第三节 电感元件及其应用.doc

第三节 电感元件及其应用 一、电感基础 当电感线圈接到交流电源上时，线圈内部的磁力线将随电流的交变而时刻在变化着，致使线圈不断产生电磁感应。这种因线圈本身电流的变化而产生的电动势，称为“自感电动势”。 由此可见，电感量只是一个与线圈的圈数、大小形状和介质有关的一个参量，它是电感线圈惯性的量度而与外加电流无关。 另外，当1个线圈中的电流变化时，它所产生的通过邻近线圈回路的磁通量也发生变化，从而在邻近线圈中产生感应电动势，这种现象叫互感应现象。 互感的大小常用互感系数来表示。在两个有磁交链的线圈中，互感磁通量与产生此磁通量的电流的比值，即为互感系数，简称互感，用M表示： 其中，12：线圈L1通电流时，在L2中穿过的磁通量，单位：韦伯（Wb）；21：线圈L2通电流时，在L1中穿过的磁通量；I1、I2：分别为流过L1、L2的电流；M：互感系数，单位为H（亨利）。 电感是导线内通过交流电流时，在导线的内部及其周围产生交变磁通，导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。即 其中，：自感磁通量，单位为Wb； I：流过导体的电流，单位为A； L：自感系数，单位为H。 当电感中通过直流电流时，其周围只呈现固定的磁力线，不随时间而变化；可是当在线圈中通过交流电流时，其周围将呈现出随时间而变化的磁力线。根据法拉弟电磁感应定律磁生电来分析，变化的磁力线在线圈两端会产生感应电势，此感应电势相当于一个“新电源”。当形成闭合回路时，此感应电势就要产生感应电流。由楞次定律知道感应电流所产生的磁力线总量要力图阻止原来磁力线的变化的。由于原来磁力线变化来源于外加交变电源的变化，故从客观效果看，电感线圈有阻止交流电路中电流变化的特性。电感线圈有与力学中的惯性相类似的特性，在电学上取名为“自感应”，通常在拉开闸刀开关或接通闸刀开关的瞬间，会发生火花，这就是自感现象产生很高的感应电势所造成的。 电感元件是储能元件，把电能转换成磁能并存储起来。对直流呈很小阻抗，对交流呈较大阻抗，具有阻止电流变化的特性。 作用： （1）作为线圈：主要作用是滤波、聚焦、偏转、延迟、补偿、与电容配合用于调谐、陷波、选频、震荡。 （2）作为变压器：主要用于耦合信号、变压、阻抗匹配等。 电感的分类： 电感形式分：固定电感、可变电感。 导磁体性质分：空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈。 工作性质分：天线线圈、振荡线圈、扼流线圈、陷波线圈、偏转线圈。 绕线结构分：单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈。 基本元件-电感-表贴电感 基本元件-电感-直插式电感 电感符号 二、电感等效电路 电感元件除电感L外，也总是有损耗电阻RL和分布电容CL。一般情况下RL和CL的影响很小。电感元件接于直流并达到稳态时，可视为电阻；若接于低频交流电路则可视为理想电感L和损耗电阻RL的串联；在高频时其等效电路如图所示Re和Le分别为电感元件的等效电阻和等效电感。从上式知当CL甚小时或RL、CL和都不大时，Le才会等于L或接近等于L 频率特性 寄生电容对频率特性的影响较大。理想电感的阻抗随着频率的升高成正比增加，这正是电感对高频干扰信号衰减较大的根本原因。实际的电感器等效电路是一个LC并联网络。当角频率为1/LC时，会发生并联谐振，这时电感的阻抗最大，超过谐振点后，电感器的阻抗特性呈现电容阻抗特性 随频率增加而降低。电感的电感量越大，往往寄生电容也越大，电感的谐振频率 越低。 三、电感基本参数 1、电感量L：电感量L表示线圈本身固有特性，与电流大小无关。 2、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=2fL 3、品质因素Q ：品质因素Q是表示线圈质量的一个物理量，Q为感抗XL与其等效的电阻的比值，即：Q=L/R （=2f）线圈的Q值愈高，回路的损耗愈小。线圈的Q值与导线的直流电阻，骨架的介质损耗，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。线圈的Q值通常为几十到几百。 4、分布电容：线圈的匝与匝间、线圈与屏蔽罩间、线圈与底版间存在的电容被称为分布电容。分布电容的存在使线圈的Q值减小，稳定性变差，因而线圈的分布电容越小越好 5、额定电流：线圈中允许通过的最大电流。