探究電感器的基本原理及發(fā)展衍變

電感器——又稱扼流器、電抗器、動(dòng)態(tài)電抗器。與電容器、電阻器一起被稱為三大被動(dòng)元件，繼電容器、電阻器之后迅速發(fā)展實(shí)現(xiàn)片式化的元件。

基本原理

自感現(xiàn)象：當(dāng)流經(jīng)導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

用金屬導(dǎo)線做成線圈，流經(jīng)線圈的電流發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很明顯的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,線圈自感應(yīng)反向電動(dòng)勢(shì)阻礙電流的變化,起到平穩(wěn)電流的作用。

具體地，如果電感器在沒(méi)有電流通過(guò)的狀態(tài)下，電路接通時(shí)它將試圖阻礙電流流過(guò)它；如果電感器在有電流通過(guò)的狀態(tài)下，電路斷開(kāi)時(shí)它將試圖維持電流不變。

從能量角度看就是，電感器能把電能轉(zhuǎn)儲(chǔ)為磁能，把磁能釋放為電能。

同一電感器對(duì)不同變化頻率的電流阻礙效果不一樣,其總體規(guī)律是:通低頻，阻高頻.

電感的發(fā)現(xiàn)發(fā)明大事記

1831年 英國(guó)M.法拉第發(fā)現(xiàn)鐵芯線圈電磁感應(yīng)現(xiàn)象

1832年 美國(guó)J.亨利發(fā)表關(guān)于自感應(yīng)現(xiàn)象論文。人們把電感量的單位稱為亨利，簡(jiǎn)稱亨；

1850s’ 電感器應(yīng)用到電報(bào)電話裝置中；

1887年 德國(guó)H.R.赫茲發(fā)明赫茲線圈；

1890年 美國(guó)N.特斯拉，發(fā)明 特斯拉線圈；

1935年 日本TDK推出世界上第一個(gè)鐵氧體磁芯；

1980S' 日本美國(guó)，為適應(yīng)SMT需要，開(kāi)始了片式電感器的研究開(kāi)發(fā)；

1984年 TDK率先以1210為先導(dǎo)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了多層片式電感器產(chǎn)業(yè)化；

1994年 中國(guó)的深圳南玻和南京898廠分別引入日本美國(guó)繞線型和多層型電感生產(chǎn)線

……

電感器的分類

電感器發(fā)展衍變

目前用量最大的是繞線片式電感器和多層片式陶瓷電感器。

繞線片式電感器是傳統(tǒng)繞線電感器小型化的產(chǎn)物，把引線改為適合表面貼裝的端電極結(jié)構(gòu)；

多層片式陶瓷電感器采用多層印刷技術(shù)和多層生產(chǎn)工藝制作，體積比繞線型片式電感器還要小，是電感元件領(lǐng)域發(fā)展的主流方向。

電感器主要性能參數(shù)

電感量Ls

電感量也稱自感系數(shù)，是表示當(dāng)流經(jīng)電感器的電流發(fā)生變化時(shí)，其產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個(gè)物理量。電感量的大小反映了元件存、釋能量的強(qiáng)弱。

電感量是電感器本身固有特性，取決于線圈匝數(shù)、繞制方式、磁芯材料等。

公式：Ls=(k*μ*N2*S)/L

其中:μ為磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率

N 為線圈圈數(shù)的平方S 線圈的截面積，單位為平方米L 線圈的長(zhǎng)度，單位為米k 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

從公式可知:

線圈圈數(shù)越多、繞制的線圈越密集，電感量就越大。有磁芯的線圈比無(wú)磁芯的線圈電感量大；磁芯導(dǎo)磁率越大的線圈，電感量也越大。

電感量的基本單位是亨利（亨），用字母“H”表示。常用單位毫亨（mH）、微亨（μH）、納亨（nH）。

換算關(guān)系為：1H=103mH=106μH=109nH

常用測(cè)試儀器：HP4291B/HP4194A阻抗分析儀

電感量允許誤差

允許偏差是指電感器上標(biāo)稱的電感量與實(shí)際電感的允許誤差值。

用于振蕩或?yàn)V波等電路中的電感器要求精度較高，允許偏差為±0.2%~±0.5%；

用于耦合、高頻阻流等線圈的精度要求不高,允許偏差為±10%~±20%。

感抗XL

電感線圈對(duì)交流電流阻礙作用的大小稱感抗XL，單位是歐姆。它與電感量L和交流電頻率f的關(guān)系為XL=2πfL

常用測(cè)量?jī)x器：HP4291B阻抗分析儀

品質(zhì)因素Q

品質(zhì)因素Q是表征電感器質(zhì)量的一個(gè)主要參量。

Q為電感器在某一頻率的交流電壓下工作時(shí)，感抗XL與其等效的電阻的比值:

公式：Q = XL/ R

因XL與頻率有關(guān)，所以Q值與頻率相關(guān)。常見(jiàn)Q-F曲線為鐘形。

電感器的Q值高低與線圈導(dǎo)線的直流電阻，磁芯介質(zhì)損耗，屏蔽罩或鐵芯引起的損耗，高頻趨膚效應(yīng)的影響等因素有關(guān)。

Q值反映元件工作時(shí)所做的有用功與其本身消耗的能量比例關(guān)系，電感器Q值越高，回路的損耗越小，效率越高。電感器的Q值通常為幾十到幾百。

接收、發(fā)射模塊中的耦合、調(diào)諧電路對(duì)Q值要求高，濾波電路Q值要求低

自諧振頻率SRF

電感器的寄生電容與電感量發(fā)生諧振的頻率點(diǎn)，記為FSR。

在FSR下，電感感抗與寄生電容容抗相等并互相抵消，整體表現(xiàn)為電抗為0，F(xiàn)SR處電感失去儲(chǔ)能能力表現(xiàn)出高阻的純阻特性。即FSR處，Q=0。

公式：FSR=[2л(LC)1/2]-1

寄生電容是指線圈的匝與匝之間，線圈與磁芯之間，線圈與地之間，線圈與金屬之間都存在的電容。電感器的寄生電容越小，其穩(wěn)定性越好。

寄生電容的存在使線圈的Q值減小，穩(wěn)定性變差，因而線圈的寄生電容越小越好。

常用測(cè)量?jī)x器：HP8720E網(wǎng)絡(luò)分析儀

HP4991B阻抗分析儀

直流電阻Rdc

直流電阻——直流狀態(tài)下測(cè)量元件的電阻值，單位為歐姆。

表征元件內(nèi)部線圈的質(zhì)量狀況，符合歐姆定律。

在電感設(shè)計(jì)中，都要求直流電阻隔盡可能的小。

通常標(biāo)稱為最大值。

常用測(cè)量?jī)x器:HP4338B

額定電流Ir

額定電流是指電感器在允許的工作環(huán)境下能承受的最大電流值。

電流通過(guò)會(huì)引起元件發(fā)熱，元件溫升電感量會(huì)下降，取元件電感量下降5%或器件溫升20C的電流值為額定電流。

若工作電流超過(guò)額定電流，則電感器就會(huì)因發(fā)熱而使性能參數(shù)發(fā)生改變，甚至還會(huì)因過(guò)流而燒毀。

額定電流為其允許的最大工作電流，同系列產(chǎn)品，電感量增大，額定電流減少。

對(duì)非磁性磁芯電感器來(lái)說(shuō)，額定電流取于直流電阻，直流電阻越小則溫升越小，容許電流越大。