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嘉峪檢測網 2025-04-20 09:50
電路中的磁性器件
磁性元器件—電感器和變壓器與其他電氣元件不同，使用者很難采購到符合自己要求的電感和變壓器。因為沒有一個在規定范圍內通用的規范化的參數，而表征磁性元件的大多數參數(電感量，電壓，電流，處理能量，頻率，匝比，漏感，損耗)對制造商是無所適從的。
磁性元件的分析和設計比電路設計復雜得多，要得到唯一的答案是困難的。因為要涉及到許多因素，因此設計結果絕不是唯一合理的。考慮的不僅是最小體積，最低成本，或最高效率，還要包含結構、工藝、散熱以及干擾等設計。高頻開關電源的很多麻煩是由于磁性元件工藝、結構不合理引起的。
電感器是依據電磁感應原理，由導線繞制而成。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制而成，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等系列。LG1系列電感器的電感量范圍為0.1~100000μH，額定電流分為50mA、150mA、300mA、700mA和1.6A五種規格。LGA系列電感器采用超小型結構，外形與1/2W色環電阻器相似，其電感量范圍為0.22~1000μH，額定電流為0.04~1.4A。LPH系列電感器也為小型封裝結構，其電感量范圍為3.9~18000μH。誤差范圍為±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等系列。電感量范圍為0.1~100000μH，額定工作電流為0.05~2.0A，誤差范圍為±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、磁帽及引腳座等構成，在工字磁心上有用高強度漆包線繞制的繞組。磁帽裝在屏蔽罩內的尼龍架上，可以上下旋轉動，通過改變它與線圈的距離來改變線圈的電感量。
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高頻阻流線圈工作在高頻電路中，多用采空心或鐵氧體高頻磁心，骨架用陶瓷材料或塑料制成，線圈采用蜂房式分段繞制或多層平繞分段繞制。
2、低頻阻流線圈：低頻阻流線圈也稱低頻扼流圈，它應用于電流電路、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;起抑制電磁干擾作用的電磁干擾濾波電感器，尖峰抑制電感器；起抑制噪聲作用的噪聲濾波電感器;起吸收浪涌電流作用的吸收電感器，起減緩電流變化速率的緩沖電感器;
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制造的出頭和引出端，此類別不包括用絕緣引線穿過金屬殼的電感器。
灌封類 ：包括模注灌封或包封結構，以及包括具有金屬殼，一端或者兩端敞開并用灌封材料填充的電感器，或者用用絕緣引線穿過金屬殼的電感器。
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）、磁心的導磁率有關。在同等條件下，匝數多電感量大，線圈直徑大電感量大，有磁心比沒磁心電感量大。用于高頻電路的電感量相對較小，用于低頻電路的電感量相對較大。電感量的單位為亨（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。
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，對于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。
一般用于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%；而用于耦合、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制。高頻線圈采用減小線圈骨架直徑，采用細導線繞制、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），該式里有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，就要考慮怎么減小分布電容，而電容的公式是C=ε·S/4πkd，這里有三個變量，ε，S和d，介電常數ε也就是電感里面的填充材料，看是否有可選材料減小介電常數，另一個是S，就是減小接觸面積，也就是電感里面的每一圈繞線的接觸面積減小，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、脈沖變壓器、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于一、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、電流與電壓的關系
若不考慮變壓器的損耗，則 U1.I1=U2.I2或 U1/U2=I2/I1
4、阻抗變換關系
初級輸入阻抗Z1與次級負載阻抗Z2的關系可由歐姆定律導出。
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、制造工藝及功率有關。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分鐘）變壓器可承受的電壓。
小型電源變壓器絕緣電阻不小于500MW, 抗電強度大于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厚層面，500MHz集膚效應在3.0μm厚層面，1GHz集膚效應在2.1μm厚層面，10GHz集膚效應在0.7μm厚層面。信號沿著導線表面(包括四側面)流動，希望導線表面平滑，因粗糙表面會延遲信號傳輸時間。現在印制板用銅箔粗化面是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。
作者：咸陽金山益昕電子科技有限公司
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