Cuộn cảm, giống như dây dẫn và điện trở, là những linh kiện đơn giản được sử dụng trong các thiết bị điện tử để thực hiện các chức năng cụ thể. Thông thường, cuộn cảm là cấu trúc giống như cuộn dây được tìm thấy trong các mạch điện tử. Cuộn dây là một dây cách điện được quấn quanh lõi trung tâm.
Cuộn cảm chủ yếu được sử dụng để giảm hoặc kiểm soát các xung điện bằng cách lưu trữ năng lượng tạm thời trong trường điện từ, sau đó giải phóng năng lượng trở lại mạch điện.
Cuộn cảm là gì?
Cuộn cảm là một thành phần thụ động được sử dụng trong hầu hết các mạch điện tử công suất để lưu trữ năng lượng dưới dạng năng lượng từ khi cấp điện vào nó. Một trong những đặc tính chính của cuộn cảm là nó cản trở hoặc chống lại bất kỳ sự thay đổi nào về cường độ dòng điện chạy qua nó. Bất cứ khi nào dòng điện chạy qua cuộn cảm thay đổi, nó sẽ nhận điện tích hoặc mất điện tích để cân bằng dòng điện chạy qua nó. Cuộn cảm còn được gọi là biến áp, lò phản ứng hoặc đơn giản là cuộn dây.
Một cuộn cảm được mô tả bởi tính chất tự cảm đặc biệt của nó, được định nghĩa là tỷ số giữa điện áp và tốc độ thay đổi của dòng điện. Độ tự cảm là kết quả của từ trường cảm ứng trên cuộn dây. Nó còn được quyết định bởi nhiều yếu tố như
- Hình dạng của cuộn dây.
- Số vòng dây và số lớp dây.
- Không gian được đưa ra giữa các lượt.
- Tính thấm của vật liệu cốt lõi.
- Kích thước của lõi.
Đơn vị của độ tự cảm trong SI là henry (H), và khi chúng ta đo mạch từ, nó tương đương với weber/ampe. Nó được ký hiệu bằng ký hiệu L.
Hơn nữa, cuộn cảm hoàn toàn khác với tụ điện. Trong trường hợp tụ điện, nó lưu trữ năng lượng dưới dạng năng lượng điện, nhưng như đã đề cập ở trên, cuộn cảm lưu trữ năng lượng dưới dạng năng lượng từ tính. Một đặc điểm chính của cuộn cảm là nó cũng thay đổi cực tính khi phóng điện. Bằng cách này, cực tính trong quá trình phóng điện có thể được thực hiện ngược lại với cực tính trong quá trình sạc. Sự phân cực của điện áp cảm ứng được giải thích rõ ràng bằng định luật Lenz.
Dưới đây là các ký hiệu của cuộn cảm:
Cấu tạo của cuộn cảm
Nếu chúng ta nhìn vào cấu tạo của một cuộn cảm, nó thường bao gồm một cuộn dây vật liệu dẫn điện (được sử dụng rộng rãi bao gồm dây đồng cách điện) được quấn quanh một lõi được làm bằng vật liệu nhựa hoặc vật liệu sắt từ. Một ưu điểm của việc sử dụng lõi sắt từ là nó có độ thấm cao, giúp tăng từ trường, đồng thời giữ nó chặt chẽ với cuộn cảm. Cuối cùng điều này dẫn đến độ tự cảm cao hơn.
Mặt khác, cuộn cảm có tần số thấp thường được chế tạo giống như máy biến áp. Chúng có lõi làm bằng thép điện được dát mỏng để giúp ngăn dòng điện xoáy. Ferrite ‘mềm’ cũng được sử dụng rộng rãi cho các lõi có tần số âm thanh cao hơn.
Cuộn cảm có nhiều hình dạng và chủng loại. Ở một số cuộn cảm, bạn sẽ tìm thấy lõi có thể điều chỉnh cho phép thay đổi độ tự cảm. Cuộn cảm được sử dụng để chặn các tần số rất cao hầu hết được chế tạo bằng cách xâu chuỗi hạt ferit trên dây.
Cuộn cảm phẳng được chế tạo bằng cách sử dụng lõi phẳng, trong khi cuộn cảm có giá trị nhỏ được chế tạo trên các mạch tích hợp sử dụng quy trình tạo kết nối. Thông thường, một dây kết nối bằng nhôm được sử dụng và cố định theo dạng cuộn xoắn ốc. Tuy nhiên, kích thước nhỏ có một số hạn chế. Họ hạn chế độ tự cảm.
Ngoài ra còn có các cuộn cảm được che chắn thường được sử dụng trong các hệ thống điều chỉnh nguồn, chiếu sáng và các hệ thống khác yêu cầu điều kiện hoạt động có độ nhiễu thấp. Những cuộn cảm này thường được che chắn một phần hoặc toàn bộ.
