電感和電感器

 

電感(inductor)是一個(gè)繞在磁性材料上的導(dǎo)線線圈(coil)，電感通以電流時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)(magnetic field)，磁場(chǎng)很懶，不喜歡變化，結(jié)果呢，電感就成為阻礙其電流(current)變化的元件。

 

如果流過電感的電流恒定，電感就很高興，不用對(duì)電子流出任何力(force)，此時(shí)的電感線圈就是普通導(dǎo)線。

 

如果我們想中斷電感中的電流，電感就會(huì)出力(電動(dòng)勢(shì)，EMF)，試圖維持其中電流。如果電感自身構(gòu)成回路，電路中又沒有電阻(resistance)，那么理論上，電子流永遠(yuǎn)在循環(huán)流動(dòng)。但是，除非我們采用超導(dǎo)體，否則所有的導(dǎo)線都對(duì)電流有阻礙作用，最終電感電流將衰減(decay)為零，且電阻越大，衰減越快。不過，感抗(inductance)越大，衰減則越慢。如圖1所示。

 

圖1 中斷電感電流時(shí)儲(chǔ)存的能量釋放

 

一旦電流變?yōu)榱?，由于電感總是試圖阻礙電流變化，此時(shí)它又想維持電路電流為零。

 

所以，當(dāng)我們把電感接入電路中時(shí)，電感馬上出力，試圖阻礙電流增加，但是電流還是慢慢在增加。電感感抗越大，電流增大的速度越慢。當(dāng)電流不再增加而到達(dá)穩(wěn)態(tài)值后，電感又樂不可支了，不用再出力了! 如圖2所示。

 

圖2 電感電路ON

 

當(dāng)我們切斷電感中的電流時(shí)，電感又出力想維持穩(wěn)態(tài)電流值。如果此時(shí)電感與一個(gè)電阻相連，則電阻兩端的電壓是其電阻值與電流的乘積。由于電感最大的本事就是阻止電流的突變，因此，不管電阻值是多少，在電路被切斷后的瞬間，電感中的電流與切斷前是一樣的。如果電阻值很大，則電流與電阻的乘積也非常大，結(jié)果，電感上會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的高電壓。如圖3所示。

 

圖3 電感電路OFF

 

由于電感中的電流不能突變，如果要切斷電感電路，我們總是需要提供電感電流釋放回路。假如沒有提供釋放回路，電感電流就會(huì)自尋通道，比如，通過空氣釋放，通過開關(guān)觸點(diǎn)或者其他不應(yīng)導(dǎo)電的元件釋放。短時(shí)間的高電壓將對(duì)電路產(chǎn)生極大的破壞。

 

電感器能夠產(chǎn)生高電壓的能力在電源設(shè)計(jì)時(shí)非常有用，但也意味著，在沒有準(zhǔn)備好釋放通路時(shí)不可以隨便切斷電感電路。

 

續(xù)流二極管

 

從圖中可以看出斷電時(shí)EMF產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓(數(shù)倍甚至數(shù)十倍于電源電壓)如果無處釋放，會(huì)對(duì)電路的其他元件造成損害，而如果提供釋放回路，又怎么能適時(shí)接通呢?即電感電路接通時(shí)，釋放回路不通，而電感電路斷開時(shí)釋放回路就接通。如圖4所示。

 

圖4 釋放回路接通的時(shí)機(jī)

 

電阻是雙向?qū)щ姷?，而二極管就具有單向?qū)щ娞匦?。因此我們采用如圖5所示的電路，圖中并聯(lián)在電感兩端的二極管稱為續(xù)流二極管(flyback diode或flywheel diode)。

 

圖5 續(xù)流二極管電路

 

續(xù)流二極管的作用

 

