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电感

电感

分类: 电子工程
属性: 技术
最后修改时间: 2013年05月25日
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电感是指线圈在磁场中活动时,所能感应到的电流的强度,单位是“亨利”(H)。也指利用此性质制成的元件。

什么是电感器、变压器?   电感器(电感线圈)和变压器均是用绝缘导线(例如漆包线、纱包线等)绕制而成的电磁感应元件,也是电子电路中常用的元器件之一,相关产品如共膜滤波器等。

一、自感与互感

  (一)自感   当线圈中有电流通过时,线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时,其周围的磁场也产生相应的变化,此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势(电动势用以表示有源元件理想电源的端电压),这就是自感。   (二)互感   两个电感线圈相互靠近时,一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈,这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度。

二、电感器的作用与电路图形符号

  (一)电感器的电路图形符号   电感器是用漆包线、纱包线或塑皮线等在绝缘骨架或磁心、铁心上绕制成的一组串联的同轴线匝,它在电路中用字母"L"表示,图6-1是其电路图形符号。(二)电感器的作用   电感器的主要作用是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。

三、变压器的作用及电路图形符号

  (一)变压器的电路图形符号   变压器是利用电感器的电磁感应原理制成的部件。在电路中用字母"T"(旧标准为"B")表示,其电路图形符号如图6-12所示。   (二)变压器的作用   变压器是利用其一次(初级)、二次(次级)绕组之间圈数(匝数)比的不同来改变电压比或电流比,实现电能或信号的传输与分配。其主要有降低交流电压、提升交流电压、信号耦合、变换阻抗、隔离等作用。   (一)电感器的结构与特点   电感器一般由骨架、绕组、屏蔽罩、封装材料、磁心或铁心等组成。   1.骨架 骨架泛指绕制线圈的支架。一些体积较大的固定式电感器或可调式电感器(如振荡线圈、阻流圈等),大多数是将漆包线(或纱包线)环绕在骨架上,再将磁心或铜心、铁心等装入骨架的内腔,以提高其电感量。   骨架通常是采用塑料、胶木、陶瓷制成,根据实际需要可以制成不同的形状。   小型电感器(例如色码电感器)一般不使用骨架,而是直接将漆包线绕在磁心上。   空心电感器(也称脱胎线圈或空心线圈,多用于高频电路中)不用磁心、骨架和屏蔽罩等,而是先在模具上绕好后再脱去模具,并将线圈各圈之间拉开一定距离。   2.绕组 绕组是指具有规定功能的一组线圈,它是电感器的基本组成部分。   绕组有单层和多层之分。单层绕组又有密绕(绕制时导线一圈挨一圈)和间绕(绕制时每圈导线之间均隔一定的距离)两种形式;多层绕组有分层平绕、乱绕、蜂房式绕法等多种,如图6-5所示。   3.磁心与磁棒 磁心与磁棒一般采用镍锌铁氧体(NX系列)或锰锌铁氧体(MX系列)等材料,它有"工"字形、柱形、帽形、"E"形、罐形等多种形状,如图6-6所示。   4.铁心 铁心材料主要有硅钢片、坡莫合金等,其外形多为"E"型。   5.屏蔽罩 为避免有些电感器在工作时产生的磁场影响其它电路及元器件正常工作,就为其增加了金属屏幕罩(例如半导体收音机的振荡线圈等)。采用屏蔽罩的电感器,会增加线圈的损耗,使Q值降低。   6.封装材料 有些电感器(如色码电感器、色环电感器等)绕制好后,用封装材料将线圈和磁心等密封起来。封装材料采用塑料或环氧树脂等。   (二)小型固定电感器   小型固定电感器通常是用漆包线在磁心上直接绕制而成,主要用在滤波、振荡、陷波、延迟等电路中,它有密封式和非密封式两种封装形式,两种形式又都有立式和卧式两种外形结构,如图6-7所示。   1.立式密封固定电感器 立式密封固定电感器采用同向型引脚,国产有LG和LG2等系列电感器,进口的有捷比信高频电感和捷比信功率电感器等,国产电感量范围为0.1~2200μH(直标在外壳上),额定工作电流为0.05~1.6A,误差范围为±5%~±10%,进口的电感量,电流量范围更大,误差则更小。进口有TDK系列色码电感器,其电感量用色点标在电感器表面。   2.卧式密封固定电感器 卧式密封固定电感器采用轴向型引脚,国产有LG1、LGA、LGX等系列。   LG1系列电感器的电感量范围为0.1~22000μH(直标在外壳上),额定工作电流为0.05~1.6A,误差范围为±5%~±10%。   