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電路的基本元件《電感 INDUCTOR》

No.44   1996 Sep.   p126~129,   by 編輯部



Fig 00

    電感在任何通訊設備線路內,可以說是很重要的電子零件之一。例如從供應電源線路開始,除了變壓器之外,至少也會有一或多只的去除干擾雜訊用濾波器,而濾波器更是電感的大本營。除此之外,射頻前端線路也會有濾波器。而中頻線路內,放大器每級間的耦合,更是非要中頻變壓器不可。而調諧線路、共振濾波器、放大器彼此間的耦合及匹配網路內,更是要有電感。接下來,無線電發射機線路內也常使用電感做濾波、訊號耦合、及阻抗匹配等。而發射機的射頻輸出線路上,電感則當是調諧、濾波、匹配、及與天線耦合的主角。離開 無線電收發機的射頻線路,電感也當是聲頻及電源的阻抗或電壓轉換的主角。另外,到處也都可以發現電感,如天線饋送線及電源相關線路、聲頻輸出端子、麥克風接線、及收發機與輔助設備間的拉線等。


感抗

    感抗是以亨利 (Henries) 為單位,以紀念物理學家 Joseph Henry。

    幾乎所有導線,或多或少都會有感抗。理論上,電流流經任何導線、電纜、零件接腳、甚至線路板上的銅箔線跡,都會在導體附近建立起磁場。這磁場的變化也可以成為幾種儲存能量的方式,例如「扼流圈」 (Chock),就可以防止電流從這導線通過,減少或是禁止特定頻率範圍的交流訊號在這導體上流通。另外一種方式是,用另一條導線接近它的磁場,並把這能量轉換成電流,變壓器便是利用這原理。

    在防止電流變動的行為上,電感與電容的特性剛好相反:也就是電感允許直流訊號通暢無阻,但對交流訊號加以阻擾,這種對交流的阻力,就是電感的感抗 (Inductive Reactance)。

    電感的感抗會隨著工作訊號的頻率增加而變大。從電感的感抗計算公式 XL=2 π FL 看出來,XL (歐姆) 就是電感感抗,F (Hz) 是工作頻率,L (亨利)是電感的電感值。理論上,電感感抗與頻率是呈線性關係的,這也可以從式子中看出來。但是在應用的真實世界裡,卻是幾乎沒有人可以發現電感感抗與頻率有線性的關係。這是因為一起組成線路的零件中,沒有理想的零件存在,例如電阻或多或少也有電感存在,電容也是如此。實際上,電感的阻抗與感抗,不只與製造材料與方式有關,在線路裡,工作電流、溫度、工作頻率等都會影響電感的感抗。

Fig 01
圖 1:電感等效電路。

    我們可以從圖 1 的電感等效線路,看出電感有多麼複雜。串連電阻 Rs 表示是電感導體的微小電阻。電感的 Q 值是由感抗 (XL) 與串連電阻的比例來決定的。要電感有高 Q 值,就要減少電感繞線的電阻,這可以加大繞線直徑,或是在繞線上鍍金或銀。但是在電感的應用中,Q 值也是視情況須要而定的,並不是電感的 Q 值越高越好。像是電源線路、雜訊濾波器、及雜訊抑制應用時,低 Q 值電感反而比較有利。通常高 Q 值的電感是用在調諧線路當中,因為這些線路須要有很高的效率才行。

    電感也會有共生的電容,也就是等效線路內的 Cp,這是寄生在電感線圈與線圈之間的。由於電感有寄生電容存在,往往使電感成為一完全的調諧線路,而產生在某一頻率的自我共振。為了減少寄生電容,電感盡量要採用單層繞法,或者是利用繞製電感的技巧來克服,比如,初端與結束端盡量遠離,也可以減少寄生電容。


電感蕊心透磁率與感抗

    每一導線都有感抗,但是許多無線電線路的工作頻率都在幾百 MHz 以下,所須要的電感往往只是簡單的一條導線纏繞幾圈,而不是長達上百公尺的導線。不過電感為了可以使體積小巧,通常採用「集總感抗」 (Lumped Inductances),把導線纏繞成線圈,使磁場集中,也因而增加感抗值。

    導線除了可以纏繞成線圈,增加感抗外,也可以纏繞在不同材質的蕊心上,使感抗更上一層樓。這些成為常用的電感蕊心,通常是鐵環、鐵粉蕊、磁蕊或其他一些高透磁率等材料。所謂透磁率是用來衡量一種材料,它比空氣讓磁場更容易通過的程度。使用透磁率越高的材質蕊心,越容易得到高感抗值。而另外一種常見的技巧是,使用電感座,而讓蕊心可以在線圈孔內進出,使這電感成為可變電感。在無線電通訊設備內,常可以發現使用這類的元件。

