Khi chúng ta bước vào thế giới thay đổi điện áp và dòng điện, hay còn gọi là “tín hiệu”, chúng ta bắt gặp hai phần tử mạch rất thú vị nhưng lại vô dụng trong các mạch điện một chiều thuần túy: tụ điện và cuộn cảm. Như bạn sẽ thấy, những thiết bị khiêm tốn này, kết hợp với điện trở, hoàn thành bộ ba phần tử mạch tuyến tính thụ động tạo thành cơ sở của gần như tất cả các mạch. Đặc biệt, tụ điện rất cần thiết trong hầu hết mọi ứng dụng mạch. Chúng được sử dụng để tạo dạng sóng, lọc, chặn và bỏ qua các ứng dụng. Chúng được sử dụng trong các bộ tích hợp và bộ phân biệt. Khi kết hợp với cuộn cảm, chúng tạo ra các bộ lọc sắc nét khả thi để tách các tín hiệu mong muốn khỏi nền. Bạn sẽ thấy một số ứng dụng này khi chúng ta tiếp tục với chương này và sẽ có nhiều ví dụ thú vị trong các phần sau.
Sau đó, hãy tiếp tục xem xét các tụ điện một cách chi tiết. Các phần của xử lý tiếp theo nhất thiết phải có bản chất toán học. Trong bất kỳ trường hợp nào, về lâu dài, việc hiểu các chi tiết ít quan trọng hơn việc hiểu các kết quả.
Lĩnh vực điện tử chứa các thông số khác nhau để đánh giá, hỗ trợ và ảnh hưởng đến chức năng và hiệu suất của mọi thiết bị điện tử. Trong số các thông số quan trọng là trở kháng trong mạch điện xoay chiều. Trong quá trình thiết kế, người ta phải đánh giá chính xác trở kháng do các thành phần khác nhau gây ra để đưa ra quyết định thiết kế sáng suốt.
Hơn nữa, các thông số như điện dung và trở kháng phải nằm trong giới hạn thiết kế có thể chấp nhận được, nếu không, ngay cả những thiết kế chính xác cũng có thể không cung cấp chức năng mong muốn. Cũng có những trường hợp bắt buộc phải chuyển đổi một tham số thành một tham số tương đương khác. Ngoài ra, việc chuyển đổi các tham số như điện dung thành trở kháng là cần thiết khi thực hiện phân tích mạch điện xoay chiều chi tiết. Do đó, điều quan trọng là các nhà thiết kế phải hiểu mối quan hệ giữa điện dung và trở kháng trong mạch điện xoay chiều.
Điện dung là gì?
Dưới đây là một định nghĩa hữu ích về điện dung:
Tất nhiên, chúng tôi liên kết điện dung với tụ điện. Chúng tôi gọi khả năng lưu trữ điện tích của hệ thống là “điện dung”. Tuy nhiên, trong vật lý, chúng tôi gọi nó là tỷ lệ thay đổi điện tích trong một hệ thống liên quan đến sự thay đổi điện thế của nó. Farad là đơn vị đo tiêu chuẩn của điện dung.
Bây giờ chúng ta đã xác định điện dung, chúng ta hãy xem vai trò của tụ điện trong mạch điện xoay chiều.
Chức năng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều
Tụ điện là các linh kiện điện tử thụ động cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng dưới dạng trường tĩnh điện. Một tụ điện tích điện khi AC đạt cực đại trong mạch điện xoay chiều và giải phóng điện tích khi AC giảm. Hành vi này cho phép tụ điện hoạt động giống như bộ lưu trữ tạm thời làm cho dòng điện dẫn điện áp 90 độ.
Các kỹ sư điện sử dụng tụ điện để cải thiện hệ số công suất trong mạch điện xoay chiều. Ví dụ, mạch điện xoay chiều cấp nguồn cho các tải cảm ứng như động cơ dẫn đến dòng điện bị trễ. Việc thêm một tụ điện giúp bù cho dòng điện bị trễ và mang lại hệ số công suất gần bằng một. Hiệu chỉnh hệ số công suất cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm hóa đơn tiền điện.
Tụ điện trong bộ lọc thông thấp
Trong thiết kế PCB, tụ điện thường được sử dụng trong các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao. Điều này là do trở kháng của tụ điện là một hệ số của tần số tín hiệu AC đi qua nó. Một tụ điện thường chặn các tín hiệu tần số thấp hơn trong khi cho phép các tín hiệu tần số cao hơn đi qua.
Sơ đồ trên cho thấy bộ lọc RC thông thấp. Tụ điện bị shunt xuống đất. Như vậy, tín hiệu tần số cao được truyền xuống đất. Điều này ngăn tiếng ồn tần số cao vượt quá tần số giới hạn đi qua tải (thường thấy trong các mạch điện tử có tụ chống sét, bảo vệ quá áp đầu vào, mạch thoát sét, v..v…).
Tần số cắt của bộ lọc RC thông thấp được xác định theo phương trình sau.
Bạn có thể hiểu rõ hơn về hoạt động của bộ lọc bằng hàm truyền của nó với phép biến đổi Laplace sau đây.
Tụ điện trong bộ lọc High Pass
Trong khi đó, tụ điện được kết nối nối tiếp với tín hiệu đến để tạo thành bộ lọc thông cao. Dựa trên sơ đồ bên dưới, tụ điện chặn các tín hiệu DC hoặc tần số thấp đi qua tải. Chỉ những tín hiệu trên tần số giới hạn mới được phép đi qua.
Tần số cắt của bộ lọc thông cao RC như sau:
Hàm truyền của bộ lọc RC thông cao được cho bởi phương trình sau.
Điện dung của một tụ điện
Một tụ điện kết hợp hai tấm dẫn điện được ngăn cách bởi một vật liệu cách điện gọi là chất điện môi. Điện dung của tụ điện tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt của bản tụ điện và tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bản cực. Điện dung cũng phụ thuộc vào hằng số điện môi của chất phân cách các bản này.
Điện dung được biểu thị bằng phương trình sau:
Trong đó C là điện dung, q là điện tích và V là hiệu điện thế giữa các tấm dẫn điện.
Bây giờ chúng ta đã hiểu rõ hơn về điện dung, chúng ta hãy xem trở kháng trong mạch điện xoay chiều.
Hiểu về trở kháng trong mạch điện xoay chiều
Trở kháng là điện trở hoạt động của mạch điện hoặc thành phần đối với dòng điện xoay chiều, phát triển từ tác động kết hợp của điện kháng và điện trở ôm. Nói cách khác, trở kháng chỉ đơn thuần là phần mở rộng của các nguyên tắc về điện trở trong mạch điện xoay chiều. Chúng tôi cũng định nghĩa nó là bất kỳ vật cản nào hoặc phép đo sự đối lập của dòng điện với dòng năng lượng khi đặt điện áp.
Định nghĩa kỹ thuật hơn là sự đối lập của một mạch điện đối với dòng điện xoay chiều có một tần số. Tóm lại, nó là sự kết hợp giữa điện kháng và điện trở mà chúng ta đo bằng đơn vị ôm, biểu thị nó bằng ký hiệu Z.
Tuy nhiên, điện kháng (X) thể hiện khả năng chống lại AC của một thành phần, trong khi trở kháng (Z) là tổng của điện trở và điện kháng. Chúng tôi hiển thị nó dưới dạng một số phức bằng cách sử dụng công thức sau:
Ở đây, trở kháng phức là Z.
Chúng tôi biểu thị mức kháng cự là R (khía cạnh thực).
Chúng tôi biểu thị phản ứng là X (khía cạnh tưởng tượng).
Hãy nhớ rằng điện kháng có thể âm hoặc dương, trong khi điện trở luôn dương. Ngoài ra, điện kháng lưu trữ năng lượng trong từ trường hoặc điện trường và điện trở trong mạch sẽ tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt.
Bây giờ chúng ta đã khám phá trở kháng trong mạch điện xoay chiều, chúng ta hãy xem cách tính trở kháng của tụ điện.
Cách tính trở kháng của tụ điện
Một tụ điện giới thiệu một mức điện dung nhất định vào một mạch. Về mặt chức năng, tụ điện cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng điện tạm thời dưới dạng điện thế trong đó dòng điện của tụ điện dẫn điện áp của nó một góc 90°. Công thức cho trở kháng tụ điện như sau:
XC là điện kháng điện dung đặc trưng cho mức điện trở mà một tụ điện sẽ có ở một tần số cụ thể.
Phương trình trên có thể được khai triển thêm như sau:
Ở đây, trở kháng của tụ điện là ZC.
Tần số góc là ω, mà chúng tôi tính toán như sau:
Chúng tôi biểu thị tần số của tín hiệu là f và điện dung của tụ điện là C.
Về thông số của tụ điện, điện trở lý tưởng của tụ điện bằng không. Tuy nhiên, điện kháng và trở kháng của một tụ điện thực tế là âm đối với tất cả các giá trị điện dung và tần số. Trở kháng hiệu dụng (giá trị tuyệt đối) của tụ điện phụ thuộc và giảm dần theo tần số.
Rõ ràng từ các phương trình trên, điện kháng của tụ điện tỷ lệ nghịch với cả điện dung và tần số. Do đó, điện dung cao hơn và tần số cao hơn chuyển thành điện kháng thấp hơn. Điều này cho phép sử dụng tụ điện với các thành phần khác trong thiết kế bộ lọc thông thấp hoặc thông cao và chặn tần số chọn lọc.
Mặc dù có thể dễ dàng nhận thấy điện dung trong mạch điện xoay chiều, nhưng tham số trở kháng trong mạch điện xoay chiều yêu cầu phân tích mạch kỹ lưỡng. Hãy ghi nhớ điều này, việc hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa điện dung và trở kháng là điều tối quan trọng.
