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总结:电感最重要、最常见的几个作用
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总结:电感最重要、最常见的几个作用

2021-02-23 09:48:07 来源:爱上半导体、电子维修、卧龙会

不要看一个小小的电感,它所蕴含的原理可谓是“浩如烟海”,电感涉及到了两门霸王学科电与磁,到现在为止真正把电与磁完全搞懂的人可以说是屈指可数。如果真要地毯式的讲电感的作用,我想7、8本书能把电感讲透都绝非易事。在这里笔者把电感最重要的、常用的几个作用介绍给大家。

电感器俗称电感,本质上是一个线圈,有空心线圈也有实心线圈,实心线圈有铁芯或者其它材料制成的芯,电感的单位是“H”,简称“亨”。此外,更小的单位是mH,uH,他们的换算方式为1H=1000mH=1000000uH。

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电感的常见作用

▶ 阻交通直

对于直流电,电感是相当于短路的;而对于交流电,电感是对其有阻碍作用的,交流电的频率越高,电感对它的阻碍作用越大。

▶ 变压器

对我们来说最熟悉的电感应用莫过于变压器了,如图1所示为变压器的电路符号。假如左侧线圈匝数为100,右侧匝数为50,如果左侧接220V交流电,那么右侧感应出来的电压为110V,即“匝数比=电压比”而电流却会截然相反;如果左侧流进1A电流,那么右侧会流出2A的电流,即“匝数比=电流的反比”,因为电感只会对电压、电流进行变化,而不能对功率进行变化,如果电压和电流都为正比显然是不合情理的。

▶ RL低通滤波器

所谓低通滤波器是:低频信号可以通过,而高频信号不能通过,电路原理图如图2。输入信号如果是直流电,那么电感相当于一根导线;现在是短路,信号会经过电感,直接输出,而不经过电阻。如果我们逐渐升高电流的频率,由于电感对交流电有阻碍作用,通过电感的信号会慢慢变小,直到达到某一个频率,当高于这个频率之后的电流再也无法通过,这时候就形成了低通滤波器,这个频率就叫做截止频率,公式为 f=R/(2πL)。

▶ RL高通滤波器

高通滤波器的道理和低通的类似,只不过电阻和电感的位置变了,如图3。如果是直流电,会经过电感流回去,这时候如果改变频率,当频率逐渐升高,由于电感对交流电的阻碍作用,当频率达到截止频率时,高频信号不经过电感,而直接把我们需要的高频信号输出。截止频率的计算也是 f=R/(2πL)。

以上列举了一些常用的电感应用,当然电感的作用远远不止这些,以上讲的都是基础,应用的时候考虑的远比以上所说的要多。

电感的分类

按电感形式分类:固定电感、可变电感。

按导磁体性质分类:空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈。

按工作性质分类:天线线圈、振荡线圈、扼流线圈、陷波线圈、偏转线圈。

按绕线结构分类:单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈。

按工作频率分类:高频线圈、低频线圈。

按结构特点分类:磁芯线圈、可变电感线圈、色码电感线圈、无磁芯线圈等。

十种电感的特性

1)工字型电感

它的前身是挠线式贴片电感,工字型电感是它们的改良,挡板有效加强储能能力,改变EMI方向和大小,亦可降低RDC。它可以说是讯号通讯电感跟POWER电感的一种妥协。

贴片式的工字型电感主要用于几百kHz至一两MHz的较小型电源切换,如数字相机的LED升压、ADSL等较低频部份的讯号处理或POWER用途。它的Q值有20、30,做为讯号处理颇为适合。RDC比挠线式贴片电感低,作为POWER也是十分好用。当然,很大颗的工字型电感,那肯定是POWER用途了。

工字型电感最大的缺点仍是开磁路,有EMI的问题;另外,噪音的问题比挠线式贴片电感大。个人认为,工字型电感肯定不是最佳化的结构,改良空间仍是十分大。

2)色环电感

色环电感是最简单的棒形电感的加工,主要是用作讯号处理。本身跟棒形电感的特性没有很大的差别,只是多了一些固定物,和加上一些颜色方便分辨感值。因单价算是十分便宜,现时比较不注重体积,以及仍可用插件的电子产品,使用色环电感仍多。因为是插件式,而且太传统了,被时代淘汰是时间的早晚。

3)空芯电感

空心电感主要是讯号处理用途,用作共振、接收、发射等。空气可应用在甚高频的产品,故此很多变异要求不太高的产品仍在使用。因为空气不是固定线圈的最佳材料,故此在要求越来越严格的产品趋势上,发展有限。

