Cuộn cảm là gì

Định nghĩa

Cuộn cảm là một linh kiện thụ động có chức năng lưu trữ năng lượng điện trong từ trường khi dòng điện chạy qua nó. Hoặc chúng ta có thể nói rằng cuộn cảm là một thiết bị điện có độ tự cảm.

Cuộn cảm được làm bằng dây có đặc tính tự cảm, tức là chống lại dòng điện chạy qua. Độ tự cảm của dây tăng khi tăng số vòng dây. ‘L’ được sử dụng để đại diện cho cuộn cảm, và nó được đo bằng Henry. Độ tự cảm đặc trưng cho cuộn cảm. Hình dưới đây cho thấy biểu diễn ký hiệu của cuộn cảm.

Dòng điện I chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường xung quanh nó. Coi từ trường tạo ra từ thông Φ khi dòng điện chạy qua nó. Tỉ số của từ thông và cường độ dòng điện cho cảm ứng.

Độ tự cảm của mạch phụ thuộc vào các đường dẫn dòng điện và độ từ thẩm của vật liệu ở gần hơn. Độ từ thẩm cho thấy khả năng của vật liệu tạo thành từ trường.

Các loại cuộn cảm

Các cuộn cảm được phân thành hai loại.

1. Cuộn cảm có lõi không khí (quấn trên vật liệu không phải ferit) – Cuộn cảm trong đó hoặc lõi hoàn toàn không có hoặc vật liệu gốm được sử dụng để làm lõi loại cuộn cảm đó được gọi là cuộn cảm có lõi không khí.

Vật liệu gốm có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp. Hệ số giãn nở nhiệt thấp có nghĩa là hình dạng của vật liệu vẫn giữ nguyên ngay cả khi nhiệt độ tăng lên. Vật liệu gốm không có đặc tính từ tính. Độ từ thẩm của cuộn cảm không đổi do vật liệu gốm.

Trong cuộn cảm lõi không khí, công việc duy nhất của lõi là tạo cho cuộn dây một hình dạng cụ thể. Cấu trúc lõi bằng không khí có nhiều ưu điểm như chúng giảm tổn thất lõi và tăng hệ số chất lượng (Q). Cuộn cảm cuộn không khí được sử dụng cho các ứng dụng tần số cao làm việc ở những nơi yêu cầu độ tự cảm thấp.

2. Cuộn cảm lõi sắt (quấn trên lõi ferit) – Là cuộn cảm có giá trị cố định, trong đó lõi sắt được giữ giữa cuộn dây. Cuộn cảm bằng sắt được sử dụng trong mạch lọc để làm mịn điện áp gợn, nó cũng được sử dụng làm cuộn cảm trong đèn ống huỳnh quang, trong bộ nguồn công nghiệp và hệ thống biến tần, v.v.

Cuộn cảm hoạt động như thế nào?

Cuộn cảm là một thiết bị điện được sử dụng để lưu trữ năng lượng điện dưới dạng từ trường. Nó được cấu tạo bằng cách quấn dây trên lõi. Các lõi được làm bằng vật liệu gốm, sắt hoặc bằng không khí. Lõi có thể có hình xuyến hoặc hình chữ E.

Cuộn dây mang dòng điện tạo ra từ trường xung quanh vật dẫn. Cường độ từ trường tăng nếu đặt lõi giữa cuộn dây. Lõi cung cấp đường dẫn từ trở thấp cho từ thông.

Từ trường tạo ra EMF trong cuộn dây và tạo ra dòng điện. Và theo định luật Lenz, nguyên nhân luôn đối nghịch với hiệu suất. Ở đây, dòng điện là nguyên nhân, và nó được cảm ứng do điện áp. Do đó, EMF chống lại sự thay đổi của dòng điện làm thay đổi từ trường. Dòng điện giảm vì cảm ứng được gọi là điện kháng cảm ứng. Điện kháng cảm ứng tăng khi số vòng cuộn dây tăng lên.

Điện cảm

 Điện cảm là đặc tính của vật liệu nhờ đó nó chống lại bất kỳ sự thay đổi của cường độ và hướng của dòng điện qua dây dẫn. Nói cách khác, nó là thuộc tính của cuộn cảm trong đó emf được tạo ra vì sự biến thiên của từ thông.

Trong mạch có thêm suất điện động cảm ứng qua cuộn cảm. Cuộn cảm về cơ bản là cuộn dây dẫn tập trung từ trường vào mạch điện.

Điện cảm được ký hiệu là (L), và đơn vị của nó là Henry. Cảm kháng được cho là một Henry, khi dòng điện có cường độ một ampe chạy qua cuộn dây hoặc vật dẫn thay đổi với tốc độ trên giây và điện áp cảm ứng với tốc độ một vôn trên cuộn dây.

Giải thích và các loại cuộn cảm

Cuộn cảm được hình thành khi một dây dẫn có chiều dài hữu hạn được xoắn thành một cuộn dây. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, một trường điện từ được hình thành. Trường điện từ thay đổi nếu hướng của dòng điện thay đổi.

Sự thay đổi này trong trường điện từ tạo ra một điện áp (v) trên cuộn dây và được cho bởi phương trình dưới đây:

Trong đó I là cường độ dòng điện chạy qua cuộn cảm tính bằng ampe.

Điện áp trên cuộn cảm sẽ bằng không nếu dòng điện chạy qua nó không đổi. Điều này có nghĩa là khi dòng điện một chiều, ổn định chạy qua cuộn cảm, nó sẽ hoạt động như một cuộn dây ngắn mạch ở trạng thái ổn định. Nếu có bất kỳ thay đổi nhỏ nào về hướng hoặc cường độ của dòng điện thì hiện tượng tự cảm sẽ xuất hiện.

Nếu chúng ta đặt giá trị của dt bằng 0 (dt = 0) trong phương trình (1) thì thấy rằng dòng điện thay đổi trong một phút trong thời gian bằng không, tạo ra một điện áp vô hạn trên cuộn cảm không phải là điều kiện khả thi và do đó trong một cuộn cảm dòng điện không thể thay đổi đột ngột .

Như vậy, sau khi chuyển đổi điện áp một chiều, cuộn cảm đóng vai trò như một cuộn dây bị hở mạch.

Công suất được hấp thụ bởi cuộn cảm được cho bởi phương trình dưới đây:

Đưa giá trị của v từ phương trình (1) vào phương trình (2) ta sẽ nhận được lũy thừa là:

Năng lượng được hấp thụ bởi cuộn cảm được cho là:

Cuộn cảm lưu trữ một lượng năng lượng hữu hạn mặc dù điện áp trên nó có thể không đáng kể.

Các cuộn cảm được phân loại tùy thuộc vào các yếu tố khác nhau như kích thước, vật liệu lõi được sử dụng, loại cuộn dây, v.v. Lõi đóng một vai trò quan trọng trong việc lựa chọn cuộn cảm.

Dựa trên vật liệu cốt lõi, các loại cuộn cảm khác nhau như sau:

  • Điện cảm lõi sắt từ
  • Cuộn cảm lõi không khí
  • Cuộn cảm lõi hình xuyến
  • Cuộn cảm lõi nhiều lớp
  • Cuộn cảm lõi được cấp nguồn

Công thức tính cuộn cảm nối tiếp và song song

Mạch nối tiếp

Trong đoạn mạch cuộn cảm nối tiếp, số cuộn cảm mắc nối tiếp trong mạch và lượng dòng điện chạy trong mỗi cuộn cảm mắc nối tiếp bằng nhau. Ví dụ, nếu cuộn cảm L 1 , L 2 , L 3 …… mắc nối tiếp và dòng điện I chạy qua đoạn mạch như hình vẽ bên:

Dòng điện qua cuộn cảm L 1 , L 2 , L 3 lần lượt là I 1 , I 2 , I 3 . Giá trị của dòng điện qua mỗi cuộn cảm sẽ giống nhau.

