基礎(chǔ)電子學(xué)系列21 – 如何選擇電感器

在之前的教程中，我們討論了電感器的基本概念、電感器的特性以及不同類型的電感器?，F(xiàn)在是了解如何為給定電路選擇電感器的時(shí)候了。幸運(yùn)的是，不同類型的電感器被設(shè)計(jì)成適合特定的應(yīng)用。因此，對(duì)于任何給定的應(yīng)用，要么只有一種特定類型的電感器可用，要么最多有兩種或三種類型可供選擇。查看上一篇文章，了解不同類型的電感器及其應(yīng)用。對(duì)于大多數(shù)常見應(yīng)用，首選螺線管線圈、環(huán)形線圈或罐形磁芯。要從中進(jìn)行選擇，以下注意事項(xiàng)很重要：

• 如果電路需要使用多個(gè)應(yīng)該具有或可以具有互感的電感器，則可以使用螺線管線圈。螺線管線圈價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛，并且易于設(shè)計(jì)和排除故障。然而，與其他類型的電感器相比，螺線管線圈通常非常笨重。盡管如此，如果電磁干擾或互感不是電路的重要考慮因素，那么首先可以首選這些。

• 如果電路要求無互感或電感不與電路中任何其他元件產(chǎn)生電磁干擾，則應(yīng)優(yōu)先選用環(huán)形線圈。環(huán)形線圈體積小，電感值高，幾乎沒有電磁干擾。如果不同線圈之間需要互感，可以將它們繞在同一個(gè)鐵芯上。

• 罐式磁芯具有與環(huán)形線圈相似的優(yōu)勢(shì)。然而，由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它們非常昂貴。為高功率應(yīng)用找到罐形磁芯并不容易。鍋芯的空氣流通暴露也有限，因此它們可能會(huì)面臨加熱問題。不過，鍋形磁芯非常堅(jiān)固，提供更好的屏蔽，并且可以更輕松地安裝到印刷電路板上。

在為給定電路選擇電感器時(shí)，選擇電感器類型非常簡(jiǎn)單。選擇電感器的重要考慮因素始終是所需的特性。首先，對(duì)于任何電路，電感的期望值要么是給定的，要么需要由工程師推導(dǎo)出來。需要挑選相同標(biāo)稱值的電感。下一個(gè)需要考慮的重要事項(xiàng)是寬容度。應(yīng)該檢查電感的變化不會(huì)影響電路的性能。因此，必須選擇具有合適公差的電感器。

其余參數(shù)可以是特定于電路或應(yīng)用程序的。從本質(zhì)上講，檢查所選電感器的飽和電流非常重要。所選電感器的飽和電流應(yīng)至少為電感器在電路中可能暴露的 DC 或 RMS 電流水平的 1.5 倍或兩倍。為確保電感器具有所需的性能，還應(yīng)檢查增量電流和最大直流電流。飽和電流、增量電流和最大直流電流等因素起著至關(guān)重要的作用，尤其是當(dāng)所選電感器具有鐵氧體磁芯時(shí)。

如果電路需要像耦合應(yīng)用或電源電路那樣非常節(jié)能，直流電阻、阻抗和品質(zhì)因數(shù)是需要檢查的重要屬性。同樣，在濾波器電路等頻率敏感電路中，電感器的自諧振頻率起著重要作用。同樣，在對(duì)溫度敏感的電路中，電感溫度系數(shù)、電阻溫度系數(shù)、環(huán)境溫度范圍、工作溫度范圍、居里溫度等都是必須進(jìn)行本質(zhì)檢查的重要因素。如果必須避免 EMI，電磁干擾問題在大多數(shù)情況下可以通過選擇正確的電感器類型來解決，即環(huán)形或鍋芯。

電感器的標(biāo)準(zhǔn)值

與電阻器和電容器一樣，根據(jù) E 系列，電感器也有標(biāo)準(zhǔn)值。要了解有關(guān)電阻器、電容器、電感器和齊納二極管標(biāo)準(zhǔn)值的更多信息，請(qǐng)查看以下文章“基礎(chǔ)電子 08 – 電阻器的讀取值、容差和額定功率”。

電感器的串聯(lián)和并聯(lián)組合

可能無法始終獲得所需電感的準(zhǔn)確值。在這種情況下，可以使用電感器的串聯(lián)或并聯(lián)組合來獲得所需的電感。電感串聯(lián)時(shí)，它們的等效電感為電感之和，如下所示：

L串聯(lián)= L 1 + L 2 + L 3 + 。. . .

當(dāng)電感并聯(lián)連接時(shí)，它們的等效電感由下式給出：

1/L并聯(lián)= 1/L 1 + 1/L 2 + 1/L 3 + 。. . .

電感串聯(lián)組合的方程式源自以下事實(shí)：當(dāng)相同電流流過支路中的所有電感時(shí)，所有串聯(lián)電感的壓降總和將等于施加的電壓。電感串聯(lián)組合的方程式推導(dǎo)如下：

V 總 = V L1 + V L2 + V L3 + 。. . .

-L串聯(lián)* di/dt = -L 1 * di/dt + (-L 2 * di/dt) + (-L 3 * di/dt) + . . . .

L串聯(lián)= L 1 + L 2 + L 3 + 。. . .

電感并聯(lián)組合的公式是根據(jù)以下事實(shí)得出的：通過所有并聯(lián)連接的電感的電流之和等于總電流，而它們兩端的電壓應(yīng)保持不變。電感并聯(lián)組合的方程式推導(dǎo)如下：

i = i1 + i2 + i3 + 。. . .

1/L并聯(lián)* ∫V.dt = 1/L 1 * ∫V.dt + 1/L 2 * ∫V.dt + 1/L 3 * ∫V.dt + . . . . .

1/L并聯(lián)= 1/L 1 + 1/L 2 + 1/L 3 + 。. . .

考慮到電感器沒有任何互感，推導(dǎo)出上述等式。

互感

實(shí)際上，所有電感器都具有一定的互感。在螺線管線圈的情況下，電磁干擾非常明顯，而環(huán)形線圈、罐形磁芯和傳輸線電感器則被很好地屏蔽，以顯示任何顯著的互感。兩個(gè)電感器之間的互感取決于它們的電感值和它們之間的耦合系數(shù)。它的測(cè)量單位與電感相同，用字母“M”表示。下式給出了兩個(gè)電感之間的互感值 –

M = k*(L 1 *L 2 ) 1/2

這里，k 是耦合系數(shù)。它的取值范圍為0到1。如果兩個(gè)電感屏蔽良好，沒有電磁干擾，則k值為0，電感之間的互感為零。

當(dāng)電感器（特別是螺線管線圈）串聯(lián)連接時(shí)，互感非常明顯?；ジ锌梢允羌有缘幕驕p性的。當(dāng)電感器彼此靠近連接時(shí)，電流以相同的方向流過它們，它們會(huì)增強(qiáng)彼此的磁場(chǎng)。因此，在這種情況下，互感是相加的。下式給出了這種情況下的有效電感 -

L = L 1 + L 2 + 2M = L 1 + L 2 + 2* k*(L 1 *L 2 ) 1/2

當(dāng)電感器彼此靠近連接時(shí)，電流以相反的方向流過它們，通過電感器的磁場(chǎng)彼此相反。在這種情況下，互感是相減的。那么，有效電感由下式給出 –

L = L 1 + L 2 – 2M = L 1 + L 2 – 2* k*(L 1 *L 2 ) 1/2