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第三章:电感和磁珠的工作原理和特性
发布时间:2018-02-08        浏览次数:336        返回列表

1.电感的工作原理

电感线圈是由导线一圈靠一圈地绕在绝缘管上,导线彼此互相绝缘,而绝缘管可以是空心的,也可以包含铁芯或磁粉芯,简称电感。用L表示,单位有亨利(H)、毫亨利 (mH)、微亨利(uH),1H=10^3mH=10^6uH。

电感是导线内通过交流电流时,在导线的内部及其周围产生交变磁通,导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。当电感中通过直流电流时,其周围只呈现固定的磁力线,不随时间而变化;可是当在线圈中通过交流电流时,其周围将呈现出随时间而变化的磁力线。

根据法拉弟电磁感应定律---磁生电来分析,变化的磁力线在线圈两端会产生感应电势,此感应电势相当于一个"新电源"。当形成闭合回路时,此感应电势就要产生感应电流。由楞次定律知道感应电流所产生的磁力线总量要力图阻止原来磁力线的变化的。由于原来磁力线变化来源于外加交变电源的变化,

故从客观效果看,电感线圈有阻止交流电路中电流变化的特性。电感线圈有与力学中的惯性相类似的特性,在电学上取名为"自感应",通常在拉开闸刀开关或接通闸刀开关的瞬间,会发生火花,这就是自感现象产生很高的感应电势所造成的。

总之,当电感线圈接到交流电源上时,线圈内部的磁力线将随电流的交变而时刻在变化着,致使线圈不断产生电磁感应。这种因线圈本身电流的变化而产生的电动势,称为"自感电动势"。由此可见,电感量只是一个与线圈的圈数、大小形状和介质有关的一个参量,它是电感线圈惯性的量度而与外加电流无关。

1.1电感的等效电路

1.2电感中电流不能突变

在电容整理中说到电容器两端的电压不能突变,对电感而言则是电感中的电流不能突变。

2.电感在电路中的作用

电感的基本作用有滤波、振荡、延迟、陷波等,一般对电感作用形象说法是"通直流,阻交流"细化解来说,在电子线路中,电感线圈对交流有限流作用,它与电阻器或电容器能组成高通或低通滤波器、移相电路及谐振电路等;变压器可以进行交流耦合、变压、变流和阻抗变换等。

由感抗XL=2πfL 知,电感L越大,频率f越高,感抗就越大。该电感器两端电压的大小与电感L成正比,还与电流变化速度△i/△t成正比,这关系也可用下式表示:

电感线圈也是一个储能元件,它以磁的形式储存电能,储存的电能大小可用下式表示:WL=1/2 Li2 。可见,线圈电感量越大,流过越大,储存的电能也就越多。

2.1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。

2.2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)。

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。

3.磁珠的介绍

磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰,还具有吸收静电脉冲的能力(数字电路中,由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波)。磁珠有很高的电阻率和磁导率,等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化。

3.1磁珠的型号:磁珠对高频信号有较大阻碍作用,一般规格有100欧/100mMHZ ,它在低频时电阻比电感小得多。以常用于电源滤波的HH-1H3216-500为例,其型号各字段含义依次为:HH 是其一个系列,主要用于电源滤波,用于信号线是HB系列;1 表示一个组件封装了一个磁珠,若为4则是并排封装四个的;H 表示组成物质,H、C、M为中频应用(50-200MHz),T低频应用(50MHz),S高频应用(200MHz);3216 封装尺寸,长3.2mm,宽1.6mm,即1206封装;500 阻抗(一般为100MHz时),50 ohm。

注意:磁珠的单位是欧姆,而不是亨特,这一点要特别注意。因为磁珠的单位是按照它在某一频率 产生的阻抗来标称的,阻抗的单位也是欧姆。

3.2 磁珠的等效电路

X:电抗成分R:电阻成分Z:整体特性

Z:R和X共同决定。

1)在低频段,X起主导,体现电感性,功能是反射噪声;

2)在高频段,R起主导,体现电阻性,功能是吸收噪声并将

噪声转换为热。

3)在转换点是R和X值相等处的频率。转换点频率越高,磁珠体现电感性的频带越宽,对低频噪声的吸收能力越弱;转换点所在频率越低,磁珠体现电阻性的频带越宽,对低频噪声的吸收能力越强。

3.3磁珠选型:

1). 电路噪声的频带大于磁珠转换点频率,使磁珠吸收噪声而不是反射噪声;

2). 信号的频带小于磁珠转换点频率,以防有效信号被磁珠衰减。

3). 磁珠的转换点频率越低,线路振荡和波形失真就越小。

4). 额定电流、直流电阻。

5). 选择谐振频率点高的磁珠。当工作频率高于谐振频率,磁珠表现出电容性,阻抗迅速减小。

3.4磁珠主要参数:

3.4.1、阻抗[Z]@100MHz (ohm)

3.4.2、直流电阻DC Resistance (m ohm)

3.4.3、额定电流Rated Current (mA)

4.电感与磁珠的联系与区别

4.1、电感是储能元件,而磁珠是能量转换(消耗)器件

4.2、电感多用于电源滤波回路,磁珠多用于信号回路,用于EMC对策

4.3、磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰,而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰。两者都可用于处理EMC、EMI问题。EMI的两个途径,即:辐射和传导,不同的途径采用不同的抑制方法。前者用磁珠,后者用电感。

