《软磁铁氧体磁心应用与设计四》由会员分享，可在线阅读，更多相关《软磁铁氧体磁心应用与设计四（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1242008.11Technology Lecture技术讲座2 高频电感器磁芯2.1 电感器工作原理、分类和用途2.1.1 工作原理广义电感器是指一切利用电磁感应原理制成的器件，又可称为电感元件。而狭义电感器是指为强化自感制成的器件（元件） ；变压器则是一种强化互感制成的器件。根据法拉弟电磁感应定律，在任一闭合电回路里，当磁感应通量发生变化时，就要产生感生电流，并存在感生电动势。感生电动势在数值上与磁感应通量随时间变化速率成正比，并可表示为：( 2 - 1 )式中，N表示线圈匝数，负号表示感生电动势的方向，把握楞次定律，感生电流方向总是要使它产生的磁场阻碍穿过线圈原来磁通量的变化。当电感线
2、圈中通以交变电流时，由于线圈中电流变化而在线圈本身引起感生电动势的现象，称为自感现象。自感现象中的感生电动势，称为自感电动势。自感电动势大小与线圈中电流的变化率成正比，其方向总是企图阻碍电流的变化，并表示为：( 2 - 2 )式中，L是比例常数，称自感系数，或简称线圈电感。自感系数在数值上等于线圈中电流以每秒变化 1 安培时所产生的自感电动势值，因此线圈的电感大小，实质上反映该线圈产生自感电动势能力的强弱。自感系数与线圈本身的几何尺寸，匝数和铁心磁导率有关。线圈电感的单位用亨利 ( H ) 表示：1 亨利 =1 伏特 秒安培电感的单位也可用毫亨 ( mH ) ，微亨 ( H ) ，纳亨 ( n
3、 H )表示。1 H = 1 0 0 0 m H ，1 m H = 1 0 0 0 H ，1 H = 1 0 0 0 n H 。在式 ( 1 - 4 0 ) 已导出，对于一个由无气隙的环形磁芯，组成的电感线圈磁芯有效长度为 le，有效截面积为 Ae则电感值为( 2 - 1 )式中，为材料磁导率。若为有气隙磁芯，则应用有效磁导率e代替：( 2 - 2 )对于开路磁芯（如棒形绕制的电感线圈，直接计算电感值是困难的，当绕组复盖棒形磁芯整个长度时，并已知表现磁导率a p p时，则可用下式近似计算：( 2 - 3 )软磁铁氧体磁心应用与设计( 四)王耕福( a ) 电流 i 增加时 ( b ) 电流 i
4、 减少时图 2 - 1 自感电动势的方向2.1.2 分类和用途在通信设备，广播电视和其它各种电子设备中，大量1252008.11Technology Lecture技术讲座使用的电感器，种类很多，因此有各种分类方法。若按工作特征分，则有固定电感器和可变电感器。按导磁体或结构分，则有空芯线圈（脱胎线圈或带陶瓷芯线圈） ，带磁芯线圈（有屏蔽或无屏蔽）等。按安装方式分，则有带引线电感器，表面贴装电感器，按作用和用途分，则有振荡回路线圈如振荡线圈、浪波线圈、中周线圈等。高频扼流圈 （功率电感器） 如储能电感， 平滑滤波电感器。电磁波干扰抑制器电源滤波电感器，穿心磁珠等。耦合线圈如无线耦合线圈。特殊用途
5、线圈行线性线圈 （饱和电抗器） 偏转线圈等。2.2 绕组特性2.2.1 绕组形式电感线圈 ( 包含变压器 ) 的绕组形式有多种多样，例如有平绕，间绕，分段绕，脱胎绕，平面线圈和其它绕线形式。( 1 ) 平绕绕组平绕绕法是将导线一匝紧靠着一匝紧密地绕制在线圈骨架的表面，靠导线的绝缘层彼此绝缘。当线圈绕线仅一层时，称之为单层平绕。当线圈绕线为多层时，称之为多层平绕。如图 2 - 2 ( a ) ( b ) 所示。平绕绕组的特点是绕线方便，特别在要求电感量大的场合，需采用多层平绕。但多层平绕由于相邻两层之间电位差较高，使线圈的固有电容和损耗增大。( 2 ) 间绕绕组。此方法适用于电感量要求不大的场合
