電感特性:為什麼方向無關緊要

我們收到不少關於電感是否有極性的查問。簡單的答案是「沒有」,但這其中有個特別的概念可能會使學習電感相關知識的人士產生混淆。雖然電感沒有確定的極性,但電流的方向非常重要,這是因為存在一種稱為「電感性回衝(inductor kickback)」的現象。由於線圈中的磁場分解,因此在施加電壓後會產生極高的電壓(幾千到幾萬伏),從而引起回衝。

關於電感的許多分析問題都包括極性符號,但這並不意味著零件本身是帶極性的(我們亦發表另一篇關於零件極性的文章可作參考:零件極性)。在分析中加入極性符號是為了便於讀者理解。據我所知,電磁學是與電感大約在同一時間學習的,因為了解為什麼會發生回衝是非常重要的。老師在描述磁極時會經常使用極性這個詞,並且在分析時也經常使用此類符號。但如果不說明清楚,則可能會增加誤解。本文就電感為什麼沒有極化的問題提供了更廣泛的背景和資料。

電感方向

電感通常由纏繞在固體材料上的線圈組成的,這種固體材料一般都具有鐵磁性或高磁導率。事實上,電磁場是基於內部繞組和電流流動方向並以特定方式產生的。如果你希望了解電磁場的發生方式,建議閱讀這篇貼文:電磁基礎淺談。當電感上的電壓降低時,磁場會發生分解並存儲產生高電壓所需的能量(這對於許多電路設計來說是至關重要的,並且可能損壞敏感零件)。電感內部的線圈始終是相同的,不論是否將其翻轉。當倒置時,順時針向上轉動的線圈仍將順時針向上轉動。如果從上向下看,則變為順時針旋轉。同樣,如果將線圈倒置,它將從上向下逆時針轉動。

無論電感繞組的方向和朝向如何,磁場的極性都與回衝無關,因為由連接電路上的電感產生的電壓所導致的電流總是以相反的方向流動。這就是為什麼單個電感沒有極性的原因。真正的問題在於,如何根據期望的電路特性正確地施加電流。以下是展示回衝現象的簡短動畫演示:

kickback

以下是計算電感時使用的相關方程式:

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

假設上述動畫中的電感額定值為10mH,然後按下開關一段時間後鬆開。假設流經電感的電流(部份提供給串聯電阻)為5mA。由於斷開開關會使電流迅速變零,因此假設斷開開關需要1ns(不能為零),可以計算出以下結果:

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

電流的變化為 -5mA,結果為 -50,000V,這足以跳過1mm寬的氣隙,從而產生火花。這種特殊的電感特性對其他零件而言既實用又危險。降壓/升壓轉換器通常會使用電感來增加輸出電壓(以及限制峰值的其他零件)。負磁力效應會導致敏感器件(例如電晶體和其他半導體產品)被這種電壓永久損壞,因此需要使用返馳二極體。

繞組標記注意事項

雖然所有的電感都沒有極性,但一些製造商會在規格書中包含標記和線圈繞組資料。在使用相同的形狀參數(軸向和徑向通孔式、SMT封裝和其他設計)的情況下,製造商一般都會採用相同的方式纏繞電感,但這也無法保證。許多封裝都會在零件表面上以點表示“線圈的起點”,甚至會在規格書中標明線圈的纏繞方式。舉個簡單的例子,以下零件中就同時記錄了這兩種標記:LPS3015-104MRC2457-LPS3015-104MRC-ND規格書第2頁中標明了線圈的纏繞方向,並以點表示線圈的起點。這並不表示「極性」,而是包含了更詳細的訊息。