LGA系列电感器采用超小型结构,外形与1/2W色环电阻器相似,其电感量范围为0.22~100μH(用色环标在外壳上),额定电流为0.09~0.4A。   LGX系列色码电感器也为小型封装结构,其电感量范围为0.1~10000μH,额客电流分为50mA、150mA、300mA和1.6A四种规格。   (三)可调电感器   常用的可调电感器有半导体收音机用振荡线圈、电视机用行振荡线圈、行线性线圈、中频陷波线圈、音响用频率补偿线圈、阻波线圈等,如图6-8所示。   1.半导体收音机用振荡线圈 此振荡线圈在半导体收音机中与可变电容器等组成本机振荡电路,用来产生一个输入调谐电路接收的电台信号高出465kHz的本振信号。其外部为金属屏蔽罩,内部由尼龙衬架、工字形磁心、磁帽及引脚座等构成,在工字磁心上有用高强度漆包线绕制的绕组。磁帽装在屏蔽罩内的尼龙架上,可以上下旋转动,通过改变它与线圈的距离来改变线圈的电感量。电视机中频陷波线圈的内部结构与振荡线圈相似,只是磁帽可调磁心。   2.电视机用行振荡线圈 行振荡线圈用在早期的黑白电视机中,它与外围的阻容元件及行振荡晶体管等组成自激振荡电路(三点式振荡器或间歇振荡器、多谐振荡器),用来产生频率为15625HZ的的矩形脉冲电压信号。该线圈的磁心中心有方孔,行同步调节旋钮直接插入方孔内,旋动行同步调节旋钮,即可改变磁心与线圈之间的相对距离,从而改变线圈的电感量,使行振荡频率保持为15625HZ,与自动频率控制电路(AFC)送入的行同步脉冲产生同步振荡。   3.行线性线圈 行线性线圈是一种非线性磁饱和电感线圈(其电感量随羊电流的增大而减小),它一般串联在行偏转线圈回路中,利用其磁饱和特性来补偿图像的线性畸变。   行线性线圈是用漆包线在"工"字型铁氧体高频磁心或铁氧体磁棒上绕制而成,线圈的旁边装有可调节的永久磁铁。通过改变永久磁铁与线圈的相对位置来改变线圈电感量的大小,从而达到线性补偿的目的。   (四)偏转线圈   偏转线圈是电视机显像管的附属部件,它包括行偏转线圈和场偏转线圈,均套在显像管的管颈(锥体部位)上,用来控制电子束的扫描运动方向。行偏转线圈控制电子束作水平方向扫描,场偏转线圈控制电子束作垂直方向扫描。图6-9是偏转线圈的外形及结构。   (五)阻流电感器   阻流电感器是指在电路中用以阻塞交流电流通路的电感线圈,它分为高频阻流线圈和低频阻流线圈。   1.高频阻流线圈 高频阻流线圈也称高频扼流线圈,它用来阻止高频交流电流通过。   高频阻流线圈工作在高频电路中,多用采空心或铁氧体高频磁心,骨架用陶瓷材料或塑料制成,线圈采用蜂房式分段绕制或多层平绕分段绕制如图6-10所示。   2.低频阻流线圈 低频阻流线圈也称低频扼流圈,它应用于电流电路、音频电路或场输出等电路,其作用是阻止低频交流电流通过。   通常,将用在音频电路中的低频阻流线圈称为音频阻流圈,将用在场输出电路中的低频阻流线圈称为场阻流圈,将用在电流滤波电路中的低频阻流线圈称为滤波阻流圈。   低频阻流圈一般采用"E"形硅钢片铁心(俗称矽钢片铁心)、坡莫合金铁心或铁淦氧磁心。为防止通过较大直流电流引起磁饱和,安装时在铁心中要留有适当空隙。图6-11是低频阻流线圈的外地人形与结构。   (二)、变压器的结构与特点   (一)变压器的结构   变压器一般由导电材料、磁性材料和绝缘材料三部分组成。   1.导电材料 变压器的导电材料主要是各种上强度较高的漆包线,只有在调谐用高频变压器中使用纱包线。   2.磁性材料 电源变压器和低频变压器中使用的磁性材料以硅钢片为主。中频变压器、脉冲变压器、振荡变压器等使用的磁性材料以铁氧体磁材为主。   3.绝缘材料 变压器的绝缘材料除骨架外,还有层间绝缘材料及浸渍材料(绝缘漆)等。   (二)电源变压器   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"型电源变压器和环境污染型电源变压器之分。   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。   图6-14是电源变压器的外形。   (三)低频变压器   低频变压器用来传磅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。   (四)高频变压器   常用的高频变压器有黑白电视机中的天线阻抗变换器和半导体收音机中的天线线圈等。   1.阻抗变换器 黑白电视机上使用的天线阻抗变换器是用双根塑皮绝缘导线(塑胶线)并绕在具有高导磁率的双孔磁心上构成的,其外形,电路图形符号及等效电路见图6-15。   阻抗变换器两绕组的圈数虽相同,但因其输入端是两个线圈串联,阻抗增大一倍;而输出端是两个线圈并联,阻抗减小一半。所以,其总的阻抗变换比为4∶1(将300Ω平衡输入信号变换为75Ω不平衡输出信号)。   2.天线线圈 收音机的天线线圈也称磁性天线,它是由两相邻而又相互独立的一次(初级)、二次(次级)绕组套在同一磁棒上构成的,如图6-16所示。   