在如高频扼流圈，大功率谐振线圈，以及作滤波用的低频扼流圈等场合，工作时需通过较大的电流，选用时应注意。 电感量的标志方法 1.直标法。单位H（亨利）、mH（毫亨）、H（微亨）、 2.数码表示法。方法与电容器的表示方法相同。 3.色码表示法。这种表示法也与电阻器的色标法相似，色码一般有四种颜色，前两种颜色为有效数字，第三种颜色为倍率，单位为H，第四种颜色是误差位。 表面上电阻电容元件很相似 ，但是电感有一个特点就是它的底颜色是绿色的 。 四、电感种类和特点 色环电感 色环电感(色码电感)：是指在电感器表面涂上不同的色环来代表电感量(与电阻器类似)的电感。通常用四色环表示，紧靠电感体一端的色环为第一环，露着电感体本色较多的另一端为末环。其第一色环是十位数，第二色环为个位数，第三色环为应乘的倍数(单位为mH)，第四色环为误差率。 特征： 1.结构坚固，成本低廉，适合自动化生产。 2.特殊铁芯材质，高Q值及自共振频率。 3.外层用环氧树脂处理，可靠度高。 4.电感范围大，可自动插件。 扼流圈 又称阻流线圈、差模电感器，是用来限制交流电通过的线圈，分高频阻流圈和低频阻流圈。采用开磁路 构造设计，有结构性佳、体积小、高Q值、低成本等特点。 作用：利用线圈电抗与频率成正比的关系，可扼制高频交流电流，让低频和直流通过。根据频率高低，采用空气芯、铁氧体芯、硅钢片芯等。用于整流时称“滤波扼流圈”；用于扼制声频电流时称“声频扼流圈”；用于扼制高频电流时称“高频扼流圈”。用于“通直流、阻交流”的电感线圈叫做低频扼流圈，用于“通低频、阻高频”的电感线圈叫做高频扼流圈。 用途：笔记型电脑、喷墨印表机、影印机、显示监视器、手机、宽频数据机、游戏机、彩色电视、录放影机、摄影机、微波炉、照明设备、汽车电子产品等 共模电感 也叫共模扼流圈，是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。信号电流或电源电流在两个绕组中流过时方向相反，产生的磁通量相互抵消，扼流圈呈现低阻抗。共模噪声电流（包括地环路引起的骚扰电流，也处称作纵向电流）流经两个绕组时方向相同，产生的磁通量同向相加，扼流圈呈现高阻抗，从而起到抑制共模噪声的作用。 共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。 共模扼流圈可以传输差模信号，直流和频率很低的差模信号都可以通过。而对于高频共模噪声则呈现很大的阻抗，发挥了一个阻抗器的作用，所以它可以用来抑制共模电流干扰。 阻抗特性 对差模信号有用信号的阻抗很小;对共模噪声阻抗很大 五、电感的应用 共模信号-磁场加强-抑制共模信号变化 差模信号-磁场抵消-对差模信号变化影响小 电感滤波电路 常见的有如下的型LC滤波电路，L1为滤波电感，C1和C2 为滤波电容，因为C1、L1、和C2构成了一个型字样，所以称为型滤波电路。 从整流电路输出的交流和直流混合电流首先经过C1滤波，然后加到L1和C2组成滤波电路中。 对于直流电流而言，由于L1的直流电阻很小，所以直流电流流过L1时在L1上产生的直流电压降很小，这样直流电压就能通过L1到达输出端。 对于交流电流而言，因为L1存在感抗，而且滤波电路中L1的电感量比较大，所以感抗很大。这一感抗与C2的容抗（滤波电容的容量大，容抗小）构成分压衰减电路，等效电路如下所示： 这个衰减电路中，对交流电压有很大衰减作用，达到去掉交流电压的目的。 磁珠 磁珠是一种抗干扰元件，其主要原料为铁氧体，具有很高的导磁率，滤除高频噪声效果显著。当磁珠中有电流穿过时，铁氧体对低频电流几乎没有什么阻抗，而对较高频率的电流会产生较大的衰减。磁珠把交流信号转化为热能。 磁珠对高频信号才有较大阻碍作用，一般规格有100欧/100mMHZ，它在低频时电阻比电感小得多。电感的等效电阻可有Z=2X3.14*f来求得。铁氧体磁珠(Ferrite Bead)是目前应用发展很快的一种抗干扰元件，廉价、易用，滤除高频噪声效果显著。 铁氧体磁珠 (Ferrite Bead) 是目前应用发展很快的一种抗干扰元件，廉价、易用，滤除高频噪声效果显著。在电路中只要导线穿过它即当导线中电流穿过时，铁氧体对低频电流几乎没有什么阻抗，而对较高频率的电流会产生较大衰减作用。高频电流在其中以热量形式散发，其等效电路为一个电感和一个电阻串联，两个元件的值都与磁珠的长度成比例 。 在电路中只要导线穿过它即可（我用的都是象普通电阻模样的，导线已穿过并胶合，也有表面贴装的形式，但很少见到卖的）。