Что такое постоянный ток в индукторах и как он влияет на конструкцию вашей схемы

Индукторы - это широко используемые пассивные компоненты в электронике после резисторов и конденсаторов. Идеальный индуктор хранит энергию в магнитном поле и обеспечивает плавный выходной ток на нагрузку. Но в практической схеме индуктор также содержит небольшое сопротивление, связанное с его характеристикой индуктивности. Во время подачи постоянного тока или, если быть точным, при частоте 0 Гц, индукторы обеспечивают сопротивление потоку тока. Это сопротивление постоянному току называется DCR, что означает сопротивление постоянному току. В этом руководстве мы узнаем больше о DCR и о том, как он влияет на производительность схемы. Мы также узнаем, как измерить значение DCR индуктора и как уменьшить значение DCR индуктора во время его строительства.

Подобно DCR для катушек индуктивности, конденсаторы также имеют связанный с ними неидеальный параметр, называемый эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL), вы можете прочитать статью о ESR и ESL в конденсаторах, чтобы узнать больше об этом и их важность в схемотехнике.

Что такое DCR в индукторах?

Термин DCR означает сопротивление постоянному току. Это значение представляет собой величину сопротивления, которую индуктор может предложить, когда через него проходит сигнал постоянного тока с частотой 0 Гц. На практике все катушки индуктивности будут иметь небольшое значение DCR.

На изображении ниже представлен практический индуктор с фактической индуктивностью, последовательно соединенной с небольшим сопротивлением постоянному току (DCR). Символ индуктивности здесь представляет индуктивность, а последовательно включенный резистор - сопротивление постоянного тока индуктора. В принципе, индукторы обеспечивают очень низкое сопротивление постоянному току низкой частоты и высокое сопротивление высокочастотных входов.

DCR индуктора связано с сопротивлением катушки с помощью которого изготовлена катушка индуктивности. Сопротивление катушки пропорционально длине провода, используемого для формирования катушки, а длина катушки также пропорциональна значению индуктивности индуктора. Следовательно, катушки индуктивности с более высокой стоимостью имеют высокое сопротивление, а индукторы с более низкой стоимостью обеспечивают низкое сопротивление. При большом значении индуктивности требуется большее количество обмоток, чем при использовании индукторов низкого номинала, что увеличивает длину медного провода. DCR индукторов обычно колеблется от намного меньшего, чем 1 Ом, до 3-4 Ом.

Практическое значение DCR

Теперь мы знаем, что у индукторов есть небольшое значение сопротивления, но в чем проблема? Почему важно учитывать это небольшое значение сопротивления при разработке нашей схемы?

DCR, являющийся резистором, рассеивает тепло и снижает эффективность, как и любой другой резистор с падением напряжения на нем. Эффективность измеряется по следующей формуле

Q = ш (L / R)

Где Q называется добротностью. L - индукционный реактор, а R - сопротивление индуктора на определенной частоте. Отношение индуктивного реактивного сопротивления к сопротивлению на данной частоте называется добротностью. Этот коэффициент добротности важен в различных приложениях. Чем выше добротность, тем выше будет КПД. Если рассчитать теоретически, идеальная катушка индуктивности имеет более высокую добротность по сравнению с реальной. В реальных индукторах эта добротность зависит от DCR.

С точки зрения приложения, индукторы с высоким значением Q-фактора используются в ВЧ-цепях, где конденсатор используется параллельно с ним для формирования резонансной цепи резервуара. В таком случае высокое значение добротности катушки индуктивности помогает сбалансировать верхнюю и нижнюю частоту резонансного контура, работающего в непрерывной полосе частот.

В приложениях, связанных с силовой электроникой, низкое значение DCR необходимо для уменьшения рассеиваемой мощности, а также для компактного размера корпуса. Катушка индуктивности с низким значением DCR будет иметь меньший форм-фактор, чем индукторы с высоким значением DCR. Основным эффектом DCR индуктора является рассеивание мощности из-за сопротивления катушки. Рассеиваемая мощность может быть рассчитана по степенному закону P = I ² R, где R эквивалентно сопротивлению индуктивности постоянному току, а I - току, протекающему через него.

Как измерить DCR индуктора?

