 1,53 — — — — —
1,50 1,58 — 1,71 1,71 — 1,77
1,56 1,64 1,695 — — — —
1,81 — — — — — 2,06
2,10 — — -— — — 2,37
2,26 — — — — — 2,56
2,44 — — — — — 2,74
2,63 — — — — — 2,93
3,05 — — — — — 3,38
3,28 — — — — — 3,58
3,53 — — — — — 3,83
3,86 — — — — — 4,13
4,50 — — — — — 4,8
5,20 — — •— — 5,5
Примечания. 1. Размеры проводов марки ПЭЛ-1, указанные в скобках, желательно по возможности не применять.
2. Активное сопротивление проводов при 20° С должно быть не более 0,01754 ом на 1 м.
3. Предельная рабочая температура 100zt5°C.
4. Пробивное напряжение проволоки ПЭЛ-1 при / = 100 ±5° С должно быть не менее величины, указанной в следующей таблице (при двух скрученных проволоках):
Диаметр провода, мм Пробивное напряжение, в Диаметр провода, мм Пробивное напряжение, в
0,03 100 0,23—0,31 750
0,05—0,07 350 0,53—0,8 850
0,08—0,13 400 0,83—1,35 1000
0,14—0,21 500 1,40—1,56 1250
381
П р одолжение
Данные обмоточных высокочастотных проводов (литцендрат)
Номинальный диаметр отдельной проволоки, мм Число проволок Сечение провода, мм? ЛЭШО лэшд
максимальный наружный диаметр, мм сопротивление 1 лс, ом максимальный наружный диаметр, мм сопротивление 1 лс, ом
10 0,0196 0,33 1,095
0,05 15 0,0294 0,37 0,697 —,
21 0,0412 0,42 0,525 —
7 0,0269 0,34 0,760
10 0,0385 0,41 0,532 —
12 0,0462 0,44 0,445 —
16 0,0615 0,47 0,333 —
21 0,0818 0,52 0,254 —-
28 0,108 0,60 0,190 —
0,07 35 0,135 0,76 0,152 —
49 0,189 0,84 0,108 0,91
63 0,243 1,02 0,085 1,09
84 0,323 1,13 0,063 —
119 0,457 1,31 0,045 1,38
147 0,565 —. 0,036 1,43
175 0,674 1,60 0,030 1,67
। 245 । 0,944 1,82 0,022 1,89
9 0,071 0,52 0,275
12 0,094 0,57 0,208 —
14 0,110 0,60 0,177 —
16 0,126 0,64 0,155 —
19 0,149 0,67 0,131 —.
21 0,165 0,71 0,118 —
24 0,188 0,79 0,105 —
0,1 28 0,220 0,82 0,088 —
32 0,252 0,87 0,077 —.
35 0,275 1,04 0,071 —
49 0,385 1,15 0,050 1,22
70 0,550 1,51 0,035 —
84 0,660 1,57 0,029 —.
105 '0,825 1,73 0,024 —
119 0,935 1,82 0,021 —-
175 1,375 2,23 0,014 —
7 0,220 0,75 0,086
0,2 9 0,283 0,90 0,069 —
12 0,378 1,01 0,050
382
ПРИЛОЖЕНИЕ 5-4
Значения коэффициентов F и G
Эти значения определяются из нижеследующей таблицы при помощ» параметра j/jT
_2---
92,8 где d0—диаметр провода в миллиметрах, a f—частота в герцах.
W F G W F G
0,0 0 2,3 0,131 0,2462
0,1 0 2,4 0,152 0,2708
0,2 0 64 2,5 0,175 0,2949
0,3 0 2,6 0,201 0,3184
0,4 0 2,7 0,228 0,3412
0,5 0 0,00097 2,8 0,256 0,3632
0,6 0,001 0,00202 2,9 0,286 0,3844
0,7 0,001 0,00373 3,0 0,318 0,4049
0,8 0,002 0,00632 3,1 0,351 0,4247
0,9 0,003 0,01006 3,2 0,385 0,4439
1,0 0,005 0,01519 3,3 0,420 0,4629
1,1 0,008 0,02196 3,4 0,456 0,4807
1,2 0,011 0,03059 3,5 0,492 0,4987
1,3 0,015 0,04127 3,6 0,529 0,516
1,4 0,020 0,0541 3,7 0,566 0,5333*
1,5 0,026 0,0691 3,8 0,603 0,5509
1,6 0,033 0,0863 3,9 0,640 0,5673
1,7 0,042 0,1055 4,0 0,678 0,5842’
1,8 0,052 0,1265 4,1 0,715 0,601
1,9 0,064 0,1489 4,2 0,752 0,618
2,0 0,078 0,1724 4,3 0,789 0,635
2,1 0,094 0,1967 4,4 0,826 0,652
2,2 0,111 0,2214 4,5 0,863 0,669
383»
П родолжение
XSD F G W F G
4,6 0,899 0,686 9,6 2,657 1,570
4,7 0,935 0,703 9,8 2,728 1,605
