dcr ในตัวเหนี่ยวนำคืออะไรและมีผลต่อการออกแบบวงจรของคุณอย่างไร

ตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลังจากตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติจะเก็บพลังงานในสนามแม่เหล็กและส่งกระแสไฟฟ้าขาออกที่ราบรื่นไปยังโหลด แต่ในวงจรที่ใช้งานได้จริงตัวเหนี่ยวนำยังมีความต้านทานค่าต่ำที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติการเหนี่ยวนำ ในระหว่างการไหลของแหล่งจ่ายกระแสตรงหรือเฉพาะในความถี่ 0 เฮิรตซ์ตัวเหนี่ยวนำจะให้ความต้านทานต่อการไหลของกระแสไฟฟ้า ความต้านทานกระแสตรงนี้เรียกว่า DCR ซึ่งย่อมาจากความต้านทานกระแสตรง ในบทช่วยสอนนี้เราจะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ DCR และผลกระทบต่อประสิทธิภาพของวงจร นอกจากนี้เรายังจะได้เรียนรู้วิธีการวัดค่า DCRของตัวเหนี่ยวนำและวิธีลดค่า DCRของตัวเหนี่ยวนำในระหว่างการสร้าง

เช่นเดียวกับ DCR สำหรับตัวเหนี่ยวนำตัวเก็บประจุยังมีพารามิเตอร์ที่ไม่เหมาะที่เกี่ยวข้องด้วยซึ่งเรียกว่า Equivalent Series resistance (ESR) และ Equivalent series Inductance (ESL) คุณสามารถอ่านบทความเกี่ยวกับ ESR และ ESL ในตัวเก็บประจุเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับมันและของพวกเขา ความสำคัญในการออกแบบวงจร

DCR ในตัวเหนี่ยวนำคืออะไร?

ระยะ DCR ย่อมาจากDC ต้านทาน ค่านี้หมายถึงจำนวนของความต้านทานตัวเหนี่ยวนำสามารถนำเสนอเมื่อสัญญาณ DC ของ 0Hz จะถูกส่งผ่านมัน ในทางปฏิบัติตัวเหนี่ยวนำทั้งหมดจะมี DCR ที่เกี่ยวข้องเล็กน้อย

ภาพด้านล่างแสดงถึงตัวเหนี่ยวนำที่ใช้งานได้จริงพร้อมกับความเหนี่ยวนำจริงในอนุกรมที่มีความต้านทานกระแสตรง (DCR) ขนาดเล็ก สัญลักษณ์ตัวเหนี่ยวนำที่นี่แสดงถึงความเหนี่ยวนำและตัวต้านทานในอนุกรมซึ่งเป็นความต้านทานกระแสตรงของตัวเหนี่ยวนำ โดยหลักการแล้วตัวเหนี่ยวนำให้ความต้านทานต่ำมากสำหรับกระแส DC ที่มีความถี่ต่ำและให้ความต้านทานสูงสำหรับอินพุตความถี่สูง

DCR ของตัวเหนี่ยวนำเป็นเพราะความต้านทานของขดลวดที่ใช้ซึ่งเหนี่ยวนำที่จะทำ ความต้านทานของขดลวดเป็นสัดส่วนกับความยาวของเส้นลวดที่ใช้ในการสร้างขดลวดและความยาวของขดลวดก็เป็นสัดส่วนกับค่าความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำ ดังนั้นตัวเหนี่ยวนำที่มีมูลค่าสูงกว่าจึงกำหนดความต้านทานสูงและตัวเหนี่ยวนำที่มีค่าต่ำจะให้ความต้านทานต่ำ ค่าความเหนี่ยวนำจำนวนมากต้องการจำนวนขดลวดที่สูงกว่าตัวเหนี่ยวนำที่มีค่าต่ำดังนั้นจึงเพิ่มความยาวของลวดทองแดง โดยทั่วไป DCR ของตัวเหนี่ยวนำจะมีค่าตั้งแต่น้อยกว่า 1 โอห์มจนถึง 3-4 โอห์ม

ความสำคัญในทางปฏิบัติของ DCR

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าตัวเหนี่ยวนำมีค่าความต้านทานเล็กน้อย แต่ปัญหาของมันคืออะไร? เหตุใดการพิจารณาค่าความต้านทานเล็กน้อยในขณะออกแบบวงจรจึงเป็นสิ่งสำคัญ

DCR เป็นตัวต้านทานจะกระจายความร้อนและลดประสิทธิภาพเช่นเดียวกับตัวต้านทานอื่น ๆ ที่มีแรงดันตกคร่อม ประสิทธิภาพวัดได้โดยใช้สูตรด้านล่าง

Q = w (L / R)