Большинство людей измеряют сопротивление постоянному току (DCR) индуктора, подключая стандартный мультиметр к выводам индуктора для измерения сопротивления медного провода. Это могло бы работать достаточно справедливо для катушек индуктивности большой стоимости, потому что медный провод там достаточно велик, чтобы обеспечить высокое значение DCR, которое можно измерить с типичным разрешением в несколько метров.

Но для индуктора меньшего номинала значение сопротивления постоянному току слишком мало (обычно в миллиомном диапазоне), чтобы его можно было измерить стандартными недорогими мультиметрами. Кроме того, провода зонда мультиметра также имеют сопротивление постоянному току, которое в сумме дает значение DCR, что приводит к ошибочным показаниям. Итак, существует общая проблема при измерении DCR индуктора.

Фактический способ измерить значение DCR индуктора - использовать путь измерения Кельвина через провода и подавать ток через индуктор. Поскольку DCR индуктора - это сопротивление медного провода постоянному току, он будет создавать напряжение на выводе индуктора в соответствии с законом Ома, V = I x R. Это напряжение можно измерить с помощью мультиметра. Очевидно, у этого метода измерения есть ограничение. Перед измерением необходимо знать несколько вещей, перечисленных ниже.

1. Максимальный номинальный ток индукторов. Сила тока не должна превышать максимальный номинальный ток, указанный в паспорте индуктора.
2. Макетная плата не подходит для измерения постоянного тока индуктивности, так как подключение макетной платы также способствует шуму и сопротивлению.
3. Во избежание пайки рекомендуется использовать подходящую печатную плату только с контрольными точками, входными и выходными разъемами, а также фиксаторами компонентов контактных площадок.

На изображении ниже показана схема для измерения значения DCR индуктора. Показанный здесь индуктор представляет собой идеальный индуктор, а сопротивление постоянному току - эквивалентное последовательное сопротивление. Смысловая линия - это сенсорные линии Кельвина.

Предположим, что используемый здесь индуктор имеет номинальный постоянный ток 1 А. Таким образом, входной ток здесь будет 1 А. Чем выше значение входного тока, тем выше будет разрешение измеренного значения DCR, но если ваша катушка индуктивности не может выдерживать большие токи, можно также использовать токи малых значений.

После прохождения тока необходимо измерить падение напряжения на выводах индуктора. Предположим, что падение напряжения на катушке индуктивности рассчитано примерно на 50 мВ. Тогда DCR этой катушки индуктивности можно рассчитать как

V = I x R R = V / I R = 0,05 / 1 R = 0,05 Ом

Как уменьшить DCR при сборке индуктора

Значение DCR индуктора не имеет существенного преимущества, и поэтому всегда лучше выбирать индуктор с низким значением DCR. Обычно, когда индукторы конструируются или проектируются, параметр DCR также учитывается. DCR индуктора должен быть очень низким, чтобы он не блокировал прохождение постоянного тока. Следующие методы используются для уменьшения значения DCR индуктора.

1. Сопротивление зависит от длины и толщины медного провода. Чтобы снизить сопротивление постоянного тока индуктора, вместо одного провода можно намотать несколько проводов параллельно. Благодаря такому подключению результирующее сопротивление становится меньше. Рассмотрим одиночный медный провод с некоторым значением сопротивления x. Если несколько таких проводов подключены параллельно, эквивалентное сопротивление будет уменьшено, поскольку резисторы, включенные параллельно, будут иметь низкое эквивалентное сопротивление на выходе.

2. Увеличение площади поперечного сечения медного провода снижает сопротивление индукторов постоянному току. Следовательно, более толстые провода полезны для снижения DCR.

3. Другой способ - использовать плоский медный провод вместо круглого медного провода. Плоские провода имеют большую площадь по сравнению с круглыми. Это также полезно для снижения общего сопротивления.

На изображении ниже показан индуктор, который построен с использованием плоского провода. Производитель - Wurth Electronics, номер детали - 7443641000. Согласно техническому описанию, индуктивность катушки индуктивности составляет 10 мкГн, а сопротивление постоянному току составляет 2,4 миллиОма при 20 градусах Цельсия.

4. В техническом описании индуктора указаны его номинальные характеристики, в которых указано максимальное значение DCR. Это значение зависит от температуры. Рекомендуется использовать дроссель в условиях данной температуры окружающей среды, чтобы эксплуатировать их в диапазоне минимальных значений DCR.

Таким образом, DCR индуктора является важным фактором и его следует учитывать при проектировании любой схемы.