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    關于電感的16個核心參數
    作者: 來源:電控公眾號 時間:2024-03-24 瀏覽:Loading... 點贊:0次

    電感作為三大被動器件之一,就功能而言,是一種電磁感應組件,也稱為扼流器、電抗器、動態電抗器、線圈、扼流圈等,其主要功能是儲蓄電能,線圈內電流產生磁場,該磁場再產生電流,可將電能轉化為磁能存儲起來,從而保證電壓穩定。還有整理和篩選信號、過濾噪聲、穩定電流及抑制電磁波干擾(EMI靜噪濾波器)等功能。電感是一種重要的電子元件,它在電路設計中扮演著至關重要的角色。

    當電流通過線圈時,就會產生磁場,從而在線圈中存儲磁能。電感的充電和放電過程就是磁場儲存和釋放的過程。電感的感值大小與線圈的匝數、線圈的面積以及周圍環境的磁導率有關。一般來說,線圈的匝數越多,線圈的面積越大,周圍的磁導率越高,電感的感值就越大。

    電感器的結構類似于變壓器,但只有一個繞組,其外形由電線一圈圈纏繞而成,一般由骨架、繞組、屏蔽罩、封裝材料、磁芯或鐵心等組成,電感的工作原理為當導線內通過交流電時,導線內部及周圍產生交變磁通,從而起到“通直流、阻交流”的作用,由楞次定律可知該磁力線會阻止原本磁力線的變化,電感的作用與電容相反,常與電容在一起,組成LC濾波電路等。如果電感器在沒有電流通過的狀態下,電路接通時它將試圖阻礙電流流過它;如果電感器在有電流通過的狀態下,電路斷開時它將試圖維持電流不變。所以具有濾波、振蕩、延遲、陷波等功能,還有篩選信號、過濾噪聲、穩定電流及抑制電磁波干擾等作用。它與電阻器或電容器能組成高通或低通濾波器、移相電路及諧振電路等,應用非常廣泛。


    以圓柱型線圈為例,簡單介紹下電感的基本原理:


    如上圖所示,當恒定電流流過線圈時,根據右手螺旋定則,會形成一個圖示方向的靜磁場。而電感中流過交變電流,產生的磁場就是交變磁場,變化的磁場產生電場,線圈上就有感應電動勢,產生感應電流:

    • 電流變大時,磁場變強,磁場變化的方向與原磁場方向相同,根據左手螺旋定則,產生的感應電流與原電流方向相反,電感電流減??;
    • 電流變小時,磁場變弱,磁場變化的方向與原磁場方向相反,根據左手螺旋定則,產生的感應電流與原電流方向相同,電感電流變大。

    以上就是楞次定律,最終效果就是電感會阻礙流過的電流產生變化,就是電感對交變電流呈高阻抗。同樣的電感,電流變化率越高,產生的感應電流越大,那么電感呈現的阻抗就越高;如果同樣的電流變化率,不同的電感,如果產生的感應電流越大,那么電感呈現的阻抗就越高。
    簡單來說,電感按功能可分成射頻電感和功率電感;按工藝可分為繞線電感、層疊電感和薄膜電感;按材料可分為磁性電感和非磁性電感。


    當然我們還可以將電感按用途分為高頻電感、功率電感(主要為電源類電感)、一般電路用電感。高頻電感主要用途包括耦合、共振、扼流;功率電感主要用途包括變化電壓和扼流;而一般電路用電感提供廣泛的電感范圍和尺寸,用于聲音、視頻等普通模擬電路、共振電路等。
    按電感形式分為固定電感、可變電感。
    按導磁體性質可分為空芯線圈、鐵氧體線圈、鐵芯線圈、銅芯線圈。
    按工作性質可分為天線線圈、振蕩線圈、扼流線圈、陷波線圈、偏轉線圈。
    按繞線結構可分為單層線圈、多層線圈、蜂房式線圈。
    按工作頻率可分為高頻線圈、低頻線圈。
    按結構特點可分為磁芯線圈、可變電感線圈、色碼電感線圈、無磁芯線圈等。
    按封裝方式分類,可分為插裝式電感、片式電感。片式電感體積小、重量輕、可靠性好、便于安裝,已取代插裝式電感成為主流,又分為繞線式、疊層式、薄膜片式和編織線式四類,其中疊層片式、繞線式最為常見。