4,8 0,971 0,720 10,0 3,799 1,641
4,9 1,007 0,738 11,0 3,151 1,818
5,0 1,0043 0,755 12,0 3,504 1,995
5,2 1,114 0,790 13,0 3,856 2,171
5,4 1,184 0,826 14,0 4,209 2,348
5,6 1,254 0,861 15,0 4,562 2,525
5,8 1,324 0,896 16,0 4,915 2,702
6,0 1,394 0,932 17,0 5,268 2,879
6,2 1,463 0,967 18,0 5,621 3,056
6,4 1,533 1,003 19,0 5,974 3,233
6,6 1,603 1,038 20,0 6,328 3,409
6,8 1,673 1,073 21,0 6,681 3,586
7,0 1,743 1,109 22,0 7,034 3,763
7,2 1,813 1,144 23,0 7,388 3,940
7,4 1,884 1,180 24,0 7,741 4,117
7,6 1,954 1,216 25,0 8,094 4,294
7,8 2,024 1,251 30,0 9,86 5,177
8,0 2,094 1,287 40,0 13,40 6,946
8,2 2,165 1,322 50,0 16,93 8,713
8,4 2,235 1,357 60,0 20,46 10,48
8,6 2,306 1,393 70,0 24,00 12,25
8,8 2,376 1,428 80,0 27,54 14,02
9,0 2,446 1,464 90,0 31,07 15,78
9,2 2,517 1,499 100,0 34,61 17,55
9,4 2,587 1,534
384
ПРИЛОЖЕНИЕ 5-5
График S — f {— \Dj
для однослойных катушек
ПРИЛОЖЕНИЕ 5-6
25 зак. № 129
385
ПРИЛОЖЕНИЕ6-1
Данные оксиферовых сердечников по Н. Н. Шольц и К. А. Пискареву
Параметры Оксифер-400 Оксифер-200
Номинальное значение р н. отн 400 200
Минимальное » ц«. отн 350 180
.Максимальное » р н. отн 440 220
.Максимальная рабочая температура .... 120° С 120° С
Коэффициент потерь на гистерезис Д2 при
Нм = 10 а'м <1500-10~6 <942-10 ^
Коэффициент потерь на вихревые токи Двс
в диапазоне до 100 кгц <30- иг9 <20-10-9
Коэффициент потерь на последействие Дп . <3,5-10~3 <4-10-3
Общий тангенс угла потерь tgS при /=100 кгц:
Щ = о <б,о-ю-3 <5,5-10~3
Нм = 0,8 а/ле <7,5-10~3 <6,2-10~3’
Нм = 8 а/м, <20-10“3 <13-10-3
Изменение проницаемости при изменении
Нм от 0 до 8 а>м при f до 100 кгц . \ Р- / -6% +3%
Температурный коэффициент проницаемости $ +2000-10-6 +800-10~&
Стабильность проницаемости во времени по
/ Дм- \ отношению к номиналу (—) \ И / «±0,3% « ±0,3%
Частота, после которой проницаемость на-
чинает резко изменяться 12 мггц 30 мггц
Примечания. 1. Маркировка оксифер-400 — 4 красных полосы на наружной стороне сердечника.
2. Маркировка оксифер-200— 2 красных полосы на наружной стороне сердечника.
386
zee
“-4 Oi Oi Oi Си Си Си 4^ 4- 4^ 4- Co Co Co (jo Сд^^^СлСлО^^^^ООФО) наружный, мм Диаметр Размеры
4^4^4^4^СОСОСОЮЮЬСЮЬСЬСЮЮ СПОООкОЬОЬОООООООООСлСлСл»-- внутренний, мм
а>СиСлСи4^4^4^С0С0С0С0С0С0С0Ю О to ЬО to CO co •—1 05 05 05 05 о о о 00 Си Си Си Си Си Си Си средний, см
Си 5 jo to СО 00 о jo S 00 ~4 СО *4 ^4 [Ijj О О оо '*-'4 ГО О О ЬО ~О Си О ьо Высота Л, мм
Ь-le-^ооооо о о ооо О Си со О to 00 4 0 *-4 Си Си Си Со Со Со 0500 to СП “4 ОО 05 “-4 Сечение F, см‘2
*0 p w 2 re
*X3
Альсифер ТЧ-60 Черная полоса
Альсифер ВЧ-30 Белая полоса
Альсифер ВЧ-22 Зеленая полоса
Альсифер ТЧК-50 Красная полоса
Альсифер ВЧК-22 Желтая полоса
О * tn
tn
<j*> кэ
ПРИЛОЖЕНИЕ 6-3
Данные сердечников типа СБ из карбонильного железа
Сердечник этого типа состоит из чашки с резьбой, чашки гладкой и подстроечника.
Сердечник выполняется в двух вариантах:
1) вариант а — с замкнутой магнитной цепью;
2) вариант б — с разомкнутой магнитной цепью.
Сердечники варианта а выполняются пяти размеров, варианта б — двух размеров.
