电感器

概述

电感器(Inductor)是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感器的结构类似于变压器,但只有一个绕组。电感器具有一定的电感,它只阻碍电流的变化。如果电感器在没有电流通过的状态下,电路接通时它将试图阻碍电流流过它;如果电感器在有电流通过的状态下,电路断开时它将试图维持电流不变。电感器又称扼流器、电抗器、动态电抗器。

工作原理

电感是导线内通过交流电流时,在导线的内部及其周围产生交变磁通,导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。当电感中通过直流电流时,其周围只呈现固定的磁力线,不随时间而变化;可是当在线圈中通过交流电流时,其周围将呈现出随时间而变化的磁力线。根据法拉弟电磁感应定律---磁生电来分析,变化的磁力线在线圈两端会产生感应电势,此感应电势相当于一个"新电源"。当形成闭合回路时,此感应电势就要产生感应电流。由楞次定律知道感应电流所产生的磁力线总量要力图阻止原来磁力线的变化的。由于原来磁力线变化来源于外加交变电源的变化,

故从客观效果看,电感线圈有阻止交流电路中电流变化的特性。电感线圈有与力学中的惯性相类似的特性,在电学上取名为"自感应",通常在拉开闸刀开关或接通闸刀开关的瞬间,会发生火花,这就是自感现象产生很高的感应电势所造成的。

总之,当电感线圈接到交流电源上时,线圈内部的磁力线将随电流的交变而时刻在变化着,致使线圈不断产生电磁感应。这种因线圈本身电流的变化而产生的电动势 ,称为"自感电动势"。由此可见,电感量只是一个与线圈的圈数、大小形状和介质有关的一个参量,它是电感线圈惯性的量度而与外加电流无关。

1.1电感的等效电路

1.2电感中电流不能突变

在电容整理中说到电容器两端的电压不能突变,对电感而言则是电感中的电流不能突变。



电感器一般由骨架、绕组、屏蔽罩、封装材料、磁心或铁心等组成。

1、骨架骨架泛指绕制线圈的支架。一些体积较大的固定式电感器或可调式电感器(如振荡线圈、阻流圈等),大多数是将漆包线(或纱包线)环绕在骨架上,再将磁心或铜心、铁心等装入骨架的内腔,以提高其电感量。骨架通常是采用塑料、胶木、陶瓷制成,根据实际需要可以制成不同的形状。小型电感器(例如色码电感器)一般不使用骨架,而是直接将漆包线绕在磁心上。空心电感器(也称脱胎线圈或空心线圈,多用于高频电路中)不用磁心、骨架和屏蔽罩等,而是先在模具上绕好后再脱去模具,并将线圈各圈之间拉开一定距离。

2、绕组绕组是指具有规定功能的一组线圈,它是电感器的基本组成部分。绕组有单层和多层之分。单层绕组又有密绕(绕制时导线一圈挨一圈)和间绕(绕制时每圈导线之间均隔一定的距离)两种形式;多层绕组有分层平绕、乱绕、蜂房式绕法等多种。

3、磁心与磁棒磁心与磁棒一般采用镍锌铁氧体(NX系列)或锰锌铁氧体(MX系列)等材料,它有“工”字形、柱形、帽形、“E”形、罐形等多种形状。

4、铁心铁心材料主要有硅钢片、坡莫合金等,其外形多为“E”型。

5、屏蔽罩为避免有些电感器在工作时产生的磁场影响其它电路及元器件正常工作,就为其增加了金属屏幕罩(例如半导体收音机的振荡线圈等)。采用屏蔽罩的电感器,会增加线圈的损耗,使Q值降低。

6、封装材料有些电感器(如色码电感器、色环电感器等)绕制好后,用封装材料将线圈和磁心等密封起来。封装材料采用塑料或环氧树脂等。


应用

电感器在电路中主要起到滤波、振荡、延迟、陷波等作用,还有筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等作用。电感在电路最常见的作用就是与电容一起,组成LC滤波电路。电容具有“阻直流,通交流”的特性,而电感则有“通直流,阻交流”的功能。如果把伴有许多干扰信号的直流电通过LC滤波电路,那么,交流干扰信号将被电感变成热能消耗掉;变得比较纯净的直流电流通过电感时,其中的交流干扰信号也被变成磁感和热能,频率较高的最容易被电感阻抗,这就可以抑制较高频率的干扰信号。

