Dòng điện một chiều qua tụ điện. Tại sao tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua mà cho dòng điện xoay chiều đi qua? điện trở của tụ điện

Tại sao tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua mà cho dòng điện xoay chiều đi qua?

Tụ điện không cho dòng điện chạy qua; nó chỉ có thể sạc và phóng điện
Ở dòng điện một chiều, tụ điện tích điện một lần và sau đó trở nên vô dụng trong mạch điện.
Trên một dòng điện dao động, khi điện áp tăng, nó sẽ tích điện (tích lũy năng lượng điện) và khi điện áp từ mức tối đa bắt đầu giảm, nó sẽ trả lại năng lượng cho mạng, đồng thời ổn định điện áp.
Trên dòng điện xoay chiều, khi điện áp tăng từ 0 đến cực đại, tụ điện tích điện, khi giảm từ cực đại xuống 0, nó phóng điện, trả năng lượng trở lại mạng, khi cực tính thay đổi, mọi thứ diễn ra giống hệt nhau nhưng với cực tính khác .
Dòng điện chỉ chạy khi tụ điện đang sạc.
Trong mạch điện một chiều, tụ điện tích điện tương đối nhanh, sau đó dòng điện giảm và gần như dừng lại.
Trong mạch điện xoay chiều, tụ điện được tích điện, sau đó điện áp thay đổi cực tính, nó bắt đầu phóng điện và sau đó tích điện theo chiều ngược lại, v.v. - dòng điện chạy liên tục.
Chà, hãy tưởng tượng một cái bình mà bạn chỉ có thể đổ nước vào cho đến khi đầy. Nếu điện áp không đổi, bình sẽ đầy và dòng điện sẽ dừng. Và nếu điện áp thay đổi thì nước sẽ được đổ vào bình - đổ ra - đổ đầy, v.v.
tụ điện hoạt động cả ở dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều, bởi vì nó được tích điện bằng dòng điện một chiều và không thể truyền năng lượng đó đi bất cứ đâu, vì điều này, một nhánh ngược được nối với mạch điện thông qua một công tắc để thay đổi cực tính nhằm phóng điện; nhường chỗ cho một phần mới, không xen kẽ trong mỗi vòng quay, nến được tích điện và phóng điện do sự thay đổi các cực....
Cảm ơn các bác vì thông tin tuyệt vời!!!
Về mặt vật lý thuần túy: tụ điện là một điểm đứt mạch, vì các miếng đệm của nó không chạm vào nhau nên giữa chúng có một chất điện môi. và như chúng ta đã biết, chất điện môi không dẫn điện. do đó dòng điện một chiều không chạy qua nó.
Mặc dù.. .
Một tụ điện trong mạch điện một chiều có thể dẫn dòng điện tại thời điểm nó được nối với mạch (xảy ra quá trình sạc hoặc nạp lại tụ điện); khi kết thúc quá trình nhất thời, không có dòng điện nào chạy qua tụ điện, vì các bản của nó được ngăn cách bởi một chất điện môi. Trong mạch điện xoay chiều, nó thực hiện các dao động dòng điện xoay chiều thông qua việc sạc lại tụ điện theo chu kỳ.
và đối với dòng điện xoay chiều, tụ điện là một phần của mạch dao động. nó đóng vai trò là một thiết bị lưu trữ năng lượng điện và kết hợp với một cuộn dây, chúng cùng tồn tại hoàn hảo, chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng từ tính và quay trở lại với tốc độ/tần số bằng omega = 1/sqrt(C*L) của chính chúng
ví dụ: một hiện tượng như sét. Tôi nghĩ tôi đã nghe thấy nó. mặc dù đây là một ví dụ tồi, nhưng sự tích điện xảy ra ở đó thông qua quá trình điện khí hóa, do ma sát của không khí trong khí quyển trên bề mặt trái đất. nhưng sự đánh thủng luôn luôn, như ở tụ điện, chỉ xảy ra khi đạt đến cái gọi là điện áp đánh thủng.
Tôi không biết điều này có giúp ích gì cho bạn không :)
Thực ra tụ điện không cho dòng điện đi qua chính nó. Đầu tiên, tụ điện tích lũy điện tích trên các bản của nó - trên một bản có thừa electron, ở bản kia thiếu - và sau đó nhường chúng đi, kết quả là ở mạch ngoài, các electron chạy tới chạy lui - chúng chạy rời khỏi đĩa này, chạy sang đĩa thứ hai rồi quay lại. Nghĩa là, chuyển động qua lại của các electron trong mạch ngoài được đảm bảo; dòng điện chạy trong nó - nhưng không chạy bên trong tụ điện.
Có bao nhiêu electron mà một tấm tụ điện có thể tiếp nhận ở điện áp một volt được gọi là điện dung của tụ điện, nhưng nó thường được đo không phải bằng hàng nghìn tỷ electron mà bằng đơn vị điện dung thông thường - farad (microfarad, picofarads).
Khi người ta nói rằng dòng điện chạy qua tụ điện thì đây chỉ đơn giản là một sự đơn giản hóa. Mọi thứ xảy ra như thể dòng điện chạy qua tụ điện, mặc dù trên thực tế dòng điện chỉ chạy từ bên ngoài tụ điện.
Nếu đi sâu hơn vào vật lý, sự phân bố lại năng lượng trong trường giữa các bản của tụ điện được gọi là dòng điện dịch chuyển, ngược lại với dòng điện dẫn là sự chuyển động của các điện tích, còn dòng điện dịch chuyển là một khái niệm từ điện động lực học gắn liền với các phương trình Maxwell , một mức độ trừu tượng hoàn toàn khác.