6、，绕线的线匝之间保持一定的距离，如图 2 - 2 ( c ) 所示。间绕线圈具有较高的品质因数和稳定性，主要用于高频和超高频回路。有时为了绕线方便，增加绕线位置的准确性，采用有槽的骨架。如某些高压线圈采用此绕法。 ( 3 ) 分段绕组，把绕线总匝数分为两段或两段以上，线圈骨架预制成对应段数，中间有隔板分开。分段平绕时，第一段绕好后再绕第二段，依次类推，直到绕线结束。这样可降低相邻两层之间电位差，减小线圈的分布电容，提高线圈的 Q值，如 2 - 2 ( d ) 所示。( 4 ) 平面绕组，对于表面按照的片式电感器，现在常采用丝网印刷方法制成单层平面线圈，也可制成多层平面线圈。一种薄膜电感器是采用
7、金属喷涂或渺射法制成平面线圈，如图 2 - 2 ( f ) 所示。( 5 ) 其它绕组形式。有一种脱胎线圈，是用模具将导线绕成所需形状，然后通电使线圈加热并自粘在一起，取出图2 - 2 绕组形式( a )( b )( c )( d )( e )( f )2.2.2 直流电阻假设组成绕组的导线总长度为 l ，横截面积为 A ，则绕组的直流电阻为( 2 - 4 )式中， 是导线材料的电阻率。对于铜来说，在 2 0 时值为 1 . 6 4 1 0- 8m 。在不同温度时，导线的电阻值会发生变化。我们把温度每升高 1 时电阻的变动数值对将来电阻的比值， 称为电阻温度系数， 用表示， 单位是1。设温度从
8、1增高到2时，导线的温度系数可表示为 ：=(R2- R1) / R1(2- 1)铜导线的温度系数为 3 . 9 3 1 0- 3( 1 / ) 。2.2.3 绕组的交流损耗当实心导体，在磁场中运动，或处于不断变化着的磁场中，导体中将产生感生电流，这种电流称为涡流。涡流是由法国物理学家傅科首先发现的，所以又称为傅科电流。制成各种形状的脱胎线圈，如电视机或显示器中行偏磁线圈。此外还有蜂房式绕组，如图 2 - 2 ( e ) 所示。1262008.11Technology Lecture技术讲座当交变电流通过绕组时，导线本身也将产生涡流。涡流在导线截面上的分布如图 2 - 3 ( a ) 所示，可见
9、涡流使导体中心的磁化电流削弱，而使沿导体表面流通的电流加强，这就使导体横截面上电流呈不均匀分布，横截面中心的电流最小，表面附近电流最大，这种将导体中电流驱赶到表面附近流通的现象，称集肤效应。随着交流电流频率提高，感生电动势增大，电流在导体截面上分布不均匀性加强。集肤效应使导体的交流电阻大于直流电阻，即：Ra= Rd+ Rs= Rd( 1 + F ) ( 2 - 5 )式中，Rs由集肤效应引起的电阻增量。F 集肤效应因子，表示集肤效应的强弱。集肤效应因子 F与导线直径 d 和渗透深度有关，当很小时，即 ( 2 - 6 )将 ( 2 - 4 ) 式代入得：( 2 - 7 )可见导线交流电阻与导线直
10、径及渗透深度成反比。上式与一般电阻公式相比，其分母表示一个周长为d ，厚度为的截面积。随交流频率提高，减小，交流电阻将增大。为了减弱高频时集肤效应影响，可采用多股线。由于各细导体之间互相绝缘，从而削弱了集肤效应的影响。邻近效应是由邻近导体的交变磁场在某一导体引起的涡流效应。如图 2 - 3 ( b ) 所示，当载流导体受到相邻导体的横向磁场作用时，将导致电流密度分布不均匀；即导体的一侧得到加强，另一侧被削弱，其电流密度分布如图2 - 3 ( b ) 下部所示， 当工作频率较高或导线直径较大时， ( d / )值远大于 1 ，导体内部的磁感应强度因涡流作用而大大加强，加剧了电流密度分布的非线性。
11、因此，集肤效应使电流只能在接近导线表面的一个很薄的层内流过，而邻近效应则使电流向导体的某一侧集中。通常绕组是由若干平行排列的导线绕制而成，上述效应可看作整个绕组磁场引起的涡流效应，这样，由涡流引起的损耗与导体本身损耗相迭加，从而使总损耗增加。克服邻近效应的有效措施是选用线径 d 较细的多股线来代替单股线。如果将两根导线缠绕在一起，则它们产生的感应电动势可互相抵消；若多股线相互捻扭的速度足够大，则可以使邻近效应引起的涡流损耗大大减弱。图 2 - 3 园形导体的集肤效应和邻近效应 ( a ) 集肤效应 ( b ) 邻近效应( a )( b ) 2.2.4 固有电容两个导体相并列，中间有绝缘介质隔开
