電感式DC該如何設(shè)計(jì)?貼片電感的主要參數(shù)及其特性分析
信息來(lái)源于:互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布于:2021-11-18
電感是我們?cè)谧儔浩髟O(shè)計(jì)當(dāng)中較長(zhǎng)使用的一種元件,它的主要作用是把電能轉(zhuǎn)化為磁能再存儲(chǔ)起來(lái)。需要注意的是,雖然電感的結(jié)構(gòu)類似于變壓器,但是其只有一個(gè)繞組。本篇文章主要介紹了電感式DC-DC的升壓器原理,并且本文屬于基礎(chǔ)性質(zhì),適合那些對(duì)電感的特性并不了解,但同時(shí)又對(duì)升壓器感興趣的朋友們。文中的一些原理性知識(shí)都能在網(wǎng)上查到,所以這里就不多家贅述了。
想要充分理解電感式升壓原理,我們就必須首先知道電感的特性,包括電磁的轉(zhuǎn)換與磁儲(chǔ)能。這兩點(diǎn)非常重要,因?yàn)槲覀兯枰乃袇?shù)都是由這兩個(gè)特性引出來(lái)的。
首先,我們先來(lái)觀察下面的圖:
各位朋友都知道,上圖是電磁鐵,一個(gè)電池對(duì)一個(gè)線圈通電。有人可能會(huì)奇怪,這么簡(jiǎn)單的圖有什么好分析的呢?我們就是要用這張簡(jiǎn)單的圖來(lái)分析它通電和斷電的瞬間發(fā)生了什么。
線圈(以后叫作“電感”了)有一個(gè)特性---電磁轉(zhuǎn)換,電可以變成磁,磁也可以變回電。當(dāng)通電瞬間,電會(huì)變?yōu)榇挪⒁源诺男问絻?chǔ)存在電感內(nèi)。而斷電瞬磁會(huì)變成電,從電感中釋放出來(lái)。
現(xiàn)在我們看看下圖,斷電瞬間發(fā)生了什么:
前面我說(shuō)過(guò)了,電感內(nèi)的磁能會(huì)在電感斷電時(shí)重新變回電,然而問題來(lái)了:此時(shí)回路已經(jīng)斷開,電流無(wú)處可以,磁如何能轉(zhuǎn)換成電流呢?很簡(jiǎn)單,電感兩端會(huì)出現(xiàn)高壓!電壓有多高呢?無(wú)窮高,直到擊穿任何阻擋電流前進(jìn)的介質(zhì)為止。
這里我們了解了電感的第二個(gè)特性----升壓特性。當(dāng)回路斷開時(shí),電感內(nèi)的能量會(huì)以無(wú)窮高電壓的形式變換回電,電壓能升多高,僅取決于介質(zhì)變的擊穿電壓。
現(xiàn)在我們對(duì)以上的內(nèi)容作一下小結(jié):
下面是正壓發(fā)生器,你不停地扳動(dòng)開關(guān),從輸入處可以得到無(wú)窮高的正電壓。電壓到底升到多高,取決于你在二極管的另一端接了什么東西讓電流有處可去。如果什么也不接,電流就無(wú)處可去,于是電壓會(huì)升到足夠高,將開關(guān)擊穿,能量以熱的形式消耗掉。
然后是負(fù)壓發(fā)生器,你不停地扳動(dòng)開關(guān),從輸入處可以得到無(wú)窮高的負(fù)電壓。
上面說(shuō)的都是理論,現(xiàn)在來(lái)點(diǎn)實(shí)際的電子線路圖,看看正/負(fù)壓發(fā)生器的“最小系統(tǒng)”到底什么樣子:
你可以很清楚看到演變,電路中僅僅把開關(guān)換成了三極管換而已。不要小看這兩個(gè)圖,事實(shí)上,所以開關(guān)電源都是由這兩個(gè)圖組合變換而來(lái),所以掌握這兩個(gè)圖非常重要。
最后要提提磁飽合的問題。什么是磁飽合?
從上面的背景知道我們可以知道電感能儲(chǔ)存能量,將能量以磁場(chǎng)方式保存,但能存多少呢?存滿之后會(huì)發(fā)生什么情況呢?
