Phân tích mạch điện xoay chiều bằng pha có thể mang lại hiệu quả cao khi xử lý các mạch hoạt động ở cùng tần số. Kết quả của việc kết hợp hai pha phụ thuộc vào các pha tương đối của chúng, cụ thể là chúng "cùng pha" hay "lệch pha" do chênh lệch pha.
Dạng sóng hình sin là các đại lượng thay đổi xen kẽ có thể được biểu diễn bằng đồ họa trong miền thời gian dọc theo trục hoành. Dạng sóng này thể hiện giá trị dương tối đa tại thời điểm π/2, giá trị âm tối đa tại thời điểm 3π/2 và các giá trị bằng 0 dọc theo đường cơ sở tại các điểm 0, π và 2π.
Tuy nhiên, không phải tất cả các dạng sóng hình sin đều có thể cắt trục 0 cùng một lúc; chúng có thể bị "dịch chuyển" sang phải hoặc trái gốc tọa độ 0 khi so sánh với một sóng hình sin khác. Ví dụ, hãy xem xét việc so sánh dạng sóng điện áp với dạng sóng dòng điện, dẫn đến sự dịch chuyển góc tọa độ, hoặc độ lệch pha giữa hai dạng sóng hình sin. Bất kỳ sóng hình sin nào không vượt qua 0 tại thời điểm t = 0 đều có sự lệch pha.
Sự dịch chuyển pha của dạng sóng hình sin được biểu thị bằng góc Φ (Phi), được đo bằng độ hoặc radian, biểu thị độ lệch ngang của dạng sóng so với một điểm tham chiếu cụ thể dọc theo trục 0 nằm ngang. Nói một cách đơn giản hơn, sự dịch pha biểu thị sự dịch chuyển theo chiều ngang giữa hai hoặc nhiều dạng sóng có chung một trục và dạng sóng hình sin có cùng tần số có thể biểu hiện sự lệch pha.
Độ lệch pha (Φ) trong dạng sóng xen kẽ có thể nằm trong khoảng từ 0 đến khoảng thời gian tối đa (T) của dạng sóng trong một chu kỳ hoàn chỉnh. Điều này có thể biểu hiện ở bất kỳ vị trí nào dọc theo trục hoành trong khoảng từ Φ = 0 đến 2π (radian) hoặc Φ = 0 đến 360 độ, tùy thuộc vào đơn vị đo.
Độ lệch pha cũng có thể được biểu thị dưới dạng độ lệch thời gian (τ) tính bằng giây, biểu thị một phần của khoảng thời gian (T), chẳng hạn như +10 mili giây hoặc -50 micro giây. Tuy nhiên, nhìn chung người ta thường biểu thị độ lệch pha bằng phép đo góc.
Để tính góc pha của dạng sóng, chúng ta phải sửa đổi phương trình cho giá trị tức thời của dạng sóng điện áp hoặc dòng điện hình sin được phát triển trong phần thảo luận trước đây về Dạng sóng hình sin. Phương trình được sửa đổi này như sau:
Phương trình lệch pha:
Am - Biên độ của dạng sóng.
ωt - Tần số góc của dạng sóng tính bằng radian trên giây.
Φ (Phi) – Góc pha tính bằng độ hoặc radian, biểu thị sự dịch chuyển theo phương ngang so với điểm tham chiếu.
Nếu độ dốc dương của dạng sóng hình sin cắt trục hoành “trước” t = 0 thì dạng sóng đã dịch chuyển sang trái, dẫn đến Φ > 0. Góc pha dương (+Φ), biểu thị góc pha sớm. Nói cách khác, nó xuất hiện sớm hơn 0 độ, dẫn đến vectơ quay ngược chiều kim đồng hồ.
Ngược lại, nếu độ dốc dương của dạng sóng hình sin vượt qua trục x ngang "sau" t = 0 thì dạng sóng đã dịch chuyển sang phải, dẫn đến Φ < 0. Góc pha âm (-Φ), biểu thị độ trễ góc pha, vì nó xuất hiện muộn hơn 0 độ, dẫn đến vectơ quay theo chiều kim đồng hồ.
Bây giờ, chúng ta hãy khám phá mối quan hệ pha giữa hai đại lượng xen kẽ, chẳng hạn như điện áp (v) và dòng điện (i), khi chúng có cùng tần số (ƒ) tính bằng Hertz. Vì tần số của chúng bằng nhau nên vận tốc góc (ω) của chúng cũng phải bằng nhau. Do đó, tại bất kỳ thời điểm nào, pha của điện áp (v) sẽ giống với pha của dòng điện (i).
Vận tốc góc không đổi này đảm bảo rằng góc quay trong một khoảng thời gian cụ thể vẫn ổn định. Do đó, độ lệch pha giữa điện áp (v) và dòng điện (i) sẽ luôn bằng 0 (Φ = 0). Vì cả điện áp và dòng điện, ngay cả khi biên độ của chúng khác nhau, đều đạt đến các giá trị dương, âm và 0 cực đại đồng thời trong một chu kỳ hoàn chỉnh, nên chúng được coi là "cùng pha".
Tiếp theo, hãy xem xét trường hợp trong đó điện áp (v) và dòng điện (i) có độ lệch pha là 30 độ (Φ = 30° hoặc π/6 radian). Vì cả hai đại lượng xen kẽ đều quay với cùng tốc độ, duy trì tần số của chúng nên độ lệch pha này luôn không đổi. Độ lệch pha 30 độ được biểu thị bằng Φ.
Trong trường hợp này, dạng sóng điện áp bắt đầu từ 0 dọc theo trục tham chiếu nằm ngang, đồng thời, dạng sóng hiện tại vẫn có giá trị âm. Nó chỉ đi qua trục tham chiếu 30 độ sau đó, dẫn đến sự lệch pha giữa hai dạng sóng. Kết quả là chúng không còn "cùng pha" nữa mà "lệch pha" một lượng được xác định bởi Φ. Trong ví dụ của chúng tôi, điều này tương đương với độ lệch pha trễ 30 độ.
Ngược lại, nếu dòng điện (i) có giá trị dương và đi qua trục tham chiếu, đạt giá trị cực đại và bằng 0 trước điện áp (v), thì dạng sóng hiện tại sẽ là "dẫn" điện áp, biểu thị độ lệch pha sớm.
Góc pha của sóng hình sin đóng vai trò mô tả hữu ích về mối quan hệ giữa hai dạng sóng hình sin có cùng tần số, được vẽ trên cùng một trục tham chiếu. Trong ví dụ của chúng tôi, hai dạng sóng lệch pha nhau 30 độ. Do đó, chính xác khi nói rằng dòng điện (i) trễ hơn điện áp (v), hoặc ngược lại, điện áp (v) dẫn dòng điện (i) một góc 30 độ, tùy thuộc vào cái nào được chọn làm tham chiếu.
Mối quan hệ này và góc pha thu được có thể được xác định ở bất kỳ đâu dọc theo trục hoành mà mỗi dạng sóng đi qua, bất kể độ dốc là dương hay âm.
Trong các mạch điện xoay chiều (AC), khả năng mô tả mối quan hệ giữa điện áp và sóng hình sin trong cùng một mạch điện có tầm quan trọng đáng kể, tạo nền tảng cho việc phân tích mạch điện xoay chiều.