4)环形线圈电感

环形线圈电感,是电感理论中很理想的形状。闭磁路,很少EMI的问题,充分利用磁路,容易计算,几乎理论上的好处,全归环形线圈电感。可是,有一个最大的缺点,就是不好挠线,制程多用人工处理。

现在中国人多,女孩子眼明手细,不过谁愿意让年轻活泼的女孩子浪费青春,早晚请不到人。但用机器的话,环形挠线的竞争力,仍有待做机械和电子控制的工程师来提升。环形线圈电感虽然是电感中很理想的形状,但因为主要是人工挠线,作为讯号处理,因为要求较高,所以比较少用。但很小很小的环形线圈电感,却仍是用量十分大,主要是用在高频、高感的通讯产品上。

环形线圈电感最大量的,是用铁粉芯作材料跟树脂等混在一起,使得Air gap均匀分布在铁粉芯内部。做电感的,有一定的敏感度。当我们看到Air gap二字,就知道是用在power上,故此铁粉芯环形线圈电感是power电感最常用的一种,IDC可以达到20多安培。

我觉得环形线圈电感的改良空间是十分大的,不妨往这方向研发和思考。

铁粉芯环形线圈电感的优点是环形,但缺点亦是环形。我前面曾说,使用者最喜欢的形状是方形,故此在妥协下环形线圈电感并不是最具优势。

5)贴片迭层高频电感

贴片迭层高频电感,其实就是空心电感。特性完全相同,不过因为容易固定,可以小型化。

贴片迭层高频电感跟空心电感比较,因为空气不是好的固定物,但空气的相对导磁率是一,在高频很好用,因此找一些相对导磁率是一,又是很好的固定物,那不是很好。

事实,世间绝大部分的物质,对导磁率都是一,最便宜的就是石头。贴片迭层高频电感的材质就是石头,石头就是硅啦。三氧化二铝等等的材质,也是一样的用意啦。

总之,贴片迭层高频电感材质的目的,是可以做成积层贴片,方便印刷线路。我们不单不希望贴片迭层高频电感的材质有特性,我们希望它完全没有特性更佳,使得贴片迭层高频电感特性完全像空心线圈,而且因为能固定,所以变异很小很小。在制程上,因为迭层制程,更可以尽量小型化。

Z=2*圆周率*频率*电感值 ,2和圆周率是常数,不管它们。相同的阻抗,频率越高,代表电感值可以越小。现时通讯产品的频率就是越来越高,这代表感值需求越来越小。

感值越小,代表我们可以做得更小颗,更不用高导磁率的磁性材料,用空气,用石头就可以了。所以,贴片迭层高频电感的使用量一定会越来越多,这是人类发展的必然趋势。

贴片迭层高频电感跟贴片挠线式高频电感的比较,贴片迭层高频电感的Q值不够高,是最大的缺点,。但我可以确定,现在市面上的贴片迭层高频电感Q值,肯定不是这产品的极限,改善的空间仍是十分宽广。另外,因为高频产品的变异要求十分严格,所以材质对温度的变化,也是台湾和中国贴片迭层高频电感,尚无法跟日系强烈对抗的重要原因。

唉,那些大老板真不知是吃甚么长大的,怎么说他们才会听。老是想着杀价! 杀价只是竞争手段之一,为什么不想想看从技术去提升竞争力呢。

最后,因为感值会越来越小,精准度要求越来越高,贴片迭层高频电感会取代贴片挠线式高频电感。南海十一郎预测,5年到10年后,贴片薄膜高频电感,也会取代贴片迭层高频电感。研究和市场方向,要抓对啊。

6)磁棒电感

磁棒电感是空心电感的加强,电感值跟导磁率成正比,塞磁性材料进空心线圈,电感值、Q值等都会大为增加。好处,就自己想象了。如果想不通,或者不想思考,要早点改行喔。磁棒电感是最简单、最基本的电感;30年到100年前,电感有什么应用,它就有什么应用,特性亦是如此。

7)SMD贴片功率电感

SMD贴片功率电感最主要是强调储能能力,以及LOSS要少。

8)穿心磁珠

穿心磁珠,就是阻抗器啦,电感是低通组件,可让低频通过,阻挡高频。

9)贴片磁珠

贴片磁珠就是穿心磁珠的下一代。

10)贴片高频变压器、插件高频变压器

高频变压器嘛,一般用于开关电源。

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