電感，也稱為線圈或電感器，是一種能夠儲(chǔ)存和釋放電能的電子元件。它由導(dǎo)體線圈組成，當(dāng)通過導(dǎo)體線圈的電流變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。根據(jù)電感的目的和應(yīng)用場(chǎng)景的不同，有許多不同類型的電感。
電感器是一種能儲(chǔ)存磁場(chǎng)能的元件，在電路中主要起到濾波、振蕩、延遲、陷波等作用。它的工作原理基于電磁感應(yīng)定律，即當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)又會(huì)在導(dǎo)體線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流的變化。電感器正是利用這種效應(yīng)來儲(chǔ)存和釋放磁場(chǎng)能。
電感器的主要參數(shù)包括電感量、品質(zhì)因數(shù)(Q值)和自諧振頻率等。電感量決定了電感器儲(chǔ)存磁場(chǎng)能的能力，品質(zhì)因數(shù)則反映了電感器在諧振頻率下的性能，而自諧振頻率則是電感器在高頻下性能下降的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。
當(dāng)電流通過線圈時(shí)，會(huì)激發(fā)出一個(gè)磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)中，磁感線會(huì)貫穿線圈，從而產(chǎn)生一個(gè)與電流I密切相關(guān)的磁通量。這一現(xiàn)象是電感電路工作原理的核心。
L，即自感系數(shù)，是線圈所展現(xiàn)的電感特性。這種特性源于法拉第電磁感應(yīng)定律，該定律指出，當(dāng)線圈中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通變化率成正比，具體表現(xiàn)為以下公式所示：
這個(gè)公式揭示了電感的本質(zhì)特性，它并非通過其他公式推導(dǎo)而來，而是基于客觀事實(shí)而存在。在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，這類似于公理的地位，即無需證明而自明。這個(gè)公式的重要性不言而喻，因?yàn)樗苯訉㈦姼兄蹬c電路中的電流和電壓相聯(lián)系。在電路分析中，我們主要關(guān)注的是電壓和電流的變化，而這個(gè)公式正是我們理解電感電路的基礎(chǔ)。因此，我們必須牢記這個(gè)公式，并深刻理解其中的物理意義。公式中的負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)具有阻礙電流變化的作用，這是電感的基本特性之一。
從這個(gè)公式中，我們可以得出電感的幾個(gè)重要特性：
電流穩(wěn)定性：流過電感的電流變化是平滑的，不會(huì)發(fā)生突變。電流突變會(huì)導(dǎo)致di/dt的值變得無限大，從而在電感兩端產(chǎn)生過高的電壓，這對(duì)電路可能會(huì)造成損害。
直流短路：在直流電路中，由于di/dt為0，電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為0，因此電感對(duì)于直流電路而言可視為短路。
電流與電壓關(guān)系：當(dāng)電感兩端施加一個(gè)恒定電壓U時(shí)，電流會(huì)以線性方式增大或減小。這是由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與所加電壓相等且方向相反，從而使得di/dt保持恒定，即電流線性變化。這一特性在DCDC開關(guān)電源中尤為重要，它解釋了電感電流為何呈現(xiàn)三角波形。
