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【天富登陆】电感器如何连接到电路板上?电感器和电容器之间有什么区别?

一个电感器,也被称为线圈,扼流圈或电抗器,是无源二端电组件在磁场中存储能量时电流流过它。电感器通常由缠绕在铁心周围的线圈中的绝缘线组成。当流经电感器的电流发生变化时,随时间变化的磁场会在导体中感应出电动势(emf)(电压),如法拉第感应定律所述。根据伦茨定律,感应电压的极性(方向)与产生它的电流变化相反。结果,电感器抵抗通过它们的电流的任何变化。

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电感器的特征在于电感,即电压与电流变化率之比。在国际单位制(SI)中,电感的单位是亨利(H),以19世纪美国科学家约瑟夫·亨利(Joseph Henry)命名。在磁路的测量中,它等于韦伯/安培。电感器的值通常在1 µH(10-6 H)至20 H的范围内。许多电感器的线圈内部都有铁或铁氧体制成的磁芯,可用来增加磁场,从而增加电感。与电容器和电阻器一起,电感器是构成电子电路的三个无源线性电路元件之一。电感器广泛用于交流(AC)电子设备中,尤其是在无线电设备中。它们用于阻止交流电,同时允许直流电通过。为此目的设计的电感器称为扼流圈。它们还用于电子滤波器中以分离不同频率的信号,并与电容器结合使用以构成调谐电路,用于调谐广播和电视接收机。

电感器广泛用于模拟电路和信号处理。应用范围包括在电源中使用大型电感器,该电感器与滤波电容器一起可消除纹波,该纹波是直流输出中电源频率(或开关式电源的开关频率)的倍数,而纹波较小。围绕电缆安装的铁氧体磁珠或环形铁芯,以防止射频干扰沿导线传输。在许多开关电源中,电感器用作能量存储设备以产生直流电流。电感器为电路提供能量,以使电流在“关断”切换期间保持流动,并使输出电压高于输入电压的拓扑成为可能。

以工作。许多人不了解电感器的原因是,它们不仅会改变电场,还会改变周围的磁场。在本教程中,我们将了解电感器的基础知识并使其神秘化,以便我们知道如何以及何时在应用程序中使用电感器。

什么是电感器?

的电感器可能是最简单的所有的电子元件,构造很像一个电阻-被盘绕起来线的简单长度。但是,这里的抵抗力并不是我们要寻找的特性。发生这种情况的原因是导线(线圈)的形状会在电流通过时产生磁场。感应磁场使这部分导线具有一些有趣的电气特性,尤其是电感,从而使这些零件取了名字。

电感与电容的区别

在上一篇文章中,我们已经了解了电容器。现在,您已经了解了电感器的基础知识,您可能会遇到一个问题:“ 电感器和电容器之间有什么区别?”

首先,当在其上施加电压电位时,两者都首先存储能量,但是电容器以电场形式存储能量,而电感器以电磁猫科动物的形式存储能量。好的,但是它如何影响其性能。

我们需要深入研究才能理解这一点,但是现在您只需要记住,电容器就试图使电路中的电压趋于平衡,也就是说,它不喜欢每个组件上的电势变化,因此会充电或放电以升高电压。另一方面,电感器不喜欢电路中电流的变化,因此电流变化时,它将充电或放电以使通过电路的电流相等。

还要记住,电感在放电时会改变其极性,因此充电期间的电势将与放电期间的电势相反。

电感器符号

像许多其他电子组件一样,电感器的符号是其实际外观的简化象形图:

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符号附近的线代表核心材料-我们将在后面讨论。

电感的工作

如前所述,电感器只是一个线圈。在进行其他任何事情之前,我们先问一个问题,为什么要绕圈?众所周知,任何载流导体都会以以下方式产生磁场:

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但是,如果将电流值插入公式中,那么您将意识到所产生的磁场很小-几乎可以忽略不计,除非电流过高(兆安级)。因此,为了增加特定长度的导线产生的磁场,我们将其包裹成线圈的形式。这样会增加磁场,如下所示:

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这种形状也称为螺线管。

当在电感器的端子之间施加电压时,流过的电流会产生磁场。根据伦茨定律,该磁场再次在相反极性的电感器中产生感应电流。电流不会互相抵消,而是由于电感两端的电压,感应电流会主动尝试与输入电流相反。这场战斗的总体结果是,流经电感器的电流无法快速改变-它始终是线性斜率。

测量电感

电感器的工作行为提出了一个有趣的问题–我们如何以易于测量的方式定量测量电感器的行为?