    1??常見的電感
    1、線圈電感:線圈電感是最基本的電感形式,它由一圈圈的導線繞制而成。其特點是感值范圍廣、穩定性好,但體積較大,適用于工頻、低頻電路中。線圈電感一般用于濾波、振蕩、定時等場合。
    2、貼片電感:貼片電感是一種表面貼裝的電感,它由導線和磁芯組成。其特點是感值范圍較窄,但體積小、重量輕,適用于高頻、小型化電路中。貼片電感一般用于濾波、振蕩、頻率補償等場合。
    3、功率電感:功率電感是一種大功率的電感,它能夠在高電壓、大電流的條件下工作。其特點是容量大、穩定性好,但體積較大,適用于電源、驅動等電路中。功率電感一般用于濾波、振蕩、限流等場合。
    4、射頻電感:射頻電感是一種工作在高頻范圍內的電感,它具有高感值、小體積等特點。其特點是頻率高、阻抗低,但穩定性較差,適用于高頻、微波電路中。射頻電感一般用于濾波、諧振、頻率變換等場合。


    2??電感的核心參數
    1、電感量L
    電感量L表示線圈本身固有特性,與電流大小無關。除專門的電感線圈(色碼電感)外,電感量一般不專門標注在線圈上,而以特定的名稱標注。電感量也稱自感系數,是表示電感器產生自感應能力的一個物理量。

    電感器電感量的大小,主要取決于線圈的圈數(匝數)、繞制方式、有無磁芯及磁芯的材料等。通常,線圈圓數越多繞制的線圈越密集電感量就越大。有磁芯的線圈比無磁芯線圈電感量大磁芯導磁率越大的線圈,電感量也越大。

    電感量的基本單位是亨利(簡稱亨)用字母H表示。

    2、感抗XL
    電感線圈對交流電流阻礙作用的大小稱感抗XL,單位是歐姆。它與電感量L和交流電頻率f的關系為XL=2πfL。
    3、品質因素Q
    品質因素Q是表示線圈質量的一個物理量,Q為感抗XL與其等效的電阻的比值,即:Q=XL/R。線圈的Q值愈高,回路的損耗愈小。線圈的Q值與導線的直流電阻,骨架的介質損耗,屏蔽罩或鐵芯引起的損耗,高頻趨膚效應的影響等因素有關。線圈的Q值通常為幾十到幾百。采用磁芯線圈,多股粗線圈均可提高線圈的Q值。
    4、直流電阻DCR
    電感線圈在非交流電下量得之電阻,在電感器設計中,直流電阻愈小愈好,其量測單位為歐姆。
    5、分布電容
    線圈的匝與匝間、線圈與屏蔽罩間、線圈與底版間存在的電容被稱為分布電容。分布電容的存在使線圈的Q值減小,穩定性變差,因而線圈的分布電容越小越好。采用分段繞法可減少分布電容。

    6、自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)

    由于Cp的存在,與L一起構成了一個諧振電路,其諧振頻率便是電感的自諧振頻率。在自諧振頻率前,電感的阻抗隨著頻率增加而變大;在自諧振頻率后,電感的阻抗隨著頻率增加而變小,就呈現容性。


    7、允許誤差
    電感量實際值與標稱之差除以標稱值所得的百分數。

    允許偏差是指電感器上標稱的電感量與實際電感的允許誤差值。

    一般用于振蕩或濾波等電路中的電感器要求精度較高,允許偏差為±0.2%~±0.5%而用于耦合、高頻阻流等線圈的精度要求不高,允許偏差為±10%~±15%。

    8、標稱電流
    也叫額定電流,指線圈允許通過的電流大小,通常用字母A、B、C、D、E分別表示,標稱電流值為50mA、150mA、300mA、700mA、1600mA 。額定電流是允許能通過一電感之連續直流電流強度,此直流電流的強度是基于該電感在******的額定環境溫度中的******溫升,額定電流與一電感由低的直流電阻以降低繞線的損失的能力有關,亦與電感驅散繞線的能量損失的能力有關,因此額定電流可借著降低直流電阻或增加電感尺寸來提高,對低頻的電流波形,其均方根電流值可以用來代替直流額定電流,額定電流與電感的磁性并無關連。
    9、飽和電流Isat
    在電感上加一特定量的直流偏壓電流,使電感的電感值下降,相對未加電流時的電感值下降10%(鐵氧體磁芯)或20% (鐵粉芯),這個直流偏壓電流就叫該電感的飽和電流??招?、陶瓷芯電感是沒有飽和電流的。
    10、直流阻抗Rdc
    電感的阻抗值是指其在電流下所有的阻抗的總和(復數) ,包含了交流及直流的部分,直流部分的阻抗值僅僅是繞線的直流電阻(實部),交流部分的阻抗值則包括電感的電抗(虛部)。從這個意義上講, 也可以把電感器看成是"交流電阻器”。電感通過直流電時的電阻值。這個參數影響******最直接的就是發熱損耗,所以直流阻抗越小損耗越少。減小Rdc與尺寸小型化等條件略有沖突。只要從上述的滿足電感、額定電流等必要特性的電感器當中,選定Rdc更小的產品即可。
    11、阻抗頻率特性

