Hiểu về điện dung trong mạch điện xoay chiều

Các tụ điện được kết nối với nguồn điện xoay chiều hình sin tạo ra dung kháng, chịu ảnh hưởng của cả tần số nguồn điện và kích thước của tụ điện. Khi điện áp xoay chiều được cấp cho tụ điện, dòng điện chạy qua mạch phụ thuộc vào thời gian và trải qua sự dịch pha 90 độ so với điện áp cung cấp. Hiện tượng này là rất cần thiết để hiểu cách tụ điện hoạt động trong mạch điện xoay chiều.

Khi tụ điện được kết nối với nguồn điện một chiều, các bản cực của tụ điện bắt đầu tích điện cho đến khi điện áp trên chúng bằng điện áp cung cấp. Sau khi tích điện, tụ điện giữ điện tích này vô thời hạn, hoạt động hiệu quả như một thiết bị lưu trữ tạm thời. Trong quá trình tích điện, dòng điện chạy vào tụ điện, tạo ra điện tích tĩnh trên các bản cực. Điện tích đạt cực đại khi các bản cực của tụ điện không tích thêm điện và giảm theo cấp số nhân theo thời gian cho đến khi tụ điện được tích điện đầy đủ.

Hiện tượng này xảy ra vì trường tĩnh điện giữa các bản cực chống lại mọi thay đổi về hiệu điện thế giữa các bản cực. Khả năng lưu trữ điện tích trên các bản cực của tụ điện được gọi là điện dung (C). Dòng điện sạc của tụ điện được xác định theo phương trình (i = C \frac{dV}{dt}), trong đó (i) là dòng điện, (C) là điện dung và (frac{dV}{dt}) là tốc độ thay đổi điện áp trên tụ điện. Khi tụ điện được sạc đầy, nó sẽ chặn bất kỳ dòng electron nào tiếp theo đi vào, vì các tấm đã đạt đến trạng thái bão hòa.

Khi nguồn điện xoay chiều (AC) được cung cấp, tụ điện sẽ trải qua quá trình sạc và xả liên tục với tốc độ được xác định bởi tần số nguồn cung cấp. Dòng electron chảy vào các tấm tụ điện tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi điện áp trên các tấm đó. Trong mạch điện xoay chiều, tụ điện dễ dàng cho dòng điện chạy qua khi điện áp trên các tấm của chúng liên tục thay đổi. Tuy nhiên, khi điện áp được cung cấp không đổi, như trong nguồn điện một chiều, tụ điện sẽ cản trở dòng điện.

Hãy xem xét một mạch điện dung xoay chiều thuần túy. Khi tụ điện được kết nối trực tiếp qua điện áp nguồn AC, tụ điện sẽ sạc và xả để đáp ứng với điện áp thay đổi. Dòng điện sạc tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi điện áp trên các bản cực của tụ điện. Tốc độ thay đổi lớn nhất khi điện áp AC chuyển từ dương sang âm hoặc ngược lại, tại các điểm 0° và 180° dọc theo sóng sin. Ngược lại, tốc độ thay đổi là tối thiểu tại đỉnh dương cực đại ((+V_{text{MAX}}) và đỉnh âm cực tiểu (-V_{text{MAX}}), tại đó điện áp hình sin là hằng số.

Tại các điểm đỉnh này, tốc độ thay đổi điện áp bằng 0, dẫn đến dòng điện thay đổi bằng 0 bên trong tụ điện. Do đó, khi tốc độ thay đổi điện áp ( frac{dV}{dt}) bằng 0, tụ điện hoạt động như một mạch hở và không có dòng điện nào chạy qua nó.

Tại 0° trên sóng sin, tốc độ thay đổi của điện áp cung cấp tăng theo hướng dương(+), dẫn đến dòng điện sạc đạt cực đại tại thời điểm đó. Khi điện áp đạt đỉnh ở 90°, điện áp cung cấp không tăng cũng không giảm, dẫn đến không có dòng điện chạy qua. Khi điện áp bắt đầu giảm dần về 0 ở 180°, độ dốc của điện áp trở thành âm(-), khiến tụ điện xả theo hướng âm(-). Tại thời điểm này, tốc độ thay đổi điện áp lại đạt cực đại, dẫn đến dòng điện chạy qua cực đại.

Trong mạch điện xoay chiều có tụ điện, dòng điện tức thời ở mức tối thiểu hoặc bằng 0 khi điện áp được áp dụng ở mức tối đa. Ngược lại, dòng điện tức thời đạt giá trị tối đa hoặc cực đại khi điện áp được áp dụng ở mức tối thiểu hoặc bằng 0. Dòng điện trong mạch điện dung xoay chiều dẫn điện áp 90°, như được mô tả trong sơ đồ pha.

Tụ điện trong mạch điện xoay chiều thể hiện sự đối lập với tốc độ thay đổi của điện áp được áp dụng, tương tự như cách điện trở đối lập với dòng điện chạy qua. Sự đối lập này trong tụ điện được gọi là điện kháng dung, ký hiệu là (X_c). Giống như điện trở, điện kháng được đo bằng ôm nhưng được ký hiệu là (X) để phân biệt với điện trở thuần túy. Điện kháng dung thay đổi theo tần số của tín hiệu AC và điện dung của tụ điện.

Công thức tính điện kháng dung được đưa ra bởi:

[ X_c = frac{1}{2 pi fC}]

trong đó (f) là tần số tính bằng Hertz và (C) là điện dung tính bằng Farad. Điện kháng dung tỷ lệ nghịch với tần số, nghĩa là khi tần số tăng, điện kháng dung kháng giảm và ngược lại. Ở tần số rất cao, tụ điện hoạt động như một mạch ngắn với điện kháng gần bằng không. Ngược lại, ở tần số DC hoặc bằng không, tụ điện có điện kháng vô hạn, hoạt động hiệu quả như một mạch hở.

Tụ điện trong mạch AC là thành phần thiết yếu ảnh hưởng đến dòng điện dựa trên tần số của điện áp được áp dụng, thể hiện các đặc tính độc đáo như điện kháng dung thay đổi theo tần số. Hiểu các khái niệm này rất quan trọng để thiết kế và phân tích mạch AC.