【电子元器件】电感基础知识

本文章是笔者整理的备忘笔记。希望在帮助自己温习避免遗忘的同时，也能帮助其他需要参考的朋友。如有谬误，欢迎大家进行指正。

一、 电感的基本工作原理

1. 电感的基本工作原理如下：

（1） 当线圈中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁场，当线圈中的电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化。

（2） 电感能将电能转换为磁能并蓄积起来。

（3） 电感具有通直隔交的特性。

2. 针对上述三个特性，下面分别举例说明。

（1）当线圈中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化。⇒变压器的原理

一次侧和二次侧具有两个绕组的构造例子中，可以认为与变压器一样。如果让交流电流向一次侧绕组，变压器铁芯产生交变磁场，在该磁场的作用下，次级线圈就产生感应电动势。这是因为电磁感应而引起的，若是变压器时则称之为互感。通过变压器的线圈的匝数比等于电压比，将一次侧绕组和二次侧绕组转换成任意的电压。

（2）电感能将电能转换为磁能并蓄积起来⇒扼流圈的原理

这里列出的是DC/DC转换器的电感器示例。如果将开关置于ON而让电流流向电感器，就会产生磁场，电感器上就会以磁能的形式将能量蓄积起来。如果将开关置于OFF而停止流向电感器的电流，之前被蓄积起来的磁能就会释放（磁场发生变化），电流就会流过。

（3）电感具有通直隔交的特性⇒滤波器的作用

可通过借助阻抗因频率而发生变化，利用交流不易流过的特性，与电容器组合来构成低通滤波器和高通滤波器等。

二、电感的特性

1. 理想的电感器与实际的电感器（阻抗特性）

理想的电感器，完全不含电感以外的成分，没有能量损耗。但是，实际的电感器上除了电感以外还包含有电阻成分（直流电阻:DCR）和静电电容（分布电容:Cp）（参照等效电路）。电阻是绕组和磁芯具有的电阻成分。静电电容主要是绕组的线间电容。

电感器的等效电路（理想的电感器）

实际的电感器（简易的等效电路）

电感器的阻抗特性

图形所示为理想的电感器与实际的电感器相对于频率的阻抗特性示意图。理想的电感器，阻抗会随着频率的升高而呈线性增加。但是，实际的电感器则会因分布电容而产生自共振现象，在更高的频率下阻抗下降，不再作为本来的电感器发挥作用。此外，还因电阻成分或阻抗的下降而产生损耗。

电感器的阻抗(Z)可通过下式来表示。
Z=R+1/(1/jωL+jωC)

此外，阻抗的绝对值可通过下式来计算。
|Z|=√ R2+1/(1/ωL-ωC) 2

Z: 阻抗 [Ω]

R: 直流电阻成分(DCR) [Ω]

C: 寄生电容(Cp) [F]

j: 虚数

ω: 2πf (π：圆周率 (3.14)、f：频率 [Hz])

L: 电感 [H]

2. 磁饱和特性

电感器在流过的电流超过容许电流（直流重叠容许电流）的最大值时会引起磁饱和，导致电感减少。电感器饱和时，如上述的阻抗式可知，阻抗变小，流向电感器的电流变得异常大。譬如，DC/DC转换器上有可能引起效率下降或异常动作。磁饱和容许电流是电感器的重要特性之一。

3. 交流电阻(ACR)

我们已在阻抗项中简要说明了直流电阻(DCR)，而实际使用的电感器除此之外还包含有导致磁芯的涡流损耗产生的电阻成分、和因表皮效应和邻近效应而增加的导线的电阻成分，我们将之叫做交流电阻(ACR)。此交流电阻(ACR)与频率成正比，交流电阻值变大，导致高频的功率损耗变大以及零部件的温度上升，实际使用时需要考虑这些因素。

4. Q值: 某一频率的电感器的感抗与电阻之比，是表示电感器的性能的指数。Q值越高，越接近理想的电感器。以感抗XL（=ωL＝2ΠfL）除以ACR而得到的值来表示相对于频率有多大的损耗，从算式可以获知，如果ACR小Q就会升高。

5. 铜损: 电流流向导线时的电阻成分引起的损耗称为铜损

6. 铁损: 磁束通过磁芯时磁芯内产生的损耗(磁滞损耗和涡流损耗)称为铁损。

7. 表皮效应: 如果流向导体的电流的频率升高，电流就会只流过导体的表面，表面部分的电流密度增大，电阻值增加。我们将这种效应叫做表皮效应。

8. 邻近效应: 多根导线邻近时，每个绕组形成的磁场感应涡流，高频时会集中于导体内的电流邻近的导线相邻接的狭小区域而流过，邻近部分的电流密度增大，电阻值增加。我们将这种效应叫做邻近效应。

9. 涡流损耗: 因电磁感应而变化的磁场会在导体的磁芯中产生涡状的电流。产生此电流的能量会因磁芯材料的电阻而被转换成热并成为损耗。我们将这种损耗叫做涡流损耗。

10. 磁滞损耗: 如果是磁芯内的磁场变化或者反转，就会伴随磁滞（磁芯材料的BH图中所示的磁滞回线）而返回原先的状态。为了此磁滞的运动而消耗的能量会作为热损耗掉。我们将这种损耗叫做磁滞损耗，磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比。

三、电感的主要技术规格

这里列出电感器的主要技术规格。上一章中我们说明了电感器的各种特性，但并非所有的特性都已被作为技术规格做出规定。这里归纳了电感器的数据表中规定的具有代表性的技术规格。但是，项目的有无和规定条件会因厂家或商品而有所差异，所以需要仔细确认数据表的附注等事项。

技术规格项目	含义/条件等
电感 (L值) [μH]	规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）的电阻成分
温升额定电流[A]	施加直流电流时温度上升至40K的电流额定值
直流叠加额定电流[A]	施加直流电流时（直流叠加）L值从初期值下降规定比率的额定电流

1. 电感：表示规定频率的值，譬如具有±30%这样的容许差。
2. 直流电阻：如前面所说明的那样，主要是绕组的电阻，表示±20%等的容许差。同样，作为电阻成分说明的交流电阻（ACR），没有在技术规格中示出的情况较为多见，所以要根据需要向厂家确认。
3. 额定电流：中包括2个项目。“温升额定电流”已规定施加直流电流时的温度上升为40K的电流额定值较为多见，但其条件则会根据厂家或产品而有所差异。 另外一个“直流叠加额定电流”，一般表示电感为-30%的电流的最大值较为多见，其条件同样会根据厂家或产品而有所差异。额定电流虽说是重要的技术规格，但并非总会列出两者。在列出其中1个的情况下，就要按照该额定值，有的情况下或许还需要向厂家确认。
4. 自共振频率：电感器发挥作用的极限频率。

四、电感的种类

电感器有各种不同的种类。此外，分类的方法也会随不同的观点而有多种。下图所示为将用途作为信号类和功率类，各自按照磁性体（磁芯）材料和工法而进行的分类。