Bộ chia điện áp điện dung

Trong bài này chúng ta cùng tìm hiểu cách hoạt động của mạch phân áp điện dung trong mạch điện tử, thông qua các công thức và ví dụ đã giải.

Bởi: Dhrubajyoti Biswas

Mạng phân chia điện áp là gì

Nói về mạch phân áp, điều quan trọng cần lưu ý là điện áp trong mạch phân chia được phân bổ đồng đều giữa tất cả các thành phần hiện có liên quan đến mạng, mặc dù công suất có thể thay đổi tùy theo cấu tạo của các thành phần.

Mạch phân áp có thể được chế tạo từ các thành phần phản kháng hoặc thậm chí từ các điện trở cố định.

Tuy nhiên, khi so sánh với các bộ phân áp điện dung, các bộ phân chia điện trở vẫn không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi tần số của nguồn cung cấp.

Mục đích của bài báo này là cung cấp sự hiểu biết chi tiết về bộ phân áp điện dung. Nhưng để hiểu rõ hơn, điều quan trọng là phải chi tiết hóa điện kháng điện dung và ảnh hưởng của nó đối với các tụ điện ở các tần số khác nhau.

Một tụ điện được làm bằng hai bản dẫn điện, đặt song song với nhau và được ngăn cách thêm bằng một vật cách điện. Hai bản cực này có một điện tích dương (+) và một điện tích âm (-) khác.

Khi tụ điện được sạc đầy bằng dòng điện một chiều, chất điện môi [thường được gọi là chất cách điện] làm kẹt dòng điện qua các tấm.

Một đặc điểm quan trọng khác của tụ điện so với điện trở là: Tụ điện dự trữ năng lượng trên các bản dẫn điện trong quá trình tích điện, còn điện trở thì không, vì nó luôn có xu hướng giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt.

Nhưng năng lượng được lưu trữ bởi một tụ điện được chuyển đến các mạch được kết nối với nó trong quá trình phóng điện của nó.

Tính năng này của tụ điện để lưu trữ điện tích được gọi là điện kháng, và còn được gọi là Phản ứng điện dung [Xc] trong đó Ohm là đơn vị đo tiêu chuẩn cho điện kháng.

Tụ điện phóng điện khi được kết nối với nguồn điện một chiều, điện trở vẫn thấp ở giai đoạn đầu.

Một phần đáng kể của dòng điện chạy qua tụ điện trong một khoảng thời gian ngắn, điều này buộc các tấm dẫn điện được tích điện nhanh chóng, và điều này cuối cùng ngăn cản bất kỳ sự di chuyển nào của dòng điện nữa.

Tụ điện chặn DC như thế nào?

Trong mạng điện trở, tụ điện nối tiếp khi trong khoảng thời gian đạt tới độ lớn 5RC thì các bản dẫn của tụ điện được tích điện đầy, tức là điện tích mà tụ điện nhận được bằng hiệu điện thế thì dòng điện tiếp tục dừng lại.

Hơn nữa, điện trở của tụ điện trong trường hợp này dưới ảnh hưởng của điện áp một chiều đạt đến trạng thái tối đa [mega-ohms].

Tụ điện trong nguồn AC

Liên quan đến việc sử dụng dòng điện xoay chiều [AC] để sạc tụ điện, trong đó dòng điện xoay chiều luôn phân cực luân phiên, tụ điện nhận dòng phải chịu sự sạc và phóng điện liên tục trên các bản của nó.

Bây giờ nếu chúng ta có dòng điện không đổi thì chúng ta cũng cần xác định giá trị điện kháng để hạn chế dòng.

Các yếu tố để xác định giá trị của điện trở

Nếu chúng ta nhìn lại điện dung, chúng ta sẽ thấy rằng lượng điện tích trên các bản dẫn của tụ điện tỷ lệ với giá trị của điện dung và hiệu điện thế.