磁棒有圆形长方形两种外形。   中波磁棒采用锰锌铁氧体材料,其晶粒呈黑色;短波磁棒采用镍锌铁氧体材料,其晶粒呈棕色。   线圈一般用多股或单股纱包线绕制在略粗于磁棒的绝缘纸管上,绕好后再套在磁棒上。   (五)中频变压器   1.中频变压器的结构 中频变压器俗称"中周",应用在收音机或黑白电视机中。   中频变压器属于可调磁心变压器,外形与收音机的振荡线圈相似,它也由屏蔽外壳、磁帽(或磁心)、尼龙支架、"工"字磁心、引脚架等组成,如图6-17所示。   2.中频变压器的作用 中频变压器是半导体收音机和黑白电视机中的主要选频元件,在电路中起信号耦合和选频等作用,调节其磁心,改变线圈的电感量,即可改变中频信号的灵敏度选择性及通频带。   收音机中的中频变压器分为调频用中频变压器和调幅用中频变压器,黑白电视机中的中频变压器分为图像部分中频变压器和伴音部分中频变压器。不同规格、不同型号的中频变压器不能直接互换使用。   (六)脉冲变压器   脉冲变压器用于各种脉冲电路中,其工作电压、电流等均为非正弦脉冲波。常用的脉冲变压器有电视机的行输出变压器、行推动变压器、开关变压器、电子点火器的脉冲变压器、臭氧发生器的脉冲变压器等。   1.行输出变压器 行输出变压器简称FBT或行回扫变压器,是电视机中的主要部件,它属于升压式变压器,用来产生显像管所需的各种上工作电压(例如阳极高压、加速极电压、聚焦极电压等),有的电视机中行输出变压器还为整机其它电路提供工作电压。   黑白电视机用行输出变压器一般由"U"型磁心、低压线圈、高压线圈、外壳、高压整流硅堆、高压线、高压帽、灌封材料、引脚等组成,它又分为分立式(非密封式、高压线圈和高压硅堆可以取下)和一体化式(全密封式)两种结构,图6-18是黑白电视机行输出变压器的外形。   彩色电视机用行输出变压器在一体化黑白电视机行输出变压器的基础上增加了聚焦电位器、加速极电压调节电位器、聚焦电源线、加速极供电线及分压电路,图6-19是彩色电视机行输出变压器的结构和内部电路。   2.行推动变压器 行推动变压器也称行激励变压器,它接在行推动电路与行输出电路之间,起信号耦合、阻抗变换、隔离及缓冲等作用,控制着行输出管的工作状态。   行推动变压器由"E"型铁心(或磁心)骨架及一次(初级)、二次(次级)绕组等构成,图6-20是其外形。   3.开关变压器 彩色电视机开关稳压电源电路中使用的开关变压器,属于脉冲电路用振荡变压器。其主要作用是向负载电路提供能量(即为整机各电路提供工作电压),实现输入、输出电路之间的隔离。   开关变压器采用"EI"型或"EE"型、"EC"型等高导磁率磁心,其一次(初级)绕组为储能绕组,用来向开关管集电极供电。自激式开关电源的开关变压器一次绕组还包含正反馈绕组或取样绕组,用来提供正反馈电压或取样电压。它激式开关电源的开关变压器一次绕组还包含自馈电绕组,用来开关振荡集成电路提供工作电压。开关变压器二次(次级)侧有多组电能释放绕组,可产生多路脉冲电压,经整流、滤波后供给电视机各有关电路。图6-21是开关变压器的外形及电路图形符号。   (七)自耦变压器   自耦变压器的绕组为有抽头的一组线圈,其输入端和输出端之间有电的直接联系,不能隔离为两个独立部分。当输入端同时有直流电和交流电通过时,输出端无法将直流成分滤除而单独输出交流电(即不具备隔直流作用)。   图6-22是自耦变压器的两种连接线路。   (八)隔离变压器   隔离变压器的主要作用是隔离电源、切断干扰源的耦合通路和传输通道,其一次、二次绕组的匝数比(即变压比)等于1。   它分为电源隔离变压器和干扰隔离变压器。   1.源隔离变压器 电源隔离变压器是具有"安全隔离"作用的1∶1电源变压器,一般作为彩色电视机的维修设备。   彩色电视机的底板多数是"带电有",在维修时若将彩色电视机与220V交流电源之间接入一只隔离变压器后,彩色电视机即呈"悬浮"供电状态。当人体偶尔触及隔离变压二次侧(次级)的任一端时,均不会发生触电事故(人体不能同时触及隔离变压器二次测的两个接线端,否则会形成闭合回路,发生触电事故)。   2.干扰隔离变压器 干扰隔离变压器是具有噪声干扰抑制作用的变压器,它可以使两个有联系的电路相互独立,不能形成回路,从而有效地切断干扰信号的通路,使干扰信号无法从一个电路进入另一个电路。   (九)振荡变压器   有些仪器仪表和电子控制设备上用于正弦波电路中的振荡变压器与脉冲电路中使用的振荡变压器不同,其主要作用是电压器变换和阻抗变换,两者不能互换使用。   (十)恒压变压器   恒压变压器是根据铁磁谐振原理制成的一种交流稳压变压器,它具有稳压、抗干扰和自动短路保护等功能。当输入电压(电网电压)在-20%~+10%范围内变化时,其输出电压的变化不超过±1%。即使恒压变压器输出输端出现短路故障时,在30min内也不会出现任何损坏。   恒压变压器在使用时,只要接上整流桥堆和滤波电容,即可构成直流稳压电源,可省去其余的稳压电路。