此外，我們還探討了磁導(dǎo)率這一概念。電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，但不同介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度有所不同。為了量化這種差異，我們引入了磁導(dǎo)率μ這一參數(shù)。磁導(dǎo)率表征了物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的導(dǎo)通能力，μ越大，介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B也越大。真空中的磁導(dǎo)率用μ0表示，而空氣、銅、鋁等非磁材料的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率相近。相比之下，鐵、鎳、鈷等鐵磁材料的磁導(dǎo)率則遠(yuǎn)大于μ0。在早期的物理研究中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，曾將真空磁導(dǎo)率μ0設(shè)定為1，其他材料的磁導(dǎo)率則以其為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。盡管這種做法在某種程度上簡(jiǎn)化了問題，但它也帶來了一些不必要的問題和誤解。隨著近代物理的進(jìn)步，我們逐漸認(rèn)識(shí)到實(shí)際真空磁導(dǎo)率的真實(shí)值。
因此，其他材料的實(shí)際磁導(dǎo)率應(yīng)等于其原先的磁導(dǎo)率乘以真空磁導(dǎo)率μ0。這樣做的好處在于，μ0中包含的4π因子在所有涉及電磁關(guān)系的公式中都被消除了，從而簡(jiǎn)化了問題的處理，形成了所謂的合理化單位制(MKS制)。此外，我們將其他材料磁導(dǎo)率高于真空磁導(dǎo)率的倍數(shù)定義為相對(duì)磁導(dǎo)率μr。
電感器，通常被稱為電感，其本質(zhì)是一個(gè)線圈，它可以是空心的，也可以是實(shí)心的，實(shí)心線圈中包含鐵芯或其他材料制成的芯。電感的單位是“H”，簡(jiǎn)稱“亨”，同時(shí)還有更小的單位mH和uH，它們之間的換算關(guān)系為1H=1000mH=1000000uH。
電感的工作原理是在導(dǎo)線中通過交流電流時(shí)，會(huì)在導(dǎo)線的外部和四周產(chǎn)生交變磁通。這個(gè)磁通量與產(chǎn)生它的電流之比，就構(gòu)成了電感。當(dāng)電感中通過直流電流時(shí)，其周圍的磁力線是固定的，不會(huì)隨時(shí)間變化;但當(dāng)通過交流電流時(shí)，其周圍的磁力線會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。
電感在電路中有著重要的應(yīng)用。它能夠阻礙交流電的通過，而對(duì)于直流電來說，電感則相當(dāng)于短路狀態(tài)。交流電的頻率越高，電感對(duì)其的阻礙作用也越大。這種特性使得電感在電路中發(fā)揮著不可或缺的作用。
變壓器，這一我們耳熟能詳?shù)碾姼袘?yīng)用，其電路符號(hào)如圖所示。當(dāng)左側(cè)線圈匝數(shù)為100，右側(cè)匝數(shù)為50，且左側(cè)接入220V交流電時(shí)，右側(cè)將感應(yīng)出110V的電壓，這恰恰印證了“匝數(shù)比=電壓比”的規(guī)律。但電流的情況卻恰恰相反，左側(cè)流入1A電流時(shí)，右側(cè)會(huì)流出2A電流，即“匝數(shù)比=電流的反比”。這是因?yàn)殡姼性陔娐分械淖饔檬莾H對(duì)電壓和電流進(jìn)行變換，而不會(huì)改變功率。若電壓和電流成正比，那么功率也必然成正比，這與實(shí)際情況不符。
3. RL低通濾波器
低通濾波器是一種電路，允許低頻信號(hào)通過但阻止高頻信號(hào)通過。其電路原理圖如下所展示。當(dāng)輸入信號(hào)為直流電時(shí)，電感在此相當(dāng)于一根導(dǎo)線，因此信號(hào)會(huì)直接經(jīng)過電感并短路，不經(jīng)過電阻而直接輸出。然而，隨著電流頻率的逐漸升高，由于電感對(duì)交流電的阻礙作用，通過電感的信號(hào)會(huì)逐漸減小。當(dāng)達(dá)到某一特定頻率后，高于此頻率的電流將無法通過，從而形成了低通濾波器。這個(gè)特定的頻率被稱為截止頻率，其公式為 f=R/(2πL)。
4. RL高通濾波器
