Cuộn cảm là các thành phần lưu trữ năng lượng từ trường biến năng lượng điện thành năng lượng từ trường. Cuộn cảm, giống như dây dẫn và điện trở, là các thành phần đơn giản thực hiện các vai trò chuyên biệt trong các thiết bị điện tử. Hãy tham khảo thêm với Học Điện Tử nhé !
Cuộn cảm thường là các thiết bị giống như cuộn dây được thấy trong các mạch điện tử. Cuộn cảm là một cuộn dây quấn quanh lõi ở giữa. Bằng cách lưu trữ tạm thời năng lượng trong một trường điện từ và sau đó giải phóng nó trở lại mạch, các cuộn cảm thường được sử dụng để giảm hoặc kiểm soát các xung điện.
Khi điện được đưa vào một cuộn cảm, nó sẽ lưu trữ năng lượng dưới dạng năng lượng từ trường, được sử dụng trong hầu hết các mạch điện tử công suất. Đặc tính chính của cuộn cảm là nó chống lại hoặc cản trở bất kỳ sự thay đổi nào về lượng dòng điện chạy qua nó. Để cân bằng dòng điện đi qua cuộn cảm, nó nhận hoặc mất điện tích bất cứ khi nào dòng điện qua nó thay đổi. Cuộn cảm, cuộn kháng hoặc cuộn dây là những tên gọi khác của cuộn cảm.
Cuộn cảm dùng để làm gì? Cuộn cảm thường được sử dụng trong hệ thống điện chuyển mạch để tạo ra dòng điện một chiều làm thiết bị lưu trữ năng lượng. Cuộn cảm là một thành phần thiết yếu của mạch điện vì chúng ngăn cản sự thay đổi đột ngột của dòng điện trong mạch điện.
Bản chất đặc trưng của điện cảm, được định nghĩa là tỷ số giữa điện áp và tốc độ thay đổi dòng điện, đặc trưng cho một cuộn cảm. Từ trường cảm ứng trên cuộn dây gây ra hiện tượng tự cảm. Nó cũng bị ảnh hưởng bởi một số thứ, bao gồm:
- Hình dạng của cuộn dây.
- Số vòng và số lớp của dây.
- Độ từ thẩm của vật liệu lõi.
- Kích thước của lõi.
Henry [H] là đơn vị SI của độ tự cảm, và nó tương đương với weber / ampe khi đo các mạch từ. Chữ L là viết tắt của nó. Năng lượng được lưu trữ trong tụ điện dưới dạng cả năng lượng điện và từ trường. Cực tính của cuộn cảm thay đổi khi nó giải phóng, đây là một thành phần quan trọng. Theo cách tiếp cận này, cực tính trong quá trình phóng điện có thể được đảo ngược so với cực tính trong quá trình sạc. Định luật Lenz phát biểu rằng, khi dòng điện chạy qua vòng dây, suất điện động cảm ứng với các cực tính khác nhau tạo ra dòng điện có từ trường chống lại sự thay đổi của từ thông qua vòng dây, đảm bảo rằng từ thông ban đầu được bảo toàn.
Trong Điện tử, cuộn cảm có giá trị Henry hiếm khi được sử dụng vì nó có giá trị rất cao về mặt ứng dụng. Thông thường, các giá trị thấp hơn nhiều như Milli Henry, Micro Henry hoặc Nano Henry được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng.
| Đơn Vị | Giá trị | Mối quan hệ với Henry |
| mH | Milli Henry | 1/1000 |
| uH | Vi Henry | 1/1000000 |
| nH | Nano Henry | 1/1000000000 |
Ký hiệu của cuộn cảm :
Cấu tạo của cuộn cảm là gì ? Và ký hiệu của cuộn cảm
Cuộn cảm được hình thành bằng cách sử dụng dây đồng cách điện . Cuộn dây có thể khác nhau về hình dạng và kích thước và cũng có thể được quấn bằng nhiều loại vật liệu khác nhau.
Độ tự cảm của cuộn cảm phụ thuộc rất nhiều vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như số vòng dây, khoảng cách giữa các vòng dây, số lớp cuộn dây, loại vật liệu lõi, độ từ thẩm, kích thước, hình dạng của nó, v.v.
Các loại cuộn cảm
Có nhiều loại cuộn cảm khác nhau. Tùy thuộc vào loại vật liệu của chúng, về cơ bản chúng được phân loại như sau :
Cuộn cảm lõi không khí
Cuộn cảm lõi gốm được gọi là ” cuộn cảm lõi không khí “. Gốm là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho lõi cuộn cảm. Gốm có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp, vì vậy ngay cả trong một phạm vi nhiệt độ hoạt động, độ ổn định của điện cảm của cuộn cảm vẫn cao. Vì gốm không có đặc tính từ tính, nên không có sự gia tăng giá trị độ từ thẩm do vật liệu làm lõi.
Mục đích chính của nó là tạo ra một hình thức cho cuộn dây. Trong một số trường hợp, nó cũng sẽ cung cấp cấu trúc để giữ các thiết bị đầu cuối tại chỗ. Ưu điểm chính của các cuộn cảm này là tổn hao lõi rất thấp, hệ số chất lượng cao. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng tần số cao, nơi yêu cầu giá trị điện cảm thấp.
Dưới đây là một số ứng dụng quan trọng của cuộn cảm lõi không khí.
- Cuộn cảm lõi không khí được dùng ở đầu : Cuộn cảm lõi không khí được sử dụng trong các mạch lọc.
