通直流,阻交流;通低頻,隔高頻。掌握這12字箴言,電感的作用你就基本了解了。
電感器一般由骨架、繞組(卷線)、屏蔽罩、封裝材料、磁心或鐵心等組成,當屬磁芯和卷線是電感的靈魂。
從物理學角度看,磁芯內部微觀上包含很多的磁疇(Magnetic Domain),它可以理解為非常小的磁鐵,每一個小小的磁疇都會產生一定的磁場。在磁芯未曾被磁化時(即無電流通過時),由于內部磁疇的排列方向雜亂無章,磁疇產生的磁場相互抵消,因此整個磁芯對外不顯磁性,如下圖所示:
當我們對纏繞在磁芯體的線圈施加電流時,線圈將會產生一定的磁場強度 H(也稱為磁化場)磁場強度與電流的大小成正比關系,如下圖所示:
注意:電路中這里對線圈施加的是恒流源,而不是電壓源。
這個磁化場 H 將對磁芯中的每一個磁疇施加一個磁力矩,使這些磁疇在宏觀上轉向磁場方向排列起來,這樣磁芯整體會對外顯磁性,如下圖所示:
在這個過程中可以認為:磁疇在磁化場的作用下做功,也就是將磁場能轉化為磁力矩保存起來,而表現的形式就是磁場強度B。
在外部磁化場撤消的瞬間,磁芯本身對外是有磁場的,但很快磁疇因本身的方向恢復而釋放磁力矩,在這個過程中,磁芯對外的磁場將從大到小變化,如果磁芯周圍有線圈的話,就會由于磁通量變化而在線圈中產生感應電動勢(線圈切割磁力線)如果線圈有閉合回路的話,就會產生回路電流,如下圖所示:
此時磁芯內部的磁疇如下圖所示:
這樣就有下敘所述的能量轉換:
正是有了這樣的能量轉換,電感在電路中的作用才發揮的淋漓盡致:
積蓄能量:線圈內流動的電流產生磁場,該磁場再產生電流,通過這種方式,線圈可將電能積蓄為磁能。這是通過線圈的電感性實現的。
整理信號:除去干擾信號,只讓需要的信號通過。根據信號頻率大小的不同,線圈發揮的作用也不同。
電感積蓄能量的作用,主要在DC-DC電源場合,利用的就是“流經電感的電流無法突變”這個特性,以常見的升壓BOOST電路為例。
升壓BOOST電路主要是由電感,開關器件,和一個整流器件組成。當開關器件S導通,電源就會通過電感產生電流,此時由于電感電流不能突變,電感上的電流會有一個逐漸增加的過程。開關器件斷開時,由于電感的電流不能突變,電流通過右側的整流器件尋找回路,方向為從電源,經過電感和整流器件,給輸出電容充電。輸出電壓可以看做是電源和電感上的電壓的疊加。
另外常見的降壓電路和升-降壓電路的原理是一樣的,不過是電感、開關器件和整流器件在電路中的位置不一樣罷了。
從電抗器的角度來說說電感整理信號的作用,電感的阻抗是正比于通過的頻率的,頻率越高,阻抗就越高。
如果把電感串聯在一個直流電的供電電路中,由于主要成分是直流電,電感對于直流電幾乎沒有阻礙,直流電可以很方便的通過,但是電源的紋波一類的就無法正常通過,此時電感就能起到電源濾波的作用。
在另一種場合,電感可以做電抗器限流元件,比如交流電動機,可以串聯電抗器進行減速,舊式風扇調速器使用的就是電感。
由于電抗器頻率越高阻抗越高的特性,還可以很容易地制作成濾波器電路,可以配合電阻組成RL濾波器,也可以配合電容組成LC濾波器。當電感串聯在信號回路中,電阻或電容并聯在信號回路中,此時就是一個低通濾波器,低頻信號容易通過,高頻信號不容易通過。當電感并聯在信號回路中,電阻或電容串聯在信號回路中,此時就是一個高通濾波器,高頻信號容易通過,低頻信號不容易通過。
需要注意的是,如果使用LC濾波器,由于LC電路存在一個諧振頻率,所以不管高通還是低通濾波器,LC濾波器會讓這個諧振頻率的信號無阻礙的通過甚至能放大這個信號,設計電路時要盡量避開這個諧振頻率點。
不論電感的積蓄能量的作用,還是整理信號的作用,想要掌握得好,最終都要回歸到電路設計中。
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