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就电感而言,我们很多人可能并没有像电容一样熟悉,这一篇文档我们来了解一下电感的特性,之后的文章再介绍电感在EMC中的应用。
电感的理论基础是我们中学学过的法拉第定律和楞次定律,概括起来就是:法拉第定律决定感性电动势的幅度,而楞次定律决定其极性。至于二者的具体表述,大家百度一下即可。下面我们基于此基础介绍电感相关内容:
电感是一种能将电能通过磁通量的形式储存起来的无源电子元件。通常是导线绕圈,当有电流通过时,就会产生磁场,如下图所示:
(是不是很熟悉?是不是高中的回忆涌上心头了???)
电感值的计算公式如下所示。卷数(或者称为匝数)越多,磁场越强。同时,横截面积变大,或改变磁芯都能够使磁场增强。
接着,我们来看看将交流电流过电感会发生什么变化。当交流电通过电感时,电流产生的磁场将其他的绕线切隔,因而产生反向电压,从而阻碍电流变化。特别是当电流突然增加时,和原来电流相反方向的(也就是电流减少方向)电动势产生,即反向的电动势,来阻碍电流的增加,反之则类似,只是感性电动势的目的是增加电流(高中知识)。
由于交流电的极性周期性变化,在电感器的作用下产生的感应电动势也周期性的变化,从效果上看,电感器就无法轻易通过交流电。
由于直流电流不会发生变化(理想状态),就不会发生反向电压,也没有发生短路的危险。即电感器是可以让直流电通过,而不通过交流的元器件。此外,电感器中的能量以磁能的方式存储。
从结构来讲,大部分的电感可以分为3类:绕线型、叠层型、薄膜型,它们的特性和用途如下图所示:
如下图所示,绕线型的特点是Q值远高于叠层型,薄膜型的特点是可以小型化,有小型的0603尺寸、0402尺寸。图中叠层型为LQG15系列,绕线型为LQW15系列
绕线型(以LQW系列为例)的特点是:Q值较高。由于Q值越高,滤波器带通的衰减特性越好,所以它可使用于RF部的匹配电路上。另外,由于通过它可确保天线的收发信号灵敏度,因此也经常被用于天线的匹配电路上。其次,因其低Rdc特性,也适用于大电流流过的扼流电路中。
薄膜型(以LQP系列为例)的特点是:它利用感光法形成电极,从而可实现对线圈模型的细微加工,在实现小型化的同时具备较高的Q值特性,且L值的偏差较小,能实现较小L值的分布响应。可用于需要小型化,偏差小及小L值分布响应的RF部匹配电路和共振电路中。另外,也可用于注重小型化及低Rdc的扼流电路中。
叠层型构造虽然Q值也较低,但由于其L值偏差及规格、价格等整体的平衡性较好,因此被广泛使用于RF的匹配电路、共振电路及扼流电路中。
不同于普通的陶瓷电容器,虽然也是二端子元件,但为获得较高的Q值特性,设计成只在元件底面形成电极的结构。对(下图左侧第一张图)这种元件进行封装时,需提供与其底面电极表面积相符的焊锡量。焊锡量过多会导致元件倾斜或者焊盘上有θ角度偏离。如下中右2图。
为超小化封装面积而采用的元件从1005尺寸到0603尺寸,近年来更是出现了0402尺寸。小型化发展急速前进。对于这种超小型元件,封装环境的微小变化可能导致封装不良,因此需要特别注意封装环境,严格根据相关工艺要求进行。
前边讲过,由于电感(线圈)具有(a. 直流基本上直接流过; (b. 对于交流,起到类似电阻的作用;(c. 频率越高越难通过的基本特性,这被称之为“电感的感性电抗”,下面是表示电感的频率和阻抗特性的示意图:
在理想电感器中,阻抗随着频率的提高而呈线性增加,但在实际的电感器中,如等效电路所示,并联存在寄生电容EPC,因而会产生自谐振现象。
所以,到谐振频率之前呈现电感本来的感性特性(阻抗随着频率升高而增加),但谐振频率之后寄生电容的影响占主导地位,呈现出容性特性(阻抗随着频率升高而减小)。也就是说,在比谐振频率高的频率范围,不发挥作为电感的作用。
电感的谐振频率可通过上述公式求得。除了主体是电容量还是电感量的区别外,该公式与电容的谐振频率公式基本相同。从公式中可以看出,电感值L变小时谐振频率会升高。
电感的寄生分量中,除了寄生电容EPC之外,还有电感绕组的电阻分量ESR(等效串联电阻)、与电容并联存在的EPR(等效并联电阻)。电阻分量会限制谐振点的阻抗。