Các loại cuộn cảm khác nhau
Tùy thuộc vào loại vật liệu được sử dụng, cuộn cảm có thể được phân loại như sau:
- Cuộn cảm lõi sắt
- Cuộn cảm lõi không khí
- Cuộn cảm bột sắt
- Cuộn cảm lõi Ferrite, được chia thành:
- Ferrite mềm
- Ferrite cứng
Cuộn cảm lõi sắt
Đúng như tên gọi, lõi của loại cuộn cảm này được làm bằng sắt. Những cuộn cảm này là những cuộn cảm có không gian thấp, có công suất cao và giá trị điện cảm cao. Tuy nhiên, chúng bị hạn chế về công suất tần số cao. Những cuộn cảm này được sử dụng trong thiết bị âm thanh.
Cuộn cảm lõi không khí
Những cuộn cảm này được sử dụng khi lượng điện cảm cần thiết thấp. Vì không có lõi nên nó không bị mất lõi. Nhưng số vòng dây mà cuộn cảm phải có đối với loại này nhiều hơn so với cuộn cảm có lõi. Điều này dẫn đến một yếu tố chất lượng cao. Thông thường, cuộn cảm gốm thường được gọi là cuộn cảm lõi không khí.
Cuộn cảm bột sắt
Trong loại cuộn cảm này, lõi là oxit sắt. Chúng được hình thành bởi các hạt bột sắt nguyên chất rất mịn và cách điện. Từ thông cao có thể được lưu trữ trong đó do khe hở không khí. Độ thấm của lõi của loại cuộn cảm này rất ít và thường dưới 100. Chúng chủ yếu được sử dụng trong việc chuyển đổi nguồn điện.
Cuộn cảm lõi Ferrite
Trong loại cuộn cảm này, vật liệu ferit được sử dụng làm lõi. Thành phần chung của ferrit là XFe 2 O 4, trong đó X đại diện cho vật liệu chuyển tiếp. Ferrite có thể được phân thành hai loại: ferrite mềm và ferrite cứng.
- Ferrite mềm: Đây là những vật liệu có khả năng đảo ngược cực tính mà không cần bất kỳ năng lượng bên ngoài nào.
- Ferrite cứng: Đây là những nam châm vĩnh cửu, nghĩa là cực tính của chúng sẽ không thay đổi ngay cả khi loại bỏ từ trường.
Đặc tính của cuộn cảm
Cuộn cảm là một loại cuộn cảm được sử dụng chủ yếu để chặn dòng điện xoay chiều tần số cao (AC) trong mạch điện. Mặt khác, nó sẽ cho phép tín hiệu DC hoặc tần số thấp đi qua. Vì chức năng của cuộn cảm này là hạn chế sự thay đổi của dòng điện nên nó được gọi là cuộn cảm. Cuộn cảm này bao gồm một cuộn dây cách điện được quấn trên lõi từ tính. Sự khác biệt chính giữa cuộn cảm và các cuộn cảm khác là chúng không yêu cầu kỹ thuật xây dựng hệ số Q cao, nhằm mục đích giảm điện trở trong cuộn cảm trong các mạch được điều chỉnh.
Chức năng của cuộn cảm
Cuộn cảm có thể được sử dụng cho hai chức năng chính:
- Để điều khiển tín hiệu
- Để lưu trữ năng lượng.
Kiểm soát tín hiệu
Cuộn dây trong cuộn cảm có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng. Hoạt động của cuộn cảm phụ thuộc vào tần số dòng điện chạy qua nó. Nghĩa là, tín hiệu tần số cao hơn sẽ được truyền qua khó hơn và ngược lại. Chức năng này cho biết nó chặn dòng điện xoay chiều và truyền dòng điện một chiều. Do đó, nó có thể được sử dụng để chặn tín hiệu AC.
Cuộn cảm có thể được sử dụng cùng với tụ điện để tạo thành bộ lọc LC.
Lưu trữ năng lượng
Cuộn cảm lưu trữ năng lượng dưới dạng năng lượng từ tính. Cuộn dây có thể lưu trữ năng lượng điện dưới dạng năng lượng từ tính, sử dụng tính chất là dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường, từ đó tạo ra dòng điện. Nói cách khác, cuộn dây cung cấp một phương tiện lưu trữ năng lượng trên cơ sở độ tự cảm.
Cuộn cảm ở dạng song song
Nếu hai cực của một cuộn cảm được nối với hai cực của một cuộn cảm khác thì hai cuộn cảm đó được gọi là song song. Chúng ta biết rằng khi các điện trở được mắc song song thì điện trở hiệu dụng của chúng sẽ giảm. Tương tự, khi cuộn cảm được mắc song song thì độ tự cảm hiệu dụng của chúng sẽ giảm. Cuộn cảm mắc song song có phần giống với tụ điện mắc nối tiếp.
