Dung kháng là gì – Học Điện Tử Cơ Bản
Dung kháng là gì
Dung kháng là trở kháng phức của tụ điện có giá trị thay đổi theo tần số áp dụng
Trong hướng dẫn về mạch RC, chúng ta đã thấy rằng khi đặt điện áp một chiều vào tụ điện, bản thân tụ điện sẽ nhận dòng điện sạc từ nguồn cung cấp và sạc đến giá trị bằng với điện áp đặt vào. Tương tự như vậy, khi điện áp cung cấp giảm, điện tích tích trữ trong tụ điện cũng giảm và tụ điện phóng điện.
Nhưng trong mạch điện xoay chiều trong đó tín hiệu điện áp đặt vào liên tục thay đổi từ cực dương sang cực âm với tốc độ được xác định bởi tần số của nguồn cung cấp, như trong trường hợp điện áp sóng sin. Ví dụ, tụ điện đang được sạc hoặc phóng điện liên tục với tốc độ được xác định bởi tần số nguồn cung cấp.
Khi tụ điện tích điện hoặc phóng điện, dòng điện chạy qua nó bị hạn chế bởi trở kháng bên trong của tụ điện. Trở kháng bên trong này thường được gọi là dung kháng và được ký hiệu XC tính bằng Ohms.
Không giống như điện trở có giá trị cố định, ví dụ: 100Ω , 1kΩ , 10kΩ , v.v., (điều này là do điện trở tuân theo Định luật Ohms), dung kháng thay đổi theo tần số áp dụng nên bất kỳ sự thay đổi nào về tần số nguồn cung cấp sẽ có ảnh hưởng lớn đến tụ điện.
Khi tần số đặt vào tụ điện tăng lên làm giảm điện kháng của nó (được đo bằng ohms). Tương tự như vậy khi tần số trên tụ điện giảm, giá trị điện kháng của nó tăng lên. Được gọi là trở kháng phức của tụ điện .
Trở kháng phức tạp tồn tại bởi vì các electron ở dạng điện tích trên các bản tụ điện, dường như truyền từ bản này sang bản kia nhanh hơn với tần số thay đổi.
Khi tần số tăng lên, tụ điện chuyển nhiều điện tích hơn qua các bản trong một thời gian nhất định dẫn đến dòng điện chạy qua tụ điện lớn hơn như thể trở kháng bên trong của tụ điện đã giảm. Do đó, một tụ điện được kết nối với một mạch thay đổi trong một dải tần số nhất định có thể được coi là “Phụ thuộc vào tần số”.
Dung kháng có ký hiệu điện là “ XC ” và có đơn vị đo bằng Ohms giống như điện trở, (R). Nó được tính theo công thức sau:
Phản ứng điện dung
Dung kháng của tụ điện Công thức phản ứng điện dung
- Ở đây:
- Xc = Dung kháng tính bằng Ohms, (Ω)
- π (pi) = 3,142
- ƒ = Tần số tính bằng Hertz, (Hz)
- C = Điện dung tính bằng Farads, (F)
Ví dụ về dung kháng số 1
Tính giá trị điện dung của tụ điện 220nF ở tần số 1kHz và ở tần số 20kHz.
Ở tần số 1kHz:
Một lần nữa ở tần số 20kHz:
trong đó: ƒ = tần số tính bằng Hertz và C = điện dung tính bằng Farads
Do đó, từ trên có thể thấy rằng khi tần số đặt trên tụ điện 220nF tăng lên, từ 1kHz đến 20kHz, giá trị điện kháng của nó, XC giảm, từ khoảng 723Ω xuống chỉ 36Ω và điều này luôn đúng với XC là tỉ lệ nghịch với tần số với cường độ dòng điện chạy qua tụ điện đối với một hiệu điện thế xác định tỉ lệ thuận với tần số.
Đối với bất kỳ giá trị nhất định nào của điện dung, XC tính bằng ohm có thể được vẽ đồ thị dựa trên tần số như hình dưới đây.
Dung kháng chống lại tần số
Bằng cách sắp xếp lại công thức điện kháng ở trên, chúng ta cũng có thể tìm thấy tụ điện sẽ có giá trị điện dung ( XC ) cụ thể ở tần số nào .
