Cuộn cảm và biến áp: cảm kháng, điện áp cảm ứng, tỉ số vòng dây

Ngày đăng: 18/10/2026

Mục lục [Ẩn]

1. Cấu tạo cuộn cảm và điện cảm
2. Cảm kháng và dung kháng
3. Điện áp cảm ứng khi ngắt dòng và diode dập
4. Ứng dụng của cuộn cảm
5. Biến áp và tỉ số vòng dây
6. Đọc thông số cuộn cảm
7. Tự kiểm tra
8. Xem thêm

Cuộn cảm là gì, điện cảm, cảm kháng so với dung kháng, điện áp cảm ứng khi ngắt dòng và diode dập, ứng dụng trong nguồn xung, lọc nhiễu, nguyên lý biến áp và tỉ số vòng dây.

Tụ điện tích năng lượng trong điện trường; cuộn cảm tích năng lượng trong từ trường. Cuộn cảm có mặt trong mạch hạ áp, bộ lọc nguồn, mạch chống nhiễu, và chính cuộn dây của relay, động cơ cũng là cuộn cảm. Hai cuộn dây quấn chung một lõi tạo thành biến áp, linh kiện đổi điện áp xoay chiều. Bài viết giải thích cấu tạo và điện cảm, cảm kháng so với dung kháng, điện áp cảm ứng khi ngắt dòng và lý do cuộn relay phải có diode, các ứng dụng của cuộn cảm, nguyên lý biến áp và tỉ số vòng dây, cách đọc thông số cuộn cảm.

1. Cấu tạo cuộn cảm và điện cảm

Hình vẽ cuộn dây đồng quấn quanh lõi ferit, đường sức từ nét đứt bao quanh, dòng điện I chạy qua; hộp công thức u bằng L nhân delta I chia delta t, năng lượng bằng một nửa L nhân I bình phương, cảm kháng XL bằng 2 pi f L; ghi chú điện cảm tăng theo bình phương số vòng và theo độ từ thẩm của lõi — Cấu tạo cuộn cảm và các công thức cơ bản (hình tự vẽ).

Cuộn cảm là một dây dẫn quấn thành nhiều vòng, có thể quấn trên lõi không khí, lõi ferit hay lõi thép lá. Dòng điện qua cuộn dây tạo từ trường; lõi từ làm từ trường mạnh lên nhiều lần.
Điện cảm L (đơn vị henry, H; thực tế dùng mH, µH) cho biết cuộn dây tích được bao nhiêu năng lượng từ trường: E = ½ × L × I². Điện cảm tăng theo bình phương số vòng dây và theo độ từ thẩm của lõi.
Tính chất quan trọng nhất: cuộn cảm chống lại sự thay đổi của dòng điện. Muốn dòng thay đổi nhanh phải có điện áp lớn: u = L × ΔI / Δt. Ngược với tụ điện chống lại sự thay đổi của điện áp.
Với điện một chiều đã ổn định, cuộn cảm chỉ còn là một đoạn dây có điện trở nhỏ (DCR, vài phần mười đến vài ôm).

Ảnh chụp một cuộn cảm hình xuyến: nhiều vòng dây đồng tráng men màu vàng cam quấn quanh lõi ferit hình vòng tròn, một chân dây thò xuống — Cuộn cảm quấn trên lõi ferit hình xuyến, loại hay gặp trong mạch nguồn. Ảnh: Peripitus, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons, đã cắt và thu nhỏ.

2. Cảm kháng và dung kháng

Đồ thị hai trục log trở kháng theo tần số từ 10 Hz tới 100 kHz: cảm kháng của cuộn 10 mH tăng theo tần số, dung kháng của tụ 10 µF giảm theo tần số, hai đường cắt nhau ở khoảng 503 Hz; bảng: 50 Hz cảm kháng 3,14 Ω dung kháng 318 Ω, 1000 Hz 62,8 Ω và 15,9 Ω, 100 kHz 6,28 kΩ và 0,16 Ω — Cảm kháng của cuộn 10 mH và dung kháng của tụ 10 µF theo tần số (hình tự vẽ).

Với điện xoay chiều, cuộn cảm cản dòng bằng cảm kháng X_L = 2π × f × L: tần số càng cao, cản càng mạnh. Tụ điện ngược lại, dung kháng X_C = 1 / (2π × f × C) giảm khi tần số tăng.
Vì vậy cuộn cảm "cho điện một chiều qua, chặn nhiễu tần số cao", còn tụ điện "chặn một chiều, cho tần số cao qua". Ghép hai thứ lại được bộ lọc LC hiệu quả hơn bộ lọc RC vì cuộn cảm gần như không tốn điện áp một chiều.
Tại tần số mà X_L = X_C, tức f₀ = 1 / (2π√(LC)), mạch LC cộng hưởng. Mạch cộng hưởng dùng để chọn đài trong máy thu thanh, tạo dao động trong mạch phát sóng.

3. Điện áp cảm ứng khi ngắt dòng và diode dập

Sơ đồ cuộn relay nối 12 V qua công tắc xuống đất, diode dập nối ngược song song với cuộn; dạng sóng điện áp tại chân dưới cuộn dây khi ngắt công tắc: không có diode thì vọt lên hàng trăm vôn, có diode thì chỉ vượt 12 V khoảng 0,7 V — Điện áp cảm ứng khi ngắt dòng qua cuộn dây, có và không có diode dập (hình tự vẽ, dạng sóng minh họa).

Khi dòng qua cuộn dây đang chạy mà bị ngắt đột ngột (transistor tắt, công tắc mở), cuộn cảm cố giữ dòng bằng cách tạo ra một điện áp rất cao ngược chiều: u = L × ΔI / Δt, với Δt rất nhỏ. Cuộn relay 50 mH đang có dòng 70 mA, ngắt trong khoảng 1 µs, theo công thức sinh ra tới hàng nghìn vôn; thực tế điện dung ký sinh giới hạn lại ở vài trăm vôn, vẫn thừa sức đánh thủng transistor điều khiển.

Cách xử lý: nối một diode ngược song song với cuộn dây (cathode về phía nguồn dương). Lúc bình thường diode không dẫn; lúc ngắt, dòng của cuộn dây chạy vòng qua diode và tắt dần, điện áp chỉ vượt nguồn khoảng 0,7 V. Mọi tải là cuộn dây (relay, động cơ, van điện từ, còi điện từ) điều khiển bằng transistor đều cần diode này (bài 15, 19). Module relay bán sẵn đã có diode trên mạch.

4. Ứng dụng của cuộn cảm

Ứng dụng	Cuộn cảm làm gì	Ví dụ
Mạch hạ áp, tăng áp (nguồn xung)	Tích năng lượng khi transistor đóng, nhả ra khi transistor ngắt; hiệu suất cao hơn nhiều so với ổn áp tuyến tính	Mạch hạ áp LM2596, mạch tăng áp XL6009
Lọc nguồn LC	Chặn gợn và nhiễu tần số cao, cho dòng một chiều đi qua	Lọc nguồn cho mạch âm thanh, ADC
Chặn nhiễu	Hạt ferit, cuộn lọc hai dây chặn nhiễu tần số cao trên dây nguồn, dây tín hiệu	Cục ferit trên dây sạc, dây màn hình
Cộng hưởng, dao động	Cùng tụ điện chọn một tần số	Mạch thu phát sóng radio, anten NFC
Cảm biến, cơ cấu chấp hành	Từ trường của cuộn dây hút lõi sắt, quay động cơ	Relay, động cơ, cảm biến tiệm cận cảm ứng

5. Biến áp và tỉ số vòng dây

Sơ đồ biến áp: lõi thép hình chữ nhật, cuộn sơ cấp N1 bên trái nối nguồn xoay chiều 220 V, cuộn thứ cấp N2 bên phải nối tải, mũi tên từ thông chạy trong lõi; công thức U1 chia U2 bằng N1 chia N2, I1 chia I2 bằng N2 chia N1, ví dụ N1 1100 vòng, N2 60 vòng cho U2 bằng 12 V — Nguyên lý biến áp (hình tự vẽ).

