电感器的特性
理想的电感器与实际的电感器 (阻抗特性)
理想的电感器,完全不含电感以外的成分,没有能量损耗。但是,实际的电感器上除了电感以外还包含有电阻成分(直流电阻:DCR)和静电电容(分布电容:Cp)(参照等效电路)。电阻是绕组和磁芯具有的电阻成分。静电电容主要是绕组的线间电容。
电感器的等效电路
理想的电感器
实际的电感器
(简易的等效电路)
电感器的阻抗特性
图形所示为理想的电感器与实际的电感器相对于频率的阻抗特性示意图。理想的电感器,阻抗会随着频率的升高而呈线性增加。但是,实际的电感器则会因分布电容而产生自共振现象,在更高的频率下阻抗下降,不再作为本来的电感器发挥作用。此外,还因电阻成分或阻抗的下降而产生损耗。
电感器的阻抗(Z)可通过下式来表示。
Z=R+1/(1/jωL+jωC)
此外,阻抗的绝对值可通过下式来计算。
|Z|=√ R2+1/(1/ωL-ωC) 2
Z
: 阻抗 [Ω]
R
: 直流电阻成分(DCR) [Ω]
C
: 寄生电容(Cp) [F]
j
: 虚数
ω
: 2πf
(π:圆周率 (3.14)、
f:频率 [Hz])
L
: 电感 [H]
磁饱和特性
电感器在流过的电流超过容许电流(直流重叠容许电流)的最大值时会引起磁饱和,导致电感减少。电感器饱和时,如上述的阻抗式可知,阻抗变小,流向电感器的电流变得异常大。譬如,DC/DC转换器上有可能引起效率下降或异常动作。磁饱和容许电流是电感器的重要特性之一。
交流电阻(ACR)
我们已在阻抗项中简要说明了直流电阻(DCR),而实际使用的电感器除此之外还包含有导致磁芯的涡流损耗产生的电阻成分、和因表皮效应和邻近效应而增加的导线的电阻成分,我们将之叫做交流电阻(ACR)。此交流电阻(ACR)与频率成正比,交流电阻值变大,导致高频的功率损耗变大以及零部件的温度上升,实际使用时需要考虑这些因素。(有关涡流损耗、表皮效应、邻近效应,我们将另行解说)
其他特性
这里就上述以外的电感器的特性和相关术语进行了归纳。
Q值
: 某一频率的电感器的感抗与电阻之比,是表示电感器的性能的指数。Q值越高,越接近理想的电感器。以感抗XL(=ωL=2ΠfL)除以ACR而得到的值来表示相对于频率有多大的损耗,从算式可以获知,如果ACR小Q就会升高。
铜损
: 电流流向导线时的电阻成分引起的损耗称为铜损
铁损
: 磁束通过磁芯时磁芯内产生的损耗(磁滞损耗和涡流损耗)称为铁损。
表皮效应
: 如果流向导体的电流的频率升高,电流就会只流过导体的表面,表面部分的电流密度增大,电阻值增加。我们将这种效应叫做表皮效应。
邻近效应
: 多根导线邻近时,每个绕组形成的磁场感应涡流,高频时会集中于导体内的电流邻近的导线相邻接的狭小区域而流过,邻近部分的电流密度增大,电阻值增加。我们将这种效应叫做邻近效应。
涡流损耗
: 因电磁感应而变化的磁场会在导体的磁芯中产生涡状的电流。产生此电流的能量会因磁芯材料的电阻而被转换成热并成为损耗。我们将这种损耗叫做涡流损耗。
磁滞损耗
: 如果是磁芯内的磁场变化或者反转,就会伴随磁滞(磁芯材料的BH图中所示的磁滞回线)而返回原先的状态。为了此磁滞的运动而消耗的能量会作为热损耗掉。我们将这种损耗叫做磁滞损耗,磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比。