四、电感器的种类

  (一)按结构分类   电感器按其结构的不同可分为线绕式电感器和非线绕式电感器(多层片状、印刷电感等),还可分为固定式电感器和可调式电感器。   按贴装方式分:有贴片式电感器,插件式电感器。同时对电感器有外部屏蔽的成为屏蔽电感器,线圈裸露的一般称为非屏蔽电感器。贴片电感插件电感固定式电感器又分为空心电子表感器、磁心电感器、铁心电感器等,根据其结构外形和引脚方式还可分为立式同向引脚电感器、卧式轴向引脚电感器、大中型电感器、小巧玲珑型电感器和片状电感器等。   可调式电感器又分为磁心可调电感器、铜心可调电感器、滑动接点可调电感器、串联互感可调电感器和多抽头可调电感器。   图6-2是几种电感器的电路图形符号。   (二)按工作频率分类   电感按工作频率可分为高频电感器、中频电感器和低频电感器。高频电感器技术上差距较大,许多厂商的产品不成熟,常用比较可信的主要是捷比信高频电感。   空心电感器、磁心电感器和铜心电感器一般为中频或高频电感器,而铁心电感器多数为低频电感器。   (三)按用途分类   电感器按用途可分为振荡电感器、校正电感器、显像管偏转电感器、阻流电感器、滤波电感器、隔离电感电感器、被偿电感器,同时对需要通过大电流等情况会使用到捷比信功率电感器。   振荡电感器又分为电视机行振荡线圈、东西枕形校正线圈等。   显像管偏转电感器分为行偏转线圈和场偏转线圈。   阻流电感器(也称阻流圈)分为高频阻流圈、低频阻流圈、电子镇流器用阻流圈、电视机行频阻流圈和电视机场频阻流圈等。   滤波电感器分为电源(工频)滤波电感器和高频滤波电感器等。   变压器的种类   变压器可以根据其工作频率、用途及铁心形状等进行分类。   (一)按工作频率分类   变压器按工作频率可分为高频变压器、中频变压器和低频变压器。   (二)按用途分类   变压器按其用途可分为电源变压器、音频变压器、脉冲变压器、恒压变压器、耦合变压器、自耦变压器、隔离变压器等多种。   (三)按铁心(或磁心)形状分类   变压器按铁心(磁心)形状可分为"E"型变压器、"C"型变压器和环型变压器。   图6-13是变压器的分类

五、电感器的主要参数:

