纯电感电路及LC、RL电路详解(电子线路).ppt

第5章 纯电感电路及LC、RL电路详解,本章主要介绍磁路的一些基本概念，认识电感器及电感器的特征，简单介绍了磁路的基本定律，要学会电路的一般分析方法，学会分析纯电感电路和由电感、电容器、电阻器三种元件组成的混合电路。电感器虽然在电子电路中使用的量少，但是对它的电路分析有时会相当困难。,本章提要,本 章 内 容,5.1 电磁学基本概念 5.2 认识电感器 5.3 电感器的主要特征 5.4 电感电路详解 5.5 LC谐振电路详解 5.6 RL暂态电路详解 5.7 RL移相电路详解,本 章 教 学 目 标,能认识电感器和其主要特征 能掌握正确检测电感器的方法 会分析电感电路、 LC谐振电路详解、 RL暂态电路、RL移相电路。,教学重点与难点： 能掌握正确检测电感器的方法,5.1 电磁学基本概念,(1) 磁性和磁体 能够吸引金属等物质的性质称为磁性，具有磁性的物体叫磁体。 (2) 磁极 磁铁两端磁性最强的区域称为磁极。 (3) 磁力 S极与N极之间存在着相互吸引力，这一作用力称为磁力。,5.1.1 常用概念,(4) 磁场 磁体周围存在的磁力作用的空间称为磁场。 (5) 磁力线 为了方便和形象地描述磁场，就人为地引入磁力线。 (6) 磁力线说明 磁力线是闭合的，又是有方向的，规定在磁体外部，由N极指向S极，内部则由S极指向N极。 磁力线的方向可以用来表示磁场方向，可以表示磁场强度。还可以称为磁感线或磁通线。,5.1 电磁学基本概念,电流周围存在磁场。磁场总是伴随着 电流而存在，电流永远被磁场所包围。 （1） 直导线电流磁场 （2） 环形电流磁场,5.1.2 电流磁场,5.1.3 磁通和磁感应强度,（1） 磁通 通过与磁场方向垂直的某一截面积上的磁力线总数。,适用条件:,匀强磁场, B S,单位:韦伯,简称韦(Wb),5.1.3 磁通和磁感应强度,（2） 磁感应强度 垂直通过单位面积上的磁力线数，称为磁感应强度。B /S,说明： 磁感应强度也称磁通密度。 磁感应强度是一个矢量，不仅表示了磁场中某点的磁场强弱，也表示了该点磁场的方向。 磁场中各点的磁感应强度大小和方向都相同时，称为均匀磁场。,（1） 磁介质的磁化 有些物质放在磁场中会显示出磁性能，产生附加磁场，这种现象称为物质的磁化，把这种能够被磁化的物质，称为磁介质。 磁介质按其性能可以分成三大类：反磁性物质、顺磁性物质和铁磁性物质。,5.1.4 磁导率和磁场强度,（2） 磁导率 磁导率是反映磁介质导磁性质的物理量。用表示，单位为亨利/米（H/m）。真空的磁导率用0来表示，经实验测定：公式 0=410-7H/m 把其它磁介质的磁导率与真空的磁导率的比值称为相对磁导率。用r来表示，那么，公式 r=/0 反磁性物质，r1；顺磁性物质，r1；铁磁性物质，r1。,5.1.4 磁导率和磁场强度,（3）磁场强度 把用来表达磁场强弱的物理量，称为磁场强度，用H来表示，单位为安/米（A/m）。磁场强度只与产生磁场的宏观传导电流大小及导体的形状有关，而与磁介质无关。 磁场中某一点磁感应强度B与磁场中磁介质磁导率的比值，就是该点磁场强度H。,5.1.4 磁导率和磁场强度,（1）磁化 凡是使原来没有磁性的物质，具有磁性的过程称为磁化。 （2）磁性材料 软磁材料：磁化后保留磁性的能力差，不能用来作为磁记录材料。 硬磁材料：磁化后保留磁性的能力强，比如：录像带、录音带。 矩磁材料：只要有很小的磁场就能磁化，但一经磁化就能达到饱和。,5.1.5 磁化、磁性材料和磁路,我们把由铁磁物质组成的，能使磁通集中通过的路径称为磁路。