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電感基本知識 電感器在電路中具有感抗特性 感抗如同電阻一樣阻礙電流流動 但是感抗與流過電感器的電流頻率相關(guān) 還與電感器本身的電感量相關(guān) 電感對直流呈通路 而對于交流卻呈現(xiàn)很大阻礙作用 通常我們稱之為感抗 XL 2 fL 其中XL為電感的感抗 f為流過電感交流電的頻率 L為電感的電感量 在電感量確定的前提下 f越大 感抗越大即阻礙作用就越大 利用電感對高頻干擾成分感抗大的特性 那在220V交流電網(wǎng)竄入的各種有害高頻干擾成分就能利用一個電感被有效的濾掉 電感器俗稱線圈 最簡單的電感器就是用導(dǎo)線空心的繞幾圈 有磁芯的電感器在磁芯上用導(dǎo)線繞幾圈 無論哪種電感器 如果結(jié)構(gòu)相同 其基本特性相同 但繞的匝數(shù)不同或有無磁芯不同時 電感器的電感量的大小不同 繞線匝數(shù)越多 電感量越大 在同樣匝數(shù)的情況下 線圈增加了磁芯后 電感量會增加 不同類型的電感器它的具體電路符號也有所不同 電感器電路符號還能形象的表示電感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 例如 電感上畫條實(shí)線 表示有低頻鐵芯電感上畫條虛線 表示有高頻鐵芯電感上畫實(shí)線斷開 表示鐵芯有間隙實(shí)線在加箭頭 表示電感器可調(diào) 是微調(diào)電感器 空心線圈沒有磁芯 通常線圈繞的匝數(shù)越少 電感越小 主要用于高頻電路中 例如 短波收音電路中 調(diào)頻收音電路中等 空心線圈每圈之間的隔隙大小與電感量有關(guān) 間隙大電感量小 反之則大 所以在需要微調(diào)空心線圈電感量時 可以調(diào)整調(diào)整線圈之間的間隙大小 為了防止線圈之間間隙變化 使用電路中調(diào)試完成后要用石蠟加以封密固定 這樣還可以防止線圈受潮 貼片電感器是一中小型化的電感器 采用貼片元器件的結(jié)構(gòu)形式 具有無腳化的特點(diǎn) 鐵芯與磁芯的區(qū)別是工作頻率的不同 工作頻率低的稱謂鐵芯 工作頻率高的稱為磁芯 例如用于50Hz交流市電頻率電路中為鐵芯 收音電路磁棒線圈中的磁棒為磁芯 其工作頻率高達(dá)上千Hz 磁芯根據(jù)工作頻率的高低不同 還有低頻磁芯和高頻磁芯之分 因?yàn)殡姼袑涣鞔嬖谧璧K作用 那么從電感輸出的交流電壓比輸入電壓幅度要小 電感濾波電路 那常見的有如下的 型LC濾波電路 L1為濾波電感 C1和C2為濾波電容 因?yàn)镃1 L1 和C2構(gòu)成了一個 型字樣 所以稱為 型濾波電路 整流電路 電容C1 電感L1 電容C2 直流輸出電壓 從整流電路輸出的交流和直流混合電流首先經(jīng)過C1濾波 然后加到L1和C2組成濾波電路中 對于直流電流而言 由于L1的直流電阻很小 所以直流電流流過L1時在L1上產(chǎn)生的直流電壓降很小 這樣直流電壓就能通過L1到達(dá)輸出端 對于交流電流而言 因?yàn)長1存在感抗 而且濾波電路中L1的電感量比較大 所以感抗很大 這一感抗與C2的容抗 濾波電容的容量大 容抗小 構(gòu)成分壓衰減電路 等效電路如下所示 電感L1 電容C2 輸出直流電壓 等效電路 接前所述 這個衰減電路中 對交流電壓有很大衰減作用 達(dá)到去掉交流電壓的目的 在分析電感電路時 如果輸入直流電 電感不存在感抗 只有電感器的直流電阻 通常情況下可以忽略不計(jì) 對于交流電 要根據(jù)交流電的頻率分成多種情況進(jìn)行感抗的等效分析 那電感器L的等效 電阻 其大小與電感量和頻率相關(guān) 把一個頻率高的電感等效為一個阻值大的電阻等效分析把一個頻率低的電感等效為一個阻值小的電阻等效分析把一個特定頻率的電感等效為一個特定的阻值等效分析 如果要分析電感在直流電路中的工作原理時 電感的直流電阻不能忽略 它在電路中起著一定的作用 是否要考慮電感的直流電阻要視具體電路而定 這是分析電路中的難點(diǎn) 電感式DC DC變換器工作原理 電感降壓式DC DC變換器原理框圖 圖中 VIN為輸入電壓 VOUT為輸出電壓 