磁珠的工作原理

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硬件工程师炼成之路    2020-12-25    732

  磁珠在电路中也是用得非常多的,下面是一些经常会看到的知识点,或者说是经验吧。

  ①电感的单位是亨H,磁珠的单位是欧姆Ω

  ②电感是储存能量的,磁珠是通过发热来消耗能量的

  ③磁珠是用来吸收超高频信号,多用于信号回路及EMC对策

  不知道同志们想过没有,这些结论是怎么来的呢?要理解这些,就需要知道磁珠的工作原理,而知道了磁珠的工作原理,这些也就是理所当然的事情了。

  磁珠的工作原理

  总的来说,磁珠跟电感的原理基本是一样的,很多厂家也把磁珠归为电感一类。那么他们的区别在哪儿呢?

  先来看我们使用两者器件的目的:我们一般使用电感,总希望他是理想电感,损耗越小越好。而我们使用磁珠,就是要利用其损耗,来消掉我们不需要的高频分量。

  我们先前有讲过电感的损耗,分为铜损和铁损,铜损指直流导通电阻,一般不会大。而铁损就是指磁芯损耗了,主要包括磁滞损耗和涡流损耗。而这两者主要与磁芯的材质种类有关。下面来看看磁珠是怎么利用磁滞损耗和涡流损耗来工作的。

  下面是最简单的磁珠模型:

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  电流流过导线,会产生围绕导线的环形磁场,在导线上套上一个磁导率比较大的磁环,磁环内部就会有比较大的环形磁场B。如果电流是变化的,那么磁场B也是变化的。根据电磁感应定律,变化的磁场产生电场,并且这个电场是环形的电场。如上图所示,会在红色截面上产生环形的电场。这是如果磁环的电阻率不是无穷大,那么环形的电场就会产生环形的电流,也就是产生热量了,这个损耗叫涡流损耗。

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  我们实际中常用的磁珠是上面这种贴片式结构的,一样也是会有涡流损耗,道理跟上面差不多。

  磁滞损耗如何理解呢?

  磁芯在外磁场的作用下,材料中的一部分与外磁场方向相差不大的磁畴发生了‘弹性’转动,这就是说当外磁场去掉时,磁畴仍能恢复原来的方向;而另一部分磁畴要克服磁畴壁的摩擦发生刚性转动,即当外磁场去除时,磁畴仍保持磁化方向。因此磁化时,送到磁场的能量包含两部分:前者转为势能,即去掉外磁化电流时,磁场能量可以返回电路;而后者变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉,这就是磁滞损耗。

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  上图为典型的磁滞曲线,从前面磁滞损耗的理解来看。剩磁Br越小,那么磁畴的刚性转动越少,损耗就越小。或者说磁滞损耗正比于磁滞回线包围的面积。

  关于磁珠的损耗,我请教过相关电感生产厂家,磁滞损耗占大头。

  小结

  其实,上面说的涡流损耗,磁滞损耗,在前几期讲电感,讲磁芯时已经介绍过了,电感的损耗也是这些。电感和磁珠,本质上没什么区别。电感和磁珠的曲线,其实是差不多的,都是倒“V”型的

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  只不过因为使用目的的不同,电感我们一般让其工作在感性区域,也就是远离谐振频率的频段,因此,它的单位是H。而磁珠工作在阻性区域,也就是谐振频率附近,因此他的单位是欧姆。

  或者这么说,电感和磁珠,如果用数学公式表示阻抗的话,都是Z=R+jX。

  电感,工作在X远大于R的频段,也就是X占大头,此时X主要是感抗,那么单位不就是亨了么。既然X分量占大头,R分量很小,因为只有R才能消耗能量,那就主要是储能的作用了。

  磁珠,主要工作在R大于X的频段,R占大头,那么单位不就是欧姆了么。因为X分量占小头,储能很少,所以我们说磁珠主要是通过发热消耗能量的。

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