Trang chủ/Cuộn cảm/Cuộn cảm

Cuộn cảm

Cuộn cảm là một linh kiện điện thụ động bao gồm một cuộn dây được thiết kế để tận dụng mối quan hệ giữa từ tính và điện do dòng điện chạy qua cuộn dây.

Trong các bài hướng dẫn về Điện từ học, chúng ta đã thấy rằng khi dòng điện chạy qua một dây dẫn, một từ thông sẽ xuất hiện xung quanh dây dẫn. Điều này tạo ra mối quan hệ giữa hướng của từ thông đang chạy quanh dây dẫn và hướng của dòng điện chạy qua chính dây dẫn đó, dẫn đến một mối quan hệ nổi tiếng giữa hướng dòng điện và từ thông, được gọi là "Quy tắc bàn tay phải Fleming".

Nhưng cũng có một đặc tính quan trọng khác liên quan đến cuộn dây quấn, đó là điện áp thứ cấp được tạo ra trong cùng cuộn dây đó do chuyển động của từ thông khi nó cản trở hoặc chống lại mọi thay đổi trong dòng điện chạy qua nó.

Một cuộn cảm điển hình

Ở dạng cơ bản nhất của nó, mộtCuộn cảmkhông gì khác hơn là một cuộn dây được quấn quanh một lõi trung tâm. Đối với hầu hết các cuộn dây, dòng điện, (Tôi) chạy qua cuộn dây tạo ra từ thông, (NΦ) xung quanh nó tỷ lệ thuận với dòng điện chạy qua.

CácCuộn cảm, còn được gọi là cuộn cảm, là một linh kiện điện thụ động khác, chỉ là một cuộn dây được thiết kế để tận dụng mối quan hệ này bằng cách tạo ra từ trường bên trong hoặc bên trong lõi khi dòng điện chạy qua cuộn dây. Điều này tạo ra một từ trường mạnh hơn nhiều so với từ trường được tạo ra bởi một cuộn dây thông thường.

Cuộn cảm được tạo thành từ dây quấn chặt quanh lõi trung tâm rắn có thể là thanh hình trụ thẳng hoặc vòng hoặc vòng liên tục để tập trung từ thông của chúng.

Biểu tượng sơ đồ cho một cuộn cảm là biểu tượng của một cuộn dây, do đó, một cuộn dây cũng có thể được gọi làCuộn cảm. Cuộn cảm thường được phân loại theo loại lõi bên trong mà chúng được quấn xung quanh, ví dụ, lõi rỗng (không khí tự do), lõi sắt đặc hoặc lõi ferit mềm, trong đó các loại lõi khác nhau được phân biệt bằng cách thêm các đường song song liên tục hoặc chấm bi bên cạnh cuộn dây như minh họa bên dưới.

Ký hiệu cuộn cảm

Dòng điện hiện tại,TôiDòng điện chạy qua cuộn cảm tạo ra từ thông tỷ lệ thuận với nó. Nhưng không giống như tụ điện, vốn ngăn cản sự thay đổi điện áp giữa hai bản cực của nó, cuộn cảm lại ngăn cản tốc độ biến thiên của dòng điện chạy qua nó do năng lượng tự cảm ứng tích tụ trong từ trường của nó.

Nói cách khác, cuộn cảm chống lại hoặc ngăn cản sự thay đổi dòng điện nhưng lại dễ dàng cho dòng điện một chiều ổn định đi qua. Khả năng chống lại sự thay đổi dòng điện của cuộn cảm và điều này cũng liên quan đến dòng điện.Tôivới liên kết từ thông của nó,NΦnhư một hằng số tỷ lệ được gọi làĐộ tự cảmđược đưa ra biểu tượngLvới các đơn vịHenry, (H) sau Joseph Henry.

Vì Henry là một đơn vị đo độ tự cảm tương đối lớn, nên đối với các cuộn cảm nhỏ hơn, người ta dùng các đơn vị con của Henry để biểu thị giá trị của nó. Ví dụ:

Tiền tố độ tự cảm

Vì vậy, để hiển thị các đơn vị con của Henry, chúng ta sẽ sử dụng ví dụ sau:

• 1 mH = 1 milli-Henry– tương đương với một phần nghìn (1/1000) của Henry.

