和孩子一起学电子电路：电感

什么是电感？

电感（Inductor）是电子电路中另一类重要的被动元件，与电容形成互补，主要用于储能、滤波、能量转换和抑制电流突变。其核心原理是电磁感应，通过磁场存储能量。

电感的核心作用是通过磁场储能和抑制电流突变，其选型需关注电感量、电流容量、频率响应和封装。在电路中，电感常与电容协同工作，例如：

• LC滤波器：滤除特定频率噪声。
• 谐振电路：生成或选择特定频率信号。

基本结构

电感由以下三部分构成：

• 导体线圈（绕组）：
  • 材料：铜线或铝线，通常绕制成螺旋形。
  • 匝数（N）：线圈的绕制圈数，直接影响电感量。
• 磁芯（可选）：
  • 材料：空气、铁氧体、铁粉芯、硅钢片等。
  • 作用：增强磁场，提高电感量（磁芯的磁导率μ越高，电感量越大）。
• 封装：
  • 保护线圈和磁芯，常见形式有直插式（如工字电感）、贴片式（如功率电感）或开放式（空心线圈）。

工作原理

电磁感应定律

当电流流过电感时，产生磁场；电流变化时，磁场变化引发感应电动势（电压），方向由楞次定律决定：$V = -L \frac{dI}{dt}$

• V：感应电压（伏特，V）。
• L：电感量（亨利，H）。
• $\frac{dI}{dt}$：电流变化率（A/s）。

能量存储

电感以磁场形式存储能量，能量公式：$E = \frac{1}{2} L I^2$

• E：存储的能量（焦耳，J）。
• I：流过电感的电流（安培，A）。

关键特性

通直阻交

• 直流电（DC）：稳定时视为导线（感抗为0）。
• 交流电（AC）：产生感抗$X_L$，阻碍电流变化：$X_L = 2\pi f L$
  • ff：频率（Hz），频率越高，感抗越大。

电感量（L）

电感量由线圈结构决定：$ L = \frac{\mu N^2 A}{l}$

• $\mu $：磁芯磁导率（H/m）。
• N：线圈匝数。
• A：线圈横截面积（m²）。
• l：磁路长度（m）。

饱和电流

• 磁芯材料存在磁饱和极限，超过饱和电流后，电感量骤降，可能损坏元件。

常见类型

典型应用场景

电源电路

• DC-DC转换器：
  • 储能电感在开关周期中存储和释放能量，实现电压升降（如Buck/Boost电路）。
  • 示例：TPS5430降压芯片需外接10μH~47μH功率电感。
• LC滤波：
  • 与电容组合滤除高频噪声（如开关电源输出端的π型滤波器）。

信号处理

• 射频（RF）匹配：
  • 空心电感与电容组成LC谐振电路，用于天线调谐（如Wi-Fi模块）。
• 扼流圈：
  • 阻止高频信号通过，允许低频或直流通过（如电源线EMI抑制）。

能量传输

• 变压器：
  • 由两个或多个电感线圈耦合，实现电压变换和隔离（如手机充电器）。
• 电机驱动
• 电机滤波：
  • 抑制电机换向时产生的尖峰电压（如无人机电调电路中的功率电感）。

选型关键参数

• 电感量（L）：根据电路需求选择（如Buck电路的电感量由输入电压、输出电流和开关频率计算）。
• 额定电流：
  • 饱和电流（$I_{sat}$）：电感量下降10%时的电流。
  • 温升电流（$I_{rms}$）：允许的持续工作电流（避免过热）。
• 直流电阻（DCR）：电阻越低，效率越高（大电流场景需关注）。
• 频率特性：高频应用需选择高频特性好的磁芯材料（如铁氧体）。

注意事项

• 布局影响：电感应远离敏感信号线，避免磁场耦合干扰。
• 散热问题：大电流电感需考虑散热（如选择带散热片的封装）。
• 磁饱和：避免电流超过饱和值，可通过公式$B = \mu H $估算磁通密度。

电感 vs 电容

为什么电感很少被使用？

在电子实验中是否使用电感，取决于实验的具体类型和复杂度。对于基础实验（如入门级的数字电路或简单模拟电路），确实较少直接使用电感；但在高频、电源、射频或电磁兼容（EMC）相关实验中，电感则是不可或缺的元件。

为什么基础实验中电感使用较少？

实验目标偏向低频/直流

简单电路场景：

• 如LED闪烁、按键检测、基础运算放大器电路等，主要处理直流或低频信号（<1kHz）。
• 电感的“通直阻交”特性：在直流下电感近似短路，此时其作用类似导线，无需刻意使用。

替代方案更简便

• 电阻+电容（RC电路）：定时、滤波等功能可通过RC电路实现（如555定时器的延时），无需电感。
• 成本与体积：电感体积较大（尤其是大电流型号），价格高于电阻/电容，且面包板插接不便。

高频实验门槛较高

• 射频（RF）、开关电源等实验需要示波器、信号发生器等设备，对新手不友好，导致电感应用场景较少。

哪些实验必须使用电感？

开关电源（DC-DC转换）

• Buck/Boost电路：
  • 电感是核心储能元件，用于升降压（如将5V转3V）。
  • 示例：使用LM2596芯片时需外接33μH~100μH功率电感。
• 实验必备性：无电感则无法完成电压转换，电路直接失效。

高频/射频电路

• LC谐振电路：
  • 电感与电容配合生成特定频率（如无线模块的433MHz载波）。
  • 示例：FM收音机中的调谐电路需空心电感。
• 天线匹配网络：优化天线阻抗（如蓝牙模块的PCB天线匹配）。

EMI抑制

• 共模扼流圈：抑制电源线的高频噪声（如USB接口的EMI滤波）。
• 实验场景：需验证电路通过EMC测试时，电感必不可少。

电机驱动与功率电子

• 续流二极管+电感：吸收电机反向电动势，保护开关管（如驱动直流电机时的H桥电路）。
• 实验风险：无电感可能导致MOSFET击穿。

电感在实验中的典型应用案例

实验中电感的替代与简化

低频场景下可避免使用电感

• 延时电路：用RC电路替代LC电路（精度降低但成本更低）。
• 简单滤波：RC低通滤波器代替LC滤波器（牺牲高频抑制能力）。

仿真软件辅助

• Multisim/LTspice：高频或电源实验可先用仿真验证，减少实物电感的使用需求。

如何开始使用电感实验？

入门实验推荐

• LED调光（PWM + 电感滤波）：用电感平滑PWM信号，观察LED亮度变化（对比有无电感的效果）。
• 简易Buck电路：使用LM2596模块+功率电感，测量输入/输出电压与效率。
• LC谐振频率测量：将电感与可变电容串联，用信号发生器+示波器寻找谐振点。

选型建议

• 功率电感：选直插封装（如CD54/CD75系列），电感量10μH~100μH，饱和电流≥1A。
• 高频电感：空心线圈或铁氧体磁芯，电感量1μH~10μH（如TDK MLK系列）。
• 面包板兼容性：引脚间距54mm，直径≤5mm。

电感实验推荐

实验1：电感充放电（反向电动势）

• 目标 ：观察电感在电流突变时产生的反向高压
• 所需元件：
  • 电感（10mH~100mH，可用色环电感或小线圈）
  • LED ×1（红色或绿色）
  • 电阻（100Ω，用于限流）
  • 5V电源、按钮开关
• 电路连接 ：
  • 电感与LED反向并联（电感一端接电源正极，另一端接LED阴极；LED阳极接电源负极）。
  • 在电源和电感之间串联按钮开关和100Ω电阻。
• 操作 ：
  • 按下按钮时，电流流经电感（LED不亮）。
• 松开按钮瞬间，电感产生反向电动势，LED短暂点亮。
• 原理 ：电感电流突变时，产生高压，反向击穿LED使其发光。

实验2：LC谐振电路（能量振荡）

• 目标 ：观察电感和电容的能量交换
• 所需元件：
  • 电感（10mH）
  • 电容（1μF）
  • 电阻（100Ω，用于阻尼）
  • 9V电池、示波器（或蜂鸣器）
• 电路连接 ：
  • 将电感与电容并联，再串联电阻接电源。
  • 快速通断电源，用示波器观察振荡波形（或听到蜂鸣器短暂鸣响）。
• 现象 ：LC回路产生阻尼振荡。

实验3：电感滤波（抑制高频噪声）

• 目标 ：对比电感与电容的滤波效果
• 所需元件：
  • 电感（1mH~10mH）
  • 电容（100μF电解电容 + 0.1μF陶瓷电容）
  • 电阻（1kΩ负载）
  • 有高频噪声的电源（如PWM信号）
• 电路连接 ：
  • 在电源和负载之间串联电感，并并联电容（形成LC滤波）。
  • 用示波器观察滤波前后负载端的电压波形。
• 现象 ：未加电感时，高频噪声明显；加入电感后，噪声被抑制。

实验4：电感延时开关（RL延时）

• 目标 ：利用电感的电流惯性实现延时
• 所需元件：
  • 电感（100mH）
  • 电阻（1kΩ）
  • LED ×1
  • 5V电源、按钮开关
• 电路连接 ：
  • 电感与LED串联后接电源正极，LED负极接地。
  • 在电感两端并联1kΩ电阻（为电感放电提供路径）。
• 操作 ：
  • 按下按钮通电，LED缓慢变亮（电感阻碍电流变化）。
  • 松开按钮后，LED缓慢熄灭（电感通过电阻放电）。

实验5：简易电磁铁（磁场效应）

• 目标 ：展示电感通电产生磁场
• 所需元件：
  • 漆包线（绕成线圈，约50圈）
  • 铁钉（插入线圈中心）
  • 5V电源、按钮开关
• 电路连接 ：
  • 线圈两端接电源，串联按钮开关。
  • 按下开关，线圈通电后吸引小铁钉或回形针。
• 现象 ：通电时线圈产生磁场，铁钉被磁化并吸附。

实验总结

工具建议：

• 用万用表测量电感充放电时的电流变化。
• 用示波器观察LC振荡波形和滤波效果。

注意事项：

• 电感断开时会产生高压，建议反向并联二极管（如1N4007）保护电路。
• 大电流电感可能发热，避免长时间通电。