CUỘN CẢM cùng các thông tin liên quan bên lề!!! (Phần 2)

 

CUỘN CẢM cùng các thông tin liên quan bên lề!!! (Phần 2)

 

 

 

1. Cuộn cảm là gì?

- Cuộn cảm có tên gọi là cuộn từ hay cuộn từ cảm, là một linh kiện điện tử thụ động được tạo thành từ rất nhiều vòng dây điện (lõi đồng) quấn xung quanh các lõi (sắt non, nam châm, không khí). Khi dòng điện chạy qua sẽ sinh ra từ trường, độ mạnh của từ trường mạnh hay yếu gọi là độ tự cảm hay từ dung ký hiệu là L và đơn vị đo là Henry (H). Các lõi sắt trong cuộn cảm được làm bằng các tấm lá thép non.

2. Nguyên lí hoạt động của cuộn cảm

- Nếu cho dòng điện 1 chiều DC chạy qua 1 cuộn cảm. Dòng điện sẽ sinh ra một từ trường B có cường độ và chiều không đổi ứng với chiều và cường độ dòng điện DC. Và dòng DC có tần số bằng 0, cuộn dây hoạt động như một điện trở có điện trở kháng gần bằng 0

- Ngược lại khi ta cho dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm, nó sẽ sinh ra từ trường biến thiên (B) và một trường điện trường E, điện trường này biến thiên nhưng luôn vuông góc với từ trường. Cảm kháng của cuộn cảm phụ thuộc vào tần số của dòng điện xoay chiều.

- Cuộn cảm L có đặc tính lọc nhiễu tốt cho các mạch nguồn DC có lẫn tạp nhiễu ở các tần số khác nhau tùy vào đặc tính cụ thể của từng cuộn cảm, giúp ổn định dòng, ứng dụng trong các mạch lọc tần số, và đặc biệt, hình dạng của cuộn cảm giúp năng lượng từ trường tăng cao, và mạnh hơn.

3. Vai trò của cuộn cảm

- Cuộn cảm tương tự như một tụ điện. Trong mạch, nó sẽ cản lại dòng điện xoay chiều (AC) và để dòng điện một chiều (DC) chạy qua tự do, và thường sử dụng trong mạch để tạo bộ lọc hoặc bộ dao động, hay lọc nhiễu,...

4. Chi tiết cuộn cảm và giá trị từ trường và từ dung của cuộn cảm L

- Khi có dòng điện chạy qua, cuộn dây sinh từ trường và trở thành nam châm điện. Khi không có dòng điện chạy qua, cuộn dây không có từ. Từ trường sản sinh tỉ lệ với dòng điện chạy qua và được thể hiện theo công thức sau: B.A = I.L

+ Hệ số tỷ lệ L là từ dung hay độ tự cảm, là tính chất vật lý của cuộn dây, đo bằng đơn vị Henry – H, thể hiện khả năng sản sinh từ của cuộn dây bởi một dòng điện

+ A là diện tích bề mặt cuộn dây

+ B.A ứng với từ thông. Từ dung càng lớn thì từ thông sinh ra càng lớn (ứng với cùng một dòng điện), và cũng ứng với dự trữ năng lượng từ trường (từ năng) trong cuộn dây càng lớn.

 

Bảng dưới đây tóm tắt công thức tính từ dung cho một số trường hợp

 

 

5. Kí hiệu và chi tiết cuộn cảm

+ Dòng điện, i chảy qua một cuộn cảm tạo ra từ thông tỷ lệ với nó. Nhưng không giống như một tụ điện có dặc tính chống lại sự thay đổi điện áp trên các bản của chúng, một cuộn cảm phản đối tốc độ thay đổi của dòng điện chạy qua nó do sự tích tụ năng lượng tự cảm ứng trong từ trường của nó.

