基礎電子學系列18 – 電感器實用指南

在之前的教程中，我們討論了磁學、電磁學和電感。電感在電路中很有用。設計用于在電路中提供電感的電子元件稱為電感器。

電感器
大多數(shù)導電材料（金屬）是順磁性或鐵磁性的，而大多數(shù)非導電材料（非金屬）是抗磁性的。任何導體都會顯示一些電感以響應電流大小或方向的變化。即使是簡單的直線也會產生一些電感，盡管它小到可以在電路中忽略不計。如果將同一根導線纏繞成一個環(huán)，則其電感會增加。對于相同長度的導線，環(huán)路數(shù)越多，電感越大。使用合適的鐵磁芯可以使線圈或線圈的電感倍增。

最簡單的電感器是空心線圈。它們是通過在塑料、木材或任何非鐵磁芯上纏繞一圈電線而構成的。線圈的電感取決于匝數(shù)、線圈半徑和線圈的整體形狀。電感與匝數(shù)以及線圈的直徑成正比。對于給定直徑和線圈匝數(shù)，它與導線長度成反比。因此，匝數(shù)越近，電感越大。電感器的載流能力取決于導線的材料和粗細。電感器的運行損耗（以熱量的形式）在很大程度上取決于用作電感器磁芯的材料。

空芯電感示例（圖片來源：Wurth Electronics）

空心線圈提供小電感，最大可達 1 mH。通過在大半徑范圍內使用粗線，可以將空心線圈設計為具有無限的載流能力。這些電感器幾乎是無損耗的，因為空氣不會以熱的形式耗散太多能量。交流電流的頻率越高，產生顯著效果所需的電感就越小。因此，空心電感具有無損工作、高電流容量和足夠的電感值，非常適合高頻交流電路。

通過使用通電鐵芯或鐵氧體磁芯，可以顯著增加電感。然而，鐵粉或鐵氧體磁芯也會以熱量的形式損失大量電能。鐵磁芯的使用也限制了電感器的載流能力。對于鐵磁芯，電感在電流的臨界值處飽和。當電流增加到超過臨界值時，電感反而會開始下降。在高電流下，鐵磁芯可能會變得足夠熱，以至于它們可能會破裂并永久改變電感器的標稱電感。

螺線管與電感器
螺線管經常與電感器混淆。螺線管是用作電磁鐵的線圈。許多電感器也是線圈，但它們旨在在電路中提供電感。使用圓柱形線圈的電感器也被稱為螺線管線圈，只是因為它們的結構類似于螺線管。但是，它們并不打算用作電路中的電磁鐵。螺線管專門用作電磁鐵，通常具有可移動或靜止的鐵芯。通常，螺線管用作電鈴、直流電動機和繼電器中的電磁鐵。

作為電感器的螺線管線圈
最簡單和最常見的電感器是螺線管線圈。這些電感器是纏繞在空芯或鐵磁芯上的圓柱形線圈。這些電感器最容易構造。

螺線管或圓柱形線圈可以很容易地設計成通過結合一個機制來滑入和滑出線圈的鐵磁芯來改變電感。通過將鐵芯移入和移出線圈，可以改變線圈的有效磁導率，從而改變線圈的電感。這稱為滲透率調整。這用于調整無線電電路中的頻率。

通過將鐵芯連接到螺桿軸并在線圈的另一端固定螺母，可以使鐵芯移動。當螺旋軸順時針旋轉時，磁芯在線圈內部移動，增加了有效磁導率，從而增加了電感。當螺旋軸逆時針旋轉時，磁芯移出，降低有效磁導率，從而降低電感。

作為電感器的環(huán)形線圈
環(huán)形線圈是當今另一種最常見的電感器形式。環(huán)形線圈有一個環(huán)狀鐵磁芯，線圈繞在其上。與螺線管線圈相比，對于相同的電感和載流能力，環(huán)形線圈需要更少的匝數(shù)并且物理上更小。環(huán)形線圈的另一個主要優(yōu)點是磁通量包含在鐵芯內，從而避免了任何不需要的互感。

大電流環(huán)形導體。（圖片：Bel Group 旗下的 Signal Transformer）

然而，很難將線圈繞成環(huán)形。磁導率調整環(huán)形線圈更困難。在環(huán)形線圈上設計可變電感器涉及復雜而繁瑣的結構。在需要互感的電路中，不同的線圈需要繞在同一個磁芯上，以防使用環(huán)形線圈作為電感器。

