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正弦波逆变器电路设计工程师分析三大被动元件之电感器的重要性

电感器——又称扼流器、电抗器、动态电抗器。与电容器、电阻器一起被称为三大被动元件,继电容器、电阻器之后迅速发展实现片式化的元件。


基本原理

自感现象:当流经导体本身的电流发生变化时会产生的电磁感应现象。

用金属导线做成线圈,流经线圈的电流发生变化时,会产生很明显的电磁感应现象,线圈自感应反向电动势阻碍电流的变化,起到平稳电流的作用。


具体地,如果电感器在没有电流通过的状态下,电路接通时它将试图阻碍电流流过它;如果电感器在有电流通过的状态下,电路断开时它将试图维持电流不变。

从能量角度看就是,电感器能把电能转储为磁能,把磁能释放为电能。


同一电感器对不同变化频率的电流阻碍效果不一样,其总体规律是:通低频,阻高频.

电感的发现发明大事记

1831年 英国M.法拉第发现铁芯线圈电磁感应现象

1832年 美国J.亨利发表关于自感应现象论文。人们把电感量的单位称为亨利,简称亨;

1850s’ 电感器应用到电报电话装置中;

1887年 德国H.R.赫兹发明赫兹线圈;

1890年 美国N.特斯拉,发明 特斯拉线圈;

1935年 日本TDK推出世界上第一个铁氧体磁芯;

1980S' 日本美国,为适应SMT需要,开始了片式电感器的研究开发;

1984年 TDK率先以1210为先导产品,实现了多层片式电感器产业化;

1994年 中国的深圳南玻和南京898厂分别引入日本美国绕线型和多层型电感生产线

……

电感器的分类

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电感器发展衍变

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目前用量最大的是绕线片式电感器和多层片式陶瓷电感器。

贴片型电感器对比

产品分类

对比项

多层片式

电感器

绕线片式

电感器

薄膜片式

电感器

制造关键

工艺

印刷多层

高温烧结

磁芯上绕线圈

沉积薄膜

光刻图形

电感量范围

电感量较小

nH-uH级

电感量宽广

可达mH~H

范围窄小

电感量较小

精度

较低

电感量精度高

Q值

Q值较低

40~70

高Q值

高频保持高Q

耐电流

<0.5A

大电流

可达0.5A

较小

磁屏蔽性

磁屏蔽好

漏磁少

非磁屏蔽

漏磁多

内电极集中

磁场分布集中

成本

较高

很高

体积

主要应用

信号处理

抑制干扰

信号处理、电源管理、高频回路

高频微波场合100MHz以上

绕线片式电感器是传统绕线电感器小型化的产物,把引线改为适合表面贴装的端电极结构;

多层片式陶瓷电感器采用多层印刷技术和多层生产工艺制作,体积比绕线型片式电感器还要小,是电感元件领域发展的主流方向。

正弦波逆变器电路设计工程师分析三大被动元件之电感器的重要性


电感器主要性能参数

电感量Ls

电感量也称自感系数,是表示当流经电感器的电流发生变化时,其产生自感应能力的一个物理量。电感量的大小反映了元件存、释能量的强弱。

电感量是电感器本身固有特性,取决于线圈匝数、绕制方式、磁芯材料等。

公式:Ls=(k*μ*N2*S)/L

其中:μ为磁芯的相对磁导率

N 为线圈圈数的平方

S 线圈的截面积,单位为平方米

L 线圈的长度,单位为米

k 经验系数


从公式可知:

线圈圈数越多、绕制的线圈越密集,电感量就越大。有磁芯的线圈比无磁芯的线圈电感量大;磁芯导磁率越大的线圈,电感量也越大。

电感量的基本单位是亨利(亨),用字母“H”表示。常用单位毫亨(mH)、微亨(μH)、纳亨(nH)。

换算关系为:1H=103mH=106μH=109nH

片式电感器电感量范围

电感器类别

磁芯材料

电感量范围

多层片式

铁氧体

47nH~100uH

多层片式

常规陶瓷

1nH~470nH

绕线片式

铁氧体

10nH~1000uH

绕线片式

常规陶瓷

1nH~33uH

常用测试仪器:HP4291B/HP4194A阻抗分析仪



电感量允许误差

允许偏差是指电感器上标称的电感量与实际电感的允许误差值。

用于振荡或滤波等电路中的电感器要求精度较高,允许偏差为±0.2%~±0.5%;

用于耦合、高频阻流等线圈的精度要求不高,允许偏差为±10%~±20%。

感抗XL

电感线圈对交流电流阻碍作用的大小称感抗XL,单位是欧姆。它与电感量L和交流电频率f的关系为XL=2πfL

常用测量仪器:HP4291B阻抗分析仪

品质因素Q

品质因素Q是表征电感器质量的一个主要参量。

Q为电感器在某一频率的交流电压下工作时,感抗XL与其等效的电阻的比值:


公式: Q = XL / R


因XL与频率有关,所以Q值与频率相关。常见Q-F曲线为钟形。

电感器的Q值高低与线圈导线的直流电阻,磁芯介质损耗,屏蔽罩或铁芯引起的损耗,高频趋肤效应的影响等因素有关。

Q值反映元件工作时所做的有用功与其本身消耗的能量比例关系,电感器Q值越高,回路的损耗越小,效率越高。电感器的Q值通常为几十到几百。

接收、发射模块中的耦合、调谐电路对Q值要求高,滤波电路Q值要求低

自谐振频率SRF

电感器的寄生电容与电感量发生谐振的频率点,记为FSR。

在FSR下,电感感抗与寄生电容容抗相等并互相抵消,整体表现为电抗为0,FSR处电感失去储能能力表现出高阻的纯阻特性。即FSR处,Q=0 。

公式: FSR=[2л(LC)1/2]-1

寄生电容是指线圈的匝与匝之间,线圈与磁芯之间,线圈与地之间,线圈与金属之间都存在的电容。电感器的寄生电容越小,其稳定性越好。

寄生电容的存在使线圈的Q值减小,稳定性变差,因而线圈的寄生电容越小越好。 

常用测量仪器:HP8720E网络分析仪

HP4991B阻抗分析仪

直流电阻 Rdc

直流电阻——直流状态下测量元件的电阻值,单位为欧姆。

表征元件内部线圈的质量状况,符合欧姆定律。

在电感设计中,都要求直流电阻隔尽可能的小。

通常标称为最大值。

常用测量仪器:HP4338B

额定电流Ir

额定电流是指电感器在允许的工作环境下能承受的最大电流值。

电流通过会引起元件发热,元件温升电感量会下降,取元件电感量下降5%或器件温升20C的电流值为额定电流。

若工作电流超过额定电流,则电感器就会因发热而使性能参数发生改变,甚至还会因过流而烧毁。

额定电流为其允许的最大工作电流,同系列产品,电感量增大,额定电流减少。

对非磁性磁芯电感器来说,额定电流取于直流电阻,直流电阻越小则温升越小,容许电流越大。

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