电感器具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性,频率越高,线圈阻抗越大。因此,电感器的主要功能是对交流信号进行隔离、滤波或与电容器、电阻器等组成谐振电路。

分类

按电感形式分类:固定电感、可变电感。

按导磁体性质分类:空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈。

按工作性质分类:天线线圈、振荡线圈、扼流线圈、陷波线圈、偏转线圈。

按绕线结构分类:单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈。

按工作频率分类:高频线圈、低频线圈。

按结构特点分类:磁芯线圈、可变电感线圈、色码电感线圈、无磁芯线圈等。

按贴装方法分:有贴片式电感器,插件式电感器。

常用电感器类型有:

1.小型固定电感器

小型固定电感器通常是用漆包线在磁芯上直接绕制而成,主要用在滤波、振荡、陷波、延迟等电路中,它有密封式和非密封式两种封装形式,两种形式又都有立式和卧式两种外形结构。

①立式密封固定电感器:立式密封固定电感器采用同向型引脚,国产电感量范围为0.1~2200μH(直标在外壳上),额定工作电流为0.05~1.6A,误差范围为±5%~±10%,进口的电感量,电流量范围更大,误差则更小。进口有TDK系列色码电感器,其电感量用色点标在电感器表面。

②卧式密封固定电感器:卧式密封固定电感器采用轴向型引脚,国产有LG1.LGA、LGX等系列。

LG1系列电感器的电感量范围为0.1~22000μH(直标在外壳上)

LGA系列电感器采用超小型结构,外形与1/2W色环电阻器相似,其电感量范围为0.22~100μH(用色环标在外壳上),额定电流为0.09~0.4A。

LGX系列色码电感器也为小型封装结构,其电感量范围为0.1~10000μH,额定电流分为50mA、150mA、300mA和1.6A四种规格。

2.可调电感器

常用的可调电感器有半导体收音机用振荡线圈、电视机用行振荡线圈、行线性线圈、中频陷波线圈、音响用频率补偿线圈、阻波线圈等。

①半导体收音机用振荡线圈:此振荡线圈在半导体收音机中与可变电容器等组成本机振荡电路,用来产生一个输入调谐电路接收的电台信号高出465kHz的本振信号。其外部为金属屏蔽罩,内部由尼龙衬架、工字形磁心、磁帽及引脚座等构成,在工字磁心上有用高强度漆包线绕制的绕组。磁帽装在屏蔽罩内的尼龙架上,可以上下旋转动,通过改变它与线圈的距离来改变线圈的电感量。电视机中频陷波线圈的内部结构与振荡线圈相似,只是磁帽可调磁心。

②电视机用行振荡线圈:行振荡线圈用在早期的黑白电视机中,它与外围的阻容元件及行振荡晶体管等组成自激振荡电路(三点式振荡器或间歇振荡器、多谐振荡器),用来产生频率为15625HZ的的矩形脉冲电压信号。

该线圈的磁心中心有方孔,行同步调节旋钮直接插入方孔内,旋动行同步调节旋钮,即可改变磁心与线圈之间的相对距离,从而改变线圈的电感量,使行振荡频率保持为15625HZ,与自动频率控制电路(AFC)送入的行同步脉冲产生同步振荡。

③行线性线圈:行线性线圈是一种非线性磁饱和电感线圈(其电感量随着电流的增大而减小),它一般串联在行偏转线圈回路中,利用其磁饱和特性来补偿图像的线性畸变。

行线性线圈是用漆包线在"工"字型铁氧体高频磁心或铁氧体磁棒上绕制而成,线圈的旁边装有可调节的永久磁铁。通过改变永久磁铁与线圈的相对位置来改变线圈电感量的大小,从而达到线性补偿的目的。

3.阻流电感器

阻流电感器是指在电路中用以阻塞交流电流通路的电感线圈,它分为高频阻流线圈和低频阻流线圈。

①高频阻流线圈:高频阻流线圈也称高频扼流线圈,它用来阻止高频交流电流通过。高频阻流线圈工作在高频电路中,多用采空心或铁氧体高频磁心,骨架用陶瓷材料或塑料制成,线圈采用蜂房式分段绕制或多层平绕分段绕制。