- Nó được sử dụng để đảm bảo độ tự cảm đỉnh thấp hơn, nhưng cũng làm giảm tổn thất năng lượng liên quan đến cuộn cảm ferit.
- Cuộn cảm lõi không khí dùng ở tần số nào : Cuộn cảm lõi không khí được sử dụng cho ứng dụng tần số thấp, tức là 20 Hz đến 1 MHz.
- Nó được sử dụng trong các ứng dụng tần số cao bao gồm TV và máy thu thanh.
- Cuộn cảm lõi không khí được sử dụng để ghép nối giữa các giai đoạn.
- Nó được sử dụng để xây dựng các cuộn dây điều chỉnh IFand RF.
Cuộn cảm lõi sắt
Ở những nơi cần cuộn cảm với không gian thấp thì những cuộn cảm lõi sắt này là lựa chọn tốt nhất. Những điều này được áp dụng trong các thiết bị âm thanh. Khi so sánh với các chỉ số cốt lõi khác, chúng có ứng dụng rất hạn chế.
Cuộn cảm lõi Ferrite
Ferit còn được gọi là vật liệu sắt từ. Chúng thể hiện tính chất từ tính. Chúng bao gồm hỗn hợp oxit kim loại của sắt và các nguyên tố khác để tạo thành cấu trúc tinh thể. Thành phần chung của sắt là XFe 2 O 4 . Trong đó X đại diện cho các vật liệu chuyển tiếp. Chủ yếu các tổ hợp vật liệu dễ từ hóa được sử dụng như mangan và kẽm [MnZn], niken và kẽm [niZn].
Ferrit chủ yếu có hai loại là sắt mềm và sắt cứng. Chúng được phân loại theo lực kháng từ. Lực kháng từ là cường độ từ trường cần thiết để khử từ vật liệu sắt từ , từ trạng thái bão hòa hoàn toàn về không.
Ferit mềm
Những vật liệu này sẽ có khả năng đảo ngược cực từ hóa của chúng mà không cần bất kỳ lượng năng lượng cụ thể nào cần thiết để đảo ngược cực từ.
Ferit cứng
Chúng còn được gọi là nam châm vĩnh cửu. Chúng sẽ giữ cực tính của từ hóa ngay cả sau khi loại bỏ từ trường.
Cuộn cảm lõi Ferit sẽ giúp cải thiện hiệu suất của cuộn cảm bằng cách tăng độ từ thẩm của cuộn dây dẫn đến tăng giá trị của điện cảm. Độ từ thẩm của lõi ferit được sử dụng trong các cuộn cảm sẽ phụ thuộc vào vật liệu ferit. Độ từ thẩm này dao động từ 20 đến 15.000 tùy theo vật liệu của ferit. Do đó điện cảm với lõi ferit rất cao khi so sánh với cuộn cảm với lõi không khí.
Cuộn cảm lõi ferit dùng ở tần số nào : Các cuộn cảm lõi ferit được sử dụng cho các máy biến áp điện làm việc ở dải tần số thấp [thường là 1 đến 200 kHz]. Nó được sử dụng trong chuyển mạch. Cuộn cảm lõi ferit được sử dụng trong các cuộn dây để hoạt động trong dải tần từ AF đến 100 MHZ
Cuộn cảm bột sắt
Chúng được hình thành từ các hạt rất mịn với các hạt cách điện bằng bột sắt có độ tinh khiết cao. Loại cuộn cảm này chỉ chứa gần 100% sắt. Nó mang lại cho chúng ta một lõi trông rắn chắc khi sắt này được nén dưới áp suất rất cao và trộn với chất kết dính như epoxy hoặc phenolic. Bằng cách tác động này, bột sắt hình thành giống như một cấu trúc rắn từ tính bao gồm các khe hở không khí .
Do khe hở không khí này, nó có khả năng lưu trữ từ thông cao khi so sánh với lõi ferit. Đặc tính này cho phép mức dòng điện một chiều cao hơn chạy qua cuộn cảm trước khi cuộn cảm bão hòa. Điều này dẫn đến giảm khả năng từ thẩm của lõi.
Phần lớn độ từ thẩm ban đầu của chỉ dưới 100. Do đó, những cuộn cảm này có độ ổn định độ từ thẩm ở nhiệt độ cao. Chúng chủ yếu được áp dụng trong nguồn chuyển mạch .
Cuộn cảm lõi nhiều lớp
Những vật liệu lõi này được hình thành bằng cách sắp xếp nhiều lớp phủ chồng lên nhau. Những lớp phủ này có thể được tạo thành từ các vật liệu khác nhau và có độ dày khác nhau. Vì vậy, kết cấu này có tính linh hoạt hơn. Các lớp này được tạo thành từ thép với vật liệu cách nhiệt giữa chúng.
Chúng được bố trí song song với trường để tránh tổn thất dòng điện phuco giữa các lớp. Chúng được sử dụng trong máy dò tần số thấp. Chúng có mức công suất cao vì vậy, chúng chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị lọc công suất cho tần số kích từ trên vài KHz.
Cuộn cảm ống dây
Dây dẫn điện được quấn vào hình trụ vì vậy chúng được đặt tên là cuộn cảm ống dây. Chúng chủ yếu được sử dụng để gắn trên bảng mạch in.
Nó bao gồm hai loại đó là hướng trục và hướng tâm. Dây dẫn hướng trục có nghĩa là dây dẫn ra từ cả hai mặt của lõi để gắn ngang trên bo mạch . Dây dẫn hướng tâm có nghĩa là dây dẫn ra từ cả hai mặt của lõi để gắn thẳng đứng trên bo mạch .