4.4、磁珠是用来吸收超高频信号,象一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种蓄能元件,用在LC振荡电路,中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHZ。

4.5、电感一般用于电路的匹配和信号质量的控制上。一般地的连接和电源的连接。在模拟地和数字地结合的地方用磁珠。对信号线也采用磁珠。磁珠的大小(确切的说应该是磁珠的特性曲线)取决于需要磁珠吸收的干扰波的频率。磁珠就是阻高频,对直流电阻低,对高频电阻高。

比如1000R@100Mhz就是说对100M频率的信号有1000欧姆的电阻。因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的,阻抗的单位也是欧姆。磁珠的datasheet上一般会附有频率和阻抗的特性曲线图。一般以100MHz为标准,比如2012B601,就是指在100MHz的时候磁珠的Impedance为600欧姆。

5、贴片电感和贴片磁珠的区别

5.1.片式电感:

在电子设备的 PCB 板电路中会大量使用感性元件和EMI滤波器元件。这些元件包括片式电感和片式磁珠,以下就这两种器件的特点进行描述并分析他们的普通应用场合以及特殊应用场合。表面贴装元件的好处在于小的封装尺寸和能够满足实际空间的要求。除了阻抗值,载流能力以及其他类似物理特性不同外,通孔接插件和表面贴装器件的其他性能特点基本相同。

在需要使用片式电感的场合,要求电感实现以下两个基本功能:电路谐振和扼流电抗。谐振电路包括谐振发生电路,振荡电路,时钟电路,脉冲电路,波形发生电路等等。谐振电路还包括高Q带通滤波器电路。要使电路产生谐振,必须有电容和电感同时存在于电路中。

在电感的两端存在寄生电容,这是由于器件两个电极之间的铁氧体本体相当于电容介质而产生的。在谐振电路中,电感必须具有高Q,窄的电感偏差,稳定的温度系数,才能达到谐振电路窄带,低的频率温度漂移的要求。高Q电路具有尖锐的谐振峰值。窄的电感偏置保证谐振频率偏差尽量小。

稳定的温度系数保证谐振频率具有稳定的温度变化特性。标准的径向引出电感和轴向引出电感以及片式电感的差异仅仅在于封装不一样。电感结构包括介质材料(通常为氧化铝陶瓷材料)上绕制线圈,或者空心线圈以及铁磁性材料上绕制线圈。

在功率应用场合,作为扼流圈使用时,电感的主要参数是直流电阻(DCR),额定电流,和低Q值。当作为滤波器使用时,希望宽的带宽特性,因此,并不需要电感的高Q特性。低的DCR可以保证最小的电压降,DCR定义为元件在没有交流信号下的直流电阻。

5.2.片式磁珠:

片式磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构( PCB电路 )中的RF噪声,RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信号,而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI)。

要消除这些不需要的信号能量,使用片式磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信号通过,而滤除交流信号。通常高频信号为30MHz以上,然而,低频信号也会受到片式磁珠的影响。片式磁珠由软磁铁氧体材料组成,构成高体积电阻率的独石结构。涡流损耗同铁氧体材料的电阻率成反比。涡流损耗随信号频率的平方成正比。

5.3.使用片式磁珠的好处:

小型化和轻量化。在射频噪声频率范围内具有高阻抗,消除传输线中的电磁干扰。闭合磁路结构,更好地消除信号的串绕。 极好的磁屏蔽结构。降低直流电阻,以免对有用信号产生过大的衰减。显著的高频特性和阻抗特性(更好的消除 RF 能量)。在高频放大电路中消除寄生振荡。有效的工作在几个MHz到几百MHz的频率范围内。

要正确的选择磁珠,必须注意以下几点: 不需要的信号的频率范围为多少。 噪声源是谁。需要多大的噪声衰减。 环境条件是什么(温度,直流电压,结构强度)。 电路和负载阻抗是多少。是否有空间在PCB板上放置磁珠。前三条通过观察厂家提供的阻抗频率曲线就可以判断。在阻抗曲线中三条曲线都非常重要,即电阻,感抗和总阻抗。。

典型的阻抗曲线可参见磁珠的DATASHEET。通过这一曲线,选择在希望衰减噪声的频率范围内具有最大阻抗而在低频和直流下信号衰减尽量小的磁珠型号。片式磁珠在过大的直流电压下,阻抗特性会受到影响,另外,如果工作温升过高,或者外部磁场过大,磁珠的阻抗都会受到不利的影响。

5.4使用片式磁珠和片式电感的原因:

是使用片式磁珠还是片式电感主要还在于应用。在谐振电路中需要使用片式电感。而需要消除不需要的EMI噪声时,使用片式磁珠是最佳的选择。片式磁珠和片式电感的应用场合: 片式电感:射频(RF)和无线通讯,信息技术设备,雷达检波器,汽车电子,蜂窝电话,寻呼机,音频设备,PDAs(个人数字助理),无线遥控系统以及低压供电模块等。

片式磁珠:时钟发生电路,模拟电路和数字电路之间的滤波,I/O输入/输出内部连接器(比如串口,并口,键盘,鼠标,长途电信,本地局域网),射频(RF)电路和易受干扰的逻辑设备之间,供电电路中滤除高频传导干扰,计算机,打印机,录像机(VCRS),电视系统和手提电话中的EMI噪声抑止。
 

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