Cuộn cảm là gì? Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng CHI TIẾT

Cuộn cảm là gì?

Theo Wikipedia, cuộn cảm hay cuộn từ, cuộn cảm từ là một loại linh kiện điện tử thụ động được tạo ra từ 1 dây dẫn được quấn thành nhiều vòng. Lõi của cuộn dẫn có thể là vật liệu dẫn từ hoặc không khí. Khi dòng điện chạy qua cuộn cảm sẽ sinh ra từ trường, cuộn cảm có độ tự cảm (tự dung) L được tính bằng đơn vị Henry (H).

Ký hiệu của cuộn cảm

Trong mạch điện, cuộn cảm sẽ có các ký hiệu khác nhau tùy thuộc vào tính chất và loại cuộn cảm đó. Cụ thể kí hiệu chi tiết trong hình dưới đây:

Ký hiệu của cuộn cảm

Cấu tạo cuộn cảm từ

Thực tế, cuộn cảm được cấu tạo khá đơn giản với 2  phần chính gồm:

• Phần dây quấn: Làm từ vật liệu có khả năng dẫn điện cao, thường là dây đồng. Kích thước, hình dáng, số vòng dây, khoảng cách giữa các vòng cuốn và chất liệu khác nhau tùy theo từng loại và nhu cầu sử dụng riêng.
• Phần lõi: Làm từ vật liệu có tính dẫn từ như sắt non, nam châm, không khí,…

Ngoài ra thì cuộn cảm cũng có thể được cấu tạo thêm 2 chân giống như tụ điện. Cuộn cảm trong mạch điện thực tế có những khác biệt so với cuộn cảm lý tưởng đó là không chỉ có thêm điện cảm mà còn điện trở và điện dung. Điện dung xuất hiện khi các cuộn dây được cuốn chặt. Khi tồn tại điện dung và điện trở thì cuộn cảm cũng bị biến đổi tần số.

Cấu tạo cuộn cảm từ

Các loại cuộn cảm phổ biến

Cuộn cảm hiện được phân loại đa dạng dựa vào nhiều tiêu chí, yếu tố khác nhau. Dưới đây là 1 số cách phân loại thiết bị này phổ biến

Theo ứng dụng

Được coi là thiết bị vô cùng quan trọng trong mạch điện, cuộn cảm có ứng dụng khác nhau sẽ được phân loại khác nhau. Cụ thể:

• Cuộn cảm cao tần
• Cuộn cảm âm tần
• Cuộn cảm dòng cung cấp điện
• Cuộn cảm nguồn
• Cuộn cảm cho mạch chung

Theo chất liệu, hình dáng

Đây là cách phân loại phổ biến được nhiều người biết đến, hình dáng và chất liệu dây dẫn quyết định đến đặc điểm, tính năng của loại cuộn cảm đó. Hiện nay có 1 số loại tiêu biểu như sau:

Cuộn cảm lõi rỗng (Air Core Inductor): Đây là loại cuộn cảm có lõi không khí với độ điện cảm thấp, có kích thước cuộn dây lớn nên có mật độ từ thông cao hơn. Loại cuộn cảm này được ứng dụng trong các máy thu, TV, radio hay các thiết bị có tần số cao,…

Cuộn cảm lõi rỗng

Cuộn cảm lõi Ferrite (Ferrite Core Inductors): Sử dụng lõi làm từ chất liệu Ferrite – 1 loại gốm oxit kim loại tạo ra từ hỗn hợp Fe2O3. Loại cuộn cảm này có độ tổn thương lõi thấp khi ở tần số cao, chi phí đầu tư thấp nên khá được ưa chuộng sử dụng.

Cuộn cảm lõi hình xuyến (Toroidal Core Inductors): Có đặc điểm ít gây rò rỉ thông lượng nhất, được dùng trong các máy cuốn riêng biệt, nguyên liệu lõi sử dụng Ferrite giúp ít gây tổn thất tối đa.

