IoT硬件-电感
01
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什么是電感？
電感是導(dǎo)線內(nèi)通過(guò)交流電流時(shí)，在導(dǎo)線的內(nèi)部及其周?chē)a(chǎn)生交變磁通，導(dǎo)線的磁通量與生產(chǎn)此磁通的電流之比。
當(dāng)電感中通過(guò)直流電流時(shí)，其周?chē)怀尸F(xiàn)固定的磁力線，不隨時(shí)間而變化；可是當(dāng)在線圈中通過(guò)交流電流時(shí)，其周?chē)鷮⒊尸F(xiàn)出隨時(shí)間而變化的磁力線。根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律－－磁生電來(lái)分析，變化的磁力線在線圈兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，此感應(yīng)電勢(shì)相當(dāng)于一個(gè)“新電源”。當(dāng)形成閉合回路時(shí)，此感應(yīng)電勢(shì)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流。由楞次定律知道感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁力線總量要力圖阻止原來(lái)磁力線的變化的。由于原來(lái)磁力線變化來(lái)源于外加交變電源的變化，故從客觀效果看，電感線圈有阻止交流電路中電流變化的特性。電感線圈有與力學(xué)中的慣性相類(lèi)似的特性，在電學(xué)上取名為“自感應(yīng)”，通常在拉開(kāi)閘刀開(kāi)關(guān)或接通閘刀開(kāi)關(guān)的瞬間，會(huì)發(fā)生火花，這就是自感現(xiàn)象產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢(shì)所造成的。
總之，當(dāng)電感線圈接到交流電源上時(shí)，線圈內(nèi)部的磁力線將隨電流的交變而時(shí)刻在變化著，致使線圈不斷產(chǎn)生電磁感應(yīng)。這種因線圈本身電流的變化而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì) ，稱(chēng)為“自感電動(dòng)勢(shì)”。
由此可見(jiàn)，電感量只是一個(gè)與線圈的圈數(shù)、大小形狀和介質(zhì)有關(guān)的一個(gè)參量，它是電感線圈慣性的量度而與外加電流無(wú)關(guān)。
電感符號(hào)：L
電感單位：亨 (H)、毫亨(mH)、微亨 (uH)，納亨(nH) 1H=103mH=106uH=109nH。
電感量的標(biāo)稱(chēng)：直標(biāo)式、色環(huán)標(biāo)式、無(wú)標(biāo)式
電感方向性：無(wú)方向
檢查電感好壞方法：用電感測(cè)量?jī)x測(cè)量其電感量；用萬(wàn)用表測(cè)量其通斷，理想的電感電阻很小，近乎為零。
02
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電感的分類(lèi)
電感按照形式、磁體性質(zhì)、工作性質(zhì)、繞線結(jié)構(gòu)、工作頻率、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可進(jìn)行如下分類(lèi)：
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電感的作用
基本作用：濾波、振蕩、延遲、陷波等
形象說(shuō)法：“通直流，阻交流”
細(xì)化解說(shuō)：在電子線路中，電感線圈對(duì)交流有限流作用，它與電阻器或電容器能組成高通或低通濾波器、移相電路及諧振電路等；變壓器可以進(jìn)行交流耦合、變壓、變流和阻抗變等。
由感抗XL=2πfL 知,電感L越大，頻率f越高，感抗就越大。該電感器兩端電壓的大小與電感L成正比，還與電流變化速度△i/△t成正比
電感線圈也是一個(gè)儲(chǔ)能元件，它以磁的形式儲(chǔ)存電能，線圈電感量越大，流過(guò)越大，儲(chǔ)存的電能也就越多。
電感在電路最常見(jiàn)的作用就是與電容一起，組成LC濾波電路。我們已經(jīng)知道，電容具有“阻直流，通交流”的本領(lǐng)，而電感則有“通直流，阻交流”的功能。如果把伴有許多干擾信號(hào)的直流電通過(guò)LC濾波電路（如圖），那么，交流干擾信號(hào)將被電容變成熱能消耗掉；變得比較純凈的直流電流通過(guò)電感時(shí)，其中的交流干擾信號(hào)也被變成磁感和熱能，頻率較高的最容易被電感阻抗，這就可以抑制較高頻率的干擾信號(hào)。