ที่ไหน Q เรียกว่าQ-ปัจจัยL คือเครื่องปฏิกรณ์อุปนัยและ R คือความต้านทานของตัวเหนี่ยวนำที่ความถี่เฉพาะ อัตราส่วนของปฏิกิริยาเชิงอุปนัยกับความต้านทานที่ความถี่ที่กำหนดเรียกว่า Q-factor ปัจจัย Q นี้มีความจำเป็นในการใช้งานต่างๆ ปัจจัย Q สูงขึ้นประสิทธิภาพจะสูงขึ้น หากคำนวณตามทฤษฎีแล้วตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติจะมีปัจจัย Q สูงกว่าเมื่อเทียบกับของจริง ในตัวเหนี่ยวนำจริงปัจจัย Q นี้ขึ้นอยู่กับ DCR

การประยุกต์ใช้อย่างชาญฉลาดตัวเหนี่ยวนำที่มีค่า Q factor สูงจะถูกใช้ในวงจร RF ที่ใช้ตัวเก็บประจุควบคู่ไปกับมันเพื่อสร้างวงจรถังเรโซแนนซ์ ในกรณีเช่นนี้ค่าที่สูงของปัจจัย Q ของตัวเหนี่ยวนำจะช่วยปรับสมดุลความถี่บนและล่างของวงจรเรโซแนนซ์ที่ทำงานในย่านความถี่ต่อเนื่อง

ในแอพพลิเคชั่นที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังค่า DCR ที่ต่ำเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการกระจายพลังงานที่น้อยลงรวมถึงรอยเท้าของบรรจุภัณฑ์ขนาดเล็ก ตัวเหนี่ยวนำที่มีDCR ต่ำจะมีฟอร์มแฟคเตอร์ต่ำกว่าตัวเหนี่ยวนำที่มีค่า DCR สูง ผลกระทบที่สำคัญของ DCR ของตัวเหนี่ยวนำคือการกระจายกำลังเนื่องจากความต้านทานของขดลวด การกระจายกำลังสามารถคำนวณได้โดยกฎกำลัง P = I ² R โดยที่ R เทียบเท่ากับความต้านทานกระแสตรงของตัวเหนี่ยวนำและ I คือกระแสที่ไหลผ่าน

จะวัด DCR ของตัวเหนี่ยวนำได้อย่างไร?

คนส่วนใหญ่วัดค่าความต้านทานกระแสตรง (DCR) ของตัวเหนี่ยวนำโดยการเชื่อมต่อหลายเมตรมาตรฐานผ่านตัวเหนี่ยวนำจะนำไปสู่การวัดความต้านทานของลวดทองแดง อาจใช้งานได้ดีพอสำหรับตัวเหนี่ยวนำที่มีค่ามากเนื่องจากลวดทองแดงมีขนาดใหญ่พอที่จะสร้างค่า DCR ที่สูงซึ่งสามารถวัดได้ด้วยความละเอียดหลายเมตรโดยทั่วไป

แต่สำหรับตัวเหนี่ยวนำที่มีค่าน้อยกว่าค่าความต้านทานกระแสตรงจะน้อยเกินไป (โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงมิลลิโอห์ม) ที่จะวัดได้ด้วยเครื่องวัดค่าหลายเมตรราคาประหยัดมาตรฐาน นอกจากนี้สายโพรบของ Multi-meter ยังมีความต้านทาน DC ซึ่งเพิ่มค่า DCR ส่งผลให้การอ่านผิดพลาด ดังนั้นจึงมีปัญหาทั่วไปในการวัด DCR ของ Inductor

วิธีที่แท้จริงในการวัดค่า DCR ของตัวเหนี่ยวนำคือการใช้เส้นทางการตรวจจับเคลวินข้ามโอกาสในการขายและการใช้กระแสกับตัวเหนี่ยวนำ เนื่องจาก DCR ของตัวเหนี่ยวนำเป็นความต้านทานกระแสตรงของลวดทองแดงมันจะสร้างแรงดันไฟฟ้าข้ามขั้วของตัวเหนี่ยวนำตามกฎของโอห์ม V = I x R แรงดันไฟฟ้านี้สามารถวัดได้โดยใช้มัลติมิเตอร์ เห็นได้ชัดว่าเทคนิคการวัดนี้มีข้อ จำกัด ก่อนทำการวัดควรทราบเกี่ยวกับบางสิ่งที่ระบุไว้ด้านล่าง

1. พิกัดกระแสสูงสุดของตัวเหนี่ยวนำ กระแสไฟฟ้าไม่ควรเกินพิกัดกระแสสูงสุดที่ระบุไว้ในแผ่นข้อมูลของตัวเหนี่ยวนำ
2. เขียงหั่นขนมไม่เหมาะสำหรับการวัด DCR ของตัวเหนี่ยวนำเนื่องจากการเชื่อมต่อเขียงหั่นขนมยังก่อให้เกิดเสียงรบกวนและความต้านทาน
3. เป็นการดีที่จะใช้ PCB ที่เหมาะสมโดยมีเฉพาะจุดทดสอบขั้วต่อกระแสเข้าและออกและตัวยึดส่วนประกอบแผ่นรองเพื่อหลีกเลี่ยงการบัดกรี