把沿铁心闭合的磁通称为主磁通，用表示；把经过铁心外闭合的磁通称为漏磁通，用s表示。,5.1.5 磁化、磁性材料和磁路,5.1.6 电磁感应和电磁感应定律,电流能够产生磁场，人们很自然会利用逆向思维思考：既然电流能够产生磁场，反过来，磁场是不是也能产生电流呢？,法拉弟开始设想：把绕在磁铁上的导线和电流表连接起来组成一个闭合电路，结果发现指针不偏转，不能产生电流，换用强的磁铁或换用更灵敏电流表，也没有电流（电路图）。,怎样才能产生电流呢？,实验结论一：闭合电路的一部分在磁场中做切割磁力线运动时，导体中会产生电流。,实验一,实验二,实验结论二：不论是导体运动，还是磁体运动，只要闭合电路的一部分导体切割磁感线，电路中就有电流产生。,实验三,实验结论三：A螺线管中的磁场发生变化时，闭合电路B中磁通量发生变化，闭合电路B中就有电流发生。,三个实验有个共同特点：,穿过闭合回路的磁通量均发生变化，这样产生了电流。 总结 不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化， 闭合电路就有电流产生。,电磁感应现象： 利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应，产生的电流叫感应电流。 产生感应电流的条件 。 穿过闭合回路的磁通量发生变化。,5.1.6 电磁感应和电磁感应定律,（2） 电磁感应定律 定律内容：感应电动势的大小与穿过线圈磁通的变化率成正比，即磁铁插入线圈中的速度愈快，磁通变化率愈高。 此定律只能说明感应电动势的大小，不能说明感应电动势的方向。,5.1.6 电磁感应和电磁感应定律,（3） 楞次定律 定律内容：“线圈中磁通变化会引起感应电动势，它的方向总是企图使其产生的感应电流阻碍原磁通的变化。”即：原磁通增加，感应电动势企图产生的新磁通的方向与原磁通方向相反；原磁通减少，感应电动势企图产生的新磁通的方向与原磁通方向相同。,5.1.6 电磁感应和电磁感应定律,5.1.7 自感和互感现象,1.自感 如图所示，闭合线圈通以电流后在其周围产生磁通，磁通的变化可以使其周围的线圈产生感应电动势。当线圈中的电流发生变化时，由于线圈自身电流变化而使线圈自身产生的感应电动势，称为自感电动势。,5.1.7 自感和互感现象,5.1.7 自感和互感现象,1.自感 说明： （1）自感电动势与线圈本身的电感量成正比关系。 （2）自感电动势还与线圈中电流的变化率成正比关系。 （3）对某一个具体线圈而言，L的大小反映了线圈产生自感电动势的能力。 （4）线圈中通过单位电流所产生的自感磁链称为自感系数。,2. 互感电动势的产生 现有两个相邻的线圈，如图所示。当其中一个线圈的电流变化时，必然使通过相邻线圈的磁通发生变化，从而在相邻的线圈内产生感应电动势，这个感应电动势被称为互感电动势。而这两个相邻线圈被称为耦合线圈。,5.1.7 自感和互感现象,3.互感线圈的同名端 如图所示。把这种在同一变化电流的作用下，感应电动势极性相同的一端叫同名端，感应电动势极性相反的一端叫异名端。,5.1.7 自感和互感现象,4.互感线圈的联接 互感线圈的串联及化简 互感线圈的串联有两种形式,把两个互感线圈的异名端串联在一起，叫做顺向串联，如图 (a)所示。把两个互感线圈的同名端串联在一起，就叫做反向串联，如图 (b)所示。,5.1.7 自感和互感现象, 互感线圈的并联 两个互感线圈的并联也有两种形式，两个互感线圈并联时,同名端在同一侧的，叫做同侧并联，如图 (a)所示。