“電感飽和”,這個(gè)我一直聽到的詞匯竟然是如此陌生。
我不知道它到底意味著什么,除了電流彎曲失真、燒壞器件這些表象,在物理上“飽和”到底是什么意思?
感值、耐溫、飽和電流、尺寸、價(jià)格,這五個(gè)是我們電感選型的基本坐標(biāo)系。 當(dāng)然我們還會(huì)考慮線圈和磁心的形態(tài)、磁材、安裝焊接方式。 選型過(guò)程中惱火的無(wú)過(guò)于在數(shù)十個(gè)電感中找到合適的,卻發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)參數(shù)不滿足要求,或者僅僅因?yàn)榘l(fā)生概率極低的峰值功率而導(dǎo)致的飽和電流不足而帶來(lái)過(guò)大的設(shè)計(jì)裕量。
感性的秘密
電感之所以呈現(xiàn)感性,即流過(guò)電感的電流會(huì)滯后于施加在電感上的電流(事實(shí)上是滯后90°相角),是因?yàn)槔愦味伞?/p>
電感就像熊孩子抓住家里的寵物,阻礙寵物的前進(jìn)(電流的變化); 你得給熊孩子一些壓力,他先會(huì)不大情愿,然后再讓寵物(電流)走一下; 我們充分利用了這個(gè)不聽話的特性,來(lái)實(shí)現(xiàn)扼流Choke的目的。
電感又像一個(gè)彈簧,當(dāng)你施加壓力的時(shí)候,它把一部分能量存在自己體內(nèi),剩下的一部分能量傳輸出去; 當(dāng)彈簧被壓縮到極,它沒辦法再存儲(chǔ)更多的能量了,即發(fā)生飽和,所有增加的能量都被悉數(shù)傳遞出去,電感失去了它的滯后作用。
在物理上,彈簧這個(gè)例子或許更加恰當(dāng),就像下面這段我在網(wǎng)上找到的教科書般的答案:
電子在原子外層繞著數(shù)層軌道旋轉(zhuǎn),每一層電子旋轉(zhuǎn)都會(huì)依愣次定律產(chǎn)生一微弱的磁場(chǎng),每一層的磁力不同、方向也不同,但合力為零,沒有磁性。 當(dāng)一線圈通電流,同樣的依愣次定律產(chǎn)生一磁場(chǎng),磁力線穿過(guò)磁性材料(鐵心),磁性材料內(nèi)原子的電子旋轉(zhuǎn)軌道開始轉(zhuǎn)向,以抵消線圈產(chǎn)生的磁力線,線圈電流越大,越多磁性材料電子的旋轉(zhuǎn)方向改變,所有磁性材料電子旋轉(zhuǎn)方向都相同時(shí),就是磁飽和。
電感飽和的原理與理論分析
當(dāng)我們?cè)谒须娮由隙集B加一個(gè)共同的旋轉(zhuǎn)方向,就像整齊劃一的軍隊(duì)方陣,它的磁力就達(dá)到了,不能再增加磁力就被成為飽和。
這種說(shuō)明足夠形象,可以定性解釋飽和的概念,但是定性并不能讓我滿足,物理的魅力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止在定性分析。
電感飽和的物理意義
當(dāng)我們談?wù)撾姼酗柡偷臅r(shí)候,實(shí)際上是在談?wù)撹F心飽和——空心的電感永遠(yuǎn)不會(huì)飽和。這時(shí)候很直觀的問(wèn)題就是:為什么不使用空心電感呢?
這就必須從電感量的計(jì)算公式說(shuō)起:
上式中,感量是L,磁導(dǎo)率是μ,繞組等效匝數(shù)是N,磁路的等效截面積為S,電感線圈等效磁路長(zhǎng)度為l。
顯而易見,要提高感值可以增大分子μ、N、S,減小分母l。
N往往受限于體積(尤其是功率電感的線非常粗,每一匝都會(huì)大大增加體積,且提高N也會(huì)提高l)、線阻(發(fā)熱)、寄生電容(尤其是 EMC 電感,寄生電容會(huì)大大削弱其高頻抑制能力)。在相同 dimensions 下,提高μ幾乎是唯一途徑,空氣的磁導(dǎo)率幾乎等于真空中磁導(dǎo)率μ0,而性能優(yōu)異的磁性材料μ可達(dá)2000μ0,空心電感對(duì)比含有磁心的電感,其感值也會(huì)相差幾千倍。
下圖是九種鐵磁性材料表示磁飽和的磁化曲線:1-鋼板,2-硅板,3-鋼鑄件,4-鎢鋼,5-磁鋼,6-鑄鐵,7-鎳,8-鈷,9-磁鐵礦。
“成也蕭何,敗也蕭何。”μ幫助我們獲得高感值,卻也帶給我們飽和的問(wèn)題。磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系可以用磁導(dǎo)率表示:
磁性材料的磁導(dǎo)率μ不是一個(gè)恒定不變的量,而是取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度H。在會(huì)發(fā)生磁飽和的金屬中,隨著通過(guò)電感的電流增加,相對(duì)磁導(dǎo)率μ隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增加達(dá)到一個(gè)最大值,然后隨著它的飽和減小,會(huì)變?yōu)?,所以相應(yīng)的電感L也趨向空心電感,換句話說(shuō),就是變成了導(dǎo)線,這就是電感飽和的物理意義。
電感不會(huì)消失,只會(huì)退化成空心電感。
B-H曲線如下圖所示,在很多教科書里它有另一個(gè)名字"磁滯回線";當(dāng)然,磁滯回線還有另外三個(gè)象限。在H的右極限處,所有的材料都會(huì)趨向于同一根直線,B=μ0H,這就是大自然的物理收斂。
因?yàn)榇棚柡?,鐵磁性材料的磁導(dǎo)率μf會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加,上升到一最大值,之后漸漸下降。
用麥克斯韋方程組計(jì)算的一切
一切電磁相關(guān)的物理量,都可以從麥克斯韋方程組得出,電感并不例外。
電感(這里只考慮自感)的物理定義式是:
它描述的是,在單位電流變化率di/dt下,產(chǎn)生反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的能力。
物理上最撓人的幾個(gè)事實(shí)之一就是,定義式往往不是用來(lái)設(shè)計(jì)的公式。針對(duì)后者,我們還會(huì)有一個(gè)更常用的計(jì)算公式,下面來(lái)推導(dǎo)一下:
根據(jù)法拉第定律(麥克斯韋方程之一),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于磁通Φ變化率;如果是多匝線圈還需要考慮繞組等效匝數(shù)N。
結(jié)合電感定義式,有:
兩邊同時(shí)對(duì)時(shí)間積分,可得:
由Φ=BS、B=μH,設(shè)通入電感電流為I,根據(jù)全電流定律
,結(jié)合電感的定義,可得:
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:電感飽和的物理意義是什么?
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