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滤波扼流圈设计方法
' e( `# ?6 z; ^# b在电子设备中，将交流电经整流后得到脉动直流电，为了获得平滑的直流电流，必须采用电容滤波或电感滤波，以减少整流后的纹波电压，虽然许多小功率的整流电路，只需在整流后并联上一只大容量的电解电容器，即可满足要求。但对直流负载功率达几百瓦的整流电路，单靠电容器滤波是不够的，因为加大电容器的容量，它的体积也要增大，另外，当负载电流变化时，直流电压的波动也会增大，输出特性变差。如果在整流后采用一个滤波扼流圈，与电容器配合接成π形滤波电路，或者接成倒L形滤波电路，那么，滤波效果要好得多了，见图1所示。5 U3 E" x3 x; q2 }0 P
% D- B N" ?+ @' c" f
& j" H# n6 h) h, Y
* Y6 p' e' D# q9 x; q1 ?8 u如何确定滤波扼流圈的电感量 L？在图1中，先计算负载电阻 的阻值:! z/ b' P" _$ q* U% y" @, w- l* v: Q
+ k, }9 _2 V% S. I3 j$ k5 E
(Ω)0 W. B3 t8 z! `( F% `
0 U# a( N! Q6 a/ F& T7 B那么，滤波扼流圈的电感量L可以根据负载电阻 的大小，按下式计算电感量L:* m; q: p$ P% @7 @- l! E
! ^) E/ ?9 u0 u A! e( b7 z3 v (亨)! O- M9 _, R2 v C- }
/ a2 O1 d; { x( i% i0 R/ @当电源频率f=50Hz时，则& y+ i( i# ]: b- W9 y. |3 s
" ^$ W; W7 g* R" [9 j0 D4 W (亨)3 P; R! \+ i R
* g' O9 d4 u. v, S8 F例如: 经整流、滤波后的负载电压为24V，直流电流I为5A。此时负载电阻 =4.8Ω。那么要求滤波扼流圈的电感量L:
" d9 f s# G+ k& a. R8 L
0 x/ C5 H& Z& j& o9 X8 m
, I K/ a: g% F
4 `3 G' U7 P' B3 Y% F. {7 E* I即电感量为5毫亨，直流电流为5A。
# o9 Q4 [9 \; R3 `2 N- s& {) e6 g! U j* a8 {" H, [) |6 f0 x
由于在滤波扼流圈中通过的是脉动直流电流，其中主要的是直流成分，也有少量的交流成分，即在交直流同时磁化下工作的。因此在铁芯中产生很强的直流磁通，甚至使铁芯中的磁通达到饱和状态。制造这样的扼流圈，在铁芯的磁路中都留有一定的空气隙lg以防止直流磁通的饱和。滤波扼流圈的铁芯体积V、线圈匝数N和空气隙lg，是由三个有相互关系的电气参数，即:电感量L、直流磁化电流I和线圈两端的交流的电压U~而决定的。
5 \; c- s; X- x) U0 U
$ c. T/ b7 @% X( I8 }- S滤波扼流圈的匝数、和通过的直流电流，因而在铁芯中产生直流磁通，同时在直流电流中还含有纹波电压，因此在铁芯中也含有一部分交变的磁通，它叠加在直流磁通上，见图2所示。
, j! J0 o2 H! [) G( _5 ^, ~
! [3 H8 y+ o% r8 `. M
+ U6 F. t5 ^2 s3 t7 C. M, _. v. U3 \3 f" Q
滤波扼流圈的磁路是由铁芯的磁路长度 和空气隙lg两部分组成。虽然磁路长度 极大于空气隙lg，但这两部分是不能直接相加的。因为这两部分的导磁率μ是不同的，在空气隙中的导磁率是1，而在铁芯中的导磁率视铁芯的饱和程度而定。磁路中有空气隙的，其有效导磁率μe一般在100~ 1000。
9 |# N( v* |% K+ b& i3 w' F! v2 u/ H- Z9 j; V3 y
在铁芯中的导磁率与空气隙中的导磁率两者比值极大，而空气隙对磁通的阻力很大。所以某个滤波扼流圈，当通过的直流磁化电流变动时，而电感量的变化很小，那么这种扼流圈称为线性扼流圈。& G" W5 _: P( U* g6 L
! n7 W! _3 L; w2 p5 t假如磁路中的空气隙lg很小,当直流磁化电流变动时，使电感量也引起变动，如通过的直流电流变小时，电感量L增大，当通过直流电流增大时，电感量L减小，（如音频乙类功率放大电路）。这种扼流圈则称为非线性扼流圈，又叫做摇摆扼流圈。+ m, ?4 n0 u; j5 `: b
/ H6 {5 d5 ^' U; ]滤波扼流圈铁芯体积V的大小，与 的乘积成正比例，所以设计时，先要按表一选定某一型号的铁芯，并求出 的比值，再从图3的曲线上求得 的对应值，此时即可计算绕组匝数N:
7 G1 t e- A8 b/ B! N4 f3 l4 i" ~8 X K2 [4 d- s7 u4 q
(匝)5 d9 g! b! x7 ]( N
`9 g9 z5 d6 ~
导线直径d也根据表一提供的电流密度J进行计算:
7 A1 v5 d, G5 {
+ p; m5 o. X& b* T% Q# r( a (mm)9 E5 |0 e2 _0 f+ g \% r a
; Q( V0 ~1 Q% p# X% K
