Trong lĩnh vực điện – điện tử, cuộn cảm là một linh kiện điện hai cực được sử dụng để lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường khi có dòng điện chạy qua. Trong một cuộn cảm thường bao gồm một dây dẫn cách điện được quấn thành một cuộn dây. Trong khi đó, một cặp cuộn cảm được gọi là cuộn cảm ghép và chúng thường được sử dụng để truyền năng lượng từ cuộn dây này sang cuộn dây khác thông qua một lõi chung. Bài viết này sẽ phân tích tổng quan về nguyên lý hoạt động và ứng dụng của cuộn cảm ghép.

Cuộn cảm ghép là gì?

Theo định nghĩa cuộn cảm ghép là khi nối hai cuộn cảm có thể thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây sơ cấp, nó tạo ra một từ trường liên kết với cuộn dây thứ cấp, đồng thời cảm ứng một điện áp trong cuộn dây này. Hiện tượng cảm ứng điện áp từ cuộn cảm này sang cuộn cảm kia được gọi là tương hỗ cảm. Cuộn cảm ghép chủ yếu được ứng dụng trong máy biến áp, mạch điện tử và hệ thống phân phối điện. Trong đó, một cặp cuộn cảm ghép được đặc trưng bởi ba thông số: hai độ tự cảm (L1, L2) và độ tự cảm tương hỗ (L12=M).

Phương trình cuộn cảm ghép nối

Thông thường, các mạch điện bao gồm cuộn cảm ghép thường phức tạp hơn so với các mạch điện khác vì điện áp của cuộn dây có thể được biểu thị đơn giản theo dòng điện. Sơ đồ một cuộn cảm ghép được biểu diễn như hình 1.

Hình 1. Cuộn cảm ghép với độ tự hỗ tương ứng

Hai cuộn dây L1 và L2 trong mạch điện trên nằm rất gần nhau, dòng điện i1 chạy qua cuộn sơ cấp L1 từ thông và sau đó được truyền đến cuộn thứ cấp L2. Khi có một điện áp V1 được đặt vào cuộn dây sơ cấp L1 thì dòng điện i1 sẽ bắt đầu chạy qua cuộn dây L1. Vì vậy, tốc độ thay đổi dòng điện sẽ tạo ra từ thông cung cấp cho toàn bộ lõi từ và tạo ra điện áp trong cuộn dây thứ cấp L2. Do tốc độ thay đổi dòng điện trong cuộn dây L1 làm thay đổi từ thông nên nó thể dùng để điều khiển điện áp cảm ứng trong cuộn thứ cấp L2. Điện áp cảm ứng trong cuộn sơ cấp L1 có thể được tính bằng công thức sau:

V1=Mdi2dt

Trong phương trình trên, độ tự cảm tương hỗ  M chủ yếu chịu trách nhiệm cho điện áp cảm ứng trong hai mạch độc lập và nó được coi là một hệ số tỷ lệ. Tương tự đối với cuộn dây L2, điện áp cảm ứng do độ tự cảm đối với cuộn dây L2 có thể được xác định như sau:

V2=Mdi1dt

Độ tự cảm tương hỗ M cũng được đo bằng đơn vị H (Henrry) và giá trị độ tự cảm tương hỗ cao nhất là L1L2. Trong khi độ tự cảm tạo ra điện áp thông qua tốc độ biến thiên của dòng điện thì độ tự cảm tương hỗ M cũng tạo ra một điện áp được gọi là điện áp tương hỗ M(di/dt).