СБ-1а
СБ-2а
СБ-За
СБ-4а
СБ-5а
Размеры, мм
Вариант СБ 1а Варианты СБ2а СБ Ба
Вариант б
388
ПРИЛОЖЕНИЕ 6-4
Размеры колец и расчетные формулы числа витков катушек на кольцах из альсифера
Число витков п = А "|/ 1*мгн Размер тора Сечение, см- Диаметр провода (с изол.) Средняя длина витка (ем) при предельном заполнении
ТЧ-60 ТЧК-50 ВЧ-30 ВЧ-22 DeH
104 УТ 114 Vl 142 Vl 166 Vl 64 40 2,0 93 6,8
93 V L 102 Vl 127 Vl 148 Vl 64 40 2,5 V ~n 7,6
85 Vl 93V L не Vl 136 Vl 64 40 3,0 8,5
106 Vl 116 V L 150 Vl 175 Vl 55 32 1,6 18 6,0
96 Vl 105 Vl 135 Vl 158 ]/l 55 32 2,0 Ун 6,7
87 Vl 95 123 Vl 144 Vl 55 32 2,4 7,4
122 Vl 134 V L 173 Vl 202 Vl 44 28 1,0 16 4,8
по Vl 120 Vl 155 Vl 181 Vl 44 28 1,25 V N 5,4
wo Vl hoVl 141 Vl 165 Vl 44 28 15,0 6,0
130 Vl 142 Vl 184 Vl 215 Vl 36 25 0,76 1 13 4,24
0,88 10,0 ( V 53,0
ПРИЛОЖЕНИЕ 6-5
Значения Сх для различных типов намотки (по Н. Н. Шольц)
Геометрические размеры тороидального сердечника Провод п Намотка Пропитка Сх, пф
ai Q аг Q
92 56 35 ПБД 0,7 2000 Многосл. несекц. Кабельная 2 800
92 92 92 56 56 56 35 35 35 ПБД 0,35 ПБД 0,17 ПБД 0,93 2000 2000 1250 Многосл. 2 секции масса 450 900 500
64 40 23 ЛЭШД 7 X 0,2 400 » 4 » Без 300
64 40 23 ЛЭШД 7 X 0,2 140 Односл. непосред. на гъЛП тггьтт пропитки То же 200
64 40 23 ЛЭШД 7 X 0,2 120 сердеч. Односл. отдельно от » 130
55 32 20 ЛЭШД 25 X 0,07 700 сердеч., с прокладкой в 1 мм Многосл. несекц. » 250
55 32 20 ЛЭШД 25 X 0,07 700 » 2 секции » 55
55 32 20 ЛЭШД 25 X 0,07 700 » 4 » » 100
Броне- ЛЭШД 7 X 0,2 250 » несекц., ци- »
вой сердечник с1н=42мм То же ЛЭШД 7 X 0,2 250 линдр. каркас То же, 3 секции 18
389
ПРИЛОЖЕНИЕ 7-1
Данные листовых ферромагнитных материалов
1. Листовая легированная трансформаторная сталь марки ВП-2, толщина листа 0,35 мм, рф 0,55 ом-мм2/м:
р' при Нм = 0,1 а/м и f = 400 гц > 550 р0 р/ „ HM = 2fi „ „ / = 400 „ > 750 ро
2. Листовая легированная трансформаторная сталь марки ЭЧАА, толщина листа 0,35 — 0,5 мм:
~ 400 |ХО .
3. Листовая трансформаторная сталь марки ВЧ-2, толщина листа 0,1 мм, величина рф та же, что и в п. 1:
р/ при Нм = 0,1 а/м и f = 5000 гц > 500 ро
р' „ Нм = 0,1 „ „ f = 40 000 гц > 450 ро
р' „ Нм = 2,0 „ „ f = 5000 гц > 550 ро
4. Листовой низконикелевый пермаллой (содержание никеля 40 — 50%) марки 50Н, толщина листа 0,05 — 0,4 мм,
= 1800 — 3000 ро, ^ = 18000 - 35 000 нй индукция насыщения
Bs = 1,5 в-сек/м2', рф = 0,4 ом» мм21м.
5. Листовой низконикелевый пермаллой марки 50НХС, толщина листа 0,05 — 0,4 мм:
Р^ = 1800 4- 3000 ро;
Р^ = 15 000-30 000 ро;
В$=1 в»сек/м2; р^ = 0,85 ом»мм2/м.
6. Листовой высоконикелевый пермаллой марки Н79МЧ, толщина листа 0,5 — 0,4 мм:
Р^= 12 000 — 20 000 ро, ^маКс = 60 °00 - 100000 Ву = 0,8 в»сек/м2.
7. Листовой высоконикелевый пермаллой марки 80НХС, толщина листа 0,05 - 0,4 мм:
р* = 18 000 — 35 000 ро;
У^макс ~ 00 ООО 120 000 poJ
Вs = 0,7 в^сек/м2; рф = 0,62 ом-мм21м.
390
ПРИЛОЖЕНИЕ 7-2
Данные пластин и Их набора
Фиг. 1
Фиг. 2
Размеры пластин типа Шп
Обозначение размеров Шп-7 (фиг. 1) Шп-12 (фиг. 2) Ш„-17 (фиг. 3) Шп-20 (фиг. 3) Шп-29 (фиг. 3) Шп-34 (фиг. 3)
а 30 42 55 65 85 102
Ъ 20 30 38 45 56 68
с 6,5 3 10 12,5 13,5 17
d 7,0 12 17 20 29 34
е 30 42 55 65 85 102
т 27 35 47 56 75 91
1з 0,3 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0
Ъ 1,6 1,6 1,6 1,6 2,9 2,9
D.R 1,5 3,2 3,2 4,2 4,2 5,3
СО г 2,0 2,5 3,0 3,0 5,0 50
СО
Число пластин в комплекте при разных, толщинах пластин
Обозначение пластин 0,05—0,08 мм 0,1—0,15 мм 0,3—0,4 мм
от до от до от до
Ш„-7 117 73 60 11 22 16
(Шп-7) X 2 234 145 124 32 43 3,2
Шп-12 250 155 130 90 46 35
Шп-17 354 220 130 120 64 48
Шп-20 440 280 230 160 80 60
Шп-29 530 310 280 190 98 73
(Шп-29) X 2 — — 430 290 150 110
Шп-34 — —« 300 200 105 80
(Шп-34)Х1,5 — — 470 320 164 123
ПРИЛОЖЕНИЕ 7-3
