基礎電子學(xué)系列18 – 電感器實(shí)用指南

在之前的教程中，我們討論了磁學(xué)、電磁學(xué)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(chēng)為電感器。

電感器
大多數導電材料（金屬）是順磁性或鐵磁性的，而大多數非導電材料（非金屬）是抗磁性的。任何導體都會(huì )顯示一些電感以響應電流大小或方向的變化。即使是簡(jiǎn)單的直線(xiàn)也會(huì )產(chǎn)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(xiàn)纏繞成一個(gè)環(huán)，則其電感會(huì )增加。對于相同長(cháng)度的導線(xiàn)，環(huán)路數越多，電感越大。使用合適的鐵磁芯可以使線(xiàn)圈或線(xiàn)圈的電感倍增。

最簡(jiǎn)單的電感器是空心線(xiàn)圈。它們是通過(guò)在塑料、木材或任何非鐵磁芯上纏繞一圈電線(xiàn)而構成的。線(xiàn)圈的電感取決于匝數、線(xiàn)圈半徑和線(xiàn)圈的整體形狀。電感與匝數以及線(xiàn)圈的直徑成正比。對于給定直徑和線(xiàn)圈匝數，它與導線(xiàn)長(cháng)度成反比。因此，匝數越近，電感越大。電感器的載流能力取決于導線(xiàn)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(lái)源：Wurth Electronics）

空心線(xiàn)圈提供小電感，最大可達 1 mH。通過(guò)在大半徑范圍內使用粗線(xiàn)，可以將空心線(xiàn)圈設計為具有無(wú)限的載流能力。這些電感器幾乎是無(wú)損耗的，因為空氣不會(huì )以熱的形式耗散太多能量。交流電流的頻率越高，產(chǎn)生顯著(zhù)效果所需的電感就越小。因此，空心電感具有無(wú)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(guò)使用通電鐵芯或鐵氧體磁芯，可以顯著(zhù)增加電感。然而，鐵粉或鐵氧體磁芯也會(huì )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(guò)臨界值時(shí)，電感反而會(huì )開(kāi)始下降。在高電流下，鐵磁芯可能會(huì )變得足夠熱，以至于它們可能會(huì )破裂并永久改變電感器的標稱(chēng)電感。

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

作為電感器的螺線(xiàn)管線(xiàn)圈
最簡(jiǎn)單和最常見(jiàn)的電感器是螺線(xiàn)管線(xiàn)圈。這些電感器是纏繞在空芯或鐵磁芯上的圓柱形線(xiàn)圈。這些電感器最容易構造。

螺線(xiàn)管或圓柱形線(xiàn)圈可以很容易地設計成通過(guò)結合一個(gè)機制來(lái)滑入和滑出線(xiàn)圈的鐵磁芯來(lái)改變電感。通過(guò)將鐵芯移入和移出線(xiàn)圈，可以改變線(xiàn)圈的有效磁導率，從而改變線(xiàn)圈的電感。這稱(chēng)為滲透率調整。這用于調整無(wú)線(xiàn)電電路中的頻率。

通過(guò)將鐵芯連接到螺桿軸并在線(xiàn)圈的另一端固定螺母，可以使鐵芯移動(dòng)。當螺旋軸順時(shí)針旋轉時(shí)，磁芯在線(xiàn)圈內部移動(dòng)，增加了有效磁導率，從而增加了電感。當螺旋軸逆時(shí)針旋轉時(shí)，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(xiàn)圈
環(huán)形線(xiàn)圈是當今另一種最常見(jiàn)的電感器形式。環(huán)形線(xiàn)圈有一個(gè)環(huán)狀鐵磁芯，線(xiàn)圈繞在其上。與螺線(xiàn)管線(xiàn)圈相比，對于相同的電感和載流能力，環(huán)形線(xiàn)圈需要更少的匝數并且物理上更小。環(huán)形線(xiàn)圈的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)圈繞成環(huán)形。磁導率調整環(huán)形線(xiàn)圈更困難。在環(huán)形線(xiàn)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(xiàn)圈需要繞在同一個(gè)磁芯上，以防使用環(huán)形線(xiàn)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(xiàn)管線(xiàn)圈和環(huán)形線(xiàn)圈）中，線(xiàn)圈纏繞在鐵磁芯上。罐形磁芯是另一種類(lèi)型的電感器，其中線(xiàn)圈繞組位于鐵磁芯內。在鍋形鐵芯中，鐵磁芯呈兩半形式。線(xiàn)圈由其中一半纏繞和包裹。兩半之間有孔，從中取出線(xiàn)圈線(xiàn)。整個(gè)組件由螺栓和螺母固定在一起。

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

作為電感器的傳輸線(xiàn)
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(xiàn)，提供一些可以忽略不計的電阻，除此之外別無(wú)其他。在交流電中，電感器找到了它們的實(shí)際應用。音頻電路一般采用環(huán)形線(xiàn)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(jìn)行調諧。如今，有源IC在音頻電路和應用中幾乎已經(jīng)取代了電感和電容。

