详解电感类型及其作用

[导读]电感器是一种能储存磁场能的元件，在电路中主要起到滤波、振荡、延迟、陷波等作用。它的工作原理基于电磁感应定律，即当一个导体线圈中的电流发生变化时，它会产生一个变化的磁场，这个磁场又会在导体线圈中产生感应电动势，阻碍电流的变化。电感器正是利用这种效应来储存和释放磁场能。

电感，也称为线圈或电感器，是一种能够储存和释放电能的电子元件。它由导体线圈组成，当通过导体线圈的电流变化时，会产生一个磁场。根据电感的目的和应用场景的不同，有许多不同类型的电感。

电感器是一种能储存磁场能的元件，在电路中主要起到滤波、振荡、延迟、陷波等作用。它的工作原理基于电磁感应定律，即当一个导体线圈中的电流发生变化时，它会产生一个变化的磁场，这个磁场又会在导体线圈中产生感应电动势，阻碍电流的变化。电感器正是利用这种效应来储存和释放磁场能。

电感器的主要参数包括电感量、品质因数(Q值)和自谐振频率等。电感量决定了电感器储存磁场能的能力，品质因数则反映了电感器在谐振频率下的性能，而自谐振频率则是电感器在高频下性能下降的一个关键指标。

当电流通过线圈时，会激发出一个磁场。这个磁场中，磁感线会贯穿线圈，从而产生一个与电流I密切相关的磁通量。这一现象是电感电路工作原理的核心。

L，即自感系数，是线圈所展现的电感特性。这种特性源于法拉第电磁感应定律，该定律指出，当线圈中的磁通量发生变化时，会在线圈两端产生感应电动势。这种感应电动势的大小与磁通变化率成正比，具体表现为以下公式所示：

这个公式揭示了电感的本质特性，它并非通过其他公式推导而来，而是基于客观事实而存在。在数学领域，这类似于公理的地位，即无需证明而自明。这个公式的重要性不言而喻，因为它直接将电感值与电路中的电流和电压相联系。在电路分析中，我们主要关注的是电压和电流的变化，而这个公式正是我们理解电感电路的基础。因此，我们必须牢记这个公式，并深刻理解其中的物理意义。公式中的负号表示感应电动势具有阻碍电流变化的作用，这是电感的基本特性之一。

从这个公式中，我们可以得出电感的几个重要特性：

电流稳定性：流过电感的电流变化是平滑的，不会发生突变。电流突变会导致di/dt的值变得无限大，从而在电感两端产生过高的电压，这对电路可能会造成损害。

直流短路：在直流电路中，由于di/dt为0，电感产生的感应电动势也为0，因此电感对于直流电路而言可视为短路。

电流与电压关系：当电感两端施加一个恒定电压U时，电流会以线性方式增大或减小。这是由于感应电动势与所加电压相等且方向相反，从而使得di/dt保持恒定，即电流线性变化。这一特性在DCDC开关电源中尤为重要，它解释了电感电流为何呈现三角波形。

此外，我们还探讨了磁导率这一概念。电流产生磁场，但不同介质中磁感应强度有所不同。为了量化这种差异，我们引入了磁导率μ这一参数。磁导率表征了物质对磁场的导通能力，μ越大，介质中的磁感应强度B也越大。真空中的磁导率用μ0表示，而空气、铜、铝等非磁材料的磁导率与真空磁导率相近。相比之下，铁、镍、钴等铁磁材料的磁导率则远大于μ0。在早期的物理研究中，为了简化计算，曾将真空磁导率μ0设定为1，其他材料的磁导率则以其为基准进行计算。尽管这种做法在某种程度上简化了问题，但它也带来了一些不必要的问题和误解。随着近代物理的进步，我们逐渐认识到实际真空磁导率的真实值。

因此，其他材料的实际磁导率应等于其原先的磁导率乘以真空磁导率μ0。这样做的好处在于，μ0中包含的4π因子在所有涉及电磁关系的公式中都被消除了，从而简化了问题的处理，形成了所谓的合理化单位制(MKS制)。此外，我们将其他材料磁导率高于真空磁导率的倍数定义为相对磁导率μr。

