小白篇-电感的种类及应用

小白篇-电感的种类及应用

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电感器是电子工程领域的重要基础元件，广泛应用于滤波器、振荡器、变压器、抗电磁干扰和能量转换等场景。本文将从电感器的基本概念出发，详细介绍其种类及其在不同领域的具体应用。

1. 简介

1.1 电感的定义

电感器通常被称为电感或者线圈，它是根据法拉第电磁感应定律工作的，即当线圈中的电流变化时，会在线圈中产生反向的电动势（EMF），这种反向EMF的大小与电流变化的速率成正比。

1.2 电感的单位

电感的单位是亨利（H），其他常用的单位还有毫亨利（mH）和微亨利（μH）。

1.3 电感的特性

• 直流电阻：电感器的线圈有电阻，因此在直流电路中会产生电压降。
• 交流阻抗：在交流电路中，电感器会产生感抗，其大小与频率和电感值有关。

2. 电感种类

2.1 按电感值分类

• 固定电感器：电感值固定，不能调节，通常用于需要固定电感值的电路中。
• 可变电感器：电感值可以调节，通常用于需要调整电感量的电路中，如收音机的调谐电路。

2.2 按用途分类

• 高频电感器：主要用于移动通信设备等高频电路中，通常是几十MHz到几十GHz。高频电感器有多种结构类型，包括绕线型、积层型和薄膜型。绕线型高频电感具有低直流阻抗、高Q值和大电流的特点。
  
• 功率电感器：设计用于处理更大的电流，通常具有低电阻和低损耗的特点，常用于DC-DC电路。

2.3 按磁芯材质进行分类

• 空心类电感：没有铁芯或磁芯，通常用于高频变换器等电力电子领域。
• 磁芯类电感：使用铁氧体、压粉磁芯、金属磁芯等材料，具有不同的电感值和特性，适用于不同的频率范围和功率要求。

2.4 按形状和结构分类

• 带导线型电感：使用绝缘导线绕制而成，能够承受较高的电流和电压。
• SMD型电感：表面贴装电感或片状电感，通常使用多层陶瓷材料和金属线圈制成，具有更小的尺寸和更高的性能密度。

2.5 其他特殊类型

• 屏蔽电感与非屏蔽电感：屏蔽电感具有金属罩，可以减少电磁干扰，而非屏蔽电感则没有这样的保护措施。
• 一体成型电感：通过将线圈埋设在与粘合剂混合的软磁性金属粉中进行一体成型，减少漏磁通的效果优于全屏蔽型电感。

3. 电感的常见应用

3.1 滤波器

• 低通滤波器（LPF）：在低通滤波器中，电感器与电容器并联使用，允许低频信号通过，同时阻止高频信号。电感器的感抗随着频率的增加而增加，因此高频信号会遇到较大的阻抗，从而被衰减。
• 高通滤波器（HPF）：高通滤波器通常由电感器和电容器串联组成，允许高频信号通过，而低频信号被阻止。在这种配置中，电感器的感抗对于低频信号来说很大，而对于高频信号则相对较小。
• 带通滤波器（BPF）：带通滤波器允许一定范围内的频率通过，同时阻止这个范围之外的频率。这种滤波器通常由一个电感器和一个电容器串联，再与另一个电感器和电容器并联组成。
• 带阻滤波器（BSF）：带阻滤波器阻止一定范围内的频率通过，而允许其他频率通过。这种滤波器可以通过将两个带通滤波器串联或并联组合来实现。
• 电源滤波：在电源电路中，电感器常用于滤除整流后的交流成分（纹波），提供平滑的直流输出。电感器与电容器一起工作，形成一个低通滤波器，以减少电源线上的噪声。
• EMI/RFI滤波：电感器也用于电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）的抑制。在敏感的电子设备中，电感器可以阻止或减少高频干扰信号，保护设备正常工作。

3.2 振荡器

电感器与电容器可以构成LC振荡电路，它们并联或串联连接以形成一个谐振回路。当电流通过这个回路时，电感存储磁场能量，电容存储电场能量，两者之间的能量转换产生了振荡。常见的有压控振荡器是一种特殊的LC振荡器，其振荡频率可以通过改变电感或电容的值来调节。这种调节通常通过改变可变电容器的电容值来实现，可变电容器可以是电压控制的，如使用二极管或MOSFET的电容。

3.3 变压器

变压器是电力系统中不可缺少的设备，电感又是变压器的重要组成部分；常见又以下三种应用：

• 储能元件：电感器能够将电能转换为磁能并储存起来。在变压器中，电感器通过其绕组产生磁场，从而实现电能的存储和释放。
• 电压变换：变压器利用电感器的电磁感应原理，通过改变初级线圈和次级线圈的匝数比来实现电压的变换。初级线圈中的交流电流产生磁通，这个磁通在次级线圈中感应出电压。
• 安全隔离：在某些应用中，变压器还提供了电气隔离，以确保操作人员的安全，防止电路间的意外电气连接。

3.4 抗电磁干扰（EMI）

电感器用于抑制电磁干扰，保护电路不受外部电磁场的影响。列举五种常见的应用及对应的电感选型：

• 共模电感：共模电感是用于抑制共模干扰的有效元件。它通常由两个绕在同一铁氧体磁芯上的线圈组成，对共模信号（即在两条线路上幅度相等、相位相同的干扰信号）呈现出高阻抗，而对差模信号（即在两条线路上幅度相等、相位相反的信号）呈现出低阻抗。这种特性使得共模电感可以在不影响正常差模信号传输的情况下，有效地抑制共模干扰。
• 磁珠：磁珠是由铁氧体材料制成的，这种材料具有高磁导率，能够在高频时呈现较大的电阻性，从而吸收并转换成热能的形式耗散掉高频干扰。磁珠在低频时主要呈电感特性，而在高频时则主要呈电抗特性，使得它们在宽频率范围内保持较高的阻抗，提高高频滤波效能。
• 穿心电容和电感的组合：在高频噪声滤除中，穿心电容与电感器结合使用可以提供更有效的EMI抑制。穿心电容没有引线电感，因此不会因电容谐振而削弱对高频信号的旁路作用。此外，电感器可以与穿心电容一起构成LC滤波器，以减少电源线上的噪声和干扰。
• 电源线和数据线的滤波：在电源线和数据线上使用电感器，如铁氧体磁环或磁珠，可以抑制高频干扰和尖峰干扰。这些元件也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。
• 被动滤波器：使用共模扼流圈和并联电容器可以进一步减少EMI。共模扼流圈产生高阻抗节点，防止共模信号耦合到系统中。并联电容器则可以与共模扼流圈一起放置在设备附近，以提供额外的EMI滤波。

3.5 能量转换

电感器在能量转换中的应用非常广泛，它们在电路中起到关键作用，尤其是在电源管理和DC-DC转换器中。功率电感器是DC-DC转换器中的关键元件，它们用于存储和释放能量，以维持电路中的电流连续性。在降压型DC-DC转换器中，电感器允许直流电流顺利流过，而对于变化的电流则产生阻碍其变化的电动势，这称为自感应。这种自感应现象使得电感器在交流电路中呈现出高阻抗，从而可以用于控制电流的变化。