Cuộn cảm là gì? Ký hiệu, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Cuộn cảm là gì?

Cuộn cảm là gì? (What is inductor?) là một linh kiện thụ động. Đây là những cuộn dây giống như các cấu trúc mà bạn tìm thấy trong hầu hết các mạch điện tử công suất. Lý do tại sao nhiều người không hiểu cuộn cảm là vì chúng không chỉ thay đổi điện trường mà cả từ trường xung quanh nó. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm những thông tin cơ bản về cuộn cảm và một số ứng dụng của nó trong thực tế.

Cuộn cảm là gì?

Cuộn cảm có lẽ là linh kiện có cấu tạo đơn giản nhất của tất cả các linh kiện điện tử, xây dựng giống như một điện trở – một chiều dài đơn giản của dây được cuộn lên. Tuy nhiên, ở đây, trở kháng không phải là thứ mà chúng ta đang tìm kiếm. Đó là một cái gì đó xảy ra từ một cuộn dây, nó tạo ra một từ trường khi một dòng điện đi qua nó. Từ trường cảm ứng này cung cấp cho mạch một từ trường hấp dẫn.

Sự khác biệt giữa một cuộn cảm và tụ điện

Chúng ta đã tìm hiểu về các tụ điện trong bài viết trước. Và bây giờ bạn đã biết những điều cơ bản của cuộn cảm, bạn có thể nhận được một câu hỏi, sự khác biệt giữa cuộn cảm và tụ điện là gì? 

Đầu tiên, cả hai đều lưu trữ năng lượng khi một điện thế được đặt trên nó, nhưng tụ điện lưu trữ năng lượng dưới dạng điện trường và Cuộn cảm lưu trữ năng lượng dưới dạng từ tính. 

Chúng ta cần đào sâu để hiểu hơn điều đó, nhưng bây giờ bạn chỉ cần nhớ rằng Tụ điện cố gắng cấp điện áp trong mạch điện, nghĩa là nó không thích sự thay đổi điện thế trên mỗi thành phần và do đó nó sẽ sạc hoặc phóng điện để tăng cấp điện áp. Mặt khác, một cuộn cảm không thích sự thay đổi dòng điện trong mạch nên dòng điện thay đổi nó sẽ tích điện hoặc phóng điện để cân bằng dòng điện qua mạch. 

Ký hiệu của cuộn cảm

Giống như nhiều thành phần điện tử khác, biểu tượng cho một cuộn cảm là một chữ tượng hình đơn giản về những gì nó thực sự trông giống như:

Ký hiệu của cuộn cảm
Ký hiệu của cuộn cảm

Nguyên lý làm việc của cuộn cảm

Một cuộn cảm, như đã đề cập ở trên nó chỉ là một cuộn dây. Như chúng ta đã biết, bất kỳ dây dẫn mang dòng điện nào cũng tạo ra từ trường theo cách sau:

Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm

Tuy nhiên, nếu bạn cắm giá trị của dòng điện vào các công thức, thì bạn sẽ nhận ra rằng từ trường được tạo ra rất nhỏ – gần như không đáng kể, trừ khi dòng điện vô cùng lớn, theo thứ tự cực đại.

Vì vậy, để tăng từ trường được tạo bởi chiều dài cụ thể của dây dẫn, chúng ta quấn nó thành dạng cuộn dây. Điều này làm tăng từ trường, như vậy:

Hình ảnh điện từ được tạo ra trong cuộn cảm
Hình ảnh điện từ được tạo ra trong cuộn cảm

Khi một điện áp được đặt trên các cực của cuộn cảm, dòng điện sẽ tạo ra từ trường. Từ trường này một lần nữa tạo ra một dòng điện cảm ứng trong cuộn cảm có cực ngược nhau, theo định luật Lenz. Các dòng điện không triệt tiêu lẫn nhau – thay vào đó, dòng điện cảm ứng chủ động cố gắng chống lại dòng điện đến do điện áp trên cuộn cảm. Kết quả chung của trận chiến này là dòng điện qua một cuộn cảm không thể thay đổi nhanh chóng – nó luôn luôn là một độ dốc tuyến tính.

