電感器的充放電過程

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(shí)基本上會(huì)有電流流過。 但是，電感器是旨在利用基于電磁感應(yīng)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(shí)電感器的作用。

1. 施加直流電壓時(shí)

如電路圖2-1所示，當(dāng)開關(guān)閉合向電感器施加直流電壓時(shí)，電流會(huì)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(huì)隨之變化，并在電感上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))。 基本上電感器是單獨(dú)的繞組，因而將其叫做“自感”。 此電動(dòng)勢(shì)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(huì)阻止電流減少。 電流(IL)表示如下情況，即在開關(guān)閉合時(shí)電流會(huì)流出，但因電動(dòng)勢(shì)電流增加受阻之故，電流會(huì)以某個(gè)時(shí)間常數(shù)升高，在升高之后則依賴于電阻成分而會(huì)有恒電流流過，一旦開關(guān)斷開電流就會(huì)下降，但會(huì)按同樣的方式在某個(gè)時(shí)間常數(shù)成為零。 電壓(VL)表示開關(guān)閉合時(shí)和斷開時(shí)電感器的電動(dòng)勢(shì)。 如式中所示，電感器上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與電流的變化率(ΔI/Δt)成正比。

其中：

V：電動(dòng)勢(shì)(V)

L：電感值(H)

?I/?t：電流的變化率(A/s)

圖2-1：對(duì)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(shí)電流會(huì)比較緩慢地增加，因而電動(dòng)勢(shì)只會(huì)上升至電源電壓。開關(guān)斷開時(shí)，電流會(huì)在瞬時(shí)被切斷，因而與開關(guān)打開時(shí)相比，電流急劇減少，單位時(shí)間的變化率增大，因而會(huì)產(chǎn)生更高的電動(dòng)勢(shì)。另外，開關(guān)斷開時(shí)電流沒有瞬時(shí)成為零，是因?yàn)樵陂_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(dòng)勢(shì)，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(shí)

上述說明中描述了電感器上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)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(shí)也是一樣的。

圖2-3：對(duì)電感施加交流電

圖2-4：電流電壓相位差90°

(1) 首先，當(dāng)電流從零上升時(shí), 電流的變化率最大，因而電壓會(huì)增大，但電壓會(huì)隨著電流的上升速度放慢而下降，并在電流到達(dá)最大的時(shí)點(diǎn)(電流的變化率為零)電壓成為零。

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

在對(duì)此電流和電壓的波形進(jìn)行觀察時(shí)，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(duì)電流的變化大就會(huì)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(huì)越大。但是，實(shí)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(zhǔn)思考，則可以說在恒壓下頻率升高時(shí)流過的電流減小。也就是說，交流時(shí)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)