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电感选型介绍

来源: | 发布日期:2022-09-09
  电感器(inductor)是一种电磁感应组件,用绝缘的导线在绕线支架(bobbin)或铁芯(core)上绕制一定匝数的线圈(coil)而成,此线圈称为电感线圈或电感器。根据电磁感应原理,当线圈与磁场有相对运动,或是线圈通过交流电流产生交变磁场时,会产生感应电压来抵抗原磁场变化,而此抑制电流变化的特性就称为电感(inductance)。

  电感值的公式如式(1),其与磁导率、绕组匝数N的平方、及等效磁路截面积Ae成正比,而与等效磁路长度le成反比。电感的种类很多,各适用于不同的应用之中;电感量与线圈绕组的形状、大小、绕线方式、匝数、及中间导磁材料的种类等有关。


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  (1)电感依铁芯形状不同有环型(toroidal)、E型(E core)及工字鼓型(drum);依铁芯材质而言,主要有陶瓷芯(ceramic core)及两大软磁类,分别是铁氧体(ferrite)及粉末铁芯(metallic powder)等。依结构或封装方式不同有绕线式(wire wound)、多层式(multi-layer)及冲压式(molded),而绕线式又有非遮蔽式(non-shielded)、加磁胶之半遮蔽式(semi-shielded)及遮蔽式(shielded)等。
  电感器在直流电流如同短路,对交流电流则呈现高阻抗,在电路中的基本用途有扼流、滤波、调谐、储能等。在开关转换器的应用中,电感器是最重要的储能组件,且与输出电容形成低通滤波器,将输出电压涟波变小,因此也在滤波功能上扮演重要角色。
  本文将介绍电感器的各种铁芯材料及其特性,也将介绍一些电感器之电气特性等,以作为电路设计时,挑选电感器的重要评价参考。在应用实例中,将透过实际范例介绍如何计算电感值,及如何挑选市售标准的电感器。
  磁性元件的设计是开关电源设计中的重点和难点,究其原因是磁性元件属非标准件,其设计时需考虑的设计参数众多,工艺问题也较为突出,分布参数复杂。为帮助硬件工程师尽快了解磁性元件,优化设计并减少设计中的错误,特制定此规范。
  1 电磁学基本概念及公式
  1.1 基本概念
  1)磁通:穿过磁路的磁力线的总数,以Ф表示,单位韦伯(Wb)。
  2)磁通密度(磁感应强度):垂直于磁力线的方向上单位面积的磁通量,以B表示,单位高斯(Gauss)或特斯拉(T),1 T=104Gauss。
  3)磁场强度:单位磁极在磁场中的磁力,以H表示,单位安[培]每米(A/m)或奥斯特(Oe),1 Oe=103/4π A/m。
  4)磁导率:磁通密度与磁场强度之比,以μ表示,实际使用中通常指相对于真空的磁导率,真空中的磁导率μ0 =4π×10-7 H/m。
  5)磁体:磁导率远大于μ0的物质,如铁,镍,钴及其合金或氧化物等。
  6)居里温度点:磁体在温度升高时,其磁导率下降,当温度高到某一点时,磁性基本消失,此温度称为居里温度点。
  7)磁势:建立磁通所需之外力,以F表示。
  8)自感:磁通变化率与电流变化率之比称为自感,以L表示。
  9)互感:由于A线圈电流变化而引起B线圈磁通变化的现象,B线圈的磁通变化率与A线圈的电流变化率之比称为A线圈对B线圈的互感,以M表示。
  1.2 基本公式
  法拉第电磁感应定律:
  穿过闭合回路的磁通发生变化,回路中会产生感应电流。如果回路不闭合,无感应电流,但感应电动势依然存在,感应电动势的大小:
  磁场中的磁体存储的能量为:
  电学与磁学的对偶关系表:
  2 磁元件的基本特性
  2.1 磁滞效应(Hysteresis Effect):
  磁化过程中,磁通密度B的变化较磁化力F的变化迟缓的现象称为磁滞。
  2.2 霍尔效应(Hall Effect):