Данные нормализованных каркасов
Размеры каркаса
Обозначение размеров Тип
Е S 3 * (ШП-7)Х2 (фиг. 2) 2 Е S н * С S a s о <М £ Е S Нё Шп-29 (фиг. 4) (ШП-29)Х1,5 (фиг. 4) Е S Нё (ПГп-34)ХЬ5 (фиг. 4)
а 19 26,5 32 43,5 53,5 62 80 71 91
Ь 19 19 29 37 43,5 54,5 54,5 65 65
с 9,5 17 18,7 24,2 30,3 36 54 39,5 60
d 9,5 9,5 15 20 23 32 32 37,5 37,5
т 7,5 15 16 22,2 28,3 34 52 36,5 57
п 7,5 7,5 12,3 18 21 30 30 4 34,5 34,5
h 17 26,2 33,5 38 49 49 61 61
8 8 12,6 16,25 18,25 23,75 — — —
h — 5 8,1 10,5 11,6 — — — —
h — — 5,8 7,6 8,38 — — — —
0 1 1 1 1 1 1,25 — — —
392
ПРИЛОЖЕНИЕ 7’4
Основные конструктивные данные трансформаторов серии Шп
Обозначение Ш„-7 (ШП-7)Х2 Шп-12 Шп-17 Шп-20 Шп-29 (Шп-29)Х1.5 Шп-34 (ШП-34)Х1,5
Длина средней магнитной линии Z, мм . . . . 72 72 102 121 154 195 195 238 238
Ширина среднего языка, мм . . 7 7 12 17 20 29 29 34 34
Высота пакета, мм Сечение F (мм2) при ^=1 * . . 7,5 15 16 22,2 28,3 34 52 36,5 57
52,5 105 192 377 566 986 1508 1241 1938
р Отношение—’ мм 1 0,73 1,46 1,88 2,88 3,67 5,06 7,75 5,22 8,14
F в гн'г 92-10~п 183-10“11 236-Ю-11 362-10"11 460-Ю-11 635-10~11 973-10-11 655-Ю-11 1020-10-11
Площадь окна в сердечнике, мм2 130 130 270 380 562 766 766 1156 1156
Высота намотки Л, мм 4,1 4,1 6,0 7,3 8,8 9,7 9,7 12 12
Длина несекционированной намотки Zj, мм 17 17 26,2 33,5 38 49 49 61 61
Площадь несекционированной обмотки FH, мм2 . 69,7 69,7 157 244 334 475 475 730 730
Площадь полуобмотки, мм2 . . Средняя длина витка 1ср, мм: для полной обмотки . . . 34,5 34,5 78 120 165 235 235 360 360
54 69 91 117 135 174 210 202 240
» нижней полуобмотки . 46 61 79 103 120 155 200 180 218
» верхней » 62 77 103 131 150 193 184 224 262
Конструктивная постоянная для средних дф и qM А=Яф • -^-[гн/ом] . . « ?1ср 2-10~5 3,2-10-5 7-Ю-5 13-10-5 20-Ю-5 29-Ю-5 38-Ю-5 41-10-5 52-Ю-5
При толщине листа 0,05 мм умножать на ^=0,78; при толщине 0,1-на ^=0,825; при толщине 0,35 на-<^=*0,88.
393’
*
Номограммы для расчета трансформаторов с сердечником
ЁРИЛОЖЁЁИЁ 7-5 типа Шп-7
при наличии одной обмотки
двух обмоток
( нижняя)
0,1 0,2 0,3 0,5 1,0
Проницаемость
П родолжение
Номограммы для расчета трансформаторов с сердечником типа Шп-12
сл
при наличии одной обмотки
0,1 0,2 0,5 1,0мм
Диаметр провода
при наличии двух обмоток
( верхняя ) ( нижняя)
П родолжение
Номограммы для расчета трансформаторов с сердечником типа Шп-17
Диаметр провода j при наличии
(верхняя)
Проницаемость
П родолжениё
Номограммы для расчета трансформаторов с сердечником типа Шп-20
при наличии одной обмотки
Диаметр провода
при наличии двух обмоток
(верхняя) (нижняя)
Проницаемость
Номограммы для расчета трансформаторов с сердечником типа Шп-29
со со 00
Продолжение
МШ/Ж\
0,1 0,2 0,ЦЩ5 Ю при наличии одной обмотки
при наличии ( верхняя)
двух обмоток
( нижняя)
ПРИЛОЖЕНИЕ 7-6>
Индуктивность на 1000 витков в зависимости от магнитной проницаемости сердечника
399*
ПРИЛОЖЕНИЕ 8-1
Размеры тороидальных колец из оксифера-2000
dfuip' мм ЛСЛС ^выс* мм
13±o,s 5±о,5 5+0,2
18 ±0,7 8 ±0,5 5+0,2
21 ±0,7 11 ±0,7 5±о,7
32±1,0 18±°>7 7±о,з
ЗЭ*1-0 25±о,7 у ±0,3
46±1,2 29±1,° 8+0,5
58±!’5 34±1,° 12+0,5
67±i,5 42±!’2 14±о,5
ПРИЛОЖЕНИЕ 8-2
Размеры сердечников трансформаторов из оксифера-2000
Тип а, мм Ь, мм с, мм d, мм 1, мм /, мм
ОШ7 30-°’9 го-0-7 7,2-0’3 10,2-°’4 15,2~°’5 7,3-0’3
ОШ7Х2 30"°’9 20-°’7 7 2-0,3 10,2'0’4 15,2~°’5 14,8-°’5
ОШ12 42-1’6 30-0,8 12-°,4 15,2-°’5 21,5~°’7 15,8~°’5
ОШ17 55-1,6 38-°’9 17-0,5 19,2-°>7 27,7-0,9 22-0,7
ОШ20 65-2’1 45“1,3 2(Г°’7 22,3-°’9 32,5-1’2 28-0.9
400
ПРИЛОЖЕНИЕ 9-1
26 Зак. № 129
Данные некоторых кварцевых резонаторов системы В-12
Тип фильтра Частота, гц Длина, мм Ширина, мм Толщина, мм Сопротивление Допуск по частоте, гц ТКЧХ10-6 на 1° С Тип пластин
60 900 42,04 19,82 0,430 330 ± 5 —25 Делен.