作為電感器的罐形磁芯
在典型的電感器（螺線管線圈和環(huán)形線圈）中，線圈纏繞在鐵磁芯上。罐形磁芯是另一種類型的電感器，其中線圈繞組位于鐵磁芯內。在鍋形鐵芯中，鐵磁芯呈兩半形式。線圈由其中一半纏繞和包裹。兩半之間有孔，從中取出線圈線。整個組件由螺栓和螺母固定在一起。

像環(huán)形線圈這樣的罐形磁芯具有大電感和載流能力，體積小，匝數(shù)少。與環(huán)形線圈一樣，通量仍包含在組件內。因此，鍋形鐵芯不會產生不需要的互感。同樣，與環(huán)形線圈一樣，很難改變罐形鐵芯中的電感。只能通過改變匝數(shù)和在線圈的不同點使用抽頭來改變罐形鐵芯中的電感。

作為電感器的傳輸線
電感器主要用于交流電路。對于直流電，電感器幾乎就像一根導線，提供一些可以忽略不計的電阻，除此之外別無其他。在交流電中，電感器找到了它們的實際應用。音頻電路一般采用環(huán)形線圈、壺形鐵芯或音頻變壓器作為電感器。音頻電路通常使用值范圍從幾毫亨利到 1 亨利的電感器。電感器和電容器一起用于音頻電路中以進行調諧。如今，有源IC在音頻電路和應用中幾乎已經取代了電感和電容。

隨著頻率的增加，使用具有較低磁導率磁芯的電感器。在射頻的低端，使用與音頻應用中相同的電感器。在高達幾 MHz 的無線電頻率下，環(huán)形線圈非常常見。對于 30 至 100 MHz 的無線電頻率，首選空心線圈。

對于大于 100 MHz 的無線電頻率，傳輸線電感器很有用。長度較短（信號波長的四分之一波長或更短）的傳輸線可用作調諧高頻無線電信號的電感器。用作電感器的傳輸線一般為同軸電纜。

直流電路中的電感
實際上，電感在直流電路中沒有用處，因為它們不會顯示恒流電感。但是，假設一個電感連接在直流電路中，有助于理解其工作原理及其對脈動直流電壓的行為。假設一個純電感器通過開關連接到電壓源。當開關閉合時，電壓施加在電感兩端，導致通過電感的電流快速變化。當施加的電壓從零增加到峰值（在短時間內）時，電感器通過感應與施加電壓極性相反的電壓來阻止變化的電流流過它。電感器通電期間的感應電壓稱為反電動勢，由下式給出 –

V L = – L*(di/dt)
其中，
V L是電感中感應的電壓（反電動勢）。
L 是電感器提供的電感量。

di/dt 是電流相對于時間的變化率。

通過電感器的電流突然變化會產生無窮大的電壓，這是不可行的。因此，通過電感器的電流不能突然改變。電流在幅度上的每一個微小變化都面臨電感的影響，并緩慢上升到其峰值恒定值。因此，最初，當開關閉合時，電感器充當開路。反電動勢保持在電感器上，直到電流通過它發(fā)生變化。感應反電動勢始終與上升的施加電壓保持相等且相反。當來自電源的電壓和電流接近恒定值時，反電動勢降至零，電感器就像連接線一樣充當短路。通電時，電感器存儲的功率由下式給出 –

P = V * I = L*i*di/dt
其中，
P為電感存儲的電功率。
V 是電感兩端的峰值電壓。
I 是通過電感的峰值電流。

通電時電感器存儲的能量由下式給出 –
W = ∫P.dt = ∫L*i*(di/dt)dt = (1/2)LI 2
其中，
W 是電感器存儲的電能磁場形式的電感器。
I 是通過它的最大電流。

當移除電壓源（通過打開開關）時，電感兩端的電壓從峰值恒定值下降到零。與電容器不同，在移除電壓源時，電感兩端的電壓不會保留。事實上，當通過它的電流變得恒定時，它已經下降到零?，F(xiàn)在，隨著施加的電壓從峰值恒定值下降到零，通過電感器的電流也從恒定峰值下降到零?，F(xiàn)在，電感器通過在所施加電壓的方向上感應出正向電動勢來抵抗電流的下降。由于感應正向電動勢，通過電感器的電流以較慢的速率下降到零。一旦電流降為零，正向電動勢也降為零。