L為儲能電感 VD為續(xù)流二極管 C為濾波電容 R1 R2為分壓電阻 經(jīng)分壓后產(chǎn)生誤差反饋信號FB 用以穩(wěn)定輸出電壓和調(diào)輸出電壓的高低 電源開關(guān)管V既可采用N溝道絕緣柵場效應(yīng)管 MOSFET 也可采用P溝道場效應(yīng)管 當(dāng)然也可用NPN型晶體管或PNP型晶體管 實(shí)際應(yīng)用中 一般采用P溝道場效應(yīng)管居多 降壓式DC DC變換器的基本工作原理是 開關(guān)管導(dǎo)通時 FIN電壓經(jīng)開關(guān)管S D極 儲能電感L和電容C構(gòu)成回路 充電電流不但在C兩端建立直流電壓 而且在儲能電感L上產(chǎn)生左正 右負(fù)的電動勢 開關(guān)管截止期間 由于儲能電感L中的電流不能突變 所以 L通過自感產(chǎn)生右正 左負(fù)的脈沖電壓 于是 L右端正的電壓 濾波電容C一續(xù)流二極管VD L左端構(gòu)成放電回路 放電電流繼續(xù)在C兩端建立直流電壓 C兩端獲得的直流電壓為負(fù)載供電 因此 降壓式DC DC變換器產(chǎn)生的輸出電壓不但波紋小 而且開關(guān)管的反峰電壓低 在大電流的整流濾波電路中常常會用到容量很大的濾波電容 這是因?yàn)樨?fù)載內(nèi)阻很小 若采用小容量的濾波電容其放電時間極短而起不到濾波的作用 若采用大容量的電容雖然能起到濾波作用 但由于充放電電流極大 同時會對整流二極管產(chǎn)生很大的沖擊電流 因此在這種情況下采用電感濾波是很好的辦法 由于電感線圈的電感量要足夠大 應(yīng)該采用有鐵心的線圈 線徑要足夠粗以承載大電流 電感濾波電路工作原理當(dāng)流過電感的電流變化時 電感線圈中產(chǎn)生的感生電動勢將阻止電流的變化 當(dāng)通過電感線圈的電流增大時 電感線圈產(chǎn)生的自感電動勢與電流方向相反 阻止電流的增加 同時將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場能存儲于電感之中 當(dāng)通過電感線圈的電流減小時 自感電動勢與電流方向相同 阻止電流的減小 同時釋放出存儲的能量 以補(bǔ)償電流的減小 因此經(jīng)電感濾波后 不但負(fù)載電流及電壓的脈動減小 波形變得平滑 而且整流二極管的導(dǎo)通角增大 電感濾波電路 在電感線圈不變的情況下 負(fù)載電阻愈小 輸出電壓的交流分量愈小 只有在RL L時才能獲得較好的濾波效果 L愈大 濾波效果愈好 另外 由于濾波電感電動勢的作用 可以使二極管的導(dǎo)通角接近 減小了二極管的沖擊電流 平滑了流過二極管的電流 從而延長了整流二極管的壽命 當(dāng)忽略L的直流電阻時 RL上的直流電壓UL與不加濾波時負(fù)載上的電壓相同 即UL 0 9U2與電容濾波相比 電感濾波有以下特點(diǎn) 1 電感濾波的外特性和脈動特性好 2 電感濾波電路整流二極管的導(dǎo)通角 3 電感濾波輸出電壓較電容濾波為低 故一般電感濾波適用于輸出電壓不高 輸出電流較大及負(fù)載變化較大的場合 電感是開關(guān)電源中常用的元件 由于它的電流 電壓相位不同 所以理論上損耗為零 電感常為儲能元件 也常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上 用來平滑電流 電感也被稱為扼流圈 特點(diǎn)是流過其上的電流有 很大的慣性 換句話說 由于磁通連續(xù)特性 電感上的電流必須是連續(xù)的 否則將會產(chǎn)生很大的電壓尖峰 電感為磁性元件 自然有磁飽和的問題 有的應(yīng)用允許電感飽和 有的應(yīng)用允許電感從一定電流值開始進(jìn)入飽和 也有的應(yīng)用不允許電感出現(xiàn)飽和 這要求在具體線路中進(jìn)行區(qū)分 大多數(shù)情況下 電感工作在 線性區(qū) 此時電感值為一常數(shù) 不隨著端電壓與電流而變化 但是 開關(guān)電源存在一個不可忽視的問題 即電感的繞線將導(dǎo)致兩個分布參數(shù) 或寄生參數(shù) 一個是不可避免的繞線電阻 