Cuộn cảm là gì? Cấu tạo và ứng dụng của cuộn cảm

Cuộn cảm là một linh kiện điện tử quan trọng trong các mạch điện tử. Tuy nhiên rất ít người biết và hiểu rõ về cấu tạo cũng như ứng dụng của cuộn cảm. trong bài viết này chúng tôi sẽ chia sẻ với các bạn khái niệm, cấu tạo, ứng dụng của cuộn cảm một cách đơn giản và dễ hiểu nhất để các bạn tham khảo. 

Cuộn cảm là gì? 

Cuộn cảm là khái niệm được dùng để chỉ một linh kiện điện tử thụ động. Linh kiện này được cấu tạo từ một dây dẫn quấn thành nhiều vòng. Lõi của của cuộn cảm là vật liệu dẫn từ hoặc không khí. Khi có dòng điện đi qua cuộn cảm sẽ sinh ra từ trường. Do đó nó có nhiều tên gọi khác nhau như cuộn từ cảm, cuộn từ. 

Cuộn cảm là linh kiện điện tử thụ động chính của hệ thống điện tử với đặc trưng là độ điện cảm của nó. Độ điện cảm của cuộn từ được tính bằng công thức sau:

• Độ điện cảm cuộn cảm = Điện áp / tốc độ thay đổi của dòng điện

Đơn vị của điện cảm được đặt theo tên nhà khoa học người Mỹ Joseph Henry ở cuối thế kỷ 19. Trong hệ thống đơn vị đo lường quốc tế đơn vị này được ký hiệu là “H”, chữ cái đầu tiên trong tên của nhà khoa học.

Cũng giống như tụ điện, cuộn cảm lưu trữ năng lượng bằng cách sử dụng điện trường và là thành phần thụ động cuối. Song cuộn từ cảm (cuộn cảm) có cách sử dụng, tính chất xây dựng và những hạn chế khác với tụ điện. 

Khi nhìn vào các bản vẽ mạch điện, cuộn cảm được ký hiệu bằng hình vẽ đoạn dây xoắn ở giữa với 2 đầu thẳng và phía dưới có ký hiệu chữ “L”. Ngoài ra thì một số ký hiệu cuộn cảm phía trên có vẽ 2 đường thẳng nối liền, đứt đoạn song song hoặc mũi tên đoạn ở trên. Những đường kẻ ở trên này là ký hiệu về loại lõi của cuộn cảm. Các bạn có thể quan sát hình dưới đây để hiểu rõ hơn về ký hiệu của cuộn cảm. 

Cấu tạo cuộn cảm như thế nào?

Cấu tạo của cuộn cảm tương đối đơn giản gồm 2 phần chính đó là lõi và dây quấn. Phần dây quấn thường được làm từ các chất liệu có tính dẫn điện cao (thường là dây đồng). Còn lõi của cuộn cảm thì được là từ những vật liệu có tính dẫn từ như: Sắt non, nam châm, không khí… Bên cạnh đó thì cuộn cảm cũng có hai chân giống như tụ điện. Hiện nay tùy theo nhu cầu sử dụng mà cuộn cảm được sản xuất với kích cỡ, hình dáng, số vòng cuộn dây, khoảng cách giữa các vòng cuốn và chất liệu khác nhau. Những yếu tố này có tác động trực tiếp tới độ điện cảm (độ tự cảm) của cuộn cảm. 

Cuộn cảm ngoài thực tế khi dùng trong mạch điện tử có sự khác biệt rất lớn so với cuộn cảm lý tưởng. Cuộn cảm thực tại các mạch điện sẽ không chỉ có điện cảm mà còn có thêm cả điện trở và điện dung. Sở dĩ trong cuộn cảm có thêm điện dung là do có các cuộn dây được cuốn chặt. Lúc này giữa các vòng cuộn dây sẽ sản sinh ra một lượng điện dung đi lạc. Sự xuất hiện điện dung và điện trở trong cuộn cảm khiến cuộn cảm bị thay đổi tần số. 