两个互感线圈异名端在同一侧的，叫做异侧并联，如图 (b)所示。,5.1.7 自感和互感现象,5.1.8 自感电动势极性的判别方法,注意： （1）自感电动势产生的电流总是阻碍原电流的变化。当原电流增大时，自感电动势产生的电流要使之减小； 当原电流减小时，自感电动势产生的电流要使之增大。 （2）自感电动势产生在线圈两端，线圈两端的内部是自感电动势的内电路，在内电路中自感电动势所产生的电流是从负极流向正极。,当电感中通过直流电流时，其周围只呈现固定的磁力线，不随时间而变化；当在线圈中通过交流电流时，其周围将呈现出随时间而变化的磁力线。根据法拉弟电 磁感应定律磁生电来分析，变化的磁力线在线圈两端会产生感应电势，此感应电势相当于一个“新电源”。当形成闭合回路时，此感应电势就要产生感应电流。由楞次定律知道感应电流所产生的磁力线总量要力图阻止原来磁力线的变化的。由于原来磁力线变化来源于外加交变电源的变化，因此电感线圈有阻止交流 电路中电流变化的特性。在电学上取名为“自感应”，通常在拉开闸刀开关或接通闸刀开关的瞬间，会发生火花，这就是 自感现象产生很高的感应电势所造成的。,总结,总之，当电感线圈接到交流电源上时，线圈内部的磁力线将随电流的交变而时刻在变化着，致使线圈不断产生电磁感应。这种因线圈本身电流的变化而产生的电动势 ，称为“自感电动势”，由此可见，电感量只是一个与线圈的圈数、大小形状和介质有关的一个参量，它是电感线圈惯性的量度而与外加电流无关。 在电子线路中，电感线圈对交流有限流作用，它与电阻器或电容器能组成高通或低通滤波器、移相电路及谐振电路等；变压器可以进行交流耦合、变压、变流和阻抗变换等。 电容：充放电原理，通交阻直特性，电压不突变，耦合、旁路、滤波等作用。 电感：电磁感应原理，通直阻交特性，电流不突变，滤波、振荡、延迟、陷波等作用。,总结,5.2 认识电感器,5.2 认识电感器,1.电感器的作用与电路图形符号 （1）电感器的电路图形符号 电感器是用漆包线、纱包线或塑皮线等在绝缘骨架或磁心、铁心上绕制成的一组串联的同轴线匝，它在电路中用字母“L”表示，下图是其电路图形符号。 （2）电感器的作用 电感器的主要作用是对交流信号进行隔离、滤波或与电容器、电阻器等组成谐振电路。,电感器也是一种储能元件，它能把电能转变为磁场能，并在磁场中储存能量。电感器用符号L表示，它的基本单位是亨利（H），常用毫亨（mH）为单位。它经常和电容器一起工作，构成LC滤波器、LC振荡器等。另外，人们还利用电感的特性，制造了阻流圈、变压器、继电器等。 电感器的特性恰恰与电容的特性相反，它具有阻止交流电通过而让直流电通过的特性。,5.2 认识电感器,2.电感器的种类 （1）按结构分类 电感器按其结构的不同可分为线绕式电感器和非线绕式电感器（多层片状、印刷电感等），还可分为固定式电感器和可调式电感器。按贴装方式分：有贴片式电感器，插件式电感器。同时对电感器有外部屏蔽的成为屏蔽电感器，线圈裸露的一般称为非屏蔽电感器。 固定式电感器又分为空心电子表感器、磁心电感器、铁心电感器等，根据其结构外形和引脚方式还可分为立式同向引脚电感器、卧式轴向引脚电感器、大中型电感器、小巧玲珑型电感器和片状电感器等。 可调式电感器又分为磁心可调电感器、铜心可调电感器、滑动接点可调电感器、串联互感可调电感器和多抽头可调电感器。,5.2 认识电感器,（2）按工作频率分类 电感按工作频率可分为高频电感器、中频电感器和低频电感器。 空心电感器、磁心电感器和铜心电感器一般为中频或高频电感器，而铁心电感器多数为低频电感器。 （3）按安装形式分类 有立式电感器、卧式电感器和小型固定电感器等 。 2.图形符号,5.2 认识电感器,3.电感器的外形特征,5.2 认识电感器,供电方面，主板提供6相的供电设计，滤波电容为日系固态电容，扼流电感器采用高品质的R50铁素体电感，每相位供电的开关部分是3颗4841NH超低内阻场效应管。,3.电感器的外形特征,5.2 认识电感器,主板供电部分采用4+1相供电设计，用料为全固态电容以及全封闭电感，并安装有散热模块，可为处理器提供稳定电流和更好的运行环境。,主板供电部分采用3相供电设计，每相搭配一个场效应管和一个全封闭电感，可为处理器提供稳定电流和更好的运行环境。,在供电部分其同样有着出色的表现，使用了红宝石和chemicon PS系列等高品质电解电容配合封闭式的电感器，给超频和长期稳定运行打下良好的根基。,3.电感器的外形特征,5.2 认识电感器,屏蔽式 电感线圈,3.电感器的外形特征及主要参数,5.2 认识电感器,3.电感器的外形特征及主要参数 电感器的主要参数有电感量、允许偏差、品质因数、分布电容及额定电流等。 （1）电感量：也称自感系数，是表示电感器产生自感应能力的一个物理量。当通过一个线圈的磁通(即通过某一面积的磁力线数)发生变化时，线圈中便会产生电动势，这是电磁感应现象。所产生的电动势称感应电动势，电动势大小正比于磁通变化的速度和线圈匝数。当线圈中通过变化的电流时，线圈产生的磁通也要变化，磁通掠过线圈，线圈两端便产生感应电动势，这便是自感应现象。自感电势的方向总是阻止电流变化的，犹如线圈具有惯性，这种电磁惯性的大小就用电感量L来表示。L的大小与线圈匝数、尺寸和导磁材料均有关，采用硅钢片或铁氧体作线圈铁芯，可以较小的匝数得到较大的电感量。 （2）允许偏差：指电感器上标称的电感量与实际电感的允许误差值。振荡或滤波等电路要求精度较高，耦合、高频阻流等线圈的精度要求不高，允许偏差为10%15%。,5.2 认识电感器,3.电感器的外形特征及主要参数 （3）品质因数：也称Q值或优值，是衡量电感器质量的主要参数。它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比即：Q=2L/R电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。 （4）分布电容：线圈的匝与匝之间、线圈与磁心之间存在的电容。电感器的分布电容越小，其稳定性越好。 （5）额定电流：电感器正常工作时允许通过的最大电流值。若工作电流超过额定电流，则电感器就会因发热而使性能参数发生改变，甚至还会因过流而烧毁。,5.2 认识电感器,4.电感器的工作原理和电感量单位 （1）通电后的电感器工作原理 当给线圈中通入交流电流时，在电感器的四周要产生交变磁场 ，磁场变化规律与所通入的交流电流的变化规律一样。 当给线圈中通入直流电流时，在电感器的四周要产生大小和方 向不变的恒定磁场。例如：录音机中的录音磁头和抹音磁头。 （2）交变磁场中电感器工作原理 在交变磁场中的电感器会产生感应电动势。例如：录音机中的 放音磁头。,5.2 认识电感器,4.电感器的工作原理和电感量单位 （3）电感量 电感器的电感量大小与线圈结构有关，线圈的匝数愈多，电感 量愈大；在相同的匝数情况下，加磁心后的电感量增大。 L /I L为电感量(H)， 为自感磁通（Wb），I为流为电感器的电流(A) （4）电感量的单位 单位为亨，用H表示。 1mH=1000H 1H=1000mH=1000000H,5.2 认识电感器,5.