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ON1
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姷模O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撸愿静槐負(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)娏鳎热?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>
如果懶得看二極管的datasheet參數(shù),就用FR107吧,通吃一般應(yīng)用。
實(shí)踐示例:
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