Cuộn cảm là một linh kiện thụ động trong ngành điện tử và được coi là quan trọng nhất sau điện trở và tụ điện. Nói về cuộn cảm, nó không gì khác hơn là một dây dẫn quấn chặt quanh một lõi. Bài hướng dẫn này được viết để cung cấp hiểu biết tốt về nguyên lý hoạt động của cuộn cảm và cách sử dụng chúng trong các mạch thực tế. Bài hướng dẫn này tập trung vào ba câu hỏi quan trọng mà một người đam mê sẽ có về cuộn cảm.
CUỘN CẢM LÀ GÌ
Như đã nói ở trên, cuộn cảm không gì khác hơn là một dây dẫn cách điện được quấn chặt quanh một lõi. Lõi này có thể làm từ vật liệu sắt từ, nhựa hoặc trong một số trường hợp là lõi rỗng (không khí). Điều này dựa trên nguyên tắc “Từ thông phát triển xung quanh một dây dẫn mang dòng điện“. Nếu bạn biết về tụ điện, bạn sẽ quen với thực tế là tụ điện lưu trữ năng lượng bằng cách lưu trữ các điện tích bằng nhau và ngược nhau trên các tấm của nó. Tương tự, cuộn cảm lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường phát triển xung quanh nó. Cuộn cảm phản ứng khác nhau với dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều. Nhưng trước khi đi sâu vào “Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm”, hãy xem về cấu tạo và đặc tính của nó.
CẤU TẠO CỦA CUỘN CẢM:
Cuộn cảm khá đơn giản để chế tạo so với tất cả các thành phần khác được sử dụng trong điện tử. Sau đây là hướng dẫn để làm một cuộn cảm đơn giản. Tất cả những gì cần là một dây cách điện và một vật liệu lõi để quấn cuộn dây. Lõi không gì khác hơn là một vật liệu mà dây quấn bao quanh như trong sơ đồ trên. Có nhiều loại cuộn cảm khác nhau dựa trên vật liệu lõi được sử dụng trong đó. Một số vật liệu lõi phổ biến được sử dụng là sắt, sắt từ, v.v. Ngoài các loại vật liệu lõi, nó có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau từ hình trụ, thanh, vòng và tấm. Ngược lại, cũng có những cuộn cảm không có lõi vật lý. Chúng được gọi là cuộn cảm lõi rỗng hoặc lõi không khí. Lõi đóng một vai trò quan trọng trong việc thay đổi độ tự cảm của một cuộn cảm.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CUỘN CẢM
Hãy bắt đầu bằng cách nêu thực tế “Từ thông sẽ được phát triển trên một dây dẫn mang dòng điện”. Tương tự, khi dòng điện được đưa qua một cuộn cảm, nó sẽ phát triển từ thông xung quanh nó. Nói cách khác, năng lượng được cấp cho một cuộn cảm được lưu trữ dưới dạng từ thông. Hướng của từ thông phát triển sẽ ngược với hướng của dòng điện. Do đó, cuộn cảm chống lại sự thay đổi đột ngột của dòng điện chạy qua nó. Khả năng này của cuộn cảm được gọi là độ tự cảm và mọi cuộn cảm sẽ có một số độ tự cảm bên trong nó. Điều này được ký hiệu bằng ký hiệu L và đo bằng Henry.