另一個是與繞制工藝 材料有關(guān)的分布式雜散電容 雜散電容在低頻時影響不大 但隨頻率的提高而漸顯出來 當(dāng)頻率高到某個值以上時 電感也許變成電容特性了 如果將雜散電容 集中 為一個電容 則從電感的等效電路可以看出在某一頻率后所呈現(xiàn)的電容特性 電感在開關(guān)電源中的應(yīng)用 當(dāng)分析電感在線路中的工作狀況或者繪制電壓電流波形圖時 不妨考慮下面幾個特點(diǎn) 1 當(dāng)電感L中有電流I流過時 電感儲存的能量為 E 0 5 L I2 1 2 在一個開關(guān)周期中 電感電流的變化 紋波電流峰峰值 與電感兩端電壓的關(guān)系為 V L di dt 2 由此可看出 紋波電流的大小跟電感值有關(guān) 3 就像電容有充 放電電流一樣 電感器也有充 放電電壓過程 電容上的電壓與電流的積分 安 秒 成正比 電感上的電流與電壓的積分 伏 秒 成正比 只要電感電壓變化 電流變化率di dt也將變化 正向電壓使電流線性上升 反向電壓使電流線性下降 紋波電流的大小同樣會影響電感器和輸出電容的尺寸 紋波電流一般設(shè)定為最大輸出電流的10 30 因此對降壓型電源來說 流過電感的電流峰值比電源輸出電流大5 15 如圖1 開關(guān)電源中的電感電流 計(jì)算出正確的電感值對選用合適的電感和輸出電容以獲得最小的輸出電壓紋波而言非常重要 從圖1可以看出 流過開關(guān)電源電感器的電流由交流和直流兩種分量組成 因?yàn)榻涣鞣至烤哂休^高的頻率 所以它會通過輸出電容流入地 產(chǎn)生相應(yīng)的輸出紋波電壓dv di RESR 這個紋波電壓應(yīng)盡可能低 以免影響電源系統(tǒng)的正常操作 一般要求峰峰值為10mV 500mV 電感的工藝制成 積層貼片式電感器的制作工藝流程介紹 積層芯片電感制程介紹積層芯片電感 磁珠的制程可分為三種 分別是 半濕式 印刷積層法 濕式 干式 生胚積層法 半濕式的生產(chǎn)方式其主要是在生胚薄片 以交叉厚膜網(wǎng)印的方式將內(nèi)導(dǎo)線及材料的油墨印制成內(nèi)部線圈的結(jié)構(gòu) 在經(jīng)積層 壓合 切割 共燒等程序制成電感器 其制程如圖一 此一制程的關(guān)鍵在于低溫?zé)Y(jié)低介電常數(shù)材料的粉體配方 生胚薄片與印刷油墨的制作與兩者的性質(zhì) 網(wǎng)版圖案設(shè)計(jì)與網(wǎng)印條件設(shè)定 組件脫脂與共燒的溫度曲線 端電極與電鍍參數(shù)設(shè)定 組件測試 濕式制程的流程與半濕式相當(dāng)?shù)念愃?兩者唯一的差別在于上下基板的制作方式 濕式法為利用印刷方式制作基板 而半濕式是利用生胚薄片 圖一 芯片電感制程 半干式 干式制程不以交叉網(wǎng)印的方式制作積層芯片電感的內(nèi)部線圈 而先以括刀成形的技術(shù)制作磁芯材質(zhì)的生胚薄帶 然后在生胚薄片上制作穿孔 ViaHole 于孔中填入內(nèi)部電極 并再生胚薄片上做內(nèi)部線圈的厚膜網(wǎng)印 再按序積層壓合 藉穿孔來連接層與層之間的導(dǎo)線 而成一組線圈 此法的關(guān)鍵技術(shù)在于生胚的穩(wěn)定度與積層壓合時的精準(zhǔn)對位 至于后段的切割 共燒等程序與半濕式或濕式相同 詳如下圖所示 干式制程不以交叉網(wǎng)印的方式制作積層芯片電感的內(nèi)部線圈 而先以括刀成形的技術(shù)制作磁芯材質(zhì)的生胚薄帶 然后在生胚薄片上制作穿孔 ViaHole 于孔中填入內(nèi)部電極 并再生胚薄片上做內(nèi)部線圈的厚膜網(wǎng)印 再按序積層壓合 藉穿孔來連接層與層之間的導(dǎo)線 而成一組線圈 此法的關(guān)鍵技術(shù)在于生胚的穩(wěn)定度與積層壓合時的精準(zhǔn)對位 至于后段的切割 共燒等程序與半濕式或濕式相同 詳如下圖 上述三種制程的比較 如表一所示 就設(shè)備投資成本分析 濕式制程于不須購買制作生胚薄片的設(shè)備 括刀成型機(jī) 因此其設(shè)備投資成本最低 干式制程除了需購買括刀成型機(jī)外 尚須購買鉆孔機(jī) 