Cuộn kháng là gì? Ứng dụng và nguyên lý hoạt động?

Cuộn kháng là gì?

Cuộn kháng hay còn gọi là cuộn cảm là một linh kiện điện tử được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện và thiết bị điện tử. Nó được tạo ra bằng cách cuộn dây dẫn (thường là dây đồng) quanh một lõi, thường là lõi sắt hoặc lõi từ khác. Cuộn kháng hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng từ và có khả năng tạo ra một điện áp cảm ứng khi có dòng điện chạy qua nó.

Cuộn kháng chủ yếu có hai đặc tính quan trọng là cảm kháng (đơn vị tính là Henry – H) và tự cảm (đơn vị tính là Ohm – Ω). Cảm kháng là một đại lượng phức, thể hiện sự chống cự của cuộn cảm đối với dòng điện xoay chiều, trong khi tự cảm là đại lượng thực, cho biết mức độ cản trở của cuộn cảm đối với sự thay đổi của dòng điện.

Cuộn kháng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm:

• Lọc tín hiệu: Loại bỏ hoặc giảm tần số không mong muốn trong các mạch điện.
• Biến áp: Chuyển đổi điện áp và dòng điện giữa hai mạch không có liên kết điện trực tiếp.
• Bộ điều chế và giải điều chế: Sử dụng trong các thiết bị truyền thông để mã hóa và giải mã thông tin.
• Lưu trữ năng lượng: Dùng trong các mạch dao động và biến áp để lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường.

• 

Cấu tạo cuộn kháng

Cuộn kháng (cuộn cảm) có cấu tạo đơn giản, bao gồm hai thành phần chính sau:

1. Dây dẫn: Đây là thành phần quan trọng nhất của cuộn kháng. Dây dẫn thường được làm từ đồng hoặc các vật liệu dẫn điện khác có độ dẫn tốt. Dây dẫn được cuộn quanh một lõi để tạo ra cuộn kháng. Số vòng dây cuộn càng nhiều, cảm kháng của cuộn cảm càng cao.
2. Lõi: Lõi đóng vai trò làm tăng hiệu quả của cuộn kháng bằng cách tập trung từ trường sinh ra từ dòng điện chạy qua dây dẫn. Lõi thường được làm từ các vật liệu từ tính như sắt, thép silicon, hay các hợp chất từ mềm khác. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng, cuộn kháng không có lõi (gọi là cuộn không lõi) cũng được sử dụng.

Cấu tạo của cuộn kháng có thể thay đổi tùy theo ứng dụng và yêu cầu về kích thước, công suất, cảm kháng và các thông số khác. Trong thực tế, cuộn kháng có nhiều dạng, như cuộn trụ, cuộn hình tròn, cuộn hình vuông, cuộn lớp và cuộn toroid.

Cấu tạo của cuộn kháng ảnh hưởng đến đặc điểm từ tính, nhiệt độ hoạt động, hiệu suất và độ tin cậy của cuộn cảm trong các ứng dụng điện tử và điện.

Ứng dụng cuộn kháng

Cuộn kháng (cuộn cảm) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng điện tử và điện, bao gồm:

1. Lọc tín hiệu: Cuộn kháng được sử dụng trong các bộ lọc để loại bỏ hoặc giảm tần số không mong muốn trong các mạch điện, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu.
2. Biến áp: Cuộn kháng được sử dụng trong các thiết bị biến áp để chuyển đổi điện áp và dòng điện giữa hai mạch không có liên kết điện trực tiếp.
3. Bộ điều chế và giải điều chế: Cuộn kháng được sử dụng trong các thiết bị truyền thông để mã hóa và giải mã thông tin, chẳng hạn như trong các bộ điều chế AM (biên độ điều chế) và FM (tần số điều chế).
4. Lưu trữ năng lượng: Cuộn kháng được dùng trong các mạch dao động và biến áp để lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường. Điều này cho phép chúng hoạt động như một nguồn năng lượng tạm thời trong các ứng dụng như nguồn cấp xung và hệ thống chuyển đổi điện năng.
5. Chống nhiễu: Cuộn kháng được sử dụng để giảm nhiễu điện từ trong các mạch và thiết bị điện tử, giúp bảo vệ chúng khỏi tác động tiêu cực của các tín hiệu nhiễu.
6. Tụ điện cảm ứng: Cuộn kháng kết hợp với tụ điện để tạo thành mạch RLC, được sử dụng trong các ứng dụng như bộ dao động, bộ lọc và hệ thống điều khiển.
7. Hệ thống điều khiển động cơ: Cuộn kháng được sử dụng trong các mạch điều khiển động cơ điện để ổn định dòng điện và giảm sự dao động của động cơ.
8. Điện thoại di động và thiết bị không dây: Cuộn kháng được sử dụng trong các mạch điều chỉnh điện áp, bộ điều chế và giải điều chế, và bộ lọc tín hiệu của các thiết bị không dây.

Nguyên lý hoạt động cuộn kháng

Nguyên lý hoạt động của cuộn kháng (cuộn cảm) dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, theo định luật Faraday và định luật Lenz. Khi dòng điện chạy qua cuộn kháng, một từ trường sẽ được tạo ra xung quanh dây dẫn. Khi dòng điện thay đổi, từ trường xung quanh cuộn cũng thay đổi, và điều này tạo ra một điện áp cảm ứng (điện áp cảm) trong cuộn kháng.

Định luật Faraday nêu rằng: Điện áp cảm ứng trong một vòng dây bằng đạo hàm theo thời gian của từ thông qua vòng đó, hoặc:

V_cảm = -dΦ/dt

Trong đó V_cảm là điện áp cảm ứng, Φ là từ thông qua vòng dây, và t là thời gian.

Định luật Lenz nêu rằng: Hướng của điện áp cảm ứng được tạo ra sao cho nó luôn tạo ra một dòng điện có hướng từ trường ngược lại với sự thay đổi của từ trường gây ra nó.

Cuộn kháng sẽ cản trở sự thay đổi của dòng điện trong mạch. Đối với dòng điện xoay chiều (AC), cuộn kháng có cảm kháng (Z), một đại lượng phức biểu thị sự chống cự của cuộn cảm đối với dòng điện AC:

Z = R + jωL

Trong đó R là tự cảm (đơn vị Ohm), ω là tần số góc của dòng điện AC (ω = 2πf, với f là tần số), L là cảm kháng (đơn vị Henry) và j là đơn vị ảo.

Khi dòng điện một chiều (DC) chạy qua cuộn kháng, từ trường xung quanh cuộn không thay đổi, và do đó không có điện áp cảm ứng được tạo ra. Trong trường hợp này, cuộn kháng hoạt động như một dây dẫn thông thường, với điện trở rất nhỏ.