電路中的磁性器件

 

磁性元器件—電感器和變壓器與其他電氣元件不同，使用者很難采購到符合自己要求的電感和變壓器。因?yàn)闆]有一個在規(guī)定范圍內(nèi)通用的規(guī)范化的參數(shù)，而表征磁性元件的大多數(shù)參數(shù)(電感量，電壓，電流，處理能量，頻率，匝比，漏感，損耗)對制造商是無所適從的。

 

 

磁性元件的分析和設(shè)計比電路設(shè)計復(fù)雜得多，要得到唯一的答案是困難的。因?yàn)橐婕暗皆S多因素，因此設(shè)計結(jié)果絕不是唯一合理的?？紤]的不僅是最小體積，最低成本，或最高效率，還要包含結(jié)構(gòu)、工藝、散熱以及干擾等設(shè)計。高頻開關(guān)電源的很多麻煩是由于磁性元件工藝、結(jié)構(gòu)不合理引起的。

 

 

電感器是依據(jù)電磁感應(yīng)原理，由導(dǎo)線繞制而成。在電路中具有通直流、阻交流的作用。在電路圖中用符號L表示，主要參數(shù)是電感量，單位是亨利，用H表示。依據(jù)電磁感應(yīng)原理，電感器派生出很多種器件。

 

 Z=R+jX            R=ωL0μ’’         X=ωL0μ’

 

 

電感器種類

 

1  小型固定電感器

 

小型固定電感器通常是用漆包線在磁心上直接繞制而成，主要用在濾波、振蕩、陷波、延遲等電路中，它有密封式和非密封式兩種封裝形式，兩種形式又都有立式和臥式兩種外形結(jié)構(gòu)。

 

1、臥式密封固定電感器 

 

臥式密封固定電感器采用軸向型引腳，有LG1、LGA、LPH等系列。LG1系列電感器的電感量范圍為0.1~100000μH，額定電流分為50mA、150mA、300mA、700mA和1.6A五種規(guī)格。LGA系列電感器采用超小型結(jié)構(gòu)，外形與1/2W色環(huán)電阻器相似，其電感量范圍為0.22~1000μH，額定電流為0.04~1.4A。LPH系列電感器也為小型封裝結(jié)構(gòu)，其電感量范圍為3.9~18000μH。誤差范圍為±5%~±20%。

 

2、立式密封固定電感器 立式密封固定電感器采用同向型引腳，有LG2P、LG2S、LPV等系列。電感量范圍為0.1~100000μH，額定工作電流為0.05~2.0A，誤差范圍為±5%~±20%。

 

2 可調(diào)電感器

 

其外部為金屬屏蔽罩，內(nèi)部由尼龍襯架、工字形磁心、磁帽及引腳座等構(gòu)成，在工字磁心上有用高強(qiáng)度漆包線繞制的繞組。磁帽裝在屏蔽罩內(nèi)的尼龍架上，可以上下旋轉(zhuǎn)動，通過改變它與線圈的距離來改變線圈的電感量。

 

3 阻流電感器

 

阻流電感器是指在電路中用以阻塞交流電流通路的電感線圈，它分為高頻阻流線圈和低頻阻流線圈。

 

1、高頻阻流線圈：高頻阻流線圈也稱高頻扼流線圈，它用來阻止高頻交流電流通過。v高頻阻流線圈工作在高頻電路中，多用采空心或鐵氧體高頻磁心，骨架用陶瓷材料或塑料制成，線圈采用蜂房式分段繞制或多層平繞分段繞制。

    

2、低頻阻流線圈：低頻阻流線圈也稱低頻扼流圈，它應(yīng)用于電流電路、音頻電路或場輸出等電路，其作用是阻止低頻交流電流通過。

 

4 按應(yīng)用原理分類

 

儲能類 ：包括起儲能作用的儲能電感器，諧振電感器；開關(guān)電源電感器(BUCK電感、BOOST電感等)。

 

EMI濾波類 ：包括差模電感器；共模電感器；  無源PFC電感器； LC濾波電感器。起交流和直流濾波作用的濾波電感器;起抑制電磁干擾作用的電磁干擾濾波電感器，尖峰抑制電感器；起抑制噪聲作用的噪聲濾波電感器;起吸收浪涌電流作用的吸收電感器，起減緩電流變化速率的緩沖電感器;

 

其他類 ：起開關(guān)作用的磁性開關(guān)電感器；起幫助半導(dǎo)體開關(guān)換向作用的換向電感器；起調(diào)節(jié)電感作用的可控電感器和飽和電感器。

