鐵粉心濾波電感器的設計
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摘要：
本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/162459.htm濾波電感(扼流圈)的設計，須考慮到直流磁化的影響。鐵粉心的飽和磁通密度高，直流磁化影響較小，費用也低，是一種理想材料。介紹三種扼流圈的設計方法。
關(guān)鍵詞：直流磁化飽和磁通密度恒磁導
Abstract:Designofchoke,mustconsideringthateffectsfromDCbias.IronpowdercoreshashighRsaturationfluxdensity,lowereffectsfromDCbiasandleastexpense,itistheexcellentchoicefordesignchoke.
Keywords:DCbiasSaturationfluxdensityConstantpermeance
1引言
常見的濾波電感主要有：共模濾波電感、差模濾波電感和整流濾波電感。前兩種電感主要用于各種線路濾波器，工作在交流條件。而后一種用來濾除整流后的交流紋波，使整流后的直流部分更加平直。由于它工作在直流條件，不得不考慮直流磁化對電感的影響。
以往的電子設備，例如使用電子管的電子設備，整流輸出多為高電壓小電流，當今采用晶體管和集成電路的電子設備，則多為低電壓大電流。由于直流磁化力同電流大小成正比，更須注意直流磁化對電感的影響。這就要求濾波電感必須適應于大電流條件。因此，選擇什么樣的材料作磁心。如何設計好濾波線圈，減少直流磁化的影響，防止磁芯飽和，不能不成為一個值得重視的問題。
2關(guān)于恒磁導或恒電感特性
整流濾波電感工作在直流大電流條件，工作電流變化，引起電感值的變化越小越好。就是說要求磁心的直流磁化影響較小，即具有某種恒磁導特性。由于直流磁化的影響，電感趨向于飽和，電感量會隨著工作電流增加而減小。根據(jù)大家的共識，所謂恒磁導特性，亦可稱為恒電感特性，是指電感在一定的直流磁化力范圍內(nèi)其電感量不低于初始電感量的一半。掌握了這個特性，我們可以通過挑選不同的磁心，不同的規(guī)格，以達到不同的百分比要求。
3磁心材料的選擇
制作濾波電感，選用何種磁心材料，除了必須注意防止磁心飽和問題外，還必須考慮到磁心的恒磁導特性。需要指出，有些設計人員往往只注意電感量的指標，選擇磁導率高的材料，以減少線圈的匝數(shù)，而對于電感額定電流較大時，電感量是否減少，減少到什么程度，會不會達到飽和，考慮較小。這是應該注意避免的。
表1列出一些磁心材料的恒磁導特性的比較，供選擇時參考。表中所說的恒磁導范圍，是指在這個直流磁化力范圍內(nèi)，磁導率不會低于50％。減少直流磁化力相應提高磁導率的百分比。表2為磁導率75的鐵粉心，在不同直流磁化力時的磁導率的百分數(shù)。
表1一些磁心材料和恒磁導特性的比較
材料 | 鐵基非晶磁環(huán)Bs13000GS | 開氣隙鐵基超微晶磁環(huán) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
μe | 2000 | 1000 | 500 | 180 | 80 | 300 | 180 | 110 | |
恒磁導范圍 | A/m | 400 | 800 | 1600 | 4000 | 8000 | 2400 | 4000 | 6400 |
Oe | 5 | 10 | 20 | 50 | 100 | 30 | 50 | 80 | |
材料 | 鐵鎳鉬粉心磁環(huán)Bs8000GS | 鐵鎳鉬粉心磁環(huán)Bs>10000GS | |||||||
μe | 60 | 125 | 160 | 300 | 22 | 35 | 60 | 75 | |
恒磁導范圍 | A/m | 8000 | 4000 | 3200 | 1600 | 22400 | 20000 | 5600 | 4000 |
Oe | 100 | 50 | 40 | 20 | 280 | 250 | 70 | 50 | |
表2磁導率75的鐵粉心不同直流磁化力時的磁導率的百分數(shù)＊
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
00 | —— | 100.0 | 99.9 | 99.4 | 98.8 | 98.2 | 97.5 | 96.7 | 95.7 | 94.7 |
10 | 93.7 | 92.6 | 91.4 | 90.3 | 89.1 | 87.9 | 86.6 | 85.4 | 84.1 | 82.8 |
