Cuộn cảm cùng với điện trở và tụ điện là những linh kiện điện tử được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện, mạch điện tử. Tuy nhiên, không phải ai cũng hiểu rõ về linh kiện quen thuộc này. Trong bài viết dưới đây, chúng tôi sẽ đi sâu tìm hiểu về cuộn cảm là gì, cấu tạo, công dụng của cuộn cảm để người đọc tham khảo.
Cuộn cảm là gì?
Cuộn cảm (cuộn từ, cuộn từ cảm) là linh kiện điện tử thụ động tạo từ một dây dẫn điện quấn thành nhiều vòng, lõi 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 trong cuộn dây. Đơn vị đặc trưng của cuộn cảm là độ tự cảm (hay từ dung) Henry, ký hiệu là H, đơn vị đo cảm ứng điện L trong cuộn H.
Cuộn cảm thuần là gì?
Cuộn cảm thuần hay còn được gọi là cuộn dây thuần cảm là cuộn dây lý tưởng, có điện trở dây dẫn bằng 0.
Cuộn cảm ký hiệu là gì?
Giống như nhiều thành phần điện tử khác, cuộn cảm được ký hiệu bằng hình vẽ như sau:
Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm
Đối với dòng điện một chiều (DC) 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 cách khác là cuộn dây nối đoản mạch. Dòng điện trên cuộn dây sẽ sinh ra một từ trường (B) có cường độ và chiều không đổi.
Khi mắc dòng điện xoay chiều (AC) với cuộn dây, dòng điện trên cuộn dây sẽ sinh ra một từ trường (B) và một điện trường (E) biến thiên, nhưng luôn vuông góc với từ trường. Lúc này 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 điện một chiều lẫn tạp nhiễu ở các tần số khác nhau tùy thuộc vào đặc tính cụ thể của từng cuộn dây, giúp ổn định dòng, ứng dụng trong các mạch lọc tần số.
Những đại lượng đặc trưng của cuộn cảm
Hệ số tự cảm: đại lượng đặc trưng cho sức điện động cảm ứng của cuộn dây khi có dòng điện biến thiên chạy qua, được tính bằng công thức:
L = ( µr.4π.n2.S.10-7 ) / l
Trong đó:
- L: hệ số tự cảm của cuộn dây, đơn vị là Henry (H)
- n: số vòng dây của cuộn dây.
- l: chiều dài của cuộn dây (m)
- S: tiết diện của lõi, tính bằng m2
- µr: là hệ số từ thẩm của vật liệu làm lõi .
Cảm kháng: đại lượng đặc trưng cho sự cản trở của cuộn dây đối với dòng điện xoay chiều, có công thức:
ZL = 2πfL
Trong đó:
- ZL: là cảm kháng, đơn vị là Ω
- f: tần số của dòng điện, đơn vị là Hz
- L: hệ số tự cảm, đơn vị là Henry
Điện trở thuần của cuộn dây: điện trở có thể đo được bằng đồng hồ vạn năng, thông thường nếu 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 điện trở sinh ra nhiệt khi cuộn dây hoạt động.
Tại sao cuộn cảm chặn được dòng điện cao tần?
Sở dĩ cuộn cảm chặn được dòng điện cao tần là do:
Theo công thức cảm kháng của cuộn cảm, ta có: ZL= 2πfL.
– Nếu là dòng điện một chiều (f = 0 Hz), lúc này ZL=0 Ω. Cuộn cảm không chặn được dòng điện một chiều.
– Nếu là dòng điện cao tần có tần số f rất lớn, suy ra ZL rất lớn nên cản trở dòng điện cao tần đi qua.
Cách mắc cuộn cảm
Thông thường, có 2 cách mắc cuộn cảm cơ bản nhất trong các mạch điện. Đó là:
Cuộn cảm mắc song song: từ dung sẽ giảm đi
Công thức tính cuộn cảm mắc song song:
1 / L = 1 / L1 + 1 / L2 + … + 1 / Ln
Trong đó L là tổng độ tự cảm và L1, L2, Ln … là các cuộn cảm riêng lẻ.
Cuộn cảm mắc nối tiếp: tổng từ dung sẽ tăng bằng tổng của các từ dung
Công thức cuộn cảm nối tiếp:
L = L1 + L2 + … + Ln
Trong đó L là tổng độ tự cảm và L1, L2, Ln … là các cuộn cảm riêng lẻ.
Các loại cuộn cảm
Dựa vào cấu tạo, phạm vi ứng dụng mà cuộn cảm được chia thành ba loại chính: 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 được sơn emay hoặc cách điện quấn lại thành nhiều vòng. Lõi cuộn dây có thể là không khí, vật liệu dẫn từ như Ferrite hoặc lõi thép kỹ thuật.
Phân loại theo hình dáng, ta có cuộn cảm loại cắm và loại dán, phân loại theo cấu tạo ta có cuộn từ cảm loại có lõi và loại không lõi. Tuy có nhiều loại nhưng tất cả các loại cuộn cảm đều mang tính chất chung của cuộn dây cảm ứng điện từ.
Ứng dụng của cuộn cảm trong thực tế
Cuộn cảm được nhắc đến khá nhiều tuy nhiên vẫn còn khá nhiều người chưa biết cuộn cảm dùng để làm gì. Trên thực tế, cuộn cảm có rất nhiều ứng dụng trong đời sống: như trong lọc nguồn, trong lọc nhiễu, trong ứng dụng về thiết bị âm thanh như loa, mic,…hay trong các ứng dụng về relay, biến áp,…
Ứng dụng trong loa
Loa là một ứng dụng của cuộn từ cảm, có cấu tạo gồm một nam châm hình trụ có hai cực S, N lồng vào nhau sao cho cực N ở giữa và cực S ở xung quanh, tạo thành một khe từ có từ trường khá mạnh ở giữa hai cực. Cuộn dây được gắn với màng loa và được đặt bên trong khe từ, màng loa được đỡ bằng gân cao su mềm để có thể dễ dàng dao động ra vào.