 

5 按封裝結(jié)構(gòu)分類

 

金屬殼密封類 ：金屬密封殼裝有單獨(dú)制造的出頭和引出端，此類別不包括用絕緣引線穿過金屬殼的電感器。 

 

灌封類 ：包括模注灌封或包封結(jié)構(gòu)，以及包括具有金屬殼，一端或者兩端敞開并用灌封材料填充的電感器，或者用用絕緣引線穿過金屬殼的電感器。 

 

開放類：開放類就是除金屬殼類、灌封類以外的電感器，包括端封式結(jié)構(gòu)的電感器。

 

 

電感器的主要參數(shù)

 

1、電感量

   

反應(yīng)電感儲存磁場能的本領(lǐng)，它的大小與電感線圈的匝數(shù)、幾何尺寸、有無磁心（鐵心）、磁心的導(dǎo)磁率有關(guān)。在同等條件下，匝數(shù)多電感量大，線圈直徑大電感量大，有磁心比沒磁心電感量大。用于高頻電路的電感量相對較小，用于低頻電路的電感量相對較大。電感量的單位為亨（H）

 

 

L=Ψ/I=NAeB/I=N2AeB/Hle

=μ0μeN2Ae/le

 

2、標(biāo)稱電流值

       

電感器長期工作不損壞所允許通過的最大電流。它是高頻、低頻扼流線圈和大功率諧振線圈的重要參數(shù)。常以字母A、B、C、D、E來分別表示標(biāo)稱電流值50mA、150mA、300mA、700mA、1600mA。應(yīng)用時實(shí)際通過電感器的電流不宜超過標(biāo)稱電流值。

 

更詳細(xì)內(nèi)容：

 

功率電感器的額定電流為什么有兩種？

 

3、品質(zhì)因數(shù)（Q值）：

 

電感線圈中儲存能量與消耗能量的比值稱為品質(zhì)因數(shù)。又稱Q值。或是線圈所呈現(xiàn)的感抗與線圈直流電阻的比值，Q=wL/R。電感器的Q值一般為50-300，Q值與線圈的結(jié)構(gòu)（導(dǎo)線粗細(xì)、多股或單股、繞法、磁心）有關(guān)，Q值越高，電路的損耗越小。在調(diào)諧回路中，要求Q較高，以減小與線圈回路的損耗；在濾波回路中，Q值不宜過高，以免使其與濾波電容構(gòu)成諧振回路，對電路產(chǎn)生影響，對于高頻扼流圈和低頻扼流圈不做要求。

 

4 精度等級

 

允許偏差是指電感器上標(biāo)稱的電感量與實(shí)際電感的允許誤差值。

 

一般用于振蕩或?yàn)V波等電路中的電感器要求精度較高，允許偏差為±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%~20%。

 

5、分布電容：指線圈匝與匝之間形成的分布電容，它降低了線圈的品質(zhì)因數(shù)Q，也使線圈的工作頻率受到限制。高頻線圈采用減小線圈骨架直徑，采用細(xì)導(dǎo)線繞制、蜂房式或分段式繞法就是為了減少分布電容。

 

6、自諧頻率：電感在其SRF時,電感的分布電容與電感值產(chǎn)生共振,此時電感值與電容值相等而互相抵銷。電感的Q值在共振頻率時,Q=0,XL=0,故此時電感出現(xiàn)具高阻抗值。電感超過此頻率則失效成電容性產(chǎn)品,故一般訊號用電感會訂SRFmin

        

我們知道諧振頻率f=1/（2π√LC），該式里有2個參數(shù)決定f，就是L和C。由式可知，LC越小，頻率越高。在電容一定的情況下，可以考慮減小電感，提高自諧振頻率；如果電感一定，就要考慮怎么減小分布電容，而電容的公式是C=ε·S/4πkd，這里有三個變量，ε，S和d，介電常數(shù)ε也就是電感里面的填充材料，看是否有可選材料減小介電常數(shù)，另一個是S，就是減小接觸面積，也就是電感里面的每一圈繞線的接觸面積減小，第三個是d，可以考慮每一圈線疏繞?；蛘哂酶遳的磁芯，減少繞線圈數(shù)等。

 

氣隙對磁特性的影響

 

 

磁棒的有效磁導(dǎo)率

 

 

應(yīng)力對磁性能的影響

 

 

變壓器

 

 

1 變壓器按工作頻率可分為高頻變壓器、中頻變壓器和低頻變壓器。

 

