電路設計電感器基礎知識

2020-12-15

電感器基本上具有以下功能。

當電流流過(guò)它們時(shí)會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。相反，當磁場(chǎng)變化時(shí)，電流流動(dòng)。

將電能轉換為磁能并進(jìn)行存儲。

通過(guò)直流電，但不容易通過(guò)交流電，在較高頻率下，交流電不太容易通過(guò)。

（1）和（2）是由電流的磁作用及其反向（即電磁感應）引起的特性。（3）是指電感的直流和交流特性引起的阻抗。下面的特定示例顯示了如何使用這些特征。

（1）電流流過(guò)時(shí)會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。相反，當磁場(chǎng)變化時(shí)，電流流動(dòng)。?變壓器原理

結構示例在初級側和次級側具有兩條繞線(xiàn)，因此可以視為與變壓器相同。將電流傳遞到初級側繞線(xiàn)將產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將在次級側繞線(xiàn)上產(chǎn)生電流。這是由于電磁感應，在變壓器的情況下稱(chēng)為互感。通過(guò)該動(dòng)作，可以基于一次側和二次側繞線(xiàn)之間的匝數之比轉換為期望的電壓。

（2）將電能轉換為磁能并存儲。?扼流圈原理

這是DC / DC轉換器中電感器的示例。通過(guò)打開(kāi)開(kāi)關(guān)使電流流過(guò)電感器將產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而導致電感器以磁能形式存儲能量。通過(guò)關(guān)閉開(kāi)關(guān)來(lái)停止流過(guò)電感器的電流，將釋放存儲的磁能（磁場(chǎng)變化），從而導致電流流動(dòng)。這也歸因于電磁感應，在感應器由單根繞線(xiàn)組成的情況下，這稱(chēng)為自感應。

（3）傳遞直流電但不容易傳遞交流電，在較高頻率下傳遞交流電也不容易。?過(guò)濾功能

電感器可以與電容器組合以創(chuàng )建低通，高通濾波器等。這利用了它們的特性，由于阻抗隨頻率的變化，改變了交流通過(guò)的難易程度。阻抗特性將在后面描述。

電感特性

理想和實(shí)際電感器（阻抗特性）

理想的電感器除了電感以外沒(méi)有其他元件，并且沒(méi)有能量損失。但是，實(shí)際的電感器除了具有電感（參見(jiàn)等效電路）外，還具有電阻組件（DC電阻：DCR）和電容（雜散電容：Cp）。電阻由繞線(xiàn)和芯線(xiàn)的電阻分量組成。電容主要由繞線(xiàn)的線(xiàn)電容組成。

電感的等效電路

該圖顯示了理想電感器和實(shí)際電感器的阻抗特性相對于頻率的概念圖。理想電感器的阻抗隨著(zhù)頻率的增加而線(xiàn)性增加。然而，在實(shí)際的電感器中，由于雜散電容而發(fā)生自諧振現象，并且阻抗甚至在更高的頻率下降低，從而導致電感器失去其原始功能。損耗也會(huì )由于電阻成分而發(fā)生，并且會(huì )降低阻抗。

電感器的阻抗（Z）由以下公式表示。
Z = R + 1 /（1 /jωL+jωC）

阻抗的絕對值由以下公式計算
?| | =√ - [R 2 + 1 /（1 /ωL-ωC） 2

?

：阻抗[Ω]

[R

：直流電阻分量
（DCR）[Ω]

C

：雜散電容（Cp）[F]

?

：虛數

ω

：2πf
  （π：Pi（3.14），
    f：頻率[Hz]）

大號

：電感[H]

磁飽和特性

當流動(dòng)電流超過(guò)磁飽和允許電流（DC偏置允許電流）的最大值時(shí)，電感器變得磁飽和，導致電感減小。如上面的阻抗方程所示，當電感飽和時(shí)，阻抗變小，流過(guò)它們的電流反常變大。結果，例如，DC / DC轉換器可能遭受較低的效率和故障。磁飽和允許電流是電感器的重要特性。

交流電阻（ACR）

盡管在阻抗部分的前面僅介紹了直流電阻（DCR），但實(shí)際的電感器還包括在磁芯上產(chǎn)生渦流損耗的電阻成分以及由于集膚和鄰近效應而增加的導線(xiàn)電阻成分。這些組件稱(chēng)為交流電阻（ACR）。交流電阻（ACR）的值與頻率成正比，它對功率損耗和高頻下的元件溫度升高具有重大影響，因此在實(shí)際使用中必須予以考慮。（渦流損耗，集膚效應和鄰近效應將在后面描述。）

