Vad är DCR i induktorer och hur påverkar det din kretsdesign

Induktorer används i stor utsträckning passiva komponenter i elektronik efter motstånd och kondensatorer. En ideal induktor lagrar energi i ett magnetfält och levererar en jämn utström till lasten. Men i en praktisk krets innehåller en induktor också något lågmotståndsmotstånd associerat med dess induktansegenskap. Under flödet av likströmsförsörjning eller för att vara specifik i frekvensen 0 Hz, ger induktorer motstånd mot strömflödet. Detta DC-motstånd kallas DCR som står för DC-motstånd. I den här handledningen lär vi oss mer om DCR och hur det påverkar prestanda för en krets. Vi kommer också att lära oss hur man mäter DCR-värdet för en induktor och hur man reducerar DCR-värdet för en induktor under dess konstruktion.

I likhet med DCR för induktorer har kondensatorerna också några icke-ideala parametrar associerade med det som heter Equivalent Series resistance (ESR) och Equivalent series Inductance (ESL). Du kan läsa artikeln om ESR och ESL i kondensatorer för att veta mer om det och deras vikt vid kretsdesign.

Vad är DCR i induktorer?

Termen DCR står för DC Resistance. Detta värde representerar mängden motstånd som en induktor kan erbjuda när en DC-signal på 0Hz passerar genom den. I praktiken har alla induktorer ett litet värde på DCR associerat med sig.

Bilden nedan representerar en praktisk induktor med dess faktiska induktans i serie med ett litet DC-motstånd (DCR). Induktorsymbolen här representerar induktansen och motståndet i serie med det är induktans DC-motstånd. I princip ger induktorer ett mycket lågt motstånd för likström med låg frekvens och ger högt motstånd för högfrekventa ingångar.

En induktors DCR beror på spolens motstånd som använder induktorn. Spolens motstånd är proportionell mot längden på den tråd som används för att bilda spolen, och spolens längd är också proportionell mot induktansens induktansvärde. Följaktligen åstadkommer induktorer med högre värde högt motstånd och induktorer med lågt värde ger lågt motstånd. Ett stort induktansvärde kräver högre lindningstal än induktorerna med lågt värde, vilket ökar koppartrådens längd. Spolarnas DCR sträcker sig vanligtvis från mycket mindre än 1 ohm till 3-4 ohm.

Praktisk betydelse av DCR

Nu vet vi att induktorer har ett litet motståndsvärde med det, men vad är problemet med det? Varför är det viktigt att tänka på det här lilla värdet av motstånd när vi utformar vår krets?

DCR som ett motstånd släpper ut värme och minskar effektiviteten precis som alla andra motstånd med ett spänningsfall över det. Effektiviteten mäts med hjälp av formeln nedan

Q = w (L / R)

Var kallas Q för Q-faktorn. L är den induktiva reaktorn och R är induktorns motstånd vid en viss frekvens. Förhållandet mellan en induktiv reaktans och motståndet vid en given frekvens kallas Q-faktorn. Denna Q-faktor är viktig i olika applikationer. Ju högre Q-faktorn är, desto högre blir effektiviteten. Om teoretiskt beräknas har en ideal induktor en högre Q-faktor jämfört med den verkliga. I riktiga induktorer är denna Q-faktor pålitlig i DCR.

Applikationsmässigt används induktorer med ett högt värde av Q-faktor i RF-kretsarna där en kondensator används parallellt med den för att bilda en resonantankrets. I ett sådant fall hjälper det höga värdet av Q-faktorn för en induktor att balansera den övre och nedre frekvensen hos resonanskretsen som arbetar i en kontinuerlig bandfrekvens.

I kraftelektronikrelaterad applikation är det låga värdet av DCR väsentligt för mindre strömavledning såväl som små paketfotavtryck. Induktor med låg DCR har låg formfaktor än induktorer med högt DCR-värde. Huvudeffekten av induktans DCR är strömförlusten på grund av spolmotståndet. Effektförlusten kan beräknas med effektlagstiftningen P = I ² R där R motsvarar induktansens DC-motstånd och I är strömmen som flödar genom den.

Hur mäter jag en induktors DCR?