Cuộn cảm hình xuyến
Dây quấn đưc quấn trên lõi có bề mặt hình vòng . Chúng thường được tạo thành từ các vật liệu khác nhau như ferit, sắt bột , v.v … Cuộn cảm này có độ liên kết cao giữa cuộn dây và bão hòa sớm.
Sự sắp xếp của nó cho phép suy giảm từ thông tối thiểu, giúp tránh ghép từ thông với các thiết bị khác. Nó có hiệu suất truyền năng lượng cao và giá trị điện cảm cao ở các ứng dụng tần số thấp. Các cuộn cảm này chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị y tế, bộ điều chỉnh chuyển mạch, máy điều hòa không khí, tủ lạnh, viễn thông và nhạc cụ, v.v.
Cuộn cảm gốm nhiều lớp
Bản thân cái tên chỉ ra rằng nó bao gồm nhiều lớp. Đơn giản bằng cách thêm các lớp dây cuộn bổ sung được quấn quanh lõi trung tâm vào cuộn cảm sẽ tạo ra cuộn cảm nhiều lớp. Nói chung đối với số vòng dây nhiều hơn thì độ tự cảm cũng nhiều hơn.
Trong cuộn cảm nhiều lớp này không những cảm kháng của cuộn cảm tăng mà điện dung giữa các dây dẫn cũng tăng theo. Lợi thế nhất của các cuộn cảm này là bằng cách cung cấp cho các tần số hoạt động thấp hơn, chúng ta cũng có thể nhận được kết quả điện cảm cao hơn.
Chúng có các ứng dụng ở tần số cao để khử nhiễu, trong các mô-đun xử lý tín hiệu như mạng LAN không dây, Bluetooth, v.v. Chúng cũng được sử dụng tại các hệ thống thông tin di động.
Cuộn cảm biến đổi
Nó được hình thành bằng cách di chuyển lõi từ trong và ngoài của các cuộn dây cuộn cảm. Bằng lõi từ này chúng ta có thể điều chỉnh giá trị điện cảm. Khi chúng ta xem xét một cuộn cảm lõi ferrite, bằng cách di chuyển lõi của nó bên trong và bên ngoài mà cuộn dây quấn quanh, có thể hình thành cuộn cảm lõi ferrite thay đổi.
Loại cuộn cảm này được sử dụng trong các ứng dụng vô tuyến và tần số cao, nơi cần điều chỉnh. Các cuộn cảm này thường nằm trong khoảng từ 10 μH đến 100 μH và ngày nay chúng nằm trong khoảng từ 10nH đến 100 mH.
Cuộn cảm Ghép
Hai dây dẫn được kết nối bằng cảm ứng điện từ thường được gọi là cuộn cảm ghép. Chúng ta đã thấy rằng bất cứ khi nào dòng điện xoay chiều chạy trong một cuộn cảm tạo ra điện áp trong cuộn cảm thứ hai sẽ cho chúng ta hiện tượng tự cảm lẫn nhau.
Các cuộn cảm được ghép sẽ chỉ hoạt động trên hiện tượng này. Chúng có thể cách ly hai mạch về mặt điện bằng cách chuyển trở kháng qua mạch. Máy biến áp là một trong những loại cuộn cảm được ghép nối.
Cuộn cảm hoạt động như thế nào ?
Cuộn cảm trong mạch chống lại sự thay đổi của dòng điện chạy qua nó bằng cách tạo ra một điện áp trên nó tỷ lệ với tốc độ thay đổi của dòng điện. Để hiểu cách cuộn cảm hoạt động trong mạch, hãy xem xét hình ảnh minh họa bên dưới.
Như hình vẽ, một bóng đèn, một cuộn dây [cuộn cảm] và một công tắc được nối với pin. Nếu ta tháo cuộn cảm ra khỏi mạch thì đèn sáng bình thường. Với cuộn cảm, mạch hoạt động hoàn toàn khác.
Cuộn cảm hoặc cuộn dây có điện trở thấp hơn nhiều so với đèn, do đó khi đóng công tắc, hầu hết dòng điện sẽ bắt đầu chạy qua cuộn dây vì nó cung cấp một đường dẫn có điện trở thấp cho dòng điện. do đó, chúng tôi cho rằng chiếc đèn đó sẽ phát sáng rất mờ.
Khi ta mở công tắc thì bóng đèn phát sáng rất rực rỡ rồi nhanh chóng tắt ngúm.
Nguyên nhân là do khi đặt hiệu điện thế qua cuộn cảm, dòng điện chạy qua cuộn cảm sẽ tạo ra từ trường. Từ trường này lại tạo ra dòng điện cảm ứng trong cuộn cảm nhưng ngược cực, theo định luật Lenz.
Dòng điện cảm ứng này do từ trường của cuộn cảm cố gắng chống lại bất kỳ sự thay đổi, tăng hoặc giảm, của dòng điện. Một khi từ trường được xây dựng, dòng điện có thể chạy bình thường.
Bây giờ, khi công tắc đóng, từ trường xung quanh cuộn cảm sẽ giữ dòng điện chạy trong cuộn cảm cho đến khi từ trường giảm. Dòng điện này giúp đèn luôn sáng trong một khoảng thời gian nhất định mặc dù công tắc đang mở.
Nói cách khác, cuộn cảm có thể lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường và nó cố gắng chống lại bất kỳ sự thay đổi nào của dòng điện chạy qua nó. Do đó, kết quả chung của việc này là dòng điện qua một cuộn cảm không thể thay đổi ngay lập tức.
