《电感基本知识》PPT课件.ppt

电感基本知识,电感器在电路中具有感抗特性，感抗如同电阻一样阻碍电流流动，但是感抗与流过电感器的电流频率相关，还与电感器本身的电感量相关。电感对直流呈通路，而对于交流却呈现很大阻碍作用，通常我们称之为感抗，XL=2fL，其中XL为电感的感抗；f为流过电感交流电的频率；L为电感的电感量。在电感量确定的前提下，f越大，感抗越大即阻碍作用就越大。,利用电感对高频干扰成分感抗大的特性，那在220V交流电网窜入的各种有害高频干扰成分就能利用一个电感被有效的滤掉。,电感器俗称线圈，最简单的电感器就是用导线空心的绕几圈，有磁芯的电感器在磁芯上用导线绕几圈。无论哪种电感器，如果结构相同，其基本特性相同，但绕的匝数不同或有无磁芯不同时，电感器的电感量的大小不同。绕线匝数越多，电感量越大，在同样匝数的情况下，线圈增加了磁芯后，电感量会增加。,不同类型的电感器它的具体电路符号也有所不同，电感器电路符号还能形象的表示电感器的结构特点。例如：电感上画条实线，表示有低频铁芯 电感上画条虚线，表示有高频铁芯 电感上画实线断开，表示铁芯有间隙 实线在加箭头，表示电感器可调，是微调电感器,空心线圈没有磁芯，通常线圈绕的匝数越少，电感越小，主要用于高频电路中，例如：短波收音电路中、调频收音电路中等。空心线圈每圈之间的隔隙大小与电感量有关，间隙大电感量小，反之则大。所以在需要微调空心线圈电感量时，可以调整调整线圈之间的间隙大小。为了防止线圈之间间隙变化，使用电路中调试完成后要用石蜡加以封密固定，这样还可以防止线圈受潮。,贴片电感器是一中小型化的电感器，采用贴片元器件的结构形式，具有无脚化的特点。,铁芯与磁芯的区别是工作频率的不同，工作频率低的称谓铁芯，工作频率高的称为磁芯，例如用于50Hz交流市电频率电路中为铁芯，收音电路磁棒线圈中的磁棒为磁芯，其工作频率高达上千Hz。磁芯根据工作频率的高低不同，还有低频磁芯和高频磁芯之分。,因为电感对交流存在阻碍作用，那么从电感输出的交流电压比输入电压幅度要小。,电感滤波电路，那常见的有如下的型LC滤波电路，L1为滤波电感，C1和C2 为滤波电容，因为C1、L1、和C2构成了一个型字样，所以称为型滤波电路。,整流电路,电容C1,电感L1,电容C2,直流输出电压,从整流电路输出的交流和直流混合电流首先经过C1滤波，然后加到L1和C2组成滤波电路中。对于直流电流而言，由于L1的直流电阻很小，所以直流电流流过L1时在L1上产生的直流电压降很小，这样直流电压就能通过L1到达输出端。对于交流电流而言，因为L1存在感抗，而且滤波电路中L1的电感量比较大，所以感抗很大。这一感抗与C2的容抗（滤波电容的容量大，容抗小）构成分压衰减电路，等效电路如下所示：,电感L1,电容C2,输出直流电压,等效电路,（接前所述）这个衰减电路中，对交流电压有很大衰减作用，达到去掉交流电压的目的。,+,在分析电感电路时，如果输入直流电，电感不存在感抗，只有电感器的直流电阻，通常情况下可以忽略不计。对于交流电，要根据交流电的频率分成多种情况进行感抗的等效分析，那电感器L的等效“电阻”，其大小与电感量和频率相关。把一个频率高的电感等效为一个阻值大的电阻等效分析 把一个频率低的电感等效为一个阻值小的电阻等效分析 把一个特定频率的电感等效为一个特定的阻值等效分析,如果要分析电感在直流电路中的工作原理时，电感的直流电阻不能忽略，它在电路中起着一定的作用，是否要考虑电感的直流电阻要视具体电路而定，这是分析电路中的难点。,电感式DCDC变换器工作原理,电感降压式DCDC变换器原理框图,图中，VIN为输入电压，VOUT为输出电压，L为储能电感，VD为续流二极管，C为滤波电容，R1、R2为分压电阻，经分压后产生误差反馈信号FB，用以稳定输出电压和调输出电压的高低。电源开关管V既可采用N沟道绝缘栅场效应管（MOSFET），也可采用P沟道场效应管，当然也可用NPN型晶体管或PNP型晶体管，实际应用中，一般采用P沟道场效应管居多。,+,+,降压式DCDC变换器的基本工作原理是：开关管导通时，FIN电压经开关管S、D极、储能电感L和电容C构成回路，充电电流不但在C两端建立直流电压，而且在储能电感L上产生左正、右负的电动势；开关管截止期间，由于储能电感L中的电流不能突变，所以，L通过自感产生右正、左负的脉冲电压。于是，L右端正的电压滤波电容C一续流二极管VDL左端构成放电回路，放电电流继续在C两端建立直流电压，C两端获得的直流电压为负载供电。