电感器的检测 （1）色码电感器的的检测 将万用表置于R1挡，红、黑表笔各接色码电感器的任一引出端，此时指针应向右摆动。根据测出的电阻值大小，可具体分下述三种情况进行鉴别： A.被测色码电感器电阻值为零，其内部有短路性故障。 B.被测色码电感器直流电阻值的大小与绕制电感器线圈所用的漆包线径、绕制圈数有直接关系，只要能测出电阻值，则可认为被测色码电感器是正常的。,5.2 认识电感器,开路检测电路中的贴片电感器,5.2 认识电感器,开路检测电路中的磁环电感器,5.2 认识电感器,6.电感器的故障与维修 （1）常见故障 绝缘皮脱焊；虚焊。 （2）代换原则 根据电感的大小、线圈的多少、铜线的粗细来 更换（即要一模一样的）。 （3）注意保险电感是FB作为标记。,5.2 认识电感器,5.3 电感器的主要特性,1.电感器的感抗特性和通直流特性 （1）感抗特性 电感器对流过它的交流电流存在阻碍作用。由于电感线圈的自感电势总是阻止线圈中电流变化，故线圈对交流电有阻力作用，阻力大小就用感抗XL来表示。不难看出，线圈通过低频电流时XL小。通过直流电时XL为零，仅线圈的直流电阻起阻力作用，因电阻：般很小，所以近似短路。通过高频电流时XL大，若L也大，则近似开路。线圈的此种特性正好与电容相反，所以利用电感元件和电容器就可以组成各种高频、中频和低频滤波器，以及调谐回路、选频回路和阻流圈电路等。 XL2L （2）通直流特性 是指电感器对直流电流而言呈通路状态。因为只有 线圈本身的电阻对电流有阻碍作用，不存在感抗， 而直流电阻很小，可忽略。,2.电感器的电励磁特性和磁励电特性 （1）电励磁特性 无论何种电流流过线圈时，均能在四周产生磁场。 磁场的大小和方向与电流的特性有关。 （2）磁励电特性 当电感在一个有效的交变磁场中时，线圈在磁场的 用下要产生感应电动势，这就是磁励电的过程。 上述特性可应用于电动式传声器、电动式扬声器、 各种磁性记录磁头等。 3.电感器电流不能突变和电容器两端电压不能突变特性,5.3 电感器的主要特性,5.4 电感电路详解,1.电感串联电路 各电感器之间磁路隔离时，串联后总电感量L为各串联电感之和。 电感器逆串联电路 由于是尾尾相连，两线圈产生的 磁场相互抵消了一部分，总电感 量减小。 电感器顺串联电路 由于电流是从两个线圈的同名端流入或流出，产生的磁场被加强， 总L增大。,电感电路的作用：滤波、谐振、选频、信号耦合、信号延时、相位移动和阻抗匹配。,2.电感并联电路 两只具有互感的电感并联电路，顺并联时的等效电感量大 于逆并联的等效电感量。,5.4 电感电路详解,电感串联电路中的电感量愈串联愈大，有直流电流通过，有交流电流流过，但存在感抗，频率愈高感抗愈大。 电感并联电路中的电感量愈并联愈小，各支路都有直流电流通过，各支路都有交流电流流过，但存在感抗。,总结,5.5 LC谐振电路详解,5.5.1 LC并联谐振电路 1.LC并联谐振电路最常见的应用是构成选频电路或选频放大器； 2. LC并联谐振电路最主要用来构成吸收电路，用来构成在众多频率信号中将某一频率信号进行吸收，也就是进行衰减，将某一频率信号从众多频率中去掉； 3. LC并联谐振电路还可用来构成阻波电路，即从众多频率中阻止某一频率信号通过放大器或其他电路； 4. LC并联谐振电路还可以构成移相电路，用来对信号相位进行超前或滞后移动。,5.5 LC谐振电路详解,1.谐振定义：电路中L、C 两组件之能量相等，当能量由电路某一电抗组件 释出时，且另一电抗组件必吸收相同之能量，即此两电抗组件间会产生一能 量脉动。 