1.1.3 电感元件

电感器是电子线路的重要元件之一，它可与电阻、电容、晶体管等元器件组合构成各种功能的电子电路，在调谐、振荡、耦合、匹配、滤波等电路中都是重要元件。按其作用分类，通常可将电感器分为具有自感作用的电感线圈和具有互感作用的变压器线圈；按工作特征分类，电感器又可分为固定电感和可变电感。

1.电感器的分类

最常见的电感器有两大类：一类是具有自感作用的线圈；另一类是具有互感作用的变压器。不同种类和不同形状的电感器具有不同的特点和不同的用途。但它们在结构上有着许多相同之处，即都是用漆包线或纱包线等各种规格的导线绕在绝缘骨架上或铁芯上构成的，且匝与匝之间相互绝缘。它们的绕制方法不同，骨架、铁芯或磁芯材料与形状结构也不同，如图1.10所示。

（1）固定电感器

① 小型固定电感器。这种电感器也称为色码电感器，它是用铜线直接绕在磁性材料骨架上，然后再用环氧树脂或塑料封装起来的。其外形结构和表示符号如图1.11所示，主要有立式和卧式两种。这种电感器的特点是体积小、质量小、结构牢固、安装方便，被广泛应用于收录机、电视机等电子产品中。

小型固定电感器的电感量较小，一般在0.1μH～100mH，误差等级有Ⅰ级（±5%）、Ⅱ级（±10%）、Ⅲ级（±20%），Q值范围一般在30～80，工作频率约为10kHz～200MHz，最大工作电流常用A，B，C，D，E等字母表示，所对应的具体数值如表1.7所示。

② 空心线圈。空心线圈是用导线直接在骨架上绕制而成的。其线圈内没有磁性材料做成的磁芯或铁芯，有的线圈甚至没有骨架。其外形与表示符号如图1.12所示。这种线圈由于没有铁芯、磁芯，故电感量往往很小，一般只用在高频电路中。

③ 扼流圈。扼流圈可分为两类：高频扼流圈和低频扼流圈。高频扼流圈是用漆包线在塑料或瓷骨架上绕成蜂房式结构，如图1.13（a）所示。它在高频电路中的作用是阻止高频信号通过，而让低频信号畅通无阻。由于高频信号加到线圈上会出现很强的电磁感应现象，干扰周围电路的正常工作，所以在制作时往往采用蜂房式绕线方法，以达到降低干扰的目的。它的电感量一般在2.5～10mH之间。低频扼流圈是指用漆包线在铁芯外经过多层绕制制成的大电感量的电感器，也有的是通过将漆包线绕在骨架上，然后在线圈中间插入铁芯（或硅钢片）制成的，如图1.13（b）所示。它们通常与电容器组成滤波电路，用以滤除整流后的残余交流成分，从而让直流成分顺利通过。

（2）可变电感器

① 可变电感线圈，也称磁芯线圈。其外形与表示符号如图1.14所示。它是在线圈中插入磁芯，并通过调节其在线圈中的位置来改变电感量。可变电感线圈的特点是体积小、损耗小、分布电容小、电感量可在所需的范围内调节。如收音机中的磁棒天线就是可变电感器，它与可变电容器组成的谐振电路可构成调谐器，通过改变可变电容器的容量，就能改变谐振回路的谐振频率，从而实现对所需电台信号的频率选择。

② 微调电感线圈。它在线圈中间装有可调节的磁帽（或磁芯）。通过旋转磁帽可调节磁芯或磁帽在线圈中的位置，从而改变电感量。微调电感线圈的外形及表示符号如图1.15所示。

有的电子电路要求电感器的电感量只能有微小的改变，以满足生产、调试的需要。例如，在收音机的选频电路中，由电感器和电容器组成了一个选频电路，它能将465kHz的中频信号选出来，再加以放大。但由于电容量和电感量在生产时都存在一定的误差值，很难配合完好，所以往往需要通过对电感量进行微小调整，以修正误差值，达到选出465kHz信号的目的。

2.电感器的型号、命名及识别方法

（1）电感线圈的命名

电感线圈的命名方法目前有两种：采用汉语拼音字母或阿拉伯数字串表示。电感器的型号命名包括四个部分，如图1.16所示。例如，LGX的含义是小型高频电感线圈。

（2）电感器的识别方法

为了标明各种电感器的不同参数，以便于在生产、维修时识别和应用，常在小型固定电感器的外壳上涂上标志，其标志方法有直标法和色环标志法两种。小型固定电感器电感量的数值、单位通常直接标注在外壳上，也有的采用色环标志法。目前，我国生产的固定电感器一般采用直标法，而国外的电感器常采用色环标志法。

① 直标法。直标法是指将电感器的主要参数，如电感量、误差值、最大直流工作电流等用文字直接标注在电感器的外壳上。电感器直标法如图1.17所示，其中，最大工作电流常用字母A，B，C，D，E等标注，字母和电流的对应关系如表1.7所示。

② 色标法。色标法是指在电感器的外壳涂上各种不同颜色的环，用来标注其主要参数。电感器色标含义如表1.3所示（电感与电阻色标法相同）。如图1.18所示，最靠近某一端的第一条色环表示电感量的第一位有效数字；第二条色环表示第二位有效数字；第三条色环表示10n倍乘数；第四条色环表示允许误差。其数字与颜色的对应关系和色环电阻标志法相同，单位为微亨（μH）。例如，某一电感器的色环标志依次为：棕、红、红、银，则表示其电感量为12×102μH，允许误差为±10%。

