Cuộn cảm là gì? Đây là một trong những linh kiện điện tử thông dụng và phổ biến nhất trong lĩnh vực vật lý điện học. Liệu bạn có biết tác dụng và ứng dụng của loại linh kiện này trong đời sống hàng ngày? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu cuộn cảm là gì trong bài viết dưới đây nhé!
Contents
Cuộn cảm là gì?
Cuộn cảm là một thành phần điện thụ động bao gồm một cuộn dây được thiết kế để tận dụng mối quan hệ giữa từ trường và điện do dòng điện đi qua cuộn dây. Tạo thành một cuộn dây thành một cuộn cảm dẫn đến một từ trường mạnh hơn nhiều so với một từ trường sẽ được tạo ra bởi một cuộn dây đơn giản.
Khi dòng điện chạy qua một dây dẫn, một từ thông được hình thành xung quanh dây dẫn đó. Ảnh hưởng này tạo ra mối quan hệ giữa hướng của từ thông quay quanh dây dẫn và hướng của dòng điện chạy qua cùng dây dẫn. Điều này dẫn đến mối quan hệ giữa hướng dòng điện và từ thông được gọi là “Quy tắc Bàn tay Phải của Fleming”.
Cấu tạo của cuộn cảm
Một cuộn cảm có cấu tạo gồm: khung, cuộn dây, lõi từ tính, lõi sắt, vỏ bọc và một gói
Khung
Hầu hết các dây tráng men của cuộn cảm cố định hoặc điều chỉnh được, được quấn trên khung. Sau đó, lõi được lắp vào bên trong khoang của khung để tăng các cuộn cảm.
Khung có thể được làm bằng nhựa, gốm và có thể được tạo thành từ các hình dạng khác nhau tuỳ theo nhu cầu thực tế. Cuộn cảm nhỏ (cuộn cảm mã màu) không có khung xương mà được dây tráng men quán trực tiếp trên lõi từ.
Đối với cuộn cảm lõi không khí, không có lõi từ, khung và vỏ bọc, dây sẽ được quấn quanh khuôn, sau đó sẽ tháo khuôn ra và giữ lại khoảng cách nhất định giữa các cuộn.
Cuộn dây
Dây quấn với các chức năng xác định, là thành phần cơ bản của cuộn cảm. Dây quấn được chia thành 2 loại đó là 1 lớp và nhiều lớp, trong đó, có thể chia nhỏ thành dây quấn dày đặc và dây quấn không gian.
Trong khi dây quấn nhiều lớp có thể được chia nhỏ hơn thành dây quấn phẳng, dây quấn ngẫu nhiên và dây quấn tổ ong.
Lõi từ và thanh từ tính
Lõi từ và thanh từ tính thường được làm từ chất liệu Ni – ZN, và Ferit Mn – Zn, thường có dạng hình trụ, nắp hoặc lon.
Vỏ bọc
Để ngăn từ trường do một số cuộn cảm tạo ra ảnh hưởng đến hoạt động của các mạch và linh kiện khác, người ta thường lắp thêm một tấm che bằng kim loại, chẳng hạn như cuộn dây dao động của đài bán dẫn.
Việc sử dụng vỏ chắn sẽ làm tăng sự hao tổn của cuộn dây và làm giảm giá trị Q.
Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm là gì?
Dòng điện i chạy qua cuộn cảm tạo ra từ thông tỉ lệ thuận với nó. Nhưng không giống như Tụ điện phản đối sự thay đổi điện áp trên các bản của chúng, một cuộn cảm phản đối tốc độ thay đổi của dòng điện chạy qua nó do sự tích tụ năng lượng tự cảm ứng trong từ trường của nó.
Nói cách khác, cuộn cảm kháng hoặc chống lại sự thay đổi của dòng điện nhưng sẽ dễ dàng vượt qua dòng điện một chiều ở trạng thái ổn định. Khả năng này của một cuộn cảm để chống lại sự thay đổi của dòng điện và cũng liên hệ giữa dòng điện, i với liên kết từ thông của nó, NΦ như một hằng số tỷ lệ được gọi là Độ tự cảm được ký hiệu L với đơn vị là Henry, ( H ) sau Joseph Henry.
Bởi vì Henry là một đơn vị điện cảm tương đối lớn theo đúng nghĩa của nó, đối với các đơn vị con của cuộn cảm nhỏ hơn của Henry được sử dụng để biểu thị giá trị của nó.
Cuộn cảm gồm những loại nào?