Điện áp qua cuộn cảm
Hiệu điện thế trên cuộn cảm tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi cường độ dòng điện chạy qua cuộn cảm. Về mặt toán học, điện áp trên cuộn cảm có thể được biểu thị bằng
trong đó :
Điện áp trên cuộn cảm là do năng lượng được lưu trữ trong từ trường của cuộn cảm.
Nếu dòng điện một chiều chạy qua cuộn cảm trở thành 0 vì dòng điện một chiều không đổi theo thời gian. Do đó, điện áp trên cuộn cảm trở thành không. Do đó, theo như các đại lượng một chiều được xem xét, ở trạng thái ổn định, cuộn cảm hoạt động như một dây dẫn.
Dòng điện qua cuộn cảm
Chúng ta có thể biểu thị dòng điện qua một cuộn cảm theo điện áp được phát triển trên nó như :
Trong phương trình trên, các giới hạn của tích phân được quyết định bằng cách xem xét các điều kiện ban đầu tức là từ :
Bây giờ, giả sử rằng hành động chuyển đổi diễn ra tại t = 0, điều đó có nghĩa là công tắc được đóng tại t = 0. Chúng ta có phương trình của dòng điện qua một cuộn cảm là :
Chúng tôi có thể chia các giới hạn tích hợp thành hai khoảng thời gian là -∞ đến 0 và 0 đến t . chúng ta biết rằng 0- là thời điểm ngay trước khi hành động chuyển đổi diễn ra, trong khi đó 0+ là thời điểm ngay sau khi hành động chuyển đổi diễn ra. Do đó, chúng ta có thể viết :
Vì vậy,
Ở đây, thuật ngữ
Ban đầu, chúng tôi giả định rằng hành động chuyển đổi diễn ra ở thời điểm 0 . Do đó, tích hợp từ 0- đến 0+bằng không.Vì vậy,
Do đó, dòng điện qua cuộn cảm không thể thay đổi tức thời. Điều đó có nghĩa là dòng điện qua một cuộn cảm, trước và sau khi chuyển đổi hành động là như nhau.
Cuộn cảm tại t = 0
Cuộn cảm tại t=0 , tức là, tại thời điểm chuyển đổi điện áp trên cuộn cảm, lý tưởng ∞ là khoảng thời gian dt bằng 0. Do đó, tại thời điểm chuyển mạch cuộn cảm đóng vai trò như một mạch hở. Trong khi ở trạng thái ổn định, t= ∞ nó hoạt động như một mạch ngắn.
Nếu cuộn cảm mang dòng điện ban đầu I 0 trước khi chuyển đổi tác động, thì ngay lập tức t= 0+ nó hoạt động như một nguồn dòng điện không đổi có giá trị I 0 , trong khi ở trạng thái ổn định tại t=∞ , nó hoạt động như một nguồn dòng điện ngắn mạch.
Ghép cuộn cảm nối tiếp song song
Các cuộn cảm mắc nối tiếp và song song hoạt động tương tự như điện trở mắc nối tiếp và song song. Coi hai cuộn dây 1 và 2 được ghép từ tính lần lượt có L_1 và cuộn dây L_2. Gọi M là độ tự cảm giữa hai cuộn dây trong henry
Cuộn cảm Ghép nối tiếp
Xét đoạn mạch gồm hai cuộn cảm hoặc cuộn dây mắc nối tiếp với nhau. Có hai cách có thể để mắc nối tiếp các cuộn cảm.
- Theo cách thứ nhất, từ thông tạo ra bởi cuộn cảm tác dụng theo cùng một hướng. Sau đó, các cuộn cảm như vậy được cho là được kết nối theo kiểu hỗ trợ nối tiếp hoặc tích lũy.
- Theo cách thứ hai, nếu dòng điện được đảo ngược trong cuộn cảm khác để các từ thông tạo ra bởi cuộn cảm đối nghịch nhau, thì các cuộn cảm đó được cho là mắc nối tiếp hoặc đối kháng khác nhau.
Gọi độ tự cảm của cuộn cảm 1 là L1 và của cuộn cảm 2 là L2. Cả hai cuộn cảm được ghép nối tiếp với nhau có độ tự cảm M.
Cuộn cảm Ghép nối tiếp tích lũy
Hai cuộn cảm hoặc cuộn dây được ghép nối tiếp , như thể hiện trong hình dưới đây.
Trong mối liên hệ này, Emf tự cảm và Emf hỗ cảm của cả hai cuộn cảm hoạt động theo cùng một hướng Vì vậy :
- Emf tự cảm trong cuộn cảm 1,
- Emf hỗ cảm trong cuộn cảm 1,
- Emf tự cảm trong cuộn cảm 2,
- Emf hỗ cảm trong cuộn cảm 1,
Tổng số emf gây ra trong sự kết hợp :
Vậy điện cảm tương đương
Phương trình trên cho điện cảm tương đương của hai cuộn cảm hoặc cuộn dây nối tiếp . Nếu không có sự hỗ cảm giữa hai cuộn dây [tức là M = 0] thì :
Cuộn cảm ghép nối tiếp đối kháng
Xét một đoạn mạch có chứa hai cuộn cảm hoặc cuộn dây được ghép nối tiếp với nhau sao cho từ thông do hai cuộn cảm tạo ra ngược chiều nhau, như thể hiện trong hình dưới đây.
Khi các dòng đối lập nhau, Emf hỗ cảm sẽ ngược lại với dấu cho emf tự cảm ứng Do đó :
Ví Dụ :
Hai cuộn dây có điện cảm 10 mH và 15 mH và độ tự cảm giữa hai cuộn dây là 10 mH. Tìm điện cảm tương đương khi chúng mắc nối tiếp.