續(xù)流二極管通常和儲(chǔ)能元件一起使用，其作用是防止電路中電壓電流的突變，為反向電動(dòng)勢(shì)提供耗電通路。電感線圈可以經(jīng)過它給負(fù)載提供持續(xù)的電流，以免負(fù)載電流突變，起到平滑電流的作用!在開關(guān)電源中，就能見到一個(gè)由二極管和電阻串連起來構(gòu)成的的續(xù)流電路。這個(gè)電路與變壓器原邊并聯(lián)。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，續(xù)流電路可以釋放掉變壓器線圈中儲(chǔ)存的能量。

 

續(xù)流二極管工作原理圖

 

BUCK電路中續(xù)流二極管的選擇

 

BUCK電路圖

 

BUCK電路中一般選擇快速恢復(fù)二極管或者肖特基二極管來作為"續(xù)流二極管"，它在電路中一般用來保護(hù)元件不被感應(yīng)電壓擊穿或燒壞，以并聯(lián)的方式接到產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的元件兩端，并與其形成回路，使其產(chǎn)生的高電動(dòng)勢(shì)在回路以續(xù)電流方式消耗，從而起到保護(hù)電路中的元件不被損壞的作用。

 

理論上二極管選用至少2倍于最大電流，實(shí)際使用時(shí)，由于二極管的瞬間抗過載能力較強(qiáng)，使用最大電流50A的超快速二極管也行，加上合理的散熱片，實(shí)際使用中一般少有損壞。導(dǎo)通時(shí)的總阻抗是 電機(jī)內(nèi)阻+驅(qū)動(dòng)管等效內(nèi)阻。續(xù)流時(shí)的總阻抗是 電機(jī)內(nèi)阻+續(xù)流二極管等效內(nèi)阻。一般情況下，由于續(xù)流二極管的交流等效內(nèi)阻要比驅(qū)動(dòng)三極管的交流等效內(nèi)阻小。所以常規(guī)設(shè)計(jì)，一般續(xù)流二極管的最大電流，取二倍于電機(jī)最大電流。

 

瞬態(tài)電流只是一瞬間，面接觸型二極管的抗過載能力還是可以的，只要不過壓即可，必要時(shí)串個(gè)小阻值電阻進(jìn)行限流。續(xù)流二極管是為了保護(hù)開關(guān)器件，續(xù)流時(shí)的瞬態(tài)電流跟電機(jī)的工作電壓和繞組內(nèi)阻有關(guān)，跟電機(jī)功率無關(guān)，真要計(jì)算的話，瞬態(tài)電流的峰值是反向自感電壓減去二極管結(jié)壓降再除以回路電阻。這里之所以還要用一定電流以上的二極管是因?yàn)榈蛪捍蠊β孰姍C(jī)的繞組內(nèi)阻較低，所以瞬態(tài)電流會(huì)比較大，串個(gè)小阻值電阻就可以抑制峰值電流，因此造成的開關(guān)管瞬態(tài)加壓的些許上升因?yàn)楣ぷ麟妷罕緛砭筒桓?，所以根本不必?fù)?dān)心，現(xiàn)在的晶體管耐壓至少都在50V以上。

 

繼電器續(xù)流二極管的選擇

 

 

繼電器并聯(lián)的二極管，不是什么BUCK電路中的續(xù)流二極管，由于繼電器線圈的是感性負(fù)載，作用是吸收驅(qū)動(dòng)三極管在斷開時(shí)繼電器線圈的自感電壓，根據(jù)楞次定律，電感上的電流在減小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自感電壓，這個(gè)電壓的方向是正電源端為負(fù)，驅(qū)動(dòng)管集電極為正，這個(gè)電壓會(huì)擊穿三極管，所以在繼電器上并聯(lián)一個(gè)吸收二極管，吸收這個(gè)自感電壓。

 

第一，電路ms級(jí)以下時(shí)間參數(shù)對(duì)機(jī)械觸點(diǎn)影響給予忽略

第二，即便是1N4000反向恢復(fù)時(shí)間也遠(yuǎn)低于ms，正向?qū)〞r(shí)間更小

第三，驅(qū)動(dòng)管極間電容，繼電器寄生電容足以使高速二極管無用武之地

第四，電感儲(chǔ)能的消耗主要依靠饒組電阻，一般處于過阻尼狀態(tài)

