Управляемый индуктивный элемент

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к катушкам индуктивности, используемым при создании различных электронных схем, в частности, для перестройки колебательных контуров в выходных и антенных контурах радиопередатчиков, в измерительной аппаратуре. В качестве сердечника индуктивного элемента предлагается использовать материал, обладающий магнитоэлектрическим (МЭ) эффектом. На электроды, нанесенные на противоположные грани сердечника, подается напряжение, пропорциональное току в намагничивающей катушке. Вследствие МЭ эффекта в сердечнике индуцируется дополнительный магнитный поток, в результате чего изменяется индуктивность элемента. Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей индуктивного элемента, заключающемся в расширении пределов плавной регулировке величины индуктивности. Устройство характеризуется малыми габаритами, что выгодно отличает его от аналогичных устройств.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к катушкам индуктивности, используемым при создании различных электронных схем, в частности, для перестройки колебательных контуров в выходных и антенных контурах радиопередатчиков, в измерительной аппаратуре.

Традиционно плавная настройка контуров в пределах широкого диапазона может осуществляться при помощи катушек переменной индуктивности, называемых вариометрами. Изменение индуктивности в них выполняется следующими способами: плавным изменением числа витков однослойной цилиндрической катушки при помощи скользящего контакта; изменением взаимной индуктивности между двумя катушками, соединенными последовательно или параллельно; перемещением введенного в катушку сердечника; изменением магнитной проницаемости магнитного сердечника за счет подмагничивания. Все эти методы имеют существенные недостатки - сравнительно большие потери, высокую потребляемую мощность, сложность конструкции и относительно большие габаритные размеры. Также известно, что перестраиваемые индуктивные элементы плохо поддаются миниатюризации и реализации в интегральном исполнении.

Указанный недостаток - одна из главных проблем, препятствующих использованию индуктивных элементов в современных электронных приборах.

Известна регулируемая катушка индуктивности, содержащая сердечник с основной обмоткой, электроды, соединенные с сердечником и цепь управления, отличающаяся тем, что в качестве сердечника выбрана кремниевая структура, имеющая, по крайней мере, по одной р-, i-, n-области, электроды выполнены из немагнитного материала, а цепь управления содержит регулируемый источник питания, электрически соединенный с электродами, которые подключены соответственно к р- и n-областям структуры, при этом обмотка размещена на i-области, протяженность которой сравнима с диаметром провода обмотки. Под воздействием потенциала, прикладываемого к выводам p-i-n структуры возникает перестройка индуктивности (см. RU 2384910, H01F21/08, H01L29/06). Данный способ создания миниатюрного индуктивного элемента дает несущественный диапазон перестройки индуктивности (не более 20%) и большую мощность в цепи управления.

Наиболее близкий аналог - пассивный (не требующего для своей работы дополнительного питания) индуктивный элемент на основе магнитоэлектрического эффекта, работающий на принципе управления индуктивностью при помощи электрического поля. Устройство состоит из композиционного мультиферроика, в состав которого входит брусок из цирконата-титаната свинца (ЦТС) и кольцо из магний-цинкового феррита, обладающего высокой магнитной проницаемостью (см. J.Lou, D.Reed, M.Liu, and N.X.Sun, Electrostatically tunable magnetoelectric inductors with large inductance tunability // Appl. Phys. Lett. V.94, 2009, P.112508).

Недостатком прототипа является малый диапазон перестройки индуктивности (не более 20%), при этом величина индуктивности может изменяться только в сторону уменьшения.

Задачей полезной модели является создание пассивного перестраиваемого индуктивного элемента, имеющего расширенный диапазон перестройки индуктивности, миниатюрные размеры.

Для решения данной задачи предложен управляемый индуктивный элемент, содержащий сердечник из материала, обладающего магнитоэлектрическим эффектом, на который нанесены электроды, и обмотку, причем электроды сердечника соединены с выходом усилителя, на вход которого подается напряжение, пропорциональное току в обмотке.

В качестве сердечника индуктивного элемента предлагается использовать материал, обладающий магнитоэлектрическим (МЭ) эффектом. На электроды, нанесенные на противоположные грани сердечника, подается напряжение, пропорциональное току в намагничивающей катушке. Вследствие МЭ эффекта в сердечнике индуцируется дополнительный магнитный поток, в результате чего изменяется индуктивность элемента. МЭ эффект заключается в индуцировании электрической поляризации в материале во внешнем магнитном поле или в появлении намагниченности во внешнем электрическом поле (Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Сринивасан Г., Нан С.В., Магнитоэлектрические материалы. Издательство «Академия Естествознания», Москва, 2006. - 296 с.). Для индуктивности предлагаемого индуктивного элемента получено следующее выражение в рамках магнитостатики и эластостатики:

где µ - магнитная проницаемость материала сердечника, S - площадь поперечного сечения сердечника, N - число витков обмотки, l - длина сердечника, - МЭ восприимчивость материала сердечника, R - сопротивление части резистора, с которой подается напряжение на вход усилителя, K - коэффициент усиления усилителя, t - толщина сердечника.