    理想電感的阻抗隨著頻率增加而增加,然而實際電感由于寄生電容和寄生電阻的存在,在一定頻率下呈現感性,超過一定頻率呈容性,阻抗反而隨著頻率的增加而減小,這個頻率就是轉折頻率。

    12、居里溫度

    居里溫度是鐵芯的一個重要參數,超過此溫度鐵氧體磁芯將失去磁性。因此要注意電感的工作溫度不能超過鐵芯的居里溫度。鐵芯的磁導率一般在接近居里溫度時會急速上升,因而電感值亦上升,居里溫度導磁率降至很低,因而使電感值急速下降,當導磁率下降至室溫下的10%時,其溫度稱之為居里溫度。

    13、測試頻率

    測試頻率用來測量電感的電感值或Q值的頻率,工業上常用的測試頻率包括:1KHz、79.6KHz、252KHz、796KHz、2.52MHz、7.96MHz、25.2MHz、50MHz,現在的趨勢是根據客戶的使用頻率作為測試頻率。

    14、鐵芯損失(core loss)

    鐵芯損失,簡稱鐵損,主要由渦流損與磁滯損造成。渦流損大小主要是看鐵芯材料是否容易「導電」;若導電率高,即電阻率低,渦流損就高,如鐵氧體的電阻率高,其渦流損就相對地低。渦流損也與頻率有關,頻率愈高,渦流損愈大,因此鐵芯材料會決定鐵芯適當的工作頻率。一般而言,鐵粉芯的工作頻率可到1MHz,而鐵氧體的工作頻率則可到10MHz。若工作頻率超過此頻率,則渦流損會快速增加,鐵芯溫度也會提高。然而,隨著鐵芯材料日新月異,更高工作頻率的鐵芯應是指日可待。

    另一個鐵損是磁滯損,其與磁滯曲線所圍之面積成正比,即與電流交流成分的擺動(swing)幅度有關;交流擺幅愈大,磁滯損也愈大。

    在電感器之等效電路中,常用一個并聯于電感的電阻來表示鐵損。當頻率等于SRF時,電感抗和電容抗抵消,等效電抗為零,此時電感器之阻抗即等效于此鐵損電阻串聯繞線電阻,且鐵損電阻已遠大于繞線電阻,所以在SRF時的阻抗就約等于鐵損電阻。以一低壓電感為例,其鐵損電阻約在20kΩ左右,若以電感兩端的有效值電壓5V來估算,其鐵損約為1.25mW,這也說明了鐵損電阻愈大愈好。

    15、封裝結構(shield structure)

    鐵氧體電感的封裝結構有非遮蔽式、加磁膠之半遮蔽式、與遮蔽式,而不論哪一種都存在相當的空氣隙。顯然此空氣隙會有漏磁發生,且最壞的情況是會干擾周遭之小信號電路,或者,如果附近有導磁材料,其電感值也因此被改變。另一種封裝結構為沖壓式鐵粉電感,由于電感內部沒有間隙,且繞組結構扎實,因此磁場散逸問題較小。圖10是利用RTO 1004示波器之FFT功能量測沖壓式電感上方及側邊3mm處之漏磁場大小。表4列出不同封裝結構電感的漏磁場大小比較,可看出非遮蔽式(non-shielded)電感之漏磁最嚴重;沖壓式(molded)電感的漏磁最小。這兩種結構的電感之漏磁場大小相差約14dB,也就是將近5倍。

    16、耦合(coupling)

    在一些應用當中,有時PCB上會有多組直流轉換器,通常會相鄰排列,且其對應之電感器也會相鄰排列的情況,如果使用非遮蔽式或加磁膠之半遮蔽式的電感器,可能會相互耦合,形成EMI干擾。因此,在放置電感時,建議先標注電感的極性,將電感最內層之起繞點接到轉換器之切換電壓,如降壓轉換器的VSW,即動點,而將電感之外層出線端接到輸出電容,即靜點;銅線繞阻也因此如同形成一定程度的電場遮蔽。在多路轉換器的布線安排中,固定電感的極性,有助于固定互感的大小,避免一些意想不到的EMI問題。

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