• 100μH = 100 micro-Henry– tương đương với 100 phần triệu (1/1.000.000) của một Henry.

Cuộn cảm hoặc cuộn dây rất phổ biến trong mạch điện và có nhiều yếu tố quyết định độ tự cảm của cuộn dây như hình dạng của cuộn dây, số vòng dây cách điện, số lớp dây, khoảng cách giữa các vòng dây, độ từ thẩm của vật liệu lõi, kích thước hoặc diện tích mặt cắt ngang của lõi, v.v.

Một cuộn dây cảm ứng có một vùng lõi trung tâm, (MỘT) với số vòng dây không đổi trên một đơn vị chiều dài, (tôi). Vì vậy, nếu một cuộn dây củaNvòng quay được liên kết bởi một lượng từ thông,Fsau đó cuộn dây có liên kết từ thông củaNΦvà bất kỳ dòng điện nào, (Tôi) chạy qua cuộn dây sẽ tạo ra một từ thông cảm ứng ngược chiều với dòng điện. Theo Định luật Faraday, bất kỳ sự thay đổi nào trong liên kết từ thông này đều tạo ra một điện áp tự cảm ứng trong cuộn dây đơn:

• Ở đâu:

• Nlà số vòng quay

• MỘTlà diện tích mặt cắt ngang tính bằng m2

• Flà lượng thông lượng trong Weber

• tôilà độ thấm của vật liệu lõi

• tôilà chiều dài của cuộn dây tính bằng mét

• di/dtlà tốc độ thay đổi dòng điện tính bằng ampe/giây

Từ trường biến thiên theo thời gian tạo ra một điện áp tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của dòng điện tạo ra nó, với giá trị dương biểu thị sự tăng của suất điện động và giá trị âm biểu thị sự giảm của suất điện động. Phương trình liên hệ giữa điện áp, dòng điện và độ tự cảm tự cảm này có thể được tìm thấy bằng cách thay thếμN2A / lvớiLbiểu thị hằng số tỉ lệ được gọi làĐộ tự cảmcủa cuộn dây.

Mối quan hệ giữa từ thông trong cuộn cảm và dòng điện chạy qua cuộn cảm được đưa ra như sau:NΦ = Li. Vì cuộn cảm bao gồm một cuộn dây dẫn điện, nên phương trình trên sẽ được rút gọn để đưa ra suất điện động tự cảm ứng, đôi khi được gọi làsuất điện động ngượccũng được cảm ứng trong cuộn dây:

Suất điện động ngược được tạo ra bởi cuộn cảm

Ở đâu:Llà độ tự cảm vàdi/dttốc độ thay đổi hiện tại.

Cuộn cảm

Vì vậy, từ phương trình này, ta có thể nói rằng "lực điện động tự cảm = độ tự cảm x tốc độ thay đổi dòng điện" và một mạch có độ tự cảm là một thì Henry sẽ có suất điện động cảm ứng là một vôn trong mạch khi dòng điện chạy qua mạch thay đổi với tốc độ một ampe trên giây.

Một điểm quan trọng cần lưu ý về phương trình trên. Nó chỉ liên hệ suất điện động sinh ra trên cuộn cảm với sự thay đổi dòng điện, bởi vì nếu dòng điện chạy qua cuộn cảm không đổi và không đổi, chẳng hạn như trong dòng điện một chiều ổn định, thì điện áp suất điện động cảm ứng sẽ bằng không vì tốc độ thay đổi dòng điện tức thời bằng không.di/dt = 0.

Với dòng điện một chiều ổn định chạy qua cuộn cảm và do đó không có điện áp cảm ứng trên nó, cuộn cảm hoạt động như một mạch ngắn tương đương với một đoạn dây dẫn, hoặc ít nhất là một điện trở có giá trị rất thấp. Nói cách khác, sự cản trở dòng điện do cuộn cảm tạo ra rất khác nhau giữa mạch điện xoay chiều (AC) và mạch điện một chiều (DC).

