Trong một mạch điện chia áp, điện áp cấp hoặc điện áp mạch được phân chia đều cho tất cả các linh kiện trong mạch, tùy thuộc vào khả năng của các linh kiện đó.
Cấu tạo của cầu chia áp bằng tụ điện giống như mạch điện chia áp trở. Tuy nhiên, không giống như điện trở, cầu chia áp bằng tụ điện không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về tần số mặc dù nó sử dụng các phần tử phản kháng.
Tụ điện là một linh kiện thụ động lưu trữ năng lượng điện trong các tấm kim loại. Tụ điện có hai tấm và chúng được ngăn cách bởi vật liệu không dẫn hoặc cách điện, được gọi là “điện môi”.
Điện tích dương được lưu trữ trên một tấm và điện tích âm được lưu trữ trên tấm còn lại.
Khi dòng điện một chiều được đưa vào tụ điện, nó sẽ nạp đầy. Vật liệu điện môi giữa các tấm hoạt động như một chất cách điện và cũng ngăn cản dòng điện chạy qua tụ điện.
Sự chống lại dòng điện cung cấp qua tụ điện này được gọi là Dung kháng (XC) của tụ điện. Phản kháng của tụ điện cũng được đo bằng ohm.
Một tụ điện được nạp đầy hoạt động như một nguồn năng lượng, vì tụ điện lưu trữ năng lượng và phóng điện vào các linh kiện mạch.
Nếu một dòng điện xoay chiều được đưa vào tụ điện, thì tụ điện sẽ liên tục nạp và phóng điện qua các tấm của nó. Trong thời gian này, tụ điện cũng có phản kháng thay đổi tùy thuộc vào tần số cấp.
Chúng ta biết rằng điện tích được lưu trữ trong tụ điện phụ thuộc vào điện áp cấp và điện dung của tụ điện.
Tương tự, phản kháng cũng phụ thuộc vào một số tham số, bây giờ chúng ta sẽ xem các tham số nào ảnh hưởng đến phản kháng của tụ điện.
Nếu một tụ điện có giá trị điện dung nhỏ hơn, thì thời gian cần để nạp tụ điện là ít hơn, tức là hằng số thời gian RC nhỏ hơn được yêu cầu. Tương tự, hằng số thời gian RC cao hơn cho giá trị điện dung lớn hơn của tụ điện.
Từ đó, chúng ta quan sát thấy rằng, tụ điện có giá trị điện dung lớn hơn có giá trị phản kháng thấp hơn, trong khi tụ điện có giá trị điện dung nhỏ hơn có giá trị phản kháng cao hơn. Nghĩa là, phản kháng của tụ điện tỷ lệ nghịch với giá trị điện dung của nó.
XC ∝ 1/C
Nếu tần số của dòng điện đưa vào thấp, thì thời gian nạp của tụ điện tăng lên, điều đó cho thấy giá trị phản kháng cao. Tương tự, nếu tần số của dòng điện đưa vào cao, thì phản kháng của tụ điện thấp.
Từ đó, chúng ta có thể quan sát thấy rằng phản kháng của tụ điện tỷ lệ nghịch với tần số.
Cuối cùng, chúng ta có thể nói rằng phản kháng (XC) của bất kỳ tụ điện nào cũng tỷ lệ nghịch với tần số (f) và giá trị điện dung (C).
XC ∝ 1/f
Công thức Dung kháng
Như đã biết, phản kháng điện dung tỷ lệ nghịch với tần số và giá trị điện dung của tụ điện. Do đó, công thức của phản kháng là:
XC = 1 / (2πfC)
Trong đó:
XC = Phản kháng của tụ điện (Ω)
f = Tần số (Hz)
C = Điện dung của tụ điện (F)
π = Hằng số (22/7 = 3,142)
Phân bố điện áp trong các tụ điện mắc nối tiếp
Nếu các tụ điện được kết nối nối tiếp, việc phân bố điện áp giữa các tụ điện được tính toán. Vì các tụ điện có các giá trị điện áp khác nhau tùy thuộc vào các giá trị điện dung trong kết nối nối tiếp.
Phản kháng của tụ điện, phản đối dòng điện chảy qua, phụ thuộc vào giá trị điện dung và tần số của dòng điện đưa vào.
Vì vậy, bây giờ chúng ta hãy xem phản kháng ảnh hưởng đến các tụ điện như thế nào, bằng cách tính toán các giá trị tần số và điện dung. Mạch dưới đây cho thấy cầu chia áp bằng tụ điện trong đó 2 tụ điện được kết nối nối tiếp.
Hai tụ điện được kết nối nối tiếp có giá trị điện dung lần lượt là 10uF và 22uF. Ở đây, điện áp mạch là 10V, điện áp này được phân bố giữa cả hai tụ điện.
Trong kết nối nối tiếp, tất cả các tụ điện đều có cùng điện tích (Q) trên chúng nhưng điện áp cấp (VS) không giống nhau cho tất cả các tụ điện.
Điện áp mạch được chia cho các tụ điện tùy thuộc vào các giá trị điện dung của chúng theo tỷ lệ V = Q/C.
Từ các giá trị này, chúng ta phải tính toán phản kháng (XC) của mỗi tụ điện bằng cách sử dụng các giá trị tần số và điện dung của chúng.
Ví dụ về Cầu chia áp bằng tụ điện số 1
Bây giờ chúng ta sẽ tính toán sự phân bố điện áp cho các tụ điện 10uF và 22uF được đưa ra trong hình trên, với điện áp cấp 10V và tần số 40Hz.
Phản kháng của tụ điện 10uF,
XC1 = 1/(2πfC1) = 1/(2*3,142*40*10*10^-6) = 400Ω
Phản kháng của tụ điện 22uF,
XC2 = 1/(2πfC2) = 1/(2*3,142*40*22*10^-6) = 180Ω
Tổng phản kháng điện dung của mạch là,
XC = XC1 + XC2 = 400Ω + 180Ω = 580Ω
CT = C1C2/(C1+C2) = (10*22*10^-12)/(32*10^-6) = 6.88uF
XCT = 1/(2πfCT) = 1/(2*3,142*40*6,88*10^-6) = 580Ω
Dòng điện trong mạch là,
I = V/XC = 10V/580Ω = 17,2mA
Bây giờ, điện áp rơi trên mỗi tụ điện là,
VC1 = I*XC1 = 17,2mA*400Ω = 6,9V
VC2 = I*XC2 = 17,2mA*180Ω = 3,1V
Ví dụ về Cầu chia áp bằng tụ điện số 2
Bây giờ chúng ta tính toán các điện áp rơi trên các tụ điện 10uF và 22uF được kết nối nối tiếp và hoạt động với điện áp cấp 10V có tần số 4000Hz (4kHz).
Phản kháng của tụ điện 10uF,
XC1 = 1/(2πfC1) = 1/(2*3,142*4000*10*10^-6) = 4Ω
Phản kháng của tụ điện 22uF,
XC2 = 1/(2πfC2) = 1/(2*3,142*4000*22*10^-6) = 1,8Ω
Tổng phản kháng điện dung của mạch là,
XC = XC1 + XC2 = 4Ω + 1,8Ω = 5,8Ω
CT = C1C2/(C1+C2) = (10*22*10^-12)/(32*10^-6) = 6.88uF
XCT = 1/(2πfCT) = 1/(2*3,142*4000*6,88*10^-6) = 5,8Ω
Dòng điện trong mạch là,
I = V/XCT = 10V/5,8Ω = 1,72A
Bây giờ, điện áp rơi trên mỗi tụ điện là,
VC1 = I*XC1 = 1,72A*4Ω = 6,9V
VC2 = I*XC2 = 1,72A*1,8Ω = 3,1V
Từ hai ví dụ trên, chúng ta có thể kết luận rằng tụ điện có giá trị thấp hơn (10uF) sẽ nạp đến một điện áp cao hơn (6,9V), và tụ điện có giá trị cao hơn (22uF) sẽ tự nạp đến một mức điện áp thấp hơn (3,1V).
Cuối cùng, tổng của hai giá trị điện áp rơi trên tụ điện bằng với điện áp cấp (tức là 6,9V + 3,1V = 10V). Các giá trị điện áp này giống nhau cho tất cả các giá trị tần số, vì điện áp rơi không phụ thuộc vào tần số.
Điện áp rơi trên hai tụ điện là như nhau trong cả hai ví dụ mà tần số khác nhau. Dù tần số là 40Hz hay 40kHz thì điện áp rơi trên các tụ điện vẫn giống nhau trong cả hai trường hợp.
Dòng điện chạy qua mạch thay đổi tùy thuộc vào tần số. Dòng điện sẽ tăng khi tăng tần số, nó là 17,2mA cho tần số 40Hz nhưng là 1,72A cho tần số 4kHz, tức là dòng điện sẽ tăng gần 100 lần khi tăng tần số từ 40Hz lên 4kHz.
Cuối cùng, chúng ta có thể nói rằng dòng điện chạy qua mạch tỷ lệ thuận với tần số (I ∝ f).
Tóm tắt
- Sự chống lại dòng điện chảy qua tụ điện được gọi là phản kháng (XC) của tụ điện. Phản kháng điện dung này bị ảnh hưởng bởi các tham số như giá trị điện dung, tần số của điện áp cung cấp và các giá trị này cũng tỷ lệ nghịch với phản kháng.
- Cầu chia áp xoay chiều sẽ phân phối điện áp cấp cho tất cả các tụ điện tùy thuộc vào giá trị điện dung của chúng.
- Các điện áp rơi trên tụ điện là như nhau với bất kỳ tần số nào của điện áp cung cấp. Tức là, điện áp rơi trên tụ điện không phụ thuộc vào tần số.
- Nhưng dòng điện chạy qua phụ thuộc vào tần số và cũng tỷ lệ thuận với nhau.
- Tuy nhiên, trong các mạch chia áp một chiều, việc tính toán điện áp rơi trên tụ điện không phải là nhiệm vụ dễ dàng vì nó phụ thuộc vào giá trị phản kháng, bởi vì các tụ điện sẽ chặn dòng điện một chiều chạy qua nó sau khi đã nạp đầy.
- Cầu chia áp bằng tụ điện được sử dụng trong các ứng dụng điện tử lớn. Chủ yếu được sử dụng trong các màn hình cảm ứng điện dung thay đổi điện áp đầu ra khi được chạm vào bởi ngón tay người.
- Và cũng được sử dụng trong các máy biến áp để tăng điện áp rơi, nơi mà thông thường máy biến áp chính chứa các chip và linh kiện điện áp thấp.
- Cuối cùng, một điều cần nói là trong mạch chia áp, điện áp rơi trên các tụ điện là như nhau cho tất cả các giá trị tần số.
Nếu bạn chư hiểu hết về tụ điện hãy tham khảo bài viết Về Tụ Điện
