在之前的教程中，我們討論了磁學(xué)、電磁學(xué)和電感。電感在電路中很有用。設(shè)計(jì)用于在電路中提供電感的電子元件稱為電感器。

電感器
大多數(shù)導(dǎo)電材料（金屬）是順磁性或鐵磁性的，而大多數(shù)非導(dǎo)電材料（非金屬）是抗磁性的。任何導(dǎo)體都會(huì)顯示一些電感以響應(yīng)電流大小或方向的變化。即使是簡(jiǎn)單的直線也會(huì)產(chǎn)生一些電感，盡管它小到可以在電路中忽略不計(jì)。如果將同一根導(dǎo)線纏繞成一個(gè)環(huán)，則其電感會(huì)增加。對(duì)于相同長(zhǎng)度的導(dǎo)線，環(huán)路數(shù)越多，電感越大。使用合適的鐵磁芯可以使線圈或線圈的電感倍增。

最簡(jiǎn)單的電感器是空心線圈。它們是通過(guò)在塑料、木材或任何非鐵磁芯上纏繞一圈電線而構(gòu)成的。線圈的電感取決于匝數(shù)、線圈半徑和線圈的整體形狀。電感與匝數(shù)以及線圈的直徑成正比。對(duì)于給定直徑和線圈匝數(shù)，它與導(dǎo)線長(zhǎng)度成反比。因此，匝數(shù)越近，電感越大。電感器的載流能力取決于導(dǎo)線的材料和粗細(xì)。電感器的運(yùn)行損耗（以熱量的形式）在很大程度上取決于用作電感器磁芯的材料。

空芯電感示例（圖片來(lái)源：Wurth Electronics）

空心線圈提供小電感，最大可達(dá) 1 mH。通過(guò)在大半徑范圍內(nèi)使用粗線，可以將空心線圈設(shè)計(jì)為具有無(wú)限的載流能力。這些電感器幾乎是無(wú)損耗的，因?yàn)榭諝獠粫?huì)以熱的形式耗散太多能量。交流電流的頻率越高，產(chǎn)生顯著效果所需的電感就越小。因此，空心電感具有無(wú)損工作、高電流容量和足夠的電感值，非常適合高頻交流電路。

通過(guò)使用通電鐵芯或鐵氧體磁芯，可以顯著增加電感。然而，鐵粉或鐵氧體磁芯也會(huì)以熱量的形式損失大量電能。鐵磁芯的使用也限制了電感器的載流能力。對(duì)于鐵磁芯，電感在電流的臨界值處飽和。當(dāng)電流增加到超過(guò)臨界值時(shí)，電感反而會(huì)開始下降。在高電流下，鐵磁芯可能會(huì)變得足夠熱，以至于它們可能會(huì)破裂并永久改變電感器的標(biāo)稱電感。

螺線管與電感器
螺線管經(jīng)常與電感器混淆。螺線管是用作電磁鐵的線圈。許多電感器也是線圈，但它們旨在在電路中提供電感。使用圓柱形線圈的電感器也被稱為螺線管線圈，只是因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)類似于螺線管。但是，它們并不打算用作電路中的電磁鐵。螺線管專門用作電磁鐵，通常具有可移動(dòng)或靜止的鐵芯。通常，螺線管用作電鈴、直流電動(dòng)機(jī)和繼電器中的電磁鐵。

作為電感器的螺線管線圈
最簡(jiǎn)單和最常見的電感器是螺線管線圈。這些電感器是纏繞在空芯或鐵磁芯上的圓柱形線圈。這些電感器最容易構(gòu)造。

螺線管或圓柱形線圈可以很容易地設(shè)計(jì)成通過(guò)結(jié)合一個(gè)機(jī)制來(lái)滑入和滑出線圈的鐵磁芯來(lái)改變電感。通過(guò)將鐵芯移入和移出線圈，可以改變線圈的有效磁導(dǎo)率，從而改變線圈的電感。這稱為滲透率調(diào)整。這用于調(diào)整無(wú)線電電路中的頻率。

