Inductor-2---電感器的充放電過程

引言：如Inductor-1：電感器的模型和參數(shù)中所說明的那樣，電感器是單純地纏繞電線而制成的，因而在施加電壓時基本上會有電流流過。 但是，電感器是旨在利用基于電磁感應的作用的元器件，并非只是單純地有電流流過就可以。 本節(jié)闡述施加直流電壓和交流電壓時電感器的作用。

1. 施加直流電壓時

如電路圖2-1所示，當開關(guān)閉合向電感器施加直流電壓時，電流會流向電感，隨著流向電感(繞組)的電流的變化而產(chǎn)生的磁束也會隨之變化，并在電感上產(chǎn)生電動勢(感應電動勢)。 基本上電感器是單獨的繞組，因而將其叫做“自感”。 此電動勢向著與電流相反的方向產(chǎn)生，阻礙電流的增加。 相反，一旦開關(guān)斷開而電流開始減少，電感器就會阻止電流減少。 電流(IL)表示如下情況，即在開關(guān)閉合時電流會流出，但因電動勢電流增加受阻之故，電流會以某個時間常數(shù)升高，在升高之后則依賴于電阻成分而會有恒電流流過，一旦開關(guān)斷開電流就會下降，但會按同樣的方式在某個時間常數(shù)成為零。 電壓(VL)表示開關(guān)閉合時和斷開時電感器的電動勢。 如式中所示，電感器上產(chǎn)生的電動勢與電流的變化率(ΔI/Δt)成正比。

其中：

V：電動勢(V)

L：電感值(H)

?I/?t：電流的變化率(A/s)

圖2-1：對電感充放電示意圖

圖2-2：電感電流電壓波形圖

根據(jù)上述過程模擬出電流波形圖2-2所示，開關(guān)閉合時電流會比較緩慢地增加，因而電動勢只會上升至電源電壓。開關(guān)斷開時，電流會在瞬時被切斷，因而與開關(guān)打開時相比，電流急劇減少，單位時間的變化率增大，因而會產(chǎn)生更高的電動勢。另外，開關(guān)斷開時電流沒有瞬時成為零，是因為在開關(guān)的端子間因電感上產(chǎn)生的高電壓而有放電電流流過的原因。能夠產(chǎn)生如此高的電動勢，是電感器是“能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成磁能并蓄積在電感器內(nèi)部”的。蓄積起來的能量可用下式來表示，與電感值的大小成正比。

其中：

W：能量(J)

L：電感值(H)

I：電流(A)

2. 施加交流電壓時

上述說明中描述了電感器上產(chǎn)生的電動勢的大小與流向電感器的電流的變化率成正比，如圖2-3這在交流波形時也是一樣的。

圖2-3：對電感施加交流電

圖2-4：電流電壓相位差90°

(1) 首先，當電流從零上升時, 電流的變化率最大，因而電壓會增大，但電壓會隨著電流的上升速度放慢而下降，并在電流到達最大的時點(電流的變化率為零)電壓成為零。

(2) 當電流從最大值開始降時，開始產(chǎn)生負電壓，在電流成為零時(電流的變化率為最大)電壓最低。

在對此電流和電壓的波形進行觀察時，如果電流波形為正弦波，則電壓波形也為正弦波，此外還可弄清電流波形相比電壓波形滯后1/4周期(電流的相位滯后 90°)的情況。針對電流的變化大就會有較大的電壓產(chǎn)生這種情況，也可弄清越是電流的變化率大的高頻電流，其產(chǎn)生的電壓就越會越大。但是，實際的電感器電壓與交流電源的電壓是一樣的，因而如果以電壓為基準思考，則可以說在恒壓下頻率升高時流過的電流減小。也就是說，交流時頻率越升高，流過的電流越不易通過，電感器發(fā)揮類似電阻那樣的作用。我們將此叫做線圈的感抗(XL)。感抗與流過的電流可用下式來表示：

其中：

XL：感抗(Ω)

f：頻率(HZ)

L：電感值(H)

V：交流電壓(V)

I：交流電流(A)