Hằng số thời gian của cuộn cảm

Bây giờ chúng ta biết rằng dòng điện không thể thay đổi tức thời trong cuộn cảm vì để điều này xảy ra, dòng điện sẽ cần phải thay đổi một lượng hữu hạn trong thời gian bằng không, điều này sẽ dẫn đến tốc độ thay đổi dòng điện là vô hạn,di/dt =∞, khiến suất điện động cảm ứng cũng vô hạn và điện áp vô hạn không tồn tại. Tuy nhiên, nếu dòng điện chạy qua cuộn cảm thay đổi rất nhanh, chẳng hạn như khi bật công tắc, điện áp cao có thể được tạo ra trên cuộn dây của cuộn cảm.

Hãy xem xét mạch của cuộn cảm bên phải. Với công tắc, (S1) mở, không có dòng điện chạy qua cuộn cảm. Vì không có dòng điện chạy qua cuộn cảm, nên tốc độ thay đổi của dòng điện (di/dt) trong cuộn dây sẽ bằng không. Nếu tốc độ thay đổi dòng điện bằng không thì không có suất điện động tự cảm ứng, (TRONGL= 0) bên trong cuộn dây cảm ứng.

Nếu bây giờ chúng ta đóng công tắc (t = 0), một dòng điện sẽ chạy qua mạch và từ từ tăng lên giá trị cực đại với tốc độ được xác định bởi độ tự cảm của cuộn cảm. Tốc độ dòng điện chạy qua cuộn cảm này nhân với độ tự cảm của cuộn cảm theo công thức Henry, sẽ tạo ra một suất điện động tự cảm có giá trị cố định trên toàn bộ cuộn dây, như được xác định bởi phương trình Faraday ở trên.TRONGL= Ldi/dt.

Suất điện động tự cảm này chạy qua cuộn dây cảm ứng, (TRONGL) chống lại điện áp đặt vào cho đến khi dòng điện đạt giá trị cực đại và đạt trạng thái ổn định. Dòng điện chạy qua cuộn dây lúc này chỉ được xác định bởi điện trở một chiều (DC) hoặc điện trở “thuần” của các cuộn dây, vì giá trị điện kháng của cuộn dây đã giảm xuống bằng không do tốc độ thay đổi của dòng điện (di/dt) bằng 0 ở trạng thái ổn định. Nói cách khác, chỉ có điện trở DC của cuộn dây hiện hữu để ngăn cản dòng điện chạy qua.

Tương tự, nếu công tắc (S1) mở, dòng điện chạy qua cuộn dây sẽ bắt đầu giảm, nhưng cuộn cảm sẽ lại chống lại sự thay đổi này và cố gắng duy trì dòng điện ở giá trị trước đó bằng cách tạo ra một điện áp theo hướng ngược lại. Độ dốc của độ giảm sẽ âm và liên quan đến độ tự cảm của cuộn dây như minh họa bên dưới.

Dòng điện và điện áp trong cuộn cảm

Điện áp cảm ứng tạo ra bởi cuộn cảm phụ thuộc vào tốc độ thay đổi dòng điện. Trong bài hướng dẫn về Cảm ứng điện từ,Định luật Lenzđã nêu rằng:“hướng của suất điện động cảm ứng là hướng mà nó luôn chống lại sự thay đổi gây ra nó”Nói cách khác, suất điện động cảm ứng sẽ luôn CHỐNG LẠI chuyển động hoặc sự thay đổi đã gây ra suất điện động cảm ứng đó ngay từ đầu.

Vì vậy, với dòng điện giảm, cực tính điện áp sẽ đóng vai trò là nguồn, và với dòng điện tăng, cực tính điện áp sẽ đóng vai trò là tải. Vì vậy, với cùng một tốc độ thay đổi dòng điện qua cuộn dây, việc tăng hoặc giảm độ lớn suất điện động cảm ứng sẽ như nhau.

Ví dụ về cuộn cảm số 1

Một dòng điện một chiều ổn định 4 ampe chạy qua cuộn dây điện từ 0,5H. Suất điện động cảm ứng trong cuộn dây sẽ là bao nhiêu nếu công tắc trong mạch trên mở trong 10mS và dòng điện chạy qua cuộn dây giảm xuống còn 0 ampe?

Công suất trong cuộn cảm

Chúng ta biết rằng một cuộn cảm trong mạch điện cản trở dòng điện chạy qua, (Tôi) chạy qua nó vì dòng điện này gây ra một suất điện động cản trở nó, theo Định luật Lenz. Khi đó, nguồn pin bên ngoài phải thực hiện công để duy trì dòng điện chạy ngược chiều suất điện động cảm ứng này. Công suất tức thời dùng để tạo ra dòng điện, (Tôi) chống lại lực điện động tự tạo này, (TRONGL) được đưa ra từ trên như sau:

Công suất trong mạch được đưa ra như sau:P = V*IVì vậy:

Một cuộn cảm lý tưởng không có điện trở mà chỉ có độ tự cảm nên R = 0 Ω và do đó không có công suất tiêu tán trong cuộn dây, vì vậy ta có thể nói rằng một cuộn cảm lý tưởng có tổn thất công suất bằng không.

Năng lượng trong cuộn cảm

Khi dòng điện chạy vào cuộn cảm, năng lượng được lưu trữ trong từ trường của nó. Khi dòng điện chạy qua cuộn cảm tăng vàdi/dttrở nên lớn hơn không, công suất tức thời trong mạch cũng phải lớn hơn không, (P > 0) tức là dương có nghĩa là năng lượng đang được lưu trữ trong cuộn cảm.

Tương tự như vậy, nếu dòng điện chạy qua cuộn cảm đang giảm vàdi/dtnhỏ hơn không thì công suất tức thời cũng phải nhỏ hơn không, (P< 0) tức là âm, nghĩa là cuộn cảm đang trả năng lượng trở lại mạch. Sau đó, bằng cách tích phân phương trình công suất ở trên, tổng năng lượng từ, luôn dương, được lưu trữ trong cuộn cảm, sẽ được tính như sau:

Năng lượng được lưu trữ bởi một cuộn cảm

Ở đâu:TRONGlà joule,Llà ở Henries vàTôilà trong Ampere

Năng lượng thực chất được lưu trữ trong từ trường bao quanh cuộn cảm nhờ dòng điện chạy qua nó. Trong một cuộn cảm lý tưởng, không có điện trở hay điện dung, khi dòng điện tăng, năng lượng sẽ chảy vào cuộn cảm và được lưu trữ trong từ trường của nó mà không bị mất mát, năng lượng này sẽ không được giải phóng cho đến khi dòng điện giảm và từ trường sụp đổ.

Trong mạch điện xoay chiều, cuộn cảm liên tục lưu trữ và cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳ. Nếu dòng điện chạy qua cuộn cảm không đổi như trong mạch điện một chiều, thì năng lượng được lưu trữ không thay đổi.P = Li(di/dt) = 0.

Vì vậy, cuộn cảm có thể được định nghĩa là linh kiện thụ động vì chúng vừa có thể lưu trữ vừa cung cấp năng lượng cho mạch, nhưng không thể tạo ra năng lượng. Một cuộn cảm lý tưởng được phân loại là không tổn hao, nghĩa là nó có thể lưu trữ năng lượng vô thời hạn vì không bị mất năng lượng.

Tuy nhiên, cuộn cảm thực sự sẽ luôn có một số điện trở liên quan đến các cuộn dây và bất cứ khi nào dòng điện chạy qua điện trở, năng lượng sẽ bị mất dưới dạng nhiệt do Định luật Ohm, (P = Tôi2R) bất kể dòng điện xoay chiều hay không đổi.

Ứng dụng chính của cuộn cảm là trong các mạch lọc, mạch cộng hưởng và mạch giới hạn dòng điện. Cuộn cảm có thể được sử dụng trong các mạch để chặn hoặc định hình lại dòng điện xoay chiều hoặc một dải tần số hình sin, và trong vai trò này, cuộn cảm có thể được sử dụng để "điều chỉnh" một máy thu radio đơn giản hoặc nhiều loại bộ dao động khác nhau. Nó cũng có thể bảo vệ các thiết bị nhạy cảm khỏi các xung điện áp phá hủy và dòng điện đột biến cao.

Trong hướng dẫn tiếp theo về Cuộn cảm, chúng ta sẽ thấy rằng điện trở hiệu dụng của một cuộn dây được gọi là Độ tự cảm và độ tự cảm mà như chúng ta đã biết là đặc tính của một vật dẫn điện "chống lại sự thay đổi của dòng điện", có thể được tạo ra bên trong, gọi là độ tự cảm hoặc được tạo ra bên ngoài, gọi là độ tự cảm hỗ tương.

https://www.electronics-tutorials.ws/inductor/inductor.html