因此，降压式DCDC变换器产生的输出电压不但波纹小，而且开关管的反峰电压低。,在大电流的整流滤波电路中常常会用到容量很大的滤波电容，这是因为负载内阻很小，若采用小容量的滤波电容其放电时间极短而起不到滤波的作用。若采用大容量的电容虽然能起到滤波作用，但由于充放电电流极大，同时会对整流二极管产生很大的冲击电流。因此在这种情况下采用电感滤波是很好的办法。由于电感线圈的电感量要足够大，应该采用有铁心的线圈，线径要足够粗以承载大电流。电感滤波电路工作原理 当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。,电感滤波电路,在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RLL时才能获得较好的滤波效果。L愈大，滤波效果愈好。另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。,当忽略L的直流电阻时，RL上的直流电压UL与不加滤波时负载上的电压相同，即UL=0.9U2 与电容滤波相比，电感滤波有以下特点：1电感滤波的外特性和脉动特性好。2电感滤波电路整流二极管的导通角=。3电感滤波输出电压较电容滤波为低。故一般电感滤波适用于输出电压不高，输出电流较大及负载变化较大的场合。,电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，所以理论上损耗为零。电感常为储能元件，也常与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上，用来平滑电流。电感也被称为扼流圈，特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于磁通连续特性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰。,电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题。有的应用允许电感饱和，有的应用允许电感从一定电流值开始进入饱和，也有的应用不允许电感出现饱和，这要求在具体线路中进行区分。大多数情况下，电感工作在“线性区”，此时电感值为一常数，不随着端电压与电流而变化。但是，开关电源存在一个不可忽视的问题，即电感的绕线将导致两个分布参数(或寄生参数)，一个是不可避免的绕线电阻，另一个是与绕制工艺、材料有关的分布式杂散电容。杂散电容在低频时影响不大，但随频率的提高而渐显出来，当频率高到某个值以上时，电感也许变成电容特性了。如果将杂散电容“集中”为一个电容，则从电感的等效电路可以看出在某一频率后所呈现的电容特性。,电感在开关电源中的应用,当分析电感在线路中的工作状况或者绘制电压电流波形图时，不妨考虑下面几个特点：1.当电感L中有电流I流过时，电感储存的能量为：E0.5LI2(1)2.在一个开关周期中，电感电流的变化(纹波电流峰峰值)与电感两端电压的关系为：V(Ldi)/dt(2)，由此可看出，纹波电流的大小跟电感值有关。3.就像电容有充、放电电流一样，电感器也有充、放电电压过程。电容上的电压与电流的积分(安秒)成正比，电感上的电流与电压的积分(伏秒)成正比。只要电感电压变化，电流变化率di/dt也将变化；正向电压使电流线性上升，反向电压使电流线性下降。,纹波电流的大小同样会影响电感器和输出电容的尺寸，纹波电流一般设定为最大输出电流的10%30%，因此对降压型电源来说，流过电感的电流峰值比电源输出电流大5%15%。,如图1：开关电源中的电感电流,计算出正确的电感值对选用合适的电感和输出电容以获得最小的输出电压纹波而言非常重要。从图1可以看出，流过开关电源电感器的电流由交流和直流两种分量组成，因为交流分量具有较高的频率，所以它会通过输出电容流入地，产生相应的输出纹波电压dv=diRESR。这个纹波电压应尽可能低，以免影响电源系统的正常操作，一般要求峰峰值为10mV500mV。,电感的工艺制成,积层贴片式电感器的制作工艺流程介绍,积层芯片电感制程介绍 积层芯片电感/磁珠的制程可分为三种，分别是：半湿式-印刷积层法、湿式、干式-生胚积层法。半湿式的生产方式其主要是在生胚薄片，以交叉厚膜网印的方式将内导线及材料的油墨印制成内部线圈的结构，在经积层、压合、切割、共烧等程序制成电感器，其制程如图一。