IL 1 = IL 2 = IL 3 = I MN

Tổng hoặc điện cảm tương đương sẽ được cho bởi phương trình

Mạch song song

Nếu số cuộn cảm mắc song song với nhau . Trong loại mạch này, mạch điện được chia thành từng nhánh của mạch điện như hình bên:

Dòng điện I 1 chạy trong cuộn cảm L 1 , và tương tự, dòng điện I 2 trong cuộn cảm L 2 và I 3 trong cuộn cảm L 3 và I T là tổng lượng dòng điện chạy trong mạch. Độ tự cảm tương đương được cho bởi công thức dưới đây:

Trước khi đi sâu vào nghiên cứu về cuộn cảm ta phải hiểu thêm một số khái niệm bên dưới : 

Từ thông

Cường độ của từ trường (hoặc lượng từ thông đo bằng Weber) trong lõi máy biến áp tỷ lệ thuận với số vòng dây tạo ra từ thông trong lõi và với lượng dòng điện chay qua cuộn dây. Do đó lượng từ thông, Φ (Chữ cái trong tiếng Hy Lạp là Phi) tỷ lệ với tích của N (số vòng) x I (cường độ dòng điện tính bằng ampe) . Tăng số vòng dây hoặc dòng điện trong cuộn dây tạo ra sự gia tăng từ thông.

Φ ∝ NI 

Điện trở

Có một cách thứ ba để tăng từ thông. Đó là cải thiện đặc tính từ của lõi bằng cách sử dụng vật liệu có Điện trở thấp (Rm), đây là đặc tính của vật liệu tương đương từ tính với thuộc tính điện của Điện trở. Điện trở càng thấp thì từ thông càng dễ dàng chạy qua vật liệu lõi.

Vật liệu dễ bị nhiễm từ có điện trở thấp và độ từ thẩm cao, và vật liệu không từ tính có điện trở cao và độ từ thẩm thấp. Đối lập với Điện cảm là Tính thấm, tương đương từ tính của Độ dẫn điện.

Hình 11.2.1

So sánh mạch điện và mạch từ.

Mạch điện và mạch từ giống nhau về nhiều khía cạnh. Hình 11.2.1 so sánh một mạch điện đơn giản và một mạch từ đơn giản.

Trong mạch điện, emf do pin sinh ra truyền cho dòng điện quanh mạch gồm một đoạn dây dài có điện trở R.

Mạch từ cũng có nguồn điện từ  được cung cấp bằng một dòng điện xoay chiều. Giống như nguồn điện bên ngoài được gọi là động lực điện, nguồn từ bên ngoài được gọi là động lực từ (mmf), và được đo bằng ampe vòng.

Emf tạo ra dòng điện (I) có cường độ đo bằng ampe trong mạch điện; trong mạch từ tính, mmf tạo ra từ thông, Φ và được đo bằng đơn vị weber (Wb). Điện trở đối với dòng từ thông trong lõi được gọi là Điện cảm (Rm )

Hình 11.2.2

Từ thông liên kết giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.

Hình 11.2.2 mô tả một mạch từ được tạo ra từ một vòng dây hoặc lõi sắt hình chữ nhật. Một cuộn dây (cuộn sơ cấp) được cung cấp dòng điện xoay chiều được quấn quanh một mặt của lõi để cung cấp nguồn mmf. Ở phía bên kia của lõi, một cuộn dây riêng biệt (cuộn thứ cấp) được quấn, cung cấp một dụng cụ đo lường để đo lượng dòng điện trong cuộn dây. Dòng điện trong cuộn dây này sẽ tỷ lệ với lượng từ thông chạy trong lõi. Sự sắp xếp này do đó cung cấp một phương tiện đo từ thông.