Tụ điện (nắp) là một "pin" nhỏ, sạc nhanh khi có điện áp xung quanh nó và nhanh chóng phóng điện trở lại khi không có đủ điện áp để giữ điện tích.

Đặc tính chính của tụ điện là công suất của nó. Nó được biểu thị bằng ký hiệu C, đơn vị đo của nó là Farad. Điện dung càng lớn thì tụ điện có thể tích điện càng nhiều ở một điện áp nhất định. Ngoài ra hơn hơn năng lực, sự ít hơn tốc độ sạc và xả.

Các giá trị điển hình được sử dụng trong vi điện tử: từ hàng chục picofarad (pF, pF = 0,000000000001 F) đến hàng chục microfarad (μF, μF = 0,000001). Các loại tụ điện phổ biến nhất là gốm và điện phân. Gốm sứ có kích thước nhỏ hơn và thường có điện dung lên tới 1 µF; họ không quan tâm liên hệ nào sẽ được kết nối với điểm cộng và điểm liên hệ nào sẽ được kết nối với điểm trừ. Tụ điện có điện dung từ 100 pF và chúng có cực: một tiếp điểm cụ thể phải được nối với cực dương. Chân tương ứng với điểm cộng được làm dài hơn.

Một tụ điện bao gồm hai bản được ngăn cách bởi một lớp điện môi. Các bản tích lũy điện tích: một bản dương, bản kia âm; từ đó tạo ra sự căng thẳng bên trong. Chất điện môi cách điện ngăn điện áp bên trong biến thành dòng điện bên trong, điều này sẽ cân bằng các tấm.

Sạc và xả

Hãy xem xét sơ đồ này:

Khi công tắc ở vị trí 1, điện áp được tạo ra trên tụ điện - nó sẽ tích điện. Thù lao Q trên tấm tại một thời điểm nhất định được tính theo công thức:

C- dung tích, e- số mũ (hằng số ≈ 2,71828), t- thời gian kể từ khi bắt đầu sạc. Điện tích trên tấm thứ hai luôn có cùng giá trị nhưng ngược dấu. Nếu điện trở R bỏ đi, chỉ còn lại một điện trở nhỏ của dây dẫn (điều này sẽ trở thành giá trị R) và quá trình sạc sẽ diễn ra rất nhanh.

Bằng cách vẽ hàm số trên đồ thị, chúng ta có được hình ảnh sau:

Như bạn có thể thấy, điện tích không tăng đồng đều mà tăng theo cấp số nhân. Điều này là do thực tế là khi điện tích tích tụ, nó tạo ra ngày càng nhiều điện áp ngược V c, mà "chống lại" V trong.

Tất cả kết thúc với điều này V c trở nên bằng nhau về giá trị V trong và dòng điện ngừng chảy hoàn toàn. Tại thời điểm này tụ điện được cho là đã đạt đến điểm bão hòa (cân bằng). Điện tích đạt đến mức tối đa.

Nhớ lại định luật Ohm, chúng ta có thể mô tả sự phụ thuộc của dòng điện trong mạch khi sạc tụ điện.

Bây giờ hệ thống ở trạng thái cân bằng, đặt công tắc ở vị trí 2.

Các bản tụ điện có điện tích trái dấu, chúng tạo ra điện áp - dòng điện xuất hiện qua tải (Tải). Dòng điện sẽ chạy ngược chiều so với chiều của nguồn điện. Sự phóng điện cũng sẽ xảy ra theo cách ngược lại: lúc đầu điện tích sẽ bị mất nhanh chóng, sau đó, với sự sụt giảm điện áp do nó tạo ra, điện tích ngày càng chậm hơn. Nếu cho Q 0 Hãy xác định điện tích trên tụ ban đầu, khi đó:

Các giá trị này trên biểu đồ trông như thế này:

Một lần nữa, sau một thời gian, hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái nghỉ: toàn bộ điện tích sẽ bị mất, điện áp sẽ biến mất và dòng điện sẽ dừng lại.

Nếu bạn sử dụng lại công tắc, mọi thứ sẽ bắt đầu theo vòng tròn. Vì vậy, tụ điện không làm gì khác hơn là ngắt mạch khi điện áp không đổi; và “hoạt động” khi điện áp thay đổi đột ngột. Thuộc tính này xác định thời điểm và cách thức nó được sử dụng trong thực tế.

Ứng dụng vào thực tế

Trong số những mẫu phổ biến nhất trong vi điện tử là các mẫu sau:

Tụ điện dự phòng (nắp bypass) - để giảm gợn sóng điện áp cung cấp

Tụ lọc - để tách các thành phần điện áp không đổi và thay đổi, để cách ly tín hiệu

Tụ điện dự trữ

Nhiều mạch được thiết kế để cung cấp năng lượng ổn định, liên tục. Ví dụ: 5 V. Nguồn điện cung cấp cho họ. Nhưng các hệ thống lý tưởng không tồn tại và trong trường hợp có sự thay đổi đột ngột về mức tiêu thụ hiện tại của thiết bị, chẳng hạn như khi một bộ phận được bật, nguồn điện không có thời gian để “phản ứng” ngay lập tức và ngắn hạn. xảy ra sụt áp. Ngoài ra, trong trường hợp dây từ nguồn điện đến mạch đủ dài, nó bắt đầu hoạt động như một ăng-ten và cũng tạo ra nhiễu không mong muốn vào mức điện áp.

