Cuộn cảm

Cuộn cảm (còn gọi là cuộn từ hoặc cuộn từ cảm) là một linh kiện điện tử thụ động được cấu tạo từ một dây dẫn quấn nhiều vòng, tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua. Cuộn cảm có giá trị độ tự cảm (hay từ dung) L, được đo bằng đơn vị Henry (H).

Các loại: lõi không khí, lõi sắt bụi, lõi sắt lá

Tổng quan

Khi áp dụng dòng điện một chiều (DC), với cường độ và hướng không thay đổi (tần số bằng 0), cuộn dây hoạt động như một điện trở với điện kháng gần như bằng không, tức là cuộn dây gần như nối đoản mạch. Dòng điện trong cuộn dây tạo ra một từ trường, B, có cường độ và hướng không thay đổi.

Khi kết nối cuộn dây với điện xoay chiều (AC), dòng điện trong cuộn dây tạo ra một từ trường, B, và một điện trường, E, biến đổi theo thời gian và luôn vuông góc với từ trường. Cảm kháng của cuộn cảm phụ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều.

Cuộn cảm L có khả năng lọc nhiễu hiệu quả cho các mạch nguồn DC khi có tạp nhiễu ở nhiều tần số khác nhau, tùy thuộc vào từng loại cuộn cảm cụ thể, giúp ổn định dòng điện và ứng dụng trong các mạch lọc tần số.

Từ trường và từ dung

Khi có dòng điện chạy qua, cuộn dây tạo ra từ trường và hoạt động như một nam châm điện. Khi không có dòng điện, cuộn dây không tạo ra từ trường. Từ trường sinh ra tỷ lệ với cường độ dòng điện.

$B.A=IL$

Hệ số tỷ lệ L, hay còn gọi là từ dung hoặc độ tự cảm, là một thuộc tính vật lý của cuộn dây, được đo bằng đơn vị Henry (H). Nó cho thấy khả năng của cuộn dây trong việc tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua, với A là diện tích bề mặt cuộn dây. Từ thông B.A tương ứng với từ thông. Từ dung càng cao, từ thông tạo ra càng lớn với cùng một dòng điện, và tương đương với khả năng lưu trữ năng lượng từ trường (từ năng) trong cuộn dây cũng tăng.

Dưới đây là bảng tổng hợp công thức tính từ dung cho một số trường hợp cụ thể

Điện thế, dòng điện và trở kháng

Dựa trên định luật cảm ứng Faraday, khi từ trường biến đổi theo thời gian, nó sẽ tạo ra một điện thế trên cuộn dây V.

$V=\frac{dB}{dt}=\frac{d\left(LI\right)}{dt}=L\frac{dI}{dt}+I\frac{dL}{dt}=L\frac{dI}{dt}$

Khi từ dung không thay đổi theo thời gian:

$V=L\frac{dI}{dt}$

Dòng điện trong cuộn dây được liên kết với điện thế qua công thức sau:

$I=\frac{1}{L}\int <!--\; \int \; -->Vdt$

Trở kháng tổng hợp của cuộn cảm khi chịu dòng điện xoay chiều phụ thuộc vào tần số của dòng điện này.

$Z=R+X_L$

$Z=R+j\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}L$

Trong đó, j là đơn vị ảo và ω là tần số góc của dòng điện xoay chiều.

Khi cuộn dây không có điện trở, tức là R=0, điện thế sẽ đi trước dòng điện một góc 90 độ. Nếu cuộn dây có điện trở R>0, thì điện thế sẽ đi trước dòng điện một góc θ.

$\tan <!--\; \; -->\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}=\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}\frac{L}{R}=2\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}f\frac{L}{R}$

Energy lưu trữ

Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây có thể được tính bằng công thức sau: 1

$E=\frac{1}{2}L{I}^2$

Chỉ số chất lượng

Chỉ số chất lượng, hay hệ số phẩm chất Q, được xác định là tỷ lệ giữa điện ứng và điện trở

$Q=\frac{X_L}{R_L}$

$Q=\frac{\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}L}{R_L}$

Hướng dẫn kết nối

Các cuộn dây có thể được nối tiếp với nhau để tăng từ dung hoặc nối song song để giảm từ dung.

Khi nối tiếp nhiều (n) cuộn dây, tổng từ dung sẽ được cộng dồn lại và bằng tổng của các từ dung của từng cuộn dây:

L_t = L₁ + L₂ + ... + L_n

Khi nhiều (n) cuộn dây được nối song song, tổng từ dung sẽ giảm. Nghịch đảo của tổng từ dung bằng tổng các nghịch đảo của từng cuộn dây:

$\frac{1}{L_T}=\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+...+\frac{1}{L_n}$

Các ứng dụng của cuộn cảm

• Nam châm điện
• Công tắc điện tử

Thiết kế mạch điện

• mạch LC
• mạch RC
• mạch RL
• mạch RLC

Các liên kết bên ngoài