Cuộn cảm là một trong các linh kiện cơ bản trong mạch điện, và đóng vai một vai trò cực kì quan trọng trong hệ thống điện tử công suất. Năng lượng hiểu suất cao cần thiết do ngành công nghệ phát triển nhanh chóng. Cuộn cảm là một phần quan trọng để điều khiển dòng điện, ổn định tín hiệu và tăng hiệu quả năng lượng. Bài viết này sẽ tìm hiểu về chức năng và ứng dụng của cuộn cảm. Nó cũng sẽ nói về cách chúng hoạt động trong thế giới thực. Các loại cuộn cảm phổ biến và các yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn cuộn cảm cũng sẽ được nêu lên trong bài này.

Cuộn cảm là gì?

Cuộn cảm (inductor) là một linh kiện điện tử thụ động, có khả năng lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường khi có dòng điện chạy qua. Cấu tạo của cuộn cảm bao gồm một lõi sắt hoặc ferrite được quấn quanh bởi một dây dẫn. Một vài loại cuộn cảm sẽ không có lõi. Trong quá trình hoạt động của mạch điện, khi dòng điện thay đổi, cơ chế cuộn cảm sẽ tạo ra điện áp ngược chiều với sự thay đổi đó của dòng điện (áp dụng định lý Lenz). Cơ chế này giúp giảm sự thay đổi đột ngột của dòng điện trong mạch. Đặc điểm này có thể được áp dụng trong các mạch điện tử công suất.

Cuộn cảm trong điện tử công suất: Tại sao lại quan trọng?

Cuộn cảm đóng một vai trò cực kỳ quan trọng đối với mạch điện tử công suất, đặc biệt trong các mạch chuyển mạch (switching circuits), mạch điều khiển điện áp và dòng điện, và trong các bộ nguồn chuyển mạch (switch-mode power supplies – SMPS).

Lọc và ổn định nguồn điện

Các mạch nguồn thường sử dụng cuộn cảm để giảm nhiễu điện từ (EMI) và dao động điện áp. Cuộn cảm lọc có thể lọc các thành phần tần số cao khi dòng điện trong mạch chuyển đổi, giúp giữ cho nguồn điện ổn định hơn… Trong các mạch SMPS, cuộn cảm cũng giúp duy trì dòng điện ổn định, giảm thiểu sự dao động của điện áp đầu ra, và đảm bảo rằng thiết bị điện tử nhận được nguồn điện chất lượng cao.

Lưu trữ năng lượng

Cuộn cảm có khả năng lưu trữ năng lượng trong từ trường khi dòng điện đi qua chúng. Cuộn cảm cung cấp hoặc hấp thụ năng lượng từ trường để giữ cho dòng điện không thay đổi đột ngột khi dòng điện thay đổi hoặc khi nguồn cung cấp điện thay đổi. Điều này rất quan trọng trong các mạch chuyển mạch, nơi dòng điện và điện áp có thể thay đổi rất nhanh. Cuộn cảm ngăn chặn dòng điện trong mạch bị "giật" hoặc "sụt giảm".

Điều chỉnh và chuyển đổi năng lượng

Cuộn cảm được sử dụng trong các bộ chuyển đổi DC-DC hoặc AC-DC vì chúng chuyển đổi và điều chỉnh năng lượng. Cuộn cảm được sử dụng trong các mạch này để tăng hoặc giảm điện áp trong khi vẫn duy trì hiệu suất cao và giảm tổn thất năng lượng. Cuộn cảm tích trữ và truyền năng lượng trở lại mạch khi cần thiết, giúp duy trì quá trình chuyển đổi năng lượng hiệu quả.

Các loại cuộn cảm trong điện tử công suất

Trong các ứng dụng điện tử công suất hiện đại, cuộn cảm không chỉ có một loại duy nhất. Cuộn cảm được chia thành nhiều loại khác nhau tùy thuộc mỗi mục đích:

Cuộn cảm lõi sắt (Iron Core Inductors)

Vật liệu ferromagnetic như sắt hoặc thép được sử dụng trong cuộn cảm lõi sắt sẽ tăng cường khả năng từ hóa của cuộn dây, tăng năng lượng lưu trữ trong cuộn cảm. Các cuộn cảm này thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu giá trị cuộn cảm lớn và khả năng hoạt động với tần số thấp. Tuy nhiên, cuộn cảm lõi sắt có thể bị bão hòa khi hoạt động ở tần số cao, dẫn đến hiệu suất kém và tổn thất năng lượng cao.

Cuộn cảm lõi ferrite (Ferrite Core Inductors)

Vật liệu ferrite, có tính năng từ trường mạnh và có khả năng làm việc hiệu quả ở tần số cao, là nền tảng cho cuộn cảm lõi ferrite. Các ứng dụng điện tử công suất thường sử dụng các cuộn cảm này, đặc biệt là trong các mạch chuyển mạch và bộ nguồn chuyển mạch, nơi yêu cầu hiệu suất và ổn định cao trong dải tần số rộng. Lõi ferrite giúp giảm tổn thất năng lượng và cho phép cuộn cảm hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện thay đổi nhanh chóng của dòng điện và điện áp.

Cuộn cảm không lõi (Air Core Inductors)

Cuộn cảm không lõi sử dụng không khí làm vật liệu từ trường, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và giảm sự bão hòa từ. Loại cuộn cảm này phù hợp với các ứng dụng cần hoạt động ở tần số rất cao, nhưng thường có giá trị cuộn cảm thấp hơn và kích thước lớn hơn so với cuộn cảm lõi từ. Các hệ thống cần tần số cao, chẳng hạn như các ứng dụng tín hiệu và truyền thông, thường sử dụng cuộn cảm không lõi.

Cuộn cảm SMD (Surface-Mount Inductors)

Cuộn cảm SMD (Surface-Mount Device) là loại cuộn cảm được thiết kế để gắn trực tiếp trên bề mặt của bảng mạch in (PCB). Cuộn cảm SMD có kích thước nhỏ gọn và dễ dàng lắp ráp trong các hệ thống điện tử hiện đại, đặc biệt là trong các thiết bị di động và thiết bị điện tử tiêu dùng. Chúng có thể sử dụng lõi ferrite hoặc lõi không từ tùy theo yêu cầu về tần số và hiệu suất.

Các yếu tố cần lưu ý khi chọn cuộn cảm

Nhiều yếu tố kỹ thuật phải được xem xét khi chọn cuộn cảm cho mạch điện tử công suất. Đây là một số yếu tố quan trọng sau:

Giá trị cuộn cảm (Inductance)

Giá trị cuộn cảm được đo bằng henry (H), giá trị này thể hiện khả năng lưu trữ năng lượng của cuộn cảm. Trong các mạch nguồn, cuộn cảm có giá trị cuộn cảm cao giúp giảm thiểu sự dao động của điện áp và dòng điện, nhưng cũng có thể tạo ra tổn thất năng lượng nếu không được thiết kế hợp lý.

Dòng điện tối đa (Maximum Current)

Cuộn cảm phải có khả năng chịu được dòng điện tối đa mà mạch yêu cầu mà không bị quá nhiệt hoặc hư hỏng. Để đảm bảo cuộn cảm hoạt động hiệu quả và bền bỉ, dòng điện này phải phù hợp với dòng điện tối đa trong mạch.

Tần số hoạt động (Operating Frequency)

Cuộn cảm cần có khả năng hoạt động hiệu quả ở tần số mà mạch yêu cầu. Các cuộn cảm ferrite thường được chọn cho các ứng dụng với tần số cao, trong khi cuộn cảm lõi sắt thích hợp hơn cho các ứng dụng với tần số thấp.

Kích thước và kiểu dáng

Với các thiết bị di động hoặc các hệ thống yêu cầu tiết kiệm không gian, cuộn cảm SMD hoặc cuộn cảm nhỏ gọn thường được lựa chọn. Nên kích thước và kiểu dáng của cuộn cảm cũng đáng được cân nhắc trong các mạch điện.

Kết luận

Cuộn cảm hỗ trợ lưu trữ, chuyển đổi và ổn định nguồn điện trong các hệ thống điện tử công suất hiện đại. Các yếu tố như giá trị cuộn cảm và dòng điện tối đa không phải là những yếu tố duy nhất ảnh hưởng đến việc chọn cuộn cảm phù hợp. Tần số, kích thước và hiệu suất hoạt động cũng phải được xem xét. Về hiệu suất và độ tin cậy, cuộn cảm sẽ tiếp tục đóng góp cho các thiết bị điện tử công suất trong tương lai với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ.

‍