Cuộn cảm (inductor) hay cuộn tự cảm L là cách gọi tên của một cuộn dây dẫn (coil) quấn có lõi từ (sắt từ hoặc ferrite) hoặc không có lõi (lõi không khí, lõi nhựa, giấy) với rất nhiều kiểu dáng, hình dạng khác nhau (hình 1.50) và hình 1.51.
Linh kiện điện từ 53
Không lòi
a>
Lõi ferrite vặn
Hình 1.50. cấu tạo và ký hiệu một sổ cuộn cám thông dụng
Cuộn cảm quấn dạng lớp. Dùng dây đồng cách điện quấn thành lớp đều trên lõi. Cách quấn này đơn giản, cho hệ so tự cảm lớn, nhưng gây ra điện dung ký sinh giữa các lớp dây quân lớn, thường dùng làm các cuộn lọc âm trong các thùng loa. ơ các dài tân cao, người ta dùng các cuộn dây quấn ít vòng, có khoáng hở. Loại cuộn dây này có điện dung ký sinh nho, hệ số phẩm chất lớn. Tần số làm việc cùa cuộn dây càng cao thì cuộn dây quân càng ít vòng.
Cuộn cảm quấn dạng tố ong. Đệ có hê số tự cảm lớn và điện dung ký sinh nhỏ người ta dùng cách quân nhiêu lớp (multilayer inductor) nhưng bố trí theo kiểu hình tổ ong. Các cuộn dây này thường dùng làm cuộn cản sóng cao tân (RF choke).
Hình 1.51. Hình dạng thực tê cùa một số loại cuộn cảm
54 Linh kiện điện tử
— Các cuộn cảm có lõi từ. Đe tăng hệ số tự cảm mà không làm tăng kích thước cuộn dây được quấn trên các lõi từ (sắt từ hay ferrite) có dạng hình trụ (solenoid) hoặc hình xuyến (toroidal core). Các cuộn dây làm việc ờ vùng tần số cao thường dùng lõi ferrite, vùng tần số thấp dùng lõi sẳt từ.
Hình dạng thực tế của một số loại cuộn cảm như trên hình 1.51 cho thấy có 3 kiểu kết cấu chính:
— Kết cấu ống hình trụ (solenoid core)
— Kết cấu hình xuyến (toroidal core)
— Kết cấu dạng đóng gói (chip)
1.3.2. Các thông số kỹ thuật của cuộn cảm 1.3.2. ỉ. Hệ so tự cám L
Hệ số tự cảm L (hay độ tự cảm, điện cảm) đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng từ trường khi có dòng điện chạy qua. Giá trị cùa L phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, số vòng dây quấn và vật liệu làm lõi ống dây (hỉnh 1.52).
Hình 1.52.Óng dây đơn lớp
Với một ống dây đon lớp, chiều dài / (m), tiết diện ngang s (m2), có N vòng dây quấn, hệ số tự cảm được tính bằng công thức sau:
L = ppoy-S = ppvn2V (1.40)
Trong đó: p - độ từ thẩm của lõi
Po = 4 ít. 1 o-7 H/m - hằng số từ V = Sl- thề tích ống dây
n = N /1 - số vòng trên một đơn vị dài
Đơn vị cơ bàn đo L là henry (H). Các cuộn cảm thông thường có giá trị chì cỡ mill henry (mH) và micro henry (pH). 1 mili henry (mH) = 10’3 H; 1 micro henry (pH) = 10'6 H
Linh kiện điện tử 55 1.3.2.2. Từ trường của ống dây
Một ống dây dần thẳng có dòng điện chạy qua sẽ có từ tính giống như một nam châm vĩnh cữu. Chiều từ trường của ống dây phụ thuộc vào chiều dòng điện, chiều dây quấn và được xác định bằng quy tắc nắm bàn tay phải (hình 1.53).
Hình 1.53. Từ trường của ống dây và từ trường nam châm vĩnh cửu Với một ống dây dài l, quấn N vòng đơn lớp (hình 1.54), từ trường trong lòng ống dây là đều và có độ lớn cảm ứng từ:
B = ^ữyl = ụụữnl (1.41)
Năng lượng từ trường tập trung chù yếu trong lòng ống dây:
WL = 2 ư' = 2 m"2/2 ■r = 2 /'/ự/2 V = \BH V (1 -42)
Trong đó: H = nỉ là độ lớn véc tơ cường độ từ trường, B = là độ lớn véc tơ cảm ứng từ.
\
' ỎOOQ0OỒ '
}---:--- 0000000
Hình 1.54. Từ trường trong lòng ống dây
Khác với tụ điện có thể lưu giữ năng lượng điện trường nhờ các điện tích định xứ trên hai bàn tụ. Cuộn dây khi cắt dòng (/ = 0) năng lượng từ trường của ống dây theo (1.42) sẽ triệt tiêu.