电感器，通常被称为电感，其本质是一个线圈，它可以是空心的，也可以是实心的，实心线圈中包含铁芯或其他材料制成的芯。电感的单位是“H”，简称“亨”，同时还有更小的单位mH和uH，它们之间的换算关系为1H=1000mH=1000000uH。

电感的工作原理是在导线中通过交流电流时，会在导线的外部和四周产生交变磁通。这个磁通量与产生它的电流之比，就构成了电感。当电感中通过直流电流时，其周围的磁力线是固定的，不会随时间变化;但当通过交流电流时，其周围的磁力线会随时间发生变化。

电感在电路中有着重要的应用。它能够阻碍交流电的通过，而对于直流电来说，电感则相当于短路状态。交流电的频率越高，电感对其的阻碍作用也越大。这种特性使得电感在电路中发挥着不可或缺的作用。

变压器，这一我们耳熟能详的电感应用，其电路符号如图所示。当左侧线圈匝数为100，右侧匝数为50，且左侧接入220V交流电时，右侧将感应出110V的电压，这恰恰印证了“匝数比=电压比”的规律。但电流的情况却恰恰相反，左侧流入1A电流时，右侧会流出2A电流，即“匝数比=电流的反比”。这是因为电感在电路中的作用是仅对电压和电流进行变换，而不会改变功率。若电压和电流成正比，那么功率也必然成正比，这与实际情况不符。

3. RL低通滤波器

低通滤波器是一种电路，允许低频信号通过但阻止高频信号通过。其电路原理图如下所展示。当输入信号为直流电时，电感在此相当于一根导线，因此信号会直接经过电感并短路，不经过电阻而直接输出。然而，随着电流频率的逐渐升高，由于电感对交流电的阻碍作用，通过电感的信号会逐渐减小。当达到某一特定频率后，高于此频率的电流将无法通过，从而形成了低通滤波器。这个特定的频率被称为截止频率，其公式为 f=R/(2πL)。

4. RL高通滤波器

高通滤波器的原理与低通滤波器相似，只是电阻和电感的位置互换。在直流电的情况下，信号会通过电感回流。随着频率的逐渐升高，由于电感对交流电的阻碍作用，当达到截止频率时，高频信号会直接输出，而无需经过电感。截止频率的计算同样遵循公式 f=R/(2πL)。

常见电感类型

工字型电感

工字型电感，作为挠线式贴片电感的改进版本，通过挡板强化了储能能力，有效改变了EMI的方向和大小，同时降低了RDC。它融合了讯号通讯电感和POWER电感的优点，成为了一种实用的妥协方案。

这种贴片式工字型电感，在几百kHz至一两MHz的频率范围内，常用于小型电源切换，如数字相机LED升压、ADSL等低频信号处理或POWER应用。其Q值可达20、30，非常适合讯号处理;同时，由于RDC低于挠线式贴片电感，在POWER应用中也表现出色。

然而，工字型电感也存在一些不足，如开磁路导致的EMI问题，以及相较于挠线式贴片电感更大的噪音。尽管如此，工字型电感仍有很大的改良空间，未来有望进一步优化结构以解决这些问题。

2. 色环电感

色环电感，作为棒形电感的简易加工版本，主要应用于讯号处理领域。虽然其基本特性与棒形电感相似，但通过添加固定物和颜色编码，色环电感为使用者提供了便捷的感值分辨方式。价格亲民且适用于插件式电子产品，色环电感在市场上仍有一定的使用量。然而，由于其传统的插件式设计，色环电感正逐渐被时代淘汰。

空芯电感

空心电感，专为讯号处理而设计，广泛应用于共振、接收、发射等场合。尽管空气在甚高频产品中仍有一定应用，但随着产品变异要求的提高，空心电感的局限性逐渐显现。因此，在追求更高性能的产品趋势下，空心电感的发展空间相对有限。

