Cuộn cảm là gì? Tầm quan trọng của cuộn cảm trong thiết bị công nghiệp

Ứng dụng cuộn cảm trong nhiều thiết bị

Một trong những linh kiện điện tử công suất ít được biết đến nhất là cuộn cảm: các cấu trúc giống như cuộn dây mà bạn tìm thấy trong hầu hết các mạch điện. Cuộn cảm là linh kiện điện tử có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của máy biến áp và các mạch điện tử công suất khác trong rất nhiều thiết bị máy móc quanh chúng ta.

Bài viết này, chúng ta cùng nhau ôn lại và đi sâu vào tìm hiểu về cuộn cảm nhé!

Cuộn cảm là gì

Cuộn cảm là gì? Cuộn cảm có thể nói là linh kiện đơn giản nhất trong tất cả các linh kiện điện tử. Nó là một thành phần điện hai cực thụ động lưu trữ năng lượng trong từ trường khi dòng điện chạy qua nó. Thông thường, một cuộn cảm sẽ bao gồm một dây cách điện được quấn thành một cuộn dây, giống như một điện trở.

Cuộn cảm là gì
Cuộn cảm là gì

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây thay đổi, từ trường biến thiên theo thời gian tạo ra điện áp trong dây dẫn có cực tính chống lại sự thay đổi dòng điện tạo ra nó. Như vậy, cuộn cảm chống lại bất kỳ thay đổi nào của dòng điện đi qua chúng.

Từ trường cảm ứng cũng tạo ra một tính chất điện được gọi là độ tự cảm – tỷ số giữa điện áp và tốc độ thay đổi của dòng điện. Độ tự cảm định lượng bao nhiêu năng lượng mà một cuộn cảm có khả năng lưu trữ.

Cấu tạo cuộn cảm

Cấu tạo của cuộn cảm được điều chỉnh bởi các yêu cầu về điện, cơ và nhiệt của một ứng dụng nhất định. Nói chung, nó bao gồm:

  • Lựa chọn vật liệu cốt lõi
  • Quyết định hình dạng và kích thước cốt lõi
  • Chọn dây quấn
Cấu tạo cuộn cảm
Cấu tạo cuộn cảm

Vật liệu lõi là dây từ được tráng men thường được làm bằng đồng, sau đó được phủ trong nhiều lớp vật liệu polyme cách điện. Dây quấn có thể tạo thành nhiều hình dạng, bao gồm hình tròn, hình chữ nhật và mặt cắt ngang hình vuông. Một dây từ tính được chọn để hạn chế và dẫn hướng từ trường, và dây này được cách điện để ngăn ngừa các sự cố như đoản mạch và sự cố.

Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm

Cuộn cảm là một linh kiện điện tử thụ động có khả năng lưu trữ năng lượng điện dưới dạng năng lượng từ trường. Về cơ bản, nó sử dụng một dây dẫn được quấn thành một cuộn dây, và khi dòng điện chạy vào cuộn dây từ trái sang phải, điều này sẽ tạo ra một từ trường theo chiều kim đồng hồ.

Dưới đây là phương trình biểu diễn độ tự cảm của một cuộn cảm. Càng nhiều vòng dây mà vật dẫn được quấn quanh lõi, thì từ trường được tạo ra càng mạnh. Từ trường mạnh cũng được tạo ra bằng cách tăng diện tích tiết diện của cuộn cảm hoặc bằng cách thay đổi lõi của cuộn cảm.

Công thức
Công thức

Bây giờ chúng ta hãy giả sử rằng một dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm. “AC” (dòng điện xoay chiều) dùng để chỉ dòng điện có mức và hướng thay đổi tuần hoàn theo thời gian. Khi dòng điện chuẩn bị chạy đến cuộn cảm, từ trường do dòng điện đó tạo ra sẽ cắt qua các cuộn dây khác, làm phát sinh điện áp cảm ứng và do đó ngăn chặn bất kỳ sự thay đổi nào trong mức dòng điện.

Nếu dòng điện sắp tăng đột ngột, một sức điện động được tạo ra theo hướng ngược lại với dòng điện – nghĩa là theo hướng giảm dòng điện – do đó ngăn cản sự gia tăng dòng điện. Ngược lại, nếu dòng điện sắp giảm, một suất điện động được tạo ra theo chiều dòng điện tăng lên.

Đường đi của dòng điện
Đường đi của dòng điện

Những tác động này của điện áp cảm ứng được tạo ra ngay cả khi hướng của dòng điện chạy ngược lại. Trước khi khắc phục hiệu điện thế cảm ứng đang tìm cách chặn dòng điện, người ta đảo chiều dòng điện để không có dòng điện chạy qua.

Mức dòng điện không thay đổi khi DC (dòng điện một chiều) chạy đến cuộn cảm nên không tạo ra điện áp cảm ứng và có thể coi rằng trạng thái ngắn mạch là kết quả. Nói cách khác, cuộn cảm là một thành phần cho phép DC, nhưng không phải AC, chạy qua nó.

Tăng giảm của dòng điện
Tăng giảm của dòng điện
  • Cuộn cảm lưu trữ năng lượng điện dưới dạng năng lượng từ trường.
  • Cuộn cảm không cho phép AC chạy qua nó, nhưng cho phép DC chạy qua nó.