当导线中电流穿过时，铁氧体对低频电流几乎没有什么阻抗，而对较高频率的电流会产生较大衰减作用。高频电流在其中以热量形式散发，其等效电路为一个电感和一个电阻串联，两个元件的值都与磁珠的长度成比例。磁珠种类很多，制造商应提供技术指标说明，特别是磁珠的阻抗与频率关系的曲线。 磁珠命名与参数 磁珠的大小（确切的说应该是磁珠的特性曲线）取决于需要磁珠吸收的干扰波的频率。磁珠对直流电阻低，对高频电阻高。磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，因此单位也是欧姆。磁珠的文档上一般会有频率和阻抗的特性曲线图。一般以100MHz为标准，比如2012B601，就是指在100MHz的时候磁珠的阻抗为600欧姆。参数主要有三项：阻抗Z100MHz(ohm);直流电阻DC阻抗(mohm);额定电流(mA). 常用于电源滤波的HH-1H3216-500为例，其型号各字段含义依次为：HH 是其一个系列，主要用于电源滤波，用于信号线是HB系列；1 表示一个元件封装了一个磁珠，若为4则是并排封装四个的；H 表示组成物质，H、C、M为中频应用（50200MHz），T低频应用（200MHz）；3216 封装尺寸，长3.2mm，宽1.6mm，即1206封装；500 阻抗（一般为100MHz时）， 磁珠阻抗特性 磁珠有很高的电阻率和磁导率， 等效于电阻和电感串联， 但电阻值和电感值都随频率变化。感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加。 低频段，阻抗由电感的感抗构成。电阻R很小。磁芯的磁导率较高，因此电感量较大，L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制，并且这时磁芯的损耗较小整个器件是一个低损耗，高Q特性的电感。这种电感容易造成谐振因此在低频段有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。 高频段，阻抗由电阻成分构成，随着频率升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小。这时磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加。当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。 电感和磁珠的联系与区别 1、电感是储能元件，而磁珠是能量转换（消耗）器件； 2、电感多用于电源滤波回路，磁珠多用于信号回路，用于EMC对策； 3、磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰，而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰，两者都可用于处理EMC、EMI问题；EMI的两个途径，即：辐射和传导，不同的途径采用不同的抑制方法，前者用磁珠，后者用电感； 4、磁珠是用来吸收超高频信号，象一些RF电路，PLL，振荡电路，含超高频存储器电路（DDRSDRAM，RAMBUS等）都需要在电源输入部分加磁珠，而电感是一种蓄能元件，用在LC振荡电路，中低频的滤波电路等，其应用频率范围很少超过50MHZ； 5、电感一般用于电路的匹配和信号质量的控制上，一般地的连接和电源的连接。在模拟地和数字地结合的地方用磁珠。对信号线也采用磁珠。 铁氧体是磁性材料，会因通过电流过大而产生磁饱和，导磁率急剧下降。大电流滤波应采用结构上专门设计的磁珠，还要注意其散热措施。 铁氧体磁珠不仅可用于电源电路中滤除高频噪声（可用于直流和交流输出），还可广泛应用于其他电路，其体积可以做得很小。特别是在数字电路中，由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波，也是电路高频辐射的主要根源，所以可在这种场合发挥磁珠的作用。铁氧体磁珠还广泛应用于信号电缆的噪声滤除。 有的磁珠上有多个孔洞，用导线穿过可增加元件阻抗（穿过磁珠次数的平方），不过在高频时所增加的抑制噪声能力不可能如预期的多，而用多串联几个磁珠的办法会好些。 变压器 变压器是利用互感现象的电感器，在电路中起电压变换和阻抗变换的作用。 分类 （1）按用途分：电源变压器、隔离变压器、调压器、输入/输出变压器（音频变压器、中频变压器、高频变压器）、脉冲变压器。 （2）按导磁材料分：硅钢片变压器、低频磁芯变压器、高频磁芯变压器。 （3）按铁芯形状分：E型变压器、C型变压器型、R变压器、O型变压器。 几种变压器 电源变压器的主要用用是升压（提升交流电压）或降压（降低交流电压），升压变压器的一次（初级）绕组较二次（次级）绕组的圈数（匝数）少，而降压变压器的一次绕组较二次绕组的圈数多。稳压电源和各种家电产品中使用的变压器均属于降压电源变压器。电源变压器有E型电源变压器、C型电源变压器和环型电源变压器之分。 1“E”型电源变压器 “E”型电源变压器的铁心是用硅钢片交叠而成。其缺点是磁路中的气隙较大，效率较低，工作时电噪声较大。优点是成体低廉。 2“C”型电源变压器 “C”型电源变压器的铁心是由两块形状相同的“C”型铁心（由冷轧硅钢带制成）对手地而成，与“E”型电源变压器相比，其磁路中气隙较小，性能有所提高。 3环型电源变压器 环型电源变压器的铁心是由冷轧硅钢带卷绕而成，磁路中无气隙，漏磁极小，工作时电噪声较小。 基本元件-变压器 工作原理当原边绕组接到交流电源时，绕组中便有交流电流流过，并在铁心中产生与外加电压频率相同的磁通(主磁通)，这个交变磁通同时交链着原边绕组和副边绕组。并且在一、二次绕组中分别产生感应电动势。 其感应电动势大小可分别表示为： 式中N1、N2为一、二次绕组的匝数;磁通变化率。 一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。 变压器的结构 变压器的结构 铁心和绕组是变压器中最主要的部件。 铁心：构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。 铁心材料：为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用高磁导率的磁性材料硅钢片叠成。其厚度为0.350.5mm，两面涂以厚0.020.23mm的漆膜，使片与片之间绝缘。 功率损耗:变压器功率损耗主要有铜损和铁损两种。 1. 铜损(Pcu) 交流铁心线圈中, 线圈电阻R上的功率损耗称铜损，用Pcu 表示。 式中：R是线圈的电阻；I 是线圈中电流的有效值。 2. 铁损(PFe) （1）磁滞损耗(Ph) 磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化H（磁场强度）的性质。由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗(Ph) 。磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。 减少磁滞损耗的措施：变压器和电机中选用硅钢等材料制作铁心，降低磁滞损耗。 （2）涡流损耗(Pe) 涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。 涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗。涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。 减少涡流损耗措施：提高铁心的电阻率（通常由于硅钢片）。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。 同极性(名)端：由于变压器高、低压绕组交链着同一主磁通，当某一瞬间高压绕组的某一端为正电位时，在低压绕组上必有一个端点的电位也为正，则这两个对应的端点称为同极性端，并在对应的端点上用符号“”标出。 注意：绕组的极性只决定于绕组的绕向，与绕组首、尾端的标志无关。规定绕组相电动势的正方向为从首端指向末端。如高压A相绕组的相电动势为（简写为），其正方向为从A指向X。规定绕组线电动势的正方向为从下表中第一个字母指向第二个字母，如 即表示A、B两相间线电动势的正方向为从A指向B。 低频变压器用来传递信号电压和信号功率，还可实现电路之间的阻抗匹配，对直流电具有隔离作用。它分为级间耦合变压器、输入变压器和输出变压器，外形均于电源变压器相似。 1极间耦合变压器 级间耦合变压器用在两级音频放大电路之间，作为耦合元件，将前级放大电路的输出信号传送至后一级，并作适当的阻抗变换。 2输入变压器 在早期的半导体收音机中，音频推动级和功率放大级之间使用的变压器为输入变压器，起信号耦合、传输作用，也称为推动变压器。 输入变压器有单端输入式和推挽输入式。