Tụ điện là một trong những linh kiện điện tử được sử dụng nhiều nhất. Nó có khả năng lưu trữ năng lượng bên trong nó, dưới dạng điện tích tạo ra một điện áp tĩnh (hiệu điện thế) trên các tấm của nó. Đơn giản, một tụ điện tương tự như một cục pin sạc nhỏ. Tụ điện chỉ là sự kết hợp của hai tấm dẫn điện hoặc kim loại đặt song song và được ngăn cách về mặt điện bằng lớp cách điện tốt (còn gọi là Điện môi) được tạo thành từ giấy sáp, mica, gốm, nhựa, v.v.
Có nhiều ứng dụng của tụ điện trong điện tử, một số ứng dụng được liệt kê dưới đây:
- Lưu trữ năng lượng
- Điều hòa nguồn điện
- Hiệu chỉnh hệ số công suất
- Lọc
- Dao động
Bây giờ, vấn đề là làm thế nào một tụ điện hoạt động ? Khi bạn kết nối nguồn điện với tụ điện, nó sẽ chặn dòng điện một chiều do lớp cách điện và cho phép xuất hiện điện áp trên các tấm dưới dạng tích điện. Như vậy, bạn đã biết tụ điện hoạt động như thế nào và công dụng hay ứng dụng của nó, nhưng bạn phải học cách sử dụng tụ điện trong mạch điện tử.
Làm thế nào để kết nối một tụ điện trong mạch điện tử?
Ở đây, chúng tôi sẽ chứng minh cho bạn các kết nối của tụ điện và hiệu ứng của nó với các ví dụ.
- Tụ điện trong loạt
- Tụ điện song song
- Tụ điện trong mạch AC
Tụ điện trong mạch nối tiếp
Trong một đoạn mạch, khi mắc nối tiếp các tụ điện như hình trên thì điện dung tổng hợp giảm. Dòng điện qua các tụ điện mắc nối tiếp bằng nhau (tức là i T = i 1 = i 2 = i 3 = i n). Do đó, điện tích được tích trữ bởi các tụ điện cũng giống nhau (tức là Q T = Q 1 = Q 2 = Q 3), bởi vì điện tích được tích trữ bởi một bản của tụ điện bất kỳ đều xuất phát từ bản của tụ điện liền kề trong mạch.
Bằng cách áp dụng định luật điện áp Kirchhoff (KVL) trong mạch, chúng ta có
V T = V C1 + V C2 + V C3 … phương trình (1)
Như chúng ta biết, Q = CV Vì vậy, V = Q / C
Trong đó, V C1 = Q / C 1; V C2 = Q / C 2; V C3 = Q / C 3
Bây giờ, đặt các giá trị trên vào phương trình (1)
(1 / C T) = (1 / C 1) + (1 / C 2) + (1 / C 3)
Với n số tụ điện mắc nối tiếp, phương trình sẽ là
(1 / C T) = (1 / C 1) + (1 / C 2) + (1 / C 3) +…. + (1 / Cn)
Do đó, phương trình trên là Phương trình tụ điện dòng.
Trong đó, C T = Tổng điện dung của đoạn mạch
C 1 … n = Điện dung của tụ điện
Phương trình điện dung cho hai trường hợp đặc biệt được xác định dưới đây:
Trường hợp I: Nếu có hai tụ điện mắc nối tiếp, có giá trị khác nhau thì điện dung sẽ được biểu thị là:
(1 / C T) = (C 1 + C 2) / (C 1 * C 2) Hoặc, C T = (C 1 * C 2) / (C 1 + C 2)… phương trình (2)
Trường hợp II: Nếu có hai tụ điện mắc nối tiếp, có cùng giá trị thì điện dung sẽ được biểu thị là:
(1 / C T) = 2C / C 2 = 2 / C Hoặc, C T = C / 2
Ví dụ cho mạch tụ điện nối tiếp:
Bây giờ, trong ví dụ dưới đây, chúng tôi sẽ chỉ cho bạn cách tính tổng điện dung và điện áp rms riêng lẻ trên mỗi tụ điện.
Theo sơ đồ mạch điện trên, có hai tụ điện mắc nối tiếp với các giá trị khác nhau. Vì vậy, điện áp giảm trên các tụ điện cũng không bằng nhau. Nếu chúng ta nối hai tụ điện có cùng giá trị thì điện áp giảm cũng như nhau.
Bây giờ, đối với tổng giá trị của điện dung, chúng ta sẽ sử dụng công thức từ phương trình (2)
Vì vậy, C T = (C 1 * C 2) / (C 1 + C 2) Ở đây, C 1 = 4,7uf và C 2 = 1uf C T = (4,7uf * 1uf) / (4,7uf + 1uf) C T = 4,7uf / 5,7uf C T = 0,824uf
Bây giờ, điện áp rơi trên tụ C 1 là:
VC 1 = (C T / C 1) * V T VC 1 = (0,824uf / 4,7uf) * 12 VC 1 = 2.103V
Bây giờ, điện áp rơi trên tụ C 2 là:
VC 2 = (C T / C 2) * V T VC 2 = (0,824uf / 1uf) * 12 VC 2 = 9,88V
Tụ điện trong mạch song song
Khi mắc song song các tụ điện thì tổng điện dung sẽ bằng tổng điện dung của tất cả các tụ điện. Bởi vì tấm trên cùng của tất cả các tụ điện được kết nối với nhau và tấm dưới cùng cũng vậy. Vì vậy, bằng cách chạm vào nhau, diện tích tấm hiệu dụng cũng được tăng lên. Do đó, điện dung tỷ lệ với tỷ lệ Diện tích và khoảng cách.
Bằng cách áp dụng Định luật hiện tại của Kirchhoff (KCL) trong mạch trên, i T = i 1 + i 2 + i 3
Như chúng ta đã biết dòng điện qua tụ điện được biểu thị bằng;
i = C (dV / dt) Vì vậy, i T = C 1 (dV / dt) + C 2 (dV / dt) + C 3 (dV / dt) Và, i T= (C 1 + C 2 + C 3) * (dV / dt) i T = C T (dV / dt)… phương trình (3)
Từ phương trình (3), phương trình Điện dung song song là:
C T = C 1 + C 2 + C 3
Với n số tụ điện mắc song song, phương trình trên được biểu thị là:
C T = C 1 + C 2 + C 3 +… + Cn
Ví dụ cho mạch tụ điện song song
Trong sơ đồ mạch điện dưới đây, có ba tụ điện mắc song song. Khi các tụ điện này được kết nối song song, điện dung tương đương hoặc tổng điện dung sẽ bằng tổng điện dung riêng lẻ.
C T = C 1 + C 2 + C 3 Trong đó, C 1 = 4,7uf; C 2 = 1uf và C 3 = 0,1uf Vậy, C T = (4,7 +1 + 0,1) uf C T = 5,8uf
Tụ điện trong mạch xoay chiều
Khi một tụ điện được kết nối với nguồn điện một chiều, thì tụ điện bắt đầu sạc chậm. Và, khi điện áp dòng sạc của tụ điện bằng với điện áp cung cấp thì nó được coi là điều kiện sạc đầy. Ở đây, trong điều kiện này, tụ điện hoạt động như một nguồn năng lượng miễn là có hiệu điện thế. Ngoài ra, tụ điện không cho phép dòng điện đi qua nó sau khi nó được sạc đầy.
Bất cứ khi nào, điện áp xoay chiều được cung cấp cho tụ điện như hình vẽ ở trên mạch thuần điện dung. Sau đó tụ nạp và phóng điện liên tục với mọi cấp điện áp mới (nạp ở cấp điện áp dương và phóng điện ở cấp điện áp âm). Điện dung của tụ điện trong mạch điện xoay chiều phụ thuộc vào tần số của điện áp đầu vào cung cấp cho mạch. Cường độ dòng điện tỉ lệ thuận với tốc độ thay đổi của hiệu điện thế đặt vào đoạn mạch.
i = dQ / dt = C (dV / dt)
Sơ đồ phasor cho tụ điện trong mạch AC
Như bạn thấy sơ đồ phasor cho tụ điện xoay chiều trong hình dưới đây, dòng điện và điện áp được biểu diễn dưới dạng sóng sin. Khi quan sát, ở 0⁰ dòng điện nạp đạt giá trị cực đại vì điện áp tăng đều theo chiều dương.
Bây giờ, ở 90⁰ không có dòng điện chạy qua tụ điện vì điện áp nguồn đạt đến giá trị lớn nhất. Ở 180⁰ điện áp bắt đầu giảm từ từ đến không và dòng điện đạt giá trị cực đại theo chiều âm. Và, một lần nữa sạc đạt đến giá trị cao nhất ở 360⁰, vì điện áp cung cấp ở giá trị nhỏ nhất.
Do đó, từ dạng sóng trên ta có thể quan sát thấy dòng điện đang dẫn điện áp bằng 90⁰. Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng điện áp xoay chiều trễ dòng 90⁰ trong mạch tụ điện lý tưởng.
Phản ứng của tụ điện (Xc) trong mạch AC
Hãy xem xét sơ đồ mạch ở trên, như chúng ta biết điện áp đầu vào AC được biểu thị bằng, V = V m Sin wt
Và, điện tích tụ điện Q = CV, Vì vậy, Q = CV m Sin wt
Và, dòng điện qua tụ điện, i = dQ / dt
Vì thế, i = d (CV m Sin wt) / dt i = C * d (V m Sin wt) / dt i = C * V m Cos wt * w i = w * C * V m Sin (wt + π / 2) tại, wt = 0 sin (wt + π / 2) = 1 do đó, i m = wCV m V m / i m = 1 / wC
Như chúng ta đã biết, w = 2πf
Vì thế, Phản ứng điện dung (Xc) = V m / i m = 1 / 2πfC
Ví dụ về phản ứng điện dung trong mạch điện xoay chiều
biểu đồ
Hãy xem giá trị của C = 2,2uf và điện áp nguồn V = 230V, 50Hz
Bây giờ, capacitive Reactance (Xc) = V m / i m = 1 / 2πfC Ở đây, C = 2.2uf, và f = 50Hz Vì vậy, Xc = 1/2 * 3,1414 * 50 * 2.2 * 10 -6 Xc = 1446,86 ohm