 

對(duì)于圖中的開關(guān)，我們經(jīng)常使用晶體管。如圖所示，用一個(gè)晶體管TR1去控制繼電器線圈(relay coil)的導(dǎo)通，繼電器觸點(diǎn)再去控制負(fù)載電路。

 

 

繼電器線圈的續(xù)流電路

 

二極管負(fù)極接直流電源正極，繼電器線圈斷電時(shí)，二極管因勢(shì)利導(dǎo)，為線圈高電壓提供釋放途徑。如果沒有續(xù)流二極管，晶體管斷開時(shí)在線圈兩端產(chǎn)生的高電壓將對(duì)晶體管電路造成極大的損壞，此時(shí)續(xù)流二極管起到了保護(hù)作用。

 

為此，經(jīng)常將二極管直接和繼電器做在一起，如圖所示。

 

 

觸點(diǎn)的保護(hù)電路一

 

般感性負(fù)載比電阻性負(fù)載更容易使觸點(diǎn)受到損作，如果使用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路可以使感性負(fù)載對(duì)觸點(diǎn)的影響與電阻性負(fù)載基本相當(dāng)，但請(qǐng)注意如果不正確使用，可能會(huì)產(chǎn)生反效果。

 

下表是觸點(diǎn)保護(hù)電路的代表性例子。

 

 

 

注意請(qǐng)避免下表中所列的觸點(diǎn)保護(hù)電路。

 

 

續(xù)流二極管的電路

 

 

續(xù)流二極管應(yīng)該加到感性負(fù)載的兩端，這里說的感性，就是具有電感特性，而不是性感。感性負(fù)載的特性就是電流不能突變，也就是說，不可能一下子就沒了，也不可能一下子就有了，需要有個(gè)過程。

 

常見的感性負(fù)載有繼電器線圈、電磁閥。

 

為什么要加續(xù)流二極管

 

感性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向和加在它兩端的電壓方向是相反的，當(dāng)感性負(fù)載突然斷電，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)還在，由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與原來的電壓方向相反，在沒有斷電的時(shí)候，還有原來的電壓與之抵消，斷電后就沒有與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)抵消的電壓了，這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就有可能造成電路中的元器件損壞，加個(gè)二極管以后，這個(gè)二極管正好與感性負(fù)載形成了一個(gè)閉合回路，回路中的電流方向正好和二極管是正向?qū)ǖ?，就可以釋放感?yīng)電動(dòng)勢(shì)的電流了。

 

 

可以作為續(xù)流二極管的型號(hào)

 

普通二極管如1N4007就可以作為續(xù)流二極管，不過，最好是用快速恢復(fù)二極管或者肖特基二極管。

 

快速恢復(fù)二極管可以用：FR107、1N4148

 

肖特基二極管可以用：1N5819

 

看二極管datasheet的什么參數(shù)

 

二極管的耐壓，就是反向能加多大電壓，你可以看到，續(xù)流二極管在電路中是反向連接的。比如你的電路中，線圈加的是12V，那么你的二極管方向耐壓值就必須要大于12V才行。不過一般的二極管反向耐壓值都非常高。

 

二極管的最大正向?qū)娏?，比?N4148最大正向?qū)娏魇?50mA，那么如果你的線圈電流太大，就會(huì)燒壞續(xù)流二極管。所以1N4148只適合小電流的線圈保護(hù)，比如5V的繼電器。

 

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

 

凡是電路中的繼電器線圈兩端和電磁閥接口兩端都要接續(xù)流二極管。接法如上面的圖，二極管的負(fù)極接線圈的正極，二極管的正極接線圈的負(fù)極。不過，你要清楚，續(xù)流二極管并不是利用二極管的反方向耐壓特性，而是利用二極管的單方向正向?qū)ㄌ匦浴?/div>