有趣的扼流圈

在无线电的各种线路里，我们时常看见绕在管子上，像许多层蜘蛛网似的叠在一起的一种线圈，那就是“高频扼流圈”；还有一种表面看起来很像变压器，但是只有两个线头接出来的一种零件，实际里面也是绕在铁心上的一个线圈，叫做“低频扼流圈”（图1甲、乙）。线圈这东西我们早就谈过，“扼流圈”虽也是线圈，但它的某些有趣的性质要用串、并联谐振回路的原理才能说明。

扼流圈的主要作用，说起来很简单。拿一部收音机来说，里面有直流线路，还有高频、音频和交流线路。当我们希望把直流隔断而让高频、音频或交流通过时，通常就用电容器；相反的，当我们要让直流通过，而把高频、音频或交流隔断时，通常就用扼流圈。

我们早就晓得任何线圈，都有频率愈高感抗愈大的特性；要一个线圈起扼流圈的作用，好像尽量紧紧的多绕许多圈，把它的电感量提高，就很容易做到。但是频率高了，就会产生新的问题，举例来说，这时线圈的作用，在某些方面就可能变得和电容器相似（图2）。所以我们使用扼流圈，一般在5000周以上就需要注意到它的特性的变化。否则，依靠它来隔断高频率的电流，往往是会误事的。

为什么一个线圈的性能和作用会随频率而改变呢？这是一个很有趣的问题。为了说明这一问题，我们还要先介绍一个新的名词——“分布电容量”，了解它所指的是什么东西。

任何一个线圈，它的每一圈实际上都是和相邻的圈彼此串连起来的，电流要一圈又一圈地流过去，显然每一圈对电流都有感抗作用，有电流通过电抗，所以在每圈线上便产生电压降，这和有电流通过一个电阻，在电阻两端一定产生电压降的道理是一样的。同时，这样相邻的有电位差的两圈金属线，又可以说是相互隔开的，它们中间隔着绝缘材料和空气，这和一个电容器的两块金属片相对放着的情形，并没有什么两样（图3）。也就是说，线圈上是有“分布电容量”存在的。从一圈线到另一圈线，通过中间的连接线是一条路，这是有电感作用的路线；而通过中间的绝缘物和空气是另一条路，这是有电容作用的路线。这两条路是相互平行的。所以严格地说，一个线圈并不只是一个线圈，它实际是—L—C并联回路的复杂组合，也像并联谐振回路一样，它的阻抗会随频率变化。

一个普通并联谐振回路，在谐振时等于是一个很高电阻，使谐振频率的电流很难通过去；但频率稍高或稍低，例如改变百分之十，就很容易通过去。但我们使用扼流圈，却要它在很大的频率范围内（至少百分之二十五）都有很大的阻抗，不让这频率范围的交流电流通过去。可见要做成一个满意的扼流圈，并不是十分简单的事。不过，我们应用并联谐振回路\(\frac{L}{C}\)比值愈大，选择性愈差，即愈可以在宽频带内工作的原理，不难了解一个感应量大而分布电容量最小的扼流圈，是最有条件完成它的任务的扼流圈。

一个普通的并联谐振回路，在谐振频率它是电阻性质的；对低于谐振的频率，它是电感性质的，而对高于谐振的频率，它又是电容性质的。同样，扼流圈在线路里，有时也会相当于一个很大的电阻、容抗或感抗，照说，只要它始终是一个很大的电抗或电阻，就可以应用。但在某些具体用途上，它的电抗性质的变化（例如由感抗变为容抗）是不许可的，例如在图4的振荡器的屏极回路里，理论上可以证明它必须是感抗性质的，否则，变为容抗或电阻性质，就会破坏振荡。在其他一般用途上，也都是希望它始终有一个很大的感抗。换句话说，扼流圈的并联谐振频率，应当高到在整个使用频带之上。可是谐振频率决定于LC的乘积，LC的乘积愈大，谐振频率就愈降低。一方面如上所述，它的感应量L应当要大，而另一方面，为了保持它有适当高的谐振频率，L又不能无限制的大。这样，就更要求分布电容量应当尽量的小。

自然，分布电容量小还有很多好处。例如发信机里随便用一个设计不好的扼流圈，在换频率时往往把它烧掉，这是因为不当心调到扼流圈并联谐振的频率时，它的分布电容量大、所以充、放电电流也大，经过线圈就容易烧毁（图5），如果分布电容量小，就可以免除这种意外的损失。现在，我们已经把扼流圈的主要问题——分布电容量愈小愈好——提出来了，但是，一个看起来很简单的扼流圈，还有着更多的值得我们来谈谈的问题。

从扼流圈有分布电容量的道理来看，我们很容易把一个扼流圈看成是一条很长的馈电线，就像我们过去谈天线时所说的那种馈电线一样。因为馈电线上一有电流通过，就在线的周围产生磁场，这和线圈里一通电流就有磁场的作用是相同的，所以我们可以把一段段的线想像成为一些很小的电感量，它们对电流流过也有感抗作用，因此在每一小段线上也有电压降，换句话说，在一根长线各点上的电位是到处变化着的。因此这根长线上各点对电位不变的大地来说，也都有分布电容量（图6）。总起来看，一根长馈线和一个扼流圈，除了形状不同外，它们在电路里的作用是十分相似的。