Độ tự cảm của một cuộn cảm phụ thuộc vào hình dạng của cuộn dây, số vòng của cuộn dây quấn trên lõi, diện tích của lõi và hệ số độ từ thẩm của vật liệu lõi. Độ tự cảm của một cuộn cảm được cho bởi
L = μN2A / l
L – Độ tự cảm của cuộn dây
μ – Độ từ thẩm của vật liệu lõi
A – Diện tích cuộn dây tính bằng mét vuông
N – Số vòng trong cuộn dây
l – Chiều dài trung bình của cuộn dây tính bằng mét
CUỘN CẢM TRONG MẠCH XOAY CHIỀU:
Như đã nói ở trên, cuộn cảm hoạt động khác nhau với nguồn tín hiệu xoay chiều so với một chiều. Khi tín hiệu xoay chiều được đưa vào cuộn cảm, nó tạo ra một từ trường thay đổi theo thời gian vì dòng điện tạo ra từ trường cũng thay đổi theo thời gian. Hiện tượng này theo định luật Faraday tạo ra một điện áp cảm ứng tự thân trên cuộn cảm. Điện áp cảm ứng tự thân này được ký hiệu là VL. Trên thực tế, điện áp phát triển trên cuộn cảm hoạt động ngược với hướng dòng điện, chống lại chúng. Điện áp này trên cuộn cảm được cho bởi công thức
VL = L di / dt
VL – Điện áp cảm ứng tự thân
di / dt – Sự thay đổi dòng điện theo thời gian
Nếu 1 ampe dòng điện đối với một giây khi chạy qua một cuộn cảm 1 Henry sẽ phát triển 1v trên cuộn cảm. Bây giờ bạn thấy dòng điện chạy qua cuộn cảm ảnh hưởng như thế nào đến điện áp phát triển trên nó. Điện áp này phát triển hoạt động ngược lại với dòng điện chạy qua cuộn cảm.
ĐẶC TÍNH V-I CỦA CUỘN CẢM:
Hãy hiểu rõ hơn về các khái niệm trên bằng cách tham chiếu đến đường cong đặc tính VI của một cuộn cảm. Khi chu kỳ dương của tín hiệu xoay chiều đi qua cuộn cảm, dòng điện tăng lên. Chúng ta biết cuộn cảm ghét sự thay đổi của dòng điện nên nó phát triển một điện áp cảm ứng để chống lại dòng điện đang gây ra nó. Bạn có thể quan sát điều này ở 0° trong biểu đồ trên rằng điện áp cảm ứng sẽ tối đa khi dòng điện bắt đầu tăng. Khi dòng điện đạt đến mức tối đa, điện áp cảm ứng chuyển sang âm để cố gắng giữ cho dòng điện không giảm xuống.
Chu kỳ này lặp lại chính nó và từ biểu đồ trên, chúng ta có thể quan sát thấy rằng điện áp cảm ứng phát triển trong một cuộn cảm sẽ chống lại sự thay đổi của dòng điện chạy qua nó. Và ở đây, điện áp và dòng điện được nói là lệch pha 90°. Do đó, với tín hiệu xoay chiều, cuộn cảm lưu trữ và giải phóng năng lượng dưới dạng từ trường trong một chu kỳ liên tục.
CUỘN CẢM TRONG MẠCH MỘT CHIỀU:
Bây giờ chúng ta đã có một ý tưởng về cách cuộn cảm hoạt động với nguồn tín hiệu xoay chiều. Hãy xem nó phản ứng như thế nào khi sử dụng với nguồn tín hiệu một chiều. Hãy nhớ lại công thức điện áp cảm ứng trên cuộn cảm là
VL = L di / dt
Khi sử dụng nguồn tín hiệu một chiều, sự thay đổi dòng điện theo thời gian sẽ bằng không, dẫn đến điện áp cảm ứng trên cuộn cảm bằng không. Nói một cách đơn giản, trong mạch một chiều, cuộn cảm hoạt động như một dây dẫn thông thường với một số điện trở do dây của nó gây ra. Nhưng còn nhiều điều hơn thế khi sử dụng cuộn cảm với nguồn tín hiệu một chiều trong các mạch thực tế. Trong các mạch thực tế, sẽ có một khoảng thời gian ngắn mà dòng điện cần để đạt giá trị tối đa từ không. Trong thời điểm này, sẽ có một điện áp cảm ứng trên cuộn cảm, điện áp này sẽ âm cực đại khi dòng điện bắt đầu di chuyển từ 0 đến giá trị tối đa của nó. Khi dòng điện đạt đến điều kiện một chiều ổn định, điện áp cảm ứng giảm mạnh trở lại 0 và triệt tiêu. Khoảng thời gian ngắn của điện áp cảm ứng này sẽ được thể hiện dưới dạng một xung điện áp bởi cuộn cảm khi sử dụng với nguồn tín hiệu một chiều.
