基础电子学系列18 – 电感器实用指南

在之前的教程中，我们讨论了磁学、电磁学和电感。电感在电路中很有用。设计用于在电路中提供电感的电子元件称为电感器。

电感器
大多数导电材料（金属）是顺磁性或铁磁性的，而大多数非导电材料（非金属）是抗磁性的。任何导体都会显示一些电感以响应电流大小或方向的变化。即使是简单的直线也会产生一些电感，尽管它小到可以在电路中忽略不计。如果将同一根导线缠绕成一个环，则其电感会增加。对于相同长度的导线，环路数越多，电感越大。使用合适的铁磁芯可以使线圈或线圈的电感倍增。

最简单的电感器是空心线圈。它们是通过在塑料、木材或任何非铁磁芯上缠绕一圈电线而构成的。线圈的电感取决于匝数、线圈半径和线圈的整体形状。电感与匝数以及线圈的直径成正比。对于给定直径和线圈匝数，它与导线长度成反比。因此，匝数越近，电感越大。电感器的载流能力取决于导线的材料和粗细。电感器的运行损耗（以热量的形式）在很大程度上取决于用作电感器磁芯的材料。

空芯电感示例（图片来源：Wurth Electronics）

空心线圈提供小电感，最大可达 1 mH。通过在大半径范围内使用粗线，可以将空心线圈设计为具有无限的载流能力。这些电感器几乎是无损耗的，因为空气不会以热的形式耗散太多能量。交流电流的频率越高，产生显着效果所需的电感就越小。因此，空心电感具有无损工作、高电流容量和足够的电感值，非常适合高频交流电路。

通过使用通电铁芯或铁氧体磁芯，可以显着增加电感。然而，铁粉或铁氧体磁芯也会以热量的形式损失大量电能。铁磁芯的使用也限制了电感器的载流能力。对于铁磁芯，电感在电流的临界值处饱和。当电流增加到超过临界值时，电感反而会开始下降。在高电流下，铁磁芯可能会变得足够热，以至于它们可能会破裂并永久改变电感器的标称电感。

螺线管与电感器
螺线管经常与电感器混淆。螺线管是用作电磁铁的线圈。许多电感器也是线圈，但它们旨在在电路中提供电感。使用圆柱形线圈的电感器也被称为螺线管线圈，只是因为它们的结构类似于螺线管。但是，它们并不打算用作电路中的电磁铁。螺线管专门用作电磁铁，通常具有可移动或静止的铁芯。通常，螺线管用作电铃、直流电动机和继电器中的电磁铁。

作为电感器的螺线管线圈
最简单和最常见的电感器是螺线管线圈。这些电感器是缠绕在空芯或铁磁芯上的圆柱形线圈。这些电感器最容易构造。

螺线管或圆柱形线圈可以很容易地设计成通过结合一个机制来滑入和滑出线圈的铁磁芯来改变电感。通过将铁芯移入和移出线圈，可以改变线圈的有效磁导率，从而改变线圈的电感。这称为渗透率调整。这用于调整无线电电路中的频率。

通过将铁芯连接到螺杆轴并在线圈的另一端固定螺母，可以使铁芯移动。当螺旋轴顺时针旋转时，磁芯在线圈内部移动，增加了有效磁导率，从而增加了电感。当螺旋轴逆时针旋转时，磁芯移出，降低有效磁导率，从而降低电感。

作为电感器的环形线圈
环形线圈是当今另一种最常见的电感器形式。环形线圈有一个环状铁磁芯，线圈绕在其上。与螺线管线圈相比，对于相同的电感和载流能力，环形线圈需要更少的匝数并且物理上更小。环形线圈的另一个主要优点是磁通量包含在铁芯内，从而避免了任何不需要的互感。

大电流环形导体。（图片：Bel Group 旗下的 Signal Transformer）

然而，很难将线圈绕成环形。磁导率调整环形线圈更困难。在环形线圈上设计可变电感器涉及复杂而繁琐的结构。在需要互感的电路中，不同的线圈需要绕在同一个磁芯上，以防使用环形线圈作为电感器。

