Trong các hệ thống điện tử hiện nay, cuộn cảm được xem là một thành phần quan trọng trong việc lưu trữ, lọc nhiễu và ổn định tín hiệu thu phát điện. Các ứng dụng liên quan đến cuộn cảm đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng rộng rãi trong một khoảng thời gian dài. Tuy vậy, việc bão hòa từ trong các cuộn cảm có dòng điện cao vẫn đang là một thách thức lớn cần được giải quyết. Hiện tượng này thường xảy ra khi từ trường trong lõi cuộn cảm đã đạt đến trạng thái bão hòa, làm cho giá trị cảm kháng và hiệu suất của cuộn cảm giảm đáng kể. Bài viết này giải thích hiện tượng bão hòa trong cuộn cảm và cách giải quyết nó.

Định nghĩa về hiện tượng bão hòa 

Theo nguyên lý hoạt động, cảm kháng trong cuộn cảm được tạo ra dựa trên sự thay đổi từ thông trong lõi của nó. Tuy nhiên, khi dòng điện chạy qua cuộn cảm tăng lên và vượt quá khả năng chịu tải của lõi thì nó sẽ dẫn đến hiện tượng bão hòa. Trong trạng thái bão hòa, giá trị cảm kháng của cuộn cảm giảm mạnh dẫn đến các tác động tiêu cực về khả năng lưu trữ năng lượng, hoặc hiện tượng xấu như tăng nhiệt độ, giảm hiệu suất và gây méo tín hiệu. Vì vậy, hiện tượng bão hòa không chỉ tạo ra các ảnh hưởng tiêu cực đến mạch mà còn làm tăng đáng kể năng lượng mà cuộn cảm phải xử lý trong một khoảng thời gian ngắn.

Các tác động của hiện tượng bão hòa

Nguyên nhân xảy ra hiện tượng bão hòa cuộn cảm là do giới hạn từ tính của vật liệu lõi cuộn cảm đó, hay chính là mức từ thông tối đa mà vật liệu đó có thể hỗ trợ cho cuộn cảm. Vì vậy, khi dòng điện chạy qua cuộn cảm có cường độ vượt mức cho phép sẽ gây ra hiện tượng bão hòa, làm cho lõi từ hoạt động kém hiệu quả. Các tác động của hiện tượng bão hòa cuộn cảm vô cùng lớn khi nó có thể làm mất ổn định hoạt động của mạch điện hay làm hỏng các thiết bị quan trọng. Một số tác động phổ biến cụ thể như sau: 

1. Hiện tượng bão hòa làm giảm hiệu suất mạch: Khi cảm kháng của cuộn cảm giảm, dòng điện trong mạch có thể tăng đột ngột dẫn đến tổn hao công suất và giảm hiệu suất của toàn hệ thống.
2. Hiện tượng bão hòa làm tăng nhiệt độ: Hiện tượng bão hòa làm tăng tổn hao lõi từ và làm ch lỗ o cuộn cảm nóng lên nhanh chóng, gây ra các tác động liên quan đến độ bền và an toàn thiết bị.
3. Hiện tượng bão hòa gây nhiễu điện từ (EMI): Khi các cuộn cảm bị bão hòa thì thường sẽ tạo ra các dao động không mong muốn từ đó gây nhiễu tín hiệu và ảnh hưởng đến các thiết bị xung quanh nó .
4. Hiện tượng bão hòa làm méo tín hiệu: Trong các ứng dụng như bộ lọc tín hiệu, hiện tượng bão hòa trong cuộn cảm có thể làm thay đổi đặc tính, làm méo tín hiệu và làm giảm chất lượng truyền tải của mạch.

Ứng dụng của cuộn cảm có dòng cao

Hiện nay, khi các ứng dụng dòng điện cao ngày càng phổ biến thì hiện tượng bão hòa trong cuộn xảm cũng sẽ xảy ra ngày càng nhiều. Điều này cũng đặt ra các yêu cầu về khả năng hoạt động ổn định của tụ điện trong các điều kiện khắc nghiệt, do chúng được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như năng lượng tái tạo, ô tô điện, các bộ nguồn chuyển mạch hay hệ thống lưu trữ. Cụ thể như trong các bộ nguồn chuyển mạch, các cuộc cảm được yêu cầu sẽ phải xử lý dòng điện có cường độ lớn trong khoảng thời gian ngắn do nếu hiện tượng bão hòa xảy ra thì toàn hệ thống sẽ bị mất điện. Đối với lĩnh vực năng lượng, việc lắp đặt cuộn cảm vào các hệ thống năng lượng tái tạo sẽ giúp ổn định dòng điện đầu ra của toàn toàn hệ thống. Bên cạnh đó, cuộn cảm cũng được ứng dụng trong hệ thống sạc và điều khiển động cơ của ô tô điện có yêu cầu độ chính xác cao, khả năng xử lý dòng điện lớn và đảm bảo an toàn cho xe. Chính vì cuộn cảm được ứng dụng rất đa dạng nên việc xảy ra hiện tượng bão hòa không chỉ tác động đến hiệu suất mà còn gây ra rủi ro mất an toàn nghiêm trọng cho chúng.

Phương pháp khắc phục hiện tượng bão hòa

Để giải quyết hiện tượng bão hòa, các kỹ sư hiện nay tập trung vào việc cải tiến vật liệu lõi và tối ưu hóa các thiết kế cho cuộn cảm. Trong đó, giải pháp nổi bật nhất là việc sử dụng một số loại vật liệu lõi có độ bão hòa từ cao như ferrite, bột sắt hay hợp kim. Ngoài ra, các kỹ sư cũng thực hiện việc thiết kế hình học cho cuộn cảm thông qua việc tăng kích thước lõi và thay đổi cấu trúc cuộn dây để giúp lõi từ phân phối từ trường hiệu quả hơn. 

Bên cạnh đó, việc sử dụng mạch bảo vệ và điều khiển dòng kết hợp trong cuộn cảm sẽ làm giới hạn cường độ dòng điện qua cuộn cảm, từ đó hạn chế xảy ra hiện tượng bão hòa từ. Không chỉ vậy, các mạch này còn có khả năng phát hiện hiện tượng bão hòa và tự động điều chỉnh để giới hạn dòng qua cuộn cảm, giúp bảo vệ cuộn cảm và toàn bộ hệ thống khỏi hư hỏng.

Trong trường hợp đặc biệt, các kỹ sư sẽ sử dụng các cuộn cảm song song để phân tách dòng điện và giảm tải cho từng cuộn cảm riêng rẻ trong các ứng dụng yêu cầu cần dòng điện cao liên tục.

Tương lai phát triển của cuộn cảm

Với xu thế phát triển không ngừng của các cuộn cảm, các kỹ sư cũng cần gấp rút phát triển các đặc tính của cuộn cảm để đáp ứng cho các yêu cầu đặc biệt của nó. Trong đó, họ sẽ sử dụng các công nghệ vật liệu tiên tiến như graphene hay các hợp chất từ nano để tăng mật độ từ, giảm tổn hao lõi và tăng khả năng chịu tải của cuộn cảm. Cùng với đó, để tạo ra các cuộn cảm có hình dạng phức tạp và tối ưu hóa hiệu suất từ trường theo yêu cầu thì các kỹ sư có thể sử dụng công nghệ sản xuất mới như in 3D. Cuối cùng, sự kết hợp giữa công nghệ vật liệu và sản xuất tiên tiến được xem là một giải pháp hứa hẹn nhằm mở ra những giải pháp đặc biệt đối với các ứng dụng dòng điện cao trong tương lai.