Cuộn cảm là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng cuộn cảm

Cuộn cảm được biết đến là một linh kiện điện tử thụ động dùng để chứa từ trường và là thiết bị điện được cấu tạo bởi một cuộn dây dẫn quấn thành nhiều vòng. Trong đó, lõi của cuộn cảm có thể là vật liệu dẫn từ hay lõi thép kỹ thuật. Một sản phẩm tuyệt vời để nâng cấp loa âm thanh, thay thế phụ tùng cho máy biến áp, Rơ le điện. Cuộn cảm giá thành phải chăng, nguyên liệu nhập khẩu.

Cuộn cảm là gì?

Cuộn cảm là một linh kiện điện tử thụ động được cấu tạo từ một dây dẫn được quấn thành nhiều vòng, lỏi của dây dẫn có thể là không khí hoặc vật liệu dẫn từ. Đặc biệt, khi dòng điện chạy qua sẽ sinh ra từ trường. Đơn vị đặc trưng của là độ tự cảm Henry, ký hiệu là H, đơn vị đo cảm ứng điện L trong cuộn H.

Cuộn cảm (hay cuộn từ, cuộn từ cảm) là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo từ một dây dẫn điện với vài vòng quấn, sinh ra từ trường khi có dòng điện chạy qua. Cuộn cảm có một độ tự cảm (hay từ dung) L đo bằng đơn vị Henry (H)

Cấu tạo & Phân loại cuộn cảm

Dựa vào cấu tạo và phạm vi ứng dụng mà người ta phân chia cuộn cảm thành những loại chính sau: cuộn cảm âm tần, cuộn cảm trung tần và cuộn cảm cao tần.

Cuộn cảm cao tần và âm tần bao gồm một số vòng dây quấn lại thành nhiều vòng, dây quấn được sơn emay cách điện. Lõi cuộn dây có thể là không khí, hoặc là vật liệu dẫn từ như Ferrite hay lõi thép kỹ thuật.

Phân loại theo hình dáng ta có loại cắm và loại dán, phân loại theo cấu tạo ta có loại có lõi và loại không lõi, phân loại theo ứng dụng ta có cuộn cảm cao tần và âm tần. Tuy có nhiều loại nhưng tất cả các loại cuộn cảm đều mang tính chất chung của cuộn dây cảm ứng điện từ.

Nguyên lý hoạt động cuộn cảm

Đối với dòng điện một chiều (DC), dòng điện có cường độ và chiều không đổi (tần số bằng 0). Cuộn dây hoạt động như một điện trở có điện kháng gần bằng không hay nói khác hơn cuộn dây nối đoản mạch. Dòng điện trên cuộn dây sinh ra một từ trường (B) có cường độ và chiều không đổi.

Khi mắc điện xoay chiều (AC) với cuộn dây, dòng điện trên cuộn dây sinh ra một từ trường (B) biến thiên và một điện trường (E) biến thiên, nhưng luôn vuông góc với từ trường. Cảm kháng của cuộn dây phụ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều.

Cuộn cảm L có đặc tính lọc nhiễu tốt cho các mạch nguồn DC có lẫn tạp nhiễu ở các tần số khác nhau tùy vào đặc tính cụ thể của từng cuộn dây, giúp ổn định dòng, ứng dụng trong các mạch lọc tần số.

Thông số kỹ thuật

Khi sử dụng cuộn cảm ta cần quan tâm đến các thông số, hệ tự cảm, nội trở cuộn dây, khả năng chịu dòng điện.

Hệ số tự cảm: là đại lượng đặc trưng của cuộn dây khi nó đáp ứng với từ trường và điện trường.Đơn vị tính là Henry, viết tắt là (H)

Nội trở của cuộn dây: là giá trị điện trở của dây dẫn tạo nên cuộn dây. Ký hiệu là ( R). Trong ngành điện tử dân dụng các cuộn dây được sử dụng thường có hệ số tự cảm nhỏ nên điện trở nội rất nhỏ. Do đó, các cuộn dây không ghi giá trị nội trở ( xem như nội trở bằng 0 ).

Khả năng chịu đựng dòng điện: Khi hoạt động sẽ có dòng điện đi qua cuộn dây. Nếu dòng điện đi qua cuộn dây quá lớn sẽ làm đứt cuộn dây nên người ta quy định dòng điện cực đại của cuộn cảm.

Hiện tượng cảm ứng điện từ – đặc trưng của cuộn cảm

Định luật Faraday: Nếu có từ thông biến thiên qua cuộn dây thì hai đầu cuộn dây sẽ sinh ra Suất điện động cảm ứng. Suất điện động cảm ứng tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông và số vòng quấn của cuộn cảm.

Các đại lượng đặc trưng của cuộn cảm

Hệ số tự cảm (định luật Faraday)

Hệ số tự cảm là đại lượng đặc trưng cho sức điện động cảm ứng của cuộn dây khi có dòng điện biến thiên chạy qua.