Theo công thức :
Cuộn cảm ghép song song
Hai cuộn cảm có thể được mắc song song sao cho
- Emf hỗ cảm hỗ trợ EMF tự cảm, tức là kết nối hỗ trợ song song
- Emf hỗ cảm chống lại EMF tự cảm, tức là, kết nối đối lập song song
Điện cảm khi mắc song song
Khi hai cuộn cảm được nối song song với nhau, emf cảm ứng lẫn nhau hỗ trợ EMF tự cảm ứng như thể hiện trong hình bên dưới.
Giả sử dòng điện chạy qua cuộn cảm L 1 và L 2 là i 1 và i 2 và độ tự cảm lẫn nhau là M.
Điện áp trên L 1 và L 2 = V
Nhưng điện áp trên L 1 = L 1 di 1 / dt + Mdi 2 / dt = V
và ngang qua L 2 = L 2 di 2 / dt + Mdi 1 / dt = V
Do đó chúng tôi có thể viết,
L 1 di 1 / dt + Mdi 2 / dt = L 2 di 2 / dt + Mdi 1 / dt
di 1 / dt [L 1 – M] = di 2 / dt [L 2 – M]
di 1 / dt = [[L 2 – M] / [L 1 – M]] di 2 / dt ………………. [1]
Bây giờ, tổng dòng điện chạy i = i 1 + i 2
Phân biệt phương trình trên miền thời gian chúng ta nhận được,
di / dt = di 1 / dt + di 2 / dt
= [[L 2 – M] / [L 1 – M]] di 2 / dt + di 2 / dt
= di 2 / dt [{[L 2 – M] / [L 1 – M]} + 1]
= di 2 / dt [[L 1 + L 2 -2M] / [L 1 – M]] ………………… .. [2]
Bây giờ, nếu sự kết hợp trên của cuộn cảm được thay thế bằng cuộn cảm tương đương L thì
V = Ldi / dt [tổng dòng điện tôi sẽ chạy qua cuộn cảm tương đương]
= L x di 2 / dt [[L 1 + L 2 – 2M] / [L 1 – M]] …… .. từ phương trình [2]
Nhưng V = L 2 di 2 / dt + Mdi 1 / dt
Vì vậy,
L 2 di 2 / dt + Mdi 1 / dt = L x di 2 / dt [[L1 + L2-2M] / [L 1 – M]]
Đưa giá trị của di 1 / dt từ phương trình [1],
∴ L 2 di 2 / dt + M [[L 2 – M] / [L 1 – M]] di 2 / dt = L x di 2 / dt [[L 1 + L 2 -2M] / [L 1 – M]]
⇒L 2 + M [[L 2 – M] / [L 1 – M]] = L [[L 1 + L 2 -2M] / [L 1 – M]]
⇒ [L 2 [L 1 – M] + M [L 2 – M]] / [L 1 – M] = L [[L 1 + L 2 -2M] / [L 1 – M]]
⇒ [L 2 [L 1 – M] + M [L 2 – M]] = L [L 1 + L 2 -2M]
⇒L = [L 2 [L 1 – M] + M [L 2 – M]] / [L 1 + L 2 -2M]
= [L 2 L 1 – M 2 ] / [L 1 + L 2 -2M]
Điện cảm tương đương L = [L 2 L 1 – M 2 ] / [L 1 + L 2 -2M]
Điện cảm khi mắc song song có ghép từ tính
Giả sử hai cuộn cảm có độ tự cảm L 1 và L 2 mắc song song như hình vẽ bên. Sự ghép từ tính giữa các cuộn cảm được cho là phép trừ. Sự ghép từ tính này được thể hiện bằng hai dấu chấm ở phía đối diện của cuộn cảm trong hình.
Giả sử dòng điện chạy qua cuộn cảm L 1 và L 2 là i 1 và i 2 và độ tự cảm lẫn nhau là M.
Điện áp trên L 1 và L 2 = V
Nhưng điện áp trên L 1 = L 1 di 1 / dt – Mdi 2 / dt = V
Lưu ý rằng trong khi tìm emf được phát triển trên L 1 , dấu trừ được sử dụng giữa L 1 di 1 / dt và Mdi 2 / dt vì sự ghép nối giữa các cuộn cảm bị trừ.