此一制程的关键在于低温烧结低介电常数材料的粉体配方、生胚薄片与印刷油墨的制作与两者的性质、网版图案设计与网印条件设定、组件脱脂与共烧的温度曲线、端电极与电镀参数设定、组件测试。湿式制程的流程与半湿式相当的类似，两者唯一的差别在于上下基板的制作方式，湿式法为利用印刷方式制作基板，而半湿式是利用生胚薄片。,图一：芯片电感制程-半干式,干式制程不以交叉网印的方式制作积层芯片电感的内部线圈，而先以括刀成形的技术制作磁芯材质的生胚薄带，然后在生胚薄片上制作穿孔(Via Hole)，于孔中填入内部电极，并再生胚薄片上做内部线圈的厚膜网印，再按序积层压合，藉穿孔来连接层与层之间的导线，而成一组线圈。此法的关键技术在于生胚的稳定度与积层压合时的精准对位，至于后段的切割、共烧等程序与半湿式或湿式相同，详如下图所示。,干式制程不以交叉网印的方式制作积层芯片电感的内部线圈，而先以括刀成形的技术制作磁芯材质的生胚薄带，然后在生胚薄片上制作穿孔(Via Hole)，于孔中填入内部电极，并再生胚薄片上做内部线圈的厚膜网印，再按序积层压合，藉穿孔来连接层与层之间的导线，而成一组线圈。此法的关键技术在于生胚的稳定度与积层压合时的精准对位，至于后段的切割、共烧等程序与半湿式或湿式相同，详如下图。,上述三种制程的比较，如表一所示。就设备投资成本分析，湿式制程于不须购买制作生胚薄片的设备-括刀成型机，因此其设备投资成本最低，干式制程除了需购买括刀成型机外，尚须购买钻孔机、对位机等对位与穿孔设备，其设备的投资最高。由于湿式制程的设备投资成本最低，因此就相同产品分析，湿式制程的单位生产成本最低，半干式制程次之，干式制程最高。,就制程的复杂度分析，湿式制程由于全部采用网版印刷方式制作电感，因此制程最为简单，半干式制程除的运用网版印刷的技术外，尚须具备括刀成形的制程技术，制程的困难度次之，干式制程除了需具有上述两种制程技术外，尚须考虑到压合与对位的问题，制程的困难度最高。,就技术延伸性分析，干式制程除了生产芯片电感等积层组件外，尚可生产积层芯片复合组件，虽然湿式制程与半干式制程同样也可用来生产积层芯片复合组件，但若考虑产品的良率，则以干式制程为最佳的选择。,表一 积层芯片电感制程比较,由于上述三种制程各有其优缺点，因此分别有国内厂商采用，其中以半湿式制程的使用比例最高，包括美磊、台庆、奇力新、华新科等厂商，均采用此种制程为主。湿式制程由于设备投资成本低，所以也有部份厂商采用，以钰铠为代表。干式制程由于技术延伸性佳，目前国内有许多厂商纷纷投入此类制程技术的研发。,1、法拉第电磁感应定律,5、磁场能量,2、动生电动势,3、感生电动势和感生电场,4、自感与互感,电磁感应,6.麦克斯韦电磁场理论简介,11.1电磁感应的基本规律,通过一个闭合回路的磁通量发生变化时，回路中就有感应电流产生该现象称为电磁感应现象。产生的电流称为感应电流，相应的电动势为感应电动势。,一、电磁感应现象,二、电动势,1.电源、非静电电力,如图，在导体中有稳恒电流流动就不能单靠静电场，必须有非静电力把正电荷从负极板搬到正极板才能在导体两端维持有稳恒的电势差，,在导体中有稳恒的电场及稳恒的电流。,*提供非静电力的装置就是电源，如化学电池、硅（硒）太阳能电池，发电机等。实际上电源是把能量转换为电能的装置。,静电力欲使正电荷从高电位到低电位。,非静电力欲使正电荷从低电位到高电位。,2.电动势,*定义描述电源非静电力作功能力大小的量，就是电源电动势。,电源内部电流从负极板到正极板叫内电路。,电源外部电流从正极板到负极板叫外电路。,把单位正电荷从负极板经内电路搬至正极板，电源非静电力做的功。,*为了便于计算规定 的方向由负极板经内电路指向正极板，即正电荷运动的方向。,单位：焦耳/库仑=（伏特）,*越大表示电源将其它形式能量转换为电能的本领越大。其大小与电源结构有关，与外电路无关。,从场的观点：,非静电力对应非静电场,三、法拉第电磁感应定律,单位:1V=1Wb/s,与 L 反向,与L 同向,叙述:导体回路中的感应电动势的大小与穿过导体回路的磁通量的变化率成正比.,国际单位制中 k=1,负号表示感应电动势总是反抗磁通的变化,电动势方向:,磁通链数:,若有N匝线圈，它们彼此串联，总电动势等于各匝线圈所产生的电动势之和。令每匝的磁通量为 1、2、3,若每匝磁通量相同,N匝相同的线圈组成回路，则感应电动势,全磁通,四.