Các đặc tính của cuộn cảm được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Có rất nhiều và đa dạng các loại cuộn cảm và trong nội dung tiếp theo, chúng ta sẽ cùng thảo luận về các loại và ứng dụng của cuộn cảm.

Phân loại cuộn cảm

Các ứng dụng khác nhau yêu cầu các loại cuộn cảm khác nhau. Trong hầu hết các trường hợp, bạn sẽ thấy rằng một cuộn cảm trong một hệ thống được hình thành xung quanh vật liệu lõi — thường là sắt hoặc các hợp chất của sắt — để hỗ trợ việc tạo ra từ trường mạnh.

Các loại cuộn cảm
Các loại cuộn cảm

Cuộn cảm lõi sắt

Sắt là vật liệu từ tính cổ điển và dễ nhận biết nhất, làm cho nó trở thành sự lựa chọn hoàn hảo để sử dụng trong cuộn cảm. Như trên, sắt trong cuộn cảm có dạng lõi sắt. Chúng thường được sử dụng để lọc dòng tần số thấp do độ tự cảm tương đối lớn của chúng. Chúng cũng được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị âm thanh. Tuy nhiên, không phải lúc nào cuộn cảm cũng cần có lõi sắt.

Cuộn cảm lõi không khí

Như tên cho thấy, cuộn cảm lõi không khí không có lõi – lõi là một khoảng trống. Vì không khí có độ từ thẩm thấp nên điện cảm của cuộn cảm lõi không khí rất thấp. Điều này có nghĩa là tốc độ tăng dòng là tương đối nhanh đối với điện áp đặt vào, làm cho chúng có khả năng xử lý các tần số cao được tìm thấy trong các ứng dụng như mạch RF.

Ví dụ về cuộn cảm
Ví dụ về cuộn cảm

Cuộn cảm lõi Ferit

Ferit là một vật liệu gốm được làm bằng cách trộn và nung sắt (III) oxit pha trộn với một lượng nhỏ của một hoặc nhiều nguyên tố kim loại bổ sung, chẳng hạn như niken và kẽm. Khi được sử dụng trong cuộn cảm, bột ferit được trộn với nhựa epoxy và được đúc để tạo thành một lõi xung quanh có thể quấn một dây từ tính. Cuộn cảm ferit là loại được sử dụng rộng rãi nhất vì có thể kiểm soát tốt độ thẩm thấu của chúng bằng cách điều chỉnh tỷ lệ ferit so với epoxy.

Các đại lượng đặc trưng của cuộn cảm

Cuộn cảm có nhiều thông số cần quan tâm
Cuộn cảm có nhiều thông số cần quan tâm

Thông thường một cuộn cảm bất kỳ sẽ bao gồm ba đại lượng đặc trưng nhất định. Đó là:

  • Hệ số tự cảm
  • Cảm kháng
  • Điện trở thuần của cuộn dây

Mỗi đại lượng sẽ đặc trưng cho một tính chất khác nhau của cuộn cảm. Cụ thể như sau:

  • Cảm kháng là đại lượng đặc trưng cho sự kháng lại hay cản trở dòng điện xoay chiều của cuộn dây
  • Hệ số tự cảm: đặc trưng cho sức điện động cảm ứng khi có dòng điện biến thiên chạy qua cuộn dây
  • Điện trở thuần: là đại lượng đặc trưng cho sự hao tổn nhiệt trong quá trình hoạt động cùa cuộn dây. Do đó, điện trở thuần càng bé chứng tỏ rằng cuộn dây càng chất lượng.

Ứng dụng của cuộn cảm

Các cuộn cảm, do vật liệu đồng và sắt cần thiết để tạo ra chúng, có xu hướng đắt tiền. Điều này khiến phần lớn các trường hợp sử dụng của chúng chuyển sang các ứng dụng trong các lĩnh vực có thể hợp lý hóa chi phí đó, chẳng hạn như thiết bị viễn thông, radio và nguồn cung cấp điện.

Trong bộ nguồn, vai trò của cuộn cảm là ngăn dòng điện sử dụng thay đổi đột ngột. Hoạt động cùng với tụ điện, cuộn cảm ngăn chặn những thay đổi đột ngột về điện áp và dòng điện đầu ra của nguồn điện.

Ứng dụng cuộn cảm trong nhiều thiết bị
Ứng dụng cuộn cảm trong nhiều thiết bị

Nhìn chung, chúng là những thành phần rất đơn giản nhưng đóng vai trò quan trọng trong thiết bị điện tử công suất.

Tuy rằng cuộn cảm không là đại lượng liên quan trực tiếp đến máy bơm, nhưng việc hiểu biết chúng góp phần giúp chúng ta có thêm kiến thức về kỹ thuật, về linh kiện trong các thiết bị điều khiển…

Thái Khương hy vọng bài viết này sẽ giúp các bạn hiểu sâu hơn về linh kiện điện tử “cuộn cảm”.

Các bạn có nhu cầu tư vấn giải pháp bơm công nghiệp, hãy liên hệ ngay với Thái Khương để được hỗ trợ nhanh chóng. Kho hàng Thái Khương luôn sẵn các dòng bơm phục vụ ngay cho nhu cầu của bạn!