现举例设计一个10mH、5Ad.c.的滤波扼流圈，用于50Hz整流电路上，电压降不大于1.5V。
2 }! S% V1 V( x
9 K, W9 {+ b" K- {计算步序:+ t$ o2 T' g" t! h) f% y
4 H7 @* `& }* s& r
1.计算 =0.01x =0.25- a# {! e, a" D- B
( I& c- Z+ V$ ^5 y1 A8 v在图3的中部区间内。
1 z1 Z5 N F" h5 q0 u
7 W1 D' J7 g+ O2.按表1选择铁芯，并计算 选择EI26×28，铁芯体积V=108 代入下式:
# W2 D3 v7 C9 Z. V: _, [
$ R6 `! ?! E" q2 O! b9 J; N3 u6 L$ j # M! X/ e& V$ a5 Y1 d7 z: t
7 k9 U6 D' G1 |$ K% k然后在图3的纵座标上，找到23× ，并找到对应的H值为40。% j, M+ i) `+ S1 j# E. D
3 e: l8 A: p+ L' L+ ^ % m( ^6 K7 R3 o
0 ^7 b& r' }0 V) ?; b `
3.计算线圈匝数
# d" Y3 G/ A3 l, d7 L4 }; d
& c4 H! ~" w" T0 S8 d. @因为H= =40
" B5 | Y A. _! q4 ]8 G
$ X8 v' I3 e! ?& i, X0 }/ Q1 N" `所以N= =125圈- b( _* e1 e! g* H( D4 M3 w g, E
- a$ J5 k9 O' w1 T4 G4.计算导线直径d4 j6 Z% h/ w+ _5 e' o1 g
, \* B% D1 h8 s' P7 i =1.35 mm
4 d8 R& Q* G1 E9 r, ^& r. \- A8 g7 I& v5 {- u% Y
按线规表选择 QE-1.32 漆包线。6 I+ E3 I# j7 `+ ]( K
) L& ^- C) A: s) Q) N* f) q. P
5.表一中所列的铁芯系列，是变压器厂常用的规格，一般都配有塑料骨架，本例中QE-1.32漆包线绕125圈，正好能绕在EI-26×28的骨架上，线圈厚度为10mm。
- y% n& I2 ^ ?' J/ Z3 M I/ a. X6 {+ f8 m0 l7 t4 e
6.平均匝长lo, w# J9 _$ x2 {. }! P# B
% \5 W% e7 D7 r8 S4 o: @lo=2×(29+31)+10π=151 mm: Y* E {- s6 D, T1 m. s
& i7 `1 o A, h! D- P, a, q. |
7.导线总长L
" Z7 D% K! F7 Z" z4 f; d; G" h; x1 N* R# {
L=Nlo=125×0.151=18.9m* Z5 L' y; j$ k7 Q( w6 g6 m2 U
2 B6 ]* ]" C1 K' a4 a* X% }1 G
8.直流电阻R20℃) z2 v3 C5 n {' n6 b
- o' M$ S, v. O1 F& @2 s" n
- J; K' r. r: A) k0 f2 T d( f f7 Q2 h3 U5 Y8 y
9.电压降Ur
& ^- Z4 y% R& @, R) X6 m6 |+ F; |- ` G2 n- a' E% M3 E8 g
Ur=I =5×0.242=1.21V) |; F, M- S4 b$ b3 I
3 X1 c7 J) i1 k! T7 P4 q7 i! F! N此电压降Ur接近并小于预定值1.5V，比较合适。如果计算Ur值大于预定值。则应重选大一号的铁芯。减少圈数，增大导线直径。如果客户对Ur未提出要求。也应以表一提供的电流密度J计算导线直径，若设计时J取得偏高，则导线偏细，线包温升就会偏高。- u6 e: @6 [8 ?4 `& t9 f8 r! Z
; j# ^: K% [9 j/ L# {3 Z
10.空气隙lg
- V0 c) _( v' X; k
# n: ~- [/ w9 Q9 G在图3的曲线上，本例计算正好在两个点0.004~0.005之间，可取0.0045 =lg，由于EI型铁芯磁路中要遇到两个空气隙，所以计算空气隙时应除以2lg= =0.35mm" W, M2 v" N% h
! f& U/ |8 Y' Q0 C$ O: K即在装配铁芯时，在EI型铁芯之间垫以0.35mm厚的绝缘纸板，由于铁芯材质不同，导磁率也有高低，在测试时，可调整空气隙的大小，以达到需要的电感量。
/ {- B. j( l. M% y% h* D( Q4 R3 b: ]/ Q k
' A9 y3 D3 W7 ]- h
0 \) }: x; r) {现将EI16×24铁芯滤波扼流圈参数列于表二、EI26×28铁芯滤波扼流圈参数列于表三中，供设计时参考。 |
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发表于 2008-8-25 21:54
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