环形线圈电感

环形线圈电感是电感理论中的理想形状，具有闭磁路设计，有效减少了EMI问题。其结构简单、易于计算，理论上几乎涵盖了所有优点。然而，由于挠线工艺复杂且多依赖人工处理，环形线圈电感在讯号处理方面的应用受到一定限制。尽管如此，极小的环形线圈电感在高频、高感的通讯产品中仍有着广泛的应用。

铁粉芯环形线圈电感是power电感中常用的一种类型，通过与树脂等材料的混合，使得Air gap均匀分布在铁粉芯内部，从而赋予了电感一定的敏感度。这种电感适用于power应用，IDC可达到20多安培。然而，其环形设计在一定程度上限制了其优势的发挥，因为使用者更偏爱方形设计。因此，在追求更高性能和便捷性的背景下，铁粉芯环形线圈电感仍需在结构上进行进一步的优化和改进。

5. 贴片迭层高频电感

贴片迭层高频电感，其特性与空心电感高度一致，但因易于固定且可小型化，深受工程师喜爱。在高频应用中，空气虽非理想固定物，但其相对导磁率为一，恰能在高频段发挥出色作用。寻找兼具良好固定性与一导磁率的物质成为关键。事实上，大部分物质导磁率均为一，其中石头(硅、三氧化二铝等材质)成为理想之选。

贴片迭层高频电感的独特设计，使其能制成积层贴片，极大地方便了印刷线路板的制作。我们期望其材质无特性，以使其特性更接近空心线圈，同时确保了良好的稳定性。迭层制程的采用，更进一步推动了产品的小型化。

根据公式Z=2πfL(其中Z为阻抗，f为频率，L为电感值)，在相同的阻抗下，频率越高则电感值越小。随着通讯产品频率的不断提升，对电感值的需求也在逐渐减小。这使得我们可以制造出更小尺寸的电感，无需使用高导磁率的磁性材料，只需空气和石头即可满足需求。因此，贴片迭层高频电感的应用前景十分广阔，是电子产业发展的必然趋势。

尽管贴片迭层高频电感在Q值上略逊于贴片挠线式高频电感，但其潜力巨大。随着技术的不断进步，我们有理由相信其Q值将得到显著提升。同时，高频产品的严格变异要求也对材质提出了更高挑战，尤其是材质对温度变化的稳定性。这是未来我们需要重点攻克的技术难题。

展望未来，随着感值的持续减小和对精准度要求的不断提高，贴片迭层高频电感有望逐步取代贴片挠线式高频电感。而随着科技的不断进步，贴片薄膜高频电感也可能会在不久的将来进一步替代贴片迭层高频电感。因此，我们必须紧密关注市场动态和技术发展趋势，以抓住行业变革带来的机遇。

磁棒电感，作为空心电感的强化版本，其电感值与导磁率呈正比。通过在空心线圈中填充磁性材料，可以显著提升电感值和Q值。这种电感形式简单而基础，自30到100年前电感开始应用以来，其核心特性和应用领域一直沿用至今。

另一方面，SMD贴片功率电感则着重于其出色的储能能力和低损耗特性。

8. 穿心磁珠

穿心磁珠，也被称为阻抗器，其作用类似于电感，作为低通组件，它允许低频信号通过同时阻挡高频信号。

9. 贴片磁珠

贴片磁珠，作为穿心磁珠的升级版，继承了其低通滤波的特性，并进一步优化了尺寸和性能。

电感器的应用

电路调谐：电感器在电路中用作调谐元件，例如在收音机中的调谐线圈和中频变压器的谐振线圈中都有电感器的身影。

振荡电路：电感器也用于振荡电路，例如收音机中的振荡线圈以及各种LC振荡电路中的电感线圈。

电流滤波器：电感器常用于电源滤波器中的LC滤波电感器，用于滤除电路中的噪声、杂波等有害信号，保证电路工作的可靠性。