對位機(jī)等對位與穿孔設(shè)備 其設(shè)備的投資最高 由于濕式制程的設(shè)備投資成本最低 因此就相同產(chǎn)品分析 濕式制程的單位生產(chǎn)成本最低 半干式制程次之 干式制程最高 就制程的復(fù)雜度分析 濕式制程由于全部采用網(wǎng)版印刷方式制作電感 因此制程最為簡單 半干式制程除的運(yùn)用網(wǎng)版印刷的技術(shù)外 尚須具備括刀成形的制程技術(shù) 制程的困難度次之 干式制程除了需具有上述兩種制程技術(shù)外 尚須考慮到壓合與對位的問題 制程的困難度最高 就技術(shù)延伸性分析 干式制程除了生產(chǎn)芯片電感等積層組件外 尚可生產(chǎn)積層芯片復(fù)合組件 雖然濕式制程與半干式制程同樣也可用來生產(chǎn)積層芯片復(fù)合組件 但若考慮產(chǎn)品的良率 則以干式制程為最佳的選擇 表一積層芯片電感制程比較 由于上述三種制程各有其優(yōu)缺點(diǎn) 因此分別有國內(nèi)廠商采用 其中以半濕式制程的使用比例最高 包括美磊 臺慶 奇力新 華新科等廠商 均采用此種制程為主 濕式制程由于設(shè)備投資成本低 所以也有部份廠商采用 以鈺鎧為代表 干式制程由于技術(shù)延伸性佳 目前國內(nèi)有許多廠商紛紛投入此類制程技術(shù)的研發(fā) 1 法拉第電磁感應(yīng)定律 5 磁場能量 2 動生電動勢 3 感生電動勢和感生電場 4 自感與互感 電磁感應(yīng) 6 麥克斯韋電磁場理論簡介 11 1電磁感應(yīng)的基本規(guī)律 通過一個閉合回路的磁通量發(fā)生變化時 回路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生 該現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象 產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流 相應(yīng)的電動勢為感應(yīng)電動勢 一 電磁感應(yīng)現(xiàn)象 二 電動勢 1 電源 非靜電電力 如圖 在導(dǎo)體中有穩(wěn)恒電流流動就不能單靠靜電場 必須有非靜電力把正電荷從負(fù)極板搬到正極板才能在導(dǎo)體兩端維持有穩(wěn)恒的電勢差 在導(dǎo)體中有穩(wěn)恒的電場及穩(wěn)恒的電流 提供非靜電力的裝置就是電源 如化學(xué)電池 硅 硒 太陽能電池 發(fā)電機(jī)等 實(shí)際上電源是把能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置 靜電力欲使正電荷從高電位到低電位 非靜電力欲使正電荷從低電位到高電位 2 電動勢 定義描述電源非靜電力作功能力大小的量 就是電源電動勢 電源內(nèi)部電流從負(fù)極板到正極板叫內(nèi)電路 電源外部電流從正極板到負(fù)極板叫外電路 把單位正電荷從負(fù)極板經(jīng)內(nèi)電路搬至正極板 電源非靜電力做的功 為了便于計(jì)算規(guī)定 的方向由負(fù)極板經(jīng)內(nèi)電路指向正極板 即正電荷運(yùn)動的方向 單位 焦耳 庫侖 伏特 越大表示電源將其它形式能量轉(zhuǎn)換為電能的本領(lǐng)越大 其大小與電源結(jié)構(gòu)有關(guān) 與外電路無關(guān) 從場的觀點(diǎn) 非靜電力對應(yīng)非靜電場 三 法拉第電磁感應(yīng)定律 單位 1V 1Wb s 與L反向 與L同向 敘述 導(dǎo)體回路中的感應(yīng)電動勢的大小與穿過導(dǎo)體回路的磁通量的變化率成正比 國際單位制中k 1 負(fù)號表示感應(yīng)電動勢總是反抗磁通的變化 電動勢方向 磁通鏈數(shù) 若有N匝線圈 它們彼此串聯(lián) 總電動勢等于各匝線圈所產(chǎn)生的電動勢之和 令每匝的磁通量為 1 2 3 若每匝磁通量相同 2020 3 13 29 可編輯 N匝相同的線圈組成回路 則感應(yīng)電動勢 全磁通 四 楞次定律 回路中感應(yīng)電流的方向 