  电感器的主要参数有电感量、允许偏差、品质因数、分布电容及额定电流等。   (一)电感量   电感量也称自感系数,是表示电感器产生自感应能力的一个物理量。环形电感电感器电感量的大小,主要取决于线圈的圈数(匝数)、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等等。通常,线圈圈数越多、绕制的线圈越密集,电感量就越大。有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大;磁心导磁率越大的线圈,电感量也越大。   电感量的基本单位是亨利(简称亨),用字母"H"表示。常用的单位还有毫亨(mH)和微亨(μH),它们之间的关系是:   1H=1000mH   1mH=1000μH   (二)允许偏差   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。   一般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%;而用于耦合、高频阻流等线圈的精度要求不高;允许偏差为±10%~15%。   (三)品质因数   品质因数也称Q值或优值,是衡量电感器质量的主要参数。它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时,所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高,其损耗越小,效率越高。   电感器品质因数的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关。   (四)分布电容   分布电容是指线圈的匝与匝之间、线圈与磁心之间存在的电容。电感器的分布电容越小,其稳定性越好。   (五)额定电流   额定电流是指电感器有正常工作时反允许通过的最大电流值。若工作电流超过额定电流,则电感器就环形电感会因发热而使性能参数发生改变,甚至还会因过流而烧毁。   二、变压器的主要参数   变压器的主要参数有电压比、频率特性、额定功率和效率等。   (一)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。   (二)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。   (三)频率特性   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。   (四)效率   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。

