电感器是继电阻器和电容器之后的电子产品中广泛使用的无源组件。理想的电感器将能量存储在磁场中,并向负载提供平稳的输出电流。但是在实际电路中,电感器还包含一些与其电感特性相关的低值电阻。在直流电源流动或特定于0赫兹频率的过程中,电感器会为电流流动提供阻力。该直流电阻称为DCR,代表直流电阻。在本教程中,我们将了解有关DCR及其对电路性能的影响的更多信息。我们还将学习如何测量电感器的DCR值,以及如何在电感器的构建过程中降低其DCR值。
与电感器的DCR相似,电容器还具有与其相关的一些非理想参数,称为等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL),您可以阅读有关电容器中的ESR和ESL的文章,以了解更多有关电容器及其电阻的信息。在电路设计中的重要性。
什么是电感器中的DCR?
术语DCR代表直流电阻。该值表示当0Hz的直流信号通过时,电感器可以提供的电阻量。实际上,所有电感器都将具有与之关联的小DCR值。
下图显示了一个实用的电感器,它的实际电感与一个小的DC电阻(DCR)串联。此处的电感器符号代表电感,与之串联的电阻器是电感器的直流电阻。原则上,电感器为低频直流电流提供非常低的电阻,而为高频输入提供高电阻。
电感器的DCR取决于制作电感器所使用的线圈的电阻。线圈的电阻与用于形成线圈的导线的长度成正比,并且线圈的长度也与电感器的电感值成正比。因此,较高值的电感器施加高电阻,而较低值的电感器提供低电阻。较大的电感值需要比低值电感器更高的绕组数,从而增加了铜线的长度。电感器的DCR通常在远远小于1欧姆至3-4欧姆的范围内变化。
DCR的实际重要性
现在我们知道电感器的电阻值很小,但是这有什么问题呢?为什么在设计电路时考虑这么小的电阻值很重要?
DCR是一个电阻器,就像其他电阻两端都有压降一样,它会散热并降低效率。使用以下公式测量效率
Q = w(左/右)
其中,Q称为Q因子。L是感应电抗器,R是电感器在特定频率下的电阻。在给定频率下,感抗与电阻之比称为Q因子。这个Q因子在各种应用中至关重要。Q系数越高,效率越高。如果从理论上进行计算,则理想电感器的Q因子要比实际电感器高。在实际电感器中,此Q因子在DCR中是可靠的。
在应用方面,具有高Q值的电感器用于RF电路,其中与电容器并联使用以形成谐振储能电路。在这种情况下,电感器Q因子的高值有助于平衡在连续频带中工作的谐振电路的上,下频率。
在与电力电子相关的应用中,DCR的低值对于降低功耗和减小封装面积至关重要。具有低DCR的电感器将具有比具有高DCR值的电感器低的形状因数。电感器DCR的主要作用是线圈电阻导致的功耗。可以通过功率定律P = I 2 R来计算功耗,其中R等于电感器的直流电阻,I是流过它的电流。
如何测量电感器的DCR?
大多数人通过在电感器引线两端连接标准万用表来测量铜线的电阻,从而测量电感器的DC电阻(DCR)。对于大值电感器,它可能足够公平,因为那里的铜线足够大,可以产生高DCR值,可以通过典型的万用表分辨率来测量。
但是,对于较小值的电感器,直流电阻值太小(通常在毫欧范围内),无法通过标准的低成本万用表进行测量。此外,万用表的探头线也具有直流电阻,该电阻加起来等于DCR值,导致读数错误。因此,在电感器的DCR测量中存在一个通用问题。
测量电感器DCR值的实际方法是在导线上使用开尔文(Kelvin)感测路径,并在电感器上施加电流。由于电感器的DCR是铜线的直流电阻,因此会根据欧姆定律在电感器的端子上产生电压, V = I xR。 可以使用万用表测量该电压。显然,这种测量技术具有局限性。在进行测量之前,应注意以下几点。
- 电感的最大额定电流。电流不应超过电感器数据表中规定的最大电流额定值。
- 面包板不适合用于电感器DCR测量,因为面包板的连接也会导致噪声和电阻。
- 最好只使用带有测试点,电流输入和输出连接器以及元件垫元件固定夹具的适当PCB,以避免焊接。
下图显示了测量电感器DCR值的电路。此处显示的电感器是理想的电感器,直流电阻是等效的串联电阻。感测线是开尔文感测线。
假设此处使用的电感的额定连续电流为1A。因此我们这里的输入电流为1A。输入电流的值越高,所测量的DCR值的分辨率越高,但是如果您的电感器无法处理大电流,则也可以使用低值电流。
电流通过后,必须测量电感器两端的电压降。假设电感两端的压降约为50mV。然后,该电感器的DCR可以计算为
V = I x R R = V / I R = 0.05 / 1 R = 0.05欧姆
构造电感时如何降低DCR
电感器的DCR值没有明显的优势,因此选择低DCR值的电感器总是更好的选择。通常,在构造或设计电感器时,还应考虑DCR参数。电感器的DCR必须非常低,以使电感器不会阻塞直流电流。以下技术用于降低电感器的DCR值
1.电阻取决于铜线的长度和粗细。为了降低电感器的直流电阻,可以将多根导线并联缠绕,而不是单根导线缠绕。由于该连接,所得的电阻变小。考虑一根电阻值为x的单根铜线。如果多条这样的导线并联连接,由于并联电阻的输出等效电阻较低,因此等效电阻将降低。
2.增加铜线的横截面积会减小电感器的直流电阻。因此,较粗的导线有利于降低DCR。
3.另一种技术是使用扁平铜线代替圆形铜线。与圆线相比,扁线的面积大。这也有利于减小总电阻。
下图是使用扁线构造的电感器。制造商是Wurth Electronics,部件号是7443641000。根据数据手册,该电感器的电感为10uH,20摄氏度时的直流电阻为2.4毫欧。
4.电感数据手册提供了指定最大DCR值时的电感额定值。该值根据温度而变化。建议在给定的环境温度条件下使用电感器,以使其在最小DCR值区域内工作。
因此,电感器的DCR是一个重要因素,在设计任何电路时都应考虑到。