高通濾波器的原理與低通濾波器相似，只是電阻和電感的位置互換。在直流電的情況下，信號(hào)會(huì)通過電感回流。隨著頻率的逐漸升高，由于電感對(duì)交流電的阻礙作用，當(dāng)達(dá)到截止頻率時(shí)，高頻信號(hào)會(huì)直接輸出，而無需經(jīng)過電感。截止頻率的計(jì)算同樣遵循公式 f=R/(2πL)。
常見電感類型
工字型電感
工字型電感，作為撓線式貼片電感的改進(jìn)版本，通過擋板強(qiáng)化了儲(chǔ)能能力，有效改變了EMI的方向和大小，同時(shí)降低了RDC。它融合了訊號(hào)通訊電感和POWER電感的優(yōu)點(diǎn)，成為了一種實(shí)用的妥協(xié)方案。
這種貼片式工字型電感，在幾百kHz至一兩MHz的頻率范圍內(nèi)，常用于小型電源切換，如數(shù)字相機(jī)LED升壓、ADSL等低頻信號(hào)處理或POWER應(yīng)用。其Q值可達(dá)20、30，非常適合訊號(hào)處理;同時(shí)，由于RDC低于撓線式貼片電感，在POWER應(yīng)用中也表現(xiàn)出色。
然而，工字型電感也存在一些不足，如開磁路導(dǎo)致的EMI問題，以及相較于撓線式貼片電感更大的噪音。盡管如此，工字型電感仍有很大的改良空間，未來有望進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)以解決這些問題。
2. 色環(huán)電感
色環(huán)電感，作為棒形電感的簡(jiǎn)易加工版本，主要應(yīng)用于訊號(hào)處理領(lǐng)域。雖然其基本特性與棒形電感相似，但通過添加固定物和顏色編碼，色環(huán)電感為使用者提供了便捷的感值分辨方式。價(jià)格親民且適用于插件式電子產(chǎn)品，色環(huán)電感在市場(chǎng)上仍有一定的使用量。然而，由于其傳統(tǒng)的插件式設(shè)計(jì)，色環(huán)電感正逐漸被時(shí)代淘汰。
空芯電感
空心電感，專為訊號(hào)處理而設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于共振、接收、發(fā)射等場(chǎng)合。盡管空氣在甚高頻產(chǎn)品中仍有一定應(yīng)用，但隨著產(chǎn)品變異要求的提高，空心電感的局限性逐漸顯現(xiàn)。因此，在追求更高性能的產(chǎn)品趨勢(shì)下，空心電感的發(fā)展空間相對(duì)有限。
環(huán)形線圈電感
環(huán)形線圈電感是電感理論中的理想形狀，具有閉磁路設(shè)計(jì)，有效減少了EMI問題。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于計(jì)算，理論上幾乎涵蓋了所有優(yōu)點(diǎn)。然而，由于撓線工藝復(fù)雜且多依賴人工處理，環(huán)形線圈電感在訊號(hào)處理方面的應(yīng)用受到一定限制。盡管如此，極小的環(huán)形線圈電感在高頻、高感的通訊產(chǎn)品中仍有著廣泛的應(yīng)用。
鐵粉芯環(huán)形線圈電感是power電感中常用的一種類型，通過與樹脂等材料的混合，使得Air gap均勻分布在鐵粉芯內(nèi)部，從而賦予了電感一定的敏感度。這種電感適用于power應(yīng)用，IDC可達(dá)到20多安培。然而，其環(huán)形設(shè)計(jì)在一定程度上限制了其優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，因?yàn)槭褂谜吒珢鄯叫卧O(shè)計(jì)。因此，在追求更高性能和便捷性的背景下，鐵粉芯環(huán)形線圈電感仍需在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。
5. 貼片迭層高頻電感
貼片迭層高頻電感，其特性與空心電感高度一致，但因易于固定且可小型化，深受工程師喜愛。在高頻應(yīng)用中，空氣雖非理想固定物，但其相對(duì)導(dǎo)磁率為一，恰能在高頻段發(fā)揮出色作用。尋找兼具良好固定性與一導(dǎo)磁率的物質(zhì)成為關(guān)鍵。事實(shí)上，大部分物質(zhì)導(dǎo)磁率均為一，其中石頭(硅、三氧化二鋁等材質(zhì))成為理想之選。