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  共模电感与铁基纳米晶合金   1、 引言   随着开关型电源在工业和家用电器中越来越多的应用,电器之间的相互干扰成为日益严重的问题,电磁环境越来越为人们所关心。电磁干扰有很多种类,其中在30MHz以下的共模干扰是非常重要的一类,它们主要以传导方式传播,对仪器的安全正常运行造成很大危害,必须加以控制。通常在输入端附加共模滤波器,以减轻外界共模干扰通过电源线进入仪器,同时防止仪器产生的共模干扰进入电网。共模滤波器的核心是带有软磁铁芯的共模电感,其性能的高低决定了滤波器的水平。   2、 共模噪声和共模电感   共模噪声主要是各种开关器件在导通和关断时产生的,可分解为不同的谐波形式,具有比较宽的频谱范围。对于30MHz以下的干扰信号,一般通过传导方式传播。   共模电感由软磁铁芯和两组同向绕制的线圈组成,如图1所示。对差模信号,由于两组线圈产生的磁场方向相反,故相互抵消,铁芯不被磁化,对信号没有抑制作用。对于共模信号,由于两组线圈产生的磁场不是抵消,而是相互叠加,因此铁芯被磁化。由于铁芯材料的高导磁率,铁芯将产生一个大的电感,线圈的阻抗使共模信号的通过受到抑制。   3、共模电感器件性能与材料性能的关系   为了使共模干扰更有效地滤除,共模电感首先应具有足够大的电感量,因而铁芯材料具有高导磁率是对共模电感的最基本要求。另一方面,铁芯材料的频率特性也是决定器件性能的一个关键因素。由于共模干扰具有较宽的频谱,而铁芯对共模干扰的阻抗只在某一特定频段具有最大值。所以,为了滤除某个波段的共模干扰,铁芯频率特性应使器件的阻抗在该波段与后面的电路具有最大的不匹配,以对共模干扰产生足够大的损耗(称为插入损耗)。对于共模信号而言,共模电感可以等效为电阻和电感的串联,此时器件的总阻抗为:   其中:为铁芯导磁率实部引起的与纯电感有关的感抗。   为铁芯导磁率虚部引起的与损耗有关的阻抗。L0为空心电感的电感量。   在实际的共模电感中,XL形成对共模干扰的反射,而XR是由于铁芯损耗等被吸收消耗的部分。这两部分都形成了对共模干扰的抑制。因此,共模电感铁芯的总阻抗代表了器件抑制共模干扰的能力。共模电感铁芯供应商大多使用阻抗(或者做成器件后的插入损耗)与频率的关系表示产品的频率特性。   材料的导磁率与频率的关系比较复杂。一般地,导磁率实部随频率的升高而降低;导磁率虚部开始较低,在某个频率(称为截止频率)有峰值,如何又随频率而下降。应当注意,器件阻抗随频率的变化规律和导磁率的规律不同,因为阻抗除了决定于导磁率以外,还与频率有关。一般地,共模电感的阻抗及其频率特性决定于铁芯尺寸、材料特性、线圈匝数等因素。图2为铁氧体和铁基纳米晶合金共模电感的的阻抗-频率关系。   4、 纳米晶合金的优势   为了得到对共模干扰最佳的抑制效果,共模电感铁芯必须具有高导磁率、优良的频率特性等。从前绝大多数采用铁氧体作为共模电感的铁芯材料,它具有极佳的频率特性和低成本的优势。但是,铁氧体也具有一些无法克服的弱点,例如温度特性差、饱和磁感低等,在应用时受到了一定限制。   近年来,铁基纳米晶合金的出现为共模电感增加了一种优良的铁芯材料。铁基纳米晶合金的制造工艺是:首先用快速凝固技术制成厚度大约20-30微米的非晶合金薄带,卷绕成铁芯后经过进一步加工形成纳米晶。与铁氧体相比,纳米晶合金具有一些独特的优势:   ? 高饱和磁感应强度:铁基纳米晶合金的Bs达1.2T,是铁氧体的两倍以上。作为共模电感铁芯,一个重要的原则是铁芯不能磁化到饱和,否则电感量急剧降低。而在实际应用中,有不少场合的干扰强度较大(例如大功率变频电机),如果用普通的铁氧体作为共模电感,铁芯存在饱和的可能性,不能保证大强度干扰下的噪声抑制效果。由于纳米晶合金的高饱和磁感应强度,其抗饱和特性无疑明显优于铁氧体,使得纳米晶合金非常适用于抗大电流强干扰的场合。   ? 高初始导磁率:纳米晶合金的初始导磁率可达10万,远远高于铁氧体,因此用纳米晶合金制造的共模电感在低磁场下具有大的阻抗和插入损耗,对弱干扰具有极好的抑制作用。这对于要求极小泄漏电流的抗弱干扰共模滤波器尤其适用。在某些特定场合(如医疗设备),设备通过对地电容(如人体)造成泄漏电流,容易形成共模干扰,而设备本身又对此要求极严。此时使用高导磁率的纳米晶合金制造共模电感可能是最佳选择。此外,纳米晶合金的高导磁率可以减少线圈匝数,降低寄生电容等分布参数,因而将由于分布参数引起的在插入损耗谱上的共振峰频率提高。同时,纳米晶铁芯的高导磁率使得共模电感具有更高的电感量和阻抗值,或者在同等电感量的前提下缩小铁芯的体积。   ? 卓越的温度稳定性:铁基纳米晶合金的居里温度高达570oC以上。在有较大温度波动的情况下,纳米晶合金的性能变化率明显低于铁氧体,具有优良的稳定性,而且性能的变化接近于线性。一般地,纳米晶合金在-50oC----130oC的温度区间内,主要磁性能的变化率在10%以内。相比之下,铁氧体的居里温度一般在250oC以下,磁性能变化率有时达到100%以上,而且呈非线性,不易补偿。纳米晶合金的这种温度稳定性结合其特有的低损耗特性,为器件设计者提供了宽松的温度条件。而图3为不同材料的饱和磁感应强度的温度特性。   ? 灵活的频率特性:通过不同的制造工艺,纳米晶铁芯可以获得不同的频率特性,配合适当的线圈匝数可以得到不同的阻抗特性,满足不同波段的滤波要求,而其阻抗值大大高于铁氧体。