và ngang qua L 2 = L 2 di 2 / dt – Mdi 1 / dt = V
Do đó chúng tôi có thể viết,
∴ L 1 di 1 / dt – Mdi 2 / dt = L 2 di 2 / dt – Mdi 1 / dt
⇒di 1 / dt [L 1 + M] = di 2 / dt [L 2 + M]
⇒di 1 / dt = [[L 2 + M] / [L 1 + M]] di 2 / dt ………………. [1]
Bây giờ, tổng dòng điện chạy i = i 1 + i 2
Phân biệt phương trình trên miền thời gian chúng ta nhận được,
di / dt = di 1 / dt + di 2 / dt
= [[L 2 + M] / [L 1 + M]] di 2 / dt + di 2 / dt
= di 2 / dt [{[L 2 + M] / [L 1 + M]} + 1]
= di 2 / dt [[L1 + L 2 + 2M] / [L 1 + M]] ………………… .. [2]
Bây giờ, nếu sự kết hợp trên của cuộn cảm được thay thế bằng cuộn cảm tương đương L thì
V = Ldi / dt [tổng dòng điện tôi sẽ chạy qua cuộn cảm tương đương]
= L x di 2 / dt [[L 1 + L 2 + 2M] / [L 1 + M]] …… .. từ phương trình [2]
Nhưng V = L 2 di 2 / dt + Mdi 1 / dt
Vì vậy,
L 2 di 2 / dt – Mdi 1 / dt = L x di 2 / dt [[L 1 + L 2 + 2M] / [L 1 + M]]
Đưa giá trị của di 1 / dt từ phương trình [1],
L 2 di 2 / dt – M [[L 2 + M] / [L 1 + M]] di 2 / dt = L x di 2 / dt [[L 1 + L 2 + 2M] / [L 1 + M ]]
⇒L 2 – M [[L 2 + M] / [L 1 + M]] = L [[L 1 + L 2 + 2M] / [L 1 + M]]
⇒ [L 2 [L 1 + M] – M [L 2 + M]] / [L 1 + M] = L [[L 1 + L 2 + 2M] / [L 1 + M]]
⇒ [L 2 [L 1 + M] – M [L 2 + M]] = L [L 1 + L 2 + 2M]
⇒L = [L 2 [L 1 + M] – M [L 2 + M]] / [L 1 + L 2 + 2M]
= [L 2 L 1 – M 2 ] / [L 1 + L 2 + 2M]
Điện cảm tương đương L = [L 2 L 1 – M 2 ] / [L 1 + L 2 + 2M]
Ví dụ hai cuộn cảm mắc song song :
Hai cuộn cảm có độ tự cảm 5 mH và 10 mH và độ tự cảm giữa hai đầu là 5 mH. Tìm độ tự cảm tương đương khi chúng mắc song song ngược chiều nhau.
Bằng cách sử dụng phương trình, chúng ta nhận được độ tự cảm tương đương 1 mH khi chúng được mắc song song có ghép từ tính.
Cuộn cảm ghép đối hợp
Khi từ trường của một cuộn cảm [cuộn dây] cắt hoặc liên kết các lượt của cuộn cảm lân cận khác, thì hai cuộn cảm được cho là ghép từ tính. Do các cuộn cảm hoặc cuộn dây ghép lại nên giữa hai cuộn dây tồn tại một điện cảm tương hỗ.
Sự truyền năng lượng diễn ra từ mạch này sang mạch khác khi một trong hai mạch được cung cấp năng lượng. Máy biến áp hai cuộn dây, máy biến áp tự ngẫu và động cơ cảm ứng là những ví dụ về cuộn cảm hoặc cuộn dây hoặc mạch được ghép từ tính.
Coi hai cuộn cảm hoặc cuộn dây 1, 2 được ghép từ tính lần lượt có điện cảm L 1 và L 2 . Gọi M là độ tự cảm giữa hai đầu cuộn dây.
Ảnh hưởng của sự hỗ cảm là làm tăng [L 1 + M và L 2 + M] hoặc giảm [L 1 – M và L 2 – M] điện cảm của hai cuộn dây, điều này phụ thuộc vào sự sắp xếp của hai cuộn dây hoặc cuộn cảm.
- Khi hai cuộn dây được bố trí sao cho từ thông của chúng hỗ trợ lẫn nhau, khi đó độ tự cảm của mỗi cuộn dây tăng thêm M tức là nó trở thành L 1 + M đối với cuộn 1 và L 2 + M đối với cuộn 2. Đó là vì tổng từ thông liên kết mỗi cuộn dây nhiều hơn từ thông của chính nó.
- Khi hai cuộn dây được bố trí sao cho từ thông của chúng ngược nhau, khi đó độ tự cảm của mỗi cuộn dây giảm đi M tức là nó trở thành L 1 – M đối với cuộn 1 và L 2 – M đối với cuộn 2. Đó là vì tổng từ thông liên kết mỗi cuộn cuộn dây nhỏ hơn từ thông của chính nó.
Hệ số hỗ cảm
Chúng ta biết rằng bất kỳ sự thay đổi nào của dòng điện trong một cuộn dây luôn được thực hiện bằng cách tạo ra emf cảm ứng tương hỗ trong cuộn dây thứ hai.
Cảm ứng tương hỗ được định nghĩa là khả năng của một cuộn dây [hoặc đoạn mạch] tạo ra một emf trong một cuộn dây [hoặc đoạn mạch] gần đó bằng cảm ứng khi dòng điện trong cuộn dây thứ nhất thay đổi.
Nói cách khác, tính chất của hai cuộn dây mà mỗi cuộn chống lại bất kỳ sự thay đổi nào của dòng điện chạy trong cuộn kia được gọi là hỗ cảm giữa hai cuộn dây. Sự đối lập này xảy ra bởi vì dòng điện thay đổi trong một cuộn dây tạo ra emf cảm ứng tương hỗ trong cuộn dây kia chông lại sự thay đổi của dòng điện trong cuộn dây đầu tiên.
Hệ số hỗ cảm [M] có thể được định nghĩa là các liên kết từ thông của một cuộn dây trên một đơn vị dòng điện trong cuộn dây kia.
Về mặt toán học
Ở đây
- I1= Dòng điện trong cuộn dây sơ cấp
- Φ12= Từ thông liên kết cuộn dây thứ cấp
- N2= Số vòng trên cuộn thứ cấp
Cảm ứng tương hỗ giữa hai cuộn dây là 1 henry nếu dòng điện thay đổi với tốc độ 1 ampe trên giây trong một cuộn dây tạo ra một emf 1 V trong cuộn dây kia.
Hệ số ghép
Hệ số ghép [k] giữa hai cuộn dây được định nghĩa là phần từ thông sinh ra bởi dòng điện trong một cuộn dây liên kết với cuộn dây kia.
Hệ số ghép là một thông số quan trọng đối với mạch ghép để xác định số lượng ghép nối giữa các cuộn dây cảm ứng.
