Cuộn cảm là thành phần cơ bản trong mạch điện tử và được sử dụng rộng rãi vì khả năng lưu trữ năng lượng trong từ trường. Thiết kế và lựa chọn cuộn cảm có thể có tác động đáng kể đến hiệu suất của mạch, đặc biệt là trong các nguồn điện và ứng dụng tần số vô tuyến. Một khía cạnh quan trọng của thiết kế cuộn cảm là sử dụng lõi có khe hở, tạo ra khe hở không khí trên đường dẫn từ của lõi cuộn cảm. Bài đăng trên blog này sẽ đi sâu vào sự khác biệt giữa cuộn cảm lõi không khí và lõi từ, khái niệm về lõi có khe hở và tác động của khe hở không khí lên cuộn cảm.

Cuộn cảm lõi không khí so với cuộn cảm lõi từ

Sự khác biệt chính giữa cuộn cảm lõi không khí và cuộn cảm lõi từ nằm ở sự hiện diện của vật liệu từ trong lõi. Cuộn cảm lõi không khí không có lõi sắt từ, mà thay vào đó sử dụng chính không khí để tạo thành mạch từ. Thiết kế này hữu ích ở tần số cao, nơi mà tổn thất lõi trong vật liệu từ có thể đáng kể. Mặt khác, cuộn cảm lõi từ sử dụng vật liệu như sắt hoặc ferit để tập trung từ trường, tạo ra giá trị độ tự cảm cao hơn cho một kích thước và số vòng nhất định.

Cuộn cảm lõi hở: tổng quan

Cuộn cảm lõi từ không có khe hở bao gồm một khe hở không khí cố ý trong lõi từ. Khe hở này được tạo ra để quản lý độ bão hòa của lõi từ và cải thiện khả năng xử lý dòng điện của nó. Việc tăng khe hở không khí sẽ làm giảm độ tự cảm của cuộn cảm, nhưng sẽ tăng khả năng xử lý dòng điện cao hơn mà không bị bão hòa. Khe hở không khí cũng cung cấp độ tự cảm ổn định hơn khi độ từ thẩm của vật liệu lõi từ thay đổi, làm cho hiệu suất của cuộn cảm dễ dự đoán hơn.

Phân tích lõi có khoảng trống

Tăng khe hở không khí ảnh hưởng đến một số thông số của cuộn cảm, làm giảm độ từ thẩm hiệu dụng của lõi, thước đo khả năng hỗ trợ hình thành từ trường của lõi. Độ từ thẩm hiệu dụng thấp hơn có nghĩa là cuộn cảm sẽ có độ tự cảm thấp hơn đối với cùng số vòng và diện tích lõi. Tuy nhiên, điều đó cũng có nghĩa là cuộn cảm có thể chịu được dòng điện cao hơn trước khi vật liệu lõi bão hòa.

Độ thấm hiệu quả của lõi hở

Độ từ thẩm hiệu quả là một yếu tố quan trọng trong thiết kế cuộn cảm lõi khe hở, biểu thị độ từ thẩm trung bình của vật liệu lõi và khe hở không khí. Sự hiện diện của khe hở không khí sẽ làm giảm đáng kể độ từ thẩm hiệu quả, vì không khí có độ từ thẩm thấp hơn nhiều so với vật liệu từ tính. Sự giảm độ từ thẩm hiệu quả này có lợi trong các ứng dụng mà độ tự cảm ổn định là quan trọng, vì nó làm cho cuộn cảm ít nhạy cảm hơn với những thay đổi trong các đặc tính của vật liệu lõi.

Từ hình ảnh nổi bật, có thể thấy khe hở không khí ảnh hưởng đến các thông số cuộn cảm khác nhau như thế nào. Giả sử:

• Lõi có độ từ thẩm tương đối μ c và chiều dài trung bình l c.
• Khoảng hở này có độ thấm tương đối là 1 và chiều dài là 150.000 gam.
• Diện tích mặt cắt ngang ( A ) của lõi và khe hở không khí bằng nhau.

Nếu độ thấm lõi lớn hơn nhiều so với 1 ( μ c ≫ 1), lõi có khe hở sẽ có độ thấm tương đối hiệu dụng là:

μ eff ≈ l c /l g

Ở đâu:

l c là độ dài trung bình của trục.

l g là chiều dài khoảng cách

Ví dụ, khi l c = 100 l g, lõi có khe hở sẽ có độ từ thẩm tương đối hiệu dụng là 100. Điều quan trọng cần học ở đây là khe hở sẽ chi phối hành vi của lõi miễn là μ c ≫ 1.

Ảnh hưởng của khe hở không khí đến độ tự cảm và độ từ thẩm của vật liệu

Tác động của khe hở không khí lên độ tự cảm có hai mặt: chúng làm giảm độ tự cảm và làm giảm độ nhạy của độ tự cảm đối với độ từ thẩm của vật liệu lõi. Sự giảm độ nhạy này đặc biệt hữu ích trong môi trường có biến động nhiệt độ hoặc trong các ứng dụng mà cuộn cảm phải chịu dòng điện thay đổi, có thể làm thay đổi độ từ thẩm của lõi và do đó, độ tự cảm.

Vì khoảng hở làm giảm độ từ thẩm tương đối hiệu dụng của lõi, nên không có gì ngạc nhiên khi việc tăng khoảng hở cũng làm giảm độ tự cảm của cấu trúc. Một cách khác để đạt được kết quả tương tự là sử dụng định nghĩa về độ tự cảm. Chúng ta biết rằng độ tự cảm được định nghĩa là:

L = nΦ/i

Ta thấy độ tự cảm của lõi có khe hở là:

L = n2/(Rmc + Rmg)

Khoảng hở không khí làm tăng tổng điện trở và giảm độ tự cảm. Mặc dù chúng giảm đáng kể, lõi khoảng hở không khí có ba ưu điểm chính:

• Chúng làm giảm độ nhạy của vật liệu với tính thấm.
• Chúng làm tăng dòng điện bão hòa
• Chúng sẽ làm tăng năng lượng dự trữ.