隨著(zhù)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(wú)線(xiàn)電頻率下，環(huán)形線(xiàn)圈非常常見(jiàn)。對于 30 至 100 MHz 的無(wú)線(xiàn)電頻率，首選空心線(xiàn)圈。

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

直流電路中的電感
實(shí)際上，電感在直流電路中沒(méi)有用處，因為它們不會(huì )顯示恒流電感。但是，假設一個(gè)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(dòng)直流電壓的行為。假設一個(gè)純電感器通過(guò)開(kāi)關(guān)連接到電壓源。當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電壓施加在電感兩端，導致通過(guò)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(shí)間內）時(shí)，電感器通過(guò)感應與施加電壓極性相反的電壓來(lái)阻止變化的電流流過(guò)它。電感器通電期間的感應電壓稱(chēng)為反電動(dòng)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(dòng)勢）。
L 是電感器提供的電感量。

di/dt 是電流相對于時(shí)間的變化率。

通過(guò)電感器的電流突然變化會(huì )產(chǎn)生無(wú)窮大的電壓，這是不可行的。因此，通過(guò)電感器的電流不能突然改變。電流在幅度上的每一個(gè)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(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感器充當開(kāi)路。反電動(dòng)勢保持在電感器上，直到電流通過(guò)它發(fā)生變化。感應反電動(dòng)勢始終與上升的施加電壓保持相等且相反。當來(lái)自電源的電壓和電流接近恒定值時(shí)，反電動(dòng)勢降至零，電感器就像連接線(xiàn)一樣充當短路。通電時(shí)，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(guò)電感的峰值電流。

通電時(shí)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(chǎng)形式的電感器。
I 是通過(guò)它的最大電流。

當移除電壓源（通過(guò)打開(kāi)開(kāi)關(guān)）時(shí)，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(shí)，電感兩端的電壓不會(huì )保留。事實(shí)上，當通過(guò)它的電流變得恒定時(shí)，它已經(jīng)下降到零?，F在，隨著(zhù)施加的電壓從峰值恒定值下降到零，通過(guò)電感器的電流也從恒定峰值下降到零?，F在，電感器通過(guò)在所施加電壓的方向上感應出正向電動(dòng)勢來(lái)抵抗電流的下降。由于感應正向電動(dòng)勢，通過(guò)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(dòng)勢也降為零。

因此，在通電時(shí)，電能在電感器中轉換為磁場(chǎng)，這在電感器上感應的反電動(dòng)勢很明顯。在斷電時(shí)，電感器以正向電動(dòng)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(shí)，就會(huì )產(chǎn)生反電動(dòng)勢，而每當電感兩端的電壓下降時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生正向電動(dòng)勢。

實(shí)際上，電感器兩端產(chǎn)生的反電動(dòng)勢或正向電動(dòng)勢比施加的電壓大很多倍。如果只有一個(gè)電感器與電壓源相連，或者電感器在沒(méi)有任何保護的情況下連接到直流電路中，則打開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)返回的電能會(huì )在開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)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(kāi)關(guān)觸點(diǎn)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(guò)使用與開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)串聯(lián)的電阻器和電容器 (RC) 網(wǎng)絡(luò )來(lái)避免。這個(gè) RC 網(wǎng)絡(luò )叫做Snubber Network. 它讓電感器釋放的電能對電容器進(jìn)行充電和放電，因此不會(huì )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(xiàn)管的反電動(dòng)勢或正向電動(dòng)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(guò)電感器的交流電壓90°。最初，當來(lái)自電源的電壓施加到電感器時(shí)，通過(guò)電感器的電流最大且方向相反。施加電壓時(shí)，由于感應的反電動(dòng)勢與施加的電壓相反，電流流過(guò)電感器。在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，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(shí)，通過(guò)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(shí)，電感兩端感應出正向電動(dòng)勢，導致通過(guò)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(shí)，電感器中再次感應出反電動(dòng)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(shí)，電感器中感應出正向電動(dòng)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(gè)周期都會(huì )繼續。

感抗 電感
引起的電流反作用用感抗來(lái)表示。通過(guò)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(dòng)勢或正向電動(dòng)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(guò)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(guò)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(méi)有能量損失。但是，電抗可以限制通過(guò)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電壓或沿傳輸線(xiàn)的故障電流。通過(guò)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(shí)存儲電能。在電源電路中，電感器（在此處稱(chēng)為濾波扼流圈）用于平滑脈動(dòng)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(shí)，電感器就會(huì )產(chǎn)生反電動(dòng)勢，導致通過(guò)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(shí)，電感器就會(huì )產(chǎn)生正向電動(dòng)勢，導致通過(guò)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(dòng)勢或正向電動(dòng)勢保持在電感器上，直到施加電壓，因此通過(guò)它的電流發(fā)生變化。當施加的電壓飽和到恒定值時(shí)，反電動(dòng)勢或正向電動(dòng)勢降至零，并且恒定電流流過(guò)電感器而沒(méi)有任何阻力，就像在連接線(xiàn)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(méi)有能量損失。當施加的電壓下降或反向時(shí)，由電感器以磁場(chǎng)形式存儲的能量或由電容器以靜電場(chǎng)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(guān)鍵性能指標。