Có ba loại linh kiện thụ động trong mạch điện tử: điện trở, tụ điện và cuộn cảm, trong đó cuộn cảm có thể là loại đặc biệt nhất về nguyên tắc. Hiện tượng cảm ứng được Michael Faraday và Joseph Henry phát hiện vào những năm 1830: Faraday phát hiện ra rằng từ trường biến thiên có thể tạo ra dòng điện; Henry đã nghiên cứu độc lập hiện tượng "tự cảm ứng", đề cập đến hiện tượng cảm ứng của dòng điện bên trong vật dẫn.
Trước khi con người hiểu đầy đủ về điện từ, việc chỉ cần quấn dây thành cuộn dây là có thể thay đổi tính chất điện của nó là điều bí ẩn. Trong những ngày đầu của radio, những người đam mê DIY sẽ sử dụng một thanh từ tính hoặc ống bìa cứng chỉ dài vài inch, quấn hàng chục vòng dây để làm cuộn cảm cuộn điều chỉnh, để lắp ráp radio bán dẫn.
Ký hiệu sơ đồ của cuộn cảm dựa trên thiết kế bề ngoài vật lý của nó (Hình 1). Các loại cuộn cảm bao gồm rỗng, lõi sắt và biến thiên.
Hình 1: Cuộn cảm (hình bên phải) ban đầu được hình thành bằng dây quấn quanh một ống rỗng hoặc lõi sắt; Các ký hiệu nguyên tắc tương ứng được hiển thị trong hình (ảnh bên trái). (Nguồn ảnh: Hackatronic.com)
Độ tự cảm là một đặc tính của dây dẫn, do tác dụng của từ trường của nó nên dòng điện chạy qua dây dẫn thường xuyên thay đổi. Vì vậy, cuộn cảm đôi khi còn được gọi là cuộn cảm vì chúng có thể "nghẹt thở" những thay đổi của dòng điện. Mối quan hệ giữa độ tự cảm (L) và tốc độ thay đổi của điện áp (V) và dòng điện (I) có thể được biểu thị bằng một phương trình đơn giản: V=L (dI/dt).
Mặc dù cuộn cảm cuộn dây quấn vẫn được sử dụng rộng rãi nhưng ngày nay chúng không còn phù hợp với nhiều mạch điện nữa. Chúng có thể quá lớn, không thể cung cấp các giá trị cần thiết, thể hiện các hiệu ứng ký sinh không mong muốn, có điện trở DC (DCR) cao và thể hiện sự suy giảm hiệu suất ở tần số cao hơn. So với những người đam mê radio DIY ban đầu, cuộn cảm quấn làm sẵn dành cho các ứng dụng tần số vô tuyến (RF) có kích thước nhỏ hơn 1 milimét vuông (mm2) hiện đã có sẵn để mua.
Cuộn cảm hiện đại cho bộ chuyển đổi điện
Mặc dù cuộn cảm đã đạt được tiến bộ đáng kể, ngay cả cuộn cảm cuộn nâng cao cũng có những thiếu sót về hiệu suất và kích thước đối với các mạch hiện đại. Cuộn cảm điện hiện đại là các thành phần chính xác đã được mô hình hóa cẩn thận, với các thông số lõi và phụ được xác định đầy đủ và các đặc tính của chúng được tối ưu hóa theo các ưu tiên ứng dụng khác nhau.
Ngoài ra, các nhà cung cấp đã phát triển các vật liệu mới để đáp ứng nhu cầu của các cấu trúc liên kết cung cấp điện chuyển mạch khác nhau, chẳng hạn như bộ chuyển đổi cuộn cảm sơ cấp một đầu (SEPIC), bộ chuyển đổi Ć uk (được đặt theo tên nhà phát minh Slobodan Ć uk) và nhiều cấu hình tăng áp khác nhau.
Hầu hết các cuộn cảm này sử dụng vật liệu bột và ferrite tiên tiến, đồng thời các đặc tính của chúng đã được điều chỉnh cẩn thận. Những cuộn cảm này có DCR cực thấp (cải thiện đáng kể giá trị điện cảm Q - giá trị tiêu chuẩn để đo hiệu suất điện cảm) và độ cuộn cảm mượt mà. Cái sau đề cập đến mức độ mà giá trị điện cảm thực tế giảm hoặc "tắt" do bão hòa lõi từ khi dòng điện một chiều tăng lên, tương tự như phản ứng tần số cuộn ra khỏi bộ lọc.
