CUỘN CẢM DÙNG CHO PHÂN TẦN LOA

Cuộn cảm, còn gọi là cuộn chặn, cuộn cản (choke), chức năng chính nói cho dễ hiểu là chỉ cho tần số thấp đi qua, còn chặn lại tần số cao. Được dùng trong các bộ lọc thông thấp, tiếng Anh là Low-pass filter, filter là lọc, chỉ cho thấp (low) đi qua (pass). Chính vì thế nó được đặt ở nhánh phân tần trước khi đi vào loa woofer (loa bass) hay loa mid (loa trung, nối tiếp với tụ điện để thình thành mạch lọc thông dải, thông băng – band pass). Tín hiệu từ ampli vào phân tần sẽ bao gồm từ dải tần thấp tới dải tần cao nhưng muốn vào loa woofer thì nó phải đi qua cuộn cảm và chỉ dải tần nhất định tùy thuộc vào độ tự cảm của cuộn cảm mới được phép đi qua và vào loa woofer. Cuộn cảm càng lớn (độ tự cảm càng lớn) thì tần số càng phải thấp mới đi qua được.

Hình trên là một cuộn cảm của Jantzen độ tự cảm là 0.56mH, lõi không khí và có nội trở (DCR) là 0,51 Ohm. 

Cuộn cảm chức năng chính là thế, nó có độ tự cảm L tỷ lệ thuận với số vòng dây và tiết diện dây, tức là càng nhiều vòng dây, dây đồng càng to (cỡ 1mm tương đương với 18 gauge hay viết tắt là 18 AWG - tới thậm chí 2mm) thì độ tự cảm càng lớn, độ tự cảm càng lớn thì tần số càng phải thấp thì mới vượt qua được nó. Tùy từng driver loa bass, có những driver phải cắt tần rất là sâu (thấp), tần số cắt đâu đó dưới 100Hz thì khi đó sẽ cần phải có cuộn cảm có độ tự cảm lớn, có khi tới 12mH, còn nói chung thông thường thì dùng tầm dây 1mm (18AWG) là OK rồi chừng nào nội trở của nó đủ nhỏ.

L=4π.10-7n2

Đây là công thức tính độ tự cảm dựa vào số lượng vòng dây và tiết diện dây. n là số vòng dây, V là tiết diện của dây. 3 yếu tố này tỷ lệ thuận với nhau, cái này tăng thì cái kia cũng tăng.

Còn đây là công thức thể hiện sự phụ thuộc của độ tự cảm vào tần số, tần số càng tăng lên, càng cao thì L càng nhỏ. 

L = Xl/(7.28*f)

Trong đó cái L là độ tự cảm, Xl là cảm kháng, f là tần số mong muốn cần chặn lại. Cảm kháng cần phải bằng với trở kháng của củ loa.  

Câu hỏi đặt ra là thế nhiều vòng dây nhưng mà tiết diện dây đồng nhỏ thì sao? Dây to hay dây nhỏ, số vòng dây, tất cả tỷ lệ với nhau, tăng cái này thì giảm cái kia để đạt được trị số (độ tự cảm, nội trở) mà mình mong muốn. Còn dây to thì nội trở nhỏ, nội trở nhỏ thì sẽ ít có tạp âm ký sinh vì nếu nội trở lớn sẽ hình thành cùng với dung kháng ký sinh và L thành nên một mạch RLC cộng hưởng tại những tần số mà mình không mong muốn và ảnh hưởng tới chất lượng âm thanh.

Có rất nhiều loại cuộn cảm; cuộn cảm lõi không khí (air-core inductor) cuộn cảm Litz, cuộn cảm lá đồng, cuộn cảm lõi ferrite, cuộn cảm lõi sắt tấm ghép lại với nhau như máy biến áp, loại vòng xuyến…Vậy loại nào là loại tốt cho mục đích phân tần?

