電路中的磁性器件

 

磁性元器件—電dian感gan器qi和he變bian壓ya器qi與yu其qi他ta電dian氣qi元yuan件jian不bu同tong，使shi用yong者zhe很hen難nan采cai購gou到dao符fu合he自zi己ji要yao求qiu的de電dian感gan和he變bian壓ya器qi。因yin為wei沒mei有you一yi個ge在zai規gui定ding範fan圍wei內nei通tong用yong的de規gui範fan化hua的de參can數shu，而er表biao征zheng磁ci性xing元yuan件jian的de大da多duo數shu參can數shu(電感量，電壓，電流，處理能量
，頻率，匝比，漏感，損耗)對製造商是無所適從的。

 

 

磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)的(de)分(fen)析(xi)和(he)設(she)計(ji)比(bi)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)複(fu)雜(za)得(de)多(duo)，要(yao)得(de)到(dao)唯(wei)一(yi)的(de)答(da)案(an)是(shi)困(kun)難(nan)的(de)。因(yin)為(wei)要(yao)涉(she)及(ji)到(dao)許(xu)多(duo)因(yin)素(su)
，因(yin)此(ci)設(she)計(ji)結(jie)果(guo)絕(jue)不(bu)是(shi)唯(wei)一(yi)合(he)理(li)的(de)。考(kao)慮(lv)的(de)不(bu)僅(jin)是(shi)最(zui)小(xiao)體(ti)積(ji)，最(zui)低(di)成(cheng)本(ben)，或(huo)最(zui)高(gao)效(xiao)率(lv)，還(hai)要(yao)包(bao)含(han)結(jie)構(gou)、工藝
、散熱以及幹擾等設計。高頻開關電源的很多麻煩是由於磁性元件工藝
、結構不合理引起的。

 

 

電感器是依據電磁感應原理，由導線繞製而成。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，主要參數是電感量
，單位是亨利，用H表示。依據電磁感應原理
，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製而成，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構。

 

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等係列。LG1係列電感器的電感量範圍為0.1~100000μH，額定電流分為50mA、150mA、300mA

、700mA和1.6A五種規格。LGA係列電感器采用超小型結構
，外形與1/2W色環電阻器相似，其電感量範圍為0.22~1000μH，額定電流為0.04~1.4A。LPH係列電感器也為小型封裝結構，其電感量範圍為3.9~18000μH。誤差範圍為±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等係列。電感量範圍為0.1~100000μH，額定工作電流為0.05~2.0A，誤差範圍為±5%~±20%。

 

2 可調電感器

 

其外部為金屬屏蔽罩，內部由尼龍襯架、工字形磁心、磁ci帽mao及ji引yin腳jiao座zuo等deng構gou成cheng，在zai工gong字zi磁ci心xin上shang有you用yong高gao強qiang度du漆qi包bao線xian繞rao製zhi的de繞rao組zu。磁ci帽mao裝zhuang在zai屏ping蔽bi罩zhao內nei的de尼ni龍long架jia上shang，可ke以yi上shang下xia旋xuan轉zhuan動dong
，通tong過guo改gai變bian它ta與yu線xian圈quan的de距ju離li來lai改gai變bian線xian圈quan的de電dian感gan量liang。

 

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(gao)頻(pin)阻(zu)流(liu)線(xian)圈(quan)工(gong)作(zuo)在(zai)高(gao)頻(pin)電(dian)路(lu)中(zhong)
，多(duo)用(yong)采(cai)空(kong)心(xin)或(huo)鐵(tie)氧(yang)體(ti)高(gao)頻(pin)磁(ci)心(xin)，骨(gu)架(jia)用(yong)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)或(huo)塑(su)料(liao)製(zhi)成(cheng)，線(xian)圈(quan)采(cai)用(yong)蜂(feng)房(fang)式(shi)分(fen)段(duan)繞(rao)製(zhi)或(huo)多(duo)層(ceng)平(ping)繞(rao)分(fen)段(duan)繞(rao)製(zhi)。

    

2、低頻阻流線圈：低頻阻流線圈也稱低頻扼流圈
，它應用於電流電路、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;起抑製電磁幹擾作用的電磁幹擾濾波電感器，尖峰抑製電感器；起抑製噪聲作用的噪聲濾波電感器;起吸收浪湧電流作用的吸收電感器，起減緩電流變化速率的緩衝電感器;

 

其他類 ：起開關作用的磁性開關電感器
；起幫助半導體開關換向作用的換向電感器；起調節電感作用的可控電感器和飽和電感器。

 

5 按封裝結構分類

 

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

 