12、，则两个导体之间就有电容存在。从电感线圈结构来看，相邻两个线匝之间，或层与层之间，隔以空气，绝缘层或骨架材料，就有电容存在。如图 2 - 4 所示。因为这许多电容是沿着线圈的导线分布的，因此称为分布电容。所有这些分布电容的总和，可看作为一个与线圈并联的等效电容器，这个并联的电容器称为线圈的固有电容，用 CN表示。计算 CN的方法是使电容中存贮能等于每个分布电容能量总和，即假设线圈两端总电压为 E ，每个小的分布电容为 C1，C2，C3，相应的电位差分别为 V1，V2，V3。则( 2 - 8 )上式可见，线圈的固有电容不但与各个小的分布电容有关， 而且与分布电容两端电位差有关。 在多层平绕线圈中
13、，1272008.11Technology Lecture技术讲座线匝间电位差较小，而层与层之间分布电容与电位差均较大，因此层间电容对线圈的固有电容影响较大。导线直径和匝间距离无关，仅与绕组直径和长度有关。电感器的自谐频率由线圈电感和固有电容决定，对于高频电感器，分布电容应尽可能小，以便提高电感器的自谐频率。2.3 高频电感器2.3.1 结构与特征在各种电子设备中使用的高频电感器种类很多，下面主要叙述目前大量使用的小型固定电感器和可调电感器。随着电子设备的轻、薄小型化要求，适于表面贴装的片式电感器迅速发展起来。( 1 ) 带引线小型固定电感器有卧式和立式电感器两类，如图 2 - 5 ( a )
14、 、( b ) 所示。通常采用园柱形或 I 字形铁氧体磁芯，由引线胶合、绕线、焊接、包封（环氧树脂） ，测量，打印包装等工序制成。小型固定电感器的标称电感值我国标准规定按 E 1 2 系列， 如 1 . 0 、 1 . 2 、 1 . 5 、 1 . 8 （微亨） ，通常在电感器表面各有明显的电感性标志，也有用色环标志，称为色码电感。小型固定电感器除要求规定电感值及其偏差外，还要求品质因数 Q ，直流电阻、自谐频率、额定电流值，以及温度稳定性，可靠性等。( 2 ) 片式固定电感器适于表面按装的片式固定电感器与带引线固定电感器相比，不仅体积尺寸小，更适合高密度组装（目前最小尺寸为 1 . 0 0
15、 . 5 0 . 5 mm ） ，而且无引线焊接不但组装效率高，且减小分布电容，更适合高频作用。这类电感器通常用塑封固化或将铁氧体与导线共烧结制成，抗振强高，可靠性好；采用自动化工艺流程，电感器生产效率高，成本正不断下降。从结构、工艺上分类，目前片式电感器主要有绕线型和叠层型两类。绕线型片式电感器的结构如图 2 - 6 ( b ) ( c ) 所示， 一种是用微小工艺型铁氧体磁芯， 经绕线、 模接、 核压、成型、检测、编带等工序制成。这种片式电感器电性能优良（电感值 L和 Q值均较高） ， 适于大电流通过， 可靠性好，缺点是磁芯物理尺寸和制造工艺限制，进一步微小型化比较困难 （目前最小尺寸为2
16、 5 2 0 型） 。 另一种用陶瓷芯经绕线、焊接、涂复、固化、检测、编带等工序制成。最小尺寸也能做到 1 0 0 5 型（1 . 0 0 . 5 0 . 5 mm ） 。电感值较小，但自谐频率高，更适合高频作用。叠层型电感器不用绕线，是用铁氧体浆料和导电浆料，交替进行多层印刷，然后通过高温焙烧后，形成有闭合磁图 2 - 4 线圈的分布电容理论和实践证明，平板电容器的电容与构成电容器的两个彼此绝缘的金属板的相对面积，两极间距离和极间介质的介电常数均有关，并表示为( 2 - 9 )式中，o= 8 . 8 5 4 1 0- 1 2介质的有效介电常数S 电极表面积 ( m2)d 电极间介质有效厚度 ( m )对简单的多层绕组，假定有很多层，只考虑层间电容，则绕组固有电容( 2 - 1 0 )式中，P 层数b w 绕组宽