L = ( µr.4.3,14.n2.S.10-7 ) / l

• L : là hệ số tự cảm của cuôn dây, đơn vị là Henrry (H)
• n : là số vòng dây của cuộn dây.
• l : là chiều dài của cuộn dây tính bằng mét (m)
• S : là tiết diện của lõi, tính bằng m2
• µr : là hệ số từ thẩm của vật liệu làm lõi .

Cảm kháng

Cảm kháng của cuộn dây là đại lượng đặc trưng cho sự cản trở dòng điện của cuộn dây đối với dòng điện xoay chiều .

ZL = 2.314.f.L

• Trong đó :  ZLlà cảm kháng, đơn vị là Ω
• f : là tần số đơn vị là Hz
• L : là hệ số tự cảm , đơn vị là Henry

Điện trở thuần của cuộn dây

Điện trở thuần của cuộn dây là điện trở mà ta có thể đo được bằng đồng hồ vạn năng, thông thường cuộn dây có phẩm chất tốt thì điện trở thuần phải tương đối nhỏ so với cảm kháng, điện trở thuần còn gọi là điện trở tổn hao vì chính điện trở này sinh ra nhiệt khi cuộn dây hoạt động.

Tính chất nạp, xả của cuộn cảm

Cuộn dây nạp năng lương : Khi cho một dòng điện chạy qua cuộn dây, cuộn dây nạp một năng lượng dưới dạng từ trường được tính theo công thức

W = L.I2 / 2

• W : năng lượng ( June )
• L : Hệ số tự cảm ( H )
• I dòng điện.

Tính chất của cuộn cảm

Để hiệu rỏ về tính chất của nó, chúng ta xem sơ đồ sau đây:

Trong trường hợp đầu tiên, mở công tắc, dòng điện I đi qua cuộn dây. Lúc này, trong cuộn dây sẽ sinh ra từ trường. Khi I tăng, các đường sức từ đi qua cuộn dây được tăng lên do đó từ thông Φ cũng tăng lên. Sự biến thiên từ thông này sinh ra dòng điện cảm ứng Ic1. Dòng điện cảm ứng này sinh ra từ trường cảm ứng có xu hướng chống lại nguyên nhân sinh ra nó. Nguyên nhân sinh ra nó là sự gia tăng của từ thông Φ, do đó chiều của từ trường cảm ứng phải ngược chiều với từ trường do dòng điện I sinh ra. Áp dụng quy tắc bàn tay phải, ta có thể xác định được chiều của dòng điện cảm ứng IC1. I tăng càng lớn thì IC1 càng nhỏ. Do đó, trong mạch điện này thì dòng điện I sẽ đi qua cuộn dây rồi trở lại nguồn mà không đi qua LED cho nên đèn không sáng. Quan sát sơ đồ sau:

Tiếp theo, khi ta tắt công tắc, làm cho I giảm dẫn đến các đường sức từ qua cuộn cảm giảm. Sự biến thiên từ thông này sinh ra dòng điện cảm ứng IC2. Dòng điện cảm ứng này có chiều chống lại nguyên nhân sinh ra nó. Nguyên nhân sinh ra nó là sự sụt giảm của từ thông, do đó chiều của từ trường cảm ứng phải cùng chiều với dòng điện I sinh ra. Áp dụng quy tắc bàn tay phải ta có thể tìm được chiều của dòng điện cảm ứng IC2, đây chính là nguyên nhân làm cho LED sáng sau đó tắt.

Cách đọc giá trị cuộn cảm

Cách ghi bằng vòng màu: Cuộn dây cũng sử dụng nguyên tắc ghi, vạch màu như điện trở. Cách đọc cũng như đọc điện trở. Tuy nhiên đơn vị của nó là μH.

Cách ghi bằng chấm màu:

Công dụng của cuộn cảm

Ngày nay, cuộn cảm được ứng dụng rộng rải trong cuộc sống và có mặt hầu hết trên các mạch điện tử, thiết bị điện trong gia đình và công nghiệp.

Nam châm điện

Nam châm điện là ứng dụng đơn giản nhất của cuộn cảm, khi có dòng điện đi qua cuộn dây sẽ xuất hiện từ trường. Sử dụng 1 lỏi thép đơn giản quấn cuộn cảm bên ngoài, cung cấp dòng điện thì sau đó lỏi thép có thể hút được các kim loại khác. Nam châm điện cũng có trong các loại động cơ điện, các thiết bị trò chơi điện tử, tivi, micro, loa phát thanh.

Relay – còn được gọi là Rơ le

Được cấu tạo bởi 1 cuộn cảm và 1 cơ cấu cơ khí. Relay có 3 chân, chân NC, NO và chân trung Com. Khi dòng điện chạy qua, sẽ có từ trường được sinh ra và cuộn cảm có khả năng hút kim loại. Bình thường chân NC và chân trung sẽ thông với nhau còn chân NO và châm trung thì không thông với nhau. Khi ta cấp điện cho Relay, hai chân NC và chân trung sẽ không thông mà chân NO và chân trung sẽ thông với nhau. Dòng điện chạy qua Relay làm đóng ngắt các điểm khác nhau trên mạch điện mà dựa vào đó người ta có thể sử dụng nó để điều khiển các thiết bị khác.