2 變壓器按其用途可分為電源變壓器、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、脈沖變壓器、恒壓變壓器、耦合變壓器、自耦變壓器、隔離變壓器等多種。

 

3 變壓器按鐵心（磁心）形狀可分為“E”型變壓器、“C”型變壓器和環(huán)型變壓器。

 

變壓器的損耗與磁漏

 

 

磁材料的磁傳遞特性

 

 

漏感對特性的影響

 

漏感公式：Ls=μ0N2dg/h

 

N為初級匝數(shù)，h繞線寬度，d為兩線圈間隙高度，g兩線圈間的平均周長C=2πr。

 

1、減少初級匝數(shù)可以降低漏感。N減小Ls減小。

2、增加繞線寬度，h增大Ls減小。

3、減小絕緣厚度，d減小Ls減小。

4、減小繞組層數(shù)，g減小Ls減小。

5、不滿層的繞組選擇疏繞滿層，h增大Ls減小。

6、繞組繞緊且分布均勻，減小g來減小Ls。

7、減小氣息，降低漏感。

8、增加耦合減小漏感，用三明治繞法。

 

變壓器參數(shù)

 

1、額定功率

     

指在規(guī)定頻率和電壓下，變壓器長期工作而不超過規(guī)定的溫升的最大輸出功率，額定功率中會有部分無功功率，故單位為VA。一般在數(shù)百伏安以下。

 

2、變壓比n

    

是指變壓器一、二次繞組電壓比。如果忽略了鐵心、線圈的損耗此值近似等于一、二次繞組的匝數(shù)比，這個參數(shù)表明了該變壓器是升壓變壓器還是降壓變壓器。

               

n=U1/U2=N1/N2 

 

3、電流與電壓的關(guān)系

   

若不考慮變壓器的損耗，則  U1.I1=U2.I2或 U1/U2=I2/I1

 

4、阻抗變換關(guān)系

  

初級輸入阻抗Z1與次級負(fù)載阻抗Z2的關(guān)系可由歐姆定律導(dǎo)出。

  

U1/Z1=I1  U2/Z2=I2代入上式得到  

 

Z1/Z2=(U1/U2)2=n2    Z1=n2Z2 

  

所以變壓器有變換阻抗的作用。

 

5、效率η：

      

在額定負(fù)載時，變壓器輸出功率占輸入功率的百分?jǐn)?shù)。η＝(Po/Pi)×100%

  

它與設(shè)計參數(shù)、材料、制造工藝及功率有關(guān)。通常20VA以下效率為70%-80%，而100VA以上效率可達(dá)95%以上。一般電源、音頻變壓器考慮效率，中頻、高頻變壓器不考慮效率。

 

6、絕緣電阻和耐壓強(qiáng)度

      

是變壓器安全工作的重要參數(shù)

 

絕緣電阻：變壓器線圈之間、線圈與鐵芯之間以及引線之間的電阻。

 

抗電強(qiáng)度：在規(guī)定時間內(nèi)（如１分鐘）變壓器可承受的電壓。

   

小型電源變壓器絕緣電阻不小于500MW, 抗電強(qiáng)度大于2000V。

 

磁心選擇

 

 

銅線選擇

 

趨膚效應(yīng):當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場時，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，且電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分的一種現(xiàn)象。導(dǎo)線內(nèi)部實(shí)際上電流變小，電流集中在導(dǎo)線外表的薄層。結(jié)果導(dǎo)線的電阻增加，使它的損耗功率也增加。

 

集膚深度:分別對應(yīng)室溫20 ℃和溫度100 ℃，有δ = 6.6 / √ f 和 δ= 7.65/ √ f 兩個公式，結(jié)果為cm 。根據(jù)集膚深度選擇銅導(dǎo)線的直徑或厚度。

 

銅導(dǎo)體的集膚深度：（20℃)

 

 

高頻電路中存在集膚效應(yīng)的影響，頻率越高集膚效應(yīng)越嚴(yán)重，如1MHz集膚效應(yīng)在60μm厚層面，500MHz集膚效應(yīng)在3.0μm厚層面，1GHz集膚效應(yīng)在2.1μm厚層面，10GHz集膚效應(yīng)在0.7μm厚層面。信號沿著導(dǎo)線表面(包括四側(cè)面)流動，希望導(dǎo)線表面平滑，因粗糙表面會延遲信號傳輸時間。現(xiàn)在印制板用銅箔粗化面是2μm～3μm，凹凸輪廓還顯大，要求更低輪廓銅箔以滿足高頻電流的傳輸。

 

 

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