Cuộn cảm có nhiều hình dạng khác nhau và có các công dụng khác nhau. Kích thước của chúng khác nhau tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng để sản xuất chúng. Sự phân loại chính được thực hiện như cuộn cảm cố định và biến đổi. Một cuộn cảm của một vài Henry có thể có hình quả tạ với kích thước của một điện trở đơn giản. Một cuộn cảm cố định luôn có màu bạc là màu đầu tiên của nó trong bảng mã màu.
Lõi của cuộn cảm là của nó. Có nhiều loại Cuộn cảm tùy theo vật liệu lõi được sử dụng. Hãy để chúng tôi xem xét một vài trong số họ.
Cuộn cảm lõi không khí
Cuộn cảm lõi gốm được gọi là ” cuộn cảm lõi không khí “. Gốm là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho lõi cuộn cảm. Gốm có đồng hiệu suất giãn nở nhiệt rất thấp, do đó, trong một phạm vi nhiệt độ hoạt động, độ ổn định điện cảm của cuộn cảm vẫn cao. Vì gốm không có đặc tính từ tính, nên không có sự gia tăng giá trị độ thẩm thấu do vật liệu làm lõi.
Mục đích chính của cuộn cảm lõi không khí là tạo ra một hình thức cho cuộn dây. Trong một số trường hợp, nó cũng sẽ cung cấp định dạng cố định để giữ các thiết bị đầu cuối tại chỗ. Ưu điểm chính của các cuộn cảm này là tổn hao lõi rất thấp, hệ số chất lượng cao. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng tần số cao, nơi yêu cầu giá trị điện cảm thấp.
Cuộn cảm lõi sắt
Ở những nơi cần cuộn cảm không gian thấp thì những cuộn cảm lõi sắt này là lựa chọn tốt nhất. Những điều này được áp dụng trong các thiết bị âm thanh. Khi so sánh với các chỉ số cốt lõi khác, chúng có ứng dụng rất hạn chế.
Cuộn cảm lõi Ferrite
Ferit còn được gọi là vật liệu sắt từ. Chúng thể hiện tính chất từ tính. Chúng bao gồm hỗn hợp oxit kim loại của sắt và các nguyên tố khác để tạo thành cấu trúc tinh thể. Thành phần chung của sắt là XFe 2 O 4 . Trong đó X đại diện cho các vật liệu chuyển tiếp. Chủ yếu các tổ hợp vật liệu dễ từ hóa được sử dụng như mangan và kẽm (MnZn), niken và kẽm (niZn).
Ferit chủ yếu có hai loại là sắt mềm và sắt cứng. Chúng được phân loại theo lực kháng từ. Lực hấp dẫn là cường độ từ trường cần thiết để khử từ vật liệu sắt từ từ trạng thái bão hòa hoàn toàn về không.
Ferit mềm
Những vật liệu này sẽ có khả năng đảo ngược cực từ hóa của chúng mà không cần bất kỳ lượng năng lượng cụ thể nào cần thiết để đảo ngược cực từ.
Ferit cứng
Chúng còn được gọi là nam châm vĩnh cửu. Chúng sẽ giữ cực tính của từ hóa ngay cả sau khi loại bỏ từ trường.
Cuộn cảm lõi Ferit sẽ giúp cải thiện hiệu suất của cuộn cảm bằng cách tăng độ từ thẩm của cuộn dây dẫn đến tăng giá trị của điện cảm. Mức độ thẩm thấu của lõi ferit được sử dụng trong các cuộn cảm sẽ phụ thuộc vào vật liệu ferit. Mức độ thấm này dao động từ 20 đến 15.000 tùy theo vật liệu của ferit. Do đó điện cảm với lõi ferit rất cao khi so sánh với cuộn cảm với lõi không khí.
Cuộn cảm bột sắt
Chúng được hình thành từ các hạt rất mịn với các hạt cách điện bằng bột sắt có độ tinh khiết cao. Loại cuộn cảm này chỉ chứa gần 100% sắt. Nó mang lại cho chúng ta một lõi trông rắn chắc khi sắt này được nén dưới áp suất rất cao và trộn với chất kết dính như epoxy hoặc phenolic. Bằng cách hoạt động này, bột sắt hình thành giống như một cấu trúc rắn từ tính bao gồm các khe hở không khí được phân bố.
Do khe hở không khí này, nó có khả năng lưu trữ từ thông cao khi so sánh với lõi ferit. Đặc tính này cho phép mức dòng điện một chiều cao hơn chạy qua cuộn cảm trước khi cuộn cảm bão hòa. Điều này dẫn đến giảm khả năng thẩm thấu của lõi.