Nguyên lý của cuộn cảm 

• Đối với dòng điện một chiều (DC), dòng điện có cường độ và chiều không đổi (có nghĩa là tần số bằng 0), cuộn cảm sẽ hoạt động như một điện trở có điện kháng gần bằng không hay nói cách khác thì cuộn dây nối đoản mạch. Dòng điện trên cuộn dây sản sinh ra một từ trường B. Nó có cường độ và chiều không đổi.
• Khi mắc điện xoay chiều (AC) với cuộn cảm, dòng điện trên cuộn cảm sản sinh ra một từ trường B biến thiên cùng với một điện trường E, biến thiên nhưng luôn vuông góc với từ trường. Cảm kháng của cuộn từ cảm sẽ phụ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều.
• Cuộn cảm L có đặc tính là lọc nhiễu tốt cho các mạch nguồn DC có lẫn tạp nhiễu khi ở các tần số khác nhau tùy thuộc vào đặc tính cụ thể của từng cuộn cảm. Điều này giúp ổn định dòng và nó được ứng dụng trong các mạch lọc tần số.

Các đại lượng của cuộn cảm

Trong phần này chúng tôi sẽ chia sẻ với các bạn các đại lượng quan trọng cần nắm được khi tìm hiểu về cuộn cảm 

Hệ số điện cảm (hệ số tự cảm – định luật Faraday)

Hệ số điện cảm hay còn được gọi là hệ số tự cảm. Đây là đại lượng đặc trưng của sức điện động cảm ứng từ của một cuộn cảm. Khi có một dòng điện biến thiên đi qua cuộn cảm sẽ có hiện tượng này. Công thức tính hệ số tự cảm của cuộn cảm như sau: 

• L = ( µr.4.3,14.n2.S.10-7 ) / l

 Trong đó:

• L: Hệ số tự cảm của cuộn dây, đơn vị tính là Henry (H)
• n: Số vòng dây của cuộn dây.
• l: Chiều dài cuộn dây được tính bằng mét (m)
• S: Tiết diện của lõi, được tính bằng m2
• µr: Hệ số từ thẩm của vật liệu làm lõi

Chỉ số cảm kháng

Chỉ số cảm kháng của cuộn cảm chính là một đại lượng đặc trưng cho sự cản trở dòng điện của cuộn cảm đối với dòng điện xoay chiều. Công thức để tính chỉ số cảm kháng của cuộn cảm như sau:

• ZL = 2.3,14.f.L 

Trong đó :

• ZL: Cảm kháng và có đơn vị là Ω
• f: Tần số đơn vị là Hz
• L : Hệ số tự cảm có đơn vị đo là Henry

Điện trở thuần của cuộn dây

Điện trở thuần của cuộn cảm chính là chỉ số điện trở mà chúng ta có thực hiện thể đo được bằng cách sử dụng đồng hồ vạn năng. Trong trường hợp điện trở thuần nhỏ hơn so với cảm kháng thì cuộn cảm là một cuộn cảm tốt. Ngoài ra, điện trở thuần của cuộn dây còn được gọi với tên gọi khác là điện tổn hao, bởi điện trở này được sản sinh ra trong quá trình cuộn dây hoạt động.

Chỉ số nạp, xả năng lượng của cuộn cảm

Quá trình nạp năng lượng của cuộn cảm được diễn ra khi có một dòng điện chay qua nó. Năng lượng của cuộn từ nạp vào có dạng từ trường và được tính toán bằng công thức:  

• W = L.I2 / 2

Trong đó:

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

Có những loại cuộn cảm nào?

Để phục vụ những nhu cầu khác nhau trong cuộc sống cuộn cảm được chế tạo và chia thành nhiều loại khác nhau. Hiện nay cuộn cảm được phân loại dựa trên ứng dụng của nó hoặc chất liệu cấu tạo nên nó. Cụ thể như sau:

Các loại cuộn cảm theo ứng dụng

Cuộn cảm là một chi tiết vô cùng quan trọng của điện tử. Do cần sử dụng cuộn cảm cho nhiều mục đích khác nhau nên nhiều loại cuộn cảm đã được ra đời. Khi phân chia cuộn cảm theo ứng dụng chúng ta có các loại cuộn cảm như:

• Cuộn cảm tần số cao (cuộn cảm cao tần)
• Cuộn cảm âm tần
• Cuộn cảm dòng cung cấp điện 
• Cuộn cảm nguồn
• Cuộn cảm cho mạch chung.