1。存多少: “最大磁通量”這個(gè)參數(shù)就是干這個(gè)用的,很顯然,電感不能無(wú)限保存能量,它存儲(chǔ)能量的數(shù)量由電壓與時(shí)間的乘積決定,對(duì)于每個(gè)電感來(lái)說(shuō),這是一個(gè)常數(shù),根據(jù)這個(gè)常數(shù)你可以算出一個(gè)電感要提供N伏M安供電時(shí)必須工作于多高的頻率下。
2。存滿之后會(huì)如何: 這就是磁飽合的問題。飽合之后,電感失去一切電感應(yīng)有的特性,變成一純電阻,并以熱的形式消耗掉能量。
經(jīng)過(guò)分析和總結(jié),相比大家都掌握了比較重要的幾個(gè)核心電路圖。并且也對(duì)其中的原理有了一定的理解,希望各位朋友能夠充分理解這篇文章,從而靈活的應(yīng)用到自己的設(shè)計(jì)當(dāng)中去。
我把一個(gè)223電容與一個(gè)電感串聯(lián),串聯(lián)后再與一個(gè)223電容并聯(lián)。然后量這個(gè)并聯(lián)組件的電容,得出不可理解的值:多數(shù)這樣的組件的電容是44-50nF之間,但有一些是一百多nF,有一些是幾百nF(拆開后量,各個(gè)電容的值仍然是22nF)。
理論上的值應(yīng)該是44nF,這些奇怪的電容值怎么理解呢?
討論這個(gè)問題,用復(fù)數(shù)分析是最簡(jiǎn)捷最準(zhǔn)確的。但這需要比較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),能夠從數(shù)學(xué)式中的各個(gè)量看出其物理意義。因此本帖嘗試不用數(shù)學(xué),僅用文字?jǐn)⑹觥.?dāng)然,這樣只能進(jìn)行定性的分析,不可能準(zhǔn)確,同時(shí)比較冗長(zhǎng)羅嗦,但可能物理意義比較清晰。分析如有錯(cuò)誤或不當(dāng),還請(qǐng)版主及各位方家指正。
樓主提出的問題中有三個(gè)元件,稍復(fù)雜一些,我們先考慮兩個(gè)元件,即一個(gè)電感和一個(gè)電容串聯(lián)。
我們知道,串聯(lián)電路中電流處處相同。這個(gè)相同,不僅是有效值相同,而且瞬時(shí)值也相同,也就是說(shuō),任何時(shí)刻都相同。我們又知道,電感和電容中電流與兩端電壓不同相,電容兩端電壓落后于電流90度,而電感兩端電壓超前于電流90度。現(xiàn)在電感和電容中電流相位相同,所以電感兩端電壓與電容兩端電壓相位相反,也就是說(shuō),任何時(shí)刻電容和電感上的電壓是互相“抵消”的。
感抗和容抗都與頻率有關(guān)。必定存在某一頻率,在這個(gè)頻率感抗與容抗相等。既然電感兩端電壓是感抗乘電流,電容兩端電壓是容抗乘電流,所以在這個(gè)頻率下,電感兩端電壓恰與電容兩端電壓大小相等,方向相反,完全抵消。這就是串聯(lián)諧振。
電感兩端電壓與電容兩端電壓完全抵消,那么電流不就是無(wú)窮大了?實(shí)際上電路中總有一些電阻,所以電流不會(huì)是無(wú)窮大,但電流很大是肯定的。此時(shí)串聯(lián)電路呈純阻性,即串聯(lián)電路兩端電壓與電路中電流同相。
如果頻率稍微降低一些怎么樣?頻率稍微降低一些,容抗變大一點(diǎn),感抗變小一點(diǎn),電容兩端電壓的大小稍微比電感兩端電壓的大小大一些,不能完全“抵消”,串聯(lián)電路中電流仍比較大,注意比沒有電感時(shí)要大,串聯(lián)電路呈容性,當(dāng)然不是純?nèi)菪裕娐分羞€有一些電阻。從串聯(lián)電路兩端看,施加的電壓沒有變化,但電流比沒有電感單純是一個(gè)電容時(shí)大,好像是電容量變大了??梢赃@樣考慮:感抗“抵消”了一部分容抗,使容抗減少,從串聯(lián)電路兩端看,就好像是電容量變大了。