Biến áp gồm hai (hoặc nhiều) cuộn dây quấn trên cùng một lõi. Dòng xoay chiều trong cuộn sơ cấp tạo từ thông biến thiên trong lõi; từ thông này sinh ra điện áp ở cuộn thứ cấp.
Tỉ số điện áp bằng tỉ số vòng dây: U1 / U2 = N1 / N2. Biến áp 220 V xuống 12 V cần N1 / N2 ≈ 18,3, ví dụ 1100 vòng và 60 vòng.
Công suất ra xấp xỉ công suất vào (hiệu suất biến áp nhỏ khoảng 80–90 %), nên dòng tỉ lệ nghịch: I1 / I2 = N2 / N1. Hạ áp thì dòng thứ cấp lớn hơn dòng sơ cấp.
Biến áp chỉ hoạt động với điện xoay chiều: điện một chiều không tạo từ thông biến thiên, cuộn sơ cấp chỉ còn là dây có điện trở nhỏ và sẽ nóng cháy.
Hai cuộn không nối điện với nhau nên biến áp còn cách ly phía điện áp thấp với điện lưới (bài 5). Bộ nguồn xung hiện đại dùng biến áp ferit nhỏ làm việc ở tần số hàng chục kHz: tần số càng cao, lõi càng nhỏ.

Ảnh chụp linh kiện có hai cuộn dây đồng mảnh quấn trên khung nhựa trắng, lồng trong lõi ferit hình chữ U màu xám đen, bốn chân hàn phía dưới — Hai cuộn dây quấn trên một lõi ferit: cấu tạo giống một biến áp nhỏ; loại linh kiện này thường gặp làm cuộn lọc nhiễu trong bộ nguồn. Ảnh: Willtron, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons, đã cắt và thu nhỏ.

An toàn: biến áp nối điện lưới có điện áp 220 V ở các chân sơ cấp. Người mới không tự quấn hay đấu biến áp điện lưới; khi cần điện áp thấp, dùng adapter có sẵn, đã được cách ly và có bảo vệ.

6. Đọc thông số cuộn cảm

Cuộn cảm nhỏ dạng điện trở có vòng màu đọc giống điện trở nhưng đơn vị là µH (nâu – đen – đen là 10 µH).
Cuộn cảm dán và cuộn cảm công suất in mã ba số đơn vị µH: 100 = 10 µH, 101 = 100 µH, 220 = 22 µH; có chữ R là dấu phẩy: 4R7 = 4,7 µH.
Ngoài điện cảm, cuộn cảm công suất còn có dòng bão hòa (quá dòng này lõi bão hòa, điện cảm tụt mạnh) và dòng định mức (giới hạn nóng). Thay cuộn cảm trong mạch hạ áp phải chọn dòng bão hòa lớn hơn dòng đỉnh của mạch.

7. Tự kiểm tra

Cuộn cảm 100 µH có cảm kháng bao nhiêu ở 100 kHz? (Đáp án: 2π × 100 000 × 0,0001 ≈ 62,8 Ω.)
Biến áp có N1 = 2000 vòng, N2 = 100 vòng, nối 220 V thì điện áp ra bao nhiêu? (Đáp án: 220 × 100 / 2000 = 11 V.)
Vì sao không nối biến áp vào nguồn một chiều 12 V? (Đáp án: không có từ thông biến thiên nên không có điện áp ra; cuộn sơ cấp gần như chập nguồn và nóng cháy.)