楞次定律,回路中感应电流的方向，总是使感应电流所激发的磁场来阻止或补偿引起感应电流的磁通量的变化。,0 i0,判断各图中感应电动势的方向,将磁铁插入非金属环中，环内有无感生电动势？有无感应电流？环内将发生何种现象,有感生电动势存在，有电场存在将引起介质极化，而无感生电流。,动生电动势,磁场中的导线运动、形状变化而产生的电动势,感生电动势,磁场变化使导线中产生电动势,磁通量,11.2 动生电动势和感生电动势,设右边的直导线以v的速度X轴滑动，回路磁通量增加，产生感应电动势。,=,感 应 电 动 势 的 大 小 是 多 少？,一、动 生 电 动 势,怎么解释动生电动势呢？,动生电动势的本质是洛伦兹力,洛伦兹力可以看作电子受的非静电力，非静电场强,B,F=-e v B,-,电动势的方向是,根据电动势的定义,Ek=v B,例题 长度为L的金属棒绕一端在垂直于均匀磁场的平面内以角速度旋转。求：棒中的感应电动势,解法1:设想一个回路，金属棒的旋转使回路面积变化因而磁通量变化,B,d=dt,o,L,B,解法 2 棒上离端点x处 v=x，的方向，指向端点,例题二：法拉第电机，设铜盘的半径为 R，角速度为。求盘上沿半径方向产生的电动势。,可视为无数铜棒一端在圆心，另一端在圆周上，即为并联，因此其电动势类似于一根铜棒绕其一端旋转产生的电动势。,称 L为自感系数,简称自感或电感。,当线圈中电流变化时，它所激发的磁场通过线圈自身的磁通量也在变化，使线圈自身产生感应电动势，叫自感现象.该电动势叫自感电动势.,实验现象：,单位：亨利H,物理意义：一个线圈中通有单位电流时，通过线圈自身的磁通链数，等于该线圈的自感系数。,全磁通与回路的电流成正比：,11.3自感与互感,L自感系数。与线圈大小、形状、周围介质的磁导率有关；与线圈是否通电流无关。单位：H mH,I（t)B(t)(t)i,=LI,一、自感系数 定义：静态,1、自感电流反抗线圈中电流变化,2、L越大回路中电流越难改变,=LI,自感电动势,互感电动势:,当线圈 1中的电流变化时,所激发的磁场会在它邻近的另一个线圈 2 中产生感应电动势;这种现象称为互感现象。该电动势叫互感电动势。,线圈 1所激发的磁场通过线圈 2的磁通链数,互感电动势与线圈电流变化快慢有关；与两个线圈结构以及它们之间的相对位置和磁介质的分布有关。,互感电动势,二、互感应,线圈2所激发的磁场通过线圈1的磁通链数和互感电动势为,后面将从能量观点证明两个给定的线圈有：,就叫做这两个线圈的互感系数，简称为互感。,它的单位：亨利（H）,M互感系数。与两个回路的大小、形状、相对位置及周围介质的磁导率有关，与回路中是否通有电流无关。单位：H mH,M 大，表明两者联系越大，耦合程度越大,互感有利也有害,由21 电路接通,电流建立过程 磁场储存能量,稳态时：电源作功=焦耳热,I 增加：电源作功=反抗L作功+焦耳热,由12 电路断开,I 减小：电源作功+L作功=焦耳热,有能量储存,有能量放出,电源作功 焦耳热,电源作功 焦耳热,结论：电源提供的一部分能量储存在线圈的磁场内,11.4 磁能,K接通时，讨论 t-t+dt 时间,乘Idt,电源作功,焦耳热,磁能,Wm,t t+dt,Wm B、H 的关系？,磁场的能量密度,均匀磁场,以长直螺线管为例,S1,对稳恒磁场,非稳恒时,?,0 S1,I S2,任意时刻空间每一点的磁场都是确定的，对于确定的回路积分只有唯一确定的值。,11.5 麦克斯韦电磁场理论简介,一、安培环路定理失效,二、位移电流、全电流定律,Maxwell 理论肯定了这一点！,S1,二、位移电流、全电流定律,1、大小与电位移对时间的 变化率 相关。,2、在产生磁场的作用方面 与传导电流等价。,二、位移电流、全电流定律,I,I,D=D=DS=S,I,J,以平行板电容器为例,位移电流的特点,1、只要电场随时间变化，就有相应的位移电流 位移电流的本质是变化的电场,2、位移电流与传导电流是完全不同的概念，仅在产生磁场方面二者等价,I 有电荷流动，通过导体会产生焦耳热,Id无电荷流动。高频时介质也发热，那是分子反复极化造成,安培定理修正,I全,Maxwell 方程之一,三、Maxwell方程组,Maxwell 的新思想：,1、涡旋电场 变化的磁场产生电场,2、位移电流 变化的电场产生磁场,前人的经验：,静电场,稳恒磁场,三、Maxwell方程组,静电场,涡旋电场,稳恒磁场,涡旋磁场,三、Maxwell方程组,各向同性、静止的介质中物态方程,