作为电感器的罐形磁芯
在典型的电感器（螺线管线圈和环形线圈）中，线圈缠绕在铁磁芯上。罐形磁芯是另一种类型的电感器，其中线圈绕组位于铁磁芯内。在锅形铁芯中，铁磁芯呈两半形式。线圈由其中一半缠绕和包裹。两半之间有孔，从中取出线圈线。整个组件由螺栓和螺母固定在一起。

像环形线圈这样的罐形磁芯具有大电感和载流能力，体积小，匝数少。与环形线圈一样，通量仍包含在组件内。因此，锅形铁芯不会产生不需要的互感。同样，与环形线圈一样，很难改变罐形铁芯中的电感。只能通过改变匝数和在线圈的不同点使用抽头来改变罐形铁芯中的电感。

作为电感器的传输线
电感器主要用于交流电路。对于直流电，电感器几乎就像一根导线，提供一些可以忽略不计的电阻，除此之外别无其他。在交流电中，电感器找到了它们的实际应用。音频电路一般采用环形线圈、壶形铁芯或音频变压器作为电感器。音频电路通常使用值范围从几毫亨利到 1 亨利的电感器。电感器和电容器一起用于音频电路中以进行调谐。如今，有源IC在音频电路和应用中几乎已经取代了电感和电容。

随着频率的增加，使用具有较低磁导率磁芯的电感器。在射频的低端，使用与音频应用中相同的电感器。在高达几 MHz 的无线电频率下，环形线圈非常常见。对于 30 至 100 MHz 的无线电频率，首选空心线圈。

对于大于 100 MHz 的无线电频率，传输线电感器很有用。长度较短（信号波长的四分之一波长或更短）的传输线可用作调谐高频无线电信号的电感器。用作电感器的传输线一般为同轴电缆。

直流电路中的电感
实际上，电感在直流电路中没有用处，因为它们不会显示恒流电感。但是，假设一个电感连接在直流电路中，有助于理解其工作原理及其对脉动直流电压的行为。假设一个纯电感器通过开关连接到电压源。当开关闭合时，电压施加在电感两端，导致通过电感的电流快速变化。当施加的电压从零增加到峰值（在短时间内）时，电感器通过感应与施加电压极性相反的电压来阻止变化的电流流过它。电感器通电期间的感应电压称为反电动势，由下式给出 –

V L = – L*(di/dt)
其中，
V L是电感中感应的电压（反电动势）。
L 是电感器提供的电感量。

di/dt 是电流相对于时间的变化率。

通过电感器的电流突然变化会产生无穷大的电压，这是不可行的。因此，通过电感器的电流不能突然改变。电流在幅度上的每一个微小变化都面临电感的影响，并缓慢上升到其峰值恒定值。因此，最初，当开关闭合时，电感器充当开路。反电动势保持在电感器上，直到电流通过它发生变化。感应反电动势始终与上升的施加电压保持相等且相反。当来自电源的电压和电流接近恒定值时，反电动势降至零，电感器就像连接线一样充当短路。通电时，电感器存储的功率由下式给出 –

P = V * I = L*i*di/dt
其中，
P为电感存储的电功率。
V 是电感两端的峰值电压。
I 是通过电感的峰值电流。

通电时电感器存储的能量由下式给出 –
W = ∫P.dt = ∫L*i*(di/dt)dt = (1/2)LI 2
其中，
W 是电感器存储的电能磁场形式的电感器。
I 是通过它的最大电流。

当移除电压源（通过打开开关）时，电感两端的电压从峰值恒定值下降到零。与电容器不同，在移除电压源时，电感两端的电压不会保留。事实上，当通过它的电流变得恒定时，它已经下降到零。现在，随着施加的电压从峰值恒定值下降到零，通过电感器的电流也从恒定峰值下降到零。现在，电感器通过在所施加电压的方向上感应出正向电动势来抵抗电流的下降。由于感应正向电动势，通过电感器的电流以较慢的速率下降到零。一旦电流降为零，正向电动势也降为零。