貼片迭層高頻電感的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使其能制成積層貼片，極大地方便了印刷線路板的制作。我們期望其材質(zhì)無特性，以使其特性更接近空心線圈，同時(shí)確保了良好的穩(wěn)定性。迭層制程的采用，更進(jìn)一步推動(dòng)了產(chǎn)品的小型化。
根據(jù)公式Z=2πfL(其中Z為阻抗，f為頻率，L為電感值)，在相同的阻抗下，頻率越高則電感值越小。隨著通訊產(chǎn)品頻率的不斷提升，對(duì)電感值的需求也在逐漸減小。這使得我們可以制造出更小尺寸的電感，無需使用高導(dǎo)磁率的磁性材料，只需空氣和石頭即可滿足需求。因此，貼片迭層高頻電感的應(yīng)用前景十分廣闊，是電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
盡管貼片迭層高頻電感在Q值上略遜于貼片撓線式高頻電感，但其潛力巨大。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們有理由相信其Q值將得到顯著提升。同時(shí)，高頻產(chǎn)品的嚴(yán)格變異要求也對(duì)材質(zhì)提出了更高挑戰(zhàn)，尤其是材質(zhì)對(duì)溫度變化的穩(wěn)定性。這是未來我們需要重點(diǎn)攻克的技術(shù)難題。
展望未來，隨著感值的持續(xù)減小和對(duì)精準(zhǔn)度要求的不斷提高，貼片迭層高頻電感有望逐步取代貼片撓線式高頻電感。而隨著科技的不斷進(jìn)步，貼片薄膜高頻電感也可能會(huì)在不久的將來進(jìn)一步替代貼片迭層高頻電感。因此，我們必須緊密關(guān)注市場(chǎng)動(dòng)態(tài)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，以抓住行業(yè)變革帶來的機(jī)遇。
磁棒電感，作為空心電感的強(qiáng)化版本，其電感值與導(dǎo)磁率呈正比。通過在空心線圈中填充磁性材料，可以顯著提升電感值和Q值。這種電感形式簡(jiǎn)單而基礎(chǔ)，自30到100年前電感開始應(yīng)用以來，其核心特性和應(yīng)用領(lǐng)域一直沿用至今。
另一方面，SMD貼片功率電感則著重于其出色的儲(chǔ)能能力和低損耗特性。
8. 穿心磁珠
穿心磁珠，也被稱為阻抗器，其作用類似于電感，作為低通組件，它允許低頻信號(hào)通過同時(shí)阻擋高頻信號(hào)。
9. 貼片磁珠
貼片磁珠，作為穿心磁珠的升級(jí)版，繼承了其低通濾波的特性，并進(jìn)一步優(yōu)化了尺寸和性能。
電感器的應(yīng)用
電路調(diào)諧：電感器在電路中用作調(diào)諧元件，例如在收音機(jī)中的調(diào)諧線圈和中頻變壓器的諧振線圈中都有電感器的身影。
振蕩電路：電感器也用于振蕩電路，例如收音機(jī)中的振蕩線圈以及各種LC振蕩電路中的電感線圈。
電流濾波器：電感器常用于電源濾波器中的LC濾波電感器，用于濾除電路中的噪聲、雜波等有害信號(hào)，保證電路工作的可靠性。
頻率選擇：帶通和帶阻濾波器采用諧振電感進(jìn)行頻率選擇，電感器也用于選擇特定頻率的信號(hào)，這在無線通信、調(diào)制解調(diào)、音頻等領(lǐng)域尤為常見。
能量?jī)?chǔ)存：電感器可以儲(chǔ)存電能，并在需要時(shí)釋放，用于電路中的瞬間功率補(bǔ)償、開關(guān)電源、放大器等。
控制、檢測(cè)與保護(hù)：電感器可以測(cè)量電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，進(jìn)而控制電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，以及控制電路的開關(guān)和調(diào)節(jié)。同時(shí)，它還能檢測(cè)和測(cè)量電磁場(chǎng)的變化和發(fā)生的事件，保護(hù)電子設(shè)備免受電磁波的損害。
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