②低频阻流线圈:低频阻流线圈也称低频扼流圈,它应用于电流电路、音频电路或场输出等电路,其作用是阻止低频交流电流通过。

通常,将用在音频电路中的低频阻流线圈称为音频阻流圈,将用在场输出电路中的低频阻流线圈称为场阻流圈,将用在电流滤波电路中的低频阻流线圈称为滤波阻流圈。

低频阻流圈一般采用“E”形硅钢片铁心(俗称矽钢片铁心)、坡莫合金铁心或铁淦氧磁心。为防止通过较大直流电流引起磁饱和,安装时在铁心中要留有适当空隙

4.片式电感器

片式电感器亦称表面贴装电感器、贴片电感,它与其它片式元器件(SMC及SMD)一样,是适用于表面贴装技术(SMT)的新一代无引线或短引线微型电子元件,其引出端的焊接面在同一平面上。作为SMC主流产品的片式多层瓷介电容器(MLCC),源于有引线多层瓷介电容器的芯片直接用于混合集成电路(HIC)的贴装。

从制造工艺来分,片式电感器主要有4种类型,即绕线型、叠层型、编织型和薄膜片式电感器。常用的是绕线式和叠层式两种类型。前者是传统绕线电感器小型化的产物;后者则采用多层印刷技术和叠层生产工艺制作,体积比绕线型片式电感器还要小,是电感元件领域重点开发的产品。片式电感器现状与发展趋势由于微型电感器要达到足够的电感量和品质因数(Q)比较困难,同时由于磁性元件中电路与磁路交织在一起,制作工艺比较复杂,故作为三大基础无源元件之一的电感器片式化,明显滞后于电容器和电阻器。

①绕线型片式电感器:它的特点是电感量范围广(mH~H),电感量精度高,损耗小(即Q大),容许电流大、制作工艺继承性强、简单、成本低等,但不足之处是在进一步小型化方面受到限制。陶瓷为芯的绕线型片电感器在这样高的频率能够保持稳定的电感量和相当高的Q值,因而在高频回路中占据一席之地。

②叠层型片式电感器:它具有良好的磁屏蔽性、烧结密度高、机械强度好。不足之处是合格率低、成本高、电感量较小、Q值低。它与绕线片式电感器相比有诸多优点:尺寸小,有利于电路的小型化,磁路封闭,不会干扰周围的元器件,也不会受临近元器件的干扰,有利于元器件的高密度安装;一体化结构,可靠性高;耐热性、可焊性好;形状规整,适合于自动化表面安装生产。

③薄膜片式电感器:具有在微波频段保持高Q、高精度、高稳定性和小体积的特性。其内电极集中于同一层面,磁场分布集中,能确保装贴后的器件参数变化不大,在100MHz以上呈现良好的频率特性。

④编织型:特点是在1MHz下的单位体积电感量比其它片式电感器大、体积小、容易安装在基片上。用作功率处理的微型磁性元件。

选型指南

电感选型时考虑的因素如下:

1) 体积大小;

2) 电感值所在工作频率;

3) 开关频率下的电感值为实际需要的电感值;

4) 线圈的直流阻抗(DCR)越小越好;

5) 工作电流应降额至额定饱和电流的0.7倍以下,额定rms电流;

6) 交流阻抗(ESR)越小越好;

7) Q因子越大越好,两个电感线圈电感量相同时,可根据Q值的定义(XL/R)选择尺值小者,或选择值相同而线径大者使用。

8) 屏蔽类型:屏蔽式或非屏蔽式,优先选择屏蔽式。

9) 工作频率和绕组电压不可降额;

10)电感器量应与电路要求相同;尤其是调谐回路的线圈电感量数值要精确。当电感量过大或过小时,可减少或增加线圈匝数以达到要求。对于带有可调慈心的线圈,在测量调试时,应将磁心调到中间位置。当电感量相差较大时,可采用串、并联的方法进行解决。