因此，在通电时，电能在电感器中转换为磁场，这在电感器上感应的反电动势很明显。在断电时，电感器以正向电动势的形式将相同的电能返回给电路。每当电感两端的电压增加时，就会产生反电动势，而每当电感两端的电压下降时，就会产生正向电动势。

实际上，电感器两端产生的反电动势或正向电动势比施加的电压大很多倍。如果只有一个电感器与电压源相连，或者电感器在没有任何保护的情况下连接到直流电路中，则打开开关时返回的电能会在开关触点处以电压尖峰或火花的形式释放。如果电感量大或电路中电流大，在开关触点处以电弧或火花形式释放的能量甚至可以将其烧毁或熔化。这可以通过使用与开关触点串联的电阻器和电容器 (RC) 网络来避免。这个 RC 网络叫做Snubber Network. 它让电感器释放的电能对电容器进行充电和放电，因此不会损坏任何其他组件。在许多电路中，保护二极管用于保护电路的其他组件免受电感器或螺线管的反电动势或正向电动势的影响。

交流电路中的电感器
由于电感器阻止电流的任何变化，因此交流电流滞后于通过电感器的交流电压90°。最初，当来自电源的电压施加到电感器时，通过电感器的电流最大且方向相反。施加电压时，由于感应的反电动势与施加的电压相反，电流流过电感器。在每个时间点，电感两端的感应电压始终与施加电压相等且方向相反。当施加的电压从零上升到峰值时，通过电感器的反向电流从最大值下降到零。

当施加的电压从峰值下降到零时，电感两端感应出正向电动势，导致通过它的电流从零上升到相反方向的峰值。当施加的信号改变极性并沿相反方向上升到峰值时，电感器中再次感应出反电动势，导致反向电流从峰值下降到零。当施加的电压再次下降到零以反向时，电感器中感应出正向电动势，导致电流再次从零上升到相反方向的峰值。这对于 AC 信号的每个周期都会继续。

感抗 电感
引起的电流反作用用感抗来表示。通过电感器的电流幅度与施加电压信号的频率成反比。由于电感两端的电压（反电动势或正向电动势）与电感成正比，因此电流的幅度也与电感成反比。因此，以感抗形式存在的电感引起的电流反作用由下式给出：

X L = 2πfL
= ωL

因此，通过电感器的电流的峰值振幅由下式给出：

I peak = V peak /X L
= V peak / ωL
其中，
I peak为流过电感的交流电流的峰值。
V peak是施加到电感器上的交流电压的峰值。
X L是感抗。

与电阻和容抗一样，感抗的单位也是欧姆。应该注意的是，与电阻不同，由于电容或电感电抗，电路中没有能量损失。但是，电抗可以限制通过电容器或电感器的电流水平。

电感器的应用
电感器用于交流电路。它们通常用于电信中的模拟和信号处理电路。它们还与电容器一起用于设计滤波电路。在电信中，电感器还用于降低系统电压或沿传输线的故障电流。通过耦合电感器，变压器设计用于升高或降低交流电压。电感器还用于在 SMPS 和 UPS 电路中临时存储电能。在电源电路中，电感器（在此处称为滤波扼流圈）用于平滑脉动电流。

电感器的信号行为可归纳如下：

• 每当施加到电感器的电压增加时，电感器就会产生反电动势，导致通过它的电流从最大值下降到零或更低水平。每当施加的电压降低时，电感器就会产生正向电动势，导致通过它的电流从零或电流水平上升到最大值或更高水平。

• 反电动势或正向电动势保持在电感器上，直到施加电压，因此通过它的电流发生变化。当施加的电压饱和到恒定值时，反电动势或正向电动势降至零，并且恒定电流流过电感器而没有任何阻力，就像在连接线中一样。

• 由于电感，电路中电流的变化率变慢。如果信号是交流电，由于电感，电流总是滞后于电压 90°。

• 由于电感或电容电抗，没有能量损失。当施加的电压下降或反向时，由电感器以磁场形式存储的能量或由电容器以静电场形式存储的能量返回到电路。然而，由于电抗，峰值电流水平（电流信号的幅度）受到限制。

在下一篇文章中，我们将讨论电感器的各种非理想特性和关键性能指标。