Phần lớn độ thấm ban đầu chỉ dưới 100. Do đó, những cuộn cảm này có độ ổn định đồng hiệu quả ở nhiệt độ cao. Chúng chủ yếu được áp dụng trong việc chuyển đổi nguồn điện.
Cuộn cảm lõi nhiều lớp
Những vật liệu cốt lõi này được hình thành bằng cách sắp xếp nhiều lớp phủ chồng lên nhau. Từ các vật liệu khác nhau và có độ dày khác nhau đã tạo nên một lớp phủ vôc ùng cứng cáp, mang đến sự linh hoạt cho kết cấu của cuộn cảm.
Chúng được bố trí song song với trường để tránh tổn thất dòng điện xoáy giữa các lớp, do đó thường được sử dụng trong máy dò tần số thấp. Nhờ mức công suất cao vì vậy, chúng chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị lọc công suất cho tần số kích thích trên vài KHz.
Cuộn cảm dựa trên suốt chỉ
Cuộn cảm này chủ yếu được sử dụng để gắn trên bảng mạch in.
Nó bao gồm hai loại đạo trình đó là đạo trình hướng trục và đạo trình hướng tâm. Dây dẫn hướng trục có nghĩa là dây dẫn ra từ cả hai mặt của lõi để gắn ngang trên bo mạch PC. Dây dẫn hướng tâm có nghĩa là dây dẫn ra từ cả hai mặt của lõi để gắn thẳng đứng trên bo mạch PC.
Cuộn cảm hình xuyến
Chúng thường được tạo thành từ các vật liệu khác nhau như ferit, sắt bột và cuộn băng, v.v … Cuộn cảm này có kết quả ghép nối cao giữa cuộn dây và bão hòa sớm.
Sự sắp xếp của nó cho phép suy giảm từ thông tối thiểu, giúp tránh ghép từ thông với các thiết bị khác. Nó có hiệu suất truyền năng lượng cao và giá trị điện cảm cao ở các ứng dụng tần số thấp. Các cuộn cảm này chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị y tế, bộ điều chỉnh chuyển mạch, máy điều hòa không khí, tủ lạnh, viễn thông và nhạc cụ, v.v.
Cuộn cảm gốm nhiều lớp
Bản thân cái tên của cuộn cảm đã chỉ ra rằng nó bao gồm nhiều lớp. Nó được tạo ra bằng cách thêm các lớp dây cuộn bổ sung được quấn quanh lõi trung tâm vào cuộn cảm sẽ tạo ra cuộn cảm nhiều lớp. Nói chung, đối với số vòng dây nhiều hơn thì độ tự cảm cũng nhiều hơn.
Trong cuộn cảm nhiều lớp này không những cảm kháng của cuộn cảm tăng mà điện dung giữa các dây dẫn cũng tăng theo. Ưu điểm nhất của các cuộn cảm này là bằng cách cung cấp tần số hoạt động thấp hơn, chúng tôi cũng có thể nhận được kết quả điện cảm cao hơn.
Chúng có các ứng dụng ở tần số cao để khử nhiễu, trong các mô-đun xử lý tín hiệu như mạng LAN không dây, Bluetooth, v.v. Chúng cũng được sử dụng tại các hệ thống thông tin di động.
Cuộn cảm biến
Cuộn cảm biến được hình thành bằng cách di chuyển lõi từ trong và ngoài của các cuộn dây cuộn cảm. Bằng lõi từ này chúng ta có thể điều chỉnh giá trị điện cảm. Khi chúng ta xem xét một cuộn cảm lõi ferrite, bằng cách di chuyển lõi của nó bên trong và bên ngoài mà cuộn dây bị thương, có thể hình thành cuộn cảm lõi ferrite thay đổi.
Loại cuộn cảm này được sử dụng trong các ứng dụng vô tuyến và tần số cao, nơi cần điều chỉnh. Các cuộn cảm này thường nằm trong khoảng từ 10 μH đến 100 μH và ngày nay chúng nằm trong khoảng từ 10nH đến 100 mH.
Cuộn cảm được ghép nối
Hai dây dẫn được nối bằng cảm ứng điện từ thường được gọi là cuộn cảm ghép. Chúng ta có thể thấy rằng bất cứ khi nào dòng điện xoay chiều chạy trong một cuộn cảm tạo ra điện áp trong cuộn cảm thứ hai sẽ cho chúng ta hiện tượng tự cảm lẫn nhau.