Cuộn cảm lõi hình xuyến

Cuộn cảm ống chỉ (Bobbin based Inductors): Được sử dụng chủ yếu trong các bộ nguồn chế độ chuyển đổi hay trong các ứng dụng chuyển đổi năng lượng.

Cuộn cảm nhiều lớp (Multi Layer Inductors): Gồm có nhiều lớp khác nhau với 1 lõi nhiều lớp, 1 ống dây và 1 cuộn dây được cuốn xung quanh ống dây. Trong đó, lõi sử dụng tấm hình chữ I và E làm từ chất liệu silicon cùng với thép được xử lý nhiệt có khả năng tạo tính thấm cao, giảm độ trễ và tổn thất của dòng điện.

Cuộn cảm màng mỏng (Thin Film Inductor): Thuộc dòng cuộn cảm nhỏ, được tạo nên cách xử lý màng mỏng để tạo ra cuộn cảm chip ứng dụng tần số cao hoặc trong các dao động từ vài nano Herry.

Cuộn cảm có công dụng gì?

Trong các mạch điện tử, cuộn cảm đóng nhiều vai trò quan trọng khác nhau như:

• Chặn các dòng điện cao tần trong mạch điện
• Tạo thành mạch cộng hưởng khi ghép song song hoặc nối tiếp với tụ điện
• Điều chỉnh các thiết bị vô tuyến như tivi,đài,…
• Cho dòng điện một chiều hoặc xoay chiều đi qua

Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm

Trong  phần nội dung này, AME xin cung cấp cho bạn thông tin chi tiết về nguyên lý hoạt động của cuộn cảm từ như sau:

• Trong dòng điện 1 chiều (DC): Khi tần số = 0 (cường độ và chiều dòng điện không đổi) thì cuộn cảm hoạt động như 1 điện trở có điện kháng = 0 hay cuộn dây nối đoản mạch. Khi này cuộn dân sẽ xuất hiện từ trường B với cường độ và chiều không thay đổi.
• Trong dòng điện xoay chiều (AC): Mắc cuộn cảm trong mạch điện này sẽ sinh ra từ trường B biến thiên và 1 điện trường E biến thiên vuông góc với từ trường. Tầm số của dòng điện xoay chiều sẽ ảnh hưởng đến cảm kháng của cuộn cảm.
• Cuộn cảm L có khả năng lọc nhiễu tốt trong mạch nguồn 1 chiều có lẫn các tần số khác nhau, đảm bảo tính ổn định dòng và phục vụ trong mạch lọc tần số.

Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm

Thông số kỹ thuật cơ bản của cuộn cảm

Tìm hiểu chi tiết về cuộn care, bạn cần nắm và hiểu cơ bản về các thông số của loại linh kiện này. Cụ thể có 8 phần nội dung bạn cần ghi nhớ:

Hệ số tự cảm

Đây là đại lượng biểu thị sức điện động cảm ứng của cuộn dây khi có dòng điện biến thiên đi qua. Hệ số tự cảm được tính theo công thức:

L = (µr . 4 . 3,14 . n2 . S. 10-7)/l

Trong đó:

• L: Hệ số tự cảm cuộn dây (H)
• n: Số vòng của cuộn dây
• l: Chiều dài cuộn dây (m)
• S: Tiết diện lõi
• µr: Hệ số từ thẩm của vật liệu lõi

Cảm kháng

Cảm kháng biểu thị sự cản trở dòng điện của cuộn dây đối với dòng điện xoay chiều. Cảm kháng luôn tỉ lệ thuận với tần số và hệ số tự cảm của cuộn dây, được tính theo công thức: ZL = 2π.f.L

Trong đó:

• ZL: Cảm kháng (Ω.)
• f: Tần số (Hz)
• L: Hệ số tự cảm (H)

Nếu dòng điện xoay chiều có tần số càng cao thì đi qua cuộn dây càng khó. Khi ở dòng điện 1 chiều tần số f=0 thì ZL=0

Hệ số phẩm chất

Hệ số phẩm chất biểu thị khả năng hao tổn năng lượng của cuộn cảm . Nếu cuộn cảm có chất lượng cao thì độ hao tổn năng lượng càng thấp như sử dụng chất liệu lõi từ ferit, sắt, các bon,….. Công thức tính hệ số phẩm chất như sau : Q= 2π.f.L/r

Trong đó:

• r: Điện trở thuần của cuộn dây
• f: Tần số (Hz)
• L: Hệ số tự cảm (H)

Điện dung tạp tán

Điện dung tạp tán được hình thành do các vòng dây có vỏ cách điện xếp chồng lên nhau hình thành nên các điện dung không mong muốn. Chúng có ảnh hưởng đến chất lượng của cuộn cảm đặc biệt khi sử dụng tần số cao. Khắc phục hiện tượng này bằng cách quấn cuộn dây theo kiểu tổ ong hoặc cuốn phân đoạn,…

Điện trở thuần của cuộn dây

Thông số được đo bằng đồng hồ vạn năng với, là loại điện trở hao tổn gây sinh nhiệt khi cuộn dây hoạt động. Điện trở thuần của cuộn dây nhỏ so với cảm kháng khi cuộn dây sử dụng có chất lượng tốt.

Dòng điện bão hòa

Khi tăng dòng điện qua 1 dây quấn quanh lõi sắt từ làm tăng thông lượng được tạo ra trong nó. Đến 1 thời điểm, trong lõi bão hòa và dòng điện không làm tăng thông lượng trong lõi thì nó được gọi là dòng bão hòa của cuộn cảm từ. Nếu vượt quá dòng bão hòa thì tính thấm của lõi giảm, làm giảm độ tự cảm của cuộn dây. Cuộn cảm lõi rỗng sẽ không có dòng bão hòa.

Dung kháng

Giữa các vòng dây của cuộn dây luôn tồn tại 1 điện dung (trong AC). Khi tăng tần số thì phản ứng cảm ứng tăng và phản ứng điện dung giảm nên cuộn cảm có vai trò như 1 tụ điện. Để giảm lượng điện dung này thì các vòng trong cuộn dây được đặt cách xa nhau.

Tần số cộng hưởng

Khi mắc mạch LC song song sẽ xuất  hiện điện dung giữa các vòng của cuộn dây. Khi tăng tăng tần số đến điểm phản ứng cảm ứng bằng phản ứng điện dung thì tần số này gọi là tần số cộng hưởng. Cuộn cảm có trở kháng rất cao ở tần số cộng hưởng sẽ xuất hiện dưới dạng mạch hở. Nếu tăng tần số lớn hơn tần số cộng hưởng thì sẽ làm giảm điện kháng và cuộn cảm khi này có vai trò như 1 tụ điện. Vì vậy cuộn cảm thường được sử dụng dưới tần số cộng hưởng của nó.

Thông số kỹ thuật cơ bản của cuộn cảm

Cách đọc giá trị cuộn cảm

Thông thường để biết được các giá trị chính xác của cuộn cảm thì chúng ta cần biết được cách đọc các giá trị, màu sắc được ghi trên chúng đặc biệt là các cuộn cảm có kích thước nhỏ. Hôm nay, AME sẽ hướng dẫn bạn cách đọc giá trị cuộn cảm 4 vạch màu và 5 vạch màu vô cùng dễ dàng nhanh chóng chỉ trong 1 nốt nhạc nhé!

Cuộn cảm 4 vạch màu

• Vòng màu 1: Chỉ số có nghĩa thứ nhất hoặc chấm thập phân
• Vòng màu 2: Chỉ số có nghĩa thứ hai hoặc chấm thập phân
• Vòng màu 3: Chỉ số 0 cần thân vào, đơn vị μH
• Vòng màu 4: Chỉ dung sai %

Áp dụng theo bảng màu cuộn cảm 4 vòng màu sau:

Bảng màu cuộn cảm 4 vòng

Cuộn cảm 5 vạch màu

Cuộn cảm 5 vạch màu là loại cuộn cảm có tần số vô tuyến quân sự. Trong đó:

• Vòng màu đầu tiên của chúng luôn có màu bạc cho biết ứng dụng cấp quân sự.
• Vòng màu thứ 2, và 3 chỉ các số có giá trị điện cảm
• Vòng màu thứ 4 cho biết hệ số nhân
• Vòng màu thứ 5 cho biết dung sai (loại này thường có giá trị dung sau thấp đến 1%)

Ví dụ: Đọc thông số cuộn cảm 5 vạch màu với thứ tự các màu được tin trên thân lần lượt là bạc, xanh dương, xanh lá, nâu và đỏ. Theo như bảng màu ta có:

• Vạch đôi màu bạc: Cuộn cảm sử dụng cho tần số vô tuyến quân sự
• Vạch thứ 2 màu xanh dương là 6, vạch thứ 3 màu xanh lá là 5 → 65
• Vạch thứ 4 màu nâu: Hệ số nhân 101

⇒ Cuộn cảm này có độ tự cảm danh nghĩa là: 65 x 101= 650 μH

Ứng dụng của cuộn cảm

Cuộn cảm là linh kiện được sử dụng trong các thiết bị và hệ thống mạch điện khác nhau, mang đến lợi ích tốt nhất cho con người khi sử dụng. Cuộn cảm được ứng dụng cụ thể như sau:

Trong nam châm điện

Sử dụng 1 lõi thép đơn giản được quấn bên ngoài cuộn cảm, khi cho dòng điện chạy qua thì lõi thép có tác dụng như 1 nam châm hút các vật kim loại khác nhau. Bên cạnh đó, cuộn cảm ứng dụng trong các động cơ điện, thiết bị điện từ như tivi, loa phát thanh,….

Ứng dụng của cuộn cảm trong nam châm điện

Trong Rơ le

Rơ le là thiết bị có vai trò đóng ngắt mạch điện, được cấu tạo với 1  cuộn cảm và 1 cơ cấu khí gồm 3 chân NC, NO, trung cơn. Giống như nam châm điện, rơ le cũng có tác dụng hút các kim loại khác, dòng điện có thể ngắt các điểm khác nhau trên mạch điện, giúp điều khiển thiết bị nhanh chóng, dễ dàng.

Ứng dụng của cuộn cảm trong rơ le

Trong bộ lọc thông

Cuộn cảm được ứng dụng phổ biến trong lọc các tạp âm, chúng được mắc nối tiếp với điện trở R. Mạch lọc tần số  trong bộ lọc âm thanh, âm tần như các sản loa sử dụng IC với khả năng cảm ứng điện từ để lọc các input và đưa output ra phù hợp.

Trong nguồn xung và lọc điện áp xung

Cuộn cảm ứng dụng trong các nguồn xung tăng áp haowcj nguồn xung hạ áp với chức năng cản trở dòng điện với điện trở R.

Trong máy biến áp

Trong máy biến áp, cuộn cảm gồm sợi dây sơ cấp nối với cuộn dây thứ cấp cho ra điện áp  được quấn quanh lõi biến áp. Máy biến áp có khả năng thay đổi hiệu điện thế tùy theo nhu cầu của người dùng theo phương pháp giảm số vòng dây để tăng hiệu điện thế và ngược lại. Ứng dụng cuộn cảm trong máy biến áp được lắp đặt để giảm hiệu điện thế hàng trăm kW xuống mức điện áp dân dụng.

Ứng dụng của cuộn cảm trong máy biến áp

Trong motor

Cuộn cảm từ được lắp  đặt trong động các động cơ để biến điện năng thành cơ năng. Sử dụng dây đồng quấn quanh trục của motor, dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ để tạo lực cho động cơ quay. Trong thực tế, chúng được ứng dụng trong các đèn tín hiệu giao thông.

Tóm lại, trên đây là thông tin về chi tiết cấu tạo, nguyên lý hoạt động động và công dụng của cuộn cảm. Đây là thiết bị quan trọng có tính ứng dụng cao trong lĩnh vực điện, điện tử, mang đến nhiều lợi ích cho con người. Mọi thông  tin thắc mắc quý vị hãy liên hệ ngay AME Group để được hỗ trợ tốt nhất nhé!