一篇了解电感的使用

一、电感理论基础

1.电感的定义

当电流通过线圈后,会产生磁场,磁感线穿过线圈,产生的磁通量与电流 i有如下关系:

将漆包线、纱包线或塑皮线等在绝缘骨架或磁心、铁心上绕制而成的器件,当线圈通过电流后,在线圈中形成磁场感应,感应磁场又会产生感应电流来阻碍线圈中电流的变化,这种电流与线圈的相互作用关系称为电的感抗,也就是电感,相应的器件成为电感器。

2.电感的决定式

3.电感的单位

4.电感的本质

根据法拉第电磁感应定律,当通过线圈的磁通发生变化,在线圈两端就要产生感应电动势,并且感应电动势的大小正比于磁通的变化率,即有下面公式:

公式中负号表示感应电动势是要阻止电流变化,如下图所示:

注意:

(1)不能让电感电流突变

电流突变会造成 di / dt 的值无限大,也就是说在电感两端产生无限大的电压,这通常会对电路造成破坏,需要尽量避免。

(2)电感在直流电路中相当于短路

直流电路中,di / dt 为 0,产生的感应电动势为 0,也就是说电感在直流电路中相当于短路。

(3)电感两端加恒定电压时、电流线性增大或者减小

在电感两端加上恒定电压 U 时,感应电动势与所加电压相等,方向相反,等于 -U(负号表示感应电动势要阻止电流变化)。根据上述公式,di / dt = U / L = 常数,这说明电感的电流是线性的增加的。

5.电感的储能

电感是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。

公式:单位焦耳J

电感的储能是要有电流流过的,如果电流为 0,那么储能为 0

6.电感等效模型

电感实际生产出来并不是理想电感,线圈匝数之间也会存在寄生电电容,线圈也不是超导体,会存在直流电阻,所以,电感等效模型如下图:

电感模型由电感和电阻串联,然后和电容并联构成,可以列出去复阻抗表达式:

根据这个公式,我们通常得到的阻抗的曲线如下图:

详细阻抗计算公式推导可看右方链接:阻抗计算公式

二、电感的电流和直流电阻

1.饱和电流 Isat

饱和电流 Isat 一般是标注在电感值衰减 30%(一些厂家是 10%,40%)的偏置电流。

2.温升电流 Irms

理想的电感是储能元件,不耗能。而实际中的电感是有损耗的,所以会发热。而温升电流,一般指电感自我温升温度不超过 40 度时的电流。

3.额定电流 Irat

电感最终的额定电流,是饱和电流和温升电流中的小者。

我们在电路设计中,关于额定电流一般至少会留 20%的裕量。即电感通过的最大电流要小于手册中的额定电流的 80%。

4.DCR直流电阻

电感一般是由导线绕制而成的,而导线是有直流电阻的,这个电阻就叫作 DCR

电感的 DCR 一般与电感的电感量和额定电流有关系。电感感量越大,导线的匝数越多,线长越长,因此 DCR 越大。同等电感量,额定电流越大,导线会越粗,DCR 越小。

三、电感的高频等效模型

四、电感选型

1.电感的种类

电感依铁芯形状不同有环型、E 型及工字型;

依铁芯材质而言,主要有陶瓷芯及两大软磁类, 分别是铁氧体及粉末铁芯等。

依结构或封装方式不同有绕线式、多层式及冲压式,而绕线式又有非遮蔽式、加磁胶之半遮蔽式及遮蔽式等。

电感制作工艺:

①绕线电感:铜线绕制

②叠层电感:丝网印刷

③薄膜电感:薄膜工艺

④一体成型:压制成型

2.电感内部结构

五、功率电感与贴片电感

简单赖说,功率电感管电源,贴片电感管信号。

贴片电感,又称为片式电感器。是电感器中的一种结构方式;在电路中首要起扼流;退偶;滤波;调谐;推迟;补偿等作用。而功率电感首要是由磁芯和铜线组成;分为带磁罩和不带磁罩的两种封装办法;或叫屏蔽式功率电感和敞开式功率电感;功率电感在电路中首要起到滤波和振荡的作用。贴片电感与功率电感的首要性能指标有:电感量与答应误差、温度系数、直流电阻、Q值因数、额定电流等。

贴片电感是比较小的,具有小型化、高品质的特性,是现在贴片电感开发的要点,由于贴片电感的体积小,所运用的电流不是很高,那么大的电感量运用的电流会高,而且那么小的体积也做不到豪哼的感量的,优点便是在电路中很简单的运用不会占有很大的方位,便于装置和便利客户进行运用。功率电感的优点便是简单焊接在电路板上,这种能够运用电流就很高,可是电感量就做不了那么高,由于绕线会比较丰满。功率电感在低频的时分,多会呈现出电感的特性,在电路中具有阻挠交流电通过而让直流电顺畅通过的特性。

六、共模差模电感

1.共模信号和差模信号

通常电源线有三根线:火线L、零线N和地线PE。

电压和电流的变化通过导线传输时有两种形态。

一种是两根导线,分别作为往返线路传输,我们称之为差模

另一种是两根导线做去路,地线做返回传输, 我们称之为共模

如下图,蓝色信号是在两根导线内部作往返传输,我们称之为差模。

黄色信号是在信号与地线之间传输,我们称之为共模。

2.共模干扰与差模干扰

任何两根电源线上所存在的干扰,均可用共模干扰和差模干扰来表示。

共模干扰在导线与地(机壳)之间传输,属于非对称性干扰,它定义为任何载流导体与参考地之间的不希望存在的电位差。

差模干扰在两导线之间传输,属于对称性干扰,它定义为任何两个载流导体之间的不希望存在的电位差。

在一般情况下,共模干扰幅度大、频率高,还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大。差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小。

3.如何抑制共模和差模干扰

共模干扰作为 EMC——Electromagnetic Compatibility(电磁兼容性)干扰中最为常见且危害较大的干扰,我们抑制它最直接的方法就是滤波。

如果电源回路同时还存在差模干扰,使用差模电容来抑制干扰。

USB信号上的共模干扰抑制方法,一般会在端口加一个共模电感。

七、磁珠的工作原理

电感与磁珠比较:

电感磁珠

单位是亨H

单位是欧姆

存储能量

消耗高频能量

通常用作开关电源

吸收高频,EMC对策

使用电感时希望损耗越小越好

使用磁珠时是利用其损耗来

消耗掉我们不需要的高频分量

常见:

八、磁珠的阻抗-频率特性

阻抗详细介绍可看 电容基础3——阻抗和容抗 - 知乎 (zhihu.com)

磁珠的阻抗-频率特性如下图:

九、电感仿真

电感最主要功能是它会抑制本身通过电流的变化

示例:给定一个方波信号,一旦低电平时MOS管截止,电感就会去维持电流,但是开路电阻无穷大,这时会产生非常高的电压,这个高压可能会损坏电路中的其他元器件。

如下图:当为低电平时,瞬间电压上升接近100V

那么我们可以接一个二极管跟这个电感并联实现放流回路

如下图:当为低电平时,瞬间电压上升接近13V左右

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