So sánh giữa tụ điện và cuộn cảm
|
Trong bài này, chúng ta sẽ nói về hai linh kiện điện tử cơ bản: tụ điện (rất phổ biến trong mạch) và cuộn cảm (không phổ biến lắm nhưng gây ra rất nhiều phiền phức). Ở đây tôi không định bàn luận về phương diện thực tế, mà chỉ nói về mặt vật lý của hai linh kiện này, nhằm giúp các bạn nắm cách sử dụng của chúng cũng như các kiến thức để bạn phân tích mạch. Show Trong bài có thể có những từ viết tắt như: thế thay cho điện thế, áp thay cho điện áp (hiệu điện thế) và dòng thay cho cường độ dòng điện. Tôi khuyên các bạn cần phải hiểu được các khái niệm trên để có thể hiểu rõ hơn về bài này. Tụ điện Tụ điện là một linh kiện rất phổ biến trong mạch, thậm chí còn xuất hiện nhiều hơn cả điện trở trong một số mạch. Tụ điện có hai chân và được ký hiệu như hình bên. Hai chân của tụ có thể không phân cực hoặc phân cực (có âm dương). Nếu tụ có phân cực, cần cấp đúng điện áp để tụ có thể hoạt động (cực dương có điện thế cao hơn cực âm). Tụ là một linh kiện điện tử dùng để chứa điện tích. Nó bao gồm hai bản dẫn điện ngăn cách bởi một lớp cách điện (điện môi). Khi hai bản được tích điện trái dấu, nó tạo ra một điện trường và do đó tồn tại một điện áp giữa hai đầu tụ. Điện áp giữa hai đầu tụ được tích bằng: Trong đó u là điện áp giữa hai đầu tụ (đo bằng Volt), q là điện tích mà tụ tích được (điện tích của bản dương – đo bằng Coulomb) và C là điện dung của tụ (tức độ chứa điện – đo bằng Farad). Ngoài thực tế, giá trị của tụ chỉ khoảng từ uF (microfarad) đến nF (nanofarad). Tụ có điện dung càng lớn tức là chứa được càng nhiều điện với cùng một điện tế. Có thể coi tụ là cái bồn nước, áp u là độ cao mực nước, q là lượng nước trong bồn còn C là diện tích đáy bồn. Khi có một biến thiên về áp giữa hai đầu tụ (ví dụ u giảm), điện tích sẽ thay đổi (ví dụ u giảm thì q giảm) và sinh ra dòng điện làm hãm lại sự thay đổi điện áp đó (bởi vì dòng điện là dòng chuyển động của điện tích – ví dụ q giảm sẽ sinh ra dòng i thoát khỏi bản dương của tụ). Do đó, tụ là một linh kiện dùng để ổn định áp giữa hai đầu của nó. Chúng ta có thể suy luận một cách khác. Tụ tích điện và tạo ra điện trường, do đó nó tích năng lượng. Chính xác thì đó là thế năng điện trường, tỉ lệ với bình phương điện áp giữa hai đầu nó. Và khi nó mất điện áp, nó giải phóng năng lượng ra ngoài để cân bằng với môi trường và do đó sinh ra dòng để hãm lại tác nhân gây ra sự sụt áp của nó. Ngược lại, khi nó nhận thêm áp, nó hấp thụ năng lượng đó từ từ qua dòng điện. Nếu chập hai đầu tụ điện tích điện, nó mất hết áp và sẽ giải phóng hết năng lượng trong đó sinh ra dòng cực lớn (tia lửa điện). Ngược lại để giữ nguyên năng lượng của tụ, hãy để cho hai đầu của tụ hở vì điện tích sẽ không còn đường nào để chạy. Với áp một chiều, nó không sinh ra dòng điện bởi vì áp không bao giờ thay đổi. Tuy nhiên, khi cưỡng bức nó với áp xoay chiều, nó cần sinh ra dòng liên tục để hãm lại dao động áp của nó. Và nếu tần số càng cao, nó càng phải sinh ra nhiều dòng, do đó dung kháng càng thấp. Do đó tụ dẫn điện