3.电感器的主要参数

（1）电感量

电感量是电感器的一个重要参数，单位是亨利（H），简称亨。常用的单位还包括毫亨（mH）和微亨（μH），其数量关系为

1H=103mH=106μH

电感量的大小与电感线圈的匝数（或称圈数）、线圈的截面积及内部有无铁芯、磁芯有关。在同等条件下，匝数多的比匝数少的电感量大；有磁芯的比无磁芯的电感量大。

用于高频电路中的电感线圈，电感量相对较小；而用于低频整流滤波电路中的电感线圈，其电感量比较大。在生产时，由于工艺技术等原因，电感量和标称值之间往往存在一定的误差。一般来说，误差越小，精度就越高，生产工艺的技术难度也越大，成本也相应增加。在使用时，应根据电路对电感器的要求，选择相应的精度。例如，振荡电路对线圈的要求较高，允许误差范围一般为0.2%～0.5%；而起耦合、阻流作用的线圈要求相对较低，允许误差范围为10%～20%。

（2）品质因数（Q）

品质因数是表示电感器质量的主要参数，也称为Q值。它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，电感器储存的能量与损耗的能量之比。对于电感或电容元件来说，就是在测试频率上呈现的电抗和本身直流电阻的比值，用公式可表示为

或

式中，L为电感量，单位为H；

C为电容量，单位为F；

R为电感或电容的直流等效电阻，单位为Ω；

f为电流频率，单位为Hz；

ω为角频率，单位为rad/s。

通常，品质因数Q值越大越好。因为Q值越大，电感线圈本身的损耗越小。但这往往受到一些条件的限制，如导线直流电阻的损耗、铁芯引起的损耗，还有在高频时的趋肤效应等。实际上，电感量的Q值无法做得很高，一般在几十至几百之间。在实际应用中，谐振电路要求线圈的Q值要高，这样线圈的损耗小，能提高工作性能；用于耦合的线圈，其Q值可低一些，若线圈用于阻流，则基本上不做要求。

（3）固有电容

电感器线圈的匝与匝之间有空气、导线的绝缘层、骨架等，它们存在着寄生电容；绕组与地之间、与屏蔽罩之间也存在着电容，这些电容是电感器所固有的。这些固有电容的存在，降低了电感器的稳定性，同时也降低了线圈的品质因数。为了减小电感器的固有电容，通常采用减小线圈骨架尺寸、导线直径及改变绕法（如蜂房绕法和间绕法）等措施加以解决。

（4）稳定性

稳定性是指电感器参数随环境条件变化而变化的程度。在工作时，电感器的电感量和品质因数会随工作环境温度、湿度的改变而改变。在对稳定性要求较高的电路中，对电感器的稳定性有较高的要求。

（5）额定电流

额定电流是指电感器正常工作时，允许通过的最大工作电流。若工作电流大于额定电流时，电感器会因发热而改变参数，严重时将会被烧毁。

4.电感器的电压、电流特性

如图1.19（a）所示，当电感线圈通以电流时，便产生磁场，若穿过一匝线圈的磁通为Φ，则与匝数为N的线圈交链的总磁通为NΦ，总磁通NΦ常称为磁链ψ，即ψ=NΦ，磁链是电流i的函数，因此，电感器是一种使磁链ψ与电流i相约束的元件。当元件周围的介质为非铁磁物质（如空气、木材、铜等）时磁链ψ与电流i成正比关系，这个约束关系为一常量。故对空心线圈来说，ψ与i呈线性关系

ψ=Li （1-17）

式中，L为一个常数，称为电感，单位为亨利，简称亨（H），还可用毫亨（mH）、微亨（μH）作单位，视计量大小而定。

电感L的大小与线圈的尺寸、匝数及附近介质的导磁性能有关。实际电感线圈除电感外还有一定的电阻，但电阻值较小，可以忽略不计，而把它看成理想电感元件（或电感），其表示符号如图1.19（b）所示。

当通过线圈的电流发生变化时，由于穿过线圈的磁通也相应地发生变化，因此在线圈两端产生感应电压，以uL表示，根据电磁感应定律，有

式（1-18）就是电感元件的特性方程式。它表明：在某一时刻电感两端的电压只取决于该时刻的电流变化率，而与该时刻电流的大小无关。这一特性称为电感的动态特性，故电感元件也被称为动态元件。

式（1-18）是在uL和i的参考方向一致的前提下建立的，在这一前提下，该式才能正确地反映感应电压uL的实际极性，才能符合楞次定律的要求。如图1.19所示，当电流增大时，，根据式（1-18）得uL＞0，它意味着电流的流入端为高电位，电流的流出端为低电位，这时感应电压的方向与参考方向一致；当电流减小时，，uL＜0，这时感应电压的方向（电流的流出端为高电位，电流的流入端为低电位）与参考方向相反。

式（1-18）还表明了电感元件的一个重要特性：如果电感两端的电压保持为有限值，则流过电感的电流只能连续变化而不能跃变，这和电容电压不能跃变的道理是类似的。

若把电感电流i表示为电压uL的函数，则可对式（1-18）积分，便得

即在某一时刻t的电感电流值取决于初始值i（t0）及t0～t时间内的电压值，所以电感也是一种有“记忆”功能的元件。

若将式（1-18）两边乘以idt，并积分得

即

式（1-19）说明电感元件在时间由0～t，电流由0～i的过程中，从电源吸收的电能转换为磁场能量；而电感元件在某一时刻的储能只与此刻电感电流的平方成正比。电感也是一种储能元件。式（1-20）是计算磁场能量的公式。