Фильтры 107 207 23,88 10,42 1,000 1 500 ± 5 —25 »
каналов 63 005 40,63 22,88 0,400 270 ± 5 —25 »
108 925 23,53 12,10 1,000 1300 ± 5 —25 »
267 650 10,20 5,05 0,542 1300 ±25 — 8 Недел.
Фильтры 340 000 8,06 4,00 0,542 1 800 ±25 — 8 »
групповых
363 650 23,15 3,70 0,920 1300 ±25 — 6 Делен.
несущих
548000 15,35 2,77 0,688 1300 ±25 — 6 »
39 975 42,50 17,00 0,623 1900 ± 2 — 8 Делен.
Фильтры 143 000 19,33 9,67 0,656 1200 + 2 - 1,5
контрольных 63 978 43,80 7,01 0,895 1600 ± 2 — 1,5
каналов
111000 24,90 12,45 0,685 1000 ± 2 — 1,5
ПРИЛОЖЕНИЕ 10-1
Вольтамперные характеристики купроксов МКВ-5-1
402
ПРИЛОЖЕНИЕ 10-2
Вольтамперные характеристики купроксов МКВ-7-1
26*
403
ПРИЛОЖЕНИЕ 10-3
Вольтамперные характеристики
германиевых выпрямителей
ДГ-Ц8
404
ПРИЛОЖЕНИЕ 11-1
Схемы роликовых ключей
ft % С арретиром Количество пружин а ft п!п 0 арретиром Количество пружин а
1 up -нон-1 ж 8 25 8 'адщ]1 УоС| 1 г ® rhm 16 30
г V77/7X ^zv-zl^z: о 8 25
9 V/77/7X §р11<2=! Е±т|| 23 40
V V777A £=4 о 4=5 ° ч^ 8 25
10 ВшЦ ЫЧ1|| 24 35
4 g=± о 3=? S'T'-S 12 25
5 о v V222& Щ114! gFTt| 24 35 11 щшшир гЙЙ Z8 35
6 V7722A Ы1Е s=4 о 4=5 о- —- Т го 30 12 fiiijji Up'’ll гг 35
7 шщш J°n Л 18 35
13 _ W777A Цм!!! gnifl 24 35 J
405
П родолжение
% С арретиром Количество пружин а п/п С арретиром Количество пружин а
А А А А <56 6 А А о А о 22 35 19 У77ЛЛ, s=± о gjr И1ГШП 28 35
15 о - Y । —~"° 23 35
Без арретира
о— о д 4 ill 20 шш та ГМ1 16 30
16 V777777X V о 22 30
gp/L Цт HrhrPnl шшш 21 22 ШШ ™ j-Li.jpoi-r¥i rfrhrflh 12 18 25 30
17 XZZZZ22 22 35
С арретиром в сторону корпуса
23 EZZZZ3 1 ; 10 30
18 25 35
о t О - ,V о а \7///А о <Т1 о — о о А ° 2k ° л \ у / -л- * 10 25
Сарретиром, к корпусу без арретира
о А "-О ° ' л ху
406
Продолжение
f % С арретиром, к корпусу без арретира, Кола-ч ест do пружин а и Чп Односторонние ключи, с арретиром 5 сторону корпуса Количество пружин а
26 гь 35 32 । У ° Г1 10 22
33 6 22
27 O- -W у— 7Т§ 16 30 38 уть §1ьР= с о А._о 12 22
35 _ У?М7Х ; о •*—г 12 22
28 щ TjO>7- | м 12 22
36 № н1 nh 8 22
29 EiT'Sl 19 30
37 ы EZ3 о Lilg /4 22
30 _____ EZ223 t==* p4"*^ ^T1e 22 35 ЧУ
Односторонние ключи с арретиром, к корпусу без арретира
38 13 22
31 ghig :—a'j'-zz: 19 28
Односторонние ключи без арретира 1
39 । О-- д У77ЯЛ 11Ш о 12
407
ПРИЛОЖЕНИЕ 11-2
Схемы кнопочных переключателей
тг % С арретиром „ * । Количество пружин I а п/п без арретира Количество пружин а
/ п 3 12 8 ГН 3 15
2 Г Й 6 18 9 и' 3 12
3 ITli <гГП 8 25 10 гП1 4 18
4 _Л_ ГШ 8 22 11 гЙ 6 18
5 «1 10 25 12 8 22
6 12 30 13 10 22
7 12 25 10 16 оо
408
ПРИЛОЖЕНИЕ 11-$
Схемы телефонных гнезд
иг п/п Схема Количество пружин а Н Чп Схема Количество пружин а>.