11)外加电压和通过的电流不能超过其额定值。

12)对于有抗电强度要求的电感器,需选用封装材料耐电压高的品种,通常耐压较好的电感器防潮性能较好,采用树脂浸渍、包封、压铸工艺可满足该项的要求。

13)电感器引线或引脚主要考虑拉力、扭力、耐焊接和可焊性。当组件出厂超过六个月以上时,应重新进行可焊性试验,确保焊接的可靠性。

14)对于贴片式电感器,选用时需参照设计的焊盘尺寸。若选用带引脚的电感器,无明确规定及安装位置足够的前提下,可用同参数的立式、卧式电感器互换。

电感在选型过程中要注意的事项

◆对于高频信号用电感,主要用在射频信号上,其电感值范围:0.6nH~390nH,直流电阻有多种选择。电感值越大,对应的直流电阻也越大。自谐振频率:一般在1GHz以上,最高可达12GHz。电感值越大,对应的自谐振频率往往越小。额定电流:几十毫安~几百毫安。电感值越大,对应的额定电流往往越小。工作频率小于谐振频率,电感值基本保持稳定;但一旦工作频率超过谐振频率后,电感值将会迅速增大,若频率继续增大并达到一定程度后,电感值又会迅速减小。应选择谐振频率点高于工作频率的电感。

◆对于一般信号用电感,用在高速信号上。其电感值范围:0.01uH~1000uH。直流电阻:多种选择.电感值越大,对应的直流电阻也越大。一般信号用电感,其直流电阻比高频信号用电感和电源用电感大,最小值为100毫欧,大的可达到几欧姆。自谐振频率:几十兆赫兹~几百兆赫兹。电感值越大,其对应的自谐振频率越小。额定电流:几毫安~几十毫安。电感值越大,其对应的额定电流越小。工作频率低于谐振频率时,电感值保持稳定;工作频率超过谐振频率后,电感值将会先增大,到一定频率后,将迅速减小。应选择谐振频率点高于工作频率的电感。常用于高速设计中的跨板信号。高速跨板信号的纹波比板内信号大,可以使用一般信号用电感加以滤波。高频信号用电感和一般信号用电感额定电流都比较小,而直流电阻相对较大,不能用于电源滤波。

◆对于电源用电感,用在电源电路中。电感值范围:1uH~470uH。直流电阻:多种选择。电感值越大,直流电阻也越大。最小值为几毫欧,大的有几欧姆。自谐振频率:几十兆赫兹~几百兆赫兹。电感值越大,其对应的自谐振频率越小。

注意事项

一、电感类元件,其铁心与绕线容易因温升效果产生感量变化,需注意其本体温度必须在使用规格范围内.。

二、电感器之绕线,在电流通过后容易形成电磁场。在元件位置摆放时,需注意使相临之电感器彼此远离,或绕线组互成直角,以减少相互间之感应量。

三、电感器之各层绕线间,尤其是多圈细线,亦会产生间隙电容量,造成高频信号旁路,降低电感器之实际滤波效果。

四、以仪表测试电感值与Q值时,为求数据正确,测试引线应尽量接近元件本体

故障排除

电感线圈常见故障及产生原因

1.断路

断路是线圈常见的故障,特别是用较细的多股漆包线绕制的线圈容易出现。产生这种故障的原因除了脱焊外,很可能是由于线圈受潮后霉断。线圈的断线往往是因为受潮发霉或拗折断的。一般的故障多数出现在线圈出头的焊接点上或经常拗折的位置。

2.短路

产生这种故障是由于线圈发霉后线圈之间绝缘变差,因而发生漏电或局部短路。测试时会发现电阻值较正常情况的小,短路现象越严重,电阻值越小。线圈漏电或局部短路会造成线圈电感量和品质因素不合要求。如果线圈完全短路(电阻值为0),往往是线圈的两个引出端相碰。

3.断股

这种故障在收音机的中波段线圈中特别多,因为中波段线圈绝大多数是采用较细的多股漆包线绕制的,例如有7股、9股、l4股、28股等。股数越多,线圈的Q值就越高。多股线圈很容易断掉其中的几股,特别是在线圈与引出焊片接头处更容易发生断股现象。这种故障在测量线圈时会发现电阻值比原来的有所增加。如果断股发生在接头处,通过仔细观察往往能够发现。

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