На фиг.1 показан общий вид данного устройства. Сердечник представляет собой пластину 1 из материала, обладающего МЭ эффектом, на верхнюю и нижнюю грани которого нанесены электроды 2. На данную структуру намотана обмотка 3, выводы которой являются выводами индуктивного элемента. На электроды сердечника по проводникам 4 подводится напряжение с выхода усилителя 5, к входу которого приложено напряжение, снимаемое с делителя напряжения 6.

Устройство работает следующим образом. При включении индуктивного элемента в цепь переменный ток I создает в сердечнике магнитную индукцию B, направленную параллельно плоскости образца. На переменном сопротивлении 6, включенным последовательно с обмоткой 3, создается падение напряжения, пропорциональное току I. Это напряжение усиливается усилителем 5, к выходу которого подключены электроды сердечника. Благодаря МЭ эффекту электрическое поле в сердечнике индуцирует дополнительную магнитную индукцию. В результате изменяется суммарная магнитная индукция в сердечнике, которая является суммой индукции, создаваемой входным током, и индукции, индуцируемой МЭ взаимодействием. Изменение суммарной магнитной индукции проявляется в виде изменения индуктивности, измеряемой на выводах индуктивного элемента. Таким образом, значение индуктивности можно регулировать с помощью делителя напряжения или выбором коэффициента усиления усилителя. В зависимости от коэффициента усиления усилителя можно получить как уменьшение, так и увеличение индуктивности.

Примером материала, обладающего МЭ эффектом, является слоистая магнитострикционно-пьезоэлектрическая структура (Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Сринивасан Г., Нан С.В., Магнитоэлектрические материалы. Издательство «Академия Естествознания», Москва, 2006. - 296 с.). Известно, что в таких структурах МЭ эффект обусловлен взаимодействием магнитострикционной и пьезоэлектрической фаз через упругие деформации. В качестве магнитострикционного материала предполагается использовать аморфный сплав - метглас 2605СО. Применение аморфного материала обеспечивает высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу, высокие значения индукции насыщения и удельного электрического сопротивления, что обуславливает снижение потерь на гистерезис и вихревые токи. Кроме того, аморфные сплавы имеют высокие механические свойства (прочность и износостойкость), а также коррозионную стойкость. В качестве материала пьезоэлектрической пластины предполагается использовать пьезоэлектрическую керамику PMN-PT, которая обладает очень высокими значениями пьезоэлектрических характеристик и высокой стабильностью диэлектрической проницаемости и пьезомодуля. Для исключения изгибных деформаций целесообразно в качестве материала сердечника использовать трехслойную структуру метглас-PMN-PT-метглас, при этом слои метгласа одновременно служат электродами для подачи напряжения на пьезоэлектрик. Полоски метгласа и пьезоэлектрическая пластина соединяются при помощи цианоакрилового клея, что обеспечивает плотное прилегание и надежное сцепление слоев.

В случае использования слоистой магнитострикционно-пьезоэлектрической структуры в качестве МЭ материала выражение (1) для индуктивности приобретает вид:

где µ - магнитная проницаемость магнитного слоя сердечника, - объемная доля пьезоэлектрика в сердечнике, N - число витков обмотки, q - пьезомагнитный коэффициент магнитного слоя, d - пьезоэлектрический коэффициент пьезоэлектрического слоя, s_m и s_p - упругие податливости магнитного и пьезоэлектрического слоев, R - сопротивление части резистора, с которой подается напряжение на вход усилителя, K - коэффициент усиления усилителя, l, b и t - длина, ширина и толщина сердечника.

В качестве усилителя в рассматриваемом примере реализации управляемого индуктивного элемента используется усилитель напряжения на микросхеме LMV301. Кроме того, в качестве усилителя может быть использован пьезоэлектрический трансформатор (Лавриненко В.В. Пьезоэлектрические трансформаторы. - М.: Энергия, 1975), для работы которого не требуется дополнительных источников питания.

На фиг.2 представлена зависимость индуктивности предлагаемого индуктивного элемента от сопротивления части резистора, с которой подается напряжение на вход усилителя. Для численных оценок использовались следующие значения параметров, входящих в формулу (2): q=11000·10 ^-12 м/А; d=-600·10^-12 м/В; N=100; t=2 мм; s_p=15,3·10^-12 м²/H; s _m=10·10^-12 м²/H, l=0,02 м; K=1000; µ/µ₀=10⁴.

На фиг.3 представлена зависимость диапазона перестройки индуктивности от сопротивления части резистора, с которой подается напряжение на вход усилителя.

Как следует из фиг.2 и 3, диапазон перестройки индуктивности превышает 300% при указанных значениях параметров МЭ структуры.

Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей индуктивного элемента, заключающемся в расширении пределов плавной регулировке величины индуктивности. Устройство характеризуется малыми габаритами, что выгодно отличает его от аналогичных устройств.

Управляемый индуктивный элемент, содержащий сердечник из материала, обладающего магнитоэлектрическим эффектом, на который нанесены электроды, и обмотку, отличающийся тем, что электроды сердечника соединены с выходом усилителя, на вход которого подается напряжение, пропорциональное току в обмотке.