De flesta människor mäter DC-motståndet (DCR) hos en induktor genom att ansluta en standardmätare över induktansledningarna för att mäta koppartrådens motstånd. Det kan fungera tillräckligt för induktorer med stort värde, eftersom koppartråden där är tillräckligt stor för att producera ett högt DCR-värde som kan mätas med den typiska flermätarupplösningen.

Men för en induktor med mindre värde är likströmsmotståndsvärdet för litet (vanligtvis inom miliohm-intervall) för att kunna mätas med de vanliga billiga multimetrarna. Multi-meters sondtrådar har också likströmsmotstånd som lägger till DCR-värde vilket resulterar i felaktig avläsning. Så det finns ett generiskt problem i Induktorns DCR-mätning.

Det faktiska sättet att mäta en induktors DCR-värde är att använda en Kelvin-avkänningsväg över ledningarna och applicera ström över induktorn. Eftersom induktorns DCR är koppartrådens likströmsresistens, kommer den att producera en spänning över induktorns terminal baserat på Ohms-lagen, V = I x R. Denna spänning kan mätas med hjälp av multimätaren. Uppenbarligen har denna mätteknik en begränsning. Innan du gör mätningen bör du behöva vara medveten om några saker som listas nedan.

1. Induktorernas maximala strömvärde. Strömmen bör inte överstiga det maximala strömvärde som anges i induktans datablad.
2. En brödbräda är inte lämplig för DCR-mätning av induktorer, eftersom brädbrädanslutningen också bidrar till buller och motstånd.
3. Det är bra att använda rätt PCB med endast testpunkter, ström in- och utkontakter och komponentkuddar som håller fixturen för att undvika lödning.

Bilden nedan visar kretsen för att mäta DCR-värdet för en induktor. Induktorn som visas här är en perfekt induktor och DC-motståndet är motsvarande seriemotstånd. Sinnelinjen är Kelvin-sanslinjerna.

Låt oss anta att induktorn som används här har en kontinuerlig strömstyrka på 1A. Så vi ingångsströmmen här kommer att vara 1A. Högre värde för ingångsströmmen högre är upplösningen för det uppmätta DCR-värdet, men om din induktor inte kan hantera högström med lågt värde kan också användas.

Efter att strömmen har passerat måste spänningsfallet över induktansledningar mätas. Antag att spänningsfallet över induktorn beräknas till cirka 50 mV. Därefter kan DCR för induktorn beräknas som

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

Hur man minskar DCR när man konstruerar induktorn

En induktors DCR-värde har ingen betydande fördel och därför är det alltid bättre att välja en induktor med lågt DCR-värde. Normalt när induktorer konstrueras eller designas beaktas även DCR-parametern. En induktors DCR måste vara mycket låg så att induktorn inte blockerar DC-strömflödet. Följande tekniker används för att minska DCR-värdet för en induktor

1. Motståndet beror på koppartrådens längd och tjocklek. För att sänka en induktors likströmsmotstånd, istället för en enda tråd, kan flera ledningar lindas parallellt. På grund av denna anslutning blir det resulterande motståndet mindre. Tänk på en enda koppartråd med något x-värde av motstånd. Om flera sådana ledningar är anslutna parallellt kommer ekvivalent motstånd att reduceras eftersom motstånd parallellt har ett lågt ekvivalent motstånd som utgång.

2. Att öka koppartrådens tvärsnittsarea minskar induktansens DC-motstånd. Därför är tjockare ledningar fördelaktiga för minskad DCR.

3. En annan teknik är att använda platt koppartråd istället för de runda koppartrådarna. Platta ledningar har ett stort område jämfört med de runda trådarna. Detta är också fördelaktigt för att minska det totala motståndet.

Bilden nedan är en induktor som är konstruerad med platt tråd. Tillverkaren är Wurth Electronics och artikelnumret är 7443641000. Enligt databladet har induktorn en induktans på 10uH och DC-motståndet är 2,4 miliohm vid 20 grader Celsius.

4. Induktorns datablad ger induktans betyg där maximalt DCR-värde anges. Detta värde varierar beroende på temperatur. Det rekommenderas att använda induktorn i givna omgivningstemperaturförhållanden för att använda dem i det minsta DCR-värdet.

Så DCR för en induktor är en viktig faktor och bör övervägas när du utformar valfri krets.