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通識教程 A010 電感基礎知識 通識教程 A010 電感 所謂的電感 Inductor 可以用一句話來說明 即是僅由導線卷線而成的電子零件 其與電阻器和電容器並列為電路上最基本的零件 是構成電路的主要零件 電感器中使用鐵芯的目的是為了將線圈所產生的磁束 全部拘限收束在鐵芯內部 使電感器的周圍即使有導電性的物體存在 也不會產生能量損失 電感為電感器最主要的特性 其定義是由流過卷線的電流和卷線與磁通的交漣數之比值 即 LI另外 也有的流過卷線的電流之時間變化量和卷線兩端所感應的電壓的比值來表示 即E L dI dt 通識教程 A010 電感 設一形狀一定之導體線圈 匝數為N 當其線圈中有電流I通過時 電流產生磁場 線圈所圍的面上有磁通穿過 設每匝線圈上都鏈有磁通 該線圈所鏈的磁鏈 即等於匝數N與磁通 的乘積 即 N 如果線圈周圍沒有鐵磁物質 則 與I成正比 其比值定義為電感或自感 每單位電流所產生的通鏈數 稱為該電路的自感或電感 以L表示 若線圈中通過1安培電流 產生1韋匝的通鏈 其自感為1亨利 L I N I 通識教程 A010 電感主要應用範圍遍及電腦週邊設備 通訊類和消費類電子產品等 如筆記本型電腦 主機板 數據機 VGA卡 繪圖卡 數位相機 掃瞄器 行動電話 LCDMONITOR ADSLMODEN與PDA等多項產品 具體如下 1 電腦資訊業 個人電腦 手提式PC及其週邊裝置 2 通訊機器業 多功能電話機 數據傳真機 手機 3 民生電子業 數位電視 VTR 4 OA機器業 影印機 傳真機 5 IA機器業 DVDPlayer WebPad 6 FCC標準出口下的所有電子產品 產品應用 通識教程 A010 電感常用材料 一 鐵心 CORE 1 分類 1 按照形狀區分 EE EI EFD R DR EEL EER RM UTD ET UU EP UT 2 按其鐵芯材質分 軟性鐵氧體 Softferrite 鐵粉芯 IronPowder 鐵鎳合金 molypermalloy 鐵硅鋁合金 sendust 等 通識教程 A010 電感常用材料 二 漆包線 MagnetWive 1 分類 按照其銅線外層之漆膜材質區分 以太平洋公司之銅線為例 有以下種類 1 聚乙烯甲醛漆包線 Polyvinyformal PVF 2 聚胺基甲酸脂漆包線 Polyurethane UEW 3 聚脂漆包線 Polyester PEW 4 UEW外覆Nylon漆包線UEW NY UEWY 5 PEW外覆Nylon漆包線PEW NY 通識教程 A010 電感常用材料 2 耐溫等級 通識教程 A010 電感常用材料 三 BASE CASE BOBBIN 四 絕緣漆 凡立水 五 套管 六 絕緣膠帶 七 絕緣膠 EPOXY 八 鐵夾 CLIP 銅腳 通識教程 A010 鐵芯材質 按照鐵磁材料的磁性 其一般被分為兩大類 一類是軟磁材料 如Mn Zn系或Ni Zn系的軟性鐵氧體 陶鐵磁體 ferrite 及矽鋼片 IronPowder Mpp Sendust等合金系的鐵磁材料均屬之 一類是硬磁 永磁 材料 如鋁鎳鈷永磁 稀土鈷永磁等 通識教程 A010 鐵芯材質 電感器目前較常使用的材料為陶鐵磁體 ferrite 鐵粉心 ironpowder MPP合金 molypermalloycores 與鐵硅鋁合金 sendust 等 其中鐵粉心 MPP合金與鐵硅鋁合金都非常適合用於做儲能電感器的設計 至於要選擇那種材料 則依其價格 重量 可用率 性能及製作的容易度來決定 其有以下特性 A 高的飽和磁通密度 B 高能量儲存容許能力 