  流过电流的导体穿过磁场时,在导体两端产生感应电势的现象,称为霍尔效应。
  2.3 临近效应(Proximity Effect)
  流过电流的导线会产生磁场,相邻的导线在相互的磁场(也可以是外加磁场)作用下会产生电流挤到导体一边的现象成为临近效应。相邻层的导线若电流方向相同,电流会往外侧挤,相邻层的导线若电流方向相反,电流会往外内侧挤,如下图所示。临近效应会导致导体的利用率下降,铜损增加(与趋肤效应类似)。
  2.4 磁材料的饱和
  随着磁性材料中的磁场强度增加,其磁通密度也增大,但当磁场强度大到一定程度时,其磁通不再增加,这称为磁饱和。
  2.5 磁芯损耗
  磁芯损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗组成。
  单位体积内的磁滞损耗正比与磁场交变的频率f 和磁滞回线的面积。
  涡流损耗是指当通过磁芯的磁通交变时,会在磁芯中感应电势,该电势进而在磁芯中产生电流,从而产生损耗,它与磁芯材料的电阻率有关,与频率f 也有关。
  电感的定义和原理
  电感器(Inductor)是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感器的结构类似于变压器,但只有一个绕组。电感器具有一定的电感,它只阻碍电流的变化。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。电感器又称扼流器、电抗器、动态电抗器。
  简单的说:通直流,阻碍交流。
  1、电感的作用
  通直流阻交流这是简单的说法,对交流信号进行隔离,滤波或与电容器,电阻器等组成谐振电路。
  调谐与选频电感的作用:电感线圈与电容器并联可组成LC调谐电路。即电路的固有振荡频率f0与非交流信号的频率f相等,则回路的感抗与容抗也相等,于是电磁能量就在电感、电容之间来回振荡,这就是LC回路的谐振现象。谐振时由于电路的感抗与容抗等值又反向,因此回路总电流的感抗最小,电流量最大(指f=f0的交流信号),所以LC谐振电路具有选择频率的作用,能将某一频率f的交流信号选择出来。
  磁环电感的作用:磁环与连接电缆构成一个电感器(电缆中的导线在磁环上绕几圈作为电感线圈),它是电子电路中常用的抗干扰元件,对于高频噪声有很好的屏蔽作用,故被称为吸收磁环,由于通常使用铁氧体材料制成,所以又称铁氧体磁环(简称磁环)。上面为一体式磁环,下面为带安装夹的磁环。磁环在不同的频率下有不同的阻抗特牲。一般在低频时阻抗很小,当信号频率升高后磁环的阻抗急剧变大。可见电感的作用如此之大,大家都知道,信号频率越高,越容易辐射出去,而一般的信号线都是没有屏蔽层的,这些信号线就成了很好的天线,接收周围环境中各种杂乱的高频信号,而这些信号叠加在原来传输的信号上,甚至会改变原来传输的有用信号,严重干扰电子设备的正常工作,因此降低电子设备的电磁干扰(EM)已经是必须考虑的问题。在磁环作用下,即使正常有用的信号顺利地通过,又能很好地抑制高频于扰信号,而且成本低廉。
  电感的作用还有筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等重要的作用。
  我们通常所说的电感指的是电感器件,它是用绝缘导线(例如漆包线,沙包线等)绕制而成的电磁感应元件。
  在电路中,当电流流过导体时,会产生电磁场,电磁场的大小除以电流的大小就是电感。
  电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。给一个线圈通入电流,线圈周围就会产生磁场,线圈就有磁通量通过。通入线圈的电源越大,磁场就越强,通过线圈的磁通量就越大。实验证明,通过线圈的磁通量和通入的电流是成正比的,它们的比值叫做自感系数,也叫做电感。

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