20 | 81.6 | 80.3 | 79.0 | 77.8 | 76.6 | 75.4 | 74.2 | 73.0 | 71.8 | 70.7 |
30 | 69.6 | 68.5 | 67.4 | 66.4 | 65.4 | 64.4 | 63.4 | 62.4 | 61.5 | 60.6 |
40 | 59.7 | 58.8 | 58.0 | 57.2 | 56.4 | 55.6 | 54.8 | 54.1 | 53.3 | 52.6 |
50 | 52.0 | 51.3 | 50.6 | 50.0 | 49.4 | 48.8 | 48.2 | 47.6 | 47.0 | 46.5 |
H％＊注：縱、橫數(shù)字相加代表直流磁化力H，其交點對應磁導率的百分數(shù)
4有關(guān)計算公式
表3鐵粉心（材料26）特性參數(shù)表
AL（nH/N2）So(mm2)
為了更好地進行電感設計，滿足恒磁要求，需要熟練掌握一些磁學公式，并了解一些必要的磁學知識。
上面提到的直流磁化力可以通過（1）進行計算：
H=0.4πNI/lOe(1)
或H=NI/lA/cm(1′)
這里N為線圈匝數(shù)；I為電流，單位為安倍（A）；l為磁心的平均磁路長度，單位為厘米（cm）。將上述公式進行一下變換，則有：
H/NI=0.4π/l或H/NI=1/l
對于一個環(huán)形磁心(濾波電感不少是采用環(huán)形磁心的),由于
l=[(D＋d)/2]×πcm
其中D為外徑，d為內(nèi)徑，單位厘米（cm）。
因此，H/NI又可由以下方法求得，即
H/NI=0.8/(D＋d)或H/NI=1/(D＋d)0.5π
對于任何一個規(guī)格的環(huán)形磁心，都可得到一個H/NI值，將此值乘以安匝數(shù)，就是直流磁化力，即：
H=(H/NI)NIOe（或A/cm）
由此可以看出，H/NI同l或（D＋d）成反比。尺寸大的磁心H/NI值就小，當安匝數(shù)一定時，選用大尺寸的磁心，H值就小，恒磁導特性就好。亦可以說，在H值確定的條件下，大尺寸的磁心就有較大的安匝數(shù)。
以下再列出幾個公式：
L=N2AL（nH/N2）nH(2)
N=[L（nH)/AL(nH/N2)]1/2匝（3）
AL=L（nH）/N2nH/N2(4)
W(energy)=LI2/2J或Ws（5）
此公式中L單位為H，I單位為A。
當L單位為μH時，則W為μJ或μWs，將公式（2）代入（6），又可得一關(guān)系式：
W=LI2/2=N2ALI2/2=(NI)2AL/2(6)
此式中，如AL取nH/N2值，則為nJ。為使得出的結(jié)果為μJ，則公式可變成：
W=（NI）2AL/2000μJ（6′）
5設計方法與步驟
熟悉了上述公式，尚需有磁心生產(chǎn)單位提供的直流疊加特性曲線，就可以進行設計了，圖1為美國微金屬公司提供的曲線，供設計參考，實際操作時，亦可根據(jù)表2提供的數(shù)據(jù)進行設計計算。
由于鐵粉心具有飽和磁通密度高，恒磁導特性好，價格便宜，而得到了廣泛應用。因此，本文的設計方法與步驟，均以鐵粉心為準。其它材料只要改變特性參數(shù)，其余無多大差別。
設計依據(jù)：電感量為100μH，額定電流為3A，在額定電流時，電感值不得不小于75μH。即要求恒磁導特性為75％。
介紹三種設計方法：
（1）方法一：利用恒磁導特性曲線及系列產(chǎn)品特性表（表3）進行設計。
表3 鐵粉心(材料26)特性參數(shù)表
No | OD×ID×HT | Ae | le | Ve | AL | H/NI | So | l/N | SA | NI | 不同J最大NI | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
－26 | mm×mm×mm | cm2 | cm | cm3 | nH/N2 | 0.4π/le | cm2 | cm | cm2 | 70％μo | 3A/mm2 | 4A/mm2 | 5A/mm2 |
T50 | 12.7×7.9×4.83 | 0.112 | 3.19 | 0.358 | 33 | 0.3939 | 0.466 | 2.01 | 6.86 | 70 | 50 | 60 | 70 |
T50B | 12.7×7.9×6.35 | 0.148 | 3.19 | 0.471 | 43.5 | 0.3939 | 0.466 | 2.32 | 7.83 | 70 | 50 | 60 | 70 |