????????????????????????????????????????????????圖1 LC濾波電路
04
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電感的特性參數(shù)
4.1、電感量L
電感量L表示線圈本身固有特性，與電流大小無(wú)關(guān)。除專(zhuān)門(mén)的電感線圈（色碼電感）外，電感量一般不專(zhuān)門(mén)標(biāo)注在線圈上，而以特定的名稱(chēng)標(biāo)注。
4.2、感抗XL
電感線圈對(duì)交流電流阻礙作用的大小稱(chēng)感抗XL，單位是歐姆。它與電感量L和交流電頻率f的關(guān)系為XL=2πfL
4.3、品質(zhì)因素Q
品質(zhì)因素Q是表示線圈質(zhì)量的一個(gè)物理量，Q為感抗XL與其等效的電阻的比值，即：Q=XL/R。線圈的Q值愈高，回路的損耗愈小。線圈的Q值與導(dǎo)線的直流電阻，骨架的介質(zhì)損耗，屏蔽罩或鐵芯引起的損耗，高頻趨膚效應(yīng)的影響等因素有關(guān)。線圈的Q值通常為幾十到幾百。采用磁芯線圈，多股粗線圈均可提高線圈的Q值。
4.4、分布電容
線圈的匝與匝間、線圈與屏蔽罩間、線圈與底版間存在的電容被稱(chēng)為分布電容。分布電容的存在使線圈的Q值減小，穩(wěn)定性變差，因而線圈的分布電容越小越好。采用分段繞法可減少分布電容。
4.5、允許誤差：電感量實(shí)際值與標(biāo)稱(chēng)之差除以標(biāo)稱(chēng)值所得的百分?jǐn)?shù)。
4.7、標(biāo)稱(chēng)電流：指線圈允許通過(guò)的電流大小，通常用字母A、B、C、D、E分別表示，標(biāo)稱(chēng)電流值為50mA 、150mA 、300mA 、700mA 、1600mA 。
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05
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常見(jiàn)電感介紹
5.1 片狀電感
電感量：10NH～1MH
材料：鐵氧體 繞線型 陶瓷疊層
精度： J=±5% K=±10% M=±20%
尺寸： 0402 0603 0805 1008 1206 1210 1812 1008=2.5mm*2.0mm 1210=3.2mm*2.5mm
個(gè)別示意圖：
????????????????貼片繞線電感
????????????????貼片疊層電感
5.2 功率電感
電感量：1NH～20MH
帶屏蔽、不帶屏蔽
尺寸：SMD43、SMD54、SMD73、SMD75、SMD104、SMD105；RH73/RH74/RH104R/RH105R/RH124；CD43/54/73/75/104/105；
個(gè)別示意圖：
????????????????貼片功率電感
????????????????屏蔽式功率電感
5.3 片狀磁珠
種類(lèi)：CBG（普通型） 阻抗：5Ω～3KΩ
CBH（大電流） 阻抗：30Ω～120Ω
CBY（尖峰型） 阻抗：5Ω～2KΩ
個(gè)別示意圖：
????????????????貼片磁珠
規(guī)格：0402/0603/0805/1206/1210/1806（貼片磁珠）
????????????????貼片大電流磁珠
規(guī)格：SMB302520/SMB403025/SMB853025（貼片大電流磁珠）
5.4 插件磁珠
5.5 色環(huán)電感
電感量：0.1uH～22MH
尺寸：0204、0307、0410、0512
豆形電感：0.1uH～22MH
尺寸：0405、0606、0607、0909、0910
精度：J=±5% K=±10% M=±20%
精度：J=±5% K=±10% M=±20%
插件的色環(huán)電感讀法：同色環(huán)電阻的標(biāo)示
5.6 立式電感
電感量：0.1uH～3MH
規(guī)格：PK0455/PK0608/PK0810/PK0912
5.7?軸向?yàn)V波電感
規(guī)格：LGC0410/LGC0513/LGC0616/LGC1019
電感量：0.1uH-10mH。
額定電流：65mA~10A。
Q值高，價(jià)位一般較低，自諧振頻率高。
5.8 磁環(huán)電感
規(guī)格：TC3026/TC3726/TC4426/TC5026
尺寸（單位mm）：3.25~15.88
5.9 空氣芯電感
空氣芯電感為了取得較大的電感值，往往要用較多的漆包線繞成，而為了減少電感本身的線路電阻對(duì)直流電流的影響，要采用線徑較粗的漆包線。但在一些體積較少的產(chǎn)品中，采用很重很大的空氣芯電感不太現(xiàn)實(shí)，不但增加成本，而且限制了產(chǎn)品的體積。為了提高電感值而保持較輕的重量，我們可以在空氣芯電感中插入磁心、鐵心，提高電感的自感能力，借此提高電感值。目前，在計(jì)算機(jī)中，絕大部分是磁心電感。