应该指出,任何滤波器都不能指望用一种铁芯材料就可以实现整个频率范围的噪声抑制,而是应根据滤波器要求的滤波频段来选择不同的铁芯材料、尺寸和匝数等。与铁氧体相比,纳米晶合金可以更加灵活地通过调整工艺来得到所需要的频率特性。   铁基纳米晶合金自二十世纪八十年代末开发以来,已经在开关电源变压器、互感器等领域得到了广泛应用。由于纳米晶合金的高导磁率、高饱和磁感、灵活可调的频率特性等优势,在抗共模干扰滤波器等领域也越来越受到重视。国外已经存在可以大批量供应的铁基纳米晶合金共模电感铁芯。随着人们对纳米晶合金认识的逐渐加深,可以预计它们制造的共模电感在国内的应用前景将越来越广阔。   一、初识共模电感   共模电感(Common mode Choke),也叫共模扼流圈,常用于电脑的开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。在板卡设计中,共模电感也是起EMI滤波的作用,用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。   各种CMC   小知识:EMI(Electro Magnetic Interference,电磁干扰)   计算机内部的主板上混合了各种高频电路、数字电路和模拟电路,它们工作时会产生大量高频电磁波互相干扰,这就是EMI。EMI还会通过主板布线或外接线缆向外发射,造成电磁辐射污染,不但影响其他的电子设备正常工作,还对人体有害。   PC板卡上的芯片在工作过程中既是一个电磁干扰对象,也是一个电磁干扰源。总的来说,我们可以把这些电磁干扰分成两类:串模干扰(差模干扰)与共模干扰(接地干扰)。以主板上的两条PCB走线(连接主板各元件的导线)为例,所谓串模干扰,指的是两条走线之间的干扰;而共模干扰则是两条走线和PCB地线之间的电位差引起的干扰。   串模干扰电流作用于两条信号线间,其传导方向与波形和信号电流一致;共模干扰电流作用在信号线路和地线之间,干扰电流在两条信号线上各流过二分之一且同向,并以地线为公共回路。   串模干扰和共模干扰   如果板卡产生的共模电流不经过衰减过滤(尤其是像USBIEEE 1394接口这种高速接口走线上的共模电流),那么共模干扰电流就很容易通过接口数据线产生电磁辐射-在线缆中因共模电流而产生的共模辐射。美国FCC、国际无线电干扰特别委员会的CISPR22以及我国的GB9254等标准规范等都对信息技术设备通信端口的共模传导干扰和辐射发射有相关的限制要求。   为了消除信号线上输入的干扰信号及感应的各种干扰,我们必须合理安排滤波电路来过滤共模和串模的干扰,共模电感就是滤波电路中的一个组成部分。   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。   共模电感内部电路示意图   上图是我们常见的共模电感的内部电路示意图,在实际电路设计中,还可以采用多级共模电路来更好地滤除电磁干扰。此外,在主板上我们也能看到一种贴片式的共模电感,其结构和功能与直立式共模电感几乎是一样的。   贴片CMC   二、从工作原理看共模电感   为什么共模电感能防EMI?要弄清楚这点,我们需要从共模电感的结构开始分析。   共模电感滤波电路   上图是包含共模电感的滤波电路,La和Lb就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上,匝数和相位都相同(绕制反向)。这样,当电路中的正常电流流经共模电感时,电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消,此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼);当有共模电流流经线圈时,由于共模电流的同向性,会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗,使线圈表现为高阻抗,产生较强的阻尼效果,以此衰减共模电流,达到滤波的目的。   事实上,将这个滤波电路一端接干扰源,另一端接被干扰设备,则La和C1,Lb和C2就构成两组低通滤波器,可以使线路上的共模EMI信号被控制在很低的电平上。该电路既可以抑制外部的EMI信号传入,又可以衰减线路自身工作时产生的EMI信号,能有效地降低EMI干扰强度。   小知识:漏感和差模电感   对理想的电感模型而言,当线圈绕完后,所有磁通都集中在线圈的中心内。但通常情况下环形线圈不会绕满一周,或绕制不紧密,这样会引起磁通的泄漏。共模电感有两个绕组,其间有相当大的间隙,这样就会产生磁通泄漏,并形成差模电感。因此,共模电感一般也具有一定的差模干扰衰减能力。   在滤波器的设计中,我们也可以利用漏感。如在普通的滤波器中,仅安装一个共模电感,利用共模电感的漏感产生适量的差模电感,起到对差模电流的抑制作用。有时,还要人为增加共模扼流圈的漏电感,提高差模电感量,以达到更好的滤波效果。   从看板卡整体设计看共模电感   在一些主板上,我们能看到共模电感,但是在大多数主板上,我们都会发现省略了该元件,甚至有的连位置也没有预留。这样的主板,合格吗?   不可否认,共模电感对主板高速接口的共模干扰有很好的抑制作用,能有效避免EMI通过线缆形成电磁辐射影响其余外设的正常工作和我们的身体健康。