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金籟科技干貨大放送之電感、變壓器知識難點

文章出處:   責任編輯:楊海英   作者:   發布時間:2018-02-03 11:03:02    點擊數:-   【

今天,金籟科技給大家分享一下電感,變壓器的難點所在。

電感的儲能公式W=1/2*L*I^2。

這個公式,本質上講跟電容的儲能公式形式等價:W=1/2*C*U^2。

再自己想想,大家會發現跟高中時期學的力學物體運動的動能公式形式也一樣:E=1/2*M*V^2。

既然有動能,那么就有勢能,彈簧的勢能,E=1/2*K*X^2。

以上四個公式中,前兩者電容電感是電磁能的公式,后兩者是物質機械能的公式。

大家都知道機械能中,動能跟勢能相互轉換就是振動,動能跟勢能同時轉換就是機械波,比如水波、振動波、聲音等等。波是能量傳遞的一種基本方式,可惜的是波的學習在大學物理中,很多二三線高校就沒有深入的開展,所以導致很多人不了解波。

跟物質機械能類似,電能的容器是電容,磁能的容器是電感(準確的名字應該是磁容),電能與磁能的相互轉換是LC振蕩,電能與磁能同時轉換就是電磁波。

此外,大家要注意到,所有這些公式前面都有一個1/2,這個是很有意思的,比如,在恒定電壓下,給電容充電,電容只能獲得1/2供電端的能量,還有一半損失在電阻上了,這個規律在機械上也如此,典型的案例就是汽車起步時很耗油,勻速后油耗最低。起步時汽車速度為0,燃燒的氣體對活塞做功,這些功幾乎都轉化為熱能浪費了。所以要想降低損耗,需要降低檔位,緩慢起步,讓活塞運動速度與汽車速度的落差減少(這個中間有減速器和離合器,起步主要靠離合器實現速度落差阻尼匹配,類似RC充電電路的電阻,阻尼電壓差)。

電容常見的指標有容量、耐壓兩個,其次是損耗,頻率特性,損耗跟頻率特性,跟介質材料有極大關系。

金籟科技一體成型電感

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那么電感同樣也有類似的指標,電感量,耐流,其次是損耗,頻率特性,同理也跟磁性材料有極大關系。

電感,之前講了,應該屬于磁容,容納磁的東西,相比電容容納電場,電感就是容納磁場,根據安培環路定律,電流就是磁,因為有電流就會產生磁場,所以跟電容對應,電感存儲的是磁,也就是電流。

電容的電荷量公式Q=C*U,同理電感的磁通量公式Φ=L*I。(在多匝線圈中,要除以匝數,Φ=L*I/N)

電容的電荷量不能無限制的增加,若太多,電壓升高,會導致介質擊穿E=U/d

電感的磁通量同樣不能無限制的增加,若太多,磁壓升高,會導致磁性材料的磁飽和,這是電感學習的難點,很多電感,都是圍繞著電感量和磁飽和展開的,而電感量和磁飽和,是一對矛盾體,接下來核心講這一對矛盾體。

我們以磁環電感為例來講,

電感量的公式:L=kN^2,k為系數,N為匝數,電感量跟線圈的匝數的平方成正比,注意,是平方成正比。

磁通量的公式:Φ=L*I/N=k*N*I。磁通量為電流與匝數成正比。

電感量跟匝數平方成正比,而磁通量跟匝數成正比,確定形狀后,不同的磁性材料,最大磁通量有一個極限,為了統一到材料上去,不考慮形狀,一般用磁通量密度,也就是磁感應強度表示:B=Φ/S,也就是單位面積的磁通量。所以不同的材料,最大磁感應強度是不同的,比如鐵氧體材料錳鋅、鎳鋅最大磁飽和是0.5T,也就是5000高斯,一般取值小于0.3T,鐵粉芯的磁飽和為1T。

我們自己制作的電感,需要滿足三個條件:1、電感量大小;2、磁感應強度不能達到飽和;3、體積、發熱量。電感所有的問題基于這個展開。

設計電感,我們總是想用最小的磁環、最短的銅線達到目的,并且還沒有發熱量。若想實現這個,那么磁性的材料損耗必須要低,此外銅線短一些,銅的發熱量也少,尤其在高頻下,銅線因為趨膚效應發熱量提高。

基于上述條件,一般采用高磁導率低損耗的錳鋅或者鎳鋅材料,錳鋅常見的是PC40材料,磁導率為2500,鎳鋅適合更高的頻率,但磁導率低一些,往往是800高的磁導率,很容易得到高的電感,所以很適合做高頻變壓器。現在開關電源基本上工作在100KHz上,都是用錳鋅來做變壓器的。

金籟科技高頻變壓器

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然而,在一些場合,比如變壓器整流后輸出,需要電感濾波,這個時候同時存在交流和直流電,很高的磁導率,很容易讓直流導致磁飽和,類似一個喇叭,沒聲音的時候,應該在音圈振動的中心原點,而因為有直流存在,偏離中心點了,這樣交流波動的范圍就大大縮小。所以這個時候需要調整策略,首先要選擇磁飽和大的磁芯,比如上面講到,鐵粉芯磁飽和可以達到1T,高于錳鋅一倍,其次,鐵粉芯磁導率較低,一般為60甚至更低,磁導率低了,繞的圈數就要多一些才能達到想要的電感量,或許大家會問,電感量低了,圈數繞多了,同樣也要導致磁飽和啊,不知道大家注意到上面講的一點沒有,電感量跟圈數的平方成正比,而磁感應強度跟圈數成正比,也就是說,隨著圈數的提高,電感量很快達到我們想要的值,而磁感應強度卻沒有達到飽和。利用電感量跟圈數的平方關系,而磁感應強度與圈數線性關系,實現了很好的平衡電感量與磁飽和,這一點非常關鍵。

像現在的大功率電源前段都有PFC,也就是功率因數校準,都需要升壓用的電感,這個電感流過的電都是交直流復合的,所以一般用鐵粉芯材料,現在比較好的一種鐵粉芯名叫鐵硅鋁,磁導率125附近,發熱量較低。

可以這么講,目前市面上大部分開關電源,變壓器一般用高磁導率的鐵氧體材料錳鋅,而升壓、降壓濾波,帶直流分量的都是用低磁導率的鐵粉芯材料。

本文由好電感 金籟造的金籟科技發表。更多資訊盡在金籟科技官方網站www.seaservice.org。金籟科技20年專注一體成型電感、高頻變壓器生產,如您感興趣,可撥打400-114-9558,或聯系客服QQ2127382916

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