電感的毛刺現(xiàn)象是什么意思？如何解決感應(yīng)毛刺？

毛刺現(xiàn)象是我們每一個電子愛好者避之唯恐不及的，今天我們來學(xué)習(xí)一個毛刺現(xiàn)象以及如何規(guī)避它，進(jìn)而掌握電感升壓的原理。

簡單場管開關(guān)電路

讓我們從一個簡單的電路開始，該電路使用一個 N 溝道場效應(yīng)管控制 20 歐姆所在電路的通斷。換句話說，我們拿場管當(dāng)開關(guān)用。

其中場效應(yīng)管的1、2、3腳分別為門極（Gate）、漏極（Drain）、源極（Source）。在這里，我們主要關(guān)注場效應(yīng)管漏極，也就是 2 腳的情況。

場效應(yīng)管開關(guān)電路

當(dāng)給 N 溝道場效應(yīng)管門級施加高電壓，這里是 5 V 時，電路導(dǎo)通，等效電路如下圖所示：

場效應(yīng)管導(dǎo)通等效電路

當(dāng)給 N 溝道場效應(yīng)管門級施加低電壓，這里是 0 V 時，電路斷開，等效電路如下圖所示：

場效應(yīng)管斷開等效電路

下面是在面包上組裝好的電路：

面包板上組裝的場效應(yīng)管開關(guān)電路

下面是上面電路的波形截圖：

場效應(yīng)管開關(guān)電路示波器截圖

可以看到，當(dāng)給場管門級施加高電平時，電路導(dǎo)通，場管漏極與地短接，電壓為0; 當(dāng)給場管施加低電平時，場管斷開，場管漏極電壓等同于電源電壓9V(實(shí)際 8.19 V, 電池電量可能不夠了)

簡單電機(jī)驅(qū)動電路

如果把上面電路中的 20 歐姆電阻換成一個小電機(jī)，那么一個簡單的電機(jī)驅(qū)動（速度控制）電路就產(chǎn)生了。

下面是替換后的面包板電路和示波器截圖：

面包板上組裝的電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)驅(qū)動電路波形截圖

電機(jī)也能正常旋轉(zhuǎn)，如果改變控制方波的占空比，也能控制電機(jī)的速度。但是，我們可以在波形圖中看到一個非常大的毛刺，峰值達(dá)到了 38.7 V，非常不協(xié)調(diào)。此處 黃色 CH1 還是接在門級，青色 CH2 接漏極。

怎么回事？

為什么會產(chǎn)生如此巨大的毛刺？

電機(jī)是是由一大堆導(dǎo)線繞制而成的，我們可以將其看作一個電感器。當(dāng)場效應(yīng)管打開時，電流流過電機(jī)，一起正常。

電流流過電機(jī)一切正常

場管打開時，電機(jī)正在旋轉(zhuǎn)，在此過程中，它會以磁場的形式存儲一些電能，讓我們用一個能量條來代表電感存儲的能量。

電感存儲能量

下面我們來看看當(dāng)場效應(yīng)管關(guān)閉時發(fā)生了什么。我們知道電感的黃金法則： 流經(jīng)電感器的電流不能突變 。因此，在場效應(yīng)管關(guān)閉的一瞬間，雖然電路斷開了，但是，仍然有電流流過電感。但因?yàn)榇藭r場管已經(jīng)斷開，電流已經(jīng)無路可走了。

電路無路可走

隨著電流持續(xù)流過電感，漏極電壓將逐漸升高……直到電感存儲的所有電磁能都轉(zhuǎn)化為電能。 因此，最終在場效應(yīng)管的漏極生成了這個巨大的電壓毛刺。

電感抬高電壓

電感升壓原理分析

大家知道，電路中帶負(fù)電荷的電子的流向是和傳統(tǒng)的電流方向正好相反的。因此，對于上面的電路，隨著電流從上往下流過電感，電子實(shí)際上在離開圖中電感的下端。隨著負(fù)電子的離開，電壓逐漸升高，最終在此處形成一個巨大的電壓毛刺。

電感升壓原理分析

如此巨大的電壓毛刺是我們每一個電子工程師都應(yīng)該竭力避免的，要不然，燒掉器件那是分分鐘的事。

在這里，我們使用的是額定電壓高達(dá) 60 V 的 IRFZ44E，38.7 V 的電壓還不足以擊穿它。但是如果你使用的是大電機(jī)并且還帶有大負(fù)載，擊穿它是完全有可能的。

IRFZ44E 額定電壓高達(dá)60V

如何解決感應(yīng)毛刺？

方法很簡單：放置一個和電感并聯(lián)并且反向的二極管。

現(xiàn)在，當(dāng)場效應(yīng)管關(guān)閉時，電流有了回流路徑。感應(yīng)電動勢將通過二極管返回電源。

二極管有力量

有些文章中將這個并聯(lián)的二極管稱之為：續(xù)流二極管（freewheeling diode）。這個二極管還有一些其他的稱呼：反向偏置二極管（reverse bias diode）、反向并聯(lián)二極管（antiparallel diode ）、捕獲二極管（catch diode）、反激二極管（flyback diode）。

僅僅添加了一個小小的二極管，毛刺完全消失。

面包板上組裝的帶二極管的電機(jī)驅(qū)動電路

毛刺消失了

古語有云：禍兮福所倚，福兮禍所伏。在本文電路中，電感引起的毛刺雖然是不好的現(xiàn)象，是需要竭力避免的。但在有些電路中，比如開關(guān)電源電路中它又是不可或缺的。升壓型開關(guān)電源正是基于電感的這個升壓特性而孕育產(chǎn)生出來的。