ĐỘ KHÁNG CẢM:
Một điều quan trọng khác cần biết về cuộn cảm là trở kháng. Đây là tính chất điện trở mà các linh kiện như tụ điện và cuộn cảm thể hiện với tín hiệu dòng điện xoay chiều. Trở kháng mà cuộn cảm biểu hiện được gọi là trở kháng cảm và được cho bởi công thức
XL = 2πFL
Từ phương trình, bạn có thể suy ra rằng trở kháng tăng theo tần số của tín hiệu xoay chiều, hãy nhớ rằng cuộn cảm ghét dòng điện thay đổi nên nó thể hiện trở kháng lớn hơn với tín hiệu tần số cao. Trong khi đó, khi tần số gần bằng 0 hoặc tín hiệu một chiều đi qua, trở kháng trở thành 0, hoạt động như một dây dẫn để tín hiệu đầu vào đi qua.
ỨNG DỤNG CỦA CUỘN CẢM
Bây giờ chúng ta đã vượt qua phần hoạt động của cuộn cảm hơi nhàm chán và mơ hồ. Hãy học cách sử dụng cuộn cảm trong mạch. Để làm điều này, hãy xem xét các ứng dụng của nó. Ứng dụng của một cuộn cảm là phần thú vị nhất của hướng dẫn này. Phần này thảo luận về các ứng dụng / mạch quan trọng nhất nơi cuộn cảm được sử dụng. Nếu bạn tìm thấy cuộn cảm trong một mạch ở bất kỳ đâu, có khả năng cao nó sẽ rơi vào một trong những cách sử dụng cuộn cảm dưới đây.
MẠCH DAO ĐỘNG / MẠCH ĐIỀU CHỈNH:
Đây là các mạch được sử dụng trong bộ phát radio, bộ thu, dao động và các ứng dụng nơi việc lựa chọn tần số là quan trọng. Ở đây, cuộn cảm hoạt động cùng với tụ điện. Nếu bạn biết về nguyên lý hoạt động của một tụ điện, bạn biết rằng nó thể hiện trở kháng cao với tín hiệu tần số thấp trong khi cuộn cảm thể hiện trở kháng cao với tín hiệu tần số cao. Trong mạch này, giá trị cuộn cảm và tụ điện phải được lựa chọn sao cho nó cung cấp trở kháng bằng nhau ở một tần số đầu vào nhất định. Trạng thái này được gọi là cộng hưởng và tần số liên quan được gọi là tần số cộng hưởng. Khi tụ điện trong mạch này được sạc, nó lưu trữ các điện tích giữa các tấm của nó. Khi nguồn cung cấp bị cắt, dòng điện từ tụ điện đi qua cuộn cảm, dẫn đến việc phát triển một từ trường xung quanh nó. Đến lúc này, điện tích được lưu trữ trong tụ điện sẽ cạn kiệt và dòng điện ngừng chảy vào cuộn cảm. Như chúng ta đã biết, cuộn cảm yêu thích dòng điện ổn định và do đó nó sẽ cố gắng duy trì dòng điện chảy ổn định bằng cách làm sụp đổ từ trường của nó và cho phép dòng điện chảy ngược lại vào tụ điện. Tụ điện sẽ được sạc đầy lại. Điện tích chảy qua lại giữa tụ điện và cuộn cảm, dẫn đến việc tạo ra tín hiệu với tần số cộng hưởng cố định.
Tần số cộng hưởng được cho bởi công thức f0 = 1 / 2π√(LC)
BỘ GIỚI HẠN DÒNG ĐIỆN ĐỘT BIẾN:
Dòng điện đột biến, còn được gọi là dòng điện xung hoặc dòng điện xung đầu vào, có khả năng khá lớn trong việc phá hủy mạch. Đây là những dòng điện tức thời được rút ra bởi một tải hoặc thiết bị điện ngay khi nó được bật lên. Đáng kinh ngạc, dòng điện đột biến này có thể cao gấp 40 đến 50 lần dòng điện ổn định và có khả năng phá hủy thiết bị. Dòng điện đột biến thường xảy ra do dòng điện cao tức thời cần thiết cho các tụ điện giá trị cao, máy biến áp để hoạt động và phải được ngăn không cho đến thiết bị.
