电感器的基础知识

所谓电感器

电感器是与电阻(R)和电容器(C)并列的重要的被动元器件，有时也将其称作线圈。通常，线圈是指呈环形的导线绕组，电路中的线圈是指电感器。

电感器的符号通常使用“L”来表示。此举，是为了纪念物理学家俄国物理学家海因里希·楞次(Heinrich Lenz)。

电感器的基本结构为将导线缠绕成线圈状的，能够将电能转换成磁能并蓄积在电感器内部。被蓄积的磁能量由电感器的电感值来决定，电感值的单位为亨利(H)。

电感器的基本结构与电感值

最基本的电感器是将导线缠绕成线圈状的电感，导线的两端为外部端子。近年来，利用磁芯将导线缠绕到磁心上而做成的电感器占一大半。

电感器的电感值可通过以下公式来获得。

从该公式可以获知, 电感值通过1)增大截面积S；2)增加匝数N；3)放入磁心增加磁导率µ而会增大。

电感器的电气用图形符号

以下为电感器的电气用图形符号一览表，其中还包含了变压器符号，供一并参考。标记点的情况下，会对其进行偏置，以使电流流向该点所在方向(端子)。

电感器的电压与电流

如结构中所说明的那样，电感器是单纯地缠绕电线而制成的，因而在施加电压时基本上会有电流流过。但是，电感器是旨在利用基于电磁感应的作用的零部件，并非只是单纯地有电流流过。这里说明施加直流电压和交流电压时电感器的作用。

●施加直流电压时

如电路图所示，当开关闭合向电感器施加直流电压时，电流会流向电感，随着流向电感(绕组)的电流的变化而产生的磁束也会随之变化，并在电感上产生电动势(感应电动势)。基本上电感器是单独的绕组，因而将其叫做“自感”。此电动势向着与电流相反的方向产生，阻碍电流的增加。相反，一旦开关断开而电流开始减少，电感器就会阻止电流减少。

电流(IL)表示如下情况，即在开关闭合时电流会流出，但因电动势电流增加受阻之故，电流会以某个时间常数升高，在升高之后则依赖于电阻成分而会有恒电流流过，一旦开关断开电流就会下降，但会按同样的方式以某个时间常数成为零。

电压(VL)表示开关闭合时和断开时电感器的电动势。如式中所示，电感器上产生的电动势与电流的变化率(ΔI /Δt)成正比。

如刚才的电流波形图所示，开关闭合时电流会比较缓慢地增加，因而电动势只会上升至电源电压。开关断开时，电流会在瞬时被切断，因而与开关打开时相比，电流急剧减少，单位时间的变化率增大，因而会产生更高的电动势。

另外，开关断开时电流没有瞬时成为零，是因为在开关的端子间因电感上产生的高电压而有放电电流流过的原因。

能够产生如此高的电动势，是因为如开头的“所谓电感器”中所述，电感器是“能够将电能转换成磁能并蓄积在电感器内部”的。蓄积起来的能量可用下式来表示，与电感值的大小成正比。

●施加交流电压时

上述说明中描述了电感器上产生的电动势的大小与流向电感器的电流的变化率成正比，这在交流波形时也是一样的。

(1) 首先，当电流从零上升时, 电流的变化率最大，因而电压会增大，但电压会随着电流的上升速度放慢而下降，并在电流到达最大的时点(电流的变化率为零)电压成为零。

(2) 当电流从最大值开始降时，开始产生负电压，在电流成为零时(电流的变化率为最大)电压最低。

对于(3), (4)的区域，与上述情况一样。

在对此电流和电压的波形进行观察时，如果电流波形为正弦波，则电压波形也为正弦波，此外还可弄清电流波形相比电压波形滞后1/4周期偏离(电流的相位滞后90°)的情况。

 针对电流的变化大就会有较大的电压产生这种情况，也可弄清越是电流的变化率大的高频其电压就越会增大的情况。

但是，实际的电感器电压与交流电源的电压是一样的，因而如果以电压为基准思考，则可以说在恒压下频率升高时流过的电流减小。

 也就是说，交流时频率越升高流过的电流越不易通过，电感器发挥类似电阻那样的作用。

 我们将此叫做线圈的感抗(XL)。感抗与流过的电流可用下式来表示。

电感器与电容器的比较

 根据上述说明，将电感器的特点与电容器进行对比而归纳成下表。如表中所示，电感器这个电子零部件，具有与电容器正好相反特性。

电感器的基本工作原理

电感器基本工作原理如下。

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

(2)将电能转变为磁能并蓄积起来。

(3)直流会流过，但交流不易流过，频率越高越不易流过。

(1)和(2)是基于电感器的电磁感应的特性。(3)是电感器“阻交流，通直流”的特性。这里就如何利用这些特性，列出各自的具体例子。

(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)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。这也是因为电磁感应而引起的，若是以单独的绕组构成的电感器时则称之为自感。

(3)直流会流过，但交流不易流过，频率越高越不易流过⇒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。关于阻抗的特性将在后面描述。

电感器的特性

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。

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

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。

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。(有关涡流损耗、表皮效应、邻近效应，我们将另行解说)

其他特性

这里就上述以外的电感器的特性和相关术语进行了归纳。

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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。

铜损:电流流向导线时的电阻成分引起的损耗称为铜损

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。

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。

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。

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。

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。

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电感器的主要技术规格

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。

“电感”当然是必须具备的项目，表示规定频率的值，譬如具有±30%这样的容许差。

“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。

“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。

除此之外，有的情况下已对“自共振频率”做出规定。如前面所说明的那样，这里列出作为电感器发挥作用的极限频率。

电感器的种类

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。