    電感使用的蕊心因為材料不同,因而 Q 值、工作頻率範圍、穩定性、及透磁率也不同。目前不論是商品或自製,電感使用最多的蕊心材料是磁環,因為小巧,又因為結構成一封閉的環,所以對磁場有很好的隔離與屏蔽作用,在線路中比較好處理。

    但是電感蕊心材料在達到某個能量位準,也會出現飽和,它儲存的磁場能量也是有限的。如果不查,磁場能量超過,蕊心會發熱。而某些材料若是過熱,還可能因而永久改變蕊心的透磁率,最常發生這現像的,恐怕是以磁環繞製的平衡非平衡轉換器,若是天線端因故短路或開路,或不匹配,很容易使磁環的能量大增,超過可以忍受的程度,整個平衡非平衡轉換器就會發生骨牌效應,先是磁環過熱,電壓過高等現像一一出現。


電感的種類

● 線圈與扼流圈

    線圈與扼流圈都是單層繞製成的電感。這兩者所以有不同的名稱,就在於它的應用範圍。

    通常線圈是與電容一起用在調諧線路上,來產生一特定共振頻率,或是調諧出一特定頻率。而扼流圈,一如它的名稱,是用來阻止或消除一固定點的交流訊號流通,在一固定點上,扼流圈可以允許特定頻率範圍的訊號通過,其餘頻率外的訊號被阻止或減少在這點上的流動。

    一般使用在線路上的扼流圈,很少是以空蕊線圈的方式存在,它不是繞在磁蕊上,就是特殊材質上,以增加穩定性及更容易處理,最大的原因可能是可以增加感抗。如果感抗值要求不高,扼流圈會以塑料、陶瓷、或玻璃來繞製。如果感抗值要求稍高些,繞製的材料就會改用鐵粉蕊。而氧化鐵及其他金屬氧化物組成的陶瓷材料則適用在高感抗值的扼流圈上。

    常見的線圈或扼流圈包括有:

射頻扼流圈:

這是應用最廣,也最常在一般射頻線路上發現的電感。它的種類繁多,也最講究繞製的製作技巧。為了有最大的感抗,射頻電感又不能多層纏繞,只好多段纏繞,並且會把起繞點與結束點分隔成最遠,以減少電感中的寄生電容,參看圖 2 是單層繞製的扼流圈,圖 3 則是各式各樣的扼流圈。

Fig 02 圖 2:單層的射頻扼流圈結構。   Fig 03 圖 3:各種射頻扼流圈。

磁珠:

套在導體上,有時是零件的接腳上,可以形成低感抗、低 Q 值的射頻扼流圈,磁珠通常是中空,當把它套在電流通過的導線上,與導線就形成一扼流圈。這種扼流圈的感抗與磁殊的材料、工作頻率、及磁珠大小有關。雖然磁珠大多是單孔的,但是為了增加扼流圈的感抗,磁珠也有做成雙孔或多孔的,參看圖 4 是各種磁蕊材料,圖 5 則是各種不同口徑的磁環,一般口徑越大,耐功率也越大。

Fig 04 圖 4:各種磁蕊材料。   Fig 05 圖 5:各種不同口徑的磁環。

濾波器扼流圈:

最主要是用在電源供應器線路上,以減少檢波後直流上的漣波。但是像 20 安培以上的電源供應器,通常並不使用濾波器扼流圈。用的比較多的是高電壓低電流的電源供應器,這在真空管線路內比較容意發現。這類的扼流圈感抗值多高達 1 到 50 亨利左右,所以阻抗也高達幾百歐姆。如果是在低電壓的電源供應器上,比如 10 安培的電源供應器,使用濾波器扼流圈的話,可能感抗值是 30 毫亨,而阻抗要小於 1 歐姆。

共模扼流圈:

雜訊或是射頻訊號在兩電纜上流向同一方向稱做共模,這會造成很嚴重的干擾。如果這電纜能夠穿過磁環繞幾圈,形成扼流圈,就可以把這些共模雜訊去除。

滑動式電感:

在天線調諧器上一定可以發現滑動式電感,參看圖 6。藉連續調整線圈以得到不同的感抗。不過用最多的是抽頭,而非連續可調。

空心繞線線圈:

利用幾根支撐的材料,繞製成以空氣為蕊心的電感,參看圖 7。

Fig 06 圖 6:滑動式電感。   Fig 07 圖 7:空心繞線線圈。

● 變壓器

    前頭說過,變壓器的基本原理是,在一導線所建立的磁場內,以另一導線,來感應出電流。初級的線圈,把電能轉換成磁場能量,而次級的線圈則由這磁場能量取出轉換的電能。

    在變壓器中,所有輸入的線圈,不論是單一或多組,都叫做「初級」 (Primary) 線圈,輸出的線圈則叫做「次級」 (Secondary) 線圈。

    變壓器可以把一已知的電壓、電流、或阻抗,利用初級與次級線圈的繞圈數,轉換成不同程度的額定值。有些初級與次級的線圈數相等,它們主要是做線路的隔離用,例如電話機內,600:600 的變壓器就是一個典型的隔離變壓器。