06
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電感在開(kāi)關(guān)電路中的作用
電感是閉合回路的一種屬性，即當(dāng)通過(guò)閉合回路的電流改變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)來(lái)抵抗電流的改變。電感的"通直阻交"特性，讓其在電路中能夠發(fā)揮巨大的作用。電感多被用在儲(chǔ)能、濾波、延遲和振蕩等幾個(gè)方面，常見(jiàn)的有功率電感、貼片電感等等。
電感是開(kāi)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(chǔ)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(lái)平滑電流。電感也被稱(chēng)為扼流圈，特點(diǎn)是流過(guò)其上的電流有"很大的慣性". 換句話說(shuō)，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(huì)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(wèn)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(kāi)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(shí)電感值為一常數(shù)，不隨著端電壓與電流而變化。但是，開(kāi)關(guān)電源存在一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，即電感的繞線將導(dǎo)致兩個(gè)分布參數(shù)(或寄生參數(shù))，一個(gè)是不可避免的繞線電阻，另一個(gè)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(shí)影響不大，但隨頻率的提高而漸顯出來(lái)，當(dāng)頻率高到某個(gè)值以上時(shí)，電感也許變成電容特性了。如果將雜散電容" 集中" 為一個(gè)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。
6.1、可飽和電感隨電流變化的關(guān)系
因?yàn)?#xff0c;有氣隙和無(wú)氣隙的dB/di磁路的計(jì)算方法不同，所以，分別對(duì)兩種情況進(jìn)行討論。
6.1.1 無(wú)氣隙可飽和電感與電流的關(guān)系
無(wú)氣隙可飽和電感L隨電流變化的關(guān)系可用式（2）表示。
L=（W2S/l）f（WI/l） （2）
式中：W為電感繞組匝數(shù)；
I為激磁電流；
f為電感用磁性材料B～H曲線的對(duì)應(yīng)函數(shù)；
S為磁性材料的截面積；
l磁性材料的為平均長(zhǎng)度。
6.2.2 有氣隙可飽和電感與電流的關(guān)系
任意給定一個(gè)導(dǎo)磁體磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度B1，可由B=f（H）曲線求出導(dǎo)磁體磁路中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1。氣隙中的H0值可用式（3）表示。
H0=B1/μ0==ab/［μ0（a+I0）（b+l0）］B1（3）
式中：B0為空氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；
a和b為磁路矩形截面積邊長(zhǎng)；
l0為氣隙長(zhǎng)度；
μ0為空氣磁導(dǎo)率。
由磁路定律得I=（H1l+H9l0）/W。改變B值并重復(fù)上述步驟，可求出相應(yīng)的I，得到一組B和I的關(guān)系數(shù)據(jù)。設(shè)這個(gè)B與I對(duì)應(yīng)的函數(shù)為B=f1（I）。
在不考慮漏感時(shí)，電感的計(jì)算式可用式（4）表示。
L=（Wdφ）/dI=WS（dβ/dI） （4）
式中：φ為磁路磁通量。
則有氣隙可飽和電感與電流的關(guān)系為
L=WSf1（I） （5）
6.2 飽和電感在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用
6.2.1 尖峰抑制器
開(kāi)關(guān)電源中尖峰干擾主要來(lái)自功率開(kāi)關(guān)管和二次側(cè)整流二極管的開(kāi)通和關(guān)斷瞬間。具有容易飽和，儲(chǔ)能能力弱等特點(diǎn)的飽和電感能有效抑制這種尖峰干擾。將飽和電感與整流二極管串聯(lián)，在電流升高的瞬間，它呈現(xiàn)高阻抗，抑制尖峰電流，而飽和后其飽和電感量很小，損耗小。通常將這種飽和電抗器作為尖峰抑制器。