C 本身具有空氣隙 不需在鐵芯上切割間隙 D 有較多的尺寸大小可供選擇 通識教程 A010 IronPowderCores GENERALMATERIALPROPERTIES 通識教程 A010 INITIALPERMEABILITYV S FREQUENCY Frequency Hertz InitialPermeability 通識教程 A010 一 電感值 電感的一個主要特性 是能抑制流經電流的改變 一個電感器的電感值會受鐵芯之材質 鐵芯之形狀及尺寸 繞線的圈線及線圈的形狀等所影響 電感的單位為亨利 H 1H 103mH 106uH 109nH 1012pH電感值通常以mH或uH為單位 電氣特性 通識教程 A010 二 電感值公差 電氣特性 通識教程 A010 三 RDC直流電阻值 定義 當 0時 Z R 而此時電路為直流電路 此時的電阻值來自於內部導線的阻抗特性 直流電阻對電流起阻礙作用 它與導線的橫截面S成反比 與導線長度成正比 一般電感元件RDC越小越好 某值越小 則直流越容易通過 消耗功率愈小 元件本身越不容易發熱 電氣特性 通識教程 A010 四 IDC直流額定電流值此為電感材料的直流偏流特性 CurrentBias 當Bias電流提高到額定電流值時 因磁束已達飽和狀態 此時若再增加電流時 電感量則逐漸遞減 直流額定電流值愈大愈好 電流值愈大表示承受電流能力愈大 電感L Bias電流 電氣特性 通識教程 A010 五 Q品質系數 電感的品質系數是量測一電感相對損失 反映元件品質好壞的指標 其為某一周期電感儲存能量和消耗能量的比值 又稱品質因子 電感的Q值定義為感抗與有效電阻之比 如下所示 Q XL 電氣特性 通識教程 A010 本身的物體結構的特性與頻率產生的自諧振界限 感性容性 六 f頻率 七 SRF自諧頻率 周期的倒數 每秒鐘交流信號變化的周期次數 電氣特性 通識教程 A010 八 Irms有效電流 九 Isat飽和電流 額定最大可通過的電流 十 T溫升 在空氣中一元件之表面溫度因元件內部能量的釋放所造成的溫度增加量 電氣特性 通識教程 A010 十一 Z阻抗值 一電感的阻抗值是指其在電流下所有阻抗的總和 包含了交流及直流的部份 直流部份的阻抗值僅僅是繞線的直流電阻 交流部份的阻抗值包含電感的電抗 下列的方程式用來計算一理想電感 沒有能量損失 在一正弦波交流訊號下的電抗 Z XL 2 fL此式說明一較高的阻抗值可由較高的電感值或在較高的頻率下得到 此外 表面效應及鐵損亦會增加一電感的阻抗值 電氣特性 通識教程 A010 一 分類 電感器一般可分為 電源濾波扼流圈 交流扼流圈 包括電感線圈 和飽和扼流圈等 1 電源濾波扼流圈 電源濾波扼流圈主要用於平滑整流后的直流成分 減小其波紋電壓 以滿足電子設備對直流電源的要求 2 交流扼流圈 交流扼流圈用於交流回路中 作為平衡 鎮流 限流和濾波等感性元件來使用 電感器的分類 通識教程 A010 3 電感線圈 電感線圈多用於高頻電路中 如濾波器用電感線圈 振蕩回路電感線圈 高頻扼流圈 噪音濾波線圈 電感線圈的鐵芯以使用鐵氧體磁心及鐵粉芯較多也有采用坡莫粉未磁心 非晶質等軟磁合金等 電感線圈的主要技術指標為電感量和品質因數 在某些場合對電感的溫度穩定性也有一定的要求 4 飽和扼流圈 飽和扼流圈用於穩壓和調壓線路中 通過調節交流電路中的感抗來達到穩定或調節電壓的目的 其主要應用在大功率或特殊要求之場合 電感器的分類 一 分類 通識教程 A010 二 各類電感簡介 磁性放大器使用於開關式電源供應器 SPS 中 在高頻應用時 具有低損失和高效率的特性 磁性放大穩壓器是利用飽和磁性的方式來控制電能 此乃利用方型磁滯曲線的特性 