Cuộn cảm là cách được chấp nhận rộng rãi để ngăn dòng điện đột biến gây hư hỏng mạch. Khi mạch được bật lên, dòng điện cao tức thời thay đổi theo thời gian sẽ chảy. Cuộn cảm chống lại sự thay đổi này trong dòng điện bằng cách phát triển một từ trường xung quanh nó, từ trường này xây dựng một điện áp tự cảm ứng chống lại dòng điện cao này từ nguồn cung cấp. Sau một lúc, khi dòng điện trở lại trạng thái ổn định, từ trường sụp đổ và giải phóng năng lượng được lưu trữ vào mạch dưới dạng dòng điện. Khi dòng điện trở nên ổn định một chiều, cuộn cảm sẽ không còn chống lại nó và cung cấp đường dẫn tự do cho dòng điện chảy qua nó.
BỘ LỌC:
Đây là các mạch đặc biệt được sử dụng để lọc hoặc loại bỏ tín hiệu có tần số không mong muốn và chỉ cho phép tín hiệu trong giới hạn mong muốn đi qua. Sử dụng cuộn cảm cùng với các thành phần thụ động như điện trở và tụ điện, chúng ta có thể xây dựng ba loại bộ lọc khác nhau có thể phục vụ mục đích lọc tín hiệu của chúng ta.
BỘ LỌC THÔNG THẤP:
Như tên gọi của nó, bộ lọc này được sử dụng trong các mạch nơi bạn cần lọc các tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt từ tín hiệu đầu vào. Thuật ngữ tần số cắt đề cập đến giới hạn tần số được thiết lập bởi giá trị của các thành phần được sử dụng trong bộ lọc này. Vì vậy, ở đây giá trị của cuộn cảm và điện trở quyết định tần số cắt. Bộ lọc này cho phép tín hiệu có tần số dưới giới hạn cắt này và trên giới hạn này sẽ bị chặn bởi bộ lọc này.
Những gì xảy ra trong bộ lọc này là khi tín hiệu đầu vào có tần số cao, trở kháng được thể hiện bởi cuộn cảm sẽ rất cao. Trở kháng được quyết định bởi giá trị độ tự cảm và tần số như chúng ta đã thấy trong công thức XL = 2πFL. Cuộn cảm cùng với điện trở tạo thành một bộ chia điện áp trong đó với tần số cao hơn, trở kháng (điện trở) của cuộn cảm sẽ cao hơn. Trở kháng cao hơn cho phép cuộn cảm suy giảm tín hiệu một cách hiệu quả và do đó ở đầu ra sẽ là điện áp bằng không hoặc gần bằng không.
Tần số cắt của bộ lọc thông thấp này có thể được tính bằng fc = R / 2πL
BỘ LỌC THÔNG CAO:
Ở đây, trong bộ lọc thông cao này, vị trí của cuộn cảm và điện trở đã được hoán đổi. Bộ lọc này chỉ cho phép các tín hiệu tần số cao đi qua, ngược lại với bộ lọc thông thấp. Ở đây, các tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt sẽ được cho phép. Và các tín hiệu có tần số dưới đó sẽ bị suy giảm / chặn. Khi tín hiệu tần số thấp đi qua mạch, trở kháng được thể hiện bởi cuộn cảm sẽ rất thấp so với điện trở của điện trở, do đó độ sụt áp trên điện trở sẽ rất cao và tín hiệu đầu ra sẽ bằng không hoặc gần bằng không.
Khi tín hiệu tần số cao đi qua mạch, cuộn cảm thể hiện trở kháng cao so với điện trở R1. Do đó, điện trở cung cấp rất ít suy hao cho các tín hiệu đến, làm cho các tín hiệu tần số cao đạt đến đầu ra với rất ít hoặc không bị suy hao. Bằng cách này, tín hiệu tần số cao được phép đi qua trong khi tín hiệu tần số thấp bị chặn.
Tần số cắt của bộ lọc này có thể được tính bằng fc = R / 2πL
BỘ LỌC THÔNG DẢI:
Trong bộ lọc này, chỉ một dải tần số được phép đi qua chúng và bất cứ thứ gì nằm ngoài tần số này sẽ bị loại bỏ. Khác với bộ lọc thông cao và thông thấp, bộ lọc thông dải có hai tần số cắt. Tần số cắt trên và dưới, và tín hiệu có tần số nằm giữa các tần số này sẽ chỉ được phép đi qua.