Nếu không có khe hở không khí, độ tự cảm sẽ tỷ lệ thuận với độ từ thẩm của vật liệu lõi, thay đổi theo nhiệt độ và là hàm phi tuyến tính của cường độ từ trường được áp dụng, khiến việc kiểm soát độ tự cảm trở nên khó khăn.

Bây giờ hãy xem xét một lõi có khe hở, vì khe hở không khí lớn hơn nhiều so với khe hở vật liệu lõi:

L ≈ n 2 /R mg = n 2 /(l g /μ 0 A) = n 2 μ 0 A/l g.

Từ những điều trên, ta có thể thấy rằng độ tự cảm của lõi có khe hở chủ yếu phụ thuộc vào các đặc tính của khe hở ( A và lg ). Vì độ thấm khí ( μ 0 ) không đổi nên chiều dài khe hở có thể được điều chỉnh để tạo ra độ tự cảm được kiểm soát tốt, ít nhạy cảm hơn với những thay đổi về độ thấm.

Tăng cường dòng điện bão hòa và năng lượng dự trữ

Tăng khe hở không khí làm tăng dòng điện bão hòa của cuộn cảm, vì khe hở không khí đòi hỏi lực từ hóa cao hơn (dòng điện nhân với số vòng) để đạt được cùng mật độ từ thông trong lõi như khi không có khe hở. Do đó, cuộn cảm có thể xử lý dòng điện cao hơn mà không cần vật liệu lõi đạt đến trạng thái bão hòa. Ngoài ra, khe hở không khí cho phép cuộn cảm lưu trữ nhiều năng lượng hơn, đây là một lợi thế trong các ứng dụng năng lượng cần lưu trữ năng lượng.

Khi một khe hở được đưa vào lõi, điện trở hiệu dụng tăng lên, do đó cần nhiều dòng điện hơn để bão hòa lõi. Hãy tính toán dòng điện tối đa mà cuộn cảm có thể xử lý mà không đạt đến trạng thái bão hòa.

Giá trị B của cuộn cảm có khe hở được đưa ra bởi:

B = ni/(Rmc + Rmg)Ac

Trong đó A c là diện tích mặt cắt ngang của lõi, do đó dòng điện tại thời điểm bắt đầu bão hòa là:

Tôi ngồi = B ngồi A c *(Rmc+Rmg)/n

Trong đó B sat là mật độ từ thông bão hòa, khe hở không khí làm tăng điện trở hiệu dụng và dòng điện bão hòa lõi.

Lựa chọn chiều dài khe hở và số vòng

Việc lựa chọn độ dài khe hở và số vòng dây phù hợp là một sự cân bằng. Khoảng cách lớn hơn có thể làm tăng khả năng xử lý dòng điện của cuộn cảm, nhưng phải trả giá bằng độ tự cảm giảm. Ngược lại, việc tăng số vòng dây có thể bù đắp cho độ tự cảm giảm do khe hở không khí, nhưng cũng có thể dẫn đến cuộn cảm lớn hơn. Các kỹ sư phải cân nhắc những sự đánh đổi này trong bối cảnh các yêu cầu ứng dụng cụ thể của họ.

Chúng tôi thấy rằng khe hở không khí làm tăng dòng điện bão hòa nhưng làm giảm độ tự cảm. Để bù cho tổn thất cảm ứng do khe hở không khí, chúng ta có thể tăng số vòng của cuộn dây (n), làm tăng từ trường do cuộn dây tạo ra, đưa độ tự cảm trở lại giá trị mong muốn.

Giả sử độ do dự của khoảng cách lớn hơn nhiều so với độ do dự của lõi:

L ≈ n 2 /R mg

Và:

B ≈ ni/R mg A c

Việc tăng giá trị n sẽ khiến độ tự cảm (L) và mật độ từ thông (B) cũng tăng. Tuy nhiên, L tỷ lệ thuận với n 2 và B tỷ lệ thuận với n, do đó độ tự cảm tăng nhanh hơn mật độ từ thông khi n tăng.

Kết luận: Ưu điểm của cuộn cảm khe hở không khí

Cuộn cảm khe hở không khí có một số ưu điểm, bao gồm tăng dòng điện bão hòa, giảm độ nhạy với các thay đổi vật liệu lõi và tăng khả năng lưu trữ năng lượng. Những ưu điểm này làm cho các cuộn cảm này phù hợp với nhiều ứng dụng, từ nguồn điện đến mạch RF. Hiểu được sự tương tác giữa khe hở không khí, độ tự cảm và dòng điện bão hòa là rất quan trọng để tối ưu hóa thiết kế cuộn cảm cho các ứng dụng cụ thể.

Tóm lại, cuộn cảm lõi khe hở là giải pháp linh hoạt và mạnh mẽ để quản lý hiệu suất cuộn cảm trong nhiều ứng dụng điện tử. Khả năng duy trì độ ổn định trong các điều kiện vận hành khác nhau khiến chúng trở thành thành phần vô giá trong thiết kế các hệ thống điện tử đáng tin cậy và hiệu quả.

Tất cả những lợi thế này đều phải trả giá bằng độ tự cảm thấp hơn. Tuy nhiên, bằng cách chọn đúng độ dài khe hở và số vòng, độ tự cảm mong muốn có thể được phục hồi trong khi tránh bão hòa lõi. Kỹ thuật này thường được sử dụng trong thiết kế cuộn cảm cho các ứng dụng điện tử công suất.