Hãy xem xét ví dụ dưới đây:
Ở đây dòng điện chạy qua mỗi cuộn cảm sẽ khác nhau. Dòng điện này phụ thuộc vào giá trị điện cảm. Tuy nhiên, điện áp trên mỗi dây dẫn sẽ giống nhau. Bằng cách sử dụng Định luật dòng điện của Kirchoff, tổng dòng điện bằng tổng dòng điện qua mỗi nhánh. Đó là,
IT = I1 + I2 +I3
Chúng ta biết rằng điện áp trên một cuộn cảm được cho bởi phương trình
V = L di / dt
Chúng tôi có thể viết,
vAB = LTổng x dlt / dt
VAB = LTổng x d (I1 + I2 + I3) / dt
Chúng ta có thể viết thêm nó như
vAB = LTổng x dl1 / dt + LTổng x dl2 / dt + LTổng x dl3 / dt
Đó là,
vAB = LTổng ( V / L1 + V / L2 + V / L3 )
Vì điện áp bằng nhau nên chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình như sau:
1 / LTổng = 1 / L1 + 1 / L2 + 1 / L3
Và đây cũng là công thức tính điện trở mắc song song.
Cuộn cảm mắc nối tiếp
Khi các cuộn cảm được nối với nhau theo một đường thẳng hoặc khi chúng được nối từ đầu đến cuối thì các cuộn cảm được cho là mắc nối tiếp. Chúng ta biết rằng khi các điện trở mắc nối tiếp thì điện trở hiệu dụng của chúng tăng lên.
Tương tự, khi cuộn cảm mắc nối tiếp thì độ tự cảm hiệu dụng của chúng tăng lên. Cuộn cảm mắc nối tiếp có phần giống với tụ điện mắc song song. Để có được tổng độ tự cảm thì rất dễ dàng. Bạn chỉ phải thêm mọi điện cảm. Nghĩa là, khi cuộn cảm được mắc nối tiếp, tổng độ tự cảm là tổng của tất cả các độ tự cảm.
Hãy xem xét kết nối dưới đây:
Ở đây, ba cuộn cảm được mắc nối tiếp. Trong trường hợp này, dòng điện chạy qua mỗi cuộn cảm là như nhau, trong khi điện áp trên mỗi cuộn cảm là khác nhau. Điện áp này phụ thuộc vào giá trị điện cảm. Bằng cách sử dụng định luật điện áp Kirchoff , tổng điện áp rơi là tổng điện áp rơi trên mỗi cuộn cảm. Đó là,
VT = V1 + V2 +V3
Chúng ta biết rằng điện áp trên một cuộn cảm được cho bởi phương trình
V = L di / dt
Vì vậy, ở đây chúng ta có thể viết,
LTổng dl / dt = L1 x dl1 / dt + L2 x dl2 / dt + L3 x dl3 / dt
Nhưng
I = I1 = I2 = I3
Vì thế,
L dl / dt = L1 x dl / dt + L2 x dl / dt + L3 x dl / dt
LTổng = L1 + L2 + L3
Năng lượng được lưu trữ trong một cuộn cảm
Khi có dòng điện chạy qua cuộn cảm thì xuất hiện một suất điện động trong cuộn cảm. Lực điện động trở lại này cản trở dòng điện chạy qua cuộn cảm. Vì vậy, để thiết lập dòng điện trong cuộn cảm, công việc phải được thực hiện để chống lại lực điện động này bằng nguồn điện áp.
Xét khoảng thời gian dt.
Trong khoảng thời gian này, công thực hiện được, dW, được tính bởi
dW = Pdt = – Eidt = iL di / dt x dt = Lidi
Để tìm tổng công việc đã thực hiện, biểu thức trên phải được tích hợp.
W = 0∫ILidi = ½ LI2
Do đó, năng lượng tích trữ trong cuộn cảm được tính theo phương trình,
W = ½ LI 2
Trở kháng của một cuộn cảm
Điện trở AC chủ yếu xác định sự đối lập của dòng điện chạy qua cuộn dây. Điện trở AC này thường được gọi là trở kháng. Trong phần này, vì chúng ta đang thảo luận về độ đối kháng do cuộn cảm tạo ra nên đây có thể được gọi là điện kháng cảm. Điện kháng cảm ứng, được ký hiệu X L, là tính chất trong mạch điện xoay chiều chống lại sự thay đổi của dòng điện.
Nó được cho bởi phương trình,
X L = V L / I L = Lω
Từ phương trình, rõ ràng phản ứng cảm ứng tỷ lệ thuận với tần số.
Biểu đồ tần số và điện kháng được đưa ra dưới đây:
Câu hỏi thường gặp về cuộn cảm
Giá trị hệ số công suất của cuộn cảm thuần túy là bao nhiêu?
Đối với cuộn cảm thuần túy, hệ số công suất bằng 0.
Tự cảm ứng là gì?
Hiện tượng suất điện động sinh ra trong cuộn dây do sự thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây được gọi là hiện tượng tự cảm.
Cảm ứng lẫn nhau là gì?
Hiện tượng trong đó sự thay đổi dòng điện trong một cuộn dây gây ra sức điện động ở một cuộn dây lân cận khác được gọi là cảm ứng lẫn nhau.
Khi nào emf được cảm ứng trong mạch?
Một emf được tạo ra trong mạch điện bất cứ khi nào có sự thay đổi của từ thông đi qua nó.
