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电感和电动势有什么关系? 

在电路学里,电动势(英语:electromotiveforce,缩写为EMF,或以{\displaystyle{\mathcal{E}}}{\数学{E}}表示)表征一些电路元件供应电能的特性。这些电路元件称为“电动势源”。电化电池、太阳能电池、燃料电池、热电装置、发电机等等,都是电动势源。电动势源所供应的能量每单位电荷是其电动势[1]。假设,电荷{\displaystyleQ\,}Q\,移动经过一个电动势源后,获得了能量{\displaystyleW\,}在\,,则此元件的电动势定义为{\displaystyle{\mathcal{E}}={\frac{W}{Q}}}{\mathcal{E}}={\frac{W}{Q}}。

通常,这能量是分离正负电荷所做的功,由于这正负电荷被分离至元件的两端,会出现对应电场与电势差。在电磁学里,电动势又分为两种:“感生电动势”(InducedEMF)与“动生电动势”(MotionalEMF)。根据法拉第感应定律,处于含时磁场的闭电路,由于磁场随着时间而改变,会有感生电动势出现于闭电路。感生电动势等于电场沿着闭电路的路径积分。处于闭电路的带电粒子会感受到电场,因而产生电流。

移动于磁场的细直导线,其内部会出现动生电动势。处于这导线的电荷,根据洛伦兹力定律,会感受到洛伦兹力,从而造成正负电荷分离至直棍的两端。这动作会形成一个电场与伴随的电场力,抗拒洛伦兹力,直到两种作用力达成平衡。

很早以前做单片机时,知道马达,继电器一类电感线圈需要并联一个反向续流二极管,防止电感产生的反向电动势损坏线圈。近来突发思考,在考虑如何彻底地理解这个反向电动势的产生及方向问题,期间查阅了相关资料,也有了新的一些理解,纠正了以前的误解。在此一并写出,作为总结。

一如何理解电感的电压和电感的自感电动势  

电路理论中提到的电感符号如下,给出了电压和电流的方向,

并给出了电压与电流的公式u(t)=Ldi/dt,电压和电流参考方向关联时,P》0则吸收能量,P《0则放出能量。

电感自感电动势,ε=-Ldi/dt。

现在如何理解电感电压和电感自感电动势公式不同的问题。实际上,电感电压的推导是根据法拉第电磁定律来的,也就是与电感电感电动势同出一辙,从本质上讲,电感的电压就是其自感电动势。那么为什么两者公式有正负号之差呢?因为自感电动势等同于电池,方向是从正极指向负极,与电流的方向相反。而电感电压公式首先就是假定电流和电压方向关联,即参考方向一致,这样一来,电感的公式就与电感自感电动势有一个负号之差了。但无论怎样,最核心的基础就是楞次定律,感应电动势的总是阻碍原电流的变化。如下图,当电流突然减小为0时,电感电压的方向为红色标注。

图1电感的电流和电压  

有人说,这样讲还是不太清楚。的确,从公式上去判断自感反向电动势的方向经常容易出错。下面让我们抛开公式,从楞次定律出发去理解性地判断电动势的方向。如图1,假定流过电感的电流I增大,那么根据楞次定律,产生的电感电动势要阻碍电流的增加,所以电感电动势(自感电动势)产生的电流和I相反,即从B到A,根据电池的特性,感应电动势的方向为从A到B,即和电流的方向一致。电流减小时,感应电流方向从A到B,感应电动势方向从B到A,即VB》VA。推导就是这么简单。这样的结果与电感电压公式是一致的。

