インダクタとは？基本原理から特性までわかりやすく

1-1. インダクタの役割

インダクタは、基本的に以下の働きをします。

1-2. インダクタはなぜ必要？

インダクタにはノイズ除去、電源まわりなど、目的に応じたさまざまな使い方があります。主なものを以下に示します。

以上の通り、電気機器の安定動作のためにも欠かせない部品です。

1-3. インダクタとコンデンサの比較

インダクタの特徴をコンデンサと対比してまとめると下表となります。
このようにインダクタはコンデンサとは真逆な特性を示す電子部品です。

2-1. インダクタの基本構造

最も基本的なインダクタは導線をコイル状に巻いたもので、導線の両端が外部端子になっています。近年は、コアを用いてコアに導線を巻いたものが大半を占めています。

インダクタのインダクタンスは、以下の式で求められます。

この式からインダクタンスは、1)断面積Sを大きくする、2)巻数Nを増やす、3)コアを入れて透磁率µを増す、ことで大きくなることがわかります。

2-2. 回路記号の種類

インダクタの回路記号では、コア材料の有無によってその種類が示されます。以下では、コアがないインダクタとコアがあるインダクタの特徴をそれぞれ説明します。

	新記号	旧JIS記号
インダクタ(コアなし)
インダクタ(鉄系コア)
インダクタ(フェライト系コア)
トランス

インダクタ(コアなし)　

プラスチック、セラミック、空気などの非磁性体をコアとして使用するインダクタは、空芯インダクタとも呼ばれます。強磁性体コアに起因するエネルギー損失がほとんど生じないため、高周波用途に適している点が大きな特徴です。このエネルギー損失は「磁心損失」と呼ばれ、周波数が高くなるほど増加します。

インダクタ(コアあり)

鉄やフェライトなどの強磁性体をコアとして使用するインダクタは、非磁性体コアと比べて磁場（インダクタンス）を大きくするように設計されています。同様の原理はトランスにも適用され、強磁性体コアを利用することで大きなインダクタンスを得ることが可能です。

3-1. 電圧-電流の基本式

インダクタは電流変化に応じた電圧を発生する特性を持ちます。これを逆起電力と呼び、磁束変化を妨げる向きの電圧が発生します。インダクタンス（L）が大きいほど、電流変化を抑制します。誘導性リアクタンス、電圧降下の式より、直流では電圧降下が小さいですが、交流では誘導性リアクタンスが大きくなり、その結果として電圧降下も大きくなります。

3-2. 直流・交流における特性の違い

インダクタは、直流ではほぼ抵抗なしの導線として動作します(ZL=0)。交流では、周波数に応じたリアクタンスが発生します。また、インダクタのコア材によっても交流特性（周波数特性）は変化します。以下に示します。

・ケイ素鋼板
低周波領域が得意な材質です。商用周波数帯（50/60 Hz）において、電源トランス、チョークコイルなどに広く利用されます。

・パーマロイ
鉄にニッケルを加えて高透磁率材料としたものをパーマロイと呼びます。低周波信号用のトランス、チョークコイルなどに利用されます。

・ダストコア
電源ラインフィルタ、スイッチング電源の高周波平滑コイルなどに利用されます。

・フェライトコア
高周波用高透磁率材料として広く利用されます。

・空芯
コアに磁性体を使わないインダクタ。高周波回路などに利用されます。

3-3. 周波数特性とリアクタンスの関係

理想のインダクタは、周波数が高くなるにしたがって、リアクタンスが直線的に増加します。 しかし、実際のインダクタは、寄生容量により自己共振現象が発生し、それより高い周波数では、リアクタンスが低下して本来のインダクタとして機能しなくなります。

高周波ノイズ除去にはフェライトコアインダクタが有効です。フェライトコアでは、通常のコイルに比べレジスタンス（R）成分が非常に大きくなります。ただしノイズ除去の働きは、高インピーダンスによる電流制限効果よりも磁気損失によるノイズエネルギー消費効果のほうがより大きくなります。

4-1. ノイズ対策（EMC対応・コモンモードノイズ除去）

EMCとは、他の機器に電磁妨害を与えず、かつ他の機器から電磁妨害を受けても本来の性能を維持することを意味し、電磁両立性と呼ばれています。インダクタにより、電源ラインや信号ラインに混入するノイズを抑制し、ノイズ耐量を向上させることによりEMCに対応します。

コモンモードチョークコイルはコモンモードの不要な高周波ノイズのみを除去します。高速差動伝送では、ディファレンシャルモードである高速信号に影響を与えることなくコモンモードノイズを効果的に除去できます。ディファレンシャルモードの通過帯域を広くすると、高速データ通信における高い信号品質と正常動作を確保できます。

フェライトの中にリードを通したものをフェライトビーズといいます。高周波領域では電流のエネルギーがフェライトにおける損失となって失われるため、ノイズを効果的に吸収できます。チップフェライトビーズは積み重ねでインダクタ構造を構成しています。用途に応じて最適なインピーダンスカーブを選べるのが大きな特長で、さまざまな部品が用意されています。

4-2. 電源回路（チョークコイル・DC-DCコンバータ）

インダクタはチョークコイルとしてリップルノイズの低減や平滑化を行うため、電源回路や通信機器でよく利用されます。チョークコイルとは、特定の周波数範囲の信号をブロックまたはフィルタリングするために使用される部品です。直流や低周波交流回路といった低周波回路で主に利用されます。

DC-DCコンバータ（昇圧・降圧回路）においては、インダクタはエネルギー貯蔵と変換を担います。ある範囲の入力電圧を一定の出力電圧に変換する回路をDC-DCコンバータと呼びます。

低損失・高効率な電源設計のためにも、インダクタの特性は重要です。電力損失が大きいと、高熱の発生、電力損失によるコスト上昇、バッテリの消耗が早くなるなど、製品全体の品質低下の大きな要因が発生します。よって、負荷の継続的な大電流に対応し、低抵抗によって電力損失を最小化（＝高効率化）することがインダクタには求められます。