    與扼流圈一樣,變壓器的線圈及繞製材料也是多樣變化的。現今收發機線路內的射頻變壓器,以採用磁蕊為主。早期真空管時代,則大多採用空心的射頻變壓器。

    「電源變壓器」的最主要用途是把市電電壓轉換到更適合整流線路使用的電壓。收發機內的供電系統會有變壓器,單獨的電源供應器也非要有變壓器不可。

    「燈絲變壓器」則是早期真空管時代必備的,它專供真空管的燈絲電源。現今雖已不易發現,但是我們也常須把低的交流電壓,整流及濾波之後,取得低的直流電壓。而掛璧式變壓器,可能只是一只單純的普通變壓器,或是加上簡單的整流與濾波線路,來供給直流電源。

    「聲頻變壓器」與電源變壓器基本上是一樣的,只是工作頻率有出入。電源變壓器的工作頻率是 50Hz 或 60Hz,而聲頻變壓器則範圍更廣,而且也比較注意電源哼聲及訊號失真等問題。「調制變壓器」則是介於聲頻放大器與射頻線路之間,透過它,把聲頻訊號調制在射頻上頭。

    「自動變壓器」的結構通常是單級的輸入與輸出線圈,最常用在因為不同電源供電系統與設備之間,例如 110V 供電的設備,碰到供電電壓是 220V 時,就須要自動變壓器。有的自動變壓器的輸出電壓還設計成連續可調的。

    「平衡非平衡轉換器」 (BALUN) 及「非平衡非平衡轉換器」 (UNUN) 在雙平衡混頻器線路、耦合線路,訊號切分 (SPLIT)、訊號分配、阻抗匹配等線路上常可發現。

    「返馳變壓器」,也稱做「水平輸出變壓器」,可用於電視接收機,或電腦顯像器等水平偏向線路中的變壓器,用以提供陰極射線管的水平掃描及加速陽極的電壓。有時也利用它來提供高壓整流器的燈絲電壓。


電感諸特性

● 感抗

射頻零件中的電感大多以毫亨 (mH) 或微亨 (uH) 加上誤差率來標示。濾波器的扼流圈則使用比較大的電感,通常是亨到毫亨之間。對電感而言,誤差率從精密型的幾個百分比,到一般型電感的 10% 到 30%。

● Q 值

基本上,電感的 Q 值大約介於 10 到數百之間,這與電感的製造及使用的線路有關。調諧線路中的電感,Q 值必須在該線路的工作頻率下測得的比較有用。因為通常電感的 Q 值會隨著工作頻率而有很大的變化。

● 與頻率有關的特性

Fig 08
圖 8:電感色碼。
 
Fig 09
圖 9:各類電感在線路中的符號。

有時電感製造廠,尤其是固定式的射頻扼流圈,也會標示電感的自我共振頻率 (Self-Resonace Frequency),及頻率的響應曲線 (Frequency Response)。若是使用在聲頻領域,往往也會標示功率額定值。

● 阻抗

如果一電感除了是扮演扼流圈、交流變壓器、及調諧線路內電感外,還要必須考慮直流電流的話,那麼電感的阻抗特性就很重要。

● 與應用有關的特性

隨著電感的類別與應用領域,電感某些特性會顯得比其他特性更重要。例如使用電源變壓器時,雖對感抗、自我共振頻率、及 Q 值都不感興趣,卻對功率額定值 (或者是次級的最大耐電流)、初次級間的崩潰電壓 (Breakdown Voltage)、最高工作溫度、壽命期望值 (千小時)、及初次級間的最大漏電流、工作頻率 (50Hz、60Hz 或 400Hz),及穩定度等。而對於聲頻變壓器而言,可能會包括有頻率響應特性、磁場屏蔽特性,最大工作位準、波形失真、插入損失等。而如果是用在平衡非平衡轉換器,還會標示有阻抗、插入損失、頻率響應特性、及最大耐功率等。



電感標示

    一般而言,像是變壓器等夠大的零件,會以說明的方式直接標示;如電阻般大小的小型扼流圈,還是要以色碼來標示,參看圖 8,而圖 9 則是電感在電子線路中所使用的符號。


總結

    就算是人類沒有及早發現及發明無線電,感應及電感也照樣發揮著功用。因為不論是出電力產生動力,或是由感應產生不同電壓的交流電,都是藉著電感的感應特性來完成。而感應現像對於無線電線路也很重要。當然啦,要不是和電容一起,產生可以共振的調諧線路,電感就不會顯得那麼重要了。所以當你壓下麥克風發出訊號,或開啟接收機時,無不藉著電感才能正常工作。 END



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