Phân loại dựa trên đặc điểm hình dáng và chất liệu

• Air Core Inductor – Cuộn cảm lõi rỗng: Cuộn cảm lõi rỗng hay cuộn cảm không lõi là loại cuộn cảm mà dây quấn được quấn quanh lõi là không khí. Cuộn cảm lõi không khí sở hữu độ điện cảm thấp bởi nó cung cấp đường dẫn miễn cưỡng cao cho từ thông. Những cuộn cảm lõi rỗng thường được thiết kế với kích thước cuộn dây lớn. Điều này sẽ giúp tạo ra mật độ từ thông cao hơn. Chúng được dùng chủ yếu cho các ứng dụng tần số cao như máy thu, TV và radio.

• Ferrite Core Inductors – Cuộn cảm lõi Ferrite: Đây là loại cuộn cảm có đặc điểm nổi bật là chi phí thấp và có tổn thất lõi thấp khi ở tần số cao. Ferrite chính là một loại gốm oxit kim loại được tạo ra từ hỗn hợp Ferric Oxide Fe2O3. 
• Toroidal Core Inductors – Cuộn cảm lõi hình xuyến: Đây là loại cuộn cảm sở hữu thông lượng rò rỉ thấp nhất trong tất các loại cuộn cảm. Để sản xuất cuộn cảm có lõi hình xuyến chúng ta cần sử dụng máy cuốn được thiết kế riêng biệt. Đôi khi cuộn cảm lõi hình xuyến sử dụng nguyên liệu là ferrite để làm lõi nhằm giảm tổn thất trong thiết kế.
• Bobbin based Inductors – Cuộn cảm ống chỉ: Đây là loại cuộn cảm được dùng chủ yếu cho các bộ nguồn chế độ chuyển đổi. Đồng thời nó được sử dụng trong các ứng dụng để chuyển đổi năng lượng.
• Multi Layer Inductors – Cuộn cảm nhiều lớp: Đây là loại cuộn cảm được cấu tạo nhiều lớp bao gồm: Một lõi nhiều lớp, một ống dây và một cuộn dây được cuốn xung quanh ống dây. Để tạo ra một cuộn cảm nhiều lớp chúng ta sử dụng một dây dẫn quấn xung quanh ống dây. Tiếp đến đặt bên trong ống dây các tấm hình chữ I và E để tạo thành lõi. Những tâm chữ i và E này chế tạo từ silicon cùng với thép và được xử lý nhiệt nhằm tạo tính thấm cao và làm giảm độ trễ cũng như tổn thất dòng điện. 
• Thin Film Inductor – Cuộn cảm màng mỏng: Đây là loại cuộn cảm nhỏ. Chúng được tạo nên cách xử lý màng mỏng nhằm tạo ra cuộn cảm chip sử dụng trong các ứng dụng tần số cao cũng như dao động từ khoảng nano Henry.

Công dụng của cuộn cảm

Như tìm hiểu ở trên chúng ta đã biết cuộn cảm là một linh kiện thụ động và có cấu tạo từ dây cuốn dẫn điện cùng với lõi từ. Vậy cuộn cảm có công dụng gì? Trong phần này chúng tôi sẽ chia sẻ về công dụng của cuộn cảm. 

Cuộn cảm sở hữu đặc tính là chỉ cho dòng điện xoay chiều đi qua. Chính vì vậy công dụng của nó là chặn lại dòng điện 1 chiều. Đồng thời, cuộn cảm còn được sử dụng nhiều trong những bộ lọc điện tử để tách các tín hiệu có tần số khác nhau.  