Thông thường, độ lệch so với điện áp lý tưởng không vượt quá một phần nghìn volt và hiện tượng này hoàn toàn không đáng kể khi cấp nguồn, chẳng hạn như đèn LED hoặc động cơ điện. Nhưng trong các mạch logic, trong đó việc chuyển đổi logic 0 và logic 1 xảy ra dựa trên những thay đổi về điện áp nhỏ, nhiễu nguồn điện có thể bị nhầm lẫn với tín hiệu, điều này sẽ dẫn đến việc chuyển đổi không chính xác, giống như hiệu ứng domino, sẽ khiến hệ thống bị ảnh hưởng. trong tình trạng khó lường.

Để tránh những sự cố như vậy, một tụ điện dự phòng được đặt ngay phía trước mạch điện.

Tại thời điểm điện áp đầy, tụ điện được tích điện đến mức bão hòa và trở thành điện tích dự trữ. Ngay khi mức điện áp trên đường dây giảm xuống, tụ điện dự phòng hoạt động như một cục pin nhanh, giải phóng điện tích tích lũy trước đó để lấp đầy khoảng trống cho đến khi tình trạng trở lại bình thường. Sự hỗ trợ như vậy đối với nguồn điện chính xảy ra rất nhiều lần mỗi giây.

Nếu chúng ta nghĩ theo một quan điểm khác: tụ điện tách thành phần xoay chiều ra khỏi điện áp một chiều và truyền nó qua chính nó, đưa nó từ đường dây điện xuống đất. Đây là lý do tại sao tụ điện dự phòng còn được gọi là "tụ điện rẽ nhánh".

Kết quả là điện áp được làm mịn trông như thế này:

Các tụ điện điển hình được sử dụng cho các mục đích này là tụ gốm có giá trị danh nghĩa là 10 hoặc 100 nF. Các tế bào điện phân lớn ít phù hợp với vai trò này, bởi vì chúng chậm hơn và sẽ không thể giải phóng điện tích nhanh chóng trong những điều kiện này, nơi có tiếng ồn tần số cao.

Trong một thiết bị, các tụ điện dự phòng có thể có ở nhiều nơi: phía trước mỗi mạch điện là một khối độc lập. Ví dụ, Arduino đã có sẵn các tụ điện dự phòng để đảm bảo bộ xử lý hoạt động ổn định, nhưng trước khi cấp nguồn cho màn hình LCD được kết nối với nó, bạn phải lắp đặt tụ điện của riêng mình.

Tụ lọc

Một tụ lọc được sử dụng để loại bỏ tín hiệu khỏi cảm biến, truyền tín hiệu dưới dạng điện áp khác nhau. Ví dụ về các cảm biến như vậy là micrô hoặc ăng-ten Wi-Fi đang hoạt động.

Chúng ta hãy xem sơ đồ kết nối của một micro điện tử. Micrô điện tử là loại phổ biến và phổ biến nhất: đây là loại được sử dụng trong điện thoại di động, phụ kiện máy tính và hệ thống truyền thanh công cộng.

Micrô cần có nguồn điện để hoạt động. Trong trạng thái im lặng, điện trở của nó cao và lên tới hàng chục kiloohm. Khi tiếp xúc với âm thanh, cổng của bóng bán dẫn hiệu ứng trường tích hợp bên trong sẽ mở ra và micro mất đi điện trở bên trong. Sự mất đi và phục hồi điện trở xảy ra nhiều lần trong mỗi giây và tương ứng với pha của sóng âm.

Ở đầu ra, chúng ta chỉ quan tâm đến điện áp tại những thời điểm có âm thanh. Nếu không có tụ điện C, đầu ra sẽ luôn bị ảnh hưởng thêm bởi điện áp cung cấp không đổi. C chặn thành phần không đổi này và chỉ cho phép những sai lệch tương ứng với âm thanh đi qua.

Âm thanh mà chúng ta quan tâm là âm thanh có tần số thấp: 20 Hz - 20 kHz. Để cách ly tín hiệu âm thanh khỏi điện áp chứ không phải nhiễu nguồn tần số cao, như C Một tụ điện điện phân chậm có giá trị danh nghĩa là 10 µF được sử dụng. Nếu sử dụng tụ điện nhanh, chẳng hạn như 10 nF, thì tín hiệu không phải âm thanh sẽ truyền đến đầu ra.

Lưu ý rằng tín hiệu đầu ra được cung cấp dưới dạng điện áp âm. Tức là khi đầu ra được nối đất, dòng điện sẽ chạy từ mặt đất đến đầu ra. Giá trị điện áp cực đại trong trường hợp micrô là hàng chục milivolt. Để đảo ngược điện áp và tăng giá trị của nó, đầu ra V ra thường được kết nối với một bộ khuếch đại hoạt động.

Kết nối tụ điện

Nếu so sánh với cách đấu nối các điện trở thì việc tính giá trị cuối cùng của tụ điện lại ngược lại.

Khi mắc song song, tổng điện dung được tính bằng:

Khi mắc nối tiếp, công suất cuối cùng được tính theo công thức:

Nếu chỉ có hai tụ điện thì với cách mắc nối tiếp:

Trong trường hợp cụ thể có hai tụ điện giống hệt nhau, tổng điện dung của mắc nối tiếp bằng một nửa điện dung của mỗi tụ điện.

Đặc điểm giới hạn

Tài liệu cho mỗi tụ điện cho biết điện áp tối đa cho phép. Vượt quá nó có thể dẫn đến sự cố điện môi và nổ tụ điện. Đối với tụ điện, phải quan sát cực tính. Nếu không, chất điện phân sẽ rò rỉ ra ngoài hoặc sẽ lại xảy ra vụ nổ.

