Bộ chia điện áp
Trong một mạch chia điện áp, điện áp cung cấp hoặc điện áp của mạch được phân phối đồng đều giữa tất cả các linh kiện trong mạch, tùy thuộc vào dung lượng của những linh kiện đó.
Cấu trúc của mạch chia điện áp tụ điện giống như mạch chia điện áp điện trở. Nhưng khác với điện trở, mạch chia điện áp tụ điện không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi tần số mặc dù nó sử dụng các yếu tố phản kháng.
Tụ điện là một linh kiện thụ động, lưu trữ năng lượng điện trong các bản kim loại. Một tụ điện có hai bản và hai bản này được ngăn cách bởi một vật liệu không dẫn điện hoặc cách điện, gọi là “chất dielectrics”.
Tại đây, điện tích dương được lưu trữ trên một bản và điện tích âm được lưu trữ trên bản còn lại.
Khi dòng điện một chiều (DC) được áp dụng cho tụ điện, nó sẽ sạc đầy. Vật liệu cách điện giữa các bản hoạt động như một chất cách điện và cũng cản trở dòng điện đi qua tụ điện.
Sự cản trở dòng điện cung cấp qua tụ điện được gọi là phản kháng (XC) của tụ điện. Phản kháng của tụ điện cũng được đo bằng ohm.
Một tụ điện đã được sạc đầy hoạt động như một nguồn năng lượng, vì tụ điện lưu trữ năng lượng và phát ra năng lượng cho các linh kiện trong mạch.
Nếu một dòng điện xoay chiều (AC) được áp dụng cho tụ điện, thì tụ điện sẽ liên tục sạc và xả dòng điện qua các bản của nó. Trong thời gian này, tụ điện cũng có phản kháng, mà thay đổi tùy thuộc vào tần số cung cấp.
Chúng ta biết rằng điện tích được lưu trữ trong tụ điện phụ thuộc vào điện áp cung cấp và điện dung của tụ điện.
Tương tụ như vậy, phản kháng cũng phụ thuộc vào một số tham số. Bây giờ chúng ta sẽ xem xét các tham số ảnh hưởng đến phản kháng của một tụ điện.
Nếu một tụ điện có giá trị điện dung nhỏ hơn, thì thời gian cần thiết để sạc tụ điện sẽ ít hơn, tức là cần thời gian hằng số RC nhỏ hơn. Tương tụ, thời gian hằng số RC sẽ cao hơn cho các tụ điện có giá trị điện dung lớn hơn.
Từ đây, chúng ta thấy rằng, tụ điện có giá trị điện dung lớn hơn sẽ có giá trị phản kháng thấp hơn, trong khi tụ điện có giá trị điện dung nhỏ hơn sẽ có giá trị phản kháng lớn hơn. Tức là, phản kháng của một tụ điện tỉ lệ nghịch với giá trị điện dung của tụ điện.
XC∝ 1/C
Nếu tần số của dòng điện được áp dụng thấp, thì thời gian sạc của tụ điện sẽ tăng lên, điều này cho thấy rằng giá trị phản kháng cao. Tương tụ, nếu tần số của dòng điện được áp dụng cao, thì phản kháng của tụ điện sẽ thấp.
Từ đây, chúng ta có thể thấy rằng phản kháng của một tụ điện tỉ lệ nghịch với tần số.
Cuối cùng, chúng ta có thể nói rằng, phản kháng (XC) của bất kỳ tụ điện nào tỉ lệ nghịch với tần số (f) và giá trị điện dung (C).
XC∝ 1/f
Công Thức Phản Kháng Điện Dung
Chúng ta đã biết rằng phản kháng điện dung tỉ lệ nghịch với tần số và giá trị điện dung của tụ điện. Do đó, công thức cho phản kháng là:
XC = 1/2πfC
Trong đó:
• XC = Phản kháng của tụ điện tính bằng ohms (Ω)
• f= Tần số tính bằng Hertz (Hz)
• C = Giá trị điện dung của tụ điện tính bằng Farads (F)
• π = Hằng số số (22/7 = 3.142)
Phân Phối Điện Áp Trong Tụ Điện Nối Tiếp
Nếu các tụ điện được kết nối nối tiếp, điện áp phân phối giữa các tụ điện sẽ được tính toán. Bởi vì các tụ điện có giá trị điện áp khác nhau tùy thuộc vào giá trị điện dung trong kết nối nối tiếp.
Phản kháng của một tụ điện, cái mà cản trở dòng điện, phụ thuộc vào giá trị điện dung và tần số của dòng điện áp dụng.
Vậy bây giờ chúng ta hãy xem phản kháng ảnh hưởng như thế nào đến các tụ điện bằng cách tính toán các giá trị tần số và điện dung. Dưới đây là mạch điện cho thấy mạch chia điện áp điện dung trong đó có 2 tụ điện được kết nối nối tiếp.
Capacitive Voltage Divider
Hai tụ điện được kết nối nối tiếp có giá trị điện dung lần lượt là 10μF và 22μF. Ở đây, điện áp của mạch là 10V, điện áp này được phân phối giữa cả hai tụ điện.