Cuộn cảm lá đồng Cross Coil của Jantzen. Cuộn cảm lá đồng là dòng cuộn cảm cao cấp và có chất lượng nhất. Nguyên lý có phần giống với cuộn cảm Litz trong việc hạn chế các hiệu ứng bề mặt (tần số càng cao thì tín hiệu lan truyền càng có xu hướng di chuyển lên trên bề mặt của dây dẫn thay vì ở lõi của dây và vì thế mà thay vì dây đồng tròn to người ta nghiền nó ra thành các lá đồng mỏng hoặc chia một sợi đồng to thành nhiều sợi đồng nhỏ quấn vào với nhau, bọc lại rồi mới dùng sợi đó quấn tiếp thành cuộn cảm (Litz), cũng vì thế mà nội trở của cuộn cảm lá đồng hay cuộn cảm Litz thường nhỏ hơn so với cùng trị số ở các cuộn cảm khác) và hạn chế được hiệu ứng tiếp xúc lân cận giữa các dây (hiệu ứng này xảy ra với các dây dẫn song song và gần nhau, từ trường của từng vòng dây riêng lẻ gần nhau sẽ cảm ứng với dòng eddy có trong dây của cuộn cảm làm cho dòng tập trung hết ở bề mặt gần với dây bên cạnh, hiện tượng này cũng giống như hiệu ứng bề mặt, tức là nó làm giảm hiệu suất dẫn điện của dây đồng và do đó làm tăng nội trở của cuộn cảm lên).

Cuộn cảm Litz của Solen mà shop đang phân phối.

Loại cuộn cảm có lõi (sắt, ferrite…) thì sẽ cần ít vòng dây hơn với cùng một giá trị độ tự cảm L nên chúng thường có kích thước nhỏ và được dùng trong những mạch phân tần mà yêu cầu cuộn cảm lớn (có khi tới 12mH), nếu cùng trị số đó và cùng nội trở đó mà là cuộn cảm lõi không khí hay cuộn cảm lá đồng thì chi phí sẽ rất là cao và kích thước cũng vô cùng lớn.

Các cuộn cảm lõi sắt từ hay ferrite có nhược điểm là thường có xu hướng bão hòa và tạo ra méo hài khi hoạt động với công suất cao. Cũng là dòng cuộn cảm có lõi nhưng cũng có rất nhiều loại và được phân loại theo chất lượng từ cao tới thấp như sau theo tiêu chí về độ tuyến tính (theo điện áp vào), méo và hệ số phẩm chất Q (hệ số này thể hiện phẩm chất hay hiệu suất của cuộn cảm, là tỷ số của cảm kháng/ nội trở của cuộn cảm, hệ số Q càng cao thì càng tốt, tức là nội trở càng bé càng tốt):

Số 1 là cuộn cảm vòng xuyến MPP toroids (Molypermalloy Powder), đây được coi là cuộn cảm chơi loa bass hay nhất (tuyến tính nhất với sự thay đổi của điện áp đầu vào) trong số các loại cuộn cảm có lõi và cũng thuộc vào loại đắt nhất. Trong hình là cuộn cảm C-coil cao cấp của Jantzen thuộc vào dòng cuộn cảm này.

Số 2 là cuộn cảm bobbin lõi sắt từ. Đây là dòng cuộn cảm có chi phí thấp nhất trong số các loại cuộn cảm và là dòng cuộn cảm đứng thứ 2 về tính tuyến tính và độ méo.

Số 3 là cuộn cảm lõi sắt tấm (laminate core), kiểu biến áp. Trong hình là một cuộn cảm lõi sắt tấm của hãng ERSE. Loại cuộn cảm này không phải là loại tốt nhất nhưng lại là loại được các hãng loa sử dụng phổ biến nhất.

Cuối cùng là cuộn cảm lõi ferrite. Loại này thường có tính tuyến tính thấp hơn và độ méo cao hơn trong số các loại cuộn cảm có lõi trên nhưng chi phí lại rẻ, và trái với những nhược điểm trên, chúng được sử dụng rất phổ biến trong các dòng loa của Anh.