Trong tất cả các thiết bị kỹ thuật vô tuyến và điện tử, ngoài bóng bán dẫn và vi mạch, tụ điện đều được sử dụng. Một số mạch có nhiều tụ điện hơn, số khác có ít hơn, nhưng thực tế không có mạch điện tử nào không có tụ điện.

Đồng thời, tụ điện có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau trong thiết bị. Trước hết, đây là những điện dung trong bộ lọc của bộ chỉnh lưu và bộ ổn định. Bằng cách sử dụng tụ điện, tín hiệu được truyền giữa các tầng khuếch đại, bộ lọc thông thấp và thông cao được xây dựng, các khoảng thời gian được đặt theo độ trễ thời gian và tần số dao động trong các bộ tạo khác nhau được chọn.

Tụ điện có nguồn gốc từ , được nhà khoa học người Hà Lan Pieter van Musschenbroeck sử dụng trong các thí nghiệm của ông vào giữa thế kỷ 18. Anh ta sống ở thành phố Leiden nên không khó để đoán tại sao chiếc lọ này lại có tên như vậy.

Thực ra đó là một chiếc lọ thủy tinh bình thường, được lót bên trong và bên ngoài bằng lá thiếc - staniol. Nó được sử dụng cho những mục đích tương tự như nhôm hiện đại, nhưng nhôm vẫn chưa được phát hiện.

Nguồn điện duy nhất vào thời đó là máy điện di, có khả năng tạo ra điện áp lên tới vài trăm kilovolt. Đây là nơi bình Leyden được sạc. Sách giáo khoa vật lý mô tả một trường hợp Muschenbroek xả lon của mình qua một chuỗi mười lính canh đang nắm tay nhau.

Khi đó, không ai biết rằng hậu quả có thể bi thảm. Cú đánh khá nhạy cảm, nhưng không gây tử vong. Mọi chuyện không đến mức này, vì dung tích của bình Leyden không đáng kể, mạch đập rất ngắn nên công suất phóng điện thấp.

Làm thế nào để một tụ điện hoạt động?

Thiết kế của tụ điện thực tế không khác gì bình Leyden: hai tấm giống nhau được ngăn cách bởi một chất điện môi. Đây chính xác là cách các tụ điện được mô tả trên sơ đồ điện hiện đại. Hình 1 thể hiện sơ đồ thiết kế của tụ điện tấm phẳng và công thức tính toán của nó.

Hình 1. Thiết kế tụ điện bản song song

Ở đây S là diện tích của các bản tính bằng mét vuông, d là khoảng cách giữa các bản tính bằng mét, C là điện dung tính bằng farad, ε là hằng số điện môi của môi trường. Tất cả các đại lượng có trong công thức đều được biểu thị trong hệ SI. Công thức này đúng cho tụ điện phẳng đơn giản nhất: bạn chỉ cần đặt hai tấm kim loại cạnh nhau, từ đó rút ra kết luận. Không khí có thể đóng vai trò là chất điện môi.

Từ công thức này có thể hiểu rằng diện tích của các bản càng lớn và khoảng cách giữa chúng càng nhỏ thì điện dung của tụ điện càng lớn. Đối với các tụ điện có hình dạng khác, công thức có thể khác, ví dụ, đối với điện dung của một dây dẫn hoặc. Nhưng sự phụ thuộc của điện dung vào diện tích các bản và khoảng cách giữa chúng cũng giống như sự phụ thuộc của tụ điện phẳng: diện tích càng lớn và khoảng cách càng nhỏ thì điện dung càng lớn.

Trên thực tế, các tấm không phải lúc nào cũng được làm phẳng. Đối với nhiều tụ điện, ví dụ như tụ điện giấy kim loại, các bản là lá nhôm cuộn lại với nhau bằng chất điện môi bằng giấy thành một quả bóng chặt, có hình dạng giống như vỏ kim loại.

Để tăng độ bền điện, giấy tụ điện mỏng được tẩm hợp chất cách điện, thường là dầu biến thế. Thiết kế này cho phép chế tạo các tụ điện có công suất lên tới vài trăm microfarad. Tụ điện hoạt động tương tự như các chất điện môi khác.

Công thức không chứa bất kỳ hạn chế nào về diện tích của các tấm S và khoảng cách giữa các tấm d. Nếu chúng ta giả sử rằng các tấm có thể được đặt cách nhau rất xa, đồng thời diện tích của các tấm có thể được làm rất nhỏ, thì một số dung lượng, dù nhỏ, vẫn sẽ được giữ lại. Lý luận như vậy cho thấy rằng ngay cả hai dây dẫn nằm cạnh nhau cũng có điện dung.

Trường hợp này được sử dụng rộng rãi trong công nghệ tần số cao: trong một số trường hợp, tụ điện được chế tạo đơn giản ở dạng rãnh mạch in, hoặc thậm chí chỉ là hai dây xoắn với nhau trong lớp cách điện bằng polyetylen. Một sợi dây hoặc cáp thông thường cũng có điện dung và nó tăng dần khi chiều dài tăng lên.

Ngoài điện dung C, bất kỳ cáp nào cũng có điện trở R. Cả hai tính chất vật lý này được phân bố dọc theo chiều dài của cáp và khi truyền tín hiệu xung, chúng hoạt động như một chuỗi RC tích hợp, như trong Hình 2.

Hình 2.