Bộ lọc thông

Ứng dụng trong các bộ phân tần của loa điện, thông dụng nhất là bộ lọc thông tần thấp nhằm lọc âm thanh. Mạch điện này bao gồm một cuộn cảm L mắc nối tiếp với một điện trở R với thế nguồn dương VIN đi vào cuộn dây L và thế nguồn âm VOUT đi ra. Ta có,

XL= x L.

Trọng đó, XL là điện ứng.

L là độ tự cảm của cuộn dây.

f là số Faraday hay cảm thán.

Cảm thán của cuộn cảm thì phụ thuộc vào tần số và khi cảm thán này tiến tới vô cùng thì XL cũng tiến tới vô cùng. Khi đó dòng điện IL sẽ tiến dần về 0 và xãy ra hiện tượng hở mạch. Cuộn dây bị đứt, khi đó sẽ không có tín hiệu đi ra VOUT. Khi f tiến về 0 thì XL cũng tiến về 0, khi đó IL tiến tới vô cùng là nguyên nhân xãy ra hiện tượng ngắn mạch, tín hiệu đi vào sẽ thu được hoàn toàn ở đầu ra.

Mạch lọc tần số này là một ứng dụng trong đời sống dể thấy nhất. Nó có trong các EQ bộ lọc âm thanh, lọc âm tần cho loa dùng IC. Dùng tính năng cảm ứng điện từ để lọc các Input và đưa ra Output cho âm thanh sống động.

Nguồn xung và lọc điện áp xung

Ở ứng dụng nguồn xung thì ta có 2 loại là nguồn xung tăng áp và nguồn xung hạ áp. Nguồn xung này sẽ dùng tính năng cản trở dòng điện xoay chiều và cho qua dòng điện một chiều của cuộn cảm kết hợp với biến áp xung để hoạt động.

Giả sử ta có 1 nguồn điện 12V, làm thế nào để đưa nguồn điện này lên 100V?

Cuộn cảm sẽ giúp bạn làm việc này 1 cách dễ dàng. Nối mạch điện 12V đi qua 1 cuộn dây đồng quấn nhiều vòng, sau cuộn dây này thì ta cho đóng mở xuống đất bằng 1 công tắc. Mổi khi công tắc đóng, mạch kín làm dòng điện chạy qua, công tắc nhả ra lập tức -> cuộn dây phóng ra 1 xung điện. Đo xung điện, ta thấy biên độ xung điện lớn hơn điện áp đưa vào, thậm chí biên độ lên đến 100V. Thay đổi nhịp đóng ngắt của công tắc( thay đổi về tần số) hoặc là thay đổi độ rộng xung, khi ta cho xung điện( có thể + hoặc -, thông thường là -) đi qua Diod xung, dùng tụ lọc để lọc xung điện (+) và chỉ lấy xung điện (-). Đưa qua 1 điện trở tải, đo điện áp 2 đầu điện trở tải. Ta có thể thay đổi điện áp đầu ra của mạch bằng cách thay đổi tần số( đóng ngắt của công tắc) hoặc thay đổi điện áp hoặc thay đổi độ rộng xung.

Nguồn xung được sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị điện tử dân dụng như bếp từ, lò vi sóng, vv…

Máy biến áp

Cuộn cảm trong máy biến áp là một cuộn dây sơ cấp để đưa điện áp vào và một hay nhiều cuộn dây thứ cấp để đưa điện áp ra được quấn quanh lỏi biến áp, tương tự như trong nguồn xung, điểm khác biệt duy nhất là cuộn dây trong máy biến áp thì được quấn rất nhiều vòng. Máy biến áp thì được dùng để thay đổi hiệu điện thế, thường được gắn ở 2 đầu dây điện nhằm tăng hiệu điện thế hoặc giảm hiệu điện thế tùy theo nhu cầu đưa vào sử dụng. Muốn tăng điện thế đầu ra thì ta giảm số vòng dây đầu vào, muốn giảm điện thế đầu ra thì ra tăng số vòng dây đầu vào lên.

Máy biến áp là một thiết bị quan trọng trong sản xuất và đời sống. Ở trạm biến áp, máy biến áp là chiếc máy quan trọng nhất giúp hạ điện áp từ đường dây cao thế 500kV để đưa về đường dây trung thế dọc đường mà ta thường thấy. Ngoài ra, có những tủ điện dọc đường cũng chứa máy biến áp nhằm hạ dòng điện xuống mức người dân có thể sử dụng được. Máy biến áp còn được sử dụng trong sản xuất gia đình, công nghiệp.

Motor

Cuộn cảm sử dụng trong tất cả các loại motor AC DC, để biến đổi điện năng thành cơ năng. Sử dụng một cuộn dây đồng quấn quanh trục quay của motor, nhờ vào hiện tượng cảm ứng điện từ, khi cung cấp nguồn điện sẽ tạo ra moment giúp cho động cơ hoạt động được,  truyền từ trục quay đến các thiết bị như băng tải hay trong máy bơm nước.

Ngoài ra, cuộn cảm còn được ứng dụng để làm mạch cảm biến kiểm soát đèn giao thông, vv…