Theo David Weems trong cuốn Designing, Building, and Testing Your Own Speaker thì khuyến nghị là chỉ nên sử dụng những cuộn cảm mà nội trở của nó (DCR-DC resistance) không lớn hơn 5% của trở kháng của củ loa (Vance Dickason cũng khuyến nghị 5% trong cuốn Loudspeaker Design Cookbook). Tức là nếu anh em dùng củ loa 4 Ohm thì DCR của cuộn cảm không nên lớn 0,2 Ohm và 8 ohm thì cuộn cảm mắc nối tiếp với driver không nên lớn hơn 0.4 ohm. Còn hãng Solen, một hãng chuyên sản xuất linh kiện phân tần, thì khuyến nghị DCR của cuộn cảm mắc nối tiếp với driver không nên lớn quá 7% trở kháng của driver và nếu cuộn cảm mắc song song với driver thì nội trở không nên lớn quá 14% trở kháng của driver. Nói chung là cứ dùng cuộn cảm có nội trở càng nhỏ càng tốt, còn thì hãng lớn họ ghi rõ cuộn này nội trở bao nhiêu rồi, cứ thế mà chọn thôi. Nếu cuộn cảm tính được yêu cầu dây đường kính lớn tầm 2mm hoặc hơn thì có thể quấn nhiều dây nhỏ với nhau  để thành một dây lớn (2mm), rồi quấn tiếp theo nguyên lý cuộn cảm khong khí và khi đó cuộn cảm đó trở thành một cuộn cảm Litz như đã nói ở trên. Cuộn cảm Litz thường có giá tương đối là cao và cũng đươc xếp vào dòng cuộn cảm lõi không khí cao cấp.

Cuộn cảm Litz của Jantzen.

Ông Thiele cũng đã nghiên cứu sự liên quan giữa kích thước của cuộn cảm (Bài viết Air Cored Inductors for Audio trên tạp chí AES năm 1976) và thời gian phản xạ của mạch phân tần tại tần số cắt. Đó là lý do ở các bộ phân tần tiêu chuẩn thường dùng các cuộn cảm có kích thước lớn, tức là cuộn cảm càng lớn thì phản xạ càng nhanh.

Chi tiết hơn cho anh em hay tự DIY cuộn cảm thì như Vance Dickason có đề cập, tùy thuộc vào từng ứng dụng mà chúng ta không những chỉ quan tâm tới hệ số tự cảm của cuộn cảm mà còn phải quan tâm tới hình dáng, kích thước của cuộn cảm nữa. Với trị số độ tự cảm tìm được, cùng với nội trở của nó, chúng ta cần tính ra được độ cao vòng dây của cuộn cảm là bao nhiêu, đường kính lõi quấn dây là bao nhiêu là phù hợp. Không phải là chỉ cần đủ trị số độ tự cảm, nội trở…là đủ.

Khi đó độ cao của cuộn cảm sẽ được tính bằng công thức sau:

Trường hợp bán kính lõi cuộn dây bằng với độ cao H

Trường hợp bán kính lõi cuộn dây bằng 2 lần độ cao H của cuộn dây:

Trong đó R là nội trở của cuộn dây, L là độ tự cảm của cuộn dây.

Thực ra cuộn cảm lỗi không khí là đơn giản nhất và gần như ai khéo tay một tý cũng có thể quấn được, quan trọng là có công cụ và máy đo. Thế tại sao cuộn cảm của các hãng lại đắt thế? Bỏ qua yếu tố thương hiệu thì là vì sai số nó ít, nội trở thấp và họ còn nhúng cuộn cảm vào các dung dịch đặc biệt như Glyptol giúp giảm tổn hao điện môi, rồi điện dung ký sinh... Còn mình quấn thì sai số lớn, hay bản thân cũng là đồng mà không nguyên chất bằng hãng.

Còn một lưu ý nữa liên quan tới cuộn cảm đó là khoảng cách và hướng đặt của cuộn cảm trên mạch phân tần có nhiều hơn 1 cuộn cảm như thế nào. Nói chung là nên đặt chúng cách nhau càng xa càng tốt và nếu phải đặt gần nhau thì đặt chúng vuông góc với nhau như hình dưới để hạn chế hiện tưởng cộng hưởng từ giữa 2 cuộn dây làm thay đổi độ tự cảm (tăng hoặc giảm) của các cuộn dây. Theo như Vance Dickason thì nên đặt 2 cuộn dây cách nhau tối thiểu là 8cm cùng với các hướng đặt khác nhau.


Audible Hertz Shop