Về mặt toán học, hệ số ghép có thể được biểu thị bằng,
Ở đâu,
- L 1 là điện cảm của cuộn thứ nhất.
- L 2 là điện cảm của cuộn thứ hai.
- M là độ tự cảm giữa hai cuộn dây
Hệ số ghép phụ thuộc vào độ hỗ cảm giữa hai cuộn dây. Nếu hệ số ghép càng cao thì độ hỗ cảm sẽ càng cao. Hai cuộn dây cảm ứng được liên kết bằng cách sử dụng từ thông.
- Khi toàn bộ từ thông của một cuộn dây liên kết với cuộn dây kia, hệ số ghép nối là 1 [tức là 100%], khi đó các cuộn dây được cho là liên kết chặt chẽ.
- Nếu chỉ một nửa từ thông được thiết lập trong một cuộn dây liên kết với cuộn kia, hệ số ghép nối là 0,5 [tức là, 50%], thì các cuộn dây được cho là được ghép lỏng lẻo.
- Nếu từ thông của một cuộn dây hoàn toàn không liên kết với cuộn dây kia, hệ số liên kết bằng 0, các cuộn dây được cho là cách ly từ tính với nhau.
Hệ số ghép sẽ luôn nhỏ hơn 1. Nó phụ thuộc vào vật liệu lõi được sử dụng. Đối với lõi không khí, hệ số ghép có thể là 0,4 đến 0,8 tùy thuộc vào không gian giữa hai cuộn dây và đối với lõi sắt hoặc ferit, hệ số ghép có thể cao tới 0,99.
Công dụng cuộn cảm dùng để làm gì ?
Các ứng dụng của cuộn cảm bao gồm:
- Cuộn cảm được sử dụng để chặn, lọc hoặc làm mịn, làm suy giảm và chặn nhiễu tần số cao trong mạch điện.
- Cuộn cảm được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như thiết bị vô tuyến, trong đó chúng được sử dụng để cho phép DC đi qua nó trong khi chặn AC. Cuộn cảm được thiết kế cho mục đích này được gọi là Choke.
- Cuộn cảm được sử dụng trong bộ dao động Hartley trong đó hai cuộn dây cảm ứng được mắc nối tiếp với một tụ điện song song để tạo thành bộ dao động điều chỉnh hoặc mạch cộng hưởng LC .
- Cuộn cảm được sử dụng trong bộ dao động Colpitts , trong đó hai tụ điện ở tâm được mắc nối tiếp với một cuộn cảm song song để tạo thành bộ dao động điều chỉnh hoặc mạch cộng hưởng LC. [ Lưu ý rằng các mạch dao động điều chỉnh được sử dụng để truyền hoặc nhận tín hiệu vi sóng hoặc tần số vô tuyến ].
- Cuộn cảm được sử dụng để lưu trữ và truyền năng lượng điện đến tải đầu ra hoặc tụ điện trong các bộ chuyển đổi điện tử công suất [DC-DC hoặc AC-DC] chẳng hạn như bộ nguồn chế độ chuyển mạch.
- Trong điện tử công suất, cuộn cảm của bộ chuyển đổi được sử dụng để lọc dòng điện “gợn” ở đầu ra. Giá trị điện cảm cao hơn dẫn đến dòng điện gợn thấp hơn, giúp cải thiện hiệu suất.
- Cuộn cảm được sử dụng để kết hợp trở kháng . Kết hợp trở kháng liên quan đến việc kết hợp trở kháng đầu vào hoặc nguồn với trở kháng tải. Công suất cực đại được truyền cho tải từ nguồn khi trở kháng tải phù hợp với trở kháng nguồn, nâng cao hiệu suất của mạch. Bây giờ nếu tải là điện dung so với nguồn, thì cuộn cảm có thể được sử dụng để chống lại điện dung của tải và do đó phù hợp với trở kháng.
- Cuộn cảm dùng để hạn chế dòng đóng cắt và dòng sự cố trong hệ thống truyền tải điện .
Cuộn cảm trong mạch AC và DC
Hoạt động chính của cuộn cảm là chống lại sự thay đổi của dòng điện. Tuy nhiên, vì dòng điện trong mạch một chiều không đổi, nên không có điện áp cảm ứng nào phát triển tức thời trên cuộn cảm. Cuộn cảm chống lại dòng điện khởi động ban đầu dựa trên hằng số thời gian của mạch. Trong đoạn mạch xoay chiều, dòng điện đổi chiều liên tục; vì vậy cuộn cảm có ảnh hưởng lớn đến mạch điện.
Cuộn cảm trong mạch điện một chiều
Hằng số thời gian :
Năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm khi dòng điện được áp dụng. Tốc độ lưu trữ năng lượng này phụ thuộc vào hằng số thời gian [τ] của mạch. Hằng số thời gian là một tỉ số giữa điện cảm của một đoạn mạch và cảm kháng của nó.
Hằng số thời gian tính bằng giây khi điện cảm và điện trở có giá trị tương ứng là henry và ohms. Cũng giống như trong tụ điện, phải mất năm hằng số để cuộn cảm đạt được mức lưu trữ đầy đủ.
Cuộn cảm trong mạch điện một chiều Ví dụ :
Nếu một đoạn mạch RL nối tiếp có điện trở 1 kΩ và độ tự cảm 1,0 mH, hãy xác định hằng số thời gian của đoạn mạch.