Cách đo một cuộn cảm

Chúng ta có thể thử đo cuộn cảm bằng từ trường mà chúng tạo ra. Ngay khi chúng tôi làm điều đó, chúng tôi gặp vấn đề. Từ trường được tạo ra bởi một cuộn cảm phụ thuộc vào dòng điện đi qua nó, vì vậy ngay cả một cuộn cảm nhỏ cũng có thể tạo ra một từ trường lớn.

Thay vào đó, chúng ta có thể sử dụng cùng một cách tiếp cận mà chúng ta đã sử dụng cho các tụ điện và chúng ta có thể định nghĩa độ tự cảm của mạch khi thay đổi điện áp gây ra khi dòng điện thay đổi ở một tốc độ nhất định.

Về mặt toán học,

V = L (dI / dt)

Trong đó V là điện áp, L là điện cảm, I là dòng điện và t là khoảng thời gian.

Độ tự cảm, ‘L’, được đo bằng Henry, được đặt theo tên của Joseph Henry, nhà khoa học người Mỹ đã phát hiện ra cảm ứng điện từ.

Công thức tính độ tự cảm của cuộn dây được đưa ra theo công thức này:

L =(µn2a)/l

Trong đó L là độ tự cảm trong Henry, µ là hằng số thấm, tức là một hệ số có thể tạo ra từ trường dễ dàng như thế nào trong một môi trường nhất định, n là số vòng, a là diện tích của cuộn dây và l là chiều dài của cuộn dây.

Một lần nữa, Henry là một đơn vị rất lớn, do đó, các cuộn cảm thực tế được đo bằng microHenry, uH, là một phần triệu của Henry, hay milliHenry, mH, là một phần nghìn của Henry. Đôi khi, bạn thậm chí có thể tìm thấy các cuộn cảm rất nhỏ được đo bằng nanoHenry, một phần nghìn của uH.

Các loại cuộn cảm khác nhau

Giống như đã đề cập ở trên, đôi khi từ trường được tạo ra ngay cả bởi một cuộn điện từ đôi khi không đạt yêu cầu. Đó là lý do tại sao trong hầu hết các trường hợp, bạn tìm thấy cuộn cảm được hình thành xung quanh một vật liệu cốt lõi.

Lõi là vật liệu hỗ trợ việc tạo ra từ trường. Chúng thường được làm sắt từ và các hợp chất của nó, chẳng hạn như ferrite (là một oxit của sắt). Bạn có thể nhận được một từ trường lớn hơn bằng cách sử dụng lõi hơn là không có.

1. Cuộn cảm lõi không khí

Cuộn cảm lõi không khí
Cuộn cảm lõi không khí

Giống như tên cho thấy, loại cuộn cảm này không có lõi – vật liệu cốt lõi là không khí! Vì không khí có độ thấm tương đối thấp, độ tự cảm của cuộn cảm lõi không khí khá thấp – hiếm khi trên 5uH. Vì chúng có độ tự cảm thấp, tốc độ tăng dòng điện khá nhanh đối với điện áp ứng dụng và điều đó khiến chúng có khả năng xử lý tần số cao. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các mạch RF.

2. Cuộn cảm lõi sắt

Sắt có lẽ là vật liệu từ tính dễ nhận biết nhất, làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho cuộn cảm. Chúng có dạng cuộn cảm lõi sắt. Chúng thường được sử dụng để lọc dòng tần số thấp, vì chúng khá cứng và có độ tự cảm lớn. Chúng cũng được sử dụng trong các thiết bị âm thanh.

3. Cuộn cảm lõi sắt từ

Ferrite chỉ là một loại bột oxit sắt. Bột này được trộn với nhựa epoxy và đúc để tạo thành lõi xung quanh mà dây có thể được quấn. Cuộn cảm lõi Ferrite dễ nhận biết nhất vì màu đen xám xỉn của chúng. Chúng cũng rất dễ vỡ và dễ gãy. Chúng là những loại cuộn cảm được sử dụng rộng rãi nhất, vì tính thấm có thể được kiểm soát tốt bằng cách kiểm soát tỷ lệ ferrite với epoxy trong hỗn hợp.