T60 | 15.2×8.53×5.94 | 0.187 | 3.74 | 0.699 | 50 | 0.336 | 0.571 | 2.48 | 9.84 | 80 | 60 | 80 | 100 |
T68 | 17.5×9.4×4.83 | 0.179 | 4.23 | 0.759 | 43.5 | 0.297 | 0.694 | 2.47 | 11.2 | 90 | 80 | 110 | 130 |
T80 | 20.2×12.6×6.35 | 0.231 | 5.14 | 1.19 | 46 | 0.2445 | 1.247 | 2.80 | 15.5 | 120 | 150 | 200 | 250 |
T80B | 20.2×12.6×9.53 | 0.347 | 5.14 | 1.78 | 71 | 0.2445 | 1.247 | 3.44 | 18.7 | 120 | 150 | 200 | 250 |
T90 | 22.9×14×9.53 | 0.395 | 5.78 | 2.28 | 70 | 0.2174 | 1.539 | 3.64 | 22.4 | 130 | 180 | 240 | 300 |
T94 | 23.9×14.2×7.92 | 0.362 | 5.97 | 2.16 | 60 | 0.2105 | 1.584 | 3.44 | 22.0 | 130 | 190 | 250 | 310 |
T106 | 26.9×14.5×11.1 | 0.659 | 6.49 | 4.28 | 93 | 0.1936 | 1.651 | 4.49 | 31.0 | 150 | 190 | 250 | 310 |
T106A | 26.9×14.5×7.92 | 0.461 | 6.49 | 3.00 | 67 | 0.1936 | 1.651 | 3.86 | 26.8 | 150 | 190 | 250 | 310 |
T130 | 33×19.8×11.1 | 0.698 | 8.28 | 5.78 | 81 | 0.1518 | 3.079 | 4.75 | 42.2 | 190 | 370 | 490 | 610 |
T131 | 33×16.3×11.1 | 0.885 | 7.72 | 6.84 | 116 | 0.1628 | 2.087 | 5.11 | 42.1 | 170 | 250 | 330 | 410 |
T150 | 38.4×21.5×11.1 | 0.887 | 9.38 | 8.31 | 96 | 0.134 | 3.631 | 5.28 | 53.2 | 210 | 430 | 580 | 720 |
T157 | 39.9×24.1×14.5 | 1.06 | 10.1 | 10.7 | 100 | 0.1174 | 4.562 | 5.89 | 63.2 | 240 | 540 | 720 | 900 |
T184 | 46.7×24.1×18 | 1.88 | 11.2 | 21.0 | 169 | 0.1122 | 4.562 | 7.54 | 89.2 | 250 | 540 | 720 | 900 |
T200 | 50.8×31.8×14 | 1.27 | 13.0 | 16.4 | 92 | 0.0967 | 7.942 | 6.50 | 90.9 | 290 | 950 | 1270 | 1590 |
T200B | 50.8×31.8×25.4 | 2.32 | 13.0 | 30.0 | 160 | 0.0967 | 7.942 | 8.78 | 120 | 290 | 950 | 1270 | 1590 |
1）查圖1或表2，可知75％μo時，H為25Oe。
2）由表3中磁心的H/NI值，計算出安匝數(shù)，即：
H=(H/NI)NI變換為NI=H/（H/NI）
試選T9026，該磁心的H/NI值為0.2168。
NI=25/0.2168=115.3,取115
再由安匝數(shù)，求匝數(shù)
N=NI/I=115/3=38.3,取38
計算電感量，該磁心的AL值為70nH/N2
L=N2AL=382×0.07=101.1μH
由于，此電感量接近所需值，故即可以38為所需匝數(shù)。如果，相差較多，則按公式（3）計算實際匝數(shù)。
3）由公式（3）計算匝數(shù)。
4）計算直流磁化力。
NI=N×I=38×3=114
H=（H/NI）×NI=0.2168×114=24.7Oe
5)核對％μo，由圖1或表2可知24.7Oe,％μo>75％,符合要求。
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