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Q值, 电感Q因素, 电感品质因素, Inductor Q, Quality Factor

Q值, 品质因素,Quality Factor 它是物理和工程领域广泛使用的参数, 这是指机械或非机械组件, 共振(谐振)的能量损失比例, 是衡量元件或谐振回路性能的无量纲单位.这个元件可以是电感, 电容, 介质谐振器, 声表面波谐振器, 晶体谐振器或LC谐振器等,谐振电路, 当Q值相关损失时, 谐振电路的中间频率谐振电路的中间频率. Q值越高, 存储在谐振中的能量损失越慢, 谐振可以存在更长的时间.Q值的大小取决于实际应用, 对Q值的要求不同, 越大越好. 例如,设计宽带滤波器, 如果不采取其他措施,Q值过高, 会损坏带内的平整度. 在电源退耦电路中使用LC高Q值的电感和电容在退耦应用中极易产生自谐振状态, 这不利于消除电源中的干扰噪声. 反过来, 我们希望对振荡器有更高的Q值, Q振荡器的频率稳定性和相位噪声越高.

这些都是指相同的意思, 电感Q值在RF(radio frequency, 射频,无线电频率是影响其性能的主要因素.

虽然电感(inductor)通常被认为是纯感抗元件, 但仍会有少量的电阻, 虽然很小, 但存在. 这种直流电阻(DC resistance)就会影响到Q值, 影响此类元件性能的重要因素. 使用于RF电路中的电感器件需要标记其Q值.

在电路中使用电感器件时, 假如Q值很重要, 阻抗也是一个重要因素, 任何阻抗都会影响其整体性能. 实际电感可视为纯电感串联纯电阻电路,其中: L是理想的电容, R是电容器的阻抗

电容阻抗一般由以下效果引起:

除非是超导体, 否则,阻抗一直存在, 大多数电感可以通过增加导线直径和使用镀银线来降低直流阻抗

任何交流电路都存在趋肤效应, 交流电会导致电流通过导体外表而不是中间, 阻抗增大, 频率越高, 趋肤效应越明显. 减少趋肤效果, 一般使用:

  • 银仙或镀银线(Silver wire, silver plated wire), 这将降低导体表面电阻;
  • 利兹线(Litz Wire), 德语Litzendraht, 这是一种由多股细线编织而成的粗线, 该线可增加表面积, 增加了电流能流经的区域, 从而降低电阻. 一般利兹线适用于500频率kHz ~ 2,000kHz 之间的电路.

当交流电流通过电感时, 部分能量将以电波的形式发射, 虽然很小, 但也是实际的损失. 这与天线发射信号时的阻抗相同. 这也会影响Q值

许多电感会使用铁氧体(Ferrite)或其它形式的芯, 也会造成损失. 主要体现在两个方面

  • 涡流损耗 Eddy currents losses:由于线圈中间的导体是一个闭合电路,可以等效成一个圆圈,闭合电路中的磁通量不断变化,导体的圆周方向会产生感应电势和感应电流。电流方向沿导体的圆周方向转动,就像一个圆圈的漩涡。因此,电磁感应在整个导体内产生感应电流的现象称为涡流现象。导体的外周长越长,交变磁场的频率越高,涡流就越大。导体外周长越长,交变磁场频率越高,涡流越大。 导体内的涡流也会产生热量。如果导体电阻小,涡流强,产生大量热量
  • 磁滞损耗 Hysteresis losses:磁滞Magnetic hysteresis当磁性状态发生变化时,磁化强度滞后于磁场强度,其磁通密度B和磁场强度 H之间呈现磁滞回线关系。每个单位体积铁芯的磁滞损失与磁滞回线的面积成正比。这部分能量转化为热能,使设备升温,降低效率。它是电气设备中铁损坏的一部分,不想要交流电机等设备。软磁材料磁滞回线狭窄,磁滞损失相对较小

1. 带宽 Bandwidth: Q值越大, 相应过滤电路的带宽越窄, 由于能量损失较小, 因此,其工作频率的性能会更好, 曲线越陡,3db带宽越收窄.

2. 谐振 Ringing: Q值越大,越容易引起电路振荡

3. 冲击相位噪声Oscillator phase noise: 相位噪声是振荡器工作时产生的随机相位漂移, 需要抑制, 增大Q值能减小相位噪音

4. 普通干扰信号General spurious signals: 高Q值有助于消除干扰信号

5. 宽频 Wide bandwidth: 在射频应用中, 有些人需要良好的频率选择, 另一些需要覆盖更宽的频率范围. 使用不同的调制器, 或固定过滤器提供, 此时需要抑制Q值, 从而照顾到更宽的频率范围.

最基本的Q值计算公式是

Q = Estored / E lost per cycle, 对于射频电路, Q = F0 / F3db.

Q =2?π?f?L / R

R也随频率变化, 因此,在给定频率的条件下, Q值可以明确.

Q值的大小与工作频率有关. 随着频率的增加,普通电感的Q值也会增加, 但它有一个极限, 超过这个极限频率点后,电感的Q值会急剧下降, 这种电感失去了电感的作用. 介质谐振器, 声表波谐振器和晶体谐振器更为明显. 当工作频率偏离其谐振频率时, 其Q值将急剧下降, 不能工作.

标签: 影响电感的不良因素

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