Điện dung (Phần 2)

Mạch RC nối tiếp và hằng số thời gian

Khi một tụ điện nạp điện, thì dòng điện giảm vì điện áp hình thành bởi tụ điện tăng theo thời gian và kháng lại điện áp nguồn. Do đó, tốc độ nạp điện của một tụ điện giảm dần theo thời gian. Lượng thời gian cần thiết để nạp điện và phóng điện một tụ điện là một yếu tố rất quan trọng trong thiết kế mạch điện tử. Các điện trở thường được sử dụng kết hợp với tụ điện để điều khiển thời gian nạp và phóng điện cần thiết cho ứng dụng muốn có. Điện trở ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian cần thiết để nạp điện cho một tụ điện. Khi điện trở tăng, thì thời gian nạp điện cho tụ kéo dài hơn. Lượng thời gian cho tụ được nạp đầy điện trong mạch RC phụ thuộc vào giá trị của tụ điện và của điện trở.

>> Xem Phần 1

Đồ thị bên dưới biểu diễn tốc độ nạp điện của một tụ điện trong mạch RC. Lưu ý rằng tốc độ nạp điện giảm nhiều theo thời gian. Phần sau của thời gian nạp điện của tụ dài gấp nhiều lần phần thời gian lúc đầu.Thật vậy, tụ điện trong các ứng dụng thực tế thường không được nạp đầy điện. Tụ điện trong các mạch điện thường chỉ được nạp đến 63,2% dung lượng đầy đủ. Thời gian cần thiết cho một tụ nạp điện đến 63,2% dung lượng đầy đủ của nó được gọi là hằng số thời gian RC của nó.

Hình 6

Điều quan trọng là biết cách tính hằng số thời gian RC để thiết kế nhiều loại mạch điện tử khác nhau. Hằng số thời gian RC của một mạch điện có thể được tính bằng công thức sau đây:

t = C × R

trong đó t là thời gian đo theo giây, C là điện dung đo bằng farad, và R là điện trở đo bằng ohm.

Ghép tụ song song

Trong một mạch điện, điện dung có thể tăng lên bằng cách ghép các tụ điện song song với nhau như minh họa trong sơ đồ dưới đây:

Hình 7

Chúng ta biết rằng điện dung của một tụ điện có thể tăng thêm bằng cách tăng kích cỡ các bản của nó. Nối hai hoặc nhiều tụ điện song song nhau nói chung làm tăng kích cỡ bản tụ. Tăng diện tích bản tụ giúp tụ có thể trữ nhiều điện tích hơn và do đó tạo ra điện dung lớn hơn. Để xác định điện dung toàn phần của một vài tụ ghép song song, ta chỉ việc cộng từng giá trị của chúng với nhau. Sau đây là công thức tính điện dung toàn phần trong một mạch điện chứa các tụ điện ghép song song:

C = C₁ + C₂ + C₃ + ...

Ghép tụ nối tiếp

Điện dung có thể giảm trong một mạch điện bởi các tụ ghép nối tiếp như thể hiện trong sơ đồ dưới đây:

Hình 8

Chúng ta biết rằng điện dung của một tụ điện có thể giảm đi bằng cách đặt các bản tụ ra xa nhau. Ghép hai hoặc nhiều tụ điện nối tiếp nhau nói chung làm tăng khoảng cách giữa các bản tụ và bề dày của lớp điện môi, do đó làm giảm lượng điện dung.

Sau đây là công thức tính điện dung toàn phần trong một mạch điện chứa nhiều tụ điện ghép nối tiếp:

1/C = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃ + ...

Điện áp tối đa của tụ điện

Khi lựa chọn một tụ điện thích hợp cho một ứng dụng nào đó, bạn không chỉ xem xét giá trị của điện dung, mà cả lượng điện áp mà tụ điện đó chịu được. Các tụ điện được thiết kế để chịu được một điện áp tối đa nhất định. Vượt quá điện áp tối đa có thể gây ra dòng điện xuyên thủng lớp điện môi và tụ bị hỏng. Điện áp tối đa mà một tụ điện có thể chịu được gọi là điện áp hoạt động của nó. Nhà sản xuất có ghi chỉ dấu điện áp hoạt động. Tuy nhiên, khi chọn tụ điện dùng cho ứng dụng, tốt nhất nên chọn tụ có điện áp hoạt động cao hơn 50% điện áp tối đa dùng trong ứng dụng đó.

Tụ xoay

Có hai loại tụ điện chính: tụ cố định và tụ xoay. Tụ cố định có một giá trị nhất định của điện dung. Tụ xoay cho phép điện dung biến thiên trong một ngưỡng nào đó. Các tụ xoay được thiết kế sao cho điện dung có thể biến thiên thông qua một phương tiện cơ ví dụ điều chỉnh một nút vặn hoặc xoay một cái trục. Tụ xoay được sử dụng khi ứng dụng cần sự điều chỉnh điện dung ví dụ như bộ dò sóng radio.