Ví dụ về dung kháng số 2
Tụ điện 2,2uF có giá trị điện kháng 200Ω ở tần số nào?
Hoặc chúng ta có thể tìm giá trị của tụ điện trong Farads bằng cách biết tần số áp dụng và giá trị dung kháng của nó tại tần số đó.
Ví dụ về dung kháng số 3
Giá trị của tụ điện tính bằng farads sẽ là bao nhiêu khi nó có dung kháng 200Ω và được nối với nguồn cung cấp 50Hz.
Chúng ta có thể thấy từ các ví dụ trên rằng một tụ điện khi được kết nối với nguồn cung cấp tần số thay đổi, hoạt động giống như một “biến trở điều khiển tần số” vì trở kháng (X) của nó tỷ lệ nghịch với tần số. Ở tần số rất thấp, chẳng hạn như 1Hz, tụ điện 220nF của chúng ta có giá trị dung kháng cao khoảng 723,3KΩ (tạo ra một mạch hở).
Ở tần số rất cao như 1Mhz , tụ điện có giá trị dung kháng thấp chỉ 0,72Ω (gây ra hiện tượng đoản mạch). Vì vậy, ở tần số không hoặc trạng thái ổn định DC, tụ điện 220nF có dung kháng vô hạn trông giống như một “mạch hở” giữa các bản tụ và chặn bất kỳ dòng điện nào chạy qua nó.
Mạch phân áp
Chúng tôi nhớ từ hướng dẫn về Điện trở nối tiếp rằng các điện áp khác nhau có thể xuất hiện trên mỗi điện trở tùy thuộc vào giá trị của điện trở và mạch phân áp có khả năng chia điện áp cung cấp của nó theo tỷ lệ R2 / (R1 + R2) .
Do đó, khi R1 = R2 điện áp đầu ra sẽ bằng một nửa giá trị của điện áp đầu vào. Tương tự như vậy, bất kỳ giá trị nào của R2 lớn hơn hoặc nhỏ hơn R1 sẽ dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp đầu ra. Hãy xem xét mạch dưới đây.
Bây giờ chúng ta biết rằng dung kháng của tụ điện, giá trị Xc (trở kháng phức) thay đổi theo tần số áp dụng. Nếu bây giờ chúng ta thay đổi điện trở R2 ở trên cho một tụ điện, điện áp rơi trên chúng sẽ thay đổi khi tần số thay đổi vì điện trở của tụ điện ảnh hưởng đến trở kháng của nó.
Tổng trở của R1 không thay đổi theo tần số. Điện trở có giá trị cố định và không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi tần số. Điện áp trên điện trở R1 cũng thế và do đó điện áp đầu ra được xác định bởi điện dung của tụ điện ở một tần số nhất định.
Điều này cho chúng ta một mạch phân áp RC phụ thuộc tần số. Với ý tưởng này, Bộ lọc thông thấp thụ động và Bộ lọc thông cao có thể được xây dựng bằng cách thay thế một trong các điện trở của bộ chia điện áp bằng một tụ điện phù hợp như được minh họa.
Bộ lọc thông thấp
Bộ lọc thông cao
Đặc tính của dung kháng , làm cho tụ điện lý tưởng để sử dụng trong các mạch lọc AC hoặc trong các mạch làm mịn nguồn điện DC để giảm ảnh hưởng của bất kỳ Điện áp Ripple (điện áp gai) không mong muốn nào do tụ điện sẽ làm đường dẫn tín hiệu ngắn mạch đến bất kỳ tín hiệu tần số không mong muốn nào trên các đầu ra .
Tóm tắt về dung kháng
Vì vậy, chúng ta có thể tóm tắt hoạt động của tụ điện trong mạch tần số thay đổi là một loại điện trở được điều khiển tần số có giá trị dung kháng cao ở tần số rất thấp và giá trị dung kháng thấp ở tần số rất cao như trong biểu đồ trên.
Điều quan trọng là phải nhớ hai điều kiện này và trong các hướng dẫn tiếp theo về Bộ lọc thông thấp thụ động , chúng ta sẽ xem xét việc sử dụng dung kháng để chặn bất kỳ tín hiệu tần số cao không mong muốn nào trong khi chỉ cho phép tín hiệu tần số thấp đi qua.