Trong kết nối nối tiếp, tất cả các tụ điện đều có cùng một điện tích (Q) trên đó, nhưng điện áp cung cấp (VS) không giống nhau cho tất cả các tụ điện.
Điện áp của mạch được chia sẻ giữa các tụ điện phụ thuộc vào giá trị điện dung của chúng, tức là theo tỷ lệ V=QCV = \frac{Q}{C}V=CQ.
Từ những giá trị này, chúng ta cần tính độ phản kháng (XC) của mỗi tụ điện bằng cách sử dụng tần số và giá trị điện dung của các tụ điện.
Ví dụ Mạch Phân Chia Điện Áp Tụ Điện Số 1
Bây giờ chúng ta sẽ tính toán phân phối điện áp cho các tụ điện 10μF và 22μF được cho trong hình trên, với điện áp cung cấp 10V và tần số 40Hz.
Reactance of 10uF capacitor,
XC1 = 1/2πfC1 = 1/(2*3.142*40*10*10-6) = 400Ω
Reactance of 22uF capacitor,
XC\2 = 1/2πfC2 = 1/(2*3.142*40*22*10-6) = 180Ω
Total capacitive reactance of a circuit is,
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
The current in the circuit is,
I = V/XC = 10V/580Ω = 17.2mA
Now, the voltage drop across each capacitor is,
VC1 = I*XC1 = 17.2mA*400Ω = 6.9V
VC2 = I*XC2 =17.2mA*180Ω = 3.1V
Ví dụ Mạch Phân Chia Điện Áp Tụ Điện Số 2
Bây giờ chúng ta sẽ tính toán điện áp rơi trên các tụ điện 10μF và 22μF được kết nối nối tiếp và hoạt động với điện áp cung cấp 10V và tần số 4000Hz (4kHz).
Reactance of 10uF capacitor,
XC1 = 1/2πfC1 = 1/(2*3.142*4000*10*10-6) = 4Ω
Reactance of 22uF capacitor,
XC\2 = 1/2πfC2 = 1/(2*3.142*4000*22*10-6) = 1.8Ω
Total capacitive reactance of a circuit is,
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
The current in the circuit is,
I = V/XCT = 10V/5.8Ω = 1.72A
Now, the voltage drop across each capacitor is,
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 điện dung thấp hơn (10μF) sẽ sạc đến một điện áp cao hơn (6.9V), trong khi tụ điện có giá trị điện dung cao hơn (22μF) sẽ sạc đến một mức điện áp thấp hơn (3.1V).
Cuối cùng, tổng của hai giá trị điện áp rơi trên các tụ điện bằng với điện áp cung cấp (tức là 6.9V+3.1V=10V). Những giá trị điện áp này giống nhau cho tất cả các tần số, vì điện áp rơi không phụ thuộc vào tần số.
Điện áp rơi cho hai tụ điện là giống nhau trong cả hai ví dụ, mặc dù tần số khác nhau. Tần số có thể là 40Hz hoặc 4kHz, nhưng điện áp rơi trên các tụ điện là giống nhau trong cả hai trường hợp.
Dòng điện chảy qua mạch thay đổi tùy thuộc vào tần số. Dòng điện sẽ tăng lên khi tần số tăng, cụ thể 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 chảy qua mạch tỉ lệ thuận với tần số (I ∝ f).
Tóm tắt
Sự cản trở dòng điện trong tụ điện được gọi là độ phản kháng (XC) của tụ điện. Độ phản kháng này bị ảnh hưởng bởi các tham số như giá trị điện dung, tần số của điện áp cung cấp, và những giá trị này có mối quan hệ nghịch đảo với độ phản kháng.
Mạch phân chia điện áp xoay chiều (AC) sẽ phân phối điện áp cung cấp cho tất cả các tụ điện tùy thuộc vào giá trị điện dung của chúng. Những điện áp rơi này trên các tụ điện là giống nhau cho bất kỳ tần số nào của điện áp cung cấp, tức là điện áp rơi trên các tụ điện không phụ thuộc vào tần số.
Tuy nhiên, dòng điện chảy qua mạch phụ thuộc vào tần số, và hai đại lượng này có mối quan hệ tỉ lệ thuận với nhau.
Trong các mạch phân chia điện áp một chiều (DC), việc tính toán điện áp rơi trên các tụ điện không phải là điều dễ dàng vì nó phụ thuộc vào giá trị độ phản kháng, vì các tụ điện chặn dòng điện DC sau khi đã được sạc đầy.
Các mạch phân chia điện áp tụ điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện tử lớn. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các màn hình nhạy cảm với điện dung, những màn hình này thay đổi điện áp đầu ra khi bị chạm bởi ngón tay của con người. Chúng cũng được sử dụng trong các biến áp để tăng điện áp, nơi mà biến áp chính thường chứa các chip và linh kiện có điện áp rơi thấp.
Cuối cùng, một điều cần nói là trong mạch phân chia điện áp, điện áp rơi trên các tụ điện là giống nhau cho tất cả các giá trị tần số.
Xem thêm :