trong điện xoay chiều. Điều này được áp dụng khi cần khử thành phần điện một chiều trong các mạch loa và micro. Nói tóm lại, tụ là một linh kiện hãm sự biến thiên áp qua nó bằng cách sinh ra dòng, Nó chứa một loại năng lượng gọi là thế năng điện trường (tăng theo điện áp) và sẽ xả năng lượng khi trong mạch cần năng lượng từ nó. Khi bị cưỡng bức bởi áp, nó không thích điện một chiều và rất thích điện xoay chiều. Cuộn cảm Tuy nhiên, cuộn cảm lại không phải là một thành phần quá quen thuộc trong các mạch điện tử, mặt khác, nó lại là một thành phần rất rắc rối trong mạch điện tử. Cuộn cảm cũng có hai chân nhưng không có phân cực và cắm chiều nào cũng được. Cuộn cảm là một linh kiện điện tử dùng để chứa từ trường. Nghe có vẻ khá lạ nhưng thực chất từ là một dạng năng lượng và tất nhiên, nó có thể chứa được giống điện tích. Cuộn cảm được cấu tạo bởi một cuộn dây và thể quấn quanh một lõi sắt. Khi cho dòng điện qua cuộn, nó sinh từ trường và chính từ trường này sẽ sinh ra áp cảm ứng để hãm lại biến thiên dòng trong cuộn. Chúng ta có công thức: Trong đó u là điện áp giữa hai đầu cuộn (đo bằng Volt), i là dòng qua cuộn (đo bằng Ampere – trong công thức chúng ta lấy đạo hàm theo thời gian của nó) và L được gọi là độ tự cảm hay từ dung của cuộn (tức độ chứa từ – đo bằng Henry). Bạn đừng quan tâm quá đến dấu trừ, nó không quan trọng lắm nếu các bạn hiểu được nguyên lý của cuộn. Cũng giống như tụ, từ dung càng lớn đồng nghĩa với cuộn có thể chứa được nhiều từ hơn và do đó nhiều năng lượng hơn. Công thức trên có nghĩa là nếu có một sự biến thiên về dòng qua cuộn sẽ sinh ra một áp cảm ứng (sinh ra bởi từ trường, mà từ trường này sinh ra bởi dòng điện qua cuộn). Áp cảm ứng này hãm sự biến thiên của cuộn lại. Các bạn có thể dùng óc suy luận tương tự với tụ ở đây, chỉ khác là dòng đổi thành áp, áp thành dòng, điện biến thành từ. Các bạn có thể thấy nhiều sự tương tự như là: áp trong tụ sinh ra điện tích giúp hãm biến thiên áp của tụ, và do đó dòng trong cuộn sinh ra từ trường giúp hãm sự biến thiên dòng qua cuộn. Chúng ta cũng có thể suy luận một cách khác tương tự với tụ. Cuộn cảm tích thế năng từ trường và sẽ giải phóng khi nó mất dòng cũng như hấp thụ từ từ khi có dòng thêm rót vào nó. Ngược lại với tụ (giải phóng năng lượng qua dòng), cuộn giải phóng năng lượng qua áp. Cũng thêm một điều ngược lại với tụ, nếu rút một cuộn đã tích từ sẵn và để hở hai đầu, nó sẽ bị mất dòng đột ngột và giải phóng hết năng lượng, sinh ra áp cực lớn (trong khi với tụ, phải chập hai đầu thì mới sinh ra dòng cực lớn). Áp cực lớn khi cuộn bị hở gây ra vô số những rắc rối. Nó có thể gây ra những áp ngược không mong muốn, làm cháy transistor, các cổng ra vào của IC cũng như sinh ra tia lửa điện khi đóng mở công tắc. Do đó, ở các mạch điều khiển động cơ (có thể coi là một cuộn cảm) đều có gắn thêm diode nhằm xả dòng của cuộn từ từ. Ở các ngõ ra vào của IC cũng như ở các transistor hiệu ứng trường (FET) cũng đều có các diode tích hợp bên trong. Khi thiết kế mạch điện tử, cần lưu ý về các