Tăng và giảm dòng điện :
Các cuộn cảm vốn có khả năng chống lại sự thay đổi dòng điện, vì vậy dòng điện đầy đủ không thể đi qua nó ngay lập tức. Dòng điện qua cuộn cảm tăng theo hàm số mũ với thời gian không đổi khi có hiệu điện thế . Bảng 1 cho thấy phần trăm gần đúng của dòng điện qua cuộn cảm tại mỗi giá trị không đổi tại thời điểm. Cứ sau năm thời gian thì cường độ dòng điện toàn mạch chạy qua cuộn cảm. Tại thời điểm này, cuộn cảm xuất hiện dưới dạng ngắn mạch đối với nguồn điện áp một chiều.
Bảng 1. Bảng tỷ lệ phần trăm dòng điện ngày càng tăng
| Hằng số thời gian | Khoảng% dòng điện cuối cùng |
| 1 | 63 |
| 2 | 86 |
| 3 | 95 |
| 4 | 98 |
| 5 | 99 [được coi là 100%] |
Vì cuộn cảm chống lại sự thay đổi dòng điện, nên dòng điện giảm theo hàm mũ với cùng thời gian không đổi khi loại bỏ điện áp . Bảng 2 cho thấy phần trăm gần đúng của dòng điện qua cuộn cảm tại mỗi giá trị không đổi tại thời điểm. Sau khi hằng số năm thời gian trôi qua, dòng điện qua cuộn cảm trở về không.
Bảng 2 – Bảng tỷ lệ phần trăm dòng điện đang giảm dần
| Hằng số thời gian | Khoảng% dòng điện ban đầu |
| 1 | 37 |
| 2 | 14 |
| 3 | 5 |
| 4 | 2 |
| 5 | 1 [được coi là 0%] |
Cuộn cảm trong mạch điện xoay chiều
Cảm kháng :
Lượng phản kháng mà cuộn cảm tạo ra trong mạch xoay chiều phụ thuộc vào giá trị điện cảm và tần số của nguồn điện áp. Cảm kháng [X L ] của mạch là thước đo cho sự phản kháng này.
- X L là cảm kháng [Ω],
- f là tần số [Hz]
- L là điện cảm [F]
Cảm kháng được tính bằng ohm khi tần số và điện cảm tương ứng là hertz và henry. Như bạn có thể thấy từ công thức cho điện kháng cảm ứng, nó tỷ lệ thuận với tần số của nguồn và giá trị điện cảm của cuộn cảm.
- Khi AC [Dòng điện xoay chiều] được đặt qua cuộn cảm, AC thay đổi tốc độ của dòng điện mà cuộn cảm chống lại bằng cách tăng điện trở của nó.
- Tần số của AC càng cao, tốc độ thay đổi dòng điện càng cao và do đó hiệu ứng chặn từ cuộn cảm càng cao.
Cuộn cảm có phân cực không ?
- Các cuộn cảm không có cực tính chức năng và hoạt động như nhau theo cả hai hướng, vì vậy nó không quan trọng trong hầu hết các mạch
- Cuộn cảm đơn không có cực và nó hoạt động như nhau theo cả hai hướng. Nhưng nếu có một cuộn cảm khác được ghép từ tính với nó, thì cực tính tương đối của cuộn cảm là quan trọng.
- Theo định luật Lenz, điện áp cảm ứng qua một cuộn cảm có cực [hướng] trái ngược với sự thay đổi của dòng điện tạo ra nó. Do đó, cuộn cảm chống lại bất kỳ sự thay đổi nào của dòng điện qua nó.
Làm thế nào để cuộn cảm lưu trữ năng lượng ?
Cuộn cảm thuần không tiêu tán hay tiêu hao năng lượng. Điện trở duy nhất có khả năng biến đổi năng lượng điện thành nhiệt năng. Cuộn cảm thuần chỉ tích năng lượng khi có dòng điện chạy qua chúng. Chúng ta có thể nói rằng năng lượng được lưu trữ trong từ trường của cuộn cảm.
Khi năng lượng điện được cung cấp cho cuộn cảm hoặc cuộn dây, nó được sử dụng theo hai cách.
- Một phần của nó được sử dụng để đáp ứng I 2 R mất mát dưới dạng nhiệt.
- Phần còn lại dùng để tạo từ trường xung quanh cuộn dây và được lưu giữ trong từ trường.
Xét một cuộn cảm có độ tự cảm L và điện trở nhỏ R được nối với nguồn điện một chiều thông qua một công tắc. Khi đóng công tắc S, dòng điện trong cuộn cảm tăng dần và đạt giá trị ổn định.
Sự gia tăng dòng điện này bị chống lại bởi emf tự cảm sinh ra trong cuộn cảm do sự thay đổi dòng điện. Để vượt qua sự phán kháng này, một số năng lượng được cung cấp bởi nguồn được lưu trữ trong từ trường của cuộn cảm.
Bây giờ, khi công tắc được mở, từ trường sẽ sụp đổ, và năng lượng tích trữ được giải phóng và quay trở lại mạch và nó bị tiêu tán dưới dạng nhiệt.
Đây là thế năng tương tự của trọng lượng được nâng. Khi một vật có khối lượng ‘m’ được nâng lên qua độ cao ‘h’ mét, thì thế năng tích trữ trong nó là “m * g * h”. Công việc được thực hiện trong việc nâng cơ thể nhưng khi đã được nâng lên một độ cao nhất định, không cần tốn thêm năng lượng để duy trì cơ thể ở vị trí đó.
Năng lượng cơ học này có thể được phục hồi bằng cách cho phép cơ thể rơi xuống, tương tự, năng lượng điện tích trữ trong từ trường có thể được phục hồi bằng cách thu gọn từ trường.