1 !] 3 1 / 3 12 5 гЙ 8 ii 7 8 18
2 £ 5 5 1 5 12 6 у 10 .^1 1 10 30
3 rfff 6 й 7 6 18 7 сс гЙ // =D / 11 25
0 m) 7 га > ш 1
4С9
410
ПРИЛОЖЕНИЕ 11-4
Номограммы для определения токов плавления различных проволок
Пример А (медб голая): сПОАимм, L^BjBcM, 1*23 а 1М9 £г ш
Пример б (медь посеребренная^ $ Л* 0,35мм, Lrd7cM, I*f3а
Пример В (медЬ голая) d- 0,07мм, L*5cm, 1-2а
Пример Г(медЬ посеребренная) 0,15мм, L*3,1 см, 1*5,8а
Формула
Ь у/АЦ-О^5* B(d- 0,5^ Cjd - Ofi) 4Сг
Для меди голой:
А*!,47; В-2,42 Ю'3, С=27П10~3
Для меди посеребренной:
А=ф7; В~4,78-Ю'4; С^410'3
d't
20
^,1
“ 60 50
2
-36
а
-34
т32
-30
2r?oi
Н/
6^
1
о
гг25
1
№ 16
1 с
>>15
V
§72
J81 1(71 Ut -4
-й-А <4
-*г
Л ”4.
Ток плавления го медной проволоки '.$Для проволоки, натянутой гори -^ЗОнталЬно меЖду массивными заЖи-' Оо нами и окриЖенной спокойнЬ/м возду cP / хом при 20 °C 1
л.
-Wf - $ 33^
Г 30
L /~4? ~ £ >
L
Н<4 I
I
/ /
4О А £
36
Схека пользования
32
30
Продолжение
Схема пользования 2(рг
19
18
17
16
;42 e.
__ t:
Uo §
38 «4
36
Зй
г?
30
28
Пример A:
Ir^ 3 см, 1=8,2a
Пример 5:
/
Ф A
50
2 «
20
й
Гоя плавления константановой проволоки
Для проволоки из константана К-6Q-4Q. £ натянутой горизонтально меэкду массив-$ HbtMu зажимами и окруженной спокойнЬ/м £ jO воздухом при 20°С
НФ Hvb,S9-W's(ol-O,5^5pi-tO^^
412
П родолжение
19
Iff
18
17
Е 05 -38 %
50
48
48
It
44 «
42 t
/
/
/ <f
А
О
Ч
$
ч
Схема пользования а[г
Пример A:
<ЫУ>ы, Ь'2см, 2= 6,7а fs
Пример б: /.
cL*0J7mm, LrO^CMj-Opa
/z?
3?
.30
.28
Тон плавления нихромовой проволоки
Для проволоки из нихрома Нх*67,5-!5~16Н5г натянутой горизонтально меэкду массивными заЖимами и окруженной спокойным воздухом при 20°С •
<ъ 1^5Д-!0'3(<1-0,1)г-г^6,7в-10'4(а-0,1)3^ 7.5- fO'^ol-OJ)4^
ПРИЛОЖЕНИЕ 11-5
Данные установочных однополюсных предохранителей с резьбой типа Е
Наименование предохранителей Резьба на контактных частях Напряжение, в Ток, а
основания плавких вставок контактных винтов
Малые Е-14 250 10 4 6 10 1 4 ' 6 10
Нормальные . . Е-27 500 20 4 6 10 15 20 4 6 10 15 20
Большие .... Е-33 500 60 10 15 20 25 35 60 10 15 20 25 35 60
Схемы разрядников
ПРИЛОЖЕНИЕ 11-6
Наименование и основные данные
Схема
внешний вид
Газонаполненный алюминиевый, двухэлектродный разрядник на 350± U0в (ампл.) с искровым разрядником на 10006 (ампл.) расположенным на цоколе РА -350
Газонаполненный бариевый, двухэлектродный разрядник на 280± 306(ампл)
Газонаполненный бариевый, трехэлектродный разрядник на 280± ЗОв (ампл.)
Разрядник
Цоколь: нормальный патрон типа £
Разрядник
цоколь нормальный патрон типа Е
413
ПРИЛОЖЕНИЕ 41-7
Типовые контактные группы реле типа РПН
Изображение контактных ер у ап Обозначения контактных ерулл Допустимый ход
Эскиз группы Изображение бл я схем букбенное АГ групп якоря
г\ )3 . 1 с, А 01 V~’,s
J ь- б OZ
Т IV 03 11-1,6
ль ЬЬ/ згь РА 0<f 1,3-1,5
ST DR 05 1,3-1,5
№ АА V-1fi
р( J>q ч — ^/6 № ААп Z5 15
ft 4<Пз ><L_ ’ <^о/ № AR 07 V-1.5
М 4» Wz >i;4 И ARn Z7 №
Р? eg. £6 Д № AW 13 15
р( и Л4 RAn 28 1,3-1,5
Н м RR 10 I1-1J5
D(p г М Ь> l>/J ПА 29 1t5
р( 4^1?' DKA 11 15
мр <М WR 12 t3-1,5
рФ1 б°$ъз* pq >2*1 ;< • — 102 -
рср бъ 4ъЗ I# • •х?б/ > — 100 —
414
ПРИЛОЖЕНИЕ П~&
Данные реле типа РПН
Технические параметры
Величина
Род тока............................................
Рабочее напряжение постоянного тока, в .........
в в переменного в , в ....................
Допустимое потребление мощности в катушке реле, вт . . Количество выводных штифтов катушки . ..............
Сопротивление обмотки, ом ... . ................
Максимальное число контактных пружин, установленных
на реле . ... ...............................
Ампервитки срабатывания при максимальном числе контактных пружин.....................................
То же при:
а) 8 контактных пружинах . . . . ..............
б) 3 в » ......................
Время срабатывания реле при 60 в с 2.5-кратным запасом по ампервиткам (м/сек):
а) при 3 контактных пружинах...................
б) » 4 в » ..................
в) » 10 в в ......................
г) в 15 в в ......................
Время отпускания реле (м/сек):
а) при 3 контактных пружинах...................
б) в 4 в в ......................