ภาพด้านล่างแสดงวงจรเพื่อวัดค่า DCRของตัวเหนี่ยวนำ ตัวเหนี่ยวนำที่แสดงที่นี่เป็นตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติและความต้านทานกระแสตรงคือความต้านทานอนุกรมที่เท่ากัน เส้นความรู้สึกคือเส้นความรู้สึกเคลวิน

สมมติว่าตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ที่นี่มีพิกัดกระแสต่อเนื่องที่ 1A ดังนั้นกระแสอินพุตตรงนี้จะเป็น 1A ค่าที่สูงขึ้นของกระแสอินพุตที่สูงขึ้นจะเป็นความละเอียดของค่า DCR ที่วัดได้ แต่ถ้าตัวเหนี่ยวนำของคุณไม่สามารถรองรับกระแสที่มีค่าต่ำในปัจจุบันสูงได้

หลังจากผ่านกระแสไฟฟ้าแล้วจะต้องมีการวัดแรงดันตกคร่อมตัวนำของตัวเหนี่ยวนำ สมมติว่าแรงดันตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำคำนวณที่ประมาณ 50mV จากนั้น DCR ของตัวเหนี่ยวนำนั้นสามารถคำนวณได้เป็น

V = I x R R = V / I R = 0.05 / 1 R = 0.05 โอห์ม

วิธีลด DCR ขณะสร้างตัวเหนี่ยวนำ

ค่า DCR ของตัวเหนี่ยวนำไม่มีข้อได้เปรียบที่สำคัญดังนั้นจึงควรเลือกตัวเหนี่ยวนำที่มีค่า DCR ต่ำเสมอ โดยปกติเมื่อมีการสร้างหรือออกแบบตัวเหนี่ยวนำพารามิเตอร์ DCR จะถูกพิจารณาด้วย DCR ของตัวเหนี่ยวนำจะต้องต่ำมากเพื่อไม่ให้ตัวเหนี่ยวนำปิดกั้นการไหลของกระแสไฟฟ้ากระแสตรง เทคนิคต่อไปนี้ใช้เพื่อลดค่า DCR ของตัวเหนี่ยวนำ

1. ความต้านทานขึ้นอยู่กับความยาวและความหนาของลวดทองแดง เพื่อลดความต้านทาน DC ของตัวเหนี่ยวนำแทนสายเดียว, หลายสายสามารถได้รับบาดเจ็บในแบบคู่ขนานเนื่องจากการเชื่อมต่อนี้ความต้านทานที่เกิดขึ้นจะน้อยลง พิจารณาลวดทองแดงเส้นเดียวที่มีค่าความต้านทาน x หากเชื่อมต่อสายไฟหลายเส้นแบบขนานความต้านทานที่เท่ากันจะลดลงเนื่องจากตัวต้านทานแบบขนานจะมีความต้านทานเทียบเท่าต่ำเป็นเอาต์พุต

2. การเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของลวดทองแดงจะลดความต้านทาน DC ของตัวเหนี่ยวนำ ดังนั้นสายไฟที่หนาขึ้นจึงเป็นประโยชน์สำหรับ DCR ที่ลดลง

3. อีกเทคนิคหนึ่งคือการใช้ลวดทองแดงแบนแทนสายทองแดงกลม สายแบนมีพื้นที่ขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับสายกลม นอกจากนี้ยังเป็นประโยชน์ในการลดความต้านทานโดยรวม

ภาพด้านล่างคือตัวเหนี่ยวนำที่สร้างโดยใช้ลวดแบน ผู้ผลิตคือ Wurth Electronics และหมายเลขชิ้นส่วนคือ 7443641000 ตามแผ่นข้อมูลตัวเหนี่ยวนำมีความเหนี่ยวนำ 10uH และความต้านทาน DC คือ 2.4 mili-ohms ที่ 20 องศาเซลเซียส

4. แผ่นข้อมูลตัวเหนี่ยวนำให้การจัดอันดับของตัวเหนี่ยวนำที่ระบุค่า DCR สูงสุด ค่านี้แตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ ขอแนะนำให้ใช้ตัวเหนี่ยวนำในสภาพอุณหภูมิแวดล้อมที่กำหนดเพื่อใช้งานในขอบเขตค่า DCR ต่ำสุด

ดังนั้น DCR ของตัวเหนี่ยวนำจึงเป็นปัจจัยสำคัญและควรพิจารณาในขณะออกแบบวงจรใด ๆ