應(yīng)該注意到,現(xiàn)在容抗隨頻率的變化非常快,因?yàn)楝F(xiàn)在感抗與容抗互相“抵消”,頻率變化一點(diǎn)點(diǎn),“抵消”的程度就會(huì)差很多,也就是從串聯(lián)電路兩端看上去的電容量隨頻率很快變化,頻率降低一點(diǎn),“看上去”的電容量就會(huì)減少很多。
頻率繼續(xù)降低,感抗越來(lái)越小,容抗越來(lái)越大,直到感抗可以忽略,此時(shí)串聯(lián)電路中電流與只存在一個(gè)電容時(shí)幾乎相同,好像電感不存在。根據(jù)串聯(lián)電路兩端電壓和其中的電流計(jì)算電容量,與沒有電感幾乎是相同的。頻率非常低時(shí),就可以認(rèn)為是完全相同。
頻率從諧振頻率稍微升高一些,所有情況變得相反,現(xiàn)在電路呈感性,但感抗比沒有電容時(shí)小,從串聯(lián)電路兩端看,好像是容抗“抵消”了一部分感抗,使電感量變小了。頻率繼續(xù)升高,容抗越來(lái)越小,感抗越來(lái)越大,直到容抗可以忽略,根據(jù)串聯(lián)電路兩端電壓和其中的電流計(jì)算電感量,與沒有電容時(shí)幾乎相同。
對(duì)于電感和電容的并聯(lián)電路,分析完全相同,只不過(guò)現(xiàn)在是并聯(lián),電感和電容兩端電壓相同,電感中電流和電容中電流相位相反,“抵消”的是電流而不是電壓。
說(shuō)句題外的話?!峨娐沸蕾p》版有一帖“振蕩電路”,里面有位朋友提到皮爾斯振蕩電路。皮爾斯振蕩電路是晶體振蕩器,晶體接在集電極與基極之間(皮爾斯當(dāng)年實(shí)際是用電子管,那時(shí)還沒有晶體管),集電極通過(guò)一個(gè)并聯(lián)諧振回路接電源,發(fā)射極接地,基極除供給偏置電流的電路外并無(wú)其它。這個(gè)電路如何能振蕩?實(shí)際上,我們知道晶體相當(dāng)于一個(gè)很大的電感,集電極上的并聯(lián)諧振回路稍有失諧,根據(jù)上面的分析,相當(dāng)于一個(gè)電容。這樣,集電極到基極是電感,集電極到發(fā)射極是電容,基極到發(fā)射極也是電容(分布電容),剛好構(gòu)成三點(diǎn)電容式振蕩電路(考畢茲電路),因此能夠振蕩。調(diào)節(jié)集電極上的并聯(lián)諧振回路,可以改變這個(gè)等效的電容量,從而改變反饋量,控制振蕩強(qiáng)度。所以這是個(gè)很方便使用的振蕩電路。
根據(jù)上面的分析,還可以知道,測(cè)量電容或電感的結(jié)果,與測(cè)量時(shí)使用的頻率有關(guān)。電路中總有分布電容和分布電感,這些分布電容和電感會(huì)影響測(cè)量結(jié)果,而且在離諧振頻率比較近的地方,會(huì)造成很大的影響。因此測(cè)量電容或電感,應(yīng)該使用與實(shí)際工作頻率比較接近的頻率去測(cè)量,這樣比較能反映實(shí)際情況。
回到樓主的問題。一個(gè)22nF電容與電感串聯(lián),再與一個(gè)22nF電容并聯(lián),我們已經(jīng)知道,22nF電容與電感串聯(lián)后,可能相當(dāng)于一個(gè)比22nF大的電容,也可能相當(dāng)于一個(gè)電感,這與頻率有關(guān)。一個(gè)比22nF大的電容與一個(gè)22nF電容再并聯(lián),當(dāng)然是比44nF大的電容。至于幾個(gè)不同的22nF電容測(cè)量結(jié)果相差很大,也容易理解。電容器都有誤差,與電感串聯(lián)后的諧振頻率各不相同。我們也知道,測(cè)量使用的頻率與諧振頻率差一點(diǎn),可能引起“看上去”的電容量很大的變化,因此各個(gè)不同的電容器這樣與電感串聯(lián)再與電容并聯(lián),測(cè)量的結(jié)果相差很大就是很正常的了。