Ngoài ra thì chúng kết hợp với các tụ điện nhằm tạo ra các mạch điều chỉnh, được dùng để điều chỉnh các máy thu radio, TV. Không dừng lại ở đó, cuộn cảm còn là một trong  những phần cơ bản trong điện tử. Hiện nay cuộn cảm được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: Khử nhiễu, điều khiển tín hiệu, ổn định điện áp, sản xuất các thiết bị điện tử công suất, vận hành ô tô,… Trong phần tiếp theo chúng tôi sẽ chia sẻ chi tiết về các ứng dụng của cuộn cảm để các bạn có thể hiểu rõ hơn. 

Ứng dụng của cuộn Cảm

Ngày nay, cuộn cảm được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Nó có mặt hầu hết trong các mạch điện tử cũng như các thiết bị điện của gia đình và công nghiệp. Những ứng dụng cụ thể và phổ biến của cuộn cảm như sau: 

Nam châm điện

Ứng dụng đơn giản nhất của cuộn cảm là Nam châm điện. Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây dẫn sẽ xuất hiện từ trường. Cấu tạo của nó rất đơn giản chỉ bao gồm một lõi thép được quấn cuộn dây dẫn điện bên ngoài. Khi được cung cấm dòng điện lõi thép này có thể hút các kim loại khác. Nam châm điện này được ứng dụng trong một số loại động cơ điện của các thiết bị trò chơi điện tử, micro, tivi, loa phát thanh.

Relay – còn được gọi là Rơ le

Relay hay còn được gọi với tên gọi là rơ-le theo tiếng Pháp. Đây là một công tắc (khóa K) điện từ vận hành dựa trên một dòng điện tương đối nhỏ nhưng nó lại có thể bật hoặc tắt một dòng điện lớn hơn nó.

R  le được cấu tạo bởi 1 cơ cấu cơ khí và 1 cuộn cảm. Một Relay sẽ có 3 chân là: Chân NC, chân trung Com và chân NO. Khi có một dòng điện chạy qua, sẽ có từ trường được sinh ra. Lúc này cuộn cảm có khả năng hút kim loại. Thông thường một relay sẽ có thường chân NC và chân trung được thông với nhau. Còn chân NO và chân trung thì sẽ không thông với nhau. Khi Relay được cấp điện thì chân NC và chân trung không thông với nhau. Lúc này chân NO và chân trung sẽ thông với nhau. Dòng điện chạy qua Relay sẽ làm đóng ngắt các điểm khác nhau của mạch điện. Dựa vào điểm này người ta có thể sử dụng Relay để điều khiển các thiết bị khác.

Bộ lọc thông

Bộ lọc thông được ứng dụng trong các bộ phân tần của loa điện. Thông dụng nhất chính là bộ lọc thông tần thấp để lọc âm thanh. Mạch điện này bao gồm một cuộn cảm L được mắc nối tiếp với một điện trở R với thế nguồn dương VIN di chuyển 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 sẽ phụ thuộc vào tần số. Khi cảm thán này tiến tới vô cùng thì XL cũng sẽ tiến tới vô cùng. Khi đó dòng điện IL sẽ tiến dần về 0 đồng thời xảy ra hiện tượng hở mạch. Trong trường hợp cuộn dây bị đứt sẽ không có tín hiệu đi ra VOUT. Khi f tiến về 0 thì XL cũng sẽ tiến về 0. Lúc này IL sẽ tiến tới vô cùng. Đây nguyên nhân xảy ra hiện tượng ngắn mạch, tín hiệu đi vào sẽ thu được hoàn toàn ở đầu ra.

Cuộn cảm và mạch lọc tần số thấp

Mạch lọc tần số là ứng dụng dễ thấy nhất trong đời sống của chúng ta. Nó xuất hiện trong các EQ bộ lọc âm tần cho loa dùng IC, lọc âm thanh. Mạch lọc biến tần sử dụng tính năng cảm ứng điện từ để thực hiện lọc các Input đồng thời đưa ra Output cho âm thanh sống động.