通過(guò)將鐵芯連接到螺桿軸并在線圈的另一端固定螺母，可以使鐵芯移動(dòng)。當(dāng)螺旋軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁芯在線圈內(nèi)部移動(dòng)，增加了有效磁導(dǎo)率，從而增加了電感。當(dāng)螺旋軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁芯移出，降低有效磁導(dǎo)率，從而降低電感。

作為電感器的環(huán)形線圈
環(huán)形線圈是當(dāng)今另一種最常見的電感器形式。環(huán)形線圈有一個(gè)環(huán)狀鐵磁芯，線圈繞在其上。與螺線管線圈相比，對(duì)于相同的電感和載流能力，環(huán)形線圈需要更少的匝數(shù)并且物理上更小。環(huán)形線圈的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是磁通量包含在鐵芯內(nèi)，從而避免了任何不需要的互感。

大電流環(huán)形導(dǎo)體。（圖片：Bel Group 旗下的 Signal Transformer）

然而，很難將線圈繞成環(huán)形。磁導(dǎo)率調(diào)整環(huán)形線圈更困難。在環(huán)形線圈上設(shè)計(jì)可變電感器涉及復(fù)雜而繁瑣的結(jié)構(gòu)。在需要互感的電路中，不同的線圈需要繞在同一個(gè)磁芯上，以防使用環(huán)形線圈作為電感器。

作為電感器的罐形磁芯
在典型的電感器（螺線管線圈和環(huán)形線圈）中，線圈纏繞在鐵磁芯上。罐形磁芯是另一種類型的電感器，其中線圈繞組位于鐵磁芯內(nèi)。在鍋形鐵芯中，鐵磁芯呈兩半形式。線圈由其中一半纏繞和包裹。兩半之間有孔，從中取出線圈線。整個(gè)組件由螺栓和螺母固定在一起。

像環(huán)形線圈這樣的罐形磁芯具有大電感和載流能力，體積小，匝數(shù)少。與環(huán)形線圈一樣，通量仍包含在組件內(nèi)。因此，鍋形鐵芯不會(huì)產(chǎn)生不需要的互感。同樣，與環(huán)形線圈一樣，很難改變罐形鐵芯中的電感。只能通過(guò)改變?cè)褦?shù)和在線圈的不同點(diǎn)使用抽頭來(lái)改變罐形鐵芯中的電感。

作為電感器的傳輸線
電感器主要用于交流電路。對(duì)于直流電，電感器幾乎就像一根導(dǎo)線，提供一些可以忽略不計(jì)的電阻，除此之外別無(wú)其他。在交流電中，電感器找到了它們的實(shí)際應(yīng)用。音頻電路一般采用環(huán)形線圈、壺形鐵芯或音頻變壓器作為電感器。音頻電路通常使用值范圍從幾毫亨利到 1 亨利的電感器。電感器和電容器一起用于音頻電路中以進(jìn)行調(diào)諧。如今，有源IC在音頻電路和應(yīng)用中幾乎已經(jīng)取代了電感和電容。

隨著頻率的增加，使用具有較低磁導(dǎo)率磁芯的電感器。在射頻的低端，使用與音頻應(yīng)用中相同的電感器。在高達(dá)幾 MHz 的無(wú)線電頻率下，環(huán)形線圈非常常見。對(duì)于 30 至 100 MHz 的無(wú)線電頻率，首選空心線圈。

對(duì)于大于 100 MHz 的無(wú)線電頻率，傳輸線電感器很有用。長(zhǎng)度較短（信號(hào)波長(zhǎng)的四分之一波長(zhǎng)或更短）的傳輸線可用作調(diào)諧高頻無(wú)線電信號(hào)的電感器。用作電感器的傳輸線一般為同軸電纜。

直流電路中的電感
實(shí)際上，電感在直流電路中沒有用處，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)顯示恒流電感。但是，假設(shè)一個(gè)電感連接在直流電路中，有助于理解其工作原理及其對(duì)脈動(dòng)直流電壓的行為。假設(shè)一個(gè)純電感器通過(guò)開關(guān)連接到電壓源。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電壓施加在電感兩端，導(dǎo)致通過(guò)電感的電流快速變化。當(dāng)施加的電壓從零增加到峰值（在短時(shí)間內(nèi)）時(shí)，電感器通過(guò)感應(yīng)與施加電壓極性相反的電壓來(lái)阻止變化的電流流過(guò)它。電感器通電期間的感應(yīng)電壓稱為反電動(dòng)勢(shì)，由下式給出 –

