何謂電感器

有時稱為「電感器」，有時稱為「線圈」，教科書講的是「彈簧形」的電感器，而實際使用的電感器卻可能是截然不同的表面貼裝型，對於初次接觸的工程師來說，電感器可能是一種相當棘手的元件。 電感器與電阻器R、電容器C一樣，都是被動元件的重要組成部分，在電子裝置中必定會使用到。在正文中，我們將運用少量的電磁學知識，來加深大家對於電感器的理解。

電感器的原理

電流通過電線時，將會以電線為中心而產生同心圓形狀的磁場。此時，如果將電線彎成（圖1）中的「彈簧形」，電感器內部的磁通量將指向同一方向，而增強。透過調整圈數，可以產生與圈數成正比的磁場。這就是電感器的原理。 電流通過電感器會產生磁場；相反地，磁場變化則會產生電流。

（電磁感應定律）

　　　　ｄ i
E ＝ L ・―――
　　　　ｄ t

L: 電感器的自感
E: 反電動勢

圖-1　電感器的原理

電感器中產生的反電動勢E，與單位時間的電流變化率（di/dt）成正比，因此在一定電流持續沿同一方向流動的直流電通過時不會發生。也就是說，電感器對於直流電流沒有任何作用，只對交流電具有阻礙電流的作用。利用電感器的這一性質，在交流電路中可以用作電阻（阻抗）。電感器具備的阻抗Z（單位Ω）為：

Z=ωL＝2πfL

f: 交流頻率
L: 電感器的自感

鐵心的作用

電感器的截面積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質。因此，在電感器中插入導磁率大的強磁體，可以增大磁通量。這就是鐵心存在的理由，當需要大的電感或希望實現電感器小型化時，可以插入導磁率大的磁體鐵心。（圖-2）

圖-2　電感

電感與圈數n的二次方、繞線半徑a的二次方成正比，與鐵心的導磁率μ成正比。

無限長螺線管的電感為：
 L＝μn²S
 S＝πa²
這裡的L定義為電感。μ是鐵心的導磁率，空心時為1.0（＝空氣的導磁率）。
但鐵心存在磁滯特性。特性會隨磁通量、材料、溫度產生變化，或出現損耗和應變。
而且還具有令人匪夷所思的性質，在達到磁飽和後，電感器的特性會消失。

用於電源電路的電感器的關鍵詞

對於轉換電壓和電流、傳輸電能的電路所使用的電感器，能量損耗低是一個重要的條件。電能在通過電感器的過程中，一部分會轉化成熱量，釋放到環境中。這種能量損耗可以分成「鐵損」、「銅損」2種損耗來考慮。

鐵損（iron loss、core loss）

交流磁通量通過鐵心時，鐵心內產生的磁滯損耗與渦流損耗之和，是鐵心內產生的功率損耗的總稱。

磁滯損耗（hysteresis loss）

指磁滯現象造成的熱損耗。繞磁滯回線（圖-3）一圈後，鐵心的磁化將回到原來的狀態。其間施加的能量將以熱的形式釋放。這就是磁滯損耗。

渦流損耗（eddy current loss）

磁通量發生變化將會產生電流。磁通量穿過鐵心表面時，將會產生垂直於磁通量的同心圓形電流。這就是渦流，在鐵心的電阻的作用下，渦流將會轉變成熱量，造成能量損耗。損耗的能量稱為渦流損耗。

銅損（copper loss）

電線纏繞成線圈後，在其電阻的作用下，電流轉變成熱量所造成的損耗，稱為銅損。這個稱謂是因繞線材料使用銅線而得名。

高頻電路用電感器的關鍵字

在高頻電路中，表示電感器性能的指標為Q。為方便理解，可以將其看作是表示高頻損耗有多低的指標。
與電容器組合構成諧振電路時，要盡量選擇Q值高的電感器。

Q因數（quality factor）

表示共振尖銳程度的值。一般來說，Q值越大，共振越尖銳，電感器越好。
頻率增大後，電線的集膚效應、鐵心材料的磁滯損耗和渦流損耗增加，會使Q值降低。也就是說，在高頻下很難得到Q值高的電感器，換言之，即使在高頻下，也很難得到高阻抗的電感器。

在LCR串聯諧振電路中表示為
　　　ω L　　　1
Q ＝ ――― ＝ ―――
　　 　R　　　ω CR

自共振頻率（self resonant frequency）

電感器的等效電路如圖-4所示，除了原有的電感外，還包括在纏繞的電線之間形成的電容（線間電容）和繞線電阻等組成部分。
線間電容的Cr非常小，在低頻下不構成問題，但在高頻電路中使用電感器時，需要考慮其影響。
下面介紹電感器的阻抗特性（Z-f特性）。電感器的阻抗為Z＝2πfL，阻抗隨頻率的增大而增加。但在某一頻率fo下，電感器原本的電感L與線間電容Cr將發生共振現象。而在更高的頻率下，線間電容Cr佔據主導，阻抗將會降低。