其他特征

電感器的其他特性和相關(guān)術(shù)語(yǔ)總結如下。

Q因子（品質(zhì)因子）

： Q因子，是指在特定頻率下電感抗與電感電阻之比，是電感性能的指標。Q值越高，電感器越接近理想電感器。通過(guò)將電感電抗XL（=ωL=2ΠfL）除以ACR而獲得的值表示損耗相對于頻率的大小。該公式表明，當ACR較小時(shí)，Q較高。

銅損

： 電流流過(guò)導線(xiàn)時(shí)，由于電阻成分引起的損耗稱(chēng)為銅損耗。

鐵損

： 磁通通過(guò)鐵心時(shí)發(fā)生的損耗（磁滯和渦流損耗）稱(chēng)為鐵損耗。

皮膚效果

： 增加流過(guò)導體的電流的頻率會(huì )使電流僅流過(guò)導體的表面，從而導致表面部分的電流密度更高，從而導致電阻值增加。這被稱(chēng)為皮膚效應。

鄰近效應

： 當多根導線(xiàn)彼此靠近時(shí)，由每根繞線(xiàn)形成的磁場(chǎng)會(huì )感應出渦流。在高頻下，在每條導線(xiàn)中流動(dòng)的電流集中在與相鄰導線(xiàn)接觸的狹窄區域中，從而導致在鄰近部分的電流密度更高，從而電阻值增加。這稱(chēng)為鄰近效應。

渦流損耗

： 由于電磁感應而變化的磁場(chǎng)會(huì )在導體的芯中產(chǎn)生渦流。由于芯材料的電阻，產(chǎn)生該電流的能量被轉換為熱量作為損耗。這被稱(chēng)為渦流損耗。

磁滯損耗

： 改變或反轉鐵芯中的磁場(chǎng)會(huì )使鐵芯回到具有磁滯的原始狀態(tài)（磁芯材料的BH圖中顯示了磁滯回線(xiàn)）。滯后作用所消耗的能量作為熱量損失。這稱(chēng)為磁滯損耗，與磁滯回路的面積成正比。

電感器主要規格

電感器的主要規格如下所示。盡管在上一節中介紹了電感器的各種特性，但并非所有特性都被指定為規格。這里，總結了電感數據表中規定的典型特性。應該注意的是，物品的可用性和規定的條件因制造商和產(chǎn)品而異，因此有必要仔細檢查數據表的注釋等。

規格項目	含義/條件等
電感（L值）[μH]	特定頻率下的標稱(chēng)電感
直流電阻（DCR）[Ω]	構成電感器的導體（銅線(xiàn)）的電阻分量
額定電流：溫升（ΔT）[A]	施加交流電時(shí)溫度升高達到40 K時(shí)的額定電流值
額定電流：直流偏置（ΔL）[A]	施加直流電流（直流偏置）時(shí)，L值從初始值減小到指定比率時(shí)的額定電流

“電感”顯然是必不可少的項目，它表示指定頻率下的值，并且具有例如±30％的容差。
如前所述，“ DC電阻”主要由繞線(xiàn)的電阻組成，其公差為±20％。
交流電阻（ACR），也被解釋為電阻組件，通常沒(méi)有在規格中指出，必須根據需要與制造商聯(lián)系。
“額定電流”有兩個(gè)項目。盡管“溫度升高”通常指定施加直流電流時(shí)溫度升高40 K時(shí)的額定電流，但是其條件可能因制造商和產(chǎn)品而異。
其他項“ DC偏置電流”通常表示電感變?yōu)?span>-30％時(shí)的最大電流值，但條件也因制造商和產(chǎn)品而異。
盡管額定電流是一個(gè)重要的指標，但并非始終都標出這兩項。如果僅指示其中之一，則應遵循該等級。但是，在某些情況下可能需要與制造商聯(lián)系。
除了這些項目外，有時(shí)還會(huì )指定“自諧振頻率”。如前所述，它表示電感器能夠正常用作電感器的極限頻率。

電感類(lèi)型

電感器的種類(lèi)繁多，其分類(lèi)方法因透視而異。下圖將應用分為信號和功率，并按磁性（芯）材料和構造方法對每個(gè)類(lèi)別進(jìn)行分類(lèi)。