Nguồn xung và lọc điện áp xung

Ở ứng dụng nguồn xung chúng ta có 2 loại  đó là nguồn xung tăng áp và nguồn xung hạ áp. Nguồn xung này sẽ sử dụng tính năng cản trở dòng điện xoay chiều và cho dòng điện một chiều đi qua, đồng thời kết hợp với biến áp xung để hoạt động. Dưới đây là một ví dụ để các bạn có thể hiểu rõ hơn.

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

Giải đáp:

Cuộn cảm sẽ giúp chúng ta làm việc này 1 cách dễ dàng. Chúng ta thực hiện nối mạch điện 12V đi qua 1 cuộn dây đồng  được quấn nhiều vòng. Sau đó lắp công tắc đóng mở cho cuộn dây. Khi công tắc đóng, mạch kín cho phép dòng điện chạy qua. Khi công tắc nhả ra, cuộn dây lập tức phóng ra 1 xung điện. Đo xung điện, chúng ta thấy biên độ xung điện lớn hơn điện áp được đưa vào, thậm chí biên độ của nó lên đến 100V. 

Như vậy chúng ta có thể thấy khi thay đổi nhịp đóng ngắt của công tắc(thực hiện thay đổi về tần số) hoặc thay đổi độ rộng xung, khi ta thực hiện cho xung điện( có thể + hoặc -, thông thường sẽ là -) đi qua Diode xung, dùng tụ lọc để lọc xung điện dương và chỉ lấy xung điện âm. Sau đó đưa qua 1 điện trở tải, đo điện áp 2 đầu điện trở tải. Chúng ta có thể thay đổi được điện áp đầu ra của mạch bằng cách: Thay đổi tần số (thực hiện đóng ngắt công tắc); thay đổi điện áp hoặc thay đổi độ rộng xung.

Hiện nay nguồn xung được sử dụng vô cùng rất phổ biến trong các thiết bị điện tử dân dụng như bếp từ, lò vi sóng, vv…

Máy biến áp

Cuộn cảm có trong máy biến áp là một cuộn dây sơ cấp được dùng để đưa điện áp vào một hoặc nhiều cuộn dây thứ cấp nhằm đưa điện áp ra được quấn quanh lõi biến áp. Điều này tương tự như trong nguồn xung, điểm khác biệt duy nhất đó chính là cuộn dây trong máy biến áp được quấn thành rất nhiều vòng. 

Máy biến áp được dùng để thay đổi hiệu điện thế, thường sẽ được gắn ở 2 đầu dây điện nhằm làm tăng hiệu điện thế hoặc làm giảm hiệu điện thế tùy theo nhu cầu đưa vào sử dụng. Khi muốn tăng điện thế đầu ra thì chúng ta chỉ cần giảm số vòng dây đầu vào, khi muốn giảm điện thế đầu ra thì chúng ta cần ra tăng số vòng dây đầu vào lên.

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

Motor

Cuộn cảm hiện được sử dụng trong tất cả các loại motor AC DC nhằm mục đích biến đổi điện năng thành cơ năng. Để làm điều này người ta sử dụng một cuộn dây đồng quấn xung quanh trục quay của motor. Nhờ vào hiện tượng cảm ứng điện từ, khi được cung cấp nguồn điện sẽ tạo ra momen khiến cho động cơ hoạt động được, lực 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 chế tạo mạch cảm biến kiểm soát đèn giao thông, vv…

Trên đây là những thông tin về cuộn cảm mà chúng tôi muốn chia sẻ với các bạn. Hy vọng qua những gì chúng tôi chia sẻ trên đây đã giúp các bạn biết được cuộn cảm là gì? Có những loại cuộn cảm nào và chúng có ứng dụng gì trong đời sống và công nghiệp?

Xem thêm:

• Sự khác nhau giữa dòng điện 1 pha và dòng điện 3 pha
• Dòng điện xoay chiều là gì? Ứng dụng của dòng điện xoay chiều
• Cường độ dòng điện là gì? công thức tính cường độ dòng điện
• Hiện tượng cộng hưởng điện là gì? Nguồn gốc sinh ra và ứng dụng
• Kiến thức Vật Lý: Điện trường và cường độ điện trường