Hình 11.2.3 Từ thông tỷ lệ với dòng điện và số vòng.

Hình 11.2.3 cho thấy rằng bằng cách thay đổi số vòng dây trên cuộn sơ cấp hoặc dòng điện chạy qua nó, một lượng dòng điện khác sẽ chạy trong cuộn thứ cấp cho thấy rằng từ thông (Φ) tỷ lệ với cả dòng điện và số của lượt.

Φ ∝ NI

Hình 11.2.4 Từ  thông cũng bị ảnh hưởng bởi kích thước của lõi.

Hình 11.2.4 cho thấy rằng nếu mmf được giữ không đổi, nhưng kích thước của lõi bị thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của đường từ thông hoặc diện tích mặt cắt ngang của nó, thì lượng từ thông chảy xung quanh lõi cũng sẽ thay đổi.

Do đó từ thông đo được (Φ) trong lõi (và do đó là dòng điện thứ cấp) tỷ lệ với diện tích mặt cắt ngang của lõi và tỷ lệ nghịch với chiều dài của đường từ thông:

Trong đó:

A là diện tích mặt cắt ngang của lõi và

L là chiều dài trung bình của đường từ thông xung quanh lõi.

Mạch từ cũng có một số Điện cảm Rm (một loại điện trở từ thông);

Điện trở được đo bằng Ampe trên Weber (A / Wb).

Độ từ thẩm.

Điện trở không chỉ phụ thuộc vào kích thước của dây dẫn mà còn phụ thuộc vào vật liệu của dây dẫn và điện trở suất của nó. Tương tự như vậy, trong mạch từ, điện trở không chỉ phụ thuộc vào chiều dài và diện tích mặt cắt ngang mà còn phụ thuộc vào Độ từ thẩm (µ) của vật liệu.

Giá trị µ càng cao thì từ thông sẽ chảy càng nhiều và từ thông chảy ra càng nhiều thì giá trị của điện trở Rm càng thấp

Do đó:

Vì vậy, Điện cảm tăng theo chiều dài của đường sức từ (l) và giảm khi tiết diện diện tích (A) của lõi hoặc Độ thấm (µ) của vật liệu được tăng lên.

Độ từ thẩm tương đối và độ từ thẩm tuyệt đối 

Độ từ thẩm được biểu thị bằng:

Thông thường để tìm một vật liệu lõi được mô tả bằng độ từ thẩm tương đối của nó (µr ), nghĩa là bằng bao nhiêu lần độ từ thẩm tuyệt đối (µ) của vật liệu đó hơn độ từ thẩm tuyệt đối của không gian tự do (µ0 ). Độ từ thẩm tuyệt đối của không gian tự do µ0 có giá trị là 4p x 10 -7 H / m = 1.256637061 x 10 -6 H / m trong đó H tính bằng henrys và m tính bằng mét. Độ từ thẩm tuyệt đối của vật liệu được sử dụng trong lõi sẽ liên quan đến những con số khó hiểu tương tự. Nếu một con số thuận tiện hơn, độ từ thẩm tương đối của không gian tự do (hoặc không khí), sẽ là 1 thông số khác được sử dụng, thì độ từ thẩm tuyệt đối của vật liệu (µ) sẽ là độ từ thẩm tương đối của nó (µr ) nhân với độ từ thẩm tuyệt đối của không gian tự do (µ0 ).

Do đó µ là một tỷ lệ đơn giản không có bất kỳ đơn vị nào, ví dụ nếu µ của một vật liệu được cho là 1000, thì độ từ thẩm của nó lớn hơn một nghìn lần so với độ từ thẩm tuyệt đối của không gian tự do (hoặc không khí).

Độ từ thẩm của sắt có thể lên đến hàng trăm, do đó đường dẫn từ của sắt chứ không phải của không khí sẽ làm tăng đáng kể từ thông, đó là lý do tại sao sắt là một lựa chọn phổ biến làm vật liệu cho cuộn cảm và lõi biến áp.