в) в 10 в в ......................
г) в 15 в в ......................
Индуктивность обмотки на 1 виток для нормального реле (не замедл.), гн...................................
Пробивное напряжение, в:
а) для обмотки от корпуса......................
б) в контактных пружин от корпуса..............
Испытательное напряжение на пробой, в...............
Максимально допустимый ток через контактные пружины при безиндукционной нагрузке, а:
а) при наличии серебряных контактов............
б) в в платиновых в ...........................
Разрывная мощность контактов при безиндукционной нагрузке, вт:
а) при наличии серебряных контактов............
б) в в платиновых в ...........................
Максимально допустимый ток через контакты при индуктивной нагрузке (при наличии искрогасительного контура), а: а) для серебряных контактов.........................
б) в платиновых в .............................
Габариты реле, мм:
а) высота........................>.............
б) ширина .....................................
в) длина ......................................
Вес реле, г ........................
Постоянный до 60 до НО до 5 от 2 до S
0,1—10*
15
275
178 107
18
20
25
17
10
8
0,23-10~г
400
400
400
2
2
60
60
0,4 1
35,5
26 108 180—200
415
ПРИЛОЖЕНИЕ 13-1
Размеры типовых блоков и конструкции крышек к ним
Фиг. Размеры, мм Число рядов перьев
а а. Ъ
а От 24 до 300 - 25 Маркируются буквами от А до Я (кроме Ж, 3,3)
бив - От 72 до 264 От 48 до 96 21 От А до Ч (кроме Ж,3)
гид — — - 2 От А до 5
416
ПРИЛОЖЕНИЕ 14-1
27 Зак
Затухание экранирования для магнитных экранов
& _ Геометрическая форма экрана Затухание экранирования, неп Формула действительна при:
Полый шар д , Л , 2 d \ — ln I 1 г ~ \1отн ~ I \ Ren! ( Г l d Eg ~ ^п J11 ~ j I 1 I ' Rw J №отн Ъ ~ 1 Re» Ротн
Бесконечно длинный открытый полый цилиндр Поле по отношению к продольной оси перпендикулярно Ед — ^п 4~ “ Р'отн ~ ) \ Ren) Еэ = 1п[^отн(\^-^\\ 1 \ RhI ) VoplH I, "Т “Ch ~ > 4 Ren R ?отн 1
параллельно вэ = о
Обозначения:
Ротн— относительная магнитная проницаемость; d — толщина стенки экрана в миллиметрах;
ReH— внутренний радиус в миллиметрах;
RH— наружный радиус в миллиметрах.
00
ПРИЛОЖЕНИЕ 14-2
Норма перехода от исходных форм к техническим конструкциям
ПРИЛОЖЕНИЕ 14-3
График для определения затухания экранирования в зависимости от величин d, D, г) и ^отн
тРотн &
= 2, 3 соответственно для экрана из параллельных плоскостей, цилиндра и шара;
D — расстояние между пластинами или диаметр шара или цилиндра.
ПРИЛОЖЕНИЕ 14-4
График для определения затухания экранирования составного экрана
пг=2, 3 соответственно для цилиндрических и шаровых экранов, средний слой из ферромагнетика. £>=2/*—внутренний диаметр экрана.
27*
419
ПРИЛОЖЕНИЕ 15-1
Данные голых медных проводов для монтажа
Номинальный диаметр, мм Номинальный диаметр, мм
ММ Луженая ММ Луженая
0,51 0,51 1,20 —
0,59 0,59 1,30 —
0,80 0,80 1,50 1,50
1,00 1,00 2,02 2,02
Эксцельсиоровые изоляционные трубки марки А
Внутренний диаметр трубки, мм Толщина стенок, мм Внутренний диаметр трубки, мм Толщина стенок, мм
0,5
0,75
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0,6
0,7
4,0
4,5
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
0,9
ПРИЛОЖЕНИЕ 15-2
Данные монтажных проводов марок МБДЛ и МШДЛ
Токопроводящая жила из медной проволоки марки ММ по ГОСТ 2122-46 покрыта свинцово-оловянным сплавом и слоем эмали. Поверх эмали наложены две обмотки из хлопчатобумажной пряжи у провода марки МБДЛ и из натурального шелка у проводов марки МШДЛ. Поверх оплеток нанесен слой лака.
Размерные данные проводов
Номинальный диаметр, мм Сечение, мм- Наружный диаметр, мм
МБДЛ МШДЛ
0,5 0,196 1,3 1,1
0,8 0,503 1,6 1,4
1,0 0,785 1,8 1,6
Сопротивление изоляции 1 м проводов при относительной влажности 80% в течение 48 час. не менее 10 000 мгом.
Провода обоих типов должны выдерживать в течение 1 мин. напряжение 1 000 в переменного тока с частотой 50 гц.
420
ПРИЛОЖЕНИЕ 15-3
Данные монтажных проводов с резиновой изоляцией марок МР, МРГ, МРГП, МРГПЭ и МРГЛ
Марка Наименование
MP МРГ МРГП
МРГПЭ
МРГЛ
Провод с резиновой изоляцией, голый.......................
Провод гибкий с резиновой изоляцией, голый................
Провод гибкий с резиновой изоляцией, в оплетке из хлопчатобумажной пряжи, пропитанный в парафине....................
Провод гибкий с резиновой изоляцией, в оплетке, экранированный ...................................................
Провод гибкий с резиновой изоляцией, в лакированной оплетке
Токопроводящая жила у провода марки МР — медная луженая проволока, у проводов марок МРГ — из медных луженых проволок. Экранирующая оплетка у провода МРГПЭ выполнена из медной проволоки диаметром 0,15 — 0,2 мм, защищенная от коррозии металлическим покрытием.
