电感特性:为什么朝向没那么重要

近期我们收到了许多关于电感是否极化的问题。简单的答案是“否”,但这其中有个特殊的概念可能会使学习电感相关知识的人们产生混淆。虽然电感没有确定的极性,但电流的方向非常重要,这是因为存在一种称为电感回冲的现象。由于线圈中的磁场分解,因此在施加电压后会产生极高的电压(几千到几万伏),从而引起回冲。

关于电感的许多问题分析中都包括极性符号,但这并不意味着组件在实际上是极化的(这是我不久前发表的一篇关于组件极性的贴文,供参考:组件极性)。在分析中加入极性符号是为了便于读者理解。据我所知,电磁学是与电感一同学习的,因为了解为什么会发生回冲是非常重要的。老师在描述磁极时会经常使用极性这个词,并且在分析时也经常使用此类符号。但如果不说明清楚,则可能会增加误解。本文就电感为什么没有极化的问题提供了更广泛的背景信息。

电感方向

电感是由通常缠绕在固体材料上的线圈组成的,这种固体材料一般都具有铁磁性或高磁导性。事实上,电磁场是基于内部绕组和电流流动方向并以特定的方式产生的。如果你希望了解电磁场的发生方式,建议阅读这篇贴文:电磁基础浅谈。当电感上的电压降低时,磁场会发生分解并存储产生高电压所需的能量(这对于许多电路设计来说是至关重要的,并且可能损坏敏感组件)。电感内部的线圈始终是相同的,不论是否将其翻转。当倒置时,顺时针向上转动的线圈仍将顺时针向上转动。如果从上向下看,则变为顺时针旋转。同样,如果将线圈倒置,它将从上向下逆时针转动。

无论电感绕组的方向和朝向如何,磁场的极化都与回冲 无关,因为由连接电路上的电感产生的电压所导致的电流总是以相反的方向流动。 这就是为什么单个电感没有极性的原因。真正的问题在于,如何根据期望的电路特性正确地施加电流。 以下是展示回冲现象的快速动画演示:
01_00
以下是分析电感时使用的相关方程式:

V_{L}=L\frac{dI}{dt}
I_{L}=\frac{1}{L}\int_{0}^{t}V_{L}d\tau+I_{0}

假设上述动画中的电感额定值为10mH,然后按下开关一段时间后松开。假设流经电感的电流(给定一些串联电阻)为5mA。由于断开开关会使电流迅速变零,因此假设断开开关需要1ns(不能为零),可以计算出以下结果:

V_{L}=10mH*\frac{-5ma}{1ns}

电流的变化为-5mA,结果为-50,000V,这足以跳过1mm宽的气隙,从而产生火花。这种特殊的电感特性对其他组件而言既实用又危险。降压/升压转换器通常会使用电感来增加输出电压(以及限制峰值的其他组件)。负磁力效应会导致敏感器件(例如晶体管和其他半导体)被这种电压永久损坏,因此需要使用续流二极管。

绕组标记说明

虽然所有的电感都没有极化,但一些厂商会在规格书中包含标记和线圈绕组信息。在使用相同的形状参数(轴向和径向通孔、SMT封装和其他设计)的情况下,厂商一般都会采用相同的方式缠绕电感,但这也无法保证。许多封装都会在零件表面上以点表示“线圈的起点”,甚至会在规格书中标明线圈的缠绕方式。举个简单的例子,以下零件中就同时记录了这两种标记:LPS3015-104MRC2457-LPS3015-104MRC-ND规格书第2页中标明了线圈的缠绕方向,并以点表示线圈的起点。这并不表示“极性”,而是包含了更详细的信息。