Phân tích và thiết kế cuộn cảm ghép

Ngày nay, các kỹ sư thiết kế và phân tích cuộn cảm thông qua việc sử dụng mạch biến đổi flyback. Mạch này có thể được chế tạo từ các linh kiện điện tử cơ bản như cuộn cảm ghép (biến áp flyback), diode, tụ điện,…

Hình 2. Sơ đồ mạch chuyển đổi Flyback

Sơ đồ một mạch chuyển đổi Flyback được thể hiện như hình 2. Trong đó mạch này thường là một cấu trúc nguồn điện sử dụng cuộn cảm ghép nối để lưu trữ năng lượng khi dòng điện chạy qua và năng lượng đó sẽ được giải phóng khi ngắt nguồn điện. Các bộ biến đổi này có thiết kế và hiệu suất tương tự như bộ biến đổi tăng áp, ngoại trừ cuộn dây sơ cấp của máy biến áp có thể được thay thế bằng cuộn cảm, trong khi cuộn dây thứ cấp cung cấp dòng điện chạy (O/P). Cả hai cuộn dây trong mạch flyback đều được sử dụng như hai cuộn cảm riêng biệt.

Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm ghép

Như thể hiện trong hình 2, bộ biến áp flyback là một cuộn cảm ghép nối với lõi có khe hở. Mỗi chu kỳ sẽ có một điện áp đầu vào được cung cấp cho cuộn dây sơ cấp của biến áp do đó năng lượng có thể được lưu trữ trong khe hở lõi. Năng lượng này tiếp đó được truyền đến cuộn dây thứ cấp để cung cấp năng lượng cho tải. Các biến áp này chủ yếu được sử dụng trong các bộ biến đổi flyback để biến đổi điện áp và cách ly mạch.

Bộ chuyển đổi flyback được hoạt động theo nguyên lý khi dòng điện chạy qua cuộn cảm bị vô hiệu hóa thì năng lượng được lưu trữ trong từ trường có thể được giải phóng bằng cách đảo ngược điện áp đầu cực đột ngột. Điốt flyback trong mạch được kết nối thông qua một cuộn cảm để loại bỏ hiện tượng flyback. Điều này nhằm khi điện áp tăng đột biến trên tải khi nguồn cung cấp dòng điện bị ngắt hoặc giảm đột ngột. Điốt này còn được gọi bằng nhiều tên khác nhau như điốt giao hoán, điốt giảm chấn, điốt triệt tiêu, điốt tự do, điốt bắt, hoặc điốt kẹp. Thông thường, các thiết bị chuyển mạch được sử dụng trong mạch biến đổi flyback là transistor MOSFET và được bật/tắt bằng tín hiệu PWM. Cực tính của biến áp thường được đảo ngược sao cho khi transistor được bật, dòng điện sẽ chạy qua cuộn sơ cấp,nhưng diode thứ hai lại được phân cực ngược nên không có dòng điện chạy qua cuộn này.

Ưu, nhược điểm của cuộc cảm ghép

• Ưu điểm: Cuộn cảm ghép sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật trong các ứng dụng điện tử và chuyển đổi năng lượng. Đầu tiên, chúng giúp giảm đáng kể độ gợn sóng dòng điện và nâng cao hiệu suất hoạt động của toàn hệ thống. Khi được ứng dụng trong các mạch cầu phức tạp chí thì chúng còn có khả năng chuyển đổi điện áp linh hoạt và thay đổi trở kháng. Cuộn cảm ghép còn cung cấp khả năng cách ly điện hóa giữa các mạch nhằm tăng tính an toàn và giảm nhiễu xuyên mạch. 
• Nhược điểm: Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng cuộn cảm ghép vẫn tồn tại một số nhược điểm cần khắc phục trong quá trình sử dụng. Đầu tiên các cuộn cảm ghép thường gây ra tổn thất điện năng cao hơn so với các loại cuộn cảm thông thường và hiệu suất hoạt động của chúng có thể không đạt mức lý tưởg khi có yêu cầu cao về hiệu suất. Ngoài ra, các thông số kỹ thuật liên quan đến dòng điện của cuộn cảm ghép sẽ thay đổi tùy theo cách các cuộn dây được nối, do đó, nó sẽ gây ra một số khó khăn trong việc thiết kế và điều chỉnh mạch.