因此，在通電時，電能在電感器中轉換為磁場，這在電感器上感應的反電動勢很明顯。在斷電時，電感器以正向電動勢的形式將相同的電能返回給電路。每當電感兩端的電壓增加時，就會產生反電動勢，而每當電感兩端的電壓下降時，就會產生正向電動勢。

實際上，電感器兩端產生的反電動勢或正向電動勢比施加的電壓大很多倍。如果只有一個電感器與電壓源相連，或者電感器在沒有任何保護的情況下連接到直流電路中，則打開開關時返回的電能會在開關觸點處以電壓尖峰或火花的形式釋放。如果電感量大或電路中電流大，在開關觸點處以電弧或火花形式釋放的能量甚至可以將其燒毀或熔化。這可以通過使用與開關觸點串聯(lián)的電阻器和電容器 (RC) 網絡來避免。這個 RC 網絡叫做Snubber Network. 它讓電感器釋放的電能對電容器進行充電和放電，因此不會損壞任何其他組件。在許多電路中，保護二極管用于保護電路的其他組件免受電感器或螺線管的反電動勢或正向電動勢的影響。

交流電路中的電感器
由于電感器阻止電流的任何變化，因此交流電流滯后于通過電感器的交流電壓90°。最初，當來自電源的電壓施加到電感器時，通過電感器的電流最大且方向相反。施加電壓時，由于感應的反電動勢與施加的電壓相反，電流流過電感器。在每個時間點，電感兩端的感應電壓始終與施加電壓相等且方向相反。當施加的電壓從零上升到峰值時，通過電感器的反向電流從最大值下降到零。

當施加的電壓從峰值下降到零時，電感兩端感應出正向電動勢，導致通過它的電流從零上升到相反方向的峰值。當施加的信號改變極性并沿相反方向上升到峰值時，電感器中再次感應出反電動勢，導致反向電流從峰值下降到零。當施加的電壓再次下降到零以反向時，電感器中感應出正向電動勢，導致電流再次從零上升到相反方向的峰值。這對于 AC 信號的每個周期都會繼續(xù)。

感抗 電感
引起的電流反作用用感抗來表示。通過電感器的電流幅度與施加電壓信號的頻率成反比。由于電感兩端的電壓（反電動勢或正向電動勢）與電感成正比，因此電流的幅度也與電感成反比。因此，以感抗形式存在的電感引起的電流反作用由下式給出：

X L = 2πfL
= ωL

因此，通過電感器的電流的峰值振幅由下式給出：

I peak = V peak /X L
= V peak / ωL
其中，
I peak為流過電感的交流電流的峰值。
V peak是施加到電感器上的交流電壓的峰值。
X L是感抗。

與電阻和容抗一樣，感抗的單位也是歐姆。應該注意的是，與電阻不同，由于電容或電感電抗，電路中沒有能量損失。但是，電抗可以限制通過電容器或電感器的電流水平。

電感器的應用
電感器用于交流電路。它們通常用于電信中的模擬和信號處理電路。它們還與電容器一起用于設計濾波電路。在電信中，電感器還用于降低系統(tǒng)電壓或沿傳輸線的故障電流。通過耦合電感器，變壓器設計用于升高或降低交流電壓。電感器還用于在 SMPS 和 UPS 電路中臨時存儲電能。在電源電路中，電感器（在此處稱為濾波扼流圈）用于平滑脈動電流。

電感器的信號行為可歸納如下：

• 每當施加到電感器的電壓增加時，電感器就會產生反電動勢，導致通過它的電流從最大值下降到零或更低水平。每當施加的電壓降低時，電感器就會產生正向電動勢，導致通過它的電流從零或電流水平上升到最大值或更高水平。

• 反電動勢或正向電動勢保持在電感器上，直到施加電壓，因此通過它的電流發(fā)生變化。當施加的電壓飽和到恒定值時，反電動勢或正向電動勢降至零，并且恒定電流流過電感器而沒有任何阻力，就像在連接線中一樣。

• 由于電感，電路中電流的變化率變慢。如果信號是交流電，由于電感，電流總是滯后于電壓 90°。

• 由于電感或電容電抗，沒有能量損失。當施加的電壓下降或反向時，由電感器以磁場形式存儲的能量或由電容器以靜電場形式存儲的能量返回到電路。然而，由于電抗，峰值電流水平（電流信號的幅度）受到限制。

在下一篇文章中，我們將討論電感器的各種非理想特性和關鍵性能指標。