Bây giờ khi một tụ điện nhận được dòng điện từ đầu vào AC, nguồn cung cấp điện áp sẽ thay đổi liên tục về giá trị của nó, điều này luôn làm thay đổi giá trị của các tấm một cách tương xứng.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét một tình huống trong đó tụ điện chứa giá trị điện dung cao hơn.

Trong tình huống này, điện trở R tiêu tốn nhiều thời gian hơn để tích điện cho tụ điện τ = RC. Điều này ngụ ý rằng nếu dòng điện sạc chạy trong một khoảng thời gian dài hơn, điện kháng ghi lại một giá trị nhỏ hơn Xc, tùy thuộc vào tần số được chỉ định.

Giống hệt nhau nếu giá trị điện dung nhỏ hơn trong tụ điện, thì để sạc tụ điện cần thời gian RC ngắn hơn.

Thời gian ngắn hơn này làm cho dòng điện chạy trong một khoảng thời gian ngắn hơn, dẫn đến giá trị điện kháng tương đối nhỏ hơn, Xc.

Do đó, rõ ràng là với dòng điện cao hơn, giá trị của điện kháng vẫn nhỏ và ngược lại.

Và do đó, điện trở điện dung luôn tỷ lệ nghịch với giá trị điện dung của tụ điện.

XC ∝ -1 C.

Điều quan trọng cần lưu ý là điện dung không phải là yếu tố duy nhất để phân tích điện kháng điện dung.

Với tần số thấp của điện áp xoay chiều được áp dụng, điện kháng có thêm thời gian phát triển dựa trên hằng số thời gian RC được phân bổ. Hơn nữa, nó cũng chặn dòng điện, cho thấy giá trị điện kháng cao hơn.

Tương tự, nếu tần số áp dụng cao, điện kháng cho phép chu kỳ thời gian ngắn hơn để quá trình sạc và xả xảy ra.

Hơn nữa, nó cũng nhận được dòng điện cao hơn trong quá trình này, dẫn đến điện trở thấp hơn.

Vì vậy, điều này chứng tỏ rằng trở kháng (điện kháng AC) của tụ điện và độ lớn của nó phụ thuộc vào tần số. Do đó, tần số cao hơn dẫn đến điện trở thấp hơn và ngược lại, và do đó có thể kết luận rằng Điện dung Xc tỷ lệ nghịch với tần số và điện dung.

Lý thuyết về điện trở điện dung đã nói có thể được tóm tắt bằng phương trình sau:

Xc = 1 / 2πfC

Ở đâu:

· Xc = Phản ứng điện dung tính bằng Ohms, (Ω)


· Π (pi) = một hằng số là 3,142 (hoặc 22 ÷ 7)


· Ƒ = Tần số tính bằng Hertz, (Hz)


· C = Điện dung tính bằng Farads, (F)

Bộ chia điện áp điện dung

Phần này sẽ nhằm mục đích cung cấp một lời giải thích chi tiết về tần số cung cấp ảnh hưởng như thế nào đến hai tụ điện được kết nối ngược lại hoặc nối tiếp, được gọi tốt hơn là mạch phân áp điện dung.

Mạch phân chia điện áp điện dung

Để minh họa chức năng của bộ chia điện dung, chúng ta hãy tham khảo mạch ở trên. Ở đây, C1 và C2 mắc nối tiếp và được kết nối với nguồn điện xoay chiều 10 vôn. Mắc nối tiếp cả hai tụ điện đều nhận được điện tích như nhau Q.

Tuy nhiên, điện áp sẽ vẫn khác và nó cũng phụ thuộc vào giá trị của điện dung V = Q / C.

Xem xét Hình 1.0, việc tính toán điện áp trên tụ điện có thể được xác định thông qua các cách khác nhau.

Một lựa chọn là tìm ra tổng trở của mạch và dòng điện của mạch, tức là để theo dõi giá trị của điện trở điện dung trên mỗi tụ điện và sau đó tính toán điện áp rơi trên chúng. Ví dụ:

VÍ DỤ 1

Như trên Hình 1.0, với C1 và C2 lần lượt là 10uF và 20uF, tính toán sụt áp rms xảy ra trên tụ điện trong tình huống điện áp hình sin 10 vôn rms @ 80Hz.