其由一個環形鐵芯及繞線來組成 可將磁性放大器視為一個磁性開關 其動作為調整脈波寬度因此我們可以說它為磁性的脈波寬度調變 PWM 電感器的分類 1 磁性放大穩壓器 通識教程 A010 1 磁性放大穩壓器 在實際動作情況下 一個理想的磁性放大器其特性為 1 Br Bm的方形比率愈高愈好 2 Hc矯頑磁力愈小愈好 3 Bs飽和磁通愈大 以愈小的鐵心截面積A及繞組N就可以控制大電壓 一般磁性放大器是設計在交換式電源供應器的二次側來控制P W M 即在輸出的點來反應誤差的電壓 P W M指脈波寬度調變 電感器的分類 通識教程 A010 2 輸出儲能電感 抗流線圈 某些電源輸出線路中 須用到儲能電感 儲能電感有以下之功能 1 降低輸出電壓之漣波 2 減小輸入電流之峰值 降低輸入電容器之濾波電流 3 降低交換功率電晶體之集极電流峰值降低電晶體在ON OFF時的交換損失 4 降低輸出電容器的濾波電流 5 減小輕負載時之負載變動 6 降低整流器之峰值電流 電感器的分類 通識教程 A010 2 輸出儲能電感 抗流線圈 在設計考慮上 抗流線圈與輸出電容形成低通濾波器 一般在設計上選擇較小的抗流線圈電感與較大的電容值 其原因如下 A 有較小的突波阻抗 SURGEIMPEDENCE 當負載電流為步階式變化時有較好的暫態特性 B 在相同的儲能能力下 實際電感的損失比電容大 故選擇較小的電感 C 零件成本較低 體積較小 重量較輕 電感器的分類 通識教程 A010 3 常模與共模扼流圈 在防止干擾的對策中 經常采用電感器或電容器 在使用的電感器中 又可分為常模扼流線圈 normalmodechoke 及共模扼流線圈 commonmodechoke 1 常模扼流線圈 常模扼流線圈系與訊號串聯插入 藉以產生電抗作用 電源濾波器上用的常模扼流線圈 系利用損失較大的金屬族系粉未為材料的鐵芯纏以繞線所構成的單一扼流線圈 使用高損失鐵芯的原因系為抑制受有雜訊干擾的扼流線圈本身以及電感器與電感器兩者所產生的諧振現象 並防止非必要的振蕩信號的進入 電感器的分類 通識教程 A010 3 常模與共模振流圈 2 共模扼流線圈 共模扼流線圈是對共模雜音干擾信號具有效用 其所用兩組繞線繞在同一鐵芯中 a 與常態電流對應時 阻流圈不產生作用 b 與共模電流對應時 阻流圈產生作用 電感器的分類 通識教程 A010 1 主機板應用例 應用實例 如圖所示 其為電腦主機板上之電源輸入端電路圖 由交換式電源供應器輸出之DC 5V電壓 經此電路濾波整流后 得到DC 1 3V伏左右之低壓大電流信號 供給主機板上之各元件所需電能 具體到我司之TC類電感 其在主機板上主要用作L2或L4 L2輸入電感主要系用來濾除EMI干擾雜訊 L4直流輸出電感則主要用來儲能 以提供給其它元件所需的電能 通識教程 A010 1 主機板應用例 應用實例 由於在目前主機板線路的設計中 其輸出電壓不斷降低 電流則不斷升高 這就對直流輸出電感 L4 提出了更高要求 故如我司之電感制造廠商亦需品質更佳的磁芯來使所制作出的電感能夠在較小的體積下儲存更多的能量 提供更大的電流 有時設計者會將L4輸出電感設計為由多個電感並聯的方式 來滿足所需 當使用品質優異的鐵芯來制作電感時 其價格亦可能較貴 但從整體設計角度考量 當電感品質較佳時 其對電路中電容的要求則可遷當降低 故其總成本應可有望降低 故在電感設計中選擇鐵芯時 不可單從其價格的高低去考慮 通識教程 A010 應用實例 2 開關式 交換式 電源供應器應用例 如圖 其為電腦電源供應器 交換式電源供應器 之示意簡圖 從ACLine端輸入之市電 220V 110V 經整流及功率因數校正后輸入高頻變壓器降壓 整流 濾波后 得到DC 5V及