灌封類 ：baokuomozhuguanfenghuobaofengjiegou，yijibaokuojuyoujinshuke，yiduanhuozheliangduanchangkaibingyongguanfengcailiaotianchongdedianganqi，huozheyongyongjueyuanyinxianchuanguojinshukededianganqi。 

 

開放類：開放類就是除金屬殼類
、灌封類以外的電感器
，包括端封式結構的電感器。

 

 

電感器的主要參數

 

1、電感量

   

反應電感儲存磁場能的本領，它的大小與電感線圈的匝數、幾何尺寸、有無磁心（鐵心）、cixindedaocilvyouguan。zaitongdengtiaojianxia，zashuduodianganliangda
，xianquanzhijingdadianganliangda
，youcixinbimeicixindianganliangda。yongyugaopindianludedianganliangxiangduijiaoxiao，yongyudipindianludedianganliangxiangduijiaoda。dianganliangdedanweiweiheng（H）

 

 

L=Ψ/I=NAeB/I=N2AeB/Hle

=μ0μeN2Ae/le

 

2、標稱電流值

       

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。常以字母A、B、C、D
、E來分別表示標稱電流值50mA
、150mA、300mA
、700mA、1600mA。應用時實際通過電感器的電流不宜超過標稱電流值。

 

更詳細內容：

 

功率電感器的額定電流為什麼有兩種
？

 

3、品質因數（Q值）：

 

電感線圈中儲存能量與消耗能量的比值稱為品質因數。又稱Q值。或是線圈所呈現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值與線圈的結構（導線粗細、多股或單股、繞法

、磁心）有關，Q值越高，電路的損耗越小。在調諧回路中，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成諧振回路

，對電路產生影響，對於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稱的電感量與實際電感的允許誤差值。

 

一般用於振蕩或濾波等電路中的電感器要求精度較高
，允許偏差為±0.5%
；而用於耦合、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因數Q，也使線圈的工作頻率受到限製。高頻線圈采用減小線圈骨架直徑，采用細導線繞製、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,故此時電感出現具高阻抗值。電感超過此頻率則失效成電容性產品,故一般訊號用電感會訂SRFmin

        

我們知道諧振頻率f=1/（2π√LC）
，該式裏有2個參數決定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，就要考慮怎麼減小分布電容，而電容的公式是C=ε·S/4πkd
，這裏有三個變量
，ε，S和d，介電常數ε也就是電感裏麵的填充材料，看是否有可選材料減小介電常數，另一個是S，就是減小接觸麵積，也就是電感裏麵的每一圈繞線的接觸麵積減小
，第三個是d，可以考慮每一圈線疏繞。或者用高u的磁芯，減少繞線圈數等。

 

氣隙對磁特性的影響

 

 

磁棒的有效磁導率

 

 

應力對磁性能的影響

 

 

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、脈衝變壓器、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，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

，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

 

1、額定功率

     

指在規定頻率和電壓下
，變壓器長期工作而不超過規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於一、二次繞組的匝數比

，這個參數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、電流與電壓的關係

   

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

 

4、阻抗變換關係

  

初級輸入阻抗Z1與次級負載阻抗Z2的關係可由歐姆定律導出。

  

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：

      

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

  

它與設計參數、材料
、製造工藝及功率有關。通常20VA以下效率為70%-80%，而100VA以上效率可達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、絕緣電阻和耐壓強度

      

是變壓器安全工作的重要參數

 

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。

 

抗電強度：在規定時間內（如１分鍾）變壓器可承受的電壓。

   

小型電源變壓器絕緣電阻不小於500MW, 抗電強度大於2000V。

 

磁心選擇

 

 

銅線選擇

 

趨膚效應:當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內部的電流分布不均勻，且電流集中在導體的“皮膚”部分的一種現象。導線內部實際上電流變小，電流集中在導線外表的薄層。結果導線的電阻增加，使它的損耗功率也增加。

 

集膚深度:分別對應室溫20 ℃和溫度100 ℃，有δ = 6.6 / √ f 和 δ= 7.65/ √ f 兩個公式，結果為cm 。根據集膚深度選擇銅導線的直徑或厚度。

 

銅導體的集膚深度：（20℃)

 

 

高頻電路中存在集膚效應的影響
，頻率越高集膚效應越嚴重，如1MHz集膚效應在60μm厚層麵

，500MHz集膚效應在3.0μm厚層麵，1GHz集膚效應在2.1μm厚層麵，10GHz集膚效應在0.7μm厚層麵。信號沿著導線表麵(包括四側麵)流動


，希望導線表麵平滑，因粗糙表麵會延遲信號傳輸時間。現在印製板用銅箔粗化麵是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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