總是使感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場來阻止或補(bǔ)償引起感應(yīng)電流的磁通量的變化 0 i 0 判斷各圖中感應(yīng)電動勢的方向 將磁鐵插入非金屬環(huán)中 環(huán)內(nèi)有無感生電動勢 有無感應(yīng)電流 環(huán)內(nèi)將發(fā)生何種現(xiàn)象 有感生電動勢存在 有電場存在將引起介質(zhì)極化 而無感生電流 動生電動勢 磁場中的導(dǎo)線運(yùn)動 形狀變化而產(chǎn)生的電動勢 感生電動勢 磁場變化使導(dǎo)線中產(chǎn)生電動勢 磁通量 11 2動生電動勢和感生電動勢 設(shè)右邊的直導(dǎo)線以v的速度X軸滑動 回路磁通量增加 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 感應(yīng)電動勢的大小是多少 一 動生電動勢 怎么解釋動生電動勢呢 動生電動勢的本質(zhì)是洛倫茲力 洛倫茲力可以看作電子受的非靜電力 非靜電場強(qiáng) B F ev B 電動勢的方向是 根據(jù)電動勢的定義 Ek v B 例題長度為L的金屬棒繞一端在垂直于均勻磁場的平面內(nèi)以角速度 旋轉(zhuǎn) 求 棒中的感應(yīng)電動勢 解法1 設(shè)想一個回路 金屬棒的旋轉(zhuǎn)使回路面積變化因而磁通量變化 B d dt o L B 解法2棒上離端點(diǎn)x處v x 的方向 指向端點(diǎn) 例題二 法拉第電機(jī) 設(shè)銅盤的半徑為R 角速度為 求盤上沿半徑方向產(chǎn)生的電動勢 可視為無數(shù)銅棒一端在圓心 另一端在圓周上 即為并聯(lián) 因此其電動勢類似于一根銅棒繞其一端旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電動勢 稱L為自感系數(shù) 簡稱自感或電感 當(dāng)線圈中電流變化時 它所激發(fā)的磁場通過線圈自身的磁通量也在變化 使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 叫自感現(xiàn)象 該電動勢叫自感電動勢 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 單位 亨利H 物理意義 一個線圈中通有單位電流時 通過線圈自身的磁通鏈數(shù) 等于該線圈的自感系數(shù) 全磁通與回路的電流成正比 11 3自感與互感 L 自感系數(shù) 與線圈大小 形狀 周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān) 與線圈是否通電流無關(guān) 單位 HmH I t B t t i LI 一 自感系數(shù)定義 靜態(tài) 1 自感電流反抗線圈中電流變化 2 L越大回路中電流越難改變 LI 自感電動勢 互感電動勢 當(dāng)線圈1中的電流變化時 所激發(fā)的磁場會在它鄰近的另一個線圈2中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 這種現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象 該電動勢叫互感電動勢 線圈1所激發(fā)的磁場通過線圈2的磁通鏈數(shù) 互感電動勢與線圈電流變化快慢有關(guān) 與兩個線圈結(jié)構(gòu)以及它們之間的相對位置和磁介質(zhì)的分布有關(guān) 互感電動勢 二 互感應(yīng) 線圈2所激發(fā)的磁場通過線圈1的磁通鏈數(shù)和互感電動勢為 后面將從能量觀點(diǎn)證明兩個給定的線圈有 就叫做這兩個線圈的互感系數(shù) 簡稱為互感 它的單位 亨利 H M 互感系數(shù) 與兩個回路的大小 形狀 相對位置及周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān) 與回路中是否通有電流無關(guān) 單位 HmH M大 表明兩者聯(lián)系越大 耦