+ Nói cách khác, cuộn cảm chống lại hoặc chống lại sự thay đổi của dòng điện nhưng sẽ dễ dàng vượt qua dòng điện một chiều ổn định. Khả năng này của một cuộn cảm chống lại sự thay đổi của dòng điện và cũng liên quan đến dòng điện, i với liên kết từ thông của nó, NΦ là một hằng số tỷ lệ được gọi là Điện cảm được đặt ký hiệu L với các đơn vị của Henry (H)

 

- Cuộn cảm hoặc cuộn dây rất phổ biến trong các mạch điện và có nhiều yếu tố quyết định độ tự cảm của cuộn dây như hình dạng của cuộn dây, số vòng dây, số lớp dây, khoảng cách giữa các vòng, từ thẩm của vật liệu lõi, kích thước hoặc diện tích mặt cắt ngang của lõi, v.v.

- Một cuộn dây có một vùng lõi trung tâm, ( A ) với số vòng dây không đổi trên một đơn vị chiều dài, ( l ). Vì vậy, nếu một cuộn dây N được liên kết bởi một lượng từ thông, Φ thì cuộn dây có liên kết từ thông N và bất kỳ dòng điện nào, ( i ) chảy qua cuộn dây sẽ tạo ra một từ thông cảm ứng theo hướng ngược lại với dòng chảy. Sau đó, theo Định luật Faraday, bất kỳ thay đổi nào trong liên kết từ thông này sẽ tạo ra điện áp tự cảm ứng trong cuộn dây đơn:

 

+ N: Số vòng dây cuộn dây L

+ A: Diện tích mặt cắt ngang

+ Φ: Lượng từ thông trong Webers

+ μ: Từ thẩm của vật liệu

+ l: Chiều dài của cuộn dây tính bằng mét

+ di / dt: Tốc độ thay đổi của dòng điện trong amps / giây

 

- Từ trường biến thiên theo thời gian tạo ra một điện áp tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi của dòng điện tạo ra nó với giá trị dương cho thấy sự gia tăng của emf (Độ tự cảm) và giá trị âm biểu thị sự giảm emf (Độ tự cảm). Phương trình liên quan đến điện áp, dòng điện và điện cảm tự cảm này có thể được tìm thấy bằng cách thay thế (μN^2).A / l bằng L biểu thị hằng số tỷ lệ gọi là: Độ tự cảm của cuộn dây.

- Mối liên quan giữa từ thông trong cuộn cảm và dòng điện chạy qua cuộn cảm là: NΦ = Li. VÀ điều đó liên quan trực tiếp tới Độ tự cảm emf của cuộn dây

 

 

(Trong đó: L là độ tự cảm và di / dt: tốc độ biến thiên của dòng điện)

- Hình vẽ dưới biểu thị chi tiết các thông số trong cuộn cảm

 

 

- Vì vậy, chúng ta có thể thấy rằng: (Độ tự cảm cuộn dây) emf = độ tự cảm x tốc độ thay đổi dòng điện. Một mạch điện sẽ có độ tự cảm riêng biệt và giống như trong một cuộn cảm khi có dòng điện thay đổi biến thiên chạy trong mạch điện.

- Một điểm quan trọng cần lưu ý về phương trình trên. Nó chỉ liên quan đến (Độ tự cảm) emf được tạo ra trên cuộn cảm với sự thay đổi dòng điện bởi vì nếu dòng điện của cuộn cảm không đổi và không thay đổi như ở dòng điện DC ở trạng thái ổn định, thì điện áp emf cảm ứng sẽ bằng 0 vì tốc độ thay đổi dòng điện tức thời là không, di / dt = 0

- Với dòng điện một chiều ở trạng thái ổn định chạy qua cuộn cảm và do đó điện áp cảm ứng bằng 0 trên nó, cuộn cảm đóng vai trò ngắn mạch bằng một đoạn dây hoặc ít nhất là điện trở có giá trị rất thấp. Nói cách khác, sự đối lập với dòng điện được cung cấp bởi một cuộn cảm rất khác nhau giữa các mạch AC và DC

6. Hằng số t (Thời gian) trong một cuộn cảm

- Bây giờ chúng ta biết rằng dòng điện không thể thay đổi tức thời trong một cuộn cảm vì để điều này xảy ra, dòng điện sẽ cần thay đổi một lượng hữu hạn trong thời gian 0, điều này sẽ dẫn đến tốc độ thay đổi dòng điện là vô hạn, di / dt =  ∞ , làm cho emf cảm ứng vô hạn cũng như điện áp vô hạn không tồn tại. Tuy nhiên, nếu dòng điện chạy qua một cuộn cảm thay đổi rất nhanh, chẳng hạn như với hoạt động của một công tắc, điện áp cao có thể được cảm ứng trên cuộn dây cuộn cảm.