Trong hình, mọi thứ đều đơn giản: đây là mạch điện, đây là tín hiệu đầu vào và đây là tín hiệu đầu ra. Xung bị bóp méo đến mức không thể nhận ra, nhưng điều này được thực hiện có mục đích, đó là lý do tại sao mạch điện được lắp ráp. Trong khi đó, chúng ta đang nói về ảnh hưởng của điện dung cáp đến tín hiệu xung. Thay vì một xung, một chiếc “chuông” như thế này sẽ xuất hiện ở đầu kia của sợi cáp, nếu xung ngắn thì có thể không đến được đầu kia của sợi cáp mà có thể biến mất hoàn toàn.

Sự kiện lịch sử

Ở đây khá thích hợp để nhớ lại câu chuyện về cách đặt cáp xuyên Đại Tây Dương. Nỗ lực đầu tiên vào năm 1857 đã thất bại: các chấm và gạch ngang điện báo (xung hình chữ nhật) bị biến dạng đến mức không thể nghe được gì ở đầu bên kia của đường dây dài 4.000 km.

Nỗ lực thứ hai được thực hiện vào năm 1865. Vào thời điểm này, nhà vật lý người Anh W. Thompson đã phát triển lý thuyết truyền dữ liệu qua đường dài. Theo lý thuyết này, việc đặt cáp hóa ra lại thành công hơn;

Vì thành tựu khoa học này, Nữ hoàng Victoria đã phong tặng nhà khoa học này tước hiệu hiệp sĩ và danh hiệu Lãnh chúa Kelvin. Đây là tên của một thị trấn nhỏ trên bờ biển Ireland, nơi bắt đầu lắp đặt cáp. Nhưng đây chỉ là một từ, và bây giờ chúng ta hãy quay lại chữ cái cuối cùng trong công thức, đó là hằng số điện môi của môi trường ε.

Một chút về điện môi

ε này nằm trong mẫu số của công thức, do đó, sự gia tăng của nó sẽ kéo theo sự gia tăng công suất. Đối với hầu hết các chất điện môi được sử dụng, chẳng hạn như không khí, lavsan, polyetylen, nhựa dẻo, hằng số này gần giống như hằng số của chân không. Nhưng đồng thời, có nhiều chất có hằng số điện môi cao hơn nhiều. Nếu bình ngưng tụ chứa đầy axeton hoặc cồn thì công suất của nó sẽ tăng lên 15...20 lần.

Nhưng những chất như vậy, ngoài ε cao, còn có độ dẫn điện khá cao nên tụ điện như vậy sẽ không giữ được điện tích tốt; Hiện tượng có hại này được gọi là dòng điện rò rỉ. Do đó, các vật liệu đặc biệt đang được phát triển cho chất điện môi, giúp cung cấp dòng điện rò chấp nhận được với điện dung riêng cao của tụ điện. Đây chính xác là lý do giải thích sự đa dạng của các loại và loại tụ điện, mỗi loại được thiết kế cho các điều kiện cụ thể.

Chúng có công suất riêng cao nhất (tỷ lệ công suất/khối lượng). Công suất của các “chất điện phân” đạt tới 100.000 uF, điện áp hoạt động lên tới 600V. Những tụ điện như vậy chỉ hoạt động tốt ở tần số thấp, thường là trong các bộ lọc nguồn điện. Các tụ điện được nối đúng cực.

Các điện cực trong các tụ điện như vậy là một màng oxit kim loại mỏng, đó là lý do tại sao những tụ điện này thường được gọi là tụ điện oxit. Một lớp không khí mỏng giữa các điện cực như vậy không phải là chất cách điện đáng tin cậy lắm, do đó, một lớp chất điện phân được đưa vào giữa các tấm oxit. Thông thường đây là những dung dịch đậm đặc của axit hoặc kiềm.

Hình 3 cho thấy một tụ điện như vậy.

Hình 3. Tụ điện

Để ước tính kích thước của tụ điện, người ta chụp ảnh một hộp diêm đơn giản bên cạnh nó. Ngoài dung lượng khá lớn, trong hình bạn cũng có thể thấy dung sai tính theo phần trăm: không dưới 70% so với danh nghĩa.

Vào thời đó, khi máy tính còn lớn và được gọi là máy tính, những tụ điện như vậy nằm trong ổ đĩa (trong ổ cứng HDD hiện đại). Dung lượng thông tin của những ổ đĩa như vậy giờ đây chỉ có thể khiến người ta mỉm cười: 5 megabyte thông tin được lưu trữ trên hai đĩa có đường kính 350 mm và bản thân thiết bị nặng 54 kg.

Mục đích chính của các siêu tụ điện trong hình là loại bỏ các đầu từ khỏi vùng làm việc của đĩa khi mất điện đột ngột. Những tụ điện như vậy có thể lưu trữ điện tích trong vài năm, điều này đã được thử nghiệm trên thực tế.

Dưới đây, chúng tôi sẽ đề xuất thực hiện một số thí nghiệm đơn giản với tụ điện để hiểu tụ điện có thể làm được những gì.

Tụ điện không phân cực được sản xuất để hoạt động trong các mạch điện xoay chiều, nhưng vì lý do nào đó mà chúng rất khó kiếm được. Để giải quyết vấn đề này bằng cách nào đó, các “chất điện phân” cực thông thường được bật ngược tuần tự: cộng-trừ-trừ-cộng.

Nếu một tụ điện phân cực được nối với một mạch điện xoay chiều, đầu tiên nó sẽ nóng lên, sau đó sẽ xảy ra vụ nổ. Các tụ điện cũ trong nước nằm rải rác khắp mọi hướng, trong khi tụ điện nhập khẩu có một thiết bị đặc biệt giúp chúng tránh được những tiếng nổ lớn. Theo quy định, đây có thể là một rãnh chữ thập ở dưới cùng của tụ điện hoặc một lỗ có phích cắm cao su nằm ở đó.