Nguyên lý hoạt động của bộ lọc này chủ yếu phụ thuộc vào cuộn cảm và tụ điện được kết nối song song. Đây là một mạch tank, như chúng ta đã thấy trước đó trong mạch điều chỉnh. Nếu bạn nhớ những gì bạn đã thấy từ phần Mạch điều chỉnh, tần số cộng hưởng là tần số mà tại đó trở kháng của cả cuộn cảm và tụ điện đối với tín hiệu đến sẽ bằng nhau. Trở kháng do cặp cuộn cảm và tụ điện cung cấp sẽ cao so với điện trở của điện trở khi tín hiệu đến gần hoặc xung quanh tần số cộng hưởng. Do đó, dải tần số gần với tần số cộng hưởng sẽ đi qua bộ lọc. Các tần số ngoài dải này sẽ bị chặn.
BỘ TĂNG ÁP:
Bộ tăng áp là các mạch được sử dụng để tăng điện áp đầu vào lên một mức nhất định. Nó thể hiện điện áp cao hơn ở đầu ra so với điện áp đầu vào. Cuộn cảm là thứ quan trọng nhất trong mạch tăng áp do tính chất của chúng trong việc phát triển suất điện động cảm ứng tự thân khi dòng điện có tính chất xoay chiều chạy qua nó. Hình trên cho thấy một mạch tăng áp điển hình trong đó một nguồn một chiều được cấp cho cuộn cảm. Mặt khác, một MOSFET được kết nối với nó. MOSFET sẽ được bật và tắt ở các khoảng thời gian ổn định bởi một nguồn tín hiệu.
Khi MOSFET được bật, dòng điện chảy từ nguồn cấp đến cuộn cảm và sau đó chảy qua MOSFET. Điều này tạo ra từ thông cũng như điện áp tự cảm ứng trên cuộn cảm. Khi MOSFET được tắt bởi nguồn tín hiệu, nó dẫn đến giảm dòng điện chảy. Cuộn cảm bây giờ sẽ cố gắng giữ cho dòng điện này chảy ổn định. Kết quả là điện áp tự cảm đổi cực, buộc nó hoạt động như một nguồn điện nối tiếp với nguồn cấp G1.
Điện áp tổng hợp này (Điện áp từ nguồn cấp G1 và điện áp tự cảm trên L1) sẽ buộc dòng điện chảy qua diode và sạc tụ điện đến mức điện áp này. Khi MOSFET được chuyển đổi BẬT và TẮT đủ nhanh, tụ điện sẽ giữ được mức điện áp này và thể hiện mức điện áp này ở đầu ra. Do đó, sử dụng các loại mạch này, bạn sẽ nhận được điện áp tăng áp ở đầu ra.
TÓM TẮT NHANH VỀ CUỘN CẢM:
- Cuộn cảm là một phần tử thụ động, có nghĩa là nó không thể tự tạo ra năng lượng.
- Nó chống lại những thay đổi của dòng điện chạy qua nó.
- Cuộn cảm cung cấp đường dẫn điện trở thấp khi tín hiệu một chiều được áp dụng cho nó.
- Khi tín hiệu xoay chiều được áp dụng, từ trường hình thành xung quanh cuộn cảm, dẫn đến việc phát triển một điện áp tự cảm ứng chống lại sự thay đổi của dòng điện chạy qua nó.
- Ngược lại với tụ điện, cuộn cảm cung cấp trở kháng cao cho các tín hiệu tần số cao và trở kháng thấp cho các tín hiệu tần số thấp.
- Các ứng dụng quan trọng của cuộn cảm là trong các bộ phát RF, bộ thu, nguồn cấp, bộ lọc tín hiệu, v.v.
Đó là những điều khá nhiều về cuộn cảm và ứng dụng của chúng trong các mạch thực tế. Chúng tôi đề nghị bạn đọc hướng dẫn hoạt động và ứng dụng của cuộn cảm này hai lần để thiết lập một sự hiểu biết vững chắc về cuộn cảm. Hướng dẫn này chắc chắn đã giúp bạn xác định mục đích sử dụng cuộn cảm trong bất kỳ mạch nào trong tương lai. Cũng có những ứng dụng khác của cuộn cảm mà chúng tôi chưa đề cập trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ đề cập trong một hướng dẫn khác sẽ được xuất bản trong những ngày sắp tới.