 

 

 

- Xét mạch của cuộn cảm bên phải. Với công tắc, khi ( S1 ) mở, không có dòng điện chạy qua cuộn cảm. Vì không có dòng điện chạy qua cuộn cảm, tốc độ thay đổi của dòng điện ( di / dt ) trong cuộn dây sẽ bằng 0. Nếu tốc độ thay đổi của dòng điện bằng 0 thì không có emf tự cảm ứng, ( V.L = 0 ) trong cuộn cảm.

- Nếu bây giờ chúng ta đóng công tắc (t = 0), một dòng điện sẽ chạy qua mạch và từ từ tăng lên giá trị cực đại của nó với tốc độ được xác định bởi độ tự cảm của cuộn cảm. Tốc độ dòng điện chạy qua cuộn cảm này nhân với độ tự cảm của cuộn cảm, dẫn đến độ tự cảm ( emf ) của cuộn dây có giá trị cố định được tạo ra và được xác định bởi phương trình Faraday ở trên, V.L  = L.di / dt

- Emf hay độ tự cảm trên cuộn dây, ( V.L ) có vai trò cản trở dòng điện đầu vào mạch cho đến khi dòng điện đạt giá trị cực đại và đạt được điều kiện trạng thái ổn định. Dòng điện chạy qua cuộn dây chỉ được xác định bởi điện trở thuần DC hoặc điện cực thuần của cuộn dây vì giá trị cảm kháng của cuộn dây đã giảm về 0 do sự thay đổi của dòng điện ( di / dt ) bằng 0. Nói cách khác, cảm kháng hay dòng điện trên cuộn dây chỉ tồn tại trong khoảng thời gian dòng điện đầu vào biến thiên và vai trò của nó chống lại dòng điện cấp ban đầu.

7. Dòng điện và điện áp trong một cuộn cảm

 

 

 

 

- Điện áp cảm ứng trên cuộn dây được tạo ra bởi cuộn cảm phụ thuộc vào sự thay đổi dòng điện trong mạch. Trong các thông tin về hiện tượng Cảm ứng điện từ, Định luật Lenz đã tuyên bố rằng: Hướng đi của một emf cảm ứng là như vậy nó sẽ luôn chống lại sự thay đổi gây ra nó.

 

 

 

 

- Ví dụ:  Một dòng điện trực tiếp trạng thái ổn định có giá trị 4A đi qua cuộn dây điện từ 0,5H. Điều gì sẽ xảy ra và khi đó giá trị điện áp trên cuộn dây là bao nhiêu nếu công tắc trong mạch trên được mở trong 10ms và dòng điện chạy qua cuộn dây giảm xuống 0A

 

 

 

 

8. Nguồn điện hay điện áp trong một cuộn cảm

- Chúng ta đã biết rằng một cuộn cảm khi lắp trong mạch điện thì sẽ chống lại dòng điện, ( i ) thông qua nó bởi vì dòng chảy này tạo ra một emf chống lại nó, tuân theo Định luật Lenz. Sau đó, tiên trình xảy ra phải được thực hiện bởi nguồn cố định bên ngoài để giữ cho dòng điện chạy ngược lại với emf cảm ứng này. Sức mạnh tức thời được sử dụng để buộc dòng điện, ( i ) chống lại emf tự cảm ứng này, ( V.L ) được đưa ra:

 

 

 

 

- Công suất trong một mạch được cho là, P = V * I do đó:

 

 

 

 

- Một cuộn cảm lý tưởng không có điện trở chỉ có điện cảm nên R = 0 và do đó không có công suất nào bị tiêu tán trong cuộn dây, vì vậy chúng ta có thể nói rằng một cuộn cảm lý tưởng có tổn thất điện năng bằng 0

9. Năng lượng trong một cuộn cảm

- Khi năng lượng chảy vào một cuộn cảm, năng lượng được lưu trữ trong từ trường của nó. Khi dòng điện chạy qua cuộn cảm tăng và di / dt trở nên lớn hơn 0, công suất tức thời trong mạch cũng phải >0, ( P> 0 ), điều đó có nghĩa là năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm.

