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。

當電流流過它們時會產生磁場。相反，當磁場變化時，電流流動。

將電能轉換為磁能并進行存儲。

通過直流電，但不容易通過交流電，在較高頻率下，交流電不太容易通過。

（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）電流流過時會產生磁場。相反，當磁場變化時，電流流動。?變壓器原理

結構示例在初級側和次級側具有兩條繞線，因此可以視為與變壓器相同。將電流傳遞到初級側繞線將產生磁場，該磁場將在次級側繞線上產生電流。這是由于電磁感應，在變壓器的情況下稱為互感。通過該動作，可以基于一次側和二次側繞線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。通過打開開關使電流流過電感器將產生磁場，從而導致電感器以磁能形式存儲能量。通過關閉開關來停止流過電感器的電流，將釋放存儲的磁能（磁場變化），從而導致電流流動。這也歸因于電磁感應，在感應器由單根繞線組成的情況下，這稱為自感應。

（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。?過濾功能

電感器可以與電容器組合以創建低通，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，改變了交流通過的難易程度。阻抗特性將在后面描述。

電感特性

理想和實際電感器（阻抗特性）

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

電感的等效電路

該圖顯示了理想電感器和實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頻率的增加而線性增加。然而，在實際的電感器中，由于雜散電容而發生自諧振現象，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。損耗也會由于電阻成分而發生，并且會降低阻抗。

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

當流動電流超過磁飽和允許電流（DC偏置允許電流）的最大值時，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，阻抗變小，流過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），但實際的電感器還包括在磁芯上產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電阻成分。這些組件稱為交流電阻（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術語總結如下。

Q因子（品質因子）

： 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，Q較高。

銅損

： 電流流過導線時，由于電阻成分引起的損耗稱為銅損耗。

鐵損

： 磁通通過鐵心時發生的損耗（磁滯和渦流損耗）稱為鐵損耗。

皮膚效果

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

鄰近效應

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

渦流損耗

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

磁滯損耗

： 改變或反轉鐵芯中的磁場會使鐵芯回到具有磁滯的原始狀態（磁芯材料的BH圖中顯示了磁滯回線）。滯后作用所消耗的能量作為熱量損失。這稱為磁滯損耗，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]	特定頻率下的標稱電感
直流電阻（DCR）[Ω]	構成電感器的導體（銅線）的電阻分量
額定電流：溫升（ΔT）[A]	施加交流電時溫度升高達到40 K時的額定電流值
額定電流：直流偏置（ΔL）[A]	施加直流電流（直流偏置）時，L值從初始值減小到指定比率時的額定電流

“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，通常沒有在規格中指出，必須根據需要與制造商聯系。
“額定電流”有兩個項目。盡管“溫度升高”通常指定施加直流電流時溫度升高40 K時的額定電流，但是其條件可能因制造商和產品而異。
其他項“ DC偏置電流”通常表示電感變為-30％時的最大電流值，但條件也因制造商和產品而異。
盡管額定電流是一個重要的指標，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系。
除了這些項目外，有時還會指定“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。

電感類型

電感器的種類繁多，其分類方法因透視而異。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類別進行分類。