电感器是电子产品中主要的无源元件之一。电子产品中的基本无源组件是电阻器,电容器和电感器。电感与电容器密切相关,因为它们都使用电场存储能量,并且都是两个端子的无源元件。但是电容器和电感器具有不同的构造特性,局限性和用途。
电感器是两个端子组件,在其磁场中存储能量。也称为线圈或扼流圈。它可以阻止流过它的任何电流变化。
电感器的特征在于电感值,即线圈内部的电压(EMF)与电流变化之比。电感的单位是亨利。如果流过电感器的电流以每秒1安培的速率变化,并且线圈内部产生1V的EMF,则电感值为1 Henry。
在电子产品中,很少使用亨利(Henry)值的电感器,因为在应用中,该值非常高。通常,在大多数应用中使用较低的值,例如Milli Henry,Micro Henry或Nano Henry。
符号 | 值 | 与亨利的关系 |
兆赫 | 米利·亨利(Milli Henry) | 1/1000 |
H | 微亨利 | 1/1000000 |
nH | 纳米·亨利 | 1/1000000000 |
电感器的符号如下图所示:
该符号表示双绞线,这表示将电线构造成线圈。
电感的构造
电感是由绝缘铜线形成的,该绝缘铜线还形成为线圈。线圈的形状和尺寸可以不同,也可以用不同类型的材料包裹。
电感器的电感高度依赖于多个因素,例如导线的匝数,匝之间的间距,匝数不层,铁芯材料的类型,磁导率,尺寸,形状等。
理想电感器和电子电路中使用的实际实际电感器之间存在巨大差异。真正的电感器不仅具有电感,而且还具有电容和电阻。紧密缠绕的线圈在线圈匝之间产生可测量的杂散电容。这种额外的电容以及导线电阻会改变电感器的高频特性。
几乎所有电子产品中都使用电感器,电感器的一些DIY应用是:
- 金属探测器
- Arduino金属探测器
- 调频发射机
- 震荡器
电感器如何工作?
在进一步讨论之前,了解两个术语“磁场”和“磁通量”之间的区别很重要。
在电流流过导体期间,会产生磁场。这两件事成线性比例。因此,如果电流增加,则磁场也将增加。该磁场以SI单位Tesla(T)进行测量。现在,什么是磁通量?好吧,这是穿过指定区域的磁场的测量值或数量。Magnetic Flux在SI标准中也有一个单位,它是Weber。
因此,到目前为止,流过电感的电流会在电感两端产生磁场。
为了进一步理解,需要了解法拉第的电感定律。根据法拉第电感定律,所产生的EMF与磁通量的变化率成比例。
VL = N(dΦ/ dt)
其中N是匝数, Φ是磁通量。
电感的构造
一种通用的标准电感器的构造和工作方式可以证明为铜线紧紧包裹在芯材上。在下图中,铜线紧密缠绕在芯材上,使其成为两端无源电感器。
当电流流过电线时,电磁场将在导体上形成,并根据磁通量的变化率产生电动势或EMF。因此,磁链为Nɸ。
所述在芯材缠绕的线圈电感器的电感被说成是
µN 2 A / L
其中N是匝数
A是芯材的横截面积
L是线圈的长度
µ是芯材的磁导率,是一个常数。
生成反电动势的公式是
Vemf(L)= -L(di / dt)
在电路中,如果使用开关将电压源施加到电感器。该开关可以是晶体管,MOSFET之类的任何东西,也可以是向电感器提供电压源的任何典型开关。
电路有两种状态。
当开关断开时,电感器中将不会有电流流过,并且电流变化率为零。因此,EMF也为零。
当开关闭合时,从电压源到电感器的电流开始上升,直到电流达到最大稳态值。在这段时间内,流过电感的电流增加,电流变化率取决于电感值。根据法拉第定律,电感器会产生反电动势,该反电动势会一直保持到直流进入稳定状态为止。在稳态期间,线圈中没有电流变化,并且电流仅流过线圈。
在此期间,理想的电感器将短路,因为它没有电阻,但是在实际情况下,流过线圈的电流和线圈既具有电阻又具有电容。
在另一种状态下,当开关再次闭合时,电感器电流迅速下降,并且电流再次发生变化,这进一步导致产生EMF。
电感器中的电流和电压
上图显示了时间常数中的开关状态,电感器电流和感应电压。
可以使用欧姆功率定律计算通过电感器的功率,其中P =电压x电流。因此,在这种情况下,电压为–L(di / dt),电流为i。因此,可以使用以下公式计算电感器中的功率
P L = L(di / dt)i
但是在稳定状态下,真正的电感器就像电阻一样。因此功率可以计算为
P = V 2 R
也可以计算电感中的存储能量。电感器利用磁场存储能量。可以使用以下公式计算存储在电感器中的能量:
W(t)= Li 2(t)/ 2
根据其结构和尺寸,可以使用不同类型的电感器。可以在空芯,铁氧体芯,铁芯等中形成构造明智的电感器,并且在形状方面可以使用不同类型的电感器,例如鼓形铁芯类型,扼流圈类型,变压器类型等。
电感器的应用
电感器被广泛应用。
- 在射频相关应用中。
- SMPS和电源。
- 在《变形金刚》中。
- 电涌保护器可限制浪涌电流。
- 内部机械继电器等