tải có tính cảm vì chúng có thể gây hư hỏng rất nghiêm trọng cho mạch. Trong mạch điện một chiều, cuộn cảm có thể được xem như một dây dẫn (với một lượng điện trở nào đó). Do đó nó dẫn điện. Nhưng khi có áp xoay chiều, nó cố gắng làm hãm sự biến thiên dòng qua nó, do đó, dòng qua nó bị hạn chế rất nhiều. Tần số càng cao, cảm kháng sẽ càng cao. Điều này giúp chúng ta lọc nhiễu trong các mạch nguồn. Tóm tắt thì cuộn cảm là một linh kiện rất giống tụ, hãm sự biến thiên dòng qua nó bằng cách sinh ra áp. Nó chứa thế năng từ trường (tăng theo dòng điện) và cũng giống tụ, sẽ xả năng lượng khi trong mạch cần năng lượng từ nó. Khi bị cưỡng bức bởi áp, nó lại dẫn điện một chiều và ngăn dòng điện xoay chiều. Qua bài vừa rồi, các bạn đã hiểu thêm về hai linh kiện thường gặp trong điện tử. Tụ điện và cuộn cảm, tuy nhìn sơ thì có vẻ hai linh kiện không có gì liên quan nhau, nhưng hai linh kiện này lại có sự tương đồng rất cao. Có thể bạn sẽ không gặp những linh kiện này trực tiếp, mà thông qua một số linh kiện khác có tính dung (có tính tích điện) và tính cảm (có tính tích từ), và những kiến thức này là vô cùng cần thiết khi phân tích những mạch như vậy. Cám ơn các bạn đã theo dõi. Mục lục:Capacitor vs Inductor Tụ và bộ dẫn điện là hai thành phần điện được sử dụng trong thiết kế mạch. Cả hai đều thuộc về các thể loại thụ động, thu hút năng lượng từ mạch, lưu trữ và sau đó giải phóng. Cả hai tụ điện và inductor được sử dụng rộng rãi trong AC (thay thế hiện tại) và các ứng dụng lọc tín hiệu. Tụ Tụ điện được làm bằng hai dây dẫn cách nhau bằng điện môi cách điện. Khi có sự khác biệt tiềm ẩn đối với hai dây dẫn, một điện trường được tạo ra và các điện tích được lưu trữ. Một khi sự khác biệt tiềm năng đang được gỡ bỏ và hai dây dẫn được nối, một dòng điện (dòng điện lưu trữ) sẽ chảy vào trung hòa sự khác biệt tiềm ẩn và điện trường. Tốc độ xả sẽ giảm theo thời gian và được gọi là đường cong xả điện của tụ điện. Trong phân tích, tụ điện được xem như một chất cách điện cho DC (dòng điện một chiều) và dẫn điện cho AC (dòng điện xoay chiều). Do đó, nó được sử dụng như là một yếu tố chặn DC trong nhiều thiết kế mạch. Điện dung của tụ điện được biết đến như là khả năng lưu trữ điện tích, và nó được đo trong đơn vị gọi là Farad (F). Tuy nhiên trong các mạch thực tiễn, các tụ điện có sẵn trong các dải Farad vi (μF) đến pico Farads (pF). Cuộn cảm Cuộn cảm đơn giản chỉ là một cuộn dây và nó lưu trữ năng lượng như một từ trường khi một dòng điện chạy qua nó. Tự cảm là thước đo khả năng lưu trữ năng lượng của một điện dẫn. Tự cảm được đo bằng đơn vị Henry (H). Khi một dòng điện thay thế đi qua điện dẫn, một điện áp trên thiết bị có thể quan sát được do thay đổi từ trường.Không giống như tụ điện, cuộn cảm hoạt động như dây dẫn cho DC, và điện áp thả trên phần tử gần như bằng không, vì không có từ trường thay đổi. Máy biến áp được làm bằng cặp cảm ứng kết hợp. sự khác nhau giữa Tụ và Cuộn cảm là gì? 1. Capacitor lưu trữ một điện trường, trong khi inductor lưu trữ một từ trường.
|