Tụ điện 10uF C1
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 80 x 10uF x 10-6 = 200 Ohm
Tụ C2 = 20uF
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF x 10-6 = 90
Om

Tổng phản ứng điện dung

Xc (tổng) = Xc1 + Xc2 = 200Ω + 90Ω = 290Ω
Ct = (C1 x C2) / (C1 + C2) = 10uF x 22uF / 10uF + 22uF = 6,88uF
Xc = 1 / 2πfCt = 1/1 / 2π x 80 x 6,88uF = 290Ω

Dòng điện trong mạch

I = E / Xc = 10V / 290Ω

Điện áp nối tiếp giảm đối với cả tụ điện. Ở đây bộ phân áp điện dung được tính như sau:

Vc1 = I x Xc1 = 34,5mA x 200Ω = 6,9V
Vc2 = I x Xc2 = 34,5mA x 90Ω = 3,1V

Nếu giá trị của các tụ điện khác nhau, thì tụ điện có giá trị nhỏ hơn có thể tích điện đến hiệu điện thế cao hơn so với giá trị lớn.

Trong ví dụ 1, điện tích điện áp được ghi lần lượt là 6,9 & 3,1 đối với C1 và C2. Bây giờ vì tính toán dựa trên lý thuyết của Kirchoff về điện áp, do đó, tổng điện áp giảm cho từng tụ điện bằng với giá trị điện áp cung cấp.

GHI CHÚ:

Tỉ số độ sụt điện áp hai đầu tụ điện mắc nối tiếp thành mạch phân áp điện dung nối tiếp luôn không đổi kể cả khi có tần số trong nguồn điện.

Do đó, theo Ví dụ 1, 6,9 và 3,1 volt là như nhau, ngay cả khi tần số nguồn cung cấp là cực đại từ 80 đến 800Hz.

VÍ DỤ 2

Làm thế nào để tìm điện áp rơi của tụ điện khi sử dụng các tụ điện giống nhau được sử dụng trong ví dụ 1?

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 10uF = 2 Ohm

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF = 0,9 Ohm

I = V / Xc (tổng) = 10 / 2,9 = 3,45 Amps

Do đó, Vc1 = I x Xc1 = 3,45A x 2Ω = 6,9V

Và, Vc2 = I x Xc2 = 3,45A x 0,9 Ω = 3,1V

Khi tỷ lệ điện áp không đổi đối với cả hai tụ điện, với tần số nguồn cung cấp tăng lên, tác động của nó được nhìn thấy dưới dạng giảm điện trở điện dung kết hợp, cũng như đối với tổng trở của mạch.

Trở kháng giảm làm cho dòng điện chảy cao hơn, ví dụ, dòng điện mạch ở 80Hz là khoảng 34,5mA, trong khi ở 8kHz, dòng điện cung cấp có thể tăng gấp 10 lần, tức là khoảng 3,45A.

Vì vậy có thể kết luận rằng cường độ dòng điện qua bộ phân áp điện dung tỉ lệ với tần số, I ∝ f.

Như đã thảo luận ở trên, các bộ chia điện dung bao gồm một loạt tụ điện được kết nối, chúng đều giảm điện áp xoay chiều.

Để tìm ra điện áp rơi chính xác, các bộ chia điện dung lấy giá trị của điện trở điện dung của tụ điện.

Do đó, nó không hoạt động như bộ chia cho điện áp DC, vì trong DC, các tụ điện bắt giữ và chặn dòng điện, gây ra dòng điện nil.

Các bộ chia có thể được sử dụng trong trường hợp nguồn cung cấp được điều khiển bởi tần số.

Có một loạt các ứng dụng điện tử của bộ phân áp điện dung, từ thiết bị quét ngón tay đến Máy tạo dao động Colpitts. Nó cũng được ưa chuộng rộng rãi như là thay thế rẻ tiền cho máy biến áp nguồn, nơi bộ phân áp điện dung được sử dụng để giảm dòng điện lưới cao.