- Tương tự, nếu dòng điện qua cuộn cảm giảm và di / dt <0 thì công suất tức thời cũng phải nhỏ hơn 0, ( P <0 ), điều đó có nghĩa là cuộn cảm đang đưa năng lượng trở lại mạch. Sau đó, bằng cách tích hợp phương trình cho công suất ở trên, tổng năng lượng từ luôn luôn dương, được lưu trữ trong cuộn cảm do đó được đưa ra như sau:

(Năng lượng được lưu trữ bởi một cuộn cảm)

 

 

 

 

Trong đó: 

+ W: Năng lượng lưu trữ trên cuộn dây, đơn vị J (Jun)

+ L: Độ tự cảm, đơn vị H (Henri)

+ i: Dòng điện, kí hiệu A (Ampe)

 

- Năng lượng trong cuộn dây được lưu trữ trong từ trường bao quanh cuộn cảm bởi dòng điện chạy qua nó. Trong một cuộn cảm lý tưởng không có điện trở hoặc điện dung, vì dòng điện cáp đầu vào đã làm tăng dòng năng lượng vào cuộn cảm và được lưu trữ ở đó trong từ trường của nó mà không bị mất, nó không được giải phóng cho đến khi dòng điện giảm và từ trường sẽ giảm đi để bù đắp cho sự sụt giảm của dòng điện đầu vào

- Sau đó, trong một dòng điện xoay chiều, mạch điện xoay chiều với một cuộn cảm liên tục lưu trữ và cung cấp năng lượng cho mỗi chu kỳ. Nếu dòng điện chạy qua cuộn cảm không đổi như trong mạch DC, thì không có thay đổi trong năng lượng được lưu trữ là P = Li (di / dt) = 0

- Chính vì vậy, cuộn cảm có thể được định nghĩa là các thành phần thụ động vì chúng có thể vừa lưu trữ và cung cấp năng lượng cho mạch, nhưng chúng không thể tạo ra năng lượng. Một cuộn cảm lý tưởng được phân loại là mất ít hơn, có nghĩa là nó có thể lưu trữ năng lượng vô thời hạn vì không mất năng lượng

- Tuy nhiên, cuộn cảm thực tế sẽ luôn tồn tại một điện trở liên quan đến cuộn dây và bất cứ khi nào dòng điện chạy qua cuộn dây làm năng lượng điện trở bị mất dưới dạng nhiệt do Định luật Ohms, ( P = I^2.R ) bất kể dòng điện có xen kẽ hay không hoặc không đổi

- Do đó, việc sử dụng cuôn cảm rất phù hợp trong các mạch lọc, mạch cộng hưởng và cho giới hạn dòng điện. Một cuộn cảm có thể được sử dụng trong mạch để chặn hoặc định hình lại dòng điện xoay chiều hoặc một dải tần số hình sin, và trong vai trò này, một cuộn cảm có thể được sử dụng để điều chỉnh một bộ thu sóng vô tuyến đơn giản hoặc nhiều loại dao động khác nhau. Nó cũng có thể bảo vệ các thiết bị nhạy cảm khỏi các xung điện áp phá hủy và dòng điện với điện áp cao

- Trong hướng dẫn tiếp theo về cuộn cảm, chúng ta thấy rằng điện trở hiệu dụng của cuộn dây được gọi là cuộn cảm, và độ tự cảm mà như chúng ta biết bây giờ là đặc tính của dây dẫn điện mà đối nghịch với sự thay đổi của dòng điện cấp ban đầu vào mạch điện Giá trị đó gọi là hiện tượng tự cảm, hoặc cảm ứng bên ngoài, được gọi là tự cảm lẫn nhau.

(Linh Kiện Thành Công - Tài Liệu - Sưu tầm và biên dịch)