Họ thực sự không thích các tụ điện điện áp cao, ngay cả khi cực tính đúng. Vì vậy, bạn không bao giờ nên đặt “chất điện phân” vào mạch điện có điện áp gần mức tối đa đối với một tụ điện nhất định.

Đôi khi ở một số diễn đàn, thậm chí có uy tín, người mới bắt đầu đặt câu hỏi: “Sơ đồ hiển thị tụ điện 470µF * 16V, nhưng tôi có 470µF * 50V, lắp được không?” Có, tất nhiên là bạn có thể, nhưng việc thay thế ngược lại là không thể chấp nhận được.

Tụ điện có thể lưu trữ năng lượng

Một sơ đồ đơn giản thể hiện trong Hình 4 sẽ giúp bạn hiểu được câu nói này.

Hình 4. Mạch có tụ điện

Đặc điểm chính của mạch này là một tụ điện C có công suất đủ lớn để quá trình tích điện và phóng điện diễn ra chậm, thậm chí rất rõ ràng. Điều này giúp có thể quan sát hoạt động của mạch một cách trực quan bằng bóng đèn pin thông thường. Những chiếc đèn pin này từ lâu đã nhường chỗ cho những chiếc đèn LED hiện đại, nhưng bóng đèn dành cho chúng vẫn được bán. Vì vậy, việc lắp ráp một mạch điện và tiến hành các thí nghiệm đơn giản là rất đơn giản.

Có lẽ ai đó sẽ nói: “Tại sao? Suy cho cùng thì mọi thứ đều rõ ràng, nhưng nếu bạn cũng đọc phần mô tả…” Dường như không có gì để phản đối ở đây, nhưng bất kỳ điều gì, dù là điều đơn giản nhất, vẫn đọng lại trong đầu rất lâu nếu sự hiểu biết của nó đến qua bàn tay.

Vậy là mạch đã được lắp ráp. Làm thế nào nó hoạt động?

Ở vị trí công tắc SA như hình vẽ, tụ C được nạp từ nguồn điện GB qua điện trở R trong mạch: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Dòng sạc trong sơ đồ được biểu thị bằng mũi tên có chỉ số iз. Quá trình sạc tụ điện được thể hiện trong hình 5.

Hình 5. Quá trình nạp tụ điện

Hình vẽ cho thấy điện áp trên tụ tăng theo một đường cong, gọi là hàm mũ trong toán học. Dòng điện phản ánh trực tiếp điện áp sạc. Khi điện áp trên tụ tăng lên thì dòng sạc sẽ giảm đi. Và chỉ tại thời điểm ban đầu, nó mới tương ứng với công thức trong hình.

Sau một thời gian, tụ điện sẽ tích điện từ 0V đến điện áp của nguồn điện, trong mạch của chúng ta lên đến 4,5V. Toàn bộ câu hỏi là làm thế nào để xác định được thời gian này, phải đợi bao lâu, khi nào tụ điện sẽ tích điện?

Hằng số thời gian "tau" τ = R*C

Công thức này chỉ đơn giản là nhân điện trở và điện dung của điện trở và tụ điện mắc nối tiếp. Nếu không bỏ qua hệ SI, chúng ta thay thế điện trở tính bằng Ohm và điện dung bằng Farad thì kết quả sẽ thu được sau vài giây. Đây là thời gian cần thiết để tụ điện nạp tới 36,8% điện áp nguồn điện. Theo đó, sạc đến gần 100% sẽ cần thời gian 5* τ.

Thông thường, bỏ qua hệ SI, họ thay thế điện trở tính bằng Ohms và điện dung tính bằng microfarad vào công thức, khi đó thời gian sẽ tính bằng micro giây. Trong trường hợp của chúng tôi, sẽ thuận tiện hơn khi nhận được kết quả tính bằng giây, trong đó bạn chỉ cần nhân micro giây với một triệu hoặc đơn giản hơn là di chuyển dấu thập phân sang trái sáu vị trí.

Đối với mạch như hình 4, với tụ điện có công suất 2000 μF và điện trở 500 Ω, hằng số thời gian sẽ là τ = R*C = 500 * 2000 = 1.000.000 micro giây hoặc chính xác là một giây. Như vậy, bạn sẽ phải đợi khoảng 5 giây cho đến khi tụ điện được sạc đầy.

Nếu sau thời gian quy định, chuyển công tắc SA về đúng vị trí thì tụ điện C sẽ phóng điện qua bóng đèn EL. Lúc này sẽ có một tia chớp ngắn, tụ điện sẽ phóng điện và đèn sẽ tắt. Hướng phóng điện của tụ điện được biểu thị bằng mũi tên có chỉ số ip. Thời gian phóng điện cũng được xác định bởi hằng số thời gian τ. Biểu đồ phóng điện được thể hiện trong Hình 6.

Hình 6. Đồ thị phóng điện của tụ điện

Tụ điện không truyền dòng điện một chiều

Một sơ đồ thậm chí còn đơn giản hơn trong Hình 7 sẽ giúp bạn xác minh tuyên bố này.

Hình 7. Mạch có tụ điện trong mạch DC

Nếu bạn đóng công tắc SA, bóng đèn sẽ nháy nhanh chứng tỏ tụ điện C đã được tích điện qua bóng đèn. Biểu đồ điện tích cũng được hiển thị ở đây: tại thời điểm đóng công tắc, dòng điện đạt cực đại, khi tụ điện được tích điện, nó giảm và sau một thời gian thì nó dừng hoàn toàn.