我们记得，在这样的长馈线上，往往会出现电流的驻波，有波峰和波谷，在波峰处电流最大，在波谷处电流最小（图7）。如果电流的频率改变，波峰和波谷的位置就跟着改变。设改变频率的结果，波峰出现在线的始端（电流开始流进线去的一端），那末整个线就像串联谐振回路一样，因为电流最大；相反的，如果波谷出现在始端，整个线就像并联谐振回路一样，因为电流最小。在很宽的频率范围内，一条长线就会有时相当于串联谐振回路，有时又相当于并联谐振回路。工作在很宽频率范围内的扼流圈，性质也是一样。我们绝对不能容许一个扼流圈，变成为一个串联谐振回路，否则，它会很容易让电流通过，丝毫不起扼流的作用。但是我们不能免除一个扼流圈所固有的这种类似长线的性质，惟一的办法，就是使串联谐振现象的不良影响减到极小的程度。显然，这时把扼流圈当为一个串联谐振回路来看，如果它的L/C比值大，也就是选择性强，就可以大大地减少接近串联谐振状态的范围和它的不良影响。结果，从长线 比喻来分析，一个扼流圈也应当是L/C大，也就是使L尽量大，而分布电容量C尽量小。这样，由于选择性强，接近串联谐振状态所占的频带范围窄，相对的就是凡是L／C比值大的扼流圈可以使用的频带范围宽。

根据以上的分析，我们保持扼流圈的分布电容量小所得到的好处是：（1）工作频带宽，（2）工作阻抗高，（3）意外烧毁的可能性少，（4）偶然变成短路的机会小。可是，线圈的圈数和L加多，它的分布电容量C也会随着增大，而我们现在所需要的是L大C小，要L大容易，但同时要C小就比较难。请看下面我们解决这个基本矛盾的方法。

我们绕扼流圈，必须做到使它的电感量大，分布电容量小，其谐振频率恰好在工作频率范围之上，而所用的线够粗，通过一定直流电流时不致发热。因为它的谐振频率有限制，所以分布电容量愈小，电感量才能够绕得愈大。可以有多层或单层，一节或多节几种不同的绕法。单层多节的绕法占的位置大，一般只用在短波发信机里，多层一节或多节的绕法，应用最普遍。由于分布电容量是线圈相互贴近的结果，把单层线圈的圈间距离拉开，甚至再把线圈分成几节，将一节和另一节拉开，便可以减低C。此外，相邻的线圈上如果电位差大，线圈之间的分布电容量影响也大。多层的线圈如果系由左到右绕第一层，再由右到左绕第二层（图8），那末第1圈和第几十圈就可能相邻近，它们中间隔着几十圈，电流在这几十圈上产生了相当大的电压，因此它们之间的电容量相当大。为了免除各电位差较大的两线圈相互贴近，可以用图9的绕法，但由于这种线圈只能用人工绕制，占的位置也比较大。还有一种所谓“通用绕组式”如图10它的优点是可以用机器绕，绕得很紧，所占地位小，可以大量生产而L、C的值能保持误差不大；其绕线的特点是上下层的相邻各圈是相互交叉的而不是全面 贴近的，因此大大地减小了分布电容量。现在普通收音机里的高频和中频扼流圈，以及频率不高的发射机里的扼流圈，多数是使用这种通用绕组式扼流圈。它的电感一般可以达到几百毫亨。不过，多层线圈尽管绕法十分巧妙，如果直径相同，它的分布电容量总比单层线圈的大。

在频率较低的发射机里（例如广播发射机），由于扼流圈所需的LC乘积大，C既要小，L必须很大，如果发射机的电力大，那末扼流圈里的直流电流大，线又要相当粗，将使一个扼流圈的尺寸太大，无法绕成。所以又有一种多层扼流圈分节绕成的方法（图11）。这种扼流圈的总分布电容量，是由每节的分布电容量串联组成，所以比较任何一节的都要小些，而它的总电感量是由每节的电感量串联组成，所以比任何一节都要大些。总起来有它的串联谐振频率，应当避开，至于每节的串联谐振频率可以相互搓开，起相互照顾的作用。

同样道理，在频率较高时，可以用绕法逐渐由密绕变为疏绕的扼流圈，等于有许多节大小不同的扼流圈串联，相互照顾，绕得稀的部分在较高频率起作用，绕得密的部分在较低频率起作用，因此应用频带可以特别宽（图12)。

用在音频线路里的扼流圈（13），同样要在一个很宽的音频带都起作用，所以它的L要足够大。如果它的C也大，则LC乘积大，而谐振频率低，只宜于在低音频带工作。因此需要把线圈绕在良好的铁心材料上，使线圈尽可能减少，而L足够大，但线圈间的分布电容量C则尽可能减小。同时，还要避免铁心因直流过大而达到饱和状态，因为饱和后电流再有变动，磁力线不会变动，因此对交流电流没有电感量，不起扼流圈的作用。

用作直流电源滤波器的扼流圈（图14），它的工作频率上限一般是100—200周，所以C大些并不重要。通常这种扼流圈里的直流较大，线也较粗，不是为了减低C，而是为了在最小的容积内绕尽可能少的圈数，而得到足够大的L，所以采用矽钢片的铁心。这种扼流圈，从技术角度来看，应当是最容易做得好的扼流圈。

扼流圈，从上面的一些简单分析，可见它却实是一样有趣的东西，可是它在我们心目中，现在已经不只是一个“线圈”吧了，它的任务绝不是任意绕成的一个线圈所能够完成的。（沈肇熙）