Các cuộn cảm được ghép nối sẽ chỉ hoạt động trên hiện tượng này. Chúng có thể cách ly hai mạch về mặt điện bằng cách chuyển trở kháng qua mạch. Máy biến áp là một trong những loại cuộn cảm được ghép nối.
Cuộn cảm đúc
Các cuộn cảm này được đúc bằng chất cách điện bằng nhựa hoặc gốm. Chúng thường có sẵn ở dạng thanh và hình trụ với nhiều tùy chọn cuộn dây.
Cuộn cảm có công dụng gì?
Nhờ đặc tính lọc nhiễu tốt, cuộn cảm được sử dụng để lọc nhiễu cho các mạch nguồn điện xoay chiều vốn đang bị lẫn tạp nhiễu ở nhiều tần số khác nhau. Nhờ khả năng này mà cuộn cảm giúp các mạch điện ổn định không gặp phải sự cố.
Ứng dụng của cuộn cảm là gì?
- Cuộn cảm được sử dụng nhiều trong các mạch tương tự và xử lý tín hiệu. Các ứng dụng bao gồm từ việc sử dụng cuộn cảm lớn trong bộ nguồn, kết hợp với tụ lọc loại bỏ gợn sóng là bội số của tần số nguồn (hoặc tần số chuyển đổi cho bộ nguồn chế độ chuyển mạch) từ đầu ra dòng điện một chiều đến điện cảm nhỏ hạt ferit hoặc hình xuyến được lắp xung quanh cáp để ngăn nhiễu tần số vô tuyến truyền xuống dây.
- Cuộn cảm được sử dụng làm thiết bị lưu trữ năng lượng trong nhiều bộ nguồn chế độ chuyển mạch để tạo ra dòng điện một chiều. Cuộn cảm cung cấp năng lượng cho mạch điện để giữ cho dòng điện chạy trong thời gian chuyển mạch “tắt” và cho phép tạo ra các cấu trúc có điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào.
- Một mạch điều chỉnh, gồm một cuộn cảm được nối với một tụ điện , đóng vai trò như một bộ cộng hưởng cho dòng điện dao động. Các mạch điều chỉnh được sử dụng rộng rãi trong thiết bị tần số vô tuyến như máy phát và máy thu vô tuyến, làm bộ lọc thông dải hẹp để chọn một tần số từ tín hiệu tổng hợp và trong bộ dao động điện tử để tạo tín hiệu hình sin.
- Hai (hoặc nhiều hơn) cuộn cảm ở gần nhau có từ thông ghép nối (cảm kháng lẫn nhau) tạo thành một máy biến áp , là thành phần cơ bản của mọi lưới điện cung cấp điện. Hiệu suất của máy biến áp có thể giảm khi tần số tăng lên do dòng điện xoáy trong vật liệu lõi và hiệu ứng da trên các cuộn dây. Kích thước của lõi có thể được giảm ở tần số cao hơn. Vì lý do này, máy bay sử dụng dòng điện xoay chiều 400 hertz thay vì 50 hoặc 60 hertz thông thường, cho phép tiết kiệm đáng kể trọng lượng từ việc sử dụng các máy biến áp nhỏ hơn. Máy biến áp kích hoạt nguồn điện ở chế độ chuyển mạch cách ly đầu ra với đầu vào.
- Cuộn cảm cũng được sử dụng trong hệ thống truyền tải điện, nơi chúng được sử dụng để hạn chế dòng đóng cắt và dòng sự cố . Trong lĩnh vực này, chúng thường được gọi là lò phản ứng.
- Các chất tự cảm có tác dụng ký sinh khiến chúng rời khỏi hành vi lý tưởng. Chúng tạo ra và bị nhiễu điện từ (EMI). Kích thước vật lý của chúng khiến chúng không được tích hợp trên chip bán dẫn. Vì vậy việc sử dụng cuộn cảm ngày càng giảm trong các thiết bị điện tử hiện đại, cụ thể là các thiết bị cầm tay nhỏ gọn. Các cuộn cảm thực ngày càng được thay thế bằng các mạch tích cực như con quay hồi chuyển có thể tổng hợp độ tự cảm bằng cách sử dụng tụ điện.
Hy vọng bài viết trên đây của chúng tôi đã giúp bạn hiểu rõ hơn cuộn cảm là gì? Nếu bạn muốn đọc thêm những thông tin về các linh kiện điện hay các kiến thức vật lý, đừng quên theo dõi kienthucmaymoc.com để cập nhật thêm những bài viết mới mỗi ngày nhé!