Nếu tụ điện có chất lượng tốt, tức là với dòng điện rò rỉ thấp (tự phóng điện), việc đóng công tắc nhiều lần sẽ không dẫn đến nhấp nháy. Để có được đèn flash khác, tụ điện sẽ phải được phóng điện.

Tụ điện trong bộ lọc điện

Tụ điện thường được đặt sau bộ chỉnh lưu. Thông thường, các bộ chỉnh lưu được thực hiện toàn sóng. Các mạch chỉnh lưu phổ biến nhất được hiển thị trong Hình 8.

Hình 8. Mạch chỉnh lưu

Theo quy luật, bộ chỉnh lưu nửa sóng cũng được sử dụng khá thường xuyên trong trường hợp công suất tải không đáng kể. Chất lượng có giá trị nhất của các bộ chỉnh lưu như vậy là tính đơn giản của chúng: chỉ có một diode và một cuộn dây máy biến áp.

Đối với bộ chỉnh lưu toàn sóng, điện dung của tụ lọc có thể được tính bằng công thức

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, trong đó C là điện dung của tụ μF, Po là công suất tải W, U là điện áp ở đầu ra của bộ chỉnh lưu V, f là tần số của dòng điện xoay chiều điện áp Hz, dU là biên độ gợn sóng V.

Số lớn ở tử số 1.000.000 chuyển đổi điện dung của tụ điện từ hệ Farad thành microfarad. Hai trong mẫu số đại diện cho số nửa chu kỳ của bộ chỉnh lưu: đối với bộ chỉnh lưu nửa sóng, một sẽ xuất hiện ở vị trí của nó

C = 1000000 * Po / U*f*dU,

và đối với bộ chỉnh lưu ba pha, công thức sẽ có dạng C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.

Siêu tụ điện - ionistor

Gần đây, một loại tụ điện mới đã xuất hiện, được gọi là tụ điện. Về đặc tính, nó tương tự như pin, mặc dù có một số hạn chế.

Ionistor được sạc đến điện áp định mức trong thời gian ngắn, đúng nghĩa là chỉ trong vài phút, vì vậy nên sử dụng nó làm nguồn điện dự phòng. Trên thực tế, ionistor là một thiết bị không phân cực; thứ duy nhất quyết định độ phân cực của nó là việc sạc tại nhà sản xuất. Để tránh nhầm lẫn sự phân cực này trong tương lai, nó được biểu thị bằng dấu +.

Các điều kiện hoạt động của ionistor đóng một vai trò lớn. Ở nhiệt độ 70˚C ở điện áp bằng 0,8 điện áp định mức, độ bền được đảm bảo không quá 500 giờ. Nếu thiết bị hoạt động ở điện áp bằng 0,6 điện áp danh định và nhiệt độ không vượt quá 40 độ thì có thể hoạt động bình thường trong 40.000 giờ trở lên.

Ứng dụng phổ biến nhất của ionistor là trong nguồn điện dự phòng. Đây chủ yếu là chip nhớ hoặc đồng hồ điện tử. Trong trường hợp này, thông số chính của ionistor là dòng rò thấp, khả năng tự phóng điện của nó.

Việc sử dụng ionistor kết hợp với pin năng lượng mặt trời khá hứa hẹn. Điều này cũng là do tính chất không tới hạn của các điều kiện sạc và số lượng chu kỳ sạc-xả gần như không giới hạn. Một đặc tính có giá trị khác là thiết bị ionistor không cần bảo trì.

Cho đến nay tôi đã cố gắng cho bạn biết cách thức và vị trí hoạt động của tụ điện, chủ yếu trong các mạch điện một chiều. Hoạt động của tụ điện trong mạch điện xoay chiều sẽ được thảo luận ở bài khác -.

Điện áp không đổi và đặt điện áp trên con cá sấu của mình ở mức 12 Volt. Chúng tôi cũng lấy một bóng đèn 12 Volt. Bây giờ chúng ta lắp một tụ điện vào giữa một đầu dò của nguồn điện và bóng đèn:

Không, nó không cháy.

Nhưng nếu bạn làm trực tiếp, nó sẽ sáng lên:

Điều này dẫn đến kết luận: Dòng điện một chiều không chạy qua tụ điện!

Thành thật mà nói, tại thời điểm đầu tiên đặt điện áp vào, dòng điện vẫn chạy trong tích tắc. Tất cả phụ thuộc vào điện dung của tụ điện.

Tụ điện trong mạch điện xoay chiều

Vì vậy, để biết dòng điện xoay chiều có chạy qua tụ điện hay không, chúng ta cần một máy phát điện xoay chiều. Tôi nghĩ bộ tạo tần số này sẽ hoạt động tốt:

Vì máy phát điện Trung Quốc của tôi rất yếu nên thay vì tải bằng bóng đèn, chúng tôi sẽ sử dụng tải 100 Ohm đơn giản. Hãy lấy một tụ điện có công suất 1 microfarad:

Chúng tôi hàn một cái gì đó như thế này và gửi tín hiệu từ bộ tạo tần số:

Sau đó anh ta bắt tay vào công việc kinh doanh. Máy hiện sóng là gì và nó được sử dụng như thế nào, hãy đọc tại đây. Chúng tôi sẽ sử dụng hai kênh cùng một lúc. Hai tín hiệu sẽ được hiển thị trên một màn hình cùng một lúc. Ở đây trên màn hình, bạn có thể thấy nhiễu từ mạng 220 Volt. Đừng chú ý.