Hình 11.2.5. Các loại lõi biến áp thông dụng.

Hình 11.2.5 minh họa một số loại lõi thường được sử dụng. Shell Core là một cải tiến của loại Core; mạch từ của nó bao quanh các cuộn dây đầy đủ hơn. Lưu ý rằng phần ở giữa có diện tích tiết diện gấp đôi so với phần ngoài ngoài, cho phép tăng gấp đôi từ thông trong cuộn dây sơ cấp và thứ cấp.

Lõi Toroidal cho phép ghép nối hiệu quả hơn và tỏa ít năng lượng điện từ ra bên ngoài máy biến áp hơn.

Mạch từ của lõi nồi gồm hai phần, được sử dụng cho máy biến áp và cuộn cảm tần số cao nhỏ hơn, bao bọc hoàn toàn các cuộn dây.

Độ bão hòa trong cuộn cảm là gì

Trước tiên, ta nên hiểu được cách vật liệu tạo ra từ trường. Một cách đơn giản để nghĩ về điều này là mỗi nguyên tử là một vòng dòng điện nhỏ tạo ra từ trường.

Một vật liệu từ có số lượng rất lớn các vòng này. Các vòng này có xu hướng tự sắp xếp thành “miền từ tính”, là các khu vực cực nhỏ nơi tất cả các vòng đều thẳng hàng. Trong vật liệu không có từ tính, hướng của các miền được phân bố ngẫu nhiên, và do đó không có từ trường thuần.

Áp dụng một từ trường lên một vật liệu sắt từ sẽ bắt đầu căn chỉnh các miền từ, tạo ra một từ trường “cảm ứng” từ vật liệu. Tăng từ trường đặt vào sẽ làm tăng lượng mà các miền từ được sắp xếp lại , và do đó làm tăng từ trường cảm ứng. Điều này thường rất phi tuyến tính. Tại một thời điểm nào đó, từ trường được áp dụng sẽ sắp xếp TẤT CẢ các miền và không thể tăng từ trường khỏi vật liệu được nữa. Trạng thái này được gọi là “bão hòa”.

Điều gì xảy ra khi một cuộn cảm bão hòa?

Khi cuộn cảm bão hòa, nó sẽ không tích trữ nhiều năng lượng hơn nếu bạn cho phép dòng điện chạy qua nó trong thời gian dài hơn. Theo sự bảo toàn năng lượng, năng lượng mà chúng ta cung cấp sau khi bão hòa sẽ trở thành tổn thất và tạo ra nhiệt trong cuộn cảm và cuộn cảm sẽ cháy.

Bão hòa ảnh hưởng đến điện cảm như thế nào ?

Hãy tưởng tượng lõi của cuộn dây (cuộn cảm) như một thứ được cấu tạo bởi một lượng vô hạn nam châm cực nhỏ. Khi bạn đặt một dòng điện vào cuộn dây, dòng điện này tạo ra một từ trường (thường chúng ta gọi là trường H), và trường này quản lý để căn chỉnh một phần của những nam châm nhỏ đó. Các nam châm nhỏ được sắp xếp thẳng hàng tạo ra một số từ trường hơn (thường chúng ta gọi nó là trường B). Trường mới này thường có cường độ cao hơn nhiều so với trường gốc từ chính trường hiện tại. Dòng điện áp dụng càng nhiều, các nam châm nhỏ càng thẳng hàng. Nhưng có một giới hạn cho nó, khi tất cả chúng đều được căn chỉnh, bạn không thể buộc chúng tạo thêm trường. Khi bạn đạt đến điểm này, nếu tăng cường độ dòng điện thì từ trường không tăng (chỉ tăng từ trường H nhưng không đáng kể so với từ trường B). Đó là sự bão hòa.

