电路设计电感器基础知识

2020-12-15

电感器基本上具有以下功能。

当电流流过它们时会产生磁场。相反，当磁场变化时，电流流动。

将电能转换为磁能并进行存储。

通过直流电，但不容易通过交流电，在较高频率下，交流电不太容易通过。

（1）和（2）是由电流的磁作用及其反向（即电磁感应）引起的特性。（3）是指电感的直流和交流特性引起的阻抗。下面的特定示例显示了如何使用这些特征。

（1）电流流过时会产生磁场。相反，当磁场变化时，电流流动。⇒变压器原理

结构示例在初级侧和次级侧具有两条绕线，因此可以视为与变压器相同。将电流传递到初级侧绕线将产生磁场，该磁场将在次级侧绕线上产生电流。这是由于电磁感应，在变压器的情况下称为互感。通过该动作，可以基于一次侧和二次侧绕线之间的匝数之比转换为期望的电压。

（2）将电能转换为磁能并存储。⇒扼流圈原理

这是DC / DC转换器中电感器的示例。通过打开开关使电流流过电感器将产生磁场，从而导致电感器以磁能形式存储能量。通过关闭开关来停止流过电感器的电流，将释放存储的磁能（磁场变化），从而导致电流流动。这也归因于电磁感应，在感应器由单根绕线组成的情况下，这称为自感应。

（3）传递直流电但不容易传递交流电，在较高频率下传递交流电也不容易。⇒过滤功能

电感器可以与电容器组合以创建低通，高通滤波器等。这利用了它们的特性，由于阻抗随频率的变化，改变了交流通过的难易程度。阻抗特性将在后面描述。

电感特性

理想和实际电感器（阻抗特性）

理想的电感器除了电感以外没有其他元件，并且没有能量损失。但是，实际的电感器除了具有电感（参见等效电路）外，还具有电阻组件（DC电阻：DCR）和电容（杂散电容：Cp）。电阻由绕线和芯线的电阻分量组成。电容主要由绕线的线电容组成。

电感的等效电路

该图显示了理想电感器和实际电感器的阻抗特性相对于频率的概念图。理想电感器的阻抗随着频率的增加而线性增加。然而，在实际的电感器中，由于杂散电容而发生自谐振现象，并且阻抗甚至在更高的频率下降低，从而导致电感器失去其原始功能。损耗也会由于电阻成分而发生，并且会降低阻抗。

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

阻抗的绝对值由以下公式计算
ž| | =√ - [R 2 + 1 /（1 /ωL-ωC） 2

ž

：阻抗[Ω]

[R

：直流电阻分量
（DCR）[Ω]

C

：杂散电容（Cp）[F]

Ĵ

：虚数

ω

：2πf
  （π：Pi（3.14），
    f：频率[Hz]）

大号

：电感[H]

磁饱和特性

当流动电流超过磁饱和允许电流（DC偏置允许电流）的最大值时，电感器变得磁饱和，导致电感减小。如上面的阻抗方程所示，当电感饱和时，阻抗变小，流过它们的电流反常变大。结果，例如，DC / DC转换器可能遭受较低的效率和故障。磁饱和允许电流是电感器的重要特性。

交流电阻（ACR）

尽管在阻抗部分的前面仅介绍了直流电阻（DCR），但实际的电感器还包括在磁芯上产生涡流损耗的电阻成分以及由于集肤和邻近效应而增加的导线电阻成分。这些组件称为交流电阻（ACR）。交流电阻（ACR）的值与频率成正比，它对功率损耗和高频下的元件温度升高具有重大影响，因此在实际使用中必须予以考虑。（涡流损耗，集肤效应和邻近效应将在后面描述。）

其他特征

电感器的其他特性和相关术语总结如下。

Q因子（品质因子）

： Q因子，是指在特定频率下电感抗与电感电阻之比，是电感性能的指标。Q值越高，电感器越接近理想电感器。通过将电感电抗XL（=ωL=2ΠfL）除以ACR而获得的值表示损耗相对于频率的大小。该公式表明，当ACR较小时，Q较高。

铜损

： 电流流过导线时，由于电阻成分引起的损耗称为铜损耗。

铁损

： 磁通通过铁心时发生的损耗（磁滞和涡流损耗）称为铁损耗。

皮肤效果

： 增加流过导体的电流的频率会使电流仅流过导体的表面，从而导致表面部分的电流密度更高，从而导致电阻值增加。这被称为皮肤效应。

邻近效应

： 当多根导线彼此靠近时，由每根绕线形成的磁场会感应出涡流。在高频下，在每条导线中流动的电流集中在与相邻导线接触的狭窄区域中，从而导致在邻近部分的电流密度更高，从而电阻值增加。这称为邻近效应。

涡流损耗

： 由于电磁感应而变化的磁场会在导体的芯中产生涡流。由于芯材料的电阻，产生该电流的能量被转换为热量作为损耗。这被称为涡流损耗。

磁滞损耗

： 改变或反转铁芯中的磁场会使铁芯回到具有磁滞的原始状态（磁芯材料的BH图中显示了磁滞回线）。滞后作用所消耗的能量作为热量损失。这称为磁滞损耗，与磁滞回路的面积成正比。

电感器主要规格

电感器的主要规格如下所示。尽管在上一节中介绍了电感器的各种特性，但并非所有特性都被指定为规格。这里，总结了电感数据表中规定的典型特性。应该注意的是，物品的可用性和规定的条件因制造商和产品而异，因此有必要仔细检查数据表的注释等。

规格项目	含义/条件等
电感（L值）[μH]	特定频率下的标称电感
直流电阻（DCR）[Ω]	构成电感器的导体（铜线）的电阻分量
额定电流：温升（ΔT）[A]	施加交流电时温度升高达到40 K时的额定电流值
额定电流：直流偏置（ΔL）[A]	施加直流电流（直流偏置）时，L值从初始值减小到指定比率时的额定电流

“电感”显然是必不可少的项目，它表示指定频率下的值，并且具有例如±30％的容差。
如前所述，“ DC电阻”主要由绕线的电阻组成，其公差为±20％。
交流电阻（ACR），也被解释为电阻组件，通常没有在规格中指出，必须根据需要与制造商联系。
“额定电流”有两个项目。尽管“温度升高”通常指定施加直流电流时温度升高40 K时的额定电流，但是其条件可能因制造商和产品而异。
其他项“ DC偏置电流”通常表示电感变为-30％时的最大电流值，但条件也因制造商和产品而异。
尽管额定电流是一个重要的指标，但并非始终都标出这两项。如果仅指示其中之一，则应遵循该等级。但是，在某些情况下可能需要与制造商联系。
除了这些项目外，有时还会指定“自谐振频率”。如前所述，它表示电感器能够正常用作电感器的极限频率。

电感类型

电感器的种类繁多，其分类方法因透视而异。下图将应用分为信号和功率，并按磁性（芯）材料和构造方法对每个类别进行分类。