V L = – L*(di/dt)
其中，
V L是電感中感應(yīng)的電壓（反電動(dòng)勢(shì)）。
L 是電感器提供的電感量。

di/dt 是電流相對(duì)于時(shí)間的變化率。

通過(guò)電感器的電流突然變化會(huì)產(chǎn)生無(wú)窮大的電壓，這是不可行的。因此，通過(guò)電感器的電流不能突然改變。電流在幅度上的每一個(gè)微小變化都面臨電感的影響，并緩慢上升到其峰值恒定值。因此，最初，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電感器充當(dāng)開路。反電動(dòng)勢(shì)保持在電感器上，直到電流通過(guò)它發(fā)生變化。感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)始終與上升的施加電壓保持相等且相反。當(dāng)來(lái)自電源的電壓和電流接近恒定值時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)降至零，電感器就像連接線一樣充當(dāng)短路。通電時(shí)，電感器存儲(chǔ)的功率由下式給出 –

P = V * I = L*i*di/dt
其中，
P為電感存儲(chǔ)的電功率。
V 是電感兩端的峰值電壓。
I 是通過(guò)電感的峰值電流。

通電時(shí)電感器存儲(chǔ)的能量由下式給出 –
W = ∫P.dt = ∫L*i*(di/dt)dt = (1/2)LI 2
其中，
W 是電感器存儲(chǔ)的電能磁場(chǎng)形式的電感器。
I 是通過(guò)它的最大電流。

當(dāng)移除電壓源（通過(guò)打開開關(guān)）時(shí)，電感兩端的電壓從峰值恒定值下降到零。與電容器不同，在移除電壓源時(shí)，電感兩端的電壓不會(huì)保留。事實(shí)上，當(dāng)通過(guò)它的電流變得恒定時(shí)，它已經(jīng)下降到零?，F(xiàn)在，隨著施加的電壓從峰值恒定值下降到零，通過(guò)電感器的電流也從恒定峰值下降到零?，F(xiàn)在，電感器通過(guò)在所施加電壓的方向上感應(yīng)出正向電動(dòng)勢(shì)來(lái)抵抗電流的下降。由于感應(yīng)正向電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)電感器的電流以較慢的速率下降到零。一旦電流降為零，正向電動(dòng)勢(shì)也降為零。

因此，在通電時(shí)，電能在電感器中轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)，這在電感器上感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)很明顯。在斷電時(shí)，電感器以正向電動(dòng)勢(shì)的形式將相同的電能返回給電路。每當(dāng)電感兩端的電壓增加時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，而每當(dāng)電感兩端的電壓下降時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生正向電動(dòng)勢(shì)。

實(shí)際上，電感器兩端產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)或正向電動(dòng)勢(shì)比施加的電壓大很多倍。如果只有一個(gè)電感器與電壓源相連，或者電感器在沒有任何保護(hù)的情況下連接到直流電路中，則打開開關(guān)時(shí)返回的電能會(huì)在開關(guān)觸點(diǎn)處以電壓尖峰或火花的形式釋放。如果電感量大或電路中電流大，在開關(guān)觸點(diǎn)處以電弧或火花形式釋放的能量甚至可以將其燒毀或熔化。這可以通過(guò)使用與開關(guān)觸點(diǎn)串聯(lián)的電阻器和電容器 (RC) 網(wǎng)絡(luò)來(lái)避免。這個(gè) RC 網(wǎng)絡(luò)叫做Snubber Network. 它讓電感器釋放的電能對(duì)電容器進(jìn)行充電和放電，因此不會(huì)損壞任何其他組件。在許多電路中，保護(hù)二極管用于保護(hù)電路的其他組件免受電感器或螺線管的反電動(dòng)勢(shì)或正向電動(dòng)勢(shì)的影響。