在圖2所示電路中，當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截至，由于可飽和電感Ls的限流作用，D2中流過(guò)的反向恢復(fù)電流的幅值和變化率都會(huì)顯著減小，從而有效地抑制了高頻導(dǎo)通噪聲的產(chǎn)生。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，D1截至，D2導(dǎo)通，由于Ls存在著導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間Δt，這將影響D2的續(xù)流作用，并會(huì)在D2的負(fù)極產(chǎn)生負(fù)值尖峰電壓。為此，在電路中增加了輔助二極管D3和電阻R1。
????????????????????????????????????????????????????圖2
6.2.2 磁放大器
磁放大器是利用可控飽和電感導(dǎo)通延時(shí)的物理特性，控制開(kāi)關(guān)電源的占空比和輸出功率。該開(kāi)關(guān)特性受輸出電路反饋信號(hào)的控制，即利用磁芯的開(kāi)關(guān)功能，通過(guò)弱信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓脈沖脈寬控制以達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定。在可控飽和電感上加上適當(dāng)?shù)牟蓸雍涂刂破骷?#xff0c;調(diào)節(jié)其導(dǎo)通延時(shí)的時(shí)間，就可以構(gòu)成最常見(jiàn)的磁放大器穩(wěn)壓電路。
磁放大器穩(wěn)壓電路有電壓型控制和電流型控制兩種。圖3所示為電壓型復(fù)位電路，它包括電壓檢測(cè)及誤差放大電路，復(fù)位電路和控制輸出二極管D3，它是單閉環(huán)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
????????????????????????????????????????????????圖3
圖4所示為移相全橋ZVS-PWM開(kāi)關(guān)電源磁放大器穩(wěn)壓器。全橋開(kāi)關(guān)電路變壓器二次雙半波整流各接一個(gè)磁放大器SR，其鐵心繞有工作繞組和控制繞組。在正半周，當(dāng)某輸出整流管正偏（另一輸出整流管反偏），變壓器副邊輸出的方波脈沖加在相應(yīng)的工作繞組上，使SR鐵心正向磁化（增磁）；在負(fù)半周，該輸出整流管反偏，和控制繞組串聯(lián)的二極管D3正偏導(dǎo)通，在直流控制電流Ic的作用下，使該SR的鐵心去磁（復(fù)位）。
???????????圖4 移相全橋ZVS-PWM開(kāi)關(guān)電源磁放大器穩(wěn)壓器
控制電路的工作原理是：開(kāi)關(guān)電源輸出電壓與基準(zhǔn)比較后，經(jīng)誤差放大控制MOS管的柵極，MOS管提供與輸出電壓有關(guān)的磁放大器SR的控制電流Ic。
6.3 逆變電源
逆變電源以其控制性能好，效率高，體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于自動(dòng)控制，電力電子及精密儀器等各個(gè)方面。它的性能與整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)息息相關(guān)，尤其是電源的動(dòng)態(tài)性能。由于逆變電源自身的特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)特性一直不夠理想。
采用PWM和PFM控制的逆變電源，其工作原理決定了要得到平滑的電流電壓波形，必須在其輸出電路上加續(xù)流電感，而該電感正是影響逆變電源動(dòng)態(tài)性能的主要因素。對(duì)于恒壓源，電感電流與負(fù)載完全成反比關(guān)系；對(duì)于可控恒流源，要使電感電流由小變大，必然要以小的負(fù)載值作為前提，盡管不是完全的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但可以說(shuō)電流的變化在某種程度上反映了負(fù)載的變化。
因此，采用隨電流增大而減小的電感作為逆變電源的輸出電感，可有效地改變電源輸出電路的時(shí)間常數(shù)T，使其完全與R成反比（T=L/R），進(jìn)而在負(fù)載變化范圍內(nèi)維持在一個(gè)相對(duì)較小的數(shù)值上，這樣自然會(huì)提高動(dòng)態(tài)性能。
07