Размерные данные проводов
Сечение, мм2 Конструкция жилы Диаметр жилы, мм Максимальный наружный диаметр, мм
МР МРГ МРГП МРГПЭ МРГЛ МР МРГ МРГП МРГПЭ МРГЛ МР МРГ МРГП МРГПЭ МРГЛ
0,35 — 7X0,26 — 0,78 — 2,7 3,4 — 3,8
0,5 1X0,79 7X0,3 0,79 0,90 2,4 3,0 — — 4,1
0,75 — 7X0,37 — 1,11 — 3,2 3,9 — 4,3
1,0 — 7><0,43 — 1,29 — — — — 4,5
1,5 — 7X0,52 — 1,56 — — — 5,3 4,7
2,5 — 19X0,41 — 2,05 — — 5,1 — —
Рабочее напряжение для проводов марок МР и МРГ: 380 в переменного тока с частотой 50 гц или 500 в постоянного тока. Сопротивление изоляции после 48 час. пребывания в атмосфере с относительной влажностью 95% и 4-20° С не менее 500 мгом.
Провода должны выдерживать 1 000 в переменного тока с частотой 50 гц в течение 1 мин.
Лаковое покрытие провода должно быть стойко к температуре до 70° С и воде.
42»
ПРИЛОЖЕНИЕ 15-4
Данные проводов и установочных шнуров с медными жилами с резиновой изоляцией марок ПРГ и ШР
Марка Наименование
ПРГ Провод гибкий с оплеткой, пропитанной противогнилостным составом, одножильный
ШР Шнур двухжильный
Токопроводящая жила провода ПРГ — медная отожженная проволока, у провода ШР — из медных луженых проволок.
Размерные данные проводов
Марка Номинальное сечение, мм- Конструкция жилы Номинальный диаметр жилы, мм Номинальный диаметр провода, мм
ПРГ-500 ПРГ-3000 ШР-500
ПРГ-500 0,75 7X0,37 1,11 3,8
1,0 7X0,43 1,29 4,0 — -
ПРГ-3000 1,5 7X0,52 1,56 4,3 6,5 —
2,5 7X0,68 2,04 4,8 7,0 —
4 19X0,52 2,6 5,3 7,5 —
6 19X0,64 3,2 5,9 8,1 —
ШР 2X0,75 24X0,2 1,2 — — 8,4
2X1,5 19X0,32 1,6 — — ’ 9,2
ПРИЛОЖЕНИЕ 15-5
Данные проволочной холостой плетенки, применяемой для экранирования проводов
Обозначение плетенки Предельный диаметр экранированного провода, мм Плотность плетенки, % Диаметр проволок, мм
минимальный максимальный
П2Х4 2 4 75 0,12
П4Х5 4 5 75 0,12
ПЗХ6 3 6 85 0,15
П6ХЮ 6 10 85 0,15
П10Х16 10 16 85 0,20
П16Х24 16 24 85 0,3
П24Х30 24 30 85 0,3
П 30X40 30 40 85 0,3
П 40X55 40 55 85 0,3
422
ПРИЛОЖЕНИЕ 15-6
Данные парного экранированного провода типов РВЧС-60 и РВЧС-160
Провод предназначается для монтажа высокочастотных цепей аппаратуры связи.
Жилы проводов выполнены из меди марки ММ и имеют диаметр 0,7 мм. Каждая жила имеет изоляцию из цветной резины, обе они скручены с шагом 25—30 мм и опрессованы в резину круглого сечения.
Поверх опрессовки надет экран из медных луженых проволок диаметром 0,15 — 0,3 мм, плотностью не менее 95%. Провод РВЧС-60 имеет наружный диаметр 8,0 мм, а РВЧС-160 — 10,5 мм.
Электрические параметры провода
Тип провода Диапазон частот, кгц Волновое сопротивление, ом Километриче-ское затухание при 160 кгц, мкф(км Рабочая емкость при 160 кгц, МКф'/КМ Прямое переходное затухание на" / = 100 м, неп
РВЧС-60 . 0,3—60 — — 0,07 11
РВЧС-160 . 10—160 135 ± 10 ом 0,80 0,06 13
Тин провода Диэлектрическая постоянная изоляции Коэффициент диэлектрических потерь Сопротивление изоляции при 1 -1 км при 20° С, МО и Изоляция выдерживает напряжение тока /= 50 гц, в
РВЧС-60 3,2 0,015 100 1000
РВЧС-160 3,2 0,015 100 1000
Авторы: /<. П. Егоров и Г. П. Тиханов КОНСТРУИРОВАНИЕ АППАРАТУРЫ ДАЛЬНЕЙ связи
Редактор И, С. Стипаков Технический редактор Л. В. Воронецкая
Сдано в производство 12/1 1955 г.
Подписано к печати 9/V 1955 г. М-35698 Печ. л. 26,5. Уч.-изд. л. 26. Бум. л. 13,25. Формат 60Х921/1б* Тираж 5000 экз.
Цена 14 р. в пер. Зак. 129.
Типография № 2 Управления культуры Ленгорисполкома. Ленинград, Социалистическая, 14.
ОПЕЧАТКИ
Страница Строка Напечатано Должно быть
212 Формула (8-4) Р-2 \хотн
253 14 сверху из теплоемких и теплоемких
288 18 » сушился сушится
Зак. 129. К. П. Егоров и Г. П. Тиханов. Конструирование аппаратуры дальней связи.
Цена 14 р.