Khi cấp dòng điện âm tần (dòng điện xoay chiều có tần số từ 20 Hz đến 20.000 Hz) chạy qua cuộn dây, cuộn dây sẽ tạo ra từ trường biến thiên và bị từ trường cố định của nam châm đẩy ra, đẩy vào làm cho cuộn dây dao động => màng loa dao động theo và phát ra âm thanh.
Lưu ý: Người dùng tuyệt đối không được đưa dòng điện một chiều vào loa, vì dòng điện một chiều chỉ tạo ra từ trường cố định. Cuộn dây của loa khi có dòng điện đi qua chỉ lệch về một hướng rồi dừng lại, khi đó dòng điện qua cuộn dây tăng mạnh (do không có điện áp cảm ứng theo chiều ngược lại), gây cháy cuộn dây.
Ứng dụng trong micro
Thực chất micro là một chiếc loa thu nhỏ, có cấu tạo khá giống loa nhưng Micro có số vòng quấn trên cuộn dây lớn hơn loa rất nhiều. Vì thế, trở kháng của cuộn dây trên micro có thể lên đến khoảng 600Ω, trong khi trở kháng của loa chỉ dao động từ 4Ω ~ 16Ω). Ngoài ra, màng micro cũng được cấu tạo rất mỏng để dễ dàng dao động khi có âm thanh tác động vào. Trái với loa là thiết bị để chuyển dòng điện thành âm thanh thì ngược lại, micro lại chuyển đổi âm thanh thành dòng điện âm tần.
Ứng dụng trong sản xuất relay (rơ le)
Nguyên lý hoạt động của relay là biến đổi dòng điện thành từ trường thông qua cuộn dây, từ trường đó lại tạo thành lực cơ học, thông qua lực hút để thực hiện tác động về mặt cơ khí như đóng hay mở công tắc (tiếp điểm), đóng mở các chu kỳ của một thiết bị tự động…
Ứng dụng trong sản xuất biến áp
Biến áp là thiết bị có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều, cấu tạo bao gồm một cuộn dây sơ cấp (đưa điện áp vào) và một hay nhiều cuộn dây thứ cấp (lấy điện áp ra sử dụng) cùng quấn trên một lõi từ có thể là lá thép hoặc lõi Ferrit.
Công suất làm việc của biến áp phụ thuộc vào tiết diện của lõi từ, và tần số của dòng điện xoay chiều, biến áp hoạt động ở tần số càng cao thì cho công suất càng lớn.
Biến áp được chia làm 3 loại chính: Biến áp nguồn, biến áp cao tần và biến áp âm tần.
- Biến áp nguồn: Cung cấp điện áp xoay chiều cho mạch điện, có kích thước từ nhỏ tới lớn, được sử dụng trong các trạm biến áp, và có tác dụng cách ly các linh kiện với nguồn cao áp.
- Biến áp cao tần: Được sử dụng phổ biến trong các bộ thu phát sóng Radio, lõi có thể là lõi sắt hoặc không khí, tuy nhiên nhược điểm của lõi không khí là phần lớn các đường cảm ứng từ đều đi ra ngoài, điều này ảnh hưởng đến đặc tính của máy biến áp.
- Biến áp âm tần: Dải tần làm việc thường dao động từ 20Hz-20kHz, thực hiện phối hợp với trở kháng (tối thiểu hóa thành phần điện cảm trong mạch). Tuy nhiên, loại biến áp này có kích thước và trọng lượng lớn nên ngày càng ít được sử dụng.
Cách đo cuộn cảm
Trên thị trường hiện nay có một số dòng thiết bị đo cuộn cảm như máy đo điện dung hay chức năng đo cuộn cảm của đồng hồ vạn năng.
Nếu đồng hồ vạn năng có chức năng này, nó sẽ có ký hiệu bằng chữ “L” hoặc “H” trên thân của nó.
Để đo độ tự cảm bằng thiết bị này, bạn chỉ cần xoay núm chọn của đồng hồ đo sang chức năng đo điện cảm và lấy đầu dò đo qua các chân của cuộn cảm.
Tuy nhiên, máy đo điện cảm vẫn là lựa chọn tốt nhất bởi sự chính xác và nhanh chóng của nó.
Cách đọc giá trị cuộn cảm
Để chọn đúng cuộn từ cảm cần sử dụng, điều quan trọng là bạn phải biết cách đọc các thông số. Hầu hết các cuộn cảm đều có giá trị độ tự cảm danh nghĩa trong phạm vi Micro-Henry hoặc Milli-Henry. Ngoài giá trị điện cảm, một thông số quan trọng khác được ghi trên hầu hết các cuộn cảm là dung sai.
Để đọc được những giá trị này, người kỹ sư cần tham khảo các bảng dữ liệu được cung cấp bởi nhà sản xuất cụ thể. Các nhà sản xuất thường có các hệ thống mã số và màu để mã hóa giá trị danh nghĩa và dung sai của cuộn cảm. Bạn chỉ cần đối chiếu các ký hiệu, màu sắc với giá trị là có thể tìm được đúng cuộn cảm mình cần tìm.
Trên đây là những chia sẻ của chúng tôi để trả lời cho câu hỏi cuộn cảm là gì, cuộn cảm có tác dụng gì. Hy vọng bạn đọc đã có thêm những thông tin bổ ích về thiết bị điện này để có thể sử dụng nó một cách tốt nhất.