二从能量的角度理解感应电动势的方向  

再让我们从能量的观点来理解感应电动势的方向。

如图1,当电流增大时,可知外部电源输出功率有增大的趋势,又因电感有储能作用,此时电感有吸收能量的趋势,可以认为外部电压不变,吸收能量的结果就是减小电流,即阻碍电流的增加。这时电感相当于一个被充电的电池,其电动势为从A到B。实际上,电感这种“充电电池”作用是阻碍不了电流的增大,最终被“充电的电池能量”转换为磁场能(电流)了。当电流减小时或突然降为0时,那么电感的电池作用又显现了,磁能要转换为电能,这个电能就是电压(反向电动势),因为它有阻碍电流减小的趋势,它势必通过反向电动势(好比电池电压)来给外部电路供能量,否则它的能量怎么办?根据P=UI,如果I很小,则U很大,也就是说假如电路短路,电感电流突然变为0,则电感的感应电动势会非常大,其中能量也只能通过辐射消耗了。因为这时电感的电动势(电池)释放能量的趋势是维持电流的不变,所以感应电流的趋势是从A到B,感应电动势的方向则是从B到A。

共模、差模电感器的设计: 

共模电感是两个绕组分别接在零线和火线上,两个绕组同进同出,滤除的是共模信号。

差模电感是一个绕组单独接在零线和火线上的滤波电感器只能滤除差模干扰。

共模信号:分别在零线和火线上的两个完全相同的信号他们都通偶合和地形成回路。

差模信号:是和有用信号同样的回路。

为什么共模电感能防EMI?要弄清楚这点,我们需要从共模电感的结构开始分析。

图4是包含共模电感的滤波电路,La和Lb就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上,匝数和相位都相同(绕制反向)。这样,当电路中的正常电流流经共模电感时,电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消,此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼);当有共模电流流经线圈时,由于共模电流的同向性,会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗,使线圈表现为高阻抗,产生较强的阻尼效果,以此衰减共模电流,达到滤波的目的。

事实上,将这个滤波电路一端接干扰源,另一端接被干扰设备,则La和C1,Lb和C2就构成两组低通滤波器,可以使线路上的共模EMI信号被控制在很低的电平上。该电路既可以抑制外部的EMI信号传入,又可以衰减线路自身工作时产生的EMI信号,能有效地降低EMI干扰强度。

串模干扰  

串模干扰是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到仪表上的。串模干扰通常来自于高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。由传感感器来的信号线有时长达一二百米,干扰源通过电磁感应和静电耦合作用加上如此之长的信号线上的感应电压数值是相当可观的。例如一路电线与信号线平行敷设时,信号线上的电磁感应电压和静电感应电压分别都可达到毫伏级,然而来自传感的有效信号电压的动态范围通常仅有几十毫伏,甚至更小。除了信号线引入的串模干扰外,

信号源本身固有的漂移,纹波和噪声,以及电源变压器不良屏蔽或稳压滤波效果不良等也会引入串模干扰。

串模干扰也称作差模干扰,是指由两条信号线本身作为回路时,由于外界干扰源或设备内部本身耦合而产生干扰信号。

在差分放大器中,放大器不能区分串模干扰和信号,会一并加以放大。因此,差模干扰是差分放大电路最难克服的问题之一。

克服串模干扰最常用和有效的方法是用双绞线传输信号,并且双绞线的绞距越小、线距越近则抑制串模干扰的能力越强。局域网中广泛使用的五类线就是如此。

但在某些不能使用双绞线的情况下(例如AV、CATV的同轴电缆),则只能通过加强线本身的屏蔽、合理布线解决。

电源干扰可以以共模或差模方式存在  

共模干扰是指电源火线对大地或电源中线对大地之间的干扰,有时称为纵模干扰、不对称干扰或接地干扰。

差模干扰是指线与线之间的干扰,如电源相线与中线之间的干扰,有时称为常模干扰、横模干扰或对称干扰。

共模干扰是由辐射或串扰形式形成的,如雷电、电弧、电台等,来自空间的感应。差模干扰是同一线路中的电机、开关电源及可控硅等在电源线上产生的干扰。

通常线路上的差模分量和共模分量是同时存在的,而且由于线路的阻抗不平衡,两种分量在传输中会互相转变。干扰在线路上经过长距离的传输后,差模分量的衰减要比共模分量大,因为线间阻抗与线地阻抗不同的缘故。共模干扰的频率一般分布在1mhz以上,在传输的同时,会向临近空间辐射,耦合到信号电路中形成干扰,很难防范。差模干扰的频率相对较低,不易形成空间辐射,已经有良好的处理措施,降低共模干扰,设备的敏感度问题大都是由共模干扰引起的。