Hiệu ứng đáng chú ý hơn là như sau: khi bạn tăng / giảm dòng điện, bạn sẽ làm tăng / giảm từ trường. Sự biến thiên của trường này tạo ra điện áp trên các cực của cuộn dây (định luật faraday) đó là hiệu ứng cảm ứng. Nhưng khi lõi bão hòa, sự thay đổi của dòng điện không thể gây ra sự biến đổi của trường nữa, và nếu trường không đổi thì sẽ không có điện áp cảm ứng. Tại thời điểm này, cuộn dây không hoạt động như một cuộn cảm nữa, nó hoạt động giống như một điện trở nhỏ (vì điện trở của dây dẫn).

Hãy xem, Cuộn cảm là một thiết bị lưu trữ năng lượng. Nó lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường nhờ động năng của các electron và khi dòng điện chạy trong cuộn cảm, nó tạo ra từ trường.

Ngoài ra, cuộn cảm không có số vòng dây cao, điện trở thấp và được làm bằng lõi sắt (cung cấp đường dẫn từ trở thấp) do đó chúng có độ tự cảm tốt, do đó giúp chúng tạo ra lượng từ trường thích hợp.

Trước khi bão hòa

Và khi dòng điện tăng lên, cường độ từ trường do nó tạo ra cũng tăng theo. Và nó hoạt động như một cuộn cảm.

Sau khi bão hòa

  • Dòng điện tăng lên, nhưng từ trường xung quanh nó không thay đổi tuyến tính, Nhưng trở nên không đổi.
  • Và do đó tại thời điểm bão hòa, nó mang dòng điện lớn và hoạt động như một dây ngắn mạch. (Nó có điện trở thấp).

Vì sao Cuộn cảm lại chặn AC và cho DC qua ?

Trên thực tế, điện cảm là đặc tính của một vật dẫn mà sự thay đổi dòng điện chạy qua nó tạo ra một suất điện động trong chính nó (tự cảm) hoặc  trong các vật dẫn khác gần đó. (cảm kháng lẫn nhau)
Theo định luật Oersted, một dòng điện ổn định tạo ra một từ trường ổn định. (Nó đã được xác minh thông qua các thí nghiệm của ông ấy)
Vì vậy, khi dòng điện qua cuộn cảm thay đổi, từ trường trở nên thay đổi theo thời gian.
Ứng dụng của định luật Faraday: Một từ trường biến thiên theo thời gian gây ra một suất điện động (hiệu điện thế). Do đó, một sức điện động được tạo ra trong vật dẫn, hoặc các vật dẫn gần đó bởi quá trình “tự cảm”, và điều này tỷ lệ với sự thay đổi của từ trường, và cuối cùng là sự thay đổi của dòng điện.
Do đó, độ tự cảm được cho bởi biểu thức:

Trong đó v (t) là điện áp trên và i là dòng điện qua nó.
L là hằng số tỉ lệ được gọi là “độ tự cảm”.

Bây giờ, vấn đề là theo định luật Lenz, điện áp cảm ứng này phải chống lại nguyên nhân, tức là; dòng điện chạy qua nó, và do đó điện áp được áp dụng.
Vì vậy, khi chúng ta cung cấp điện xoay chiều cho một cuộn cảm, sự thay đổi dòng điện xoay chiều tạo ra một điện áp trong cuộn cảm chống lại điện áp đặt vào và điều này gây ra sự “chặn” AC bởi cuộn cảm.
Điều tương tự cũng có thể được nhận ra từ khái niệm điện kháng, có thể suy ra từ biểu thức trên, và được cho dưới dạng:

X = 2*pi* frequency* L

trong đó X là điện kháng của cuộn cảm, L là độ tự cảm.
Do đó, khi tần số của AC được đặt vào tăng lên, thì điện trở cũng tăng lên, do đó AC bị “chặn”.
Đây cũng là lý do tại sao cuộn cảm hoạt động như ngắn mạch trong DC. (tần số = 0, hoặc theo cách khác, thay đổi trong dòng điện = 0).

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button