我们可以尝试通过电感产生的磁场来对其进行测量。一旦这样做,就会遇到问题。电感器产生的磁场取决于流过它的电流,因此,即使是较小的电感器也会产生较大的磁场。

相反,我们可以使用与电容器相同的方法,并且可以将电路的电感定义为电流以一定速率变化时感应的电压变化。

数学上

V = L(dI / dt)

其中V是电压,L是电感,I是电流,t是时间段。

电感“ L”以亨利测量,以发现电磁感应的美国科学家约瑟夫·亨利命名。

此公式给出了计算线圈电感的公式:

L =(µn2a)/ l

其中L是以亨利为单位的电感,μ是磁导率常数,即在给定介质中磁场产生的难易程度的系数,n是匝数,a是线圈的面积,l是长度的线圈。

同样,亨利(Henry)是一个非常大的单位,因此,电感的测量单位是微亨利(uH),它是亨利的百万分之一;或者毫亨利(mH),它是亨利的千分之一。有时,您甚至可能会发现以nanoHenrys为单位的很小的电感,仅为一uH的千分之一。

不同类型的电感器

现在,上式中的µ具有一些有趣的含义。这表明可以控制电感器内部的磁场。如上所述,有时甚至由螺线管产生的磁场有时达不到要求。这就是为什么在几乎所有情况下都会在芯材周围形成电感的原因。

磁芯是支持磁场产生的材料。它们通常由铁及其化合物(例如铁氧体(铁的氧化物)制成)制成。使用磁芯会比没有磁芯得到更大的磁场。

1.空芯感应器:

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顾名思义,这种电感器没有铁心-铁心材料是空气!由于空气的渗透率较低,因此空心电感的电感非常低-很少高于5uH。由于它们的电感较低,因此在施加电压时电流的上升速度非常快,这使其能够处理高频信号。它们主要用于射频电路。

2.铁芯电感器

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铁可能是最易识别的磁性材料,这使其成为电感器的理想选择。这些采取铁芯电感器的形式。它们通常用于低频线路滤波,因为它们可能非常强劲并且具有较大的电感。它们还用于音频设备。

3.铁素体电感

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铁氧体只是铁氧化物的粉末。将该粉末与环氧树脂混合并模制成可缠绕导线的芯。铁氧体磁芯电感器由于其暗淡的灰黑色而容易识别。它们也很脆并且容易断裂。它们是使用最广泛的电感器,因为可以通过控制混合物中铁氧体与环氧树脂的比例来精确控制磁导率。

串联和并联电感

串联和并联连接的电感器的行为与电容器完全相反。

例如,要计算一组串联的电感的电感,您可以简单地将各个电感的值相加。

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L = L1 + L2 +…+ Ln

其中L是总电感,L1,L2…Ln是各个电感。

假设您有两个电感,一个电感为10uH,另一个电感为15uH,然后将它们串联,可获得的总电感为25uH。

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并联电感与并联电阻的行为相同,电感由下式给出:

1 / L = 1 / L1 + 1 / L2 +…+ 1 / Ln

其中L是总电感,L1,L2…Ln是各个电感。

这样,如果您并联连接两个10uH电感器,最终将得到5uH的电感。

有用的电感器公式

1.感应器存储的能量:

