电感元件

电感元件简介

“电感元件”是“电路分析”学科中电路模型中除了电阻元件R，电容元件C以外的一个电路基本元件。在线性电路中，电感元件以电感量L表示。元件的“伏安关系”是线性电路分析中除了基尔霍夫定律以外的必要的约束条件。电感元件的伏安关系是 v=L(di/dt),也就是说，电感元件两端的电压，除了电感量L以外，与电阻元件R不同，它不是取决于电流i本身，而是取决于电流对时间的变化率(di/dt).电流变化愈快，电感两端的电压愈大，反之则愈小。据此，在“稳态”情况下，当电流为直流时，电感两端的电压为零;当电流为正弦波时，电感两端的电压也是正弦波，但在相位上要超前电流(π/2);当电流为周期性等腰三角形波时，电压为矩形波，如此等等。总的来说，电感两端的电压波形比电流变化得更快，含有更多的高频成分。

通俗地说，穿过一个闭合导体回路的磁感线条数称为磁通量。由于穿过闭合载流导体(很多情况是线圈)的磁场在其内部形成的磁通量变化，根据法拉第电磁感应定律，闭合导体将产生一个电动势以“反抗”这种变化，即电磁感应现象。电感元件的电磁感应分为自感应和互感应，自身磁场在线圈内产生磁通量变化导致的电磁感应现象，称为“自感应”现象;外部磁场在线圈里磁通量变化产生的电磁感应现象，称为“互感应”现象。

比如，当电流以1安培/秒的变化速率穿过一个1亨利的电感元件，则引起1伏特的感应电动势。当缠绕导体的导线匝数增多，导体的电感也会变大，不仅匝数，每匝(环路)面积，连缠绕材料都会影响电感大小。此外，用高渗透性材料缠绕导体也会令磁通量增加。

电感元件即利用这种感应的原理，在电路中发挥了许多作用。

电感元件储存的能量

一个电感元件储存的能量(单位焦)等于流经它的电流建立磁场所做的功，其值由下式给出：

其中L为电感，I为流经电感的电流。

电感元件网络

并联电路中的电感元件每个都有相同的电势差 .其总的等效电感 (Leq):

通过串联电感的电流保持不变,但每个电感元件上的电压可不同.其电压之和等于总电压.总电感:

这种简单的关系只有在没有磁场互耦(mutual coupling) 的条件下才成立。

电感元件结构

电感可由电导材料盘绕磁芯制成，典型的如铜线，也可把磁芯去掉或者用铁磁性材料代替。比空气的磁导率高的芯材料可以把磁场更紧密的约束在电感元件周围，因而增大了电感。

电感有很多种，大多以外层瓷釉线圈(enamel coated wire )环绕铁素体(ferrite)线轴制成，而有些防护电感把线圈完全置于铁素体内。一些电感元件的芯可以调节。由此可以改变电感大小。

小电感能直接蚀刻在PCB板上，用一种铺设螺旋轨迹的方法。小值电感也可用以制造晶体管同样的工艺制造在集成电路中 。在这些应用中，铝互连线被经常用做传导材料。不管用何种方法，基于实际的约束应用最多的还是一种叫做“旋转子”的电路，它用一个电容和主动元件表现出与电感元件相同的特性。 用于隔高频的电感元件经常用一根穿过磁柱或磁珠的金属丝构成。

应用领域

电感元件广泛的应用在模拟电路与信号处理过程中。

电感元件与电容元件及其他一些器件结合可以形成调谐电路，可以放大或过滤一些特定的信号频率。

大电感可用于电源的阀门(chokes)，以前也经常与滤波器联用用于去除直流输出的冗余和波动成分。

磁珠或环绕电缆可产生小电感可阻止传输线中的射频干扰。

小的电容/电感还可结合产生调谐电路用于无线电的收发。

两个或多个电感元件之间有耦合磁通量可形成变压器，变压器是电力电源系统的基本组件。变压器的效率随着频率的增加而减小，但高频变压器的体积也变的很小，这也是为什么一些飞行器用400赫兹交流电而不是通常的50或60赫兹，用小型变压器而节省了大量的载重。

在开关式电源中，电感元件被做为储能元件。电感元件随着调整器的转换频率的特定部分而储能，而在周期后半部分释放能量。其能量转换比决定了输入输出电压比。 这个XL 用于补充主动半导体设备可用来精确控制电压。

电感元件也被应用于电力传输系统，用来降低系统电压或限制疵电流(fault current)，这些通常被用于反应堆。相比其他元件电感元件要显得大而重，所以在现代设备里以减少了其应用;固态开关电源去掉了大变压器，电路转为使用小的电感元件，而大值则由回转器(gyrator) 电路模拟。