Chúng tôi sẽ áp dụng điện áp xoay chiều và xem các tín hiệu, như các kỹ sư điện tử chuyên nghiệp nói, ở đầu vào và đầu ra. Đồng thời.

Tất cả sẽ trông giống như thế này:

Vì vậy, nếu tần số của chúng ta bằng 0 thì điều này có nghĩa là dòng điện không đổi. Như chúng ta đã thấy, tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua. Điều này dường như đã được sắp xếp ra. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu bạn áp dụng một hình sin có tần số 100 Hertz?

Trên màn hình máy hiện sóng tôi hiển thị các thông số như tần số và biên độ tín hiệu: F là tần số Mã – biên độ (các thông số này được đánh dấu bằng mũi tên màu trắng). Kênh đầu tiên được đánh dấu màu đỏ và kênh thứ hai có màu vàng để dễ nhận biết.

Sóng hình sin màu đỏ thể hiện tín hiệu mà máy phát tần số Trung Quốc cung cấp cho chúng ta. Sóng hình sin màu vàng là những gì chúng ta đã nhận được khi tải. Trong trường hợp của chúng tôi, tải là một điện trở. Vâng đó là tất cả.

Như bạn có thể thấy trong biểu đồ dao động ở trên, tôi cung cấp tín hiệu hình sin từ máy phát có tần số 100 Hertz và biên độ 2 Volts. Trên điện trở, chúng ta đã thấy một tín hiệu có cùng tần số (tín hiệu màu vàng), nhưng biên độ của nó là khoảng 136 mV. Hơn nữa, tín hiệu có phần hơi “xù xì”. Điều này là do cái gọi là “”. Nhiễu là tín hiệu có biên độ nhỏ và điện áp thay đổi ngẫu nhiên. Nó có thể được gây ra bởi chính các phần tử vô tuyến hoặc cũng có thể là do nhiễu bắt được từ không gian xung quanh. Ví dụ, một điện trở “tạo ra tiếng ồn” rất tốt. Điều này có nghĩa là “độ xù xì” của tín hiệu là tổng của hình sin và nhiễu.

Biên độ của tín hiệu màu vàng đã trở nên nhỏ hơn và thậm chí đồ thị của tín hiệu màu vàng cũng dịch chuyển sang trái, tức là nó đi trước tín hiệu màu đỏ, hay nói theo ngôn ngữ khoa học thì nó xuất hiện chuyển pha. Đó là giai đoạn ở phía trước, không phải là tín hiệu. Nếu bản thân tín hiệu đi trước thì chúng ta sẽ có tín hiệu trên điện trở xuất hiện sớm hơn tín hiệu đưa vào nó qua tụ điện. Nó sẽ dẫn đến một số kiểu du hành thời gian :-), điều này tất nhiên là không thể.

Chuyển pha- Cái này chênh lệch giữa các pha ban đầu của hai đại lượng đo. Trong trường hợp này, căng thẳng. Để đo độ dịch pha, phải có điều kiện là các tín hiệu này cùng tần số. Biên độ có thể là bất kỳ. Hình dưới đây cho thấy chính sự chuyển pha này hoặc, như nó còn được gọi là, độ lệch pha:

Hãy tăng tần số trên máy phát điện lên 500 Hertz

Điện trở đã nhận được 560 mV. Độ lệch pha giảm.

Chúng tôi tăng tần số lên 1 KiloHertz

Ở đầu ra chúng ta đã có 1 Volt.

Đặt tần số thành 5 Kilohertz

Biên độ là 1,84 Volts và độ lệch pha rõ ràng là nhỏ hơn

Tăng lên 10 Kilohertz

Biên độ gần giống như ở đầu vào. Sự thay đổi pha ít được chú ý hơn.

Chúng tôi đặt 100 Kilohertz:

Hầu như không có sự chuyển pha. Biên độ gần giống như ở đầu vào, tức là 2 Volts.

Từ đây chúng ta rút ra kết luận sâu sắc:

Tần số càng cao thì điện trở của tụ điện đối với dòng điện xoay chiều càng nhỏ. Sự dịch pha giảm khi tần số tăng dần đến gần như bằng không. Ở tần số vô cùng thấp, độ lớn của nó là 90 độ hoặcπ/2 .

Nếu bạn vẽ một lát đồ thị, bạn sẽ nhận được một cái gì đó như thế này:

Tôi vẽ điện áp theo chiều dọc và tần số theo chiều ngang.

Như vậy, chúng ta đã biết rằng điện trở của tụ điện phụ thuộc vào tần số. Nhưng nó chỉ phụ thuộc vào tần số? Hãy lấy một tụ điện có công suất 0,1 microfarad, nghĩa là giá trị danh nghĩa nhỏ hơn 10 lần so với tụ điện trước đó và chạy lại ở cùng tần số.

Hãy xem xét và phân tích các giá trị:

So sánh cẩn thận các giá trị biên độ của tín hiệu màu vàng ở cùng tần số, nhưng với các giá trị tụ điện khác nhau. Ví dụ, ở tần số 100 Hertz và định mức tụ điện là 1 μF, biên độ của tín hiệu màu vàng là 136 mV, và ở cùng tần số, biên độ của tín hiệu màu vàng, nhưng với tụ điện là 0,1 μF, đã 101 milivolt (trong thực tế, thậm chí còn ít hơn do nhiễu). Ở tần số 500 Hertz - tương ứng là 560 mV và 106 mV, ở tần số 