电感器可以像电容器一样存储能量,但是当您断开电源并且磁场崩溃时,能量就消失了。换句话说,未通电的电感器无法维持其磁场。

E =½*长* I2

其中E是以焦耳为单位的能量,L是以亨利为单位的电感,I是以安培为单位的电流。

如果您有一个20uH的电感器,并且有5A电流流过,那么存储的能量将为0.00025J。在这方面,电感器也像电容器一样,几乎没有能量。

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2.当前上升率

该公式已经讨论过,但是值得仔细研究。

V / L = dI / dt

其中V是施加在电感上的电压,L是电感,I是电流,t是时间。

这说明当在电感器两端施加恒定电压时,电流以线性斜率上升。这对于创建电流斜坡非常有用,就像电容器在恒定电流下创建电压斜坡一样。

3.阻抗

电感器的阻抗与频率的关系式如下:

XL =2π* f *长

其中,XL是电感性阻抗,f是赫兹的频率,L是亨利斯的电感。

电路中的电感行为

令人惊讶的是,电感器在直流电路中几乎没有用,因为存在恒定的电流流动,并且电感器的作用就像导线一样。

他们发现它们大部分用于交流电路。如上所述,它们具有阻抗,这使得它们可用于限制交流电路(例如荧光灯镇流器)中的电流。

它们也可以用于过滤信号。

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在第一种情况下,电感器允许所有DC电流流经它到地,从而防止所有低频到达输出。在较高的频率下,电感器的阻抗稳定增加,因此信号可以传递到输出,因此被称为高通滤波器。

在第二种情况下,电感器允许直流和低频通过,但阻止输出中的所有高频,因此它被称为低通滤波器。

现实生活中的电感器

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由于电感器是由铜线和铁氧体制成的,因此往往很昂贵,并且在无线电,电源和电信设备中找到了大部分用途。

在电源中,使用了防止电流突然变化的电感器特性。它与电容器一起起到防止电源输出电压和电流突然变化的作用。

RF电路利用了一种有趣的LC电路,称为储罐。电容器被充电并放电到电感器中,从而建立其磁场。当磁场崩溃时,会产生电压并对电容器充电。这产生了可用于产生高频的周期性振荡。

频率可以通过以下公式计算:

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其中f是以赫兹为单位的频率,L是以亨利为单位的电感,C是以法拉为单位的电容。

电感器有什么作用?

电感器通过将能量临时存储在电磁场中,然后将其释放回电路来减缓电流浪涌或尖峰。

空芯或陶瓷芯电感

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铁氧体或铁芯电感

电感器如何连接到电路板上?

使用焊膏将表面贴装(SM)电感器放在焊盘上的印刷电路板(PCB)的顶部,然后进行回流焊接。通孔(TH)电感器安装在PCB的顶部,引线穿过电路板上的通孔,然后在背面进行波峰焊接。

在哪些应用中使用电感器?

电感器主要用于电力和电子设备中,主要用于以下目的:

扼制,阻塞,衰减或滤波/平滑电路中的高频噪声

在电源转换器(直流-直流或交流-直流)中存储和传输能量

创建调谐振荡器或LC(电感器/电容器)“容器”电路

阻抗匹配

什么是扼流圈?

与导体(例如电线或电路板走线)串联(串联)放置的电感器会阻止或阻止电流变化,并充当低通滤波器。由于电感器会限制或扼流电流的变化,因此它们也称为“扼流圈”。例如,与放大器的直流偏置一致的宽带(扼流圈)偏置扼流圈可阻挡宽范围的高频,同时允许直流电流通过。这样,偏置扼流圈可将DC偏置与RF信号隔离到放大器。

联邦通信委员会(FCC)已制定标准并认证了在美国销售或制造的满足电磁干扰(EMI)要求的电子设备。全球电磁兼容性(EMC)标准组织包括CISPR,IEC,ISO和EN。FCC法规是强制性的,适用于发出射频辐射的设备,例如计算机,开关电源,电视接收器,发射器以及工业,科学和医疗(ISM)设备。电感器被用于电路中,通过衰减高频噪声来降低EMI,以满足EMC辐射和抗扰性要求。

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图1

如何提高电路的滤波性能?

