Cuộn cảm có nhiều loại dựa trên kích thước và công suất. Kích thước vật lý của cuộn cảm thay đổi từ rất nhỏ đến lớn như máy biến áp, tùy thuộc vào công suất và tần số của dòng điện xoay chiều. Là một linh kiện cơ bản trong điện tử, cuộn cảm được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như điều khiển tín hiệu, giảm nhiễu, ổn định điện áp, điện tử công suất và ứng dụng ô tô. Hiện nay, những tiến bộ trong kỹ thuật thiết kế cuộn cảm đã cải thiện đáng kể hiệu suất của các linh kiện mạch khác.

Các loại cuộn cảm

Rất nhiều linh kiện điện tử được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau đòi hỏi nhiều loại cuộn cảm. Các cuộn cảm này có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, bao gồm cuộn cảm dạng cuộn và cuộn cảm nhiều lớp. Các loại cuộn cảm khác nhau bao gồm cuộn cảm tần số cao, cuộn cảm đường dây điện và cuộn cảm đa dụng. Việc phân loại cuộn cảm phụ thuộc vào loại cuộn dây và lõi được sử dụng.

Cuộn cảm lõi không khí

Loại cuộn cảm này hoàn toàn không có lõi. Chúng có từ trở cao, dẫn đến độ tự cảm thấp. Cuộn cảm lõi không khí có cuộn dây lớn hơn để tạo ra mật độ từ thông cao hơn, vì vậy chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng tần số cao như máy thu truyền hình và radio.

Cuộn cảm từ tính hoặc lõi sắt.

Do có độ thẩm từ cao, chúng sở hữu đặc tính tự cảm cao. Các cuộn cảm này có công suất đầu ra cao nhưng bị hạn chế khả năng hoạt động ở tần số cao do tổn hao trễ từ và dòng điện xoáy.

Thiết kế máy biến áp là một ví dụ về loại thiết kế này.

Cuộn cảm lõi ferrite

Đây là các loại cuộn cảm khác nhau, mỗi loại đều có ưu điểm là chi phí thấp và tổn hao lõi thấp ở tần số cao. Ferrite là một loại gốm oxit kim loại được làm từ hỗn hợp oxit sắt (Fe2O3). Ferrite mềm được sử dụng trong cấu tạo lõi để giảm tổn hao trễ từ.

Cuộn cảm lõi vòng

Trong loại cuộn cảm này, cuộn dây được quấn quanh lõi hình xuyến. Từ thông rò rỉ rất thấp trong loại cuộn cảm này; tuy nhiên, cần có các máy quấn dây đặc biệt để thiết kế loại cuộn cảm này. Đôi khi lõi ferrite cũng được sử dụng để giảm tổn thất hơn nữa trong thiết kế này.

Cuộn cảm có lõi cuộn

Trong loại cuộn cảm này, cuộn dây được quấn trên một lõi. Thiết kế của cuộn cảm quấn trên lõi rất đa dạng về công suất định mức, điện áp và dòng điện, tần số hoạt động, v.v. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các bộ nguồn chuyển mạch và các ứng dụng chuyển đổi năng lượng.

Cuộn cảm nhiều lớp

Cuộn cảm đa lớp bao gồm hai bộ cuộn dây dẫn được bố trí thành hai lớp ở phần trên của vỏ đa lớp. Các cuộn dây này được nối tiếp về điện với hai bộ cuộn dây dẫn khác nằm ở phần dưới của vỏ đa lớp. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống thông tin liên lạc di động và các ứng dụng giảm nhiễu.

Cuộn cảm màng mỏng

Các cuộn cảm này về cơ bản khác với các cuộn cảm chip thông thường được quấn bằng dây đồng. Trong loại này, quy trình sản xuất màng mỏng được sử dụng để tạo ra các cuộn cảm chip cho các ứng dụng tần số cao, đạt được giá trị điện cảm trong phạm vi nanohenry trở lên.

Cuộn cảm hoạt động như thế nào?

Cuộn cảm thường được gọi là trở kháng đối với dòng điện xoay chiều. Chúng cản trở sự thay đổi của dòng điện và lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường. Cuộn cảm có cấu tạo đơn giản, bao gồm một cuộn dây đồng quấn quanh một lõi, có thể là lõi từ hoặc lõi không khí. Nhiều loại cuộn cảm khác nhau có thể được sử dụng trong các ứng dụng tiên tiến, chẳng hạn như truyền tải điện không dây.

Lõi từ có thể có hình dạng vòng hoặc hình chữ E. Các vật liệu được sử dụng cho lõi từ bao gồm gốm sứ, ferit và bột sắt. Cuộn dây dẫn điện tạo ra từ trường xung quanh dây dẫn. Các đường sức từ được tạo ra mạnh hơn nếu lõi được đặt bên trong cuộn dây, do đó cần một lõi có độ thẩm từ cao.

Từ trường tạo ra sức điện động (EMF) trong cuộn dây, gây ra dòng điện cảm ứng. Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng chống lại sự thay đổi của dòng điện, tức là điện áp đặt vào. Do đó, cuộn cảm chống lại sự thay đổi của dòng điện đầu vào dẫn đến sự thay đổi của từ trường. Sự giảm dòng điện do cảm ứng này được gọi là điện kháng cảm ứng. Điện kháng cảm ứng tăng lên khi số vòng dây trong cuộn dây tăng lên. Hơn nữa, nó lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường thông qua các quá trình nạp và xả và giải phóng năng lượng này khi mạch được bật. Các ứng dụng của cuộn cảm bao gồm mạch tương tự và xử lý tín hiệu, cùng nhiều ứng dụng khác.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tự cảm của cuộn cảm.

Khả năng tạo ra các đường sức từ được gọi là độ tự cảm. Đơn vị chuẩn của độ tự cảm là henry. Lượng từ thông được tạo ra, hay độ tự cảm của các loại cuộn cảm khác nhau, phụ thuộc vào bốn yếu tố cơ bản được thảo luận dưới đây.

Số vòng dây trong một cuộn dây.

Nếu số vòng dây trong một cuộn cảm tăng lên, nó sẽ tạo ra một từ trường mạnh hơn, dẫn đến độ tự cảm cao hơn. Ngược lại, nếu số vòng dây trong một cuộn cảm giảm đi, độ tự cảm sẽ thấp hơn.

Vật liệu lõi

Nếu vật liệu lõi có giá trị độ thẩm từ cao, thì độ tự cảm của cuộn cảm sẽ cao hơn, bởi vì các vật liệu có độ thẩm từ cao dẫn từ trường dễ dàng hơn và có từ trở thấp hơn.

Diện tích mặt cắt ngang của cuộn dây

Diện tích mặt cắt ngang lớn hơn dẫn đến độ tự cảm cao hơn vì diện tích mặt cắt ngang lớn hơn có từ trở thấp hơn.

Chiều dài cuộn dây

Cuộn dây càng dài thì độ tự cảm càng thấp, bởi vì với cùng một lượng từ trường, từ trở đối với từ thông sẽ tăng lên.

Cuộn cảm cố định không có giá trị điện cảm cố định mà người dùng có thể thay đổi sau khi thiết kế hoàn tất. Tuy nhiên, cuộn cảm điều chỉnh được có thể được sử dụng bằng cách thay đổi số vòng dây trong cuộn hoặc bằng cách thay đổi vật liệu của lõi cuộn dây.

Sự hao phí năng lượng trong cuộn cảm.

Công suất hao phí trong cuộn cảm bắt nguồn từ hai nguồn chính: lõi cuộn cảm và cuộn dây.

Lõi từ: Tổn thất năng lượng trong lõi từ là do tổn hao trễ từ và tổn hao dòng điện xoáy. Từ trường tác dụng lên vật liệu từ tăng lên đến khi đạt trạng thái bão hòa rồi giảm xuống. Tuy nhiên, trong quá trình giảm này, nó không trở lại quỹ đạo ban đầu, dẫn đến tổn hao trễ từ. Độ trễ từ của vật liệu lõi càng thấp thì tổn hao trễ từ càng ít.

Một loại tổn hao lõi khác là tổn hao dòng điện xoáy. Các dòng điện xoáy này phát sinh trong vật liệu lõi do sự biến thiên của từ trường theo định luật Lenz. Tổn hao dòng điện xoáy nhỏ hơn nhiều so với tổn hao do hiện tượng trễ từ. Có thể giảm thiểu các tổn hao này bằng cách sử dụng vật liệu có hệ số trễ từ thấp và lõi nhiều lớp.

Cuộn cảm: Trong cuộn cảm, tổn hao xảy ra không chỉ ở lõi mà còn ở các cuộn dây. Các cuộn dây có điện trở riêng. Khi dòng điện chạy qua các cuộn dây này, tổn hao nhiệt (I²*R) xảy ra trong các cuộn dây. Tuy nhiên, khi tần số tăng, điện trở của cuộn dây tăng do hiệu ứng bề mặt. Hiệu ứng bề mặt làm cho dòng điện tập trung ở bề mặt của dây dẫn thay vì ở trung tâm, do đó làm giảm diện tích dẫn điện hiệu quả.

Hơn nữa, dòng điện xoáy xảy ra trong cuộn dây tạo ra dòng điện cảm ứng trong các dây dẫn lân cận, một hiện tượng được gọi là hiệu ứng lân cận.

Do các dây dẫn trong cuộn dây chồng lên nhau, hiệu ứng lân cận làm tăng điện trở của dây dẫn so với trường hợp hiệu ứng bề mặt. Tổn thất trong cuộn dây có thể được giảm thiểu bằng các công nghệ quấn dây tiên tiến như quấn bằng các lá kim loại có hình dạng khác nhau và quấn bằng dây litz.