Tụ điện là các thành phần tiêu chuẩn trong mạch điện tử. Các kết hợp khác nhau của tụ điện được sử dụng trong mạch một cách thực tế. Bài viết này giải thích về sự kết hợp nối tiếp và song song của các tụ điện, bao gồm công thức tụ điện nối tiếp và song song.
Tụ điện nối tiếp
Làm thế nào để kết nối tụ điện nối tiếp?
Tụ điện mắc nối tiếp nghĩa là hai hoặc nhiều tụ được kết nối trên cùng một đường. Bản cực dương của một tụ điện được kết nối với bản cực âm của tụ điện tiếp theo.
Khi các tụ điện được kết nối nối tiếp, điện tích và dòng điện trên tất cả các tụ điện là giống nhau.
Tại sao điện tích của các tụ điện nối tiếp lại giống nhau?
Với các tụ điện nối tiếp, cùng một số lượng electron sẽ chạy qua mỗi tụ điện bởi vì điện tích trên mỗi bản cực đến từ bản cực liền kề. Vì vậy, điện tích comlôm là như nhau. Vì dòng điện không gì khác ngoài dòng chảy của các electron nên dòng điện cũng giống nhau.
Điện dung tương đương là gì?
Điện dung tương đương là điện dung tổng thể của các tụ điện. Hãy xem cách tính điện dung khi chúng được kết nối nối tiếp.
Dưới đây là hình vẽ thể hiện ba tụ điện kết nối nối tiếp với pin. Khi các tụ điện được kết nối nối tiếp, các bản cực liền kề được nạp điện do cảm ứng tĩnh điện.
Mỗi bản cực sẽ có điện thế khác nhau. Nhưng độ lớn của điện tích trên các bản cực là giống nhau.
Bản cực thứ nhất của C1 sẽ có điện thế V1 bằng với điện áp của pin và bản cực thứ hai sẽ có điện thế nhỏ hơn V1. Giả sử là V2.
Bây giờ bản cực thứ nhất của C2 sẽ có điện thế bằng V2 và bản cực thứ hai sẽ có điện thế nhỏ hơn V3, giả sử là V4. Bản cực thứ nhất của C3 sẽ có điện thế V5 (V5=V4) và điện thế của bản cực thứ hai nhỏ hơn V5. Giả sử là V6.
Nhưng hiệu điện thế tổng thể giữa các bản cực bằng với suất điện động của pin.
Vì vậy VT = V1+V2+V3
Nhưng chúng ta biết rằng, Q=CV
C=Q/V
Ceq = Q/V1 + Q/V2 + Q/V3 (Vì điện tích giống nhau)
1/Ceq = (V1+ V2+ V3 )/Q
VT = Q/Ceq = Q/C1 + Q/C2 + Q/C3
Do đó,công thức tính tụ điện mắc nối tiếp là 1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3
Nếu N tụ điện được kết nối nối tiếp thì điện dung tương đương có thể được biểu diễn như sau.
1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 +……… + 1/CN
Như vậy khi các tụ điện được kết nối nối tiếp, nghịch đảo của điện dung tương đương bằng với tổng các nghịch đảo của điện dung riêng lẻ của các tụ điện trong mạch.
Ví dụ về tụ điện nối tiếp
Tính điện dung tương đương và điện áp rơi trên từng tụ trong 2 tụ 0,1uF và 0,2uF nối tiếp khi được cung cấp điện áp xoay chiều 12V. (Để biết thêm thông số về tụ điện bạn tham khảo bài viết Ý nghĩa các thông số ghi trên tụ điện )
Điện dung tương đương,
1/Ceq = 1/C1 + 1/C2
Ceq = (C1C2) / (C1 + C2)
Ceq = (0,1uF*0,2uF) / (0,1uF+0,2uF)
Ceq = 0,066uF = 66nF
Điện áp rơi trên 2 tụ nối tiếp là:
V1 = (C2*VT)/ (C1+C2) = (0,2uF*12V)/ (0,1uF+0,2uF) = 8 Volt
V2 = (C1*VT)/ (C1+C2) = (0,1uF*12V)/ (0,1uF+0,2uF) = 4 Volt
Từ các kết quả này, chúng ta thấy rằng điện dung tương đương 66nF nhỏ hơn điện dung nhỏ nhất 0,1uF trong 2 tụ đã cho. Điện áp rơi trên 2 tụ khác nhau.
Nhưng tổng điện áp rơi trên từng tụ bằng với tổng điện áp. Tức là 8V+4V=12V.
Bây giờ chúng ta tính điện tích tích trữ trong từng tụ,
Q1 = V1* C1 = 8V * 0,1uF = 0,8uC
Q2 = V2* C2 = 4V * 0,2uF = 0,8uC
Ở đây chúng ta thấy rằng cùng một điện tích 0,8uC được tích trữ trong cả hai tụ điện C1 và C2 được kết nối nối tiếp.
Tóm tắt các tụ điện nối tiếp
- Điện tích trên các tụ giống nhau khi kết nối nối tiếp.