一个系统的电磁兼容性,实际上体现在两个方面:一方面,一个系统必须以整体电磁环境为依据,要求每个用电设备不产生超过一定限度的电磁发射;另一方面,又要求它具有一定的抗干扰能力。国际电工技术委员会(IEC)的定义是:电磁兼容是设备的一种能力,是设备在其电磁环境中能完成它的功能,而不至于在其环境中产生不允许的干扰。差模电流:在差分模式下,电路设备输出一个电流到负载。同时存在一个等值的返回电流。这两个大小相等、沿相反方向流动的电流,代表了标准的差模工作方式。我们并不想完全消除差模工作影响,因为在一个电路板只能做得尽量像完善的自屏蔽环境(如同轴电缆),完全的电场俘获和磁场抵消是不可能达到的。剩下的不能抵消的场是产生差模EMI的源。差分模式辐射是系统结构里的RF电流回路中电流的流动引起的。

共模电流:共模电流是由于差模电流抵消不良造成的,差模电流抵消不良是由于两条信息传输通路不平行引起的。没有抵消的那部分就是共模电流共模信号:是辐射的主要源泉,不包含有用信息。

共模起源于公共金属结构(比如电源面和接地层)中的公共电流。典型的发生条件是电流从导电平面内意料之外的通路流过。当返回的电流与它们原来的信号通路不配对(比如在平面内有裂缝等),或者几个信号有公共返回区域,共模电流就产生了。

减小共模辐射的方法:

1、尽量减小激励次天线的源电压,即地电位;

2、提供与电缆串联的高共模阻抗,即加共模扼流圈;

3、将共模电流旁路到地;

4、电缆屏蔽层与屏蔽壳体作360°端接。

这里,采用接地平面就能有效地减小接地系统中的地电位。EMI滤波器主要是消除或降低传导干扰。实际上传导干扰又分为共模干扰和差模干扰,所谓共模干扰是指相线与地线之间干扰信号的相位相同、电位相等,而差模干扰是相线间干扰信号相位差180°(电位相等)。因此滤波电路也分为抗共模和抗差模干扰电路,参见图1。

图1抗共模和抗差模干扰电路  

图中LC1,LC2,Cy1,Cy2构成共模滤波电路,LC1,LC2为共模滤波电感,而Ld1,Ld2,Cx1,Cx2构成差模电路。共模电感Lc一般数值0.3mH~38mH,共模电容Cy,只要控制在漏电电流于《1mA条件下选择较大数值为准。而差模电感Ld一般在几十至几百微亨,其电容应选耐压大于1.4kV的陶瓷或聚酯电容。Ld1,Ld2差模电感、电容值越大,低频效果越好。市场上购买的EMI滤波器大都是对共模干扰设计的,对差模抑制效果很差。实际上开关电源中共模与差模干扰同时存在,特别对于有源功率因数校正电路中差模干扰的强度很大。对于开关电源,EMI滤波器对高频的EMI信号抑制比低频的EMI传导消容易多。常常利用共模电感的差值形成的差模电感就能消除300kHz~30MHz传导干扰电平。设计和选用滤波器一定要根据电路的实际需要而定。

首先测出传导干扰电平与所规定的EMC标准极限比较,一般0.01MHz~0.1MHz是差模干扰起主导作用,0.1MHz~1MHz是差模与共模干扰联合作用,而1MHz~30MHz主要是共模干扰起作用。根据实验结果来判断和选择对超标信号有抑制作用的滤波器或器件。当然实际操作相当复杂,要有相当高的技术水平和经验。