Hình bên dưới là một tụ xoay điển hình. Nó có hai bộ bản tụ. Một bộ gọi là rotor và bộ kia là stator. Rotor thường được nối với một nút vặn ở bên ngoài tụ. Hai bộ bản tụ ở gần nhau nhưng không chạm vào nhau. Không khí là điện môi trong tụ xoay. Khi xoay nút vặn, hai bộ bản tụ ăn khớp với nhau ít hơn hoặc nhiều hơn, làm tăng hoặc giảm khoảng cách giữa các bản tụ. Khi các bản tụ ăn khớp với nhau hơn thì điện dung tăng lên. Khi các bản ít ăn khớp hơn thì điện dung giảm.

Hình 9

Ứng dụng của tụ điện

Bộ nhớ máy tính

Trong đa số trường hợp, bộ nhớ chính của máy vi tính là bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tốc độ cao (RAM). Có hai loại bộ nhớ chính có thể dùng với mạch điện RAM, bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh (SRAM0 và bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên động (DRAM). Một con chip máy tính cấu tạo gồm vài triệu ô nhớ. Trong một chip SRAM, mỗi ô nhớ gồm một mạch lật điện trở để lưu trữ các chữ số nhị phân 1 hoặc 0. Trong một con chip DRAM, mỗi ô nhớ gồm một tụ điện thay cho mạch lật điện trở. Khi một tụ được nạp đầy điện, người ta nói nó lưu trữ chữ số nhị phân 1, và khi tụ phóng hết điện tích, nó biểu diễn chữ số 0. Hình 10 bên dưới minh họa một phần của một con chip máy tính gồm 16 ô nhớ.

Hình 10

Microphone tụ điện

Microphone là dụng cụ biến đổi sóng âm thành tín hiệu điện. Mọi microphone đều có một cái màng dao động khi sóng âm thanh đập vào. Màng dao động đó kích một bộ phận điện tạo ra một dòng điện ở một tần số tỉ lệ với tần số của sóng âm. Microphone tụ điện sử dụng một tụ điện thực hiện nhiệm vụ này.

Trong một microphone tụ điện, màng dao động là bản tích điện âm của một tụ tích điện. Khi sóng âm nén màng thì màng dịch chuyển đến gần bản dương hơn. Việc giảm khoảng cách giữa hai bản tụ làm tăng lực hút tĩnh điện giữa chúng. Điều này mang lại một dòng điện chạy tới bản âm. Khi màng dịch chuyển trở ra theo sóng âm thì màng rời xa bản dương hơn. Việc tăng khoảng cách giữa hai bản làm giảm lực hút điện giữa chúng. Điều này mang lại một dòng điện chạy trở về bản dương. Các dòng điện luân phiên này mang lại những tín hiệu điện tử yếu truyền tới bộ trộn sóng, sau đó đến bộ khuếch đại, và cuối cùng truyền ra loa.

Máy thu radio

Tụ xoay được sử dụng trong mạch dò sóng của radio. Trong hình 11, một tụ xoay được nối với một mạch anten-biến thế. Sóng radio được truyền đi gây ra một dòng điện cảm ứng chạy trong anten qua cuộn sơ cấp xuống đất.

Một dòng điện thứ cấp chạy theo hướng ngược lại được cảm ứng trong cuộn thứ cấp. Dòng điện này chạy vào tụ điện. Chúng ta biết rằng sự tràn điện đến tụ cảm ứng một đối suất điện động. Đối suất điện động này được gọi là dung kháng. Dòng điện cảm ứng chạy qua cuộn dây còn gây ra một đối suất điện động nữa. Đối suất điện động này được gọi là cảm kháng. Vì thế, chúng ta có dung kháng lẫn cảm kháng.

Hình 11

Ở những tần số cao, cảm kháng lớn hơn dung kháng. Ở những tần số thấp thì ngược lại. Một tụ xoay được sử dụng để cân bằng cảm kháng và dung kháng. Điều kiện trong đó các điện kháng cân bằng được gọi là cộng hưởng. Tần số đặc biệt được tách riêng bởi các điện kháng cân bằng được gọi là tần số cộng hưởng.

Mạch radio được dò sóng bằng cách điều chỉnh điện dung của một tụ xoay để cân bằng cảm kháng và dung kháng của mạch điện cho tần số cộng hưởng như mong muốn, hay nói cách khác, để thu sóng của một đài muốn nghe.

Nam châm xung

Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Từ trường Cao ở Mĩ, người ta sử dụng các nam châm cho các nghiên cứu trong mọi lĩnh vực khoa học, bao gồm sinh học, hóa học, địa chất học, kĩ thuật, khoa học vật liệu, và vật lí học. Nghiên cứu về từ trường cao là thiết yếu bởi vì nó cho phép các nhà khoa học nghiên cứu vật chất ở cấp độ phân tử.

Một loại nam châm được sử dụng là nam châm xung. Nam châm xung có khả năng gây ra những từ trường mạnh đến 800 tesla. Để phát ra những từ trường cao như thế đòi hỏi những dòng điện cực kì cao, thường vào cỡ hàng chục ngàn ampe. Nam châm xung thường được cấp điện bởi một ngân hàng tụ, một dụng cụ chứa một số lượng lớn tụ điện có khả năng lưu trữ những lượng điện năng khổng lồ. Ngân hàng tụ được giải phóng điện tích trong một phần nhỏ của một giây qua cuộn dây của nam châm. Năng lượng tiêu biểu là vào cỡ 0,5 đến 1 megajoule.

Theo magnet.fsu.edu

Bài trước | Bài kế tiếp