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电感线圈的作用、计算公式和工作原理介绍

301 2022-03-26 来源: IC先生 作者: IC先生

电感是电路或电子设备的主要特性之一,电感被定义为电路或器件的一种特性,它反对电流的变化。注意,电感不阻碍电流,而是阻碍电路中电流的变化。

电感的单位是亨利 (H),它取决于电路的物理特性,而不是电气属性,因为不涉及电流或电压。此外,电感与“匝数”、“线圈环绕的面积”成正比,与“线圈长度”成反比。

电感线圈的主要作用

电感线圈主要有两个作用,分别是阻流和调谐与选频作用。电感线圈中的自感电动势总是与线圈中的电流变化抗衡。

1、阻流作用

电感线圈对交流电流有阻碍作用,阻碍作用的大小称之为感抗xl,它与电感量l和交流电频率f的关系为xl=2πfl,电感线圈主要分为高频阻流线圈及低频阻流线圈。

2、调谐与选频作用

电感线圈与电容器并联可组成lc调谐电路。即电路的固有振荡频率f0与非交流信号的频率f相等,则回路的感抗与容抗也相等,于是电磁能量就在电感、电容来回振荡,这种叫做谐振现象。谐振时电路的感抗与容抗等值又反向,回路总电流的感抗最小,电流量最大。

电感线圈的计算公式:

用于表示电感的符号是大写字母 L,线圈的电感(或更准确地说是自感)可以使用以下等式计算:

电感计算公式

L:电感量

μ:磁导率

N2:线圈圈数的平方

A:被线圈包围的区域

l:线圈的长度

在电路中的应用公式:

应用公式

L:电感量

e:感应电压

t:时间

ΔI:变化的电流

电感线圈的工作原理

要了解电感线圈工作过程和原理,首先可以看看带有开关和线圈的图示直流电源(如下图所示 ). 当开关闭合时,电流流过电路。在这里,我们使用红色箭头所示的电子流作为电子的方向。当我们关闭开关时,从电池流出的电流在每个线圈内都会增加。考虑到左手拇指规则,电流流走,磁通量以逆时针方向流动并向外扩展。考虑到图中的线圈1和线圈2;来自线圈1的磁通量扫过线圈2,从而产生感应电压。

楞次定律和法拉第定律是用于理解这一过程的两条定律。感应电压将始终建立一个与引起它的原始通量相反的通量。因此,我们施加的电压试图将电流驱动到线圈中,而感应电压则与之相反。它不会停止电流,它只是减慢电流。如果欧姆定律规定电流为10安培,它不会立即从0到10,而是需要一些时间,具体取决于电感器提供的电感。

带开关和线圈的直流电源

另一种情况是,我们将尝试降低电流,在已建立的10安培电路中,磁通量将线圈中的所有匝互连。当我们打开开关时,磁通会退回到原来的导体。随着电流的流动停止变化,磁通的移动也停止。每个导体线圈匝上的磁通量减少导致磁场之间的相对运动,从而导致高度感应电压。通过消除施加的电压将电流/电压降低到零的动作导致磁通量的连续变化,从而引起电压试图对抗原因。因此,电路试图保持电流流动,导致电流降低率延迟,而不是立即降低。这被称为感应踢。发生的过程只是将能量从磁场返回到电路。感应电压的大小取决于磁通量、匝数和时间等因素。

电路的断开会在线圈中引起非常高的感应电压,因为时间非常短并且磁通会很快崩溃。如果没有让这种能量通过的路径,可能会在开关上产生电弧或使电弧靠近其他连接的设备,这可能会造成损坏。因此,在遇到电子电路中的电感特性时,强烈建议采取一些预防措施。 

感应电压公式如下:

电压公式

e:感应电压

Φ:磁通量

N:线圈匝数

t:时间

避免电弧闪光的预防措施

当与线圈有关的磁通瞬间下降时,直流电路中产生的感应电流具有很高的强度。因此,重要的是要采取预防措施,通过为能量提供替代路径来消除损害。例如,电流互感器是一种高电感设备,因为它有很多匝线圈,线圈匝数对产生的电流有很大影响(L=µ N2A/l,其中N=匝数):

反电动势原理

反电动势原理

如果上图所示,与线圈相连的电流表在电路发热的情况下被移除,则高电感电路会中断。电路的断开导致磁通在线圈匝上坍塌,产生极高的感应电压,可以引出 4-5英寸长的电弧。这种电弧可能会对试图从电路中移除电流表的人造成伤害。

这类似于直流电机的并联绕组,是另一种高电感电路。直流并联电机还满足产生高感应电流的所有特性。并联电动机通常保持通电,并对电动机的另一部分进行修改,以提供感应电流流动的替代路径。这样做是因为分流场的切换会导致严重的损坏并缩短触点的使用寿命。即使在用于PLC电路的小线圈中,也存在反向馈电并造成一些损坏。

并联电机

消除反馈电流造成的损坏的简单方法是在电感两端放置一个电阻。这为电感器提供了驱动能量的路径,但是当它长时间通电时,它可能效率低下,因为在此期间它会在电阻器上产生功率损耗。这个问题可以通过将一个二极管与电阻串联来解决,这样二极管在正常工作期间会阻断电流。这降低了电阻器上的功耗。仅当电路开路触发感应冲击时,功率才会通过电阻器发射。

除了使用单个电阻器和电阻二极管串联组合外,电容器还可以消除感应电流的损坏。在感应电流的反馈过程中产生的能量被耗散到电容器中,剩余的电流从电容器流回电感器,从而保护开关的触点以及任何其他接触的设备。总而言之,电感是阻止电路中电流变化的电路特性。

到目前为止,已经简单的介绍了由直流电路引起的电感,但是当我们研究由随时间连续变化的交流电流引起的电感时,会形成无功电感,这不仅取决于线圈的电感,还取决于交流波形的频率,如下图所示:

交流波形

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