Ta hãy xét thí nghiệm sau: mắc mạch như hình 1.55, a
56 Linh kiện điện tử
Ib) <<b
Hình 1.55. Đặc tính nạp, xá điện của ông dây
Dóng khóa K ờ vị trí (1). Nguồn điện 1ZDC sẽ phát dòng qua mạch.
Theo [9] dòng điện sẽ tăng dần theo quy luật hàm mũ (hình 1.55, b):
= l-e 7 ; r = 4 (1.43)
* I J *
Sau thời gian chừng 5t dòng trong mạch tiệm cận tới giá trị cực đại ỉ’max = Tdc/^, từ trường của ống dây đạt giá trị lớn nhất.
Bây giờ chuyển khóa K sang vị trí (2), năng lượng từ trường cùa ống dây sẽ được giải phóng (hình 1.55, c, d), dòng trong mạch nhanh chóng giảm về 0 theo hàm mũ:
W = ^.e'-,T = ± (1.44)
A K
1.3.2.3. Cảm khảng Xl
Trong mạch điện xoay chiều, cuộn dây có một càm kháng:
XL=jcoL (1.45)
Giá trị cùa Xi, tỳ lệ với tần số co, tần số càng cao cảm kháng càng lớn, do đó cuộn cảm đóng vai trò phần từ kháng gây ra tồn hao công suất phàn kháng Qi. trong mạch xoay chiều.
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên L (hình 1.56, a):
uR=L^ị- (1.46)
K dt
Linh kiện điện tử 57 (1.47) ỉ.3.2.4. Sơ đồ tương đương, tổn hao và hệ phâm chất của cuộn dãy
Mồi cuộn dây có một điện trở hoạt động R. Trong mạch điện xoay chiều cuộn dây tương đương một điện cảm L mắc nối tiếp với điện trờ R (hình 1.56, b). Trở kháng tông cộng của cuộn dâyZĂ = /? + jcùL, có độ lớn:
ZL = ylR2+XL2 = ự/?2 + (ryự (1.48) Điện trờ hoạt động R gây ra tổn hao công suất và làm cho góc lệch pha giữa dòng và thế hai đầu cuộn dây sẽ nhỏ hơn 90° một góc ô,
gọi là góc tổn hao ô = 90°- (p.
R i I.
(a) (b)
Hình 1.56. Tổn hao và hệ sỏ phẩm chat của cuộn dây Hệ số tốn hao được định nghĩa là tang cùa góc ỗ:
lanổ = ỉtjL.^- (1.49)
UL coL
Nghịch đảo của góc tổn hao gọi là hệ số phẩm chất của cuộn dây:
tan 5 R
(1.50)
58 Linh kiện điện tử 1.3.2.5. Chuấn E1A và chuẩn quân sự (Military’ Standard)
Theo chuẩn EIA (Electronic Industries Association) các thông số của diện căm đóng gói dạng hình trụ củng được mã hóa theo luật vòng tương tự như cách ghi điện trờ (hình 1.57).
Ví dụ: Với điện cảm 4 vòng màu: đó, tím, nâu, đen.
Tinh theo /zlỉ
Hình 1.57.Bảng mã màu cho điện cảm theo EIA [13]
Mà 4 vòng màu 'j Đò, tim, náu, đen
-L__ 270/zF± 20%
Màu Vòng 1 Vòng 2 HS nhân Dung sai
Đcn 0 0 lơ’ ± 20%
Nâu 1 1 10' QS± 1%
Đó 2 2 102 QS±2%
Cam 3 3 10’ ọs±3%
Vàng 4 4 104 QS±4%
Lục 5 5
Lam 6 6
Chàm 7 7
Tím 8 8
Xám 9 9
Trắng
Không máu QS± 20%
Vàng kim I0-' ±5%
Bạch kim 10-2 ±10%
Mã định danh QS—^_^
Z ld M
Đối với chuẩn quân sự MS (Military Standard) cũng tương tự như chuân EIA nhưng có 5 vòng màu, vòng đầu tiên màu bạc bề rộng gấp đôi dùng định danh mã quân sự, các vòng sau quy ước giống loại 4 vòng.
Linh kiện điện tủ 59
/ I Ị.\x, bạc đó tím nâu vàng (mã quân sự) 2 7 10' ±5%
L = TlữpH± 5%
1.3.2.6. Mã hóa theo ký tự
Cách ghi thông số điện cảm theo mã ký tự cũng tương tự như điện trở được dùng cho các điện cảm đóng gói kích thước nhò và loại SMD.