若推动电路为单端电路，则输入变压器也为单端输入式变压器；若推动电路为推挽电路，则输入变压器也为推挽输入式变压器。 3输出变压器 输出变压器接在功率放大器的输出电路与扬声器之间，主要起信号传输和阻抗匹配的作用。 输出变压器也分为单端输出变压器和推挽输出变压器两种。 在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe表示。铁损由磁滞和涡流产生。 同极性(名)端：由于变压器高、低压绕组交链着同一主磁通，当某一瞬间高压绕组的某一端为正电位时，在低压绕组上必有一个端点的电位也为正，则这两个对应的端点称为同极性端，并在对应的端点上用符号“”标出。 中频变压器 习称“中周”，是超外差式收音机的特有元件。在天线信号和本机振荡信号混频后的中频信号经中频变压器进一步选取信号，然后由下一级进行放大。整个结构装在金属屏蔽罩中，下有引出脚，上有调节孔。初级线圈和次级线圈都绕在磁芯上，磁帽罩在磁芯外面。磁帽上有螺纹，能在尼龙支架上旋转。调节磁帽和磁芯的间隙可以改变线圈电感量。 中频变压器一般与电容搭配，组成调谐回路。中频变压器分成单调谐和双调谐两种。只有初级线圈和电容组成一个调谐回路的叫单调谐中频变压器，如果调谐回路之间用电容或电感耦合的叫双调谐中频变压器。一般晶体管收音机有三个单调谐中频变压器，三个的位置不可互换。 高频变压器是作为开关电源最主要的组成部分。工作频率超过中频（10kHz）的电源变压器，主要用于高频开关电源中作高频开关电源变压器，也有用于高频逆变电源和高频逆变焊机中作高频逆变电源变压器的。按工作频率高低，可分为几个档次：10kHz- 50kHz、50kHz-100kHz、100kHz500kHz、500kHz1MHz、1MHz以上。传送功率比较大的情况下，功率器件一般采用 IGBT，由于IGBT存在关断电流拖尾现象，所以工作频率比较低；传送功率比较小的，可以采用MOSFET，工作频率就比较高。 高频变压器应用 开关电源中的拓扑结构有很多。比如半桥式功率转换电路，工作时两个开关三极管轮流导通来产生100kHz的高频脉冲波，然后通过高频变压器进行变压，输出交流电，高频变压器各个绕组线圈的匝数比例则决定了输出电压的多少。典型的半桥式变压电路中最为显眼的是三只高频变压器：主变压器、驱动变压器和辅助变压器（待机变压器），每种变压器在国家规定中都有各自的衡量标准，比如主变压器，只要是200W以上的电源，其磁芯直径（高度）就不得小于35mm。而辅助变压器，在电源功率不超过300W时其磁芯直径达到16mm就够了。 变压器的主要参数有电压比、频率特性、额定功率和效率等。 电压比n：变压器的电压比n与一次、二次绕组的匝数和电压之间的关系如下：n=V1/V2=N1/N2式中N1为变压器一次（初级）绕组，N2为二次（次级）绕组，V1为一次绕组两端的电压，V2是二次绕组两端的电压。 升压变压器的电压比n小于1，降压变压器的电压比n大于1，隔离变压器的电压比等于1。 额定功率P：此参数一般用于电源变压器。它是指电源变压器在规定的工作频率和电压下，能长期工作而不超过限定温度时的输出功率。 变压器的额定功率与铁心截面积、漆包线直径等有关。变压器的铁心截面积大、漆包线直径粗，其输出功率也大。 频率特性:是指变压器有一定有工作频率范围，不同工作频率范围的变压器，一般不能互换使用。因为变压器有其频率范围以外工作时，会出现工作时温度升高或不能正常工作等现象。 效率:是指在额定负载时，变压器输出功率与输入功率的比值。该值与变压器的输出功率成正比，即变压器的输出功率越大，效率也越高；变压器的输出功率越小，效率也越低。变压器的效率值一般在60%100%之间 自耦变压器：普通变压器的一、二次线圈是相互绝缘的，只有磁的耦合而没有电的直接联系。如果将双绕组变压器的一、二次绕组串联起来作为新的一次侧，而二次绕组仍作二次侧与负载阻抗相连接，便得到一台降压自耦变压器，的原副线圈共用一个线圈 使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。注意：一次、二次侧千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。 自耦变压器的主要优点： （1）由于自耦变压器的绕组容量小于额定容量，故在同样的额定容量下，自耦变压器的主要尺寸小，有效材料(硅钢片和铜线)和结构材料(钢材)都较节省，从而降低了成本。 （2）因为材料消耗少，使得铜损耗和铁损耗也相应减少，故自耦变压