通常,需要高电感值来滤除低频噪声,反之亦然:使用较低电感值可以滤除高频噪声。高电感值可有效减慢瞬态事件(例如,闭合开关)的电流上升时间。图1中的曲线图显示了10 µH电感器如何比1 µH电感器更“平滑”上升时间。

电感器也可以与电容器结合使用,以创建更有效的LC滤波器。存在几种可能的LC滤波器对准,每种对准都涉及衰减平坦度与频率特性的折衷以及滤波器滚降的清晰度。

此Coilcraft参考设计文档提供了三阶Butterworth和7阶椭圆LC滤波器参考设计,这些参考设计使用现成的电感器来实现0.3 MHz至3000 MHz范围内的截止频率。

尽管使用高电感值或创建LC滤波器可以改善滤波效果,但这样做需要更多的电路板空间。由于较低的电感值可用于过滤较高的频率,因此切换到较高频率的操作可能会允许使用较小的电感器。

功率转换器中如何使用电感器?

在开关模式电源中,电感器用于存储能量并将能量传输到输出负载或电容器。功率转换器中的电感用于过滤输出端的“纹波”电流。高电感值导致较低的纹波电流,从而提高了效率并降低了EMI。参见图2。

调谐电路中如何使用电感器?

调谐电路用于发射或接收无线电或微波频率信号。电感器可以与电容器组合以创建调谐的LC电路,例如振荡器。

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图2

Q因子如何影响LC电路的带宽?

Q因子(Q)是电感器耗散特性的量度。高Q电感具有低损耗,可用于制作微调的窄带电路。低Q电感具有较高的功耗,从而导致宽带性能。

电感器的自谐振频率是多少?

实际的电感器具有匝间绕组电容,其作用就像是并联电路元件一样。电感器的自谐振频率(SRF)是电感电抗的大小等于绕组的电容电抗的频率。在SRF处,电感性和电容性相角会抵消,并且阻抗实际上是纯电阻性的。阻抗幅度随频率增加,直至自谐振频率(SRF),此时电感的阻抗处于最大值。在高于SRF的频率处,阻抗会随着频率的增加而减小。

阻抗(Z)是电子元件的特性,涉及电阻和相位的矢量组合。电阻具有耗散性:使用能量而不是回收能量。相位是跨组件施加的电压与流经组件的电流之间的延迟,通常以度数(°)或弧度表示。交流电阻和电感器的相位都随频率变化。

电感器如何用于阻抗匹配?

阻抗匹配通常涉及将电源的阻抗与电负载的阻抗进行匹配。当负载的阻抗与电源的阻抗匹配时,最大功率会从电源转移到负载,从而提高了电路效率。如果负载与电源相比是电容性的,则可以使用电感器来抵消负载的电容,从而匹配阻抗。

对于给定的线圈半径和匝数,空心导致的电感最小。就电感器绕组而言,诸如木材,玻璃和塑料之类的材料(称为电介质材料)与空气基本相同。铁,层压铁和铁粉等铁磁性物质会增加具有给定匝数的线圈可获得的电感。在某些情况下,这种增加约为数千倍。芯的形状也很重要。对于给定的芯材料和匝数,环形(圆环形)芯比螺线形(棒形)芯提供更大的电感。

电感的标准单位为亨利,缩写为H。这是一个很大的单元。更常见的单位是微亨(缩写为µH(1 µH = 10 -6 H))和毫亨(缩写为mH(1 mH = 10 -3 H))。有时会使用毫微亨利(nH)(1 nH = 10 -9 H)。

很难将电感器制造到集成电路(IC)芯片上。幸运的是,在大多数微电路应用中,电阻器 s可以代替电感器。在某些情况下,可以使用制造在ICchip上的晶体管,电阻器和电容器通过简单的电子电路来模拟电感。

在各种无线通信应用中,电感器与电容器一起使用。与电容器串联或并联的电感器可以区分不需要的信号。大型电感器用于各种类型的电子设备的电源,包括计算机及其外围设备。在这些系统中,电感器有助于平滑整流后的市电AC,从而提供纯净的电池状DC。

这就是使用电感器所需的全部实用知识。它们本质上是简单的设备,虽然不如它们的电容器和电阻器亲戚普遍,但仍然非常有用。

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