Cuộn cảm nối tiếp và song song

Cuộn cảm được mắc nối tiếp và song song hoạt động theo cách ngược lại với tụ điện.

Ví dụ, để tính toán độ tự cảm của một nhóm cuộn cảm nối tiếp, bạn có thể chỉ cần tổng hợp các giá trị của các cuộn cảm riêng lẻ.

L = L1  + L2 + … + Ln

Trong đó L là tổng độ tự cảm và L1, L2 thì Ln là các cuộn cảm riêng lẻ.

Giả sử bạn có hai cuộn cảm, một cuộn đo 10uH và 15uH còn lại, sau đó bằng cách đặt chúng vào chuỗi, bạn có được tổng độ tự cảm là 25uH.

Cuộn cảm song song được tính giống như điện trở song song, cuộn cảm được tính bởi:

1 / L = 1 / L1 + 1 / L2 + Sự + 1 / Ln

Trong đó L là tổng độ tự cảm và L1, L2 thì Ln là các cuộn cảm riêng lẻ.

Theo cách này nếu bạn kết nối song song hai cuộn cảm 10uH, bạn sẽ có với độ tự cảm là 5uH.

Ứng dụng cuộn cảm trong mạch điện

Đáng ngạc nhiên, cuộn cảm là khá vô dụng trong các mạch DC, vì có một dòng điện liên tục và cuộn cảm hoạt động như một dây dẫn.

Chúng được tìm thấy hầu hết các ứng dụng trong các mạch điện xoay chiều. Giống như đã đề cập ở trên, chúng có trở kháng, giúp chúng hạn chế dòng điện trong mạch điện xoay chiều, chẳng hạn như chấn lưu đèn huỳnh quang.

Chúng cũng có thể được sử dụng để lọc tín hiệu.

Trong trường hợp đầu tiên, cuộn cảm cho phép tất cả dòng điện một chiều chạy qua nó xuống đất, ngăn tất cả các tần số thấp đến đầu ra. Ở tần số cao hơn, trở kháng của cuộn cảm tăng đều đặn, do đó tín hiệu có thể truyền qua đầu ra, do đó nó được gọi là bộ lọc thông cao.

Trong trường hợp thứ hai, cuộn cảm cho phép DC và tần số thấp đi qua nhưng chặn tất cả các tần số cao từ đầu ra và do đó nó được gọi là bộ lọc thông thấp.

Cuộn cảm trong thực tế

Vì chúng được làm bằng dây đồng và ferrite, tìm thấy hầu hết các ứng dụng của chúng trong radio, nguồn cung cấp năng lượng và thiết bị viễn thông.

Trong các bộ nguồn, tính chất của một cuộn cảm để ngăn chặn sự thay đổi đột ngột của dòng điện được sử dụng. Cùng với một tụ điện, nó có tác dụng ngăn chặn sự thay đổi đột ngột của điện áp và dòng điện đầu ra.

Mạch RF sử dụng một mạch LC. Các tụ điện được tích điện và phóng điện vào cuộn cảm, tạo nên từ trường của nó. Khi từ trường sụp đổ, một điện áp được tạo ra và sạc tụ điện. Điều này tạo ra các dao động định kỳ có thể được sử dụng để tạo ra tần số cao.

Tần số có thể được tính theo công thức:

Công thức tần số cuộn cảm

Trong đó f là tần số tính bằng Hertz, L là độ tự cảm trong Henry và C là điện dung trong Farads.

Cuộn cảm là gì?  Đây là những thông tin cơ bản về loại linh kiện này và đó là tất cả những kiến ​​thức thực tế bạn sẽ cần để làm việc với cuộn cảm. Chúng thực chất là những thiết bị đơn giản và không phổ biến như họ hàng linh kiện tụ điện và điện trở, nhưng vẫn rất hữu ích.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *