何谓电感器

有时候叫“电感器”，有时候叫“线圈”，教科书里讲的是“弹簧形”的电感器，而实际使用的电感器却可能是截然不同的表面贴装型，对于初次接触的工程师来说，电感器估计是一种相当棘手的元件。 电感器与电阻器R、电容器C一样，都是无源元件的重要组成部分，在电子设备中必然会使用到。在正文中，我们将运用少量的电磁学知识，来加深大家对于电感器的理解。

电感器的原理

电流通过电线时，将会以电线为中心而产生同心圆形状的磁场。此时，如果将电线弯成（图1）中的“弹簧形”，电感器内部的磁通量将指向同一方向，从而增强。通过调整圈数，可以产生与圈数成正比的磁场。这就是电感器的原理。
电流通过电感器会产生磁场，相反，磁场变化则会产生电流。

（电磁感应定律）

　　　　ｄ i
E ＝ L ・―――
　　　　ｄ t

L: 电感器的自感
E: 反电动势

图-1　电感器的原理

电感器中产生的反电动势E，与单位时间的电流变化率（di/dt）成正比，因此在一定电流持续沿同一方向流动的直流电通过时不会发生。也就是说，电感器对于直流电流没有任何作用，只对交流电起到阻碍电流的作用。利用电感器的这一性质，在交流电路中可以用作电阻（阻抗）。电感器具备的阻抗Z（单位Ω）为：

Z=ωL＝2πfL

f: 交流频率
L: 电感器的自感

铁芯的作用

电感器的截面积S越大、磁路（磁通量的通道）越短，磁通量越大。而且，磁通量具有在磁阻小的位置集中的性质。因此，在电感器中插入磁导率大的强磁体，可以增大磁通量。这就是铁芯存在的理由，当需要大电感或希望实现电感器小型化时，可以插入磁导率大的磁体铁芯。（图-2）

图-2　电感

电感与圈数n的二次方、绕线半径a的二次方成正比，与铁芯的磁导率μ成正比。

无限长螺线管的电感为：
 L＝μn²S
 S＝πa²
这里的L定义为电感。μ是铁芯的磁导率，空芯时为1.0（＝空气的磁导率）。
但铁芯存在磁滞特性。特性会随磁通量、材料、温度产生变化，或出现损耗和应变。
而且还具有令人匪夷所思的性质，在达到磁饱和后，电感器的特性会消失。

电源电路用电感器的关键词

对于转换电压和电流、传输电能的电路所使用的电感器，能量损耗低是一个重要条件。电能在通过电感器的过程中，一部分会转化成热量，释放到环境中。这种能量损耗可以分成“铁损”、“铜损”2种损耗来进行考虑。

铁损（iron loss、core loss）

交流磁通量通过铁芯时，铁芯内产生的磁滞损耗与涡流损耗之和，是铁芯内产生的功率损耗的总称。

磁滞损耗（hysteresis loss）

指磁滞现象造成的热损耗。绕磁滞回线（图-3）一圈后，铁芯的磁化将回到原来的状态。其间施加的能量将以热的形式释放。这就是磁滞损耗。

涡流损耗（eddy current loss）

磁通量发生变化将会产生电流。磁通量穿过铁芯表面时，将会产生垂直于磁通量的同心圆形电流。这就是涡流，在铁芯的电阻的作用下，涡流将会转变成热量，造成能量损耗。损失的能量叫作涡流损耗。

铜损（copper loss）

电线缠绕成线圈后，在其电阻的作用下，电流转变成热量所造成的损耗，叫作铜损。这个称谓是因绕线材料使用铜线而得名。

用于高频电路的电感器的关键词

在高频电路中，表示电感器性能的指标为Q。为方便理解，可以将其看作是表示高频损耗有多低的指标。
与电容器组合构成谐振电路时，要尽量选择Q值高的电感器。

Q因数（quality factor）

表示共振尖锐程度的值。一般来说，Q值越大，共振越尖锐，电感器越好。 频率增大后，电线的趋肤效应、铁芯材料的磁滞损耗和涡流损耗增加，会使Q值降低。也就是说，在高频下很难得到Q值高的电感器，换言之，即使在高频下，也很难得到高阻抗的电感器。

LCR串联谐振电路中表示为
　　　ω L　　　1
Q ＝ ――― ＝ ―――
　　 　R　　　ω CR

自共振频率（self resonant frequency）

电感器的等效电路如图-4所示，除原有的电感外，还包括在缠绕的电线之间形成的电容（线间电容）和绕线电阻等组成部分。
线间电容Cr非常小，在低频下不构成问题，但在高频电路中使用电感器时，需要考虑其影响。
下面来看一下电感器的阻抗特性（Z-f特性）。电感器的阻抗为Z＝2πfL，阻抗随频率的增大而增加。但在某一频率fo下，电感器原本的电感L与线间电容Cr将发生共振现象。而在更高的频率下，线间电容Cr占据主导，阻抗将会降低。

图-5　自共振频率

作为阻抗拐点的频率fo，叫作自共振频率。在高于自共振频率fo的频率下，电感器将不再发挥电感器的作用。（图-5）

在高频率下使用电感器时，请通过规格书和数据确认fo。表1是高频电感器规格的一个示例。