但同时也需要指出,板卡的防EMI设计是一个相当庞大和系统化的工程,采用共模电感的设计只是其中的一个小部分。高速接口处有共模电感设计的板卡,不见得整体防EMI设计就优秀。   所以,从共模滤波电路我们只能看到板卡设计的一个方面,这一点容易被大家忽略,犯下见木不见林的错误。 只有了解了板卡整体的防EMI设计,我们才可以评价板卡的优劣。那么,优秀的板卡设计在防EMI性能上一般都会做哪些工作呢?   主板Layout(布线)设计   对优秀的主板布线设计而言,时钟走线大多会采用屏蔽措施或者靠近地线以降低EMI。对多层PCB设计,在相邻的PCB走线层会采用开环原则,导线从一层到另一层,在设计上就会避免导线形成环状。如果走线构成闭环,就起到了天线的作用,会增强EMI辐射强度。   信号线的不等长同样会造成两条线路阻抗不平衡而形成共模干扰,因此,在板卡设计中都会将信号线以蛇形线方式处理使其阻抗尽可能的一致,减弱共模干扰。同时,蛇形线在布线时也会最大限度地减小弯曲的摆幅,以减小环形区域的面积,从而降低辐射强度。   主板的蛇形布线   在高速PCB设计中,走线的长度一般都不会是时钟信号波长1/4的整数倍,否则会产生谐振,产生严重的EMI辐射。同时走线要保证回流路径最小而且通畅。对去耦电容的设计来说,其设置要靠近电源管脚,并且电容的电源走线和地线所包围的面积要尽可能地小,这样才能减小电源的波纹和噪声,降低EMI辐射。   当然,上述只是PCB防EMI设计中的一小部分原则。主板的Layout设计是一门非常复杂而精深的学问,甚至很多DIYer都有这样的共识:Layout设计得优秀与否,对主板的整体性能有着极为重大的影响。   主板布线的划断   如果想将主板电路间的电磁干扰完全隔离,这是绝对不可能的,因为我们没有办法将电磁干扰一个个地"包"起来,因此要采用其他办法来降低干扰的程度。主板PCB中的金属导线是传递干扰电流的罪魁祸首,它像天线一样传递和发射着电磁干扰信号,因此在合适的地方"截断"这些"天线"是有用的防EMI的方法。   "天线"断了,再以一圈绝缘体将其包围,它对外界的干扰自然就会大大减小。如果在断开处使用滤波电容还可以更进一步降低电磁辐射泄露。这种设计能明显地增加高频工作时的稳定性和防止EMI辐射的产生,许多大的主板厂商在设计上都使用了该方法。   电感的计算公式:   加载其电感量按下式计算:线圈公式   阻抗(ohm) = 2 * 3.14159 * F(工作频率) * 电感量(mH),设定需用 360ohm 阻抗,因此:   电感量(mH) = 阻抗 (ohm) ÷ (2*3.14159) ÷ F (工作频率) = 360 ÷ (2*3.14159) ÷ 7.06 = 8.116mH   据此可以算出绕线圈数:   圈数 = [电感量* { ( 18*圈直径(吋)) + ( 40 * 圈长(吋))}] ÷ 圈直径 (吋)   圈数 = [8.116 * {(18*2.047) + (40*3.74)}] ÷ 2.047 = 19 圈   空心电感计算公式   作者:佚名 转贴自:本站原创 点击数:6684 文章录入: zhaizl   空心电感计算公式:L(mH)=(0.08D.D.N.N)/(3D+9W+10H)   D------线圈直径   N------线圈匝数   d-----线径   H----线圈高度   W----线圈宽度   单位分别为毫米和mH。。   空心线圈电感量计算公式:   l=(0.01*D*N*N)/(L/D+0.44)   线圈电感量 l单位: 微亨   线圈直径 D单位: cm   线圈匝数 N单位: 匝   线圈长度 L单位: cm   频率电感电容计算公式:   l=25330.3/[(f0*f0)*c]   工作频率: f0 单位:MHZ 本题f0=125KHZ=0.125   谐振电容: c 单位:PF 本题建义c=500...1000pf 可自行先决定,或由Q   值决定   谐振电感: l 单位: 微亨   线圈电感的计算公式   1。针对环行CORE,有以下公式可利用: (IRON)   L=N2.AL L= 电感值(H)   H-DC=0.4πNI / l N= 线圈匝数(圈)   AL= 感应系数   H-DC=直流磁化力 I= 通过电流(A)   l= 磁路长度(cm)   l及AL值大小,可参照Micrometal对照表。例如: 以T50-52材,线圈5圈半,其L值为T50-52(表示OD为0.5英吋),经查表其AL值约为33nH   L=33.(5.5)2=998.25nH≒1μH   当流过10A电流时,其L值变化可由l=3.74(查表)   H-DC=0.4πNI / l = 0.4×3.14×5.5×10 / 3.74 = 18.47 (查表后)   即可了解L值下降程度(μi%)   2。介绍一个经验公式   L=(k*μ0*μs*N2*S)/l   其中   μ0 为真空磁导率=4π*10(-7)。(10的负七次方)   μs 为线圈内部磁芯的相对磁导率,空心线圈时μs=1   N2 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 系数,取决于线圈的半径(R)与长度(l)的比值。   计算出的电感量的单位为亨利(H)。

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