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電感和磁珠的區(qū)別
電感跟磁珠應(yīng)當(dāng)說(shuō)是兩兄弟，很多人一直認(rèn)為它們都是“通直阻交”，很容易混在一起。正所謂：一母生九子，九子各不同。其實(shí)電感和磁珠還是有很大區(qū)別的。
電感的單位是享，型號(hào)也是用電感值來(lái)命名的，如：GZ2012-100指2012（0805）封裝10uH的電感；
磁珠的單位是歐，一般磁珠的型號(hào)都是用100MHz時(shí)的電阻值來(lái)命名的，需要注意的是這里是電阻值，而不是等效感抗。比如：JCB201209-301，是指2012（0805）封裝100MHz時(shí)阻值為300歐的磁珠。
磁珠本身理論上是耗能元件，電感理論上是不耗能的。這是兩類(lèi)元件理論上的最大區(qū)別。電感的磁材是不封閉的，典型結(jié)構(gòu)是磁棒，磁力線一部分通過(guò)磁材（磁棒），還有一部分是在空氣中的；而磁珠的磁材是封閉的，典型結(jié)構(gòu)是磁環(huán)，幾乎所有磁力線都在磁環(huán)內(nèi)，不會(huì)散發(fā)到空氣中去。磁環(huán)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷變化，會(huì)在磁材里感應(yīng)出電流，選用高磁滯系數(shù)和低電阻率的磁材就能把這些高頻能量轉(zhuǎn)換成熱能，進(jìn)而消耗掉。而電感則相反，要選低磁滯系數(shù)和高電阻率的磁材，以盡可能的使電感在整個(gè)頻帶內(nèi)呈現(xiàn)一致的電感值。所以，結(jié)構(gòu)和磁材的差異決定了磁珠和電感的本質(zhì)差異。
電感主要應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源以及諧振、阻抗匹配及特殊濾波等場(chǎng)合，而磁珠主要用于防止輻射，對(duì)EMC的改善要遠(yuǎn)優(yōu)于電感。
磁珠把高頻消耗掉了，而且沒(méi)有對(duì)外的“磁泄漏”，而電感則因?yàn)榇挪牟环忾]，會(huì)把大量的高頻信號(hào)傳到外部空間，引起EMI問(wèn)題。
磁珠通常推薦應(yīng)用在電源或信號(hào)線上來(lái)增強(qiáng)去耦效果，但在地之間的使用時(shí)一定要小心，特別是會(huì)有大能量干擾信號(hào)流過(guò)磁珠的應(yīng)用場(chǎng)合。
08
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電感使用注意事項(xiàng)
8.1?電感使用的場(chǎng)合
潮濕與干燥、環(huán)境溫度的高低、高頻或低頻環(huán)境、要讓電感表現(xiàn)的是感性，還是阻抗特性等，都要注意。
8.2?電感的頻率特性
在低頻時(shí)，電感一般呈現(xiàn)電感特性，既只起蓄能，濾高頻的特性。
但在高頻時(shí)，它的阻抗特性表現(xiàn)的很明顯。有耗能發(fā)熱，感性效應(yīng)降低等現(xiàn)象。不同的電感的高頻特性都不一樣。
下面就鐵氧體材料的電感加以解說(shuō)：
鐵氧體材料是鐵鎂合金或鐵鎳合金，這種材料具有很高的導(dǎo)磁率，他可以是電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產(chǎn)生的電容最小。鐵氧體材料通常在高頻情況下應(yīng)用，因?yàn)樵诘皖l時(shí)他們主要程電感特性，使得線上的損耗很小。在高頻情況下，他們主要呈電抗特性比并且隨頻率改變。實(shí)際應(yīng)用中，鐵氧體材料是作為射頻電路的高頻衰減器使用的。實(shí)際上，鐵氧體較好的等效于電阻以及電感的并聯(lián)，低頻下電阻被電感短路，高頻下電感阻抗變得相當(dāng)高，以至于電流全部通過(guò)電阻。鐵氧體是一個(gè)消耗裝置，高頻能量在上面轉(zhuǎn)化為熱能，這是由他的電阻特性決定的。
8.3 電感設(shè)計(jì)要承受的最大電流，及相應(yīng)的發(fā)熱情況。
8.4 使用磁環(huán)時(shí)，對(duì)照上面的磁環(huán)部分，找出對(duì)應(yīng)的L值，對(duì)應(yīng)材料的使用范圍。
8.5?注意導(dǎo)線（漆包線、紗包或裸導(dǎo)線），常用的漆包線。要找出最適合的線經(jīng)。
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聽(tīng)說(shuō)關(guān)注公眾號(hào)的都是大牛
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總結(jié)
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