2. 电路欲产生谐振，必须具备有电感器L及电容器C 两组件。 3. 谐振时其所对应之频率为谐振频率(resonance)，或称共振频率，以 fo表示。 4.无论是LC并联谐振还是LC串联谐振电路，其频率的计算公式相同，谐振频率又称固有频率，或自然频率。f0=1/(2*sqrt(L1*C1); 5. 品质因数Q值衡量LC谐振电路振荡质量的重要参数。Q=(2*f0*L1)/R1, R1为线圈L1的直流电阻，L1为谐振电路中电感；,5.5 LC谐振电路详解, 频点分析：输入信号频率等于该电路谐振电路谐振频率时，LC并联谐振电路发生谐振，此时谐振电路的阻抗达到最大，并且为纯阻性，Z0=Q2*R1,Q为品质因数，R1为线圈L1的直流电阻； 高频段分析：输入信号频率高于谐振频率f0时，LC谐振电路处于失谐状态，电路阻抗下降； 低频段分析：输入信号频率低于谐振电路f0时，LC并联谐振电路也处于失谐状态，谐振电路的阻抗也要减小。 信号频率低于谐振频率时，LC并联谐振电路的阻抗呈感性电路等效成一个电感（但不等于L1 ）。,5.5 LC谐振电路详解,谐振时电流最小特性 输入信号频率等于电路谐振频率f0时，此时电路阻抗为最大， 所以为频率f0的信号流过LC并联谐振电路的电流最小。 在其它频率下，因为LC并联谐振电路失谐之后阻抗迅速减小， 所以信号电流都有明显的增大，信号频率愈是偏离电路的谐振 频率，其信号电流愈大，而且Q值越大，增大的越迅速。 因此，在LC并联谐振电路发生谐振时，LC并联谐振电路与输入 信号源之间开路了。此时，电容C和电感L这两个并联元件之间 谐振，C和L之间进行电能和磁能的相互转换，这就是谐振现象。,5.5 LC谐振电路详解,5.5.2 LC串联谐振电路 串联谐振电路之条件如图所示：当QL=QC I2XL = I2 XC 也就是 XL=XC时，为LC 串联电路产生谐振之条件。 R - L -C 串联电路欲产生谐振 时，可调整电源频率f 、电 感器L 或电容器C使其达到 谐振频率f r ，而与电阻R 完全无关。,串联谐振电路阻抗与频率之关系如图所示： (1) 电阻R 与频率无关，系一常数，故为一横线。 (2) 电感抗 XL=2 fL ，与频率成正比，故为一斜线。 (3) 电容抗 与频率成反比，故为一曲线。 (4) 阻抗Z = R+ j(XL XC) 当 f = f r时， Z = R 为最小值，电路为电阻性。 当f f r时， XL XC ，电路为电感性。 当f fr 时， XL XC ，电路为电容性。 当f = 0 或f = 时, Z = ，电路为开路。 (5) 若将电源频率f 由小增大，则电路阻抗Z 的变化为先减后增。,5.5 LC谐振电路详解,总结,1.LC并联谐振电路谐振时阻抗为最大，而LC串联谐振则为最小。 2.对于LC并联谐振电路失谐时电路阻抗很小，对于f fr时，主 要是从电感支路通过，而对于f fr时，主要是从电容支路通过。 3.对于LC串联谐振电路失谐时电路阻抗很大，对于f fr时，主 要是电容C的容抗大了，而对于f fr时，主要是电感的感抗大了。,5.6 RL暂态电路,RL电路,回路电流变化过程,5.6 RL暂态电路,在t=0时，电路中的电流为零，在电阻R上的电压降为零。 所以电感上的电压等于电源电压E。 当开关转换后的瞬间，电流中的电流是稳定的，电感上的 电流不能发生突变，但随后，电流开始迅速减小，直至为 零。,5.7 RL移相电路,流过电感器的电流是滞后电感器上电压90度。,RL超前移相电路,RL滞后移相电路,