交流電路中的電感器
由于電感器阻止電流的任何變化，因此交流電流滯后于通過(guò)電感器的交流電壓90°。最初，當(dāng)來(lái)自電源的電壓施加到電感器時(shí)，通過(guò)電感器的電流最大且方向相反。施加電壓時(shí)，由于感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)與施加的電壓相反，電流流過(guò)電感器。在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，電感兩端的感應(yīng)電壓始終與施加電壓相等且方向相反。當(dāng)施加的電壓從零上升到峰值時(shí)，通過(guò)電感器的反向電流從最大值下降到零。

當(dāng)施加的電壓從峰值下降到零時(shí)，電感兩端感應(yīng)出正向電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致通過(guò)它的電流從零上升到相反方向的峰值。當(dāng)施加的信號(hào)改變極性并沿相反方向上升到峰值時(shí)，電感器中再次感應(yīng)出反電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致反向電流從峰值下降到零。當(dāng)施加的電壓再次下降到零以反向時(shí)，電感器中感應(yīng)出正向電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致電流再次從零上升到相反方向的峰值。這對(duì)于 AC 信號(hào)的每個(gè)周期都會(huì)繼續(xù)。

感抗 電感
引起的電流反作用用感抗來(lái)表示。通過(guò)電感器的電流幅度與施加電壓信號(hào)的頻率成反比。由于電感兩端的電壓（反電動(dòng)勢(shì)或正向電動(dòng)勢(shì)）與電感成正比，因此電流的幅度也與電感成反比。因此，以感抗形式存在的電感引起的電流反作用由下式給出：

X L = 2πfL
= ωL

因此，通過(guò)電感器的電流的峰值振幅由下式給出：

I peak = V peak /X L
= V peak / ωL
其中，
I peak為流過(guò)電感的交流電流的峰值。
V peak是施加到電感器上的交流電壓的峰值。
X L是感抗。

與電阻和容抗一樣，感抗的單位也是歐姆。應(yīng)該注意的是，與電阻不同，由于電容或電感電抗，電路中沒有能量損失。但是，電抗可以限制通過(guò)電容器或電感器的電流水平。

電感器的應(yīng)用
電感器用于交流電路。它們通常用于電信中的模擬和信號(hào)處理電路。它們還與電容器一起用于設(shè)計(jì)濾波電路。在電信中，電感器還用于降低系統(tǒng)電壓或沿傳輸線的故障電流。通過(guò)耦合電感器，變壓器設(shè)計(jì)用于升高或降低交流電壓。電感器還用于在 SMPS 和 UPS 電路中臨時(shí)存儲(chǔ)電能。在電源電路中，電感器（在此處稱為濾波扼流圈）用于平滑脈動(dòng)電流。

電感器的信號(hào)行為可歸納如下：

• 每當(dāng)施加到電感器的電壓增加時(shí)，電感器就會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致通過(guò)它的電流從最大值下降到零或更低水平。每當(dāng)施加的電壓降低時(shí)，電感器就會(huì)產(chǎn)生正向電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致通過(guò)它的電流從零或電流水平上升到最大值或更高水平。

• 反電動(dòng)勢(shì)或正向電動(dòng)勢(shì)保持在電感器上，直到施加電壓，因此通過(guò)它的電流發(fā)生變化。當(dāng)施加的電壓飽和到恒定值時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)或正向電動(dòng)勢(shì)降至零，并且恒定電流流過(guò)電感器而沒有任何阻力，就像在連接線中一樣。

• 由于電感，電路中電流的變化率變慢。如果信號(hào)是交流電，由于電感，電流總是滯后于電壓 90°。

• 由于電感或電容電抗，沒有能量損失。當(dāng)施加的電壓下降或反向時(shí)，由電感器以磁場(chǎng)形式存儲(chǔ)的能量或由電容器以靜電場(chǎng)形式存儲(chǔ)的能量返回到電路。然而，由于電抗，峰值電流水平（電流信號(hào)的幅度）受到限制。

在下一篇文章中，我們將討論電感器的各種非理想特性和關(guān)鍵性能指標(biāo)。