Cuộn cảm được sử dụng trong bộ nguồn thường cũng cần phải có khả năng xử lý dòng điện định mức tương đối cao, thường là hàng chục ampe. Tham số này không được xác định bởi một giá trị duy nhất mà bởi nhiều giá trị như dòng điện bình phương trung bình gốc (Irms), dòng điện cực đại (Ipeak) và dòng điện bão hòa (Isat). Các cuộn cảm do nhà sản xuất cung cấp sẽ có các tổ hợp dòng điện định mức khác nhau và các tham chiếu tham số cấp cao nhất khác để đáp ứng các yêu cầu ưu tiên của các cấu trúc cấu trúc liên kết khác nhau.
Nhà sản xuất cũng đã phát triển các vật liệu tiên tiến và công nghệ gắn trên bề mặt (SMT) (Hình 2) có thể chịu được nhiệt liên quan mà không ảnh hưởng đến hiệu suất hoặc độ tin cậy. Loại che chắn giúp giảm thiểu các vấn đề nhiễu tần số vô tuyến (RFI) trong các ứng dụng nhạy cảm.
Hình 2: Cuộn cảm SMT công suất cao hiện có thể cung cấp nhiều kích thước nhỏ đáng ngạc nhiên khác nhau mà không ảnh hưởng đến hiệu suất. (Nguồn ảnh: Eaton)
Dòng điện cảm đúc HCM/HPAL của Bộ phận Điện tử Eaton phản ánh sự tiến bộ và sự khác biệt của các cuộn cảm được tối ưu hóa cho bộ chuyển đổi này. Cả hai dòng đều sử dụng vật liệu cuộn cảm tiên tiến, được đặc trưng bởi độ bền, dòng điện cao và EMI thấp. Cấu trúc đúc của chúng có thể cung cấp độ tự cảm mềm trong các phạm vi dòng điện định mức khác nhau.
Các thiết bị dòng HCM và HPAL có nhiều kích cỡ khác nhau, nhưng khối lượng của chúng tương đối nhỏ.
Để đảm bảo độ tin cậy và độ bền cao, nhiệt độ hoạt động định mức của thiết bị HCM/HPAL là -55 đến 125 ° C (nhiệt độ môi trường cộng với khả năng tự tăng nhiệt độ) và chúng chứa chất ức chế rỉ sét giúp ngăn ngừa rỉ sét bề mặt do môi trường ẩm ướt (MSL cấp 1).
Dòng HCM sử dụng bột sắt ép tiên tiến với hiệu suất Isat vượt trội, có thể thấy ở hai thiết bị tiêu biểu là HCM0503V2-R68-R và HCM0503V2-4R7-R. HCM0503V2-R68-R là cuộn cảm không được che chắn DCR 680 nanohenries (nH), 8 milliohms (m Ω) với tần số hoạt động lên đến 1 megahertz (MHz). Kích thước của nó chỉ 5,7 × 5,4 × 3,0 mm, với dòng điện định mức 10 ampe (A) (Irms)/12 ampe (Isat). HCM0503V2-4R7-R sử dụng cùng kích thước gói nhưng phù hợp với các tình huống yêu cầu độ tự cảm cao hơn. Đó là thiết bị không được che chắn 4,7 µH, 47 m Ω với dòng điện định mức 4,1 A (Irms)/6 A (Isat).
Ngược lại, cuộn cảm HPAL sử dụng bột hợp kim để đạt được DCR thấp hơn và Irms cao hơn trong khi vẫn duy trì tổn thất lõi thấp hơn. Dải công suất của loạt cuộn cảm này là từ 0,15 μH đến 10 μH và dòng điện là từ 4,5 A đến 40 A. Nó có chức năng che chắn điện từ (EMI), rất quan trọng trong một số ứng dụng. Các thiết bị ví dụ bao gồm HPAL1V0630-R47-R (một cuộn cảm 470 nH, 4,1 m Ω được định mức ở 18 A (Irms) và 20 A (Isat)) và HPAL1V0630-8R2-R (một cuộn cảm 8,2 µH, 55 m Ω được định mức ở 5 A (Irms) và 5,5 A (Isat)).
Biểu đồ trong Hình 3 cho thấy mối quan hệ cuộn giữa độ tự cảm danh định, dòng điện một chiều và nhiệt độ của cuộn cảm HPAL1V0630-8R2-R.