インダクタの基礎：交流電力と信号フィルタリングをマスターする

インダクタはホビー電子工作では珍しいですが、交流（AC）を扱うあらゆることに取り組むなら学ぶべき必須コンポーネントです。ACを使用するアプリケーションでは抵抗器と同じくらい一般的です。電流の流れの変化を妨げます。その結果、信号のフィルタリングや異なるAC電圧間の変換に最適です。これが可変電源でよく使用される理由です。インダクタを学ぶべき理由はこれだけではありません。それでも、このガイドではインダクタの基礎のいくつかを探ります。

インダクタとは？

インダクタンスコイルのセット

インダクタは一時的にエネルギーを蓄える電子部品です。したがって、磁場を使用してこれを達成します。一般的に、ほとんどのインダクタは磁性または非磁性のフォーマー（芯）に巻かれたワイヤ（しばしば銅線）のコイルとして現れます。フォーマーには以下の主なコア材料タイプを使用できます：

• 鉄心
• フェライトコア
• 空芯
• セラミックコアインダクタ

したがって、フェライトと鉄心インダクタは、より大きな磁場を生成し、より多くのエネルギーを蓄えられるため、最も好ましい場合があります。

インダクタはどのように働くか？

インダクタ

お気づきかもしれませんが、インダクタは必ずしも機能するためにフォーマーを必要としません。ほとんどの空気インダクタは、中心なしで密に絶縁されたワイヤが一緒に巻かれています。ファラデーの電磁誘導の法則により、電流がコイルを通過すると磁場が生成されます。

ワイヤの集合体をコイル状に巻くと、さらに大きな磁場を生成できます。電流がこの集合体を流れると、磁気エネルギーになります。しかし、電流が流れなくなると、電磁場が崩壊し、磁気エネルギーが電気エネルギーに変換されます。この段階では、クラシックなワイヤ片を模倣します。

しかし、インダクタがすべての磁気および電気エネルギーを変換して放出するまでには少し時間がかかり、これがすべてのインダクタが機能する電磁気学の基本概念です。

これを説明するために、インダクタを大きな水車と考えることができます。重い静止した水車があり、水を流し始めると、車輪を回転させるまでにある程度の時間とエネルギーがかかります。しかし、一度回り始めて相当な運動量を得ると、水の供給を止めても回転が止まるまで時間がかかります。インダクタは同じ原理で機能しますが、電荷でです。

この電流の流れに対する抵抗をインダクタンスと呼びます。これは誘導される磁束と電流の比率を記述します。エレクトロニクス市場にはさまざまなタイプのインダクタがあります。それらはすべて独自の基本特性、構造、目的を持っています。

インダクタとコンデンサの違い

電源基板のコンデンサとインダクタ

インダクタとコンデンサは似た機能を果たしますが、かなり異なる働きをします。両方とも回路からエネルギーを蓄え、その後放出する受動部品です。しかし、コンデンサは電場にエネルギーを蓄えます。対照的に、インダクタは磁場にエネルギーを蓄え、それを電気エネルギーとして放出します。結果として、これは電磁誘導として知られるプロセスです。

特筆すべきは、これがインダクタの名前の由来です。それでも、一般的にコンデンサは電源などの高電圧電解アプリケーションで使用されます。

また、大容量が必要な低電圧アプリケーションや一般用途でも使用できます。一方、インダクタはラジオTVなどのACアプリケーションで使用されます。

インダクタの記号

インダクタンスの測定には、インダクタンスのSI単位であるヘンリー (H)を使用します。これは相互誘導を発見した著名な科学者ジョセフ・ヘンリーにちなんで名付けられました。それでも、インダクタのさまざまな電子記号は次のようになります：

インダクタの電気/電子記号

インダクタンスの測定方法

インダクタンスの測定方法を探る前に、インダクタンスに影響を与える要因を調べる必要があります。

インダクタンスに影響を与える要因

産業用チョークインダクタのコレクション

インダクタの電磁インダクタンスは、4つの主要な要因によって決定できます：

• コイルの巻き数 (N)
• コア材料と透磁率 (μ)
• コイルの断面積 (A)
• コイルの長さ (l)

インダクタンスは透磁率に比例します。透磁率を増やせばインダクタンスも増加します。空気芯インダクタを考えてみましょう。空気の相対透磁率は1 (μ = 1) です。これは、空気がセラミックと同様に事実上磁気特性を持たず、コイルのインダクタンスをまったく高めないためです。

より高いインダクタンスを持つインダクタが必要な場合、磁性材料または強磁性材料のコアを使用することを検討すべきです。偶然にも、磁性コアインダクタの透磁率は数百の範囲 (μ = 100+) です。

したがって、同じサイズのインダクタで著しく高いインダクタンスを提供します。これがメーカーが空気芯インダクタの製造を避ける傾向にある理由です。最高透磁率のコア材料を使えば良いと思うかもしれませんが、コア材料タイプが電力と熱効率に影響するため、そうではありません。

フェライトと金属複合材料は、導体でメーカーが一般的に使用する2種類のコアです。各材料タイプには長所と短所があります。例えば、フェライト材料は非常に高い透磁率と、与えられたパッケージサイズでの高いインダクタンス値を傾向として持ちます。

しかし、熱的不安定性がこのコア材料の選択を躊躇させる要因となる場合があります。飽和レベルを超える入力電流で動作すると、過熱と電子回路の故障につながる可能性があります。

金属複合コアは、よりソフトな飽和特性のためにより望ましい傾向があります。これがあなたの理想的なインダクタに近いかもしれません。それでも、インダクタを選択する際にはこれらの要因を考慮する必要があります。これらはインダクタの電磁特性を制御し影響を与えます。

インダクタコイルのマイクロヘンリーを計算する方法

コイルのインダクタンスを求めるには、ループの長さ(L)と直径(d)を測定し、ターン数（またはループ内のリング数）(N)を数える必要があります。次に、ターン数 (N^2) と直径 (D^2) の両方を二乗します。次に、二乗した数値を互いに掛けます。別の計算で、直径に18を掛け (18D)、それに長さに40を掛けたもの (40L) を加えます。

最初の式を2番目の式で割ります。最終的な式は次のようになります：

μH = (N^2)(D^2) ÷ (18D + 40L)

上記の計算でコイルのマイクロヘンリーがわかります。マイクロヘンリーをヘンリーに変換するには、上記の分析結果を1,000,000で割る必要があります。これは以下のためです：

• 1μH = 0.000001H
• 1H = 1000000μH

オンラインのコイルインダクタンス計算機を見つけるか、既知値のインダクタを購入して簡単にすることもできます。

直列および並列接続されたインダクタ

抵抗器とコンデンサを直列および並列に接続するように、インダクタでも同じことをしたくなるでしょう。経験則として、インダクタは抵抗器と全く同じように直列と並列で加算されます。したがって、抵抗器の直列および並列の式はインダクタにも同様です。

直列接続されたインダクタは抵抗器と同じように加算されます。直列に2つのインダクタ (L1とL2) があるとしましょう。式は次のようになります：

合計 = L1 + L2

直列接続インダクタの回路図

これは、すべてのインダクタを同じ電流が流れるため理にかなっています。したがって、電流に変化があれば、すべてのインダクタでの差は同じです。インダクタを並列接続すると、総インダクタンスは各インダクタより小さくなります。

したがって、電流が分岐するため、各インダクタは電気回路を流れる総電流量より少ない電流を経験します。したがって、磁束と電流の比率は異なります。式は次のようになります：

合計 = 1/(1/L1 + 1/L2)

並列接続インダクタの回路図

インダクタに蓄えられるエネルギー

このセクションでは、インダクタ内の電気エネルギー量の計算方法を探ります。

15A（アンペア）の電流が200mHのインダクタを流れる例を取ります。蓄えられるエネルギーは、インダクタンスの1/2に電流の二乗を掛けたものです。

式のテンプレートは次のようになります：

U = 1/2 L * I^2

この例を使って、最初にmH（ミリヘンリー）をH（ヘンリー）に変換する必要があります。そのためには、mHのインダクタンス値に10^-3を掛けます。計算と結果は次のようになります：

200mH * 10^-3 = 0.2H

ヘンリーでのインダクタンスが得られたら、磁場のエネルギーを計算できます。計算は次のようになります：

U = 1/2(0.2) * 15^2

U = 22.5ジュール

これはインダクタの磁場に蓄えられるエネルギーを計算する標準式です。

インダクタの用途

回路上のチョークとしてのインダクタ

上記セクションでインダクタの用途のいくつかを簡単に触れました。それでも、これらのアプリケーションをより詳しく見て拡張してみましょう。インダクタは以下に使用されます：

• ブーストコンバータで、直流（DC）出力電圧を上げながら電流を減らすのを助ける
• 交流電源をチョークし、直流（DC）のみを回路を通過させる
• 異なる周波数の分離
• RF回路、アナログ回路、同調回路
• モーター、トランス、リレー、および幅広いその他の電子機器とコンバータ

これらは最も一般的なインダクタ用途であり、より高周波インダクタを無線アプリケーションで使用することもできます。

まとめ

標準的なマルチメーターでインダクタンスを測定できないことを覚えておくことが重要です。しかし、内蔵RLCメーターを備えた特定モデルを見つけることはできます。しかし、それは最も正確な結果を示してくれません。インダクタンスを正しく測定するには、RLCメーターを使用する必要があります。インダクタをユニットに接続すると、値を測定するためのクイックテストが実行されます。あるいは、上記ガイドの情報を使って、自分でインダクタンスの計算方法を理解することもできます。いずれにせよ、上記のテキストがお役に立てば幸いです。いつも読んでいただきありがとうございます。