- Điện dung tương đương của các tụ nhỏ hơn điện dung nhỏ nhất nối tiếp.
- Điện dung tương đương của n tụ điện nối tiếp được tính như sau
1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 +……… + 1/CN
Tụ điện trong mạch song song
Tụ điện mắc song song có tác dụng gì?
Có một lợi thế của việc kết nối tụ điện song song hơn là nối tiếp. Khi tụ điện mắc song song với nhau thì giá trị điện dung tổng cộng tăng lên. Có một số ứng dụng yêu cầu các giá trị điện dung cao hơn.
Làm thế nào để kết nối tụ điện song song?
Hình bên dưới cho thấy kết nối của các tụ điện song song. Tất cả các đầu dương được kết nối vào một điểm và các đầu âm được kết nối vào một điểm khác.
Điện dung tương đương của các tụ điện song song là gì?
- Tất cả các tụ điện được kết nối song song có cùng điện áp và bằng với VT được đặt giữa các đầu vào và ra của mạch.
- Sau đó, các tụ song song có nguồn điện áp ‘chung’ trên chúng. Tức là VT = V1 = V2,…
- Điện dung tương đương, Ceq của mạch trong đó các tụ được kết nối song song bằng với tổng của tất cả các điện dung riêng của các tụ được cộng lại với nhau.
- Điều này là do bản cực phía trên của mỗi tụ trong mạch được kết nối với bản cực phía trên của các tụ liền kề. Theo cùng một cách, bản cực phía dưới của mỗi tụ trong mạch được kết nối với bản cực phía dưới của các tụ liền kề.
Hãy xem cách tính điện dung tương đương của hai tụ C1 + C2 mắc song song. Xét hai tụ kết nối như trong hình mạch bên dưới.
Tổng điện tích (Q) qua mạch được chia cho hai tụ điện, nghĩa là điện tích Q phân bố giữa các tụ được kết nối song song. Điện tích Q bằng với tổng của tất cả các điện tích tụ riêng.
Do đó Q=Q1+Q2
Trong đó Q1, Q2 là điện tích tại các tụ C1 và C2.
Chúng ta biết rằng,
Q=Ceq VT
Ở đây, Q = Q1+Q2
Ceq VT = C1xV1+C2xV2
Vì VT = V1 = V2 = V
Ceq VT = C1xV+C2xV
Ceq VT = (C1+C2)V
Do đó Ceq=C1+c2
Nếu N tụ điện được kết nối song song thì Ceq=C1+C2+C3+——Cn
Như vậy điện dung tương đương của các tụ kết nối song song bằng với tổng các điện dung riêng của các tụ điện trong mạch.
Ví dụ tụ điện song song số 1
Xét các giá trị điện dung của hai tụ C1 =0,2uF và C2 =0,3uF được thể hiện trong hình 4 ở trên. Bây giờ tính điện dung tương đương của mạch.
Chúng ta biết rằng Điện dung tương đương,
Ceq = C1 + C2
Ceq =0,2uF + 0,3uF
Ceq =0,5uF
Một điểm quan trọng cần nhớ về các mạch tụ kết nối song song, điện dung tương đương (Ceq) của bất kỳ hai hoặc nhiều tụ kết nối với nhau song song sẽ luôn lớn hơn giá trị của tụ lớn nhất trong mạch vì chúng ta đang cộng các giá trị lại với nhau. Vì vậy trong ví dụ của chúng ta ở trên Ceq =0,5uF trong khi giá trị tụ lớn nhất trong mạch chỉ là 0,3uF.
Khi nào thì các tụ được kết nối song song?
Dưới đây là một số ứng dụng trong đó các tụ được kết nối song song.
- Trong một số nguồn DC để lọc tốt hơn, các tụ nhỏ với hệ số gợn sóng tốt hơn được sử dụng. Chúng được kết nối song song để tăng giá trị điện dung.
- Điều này có thể được sử dụng trong các ngành công nghiệp ô tô ở các phương tiện lớn như tàu điện để phanh tái tạo. Các ứng dụng này có thể yêu cầu các giá trị điện dung lớn hơn điện dung thường có trên thị trường.
Tụ điện mắc song song với điện trở hoặc tụ điện mắc song song với tải có tác dụng gì?
Khi tụ mắc song song với điện trở hoặc tải tiêu thụ, nó có tác dụng lọc và làm giảm dao động của điện áp trên điện trở hoặc trên tải, làm cho điện áp ổn định hơn. Tụ sẽ nạp và xả điện vào thời điểm thích hợp để bù lại độ gợn của điện áp.
Tóm tắt tụ điện song song
- Điện áp trên các tụ là như nhau khi kết nối song song. Điện áp tương đương của các tụ song song bằng với điện áp định mức của tụ nhỏ nhất trong mạch song song.
- Giá trị điện dung tổng thể của các tụ là tổng của tất cả các giá trị điện dung được kết nối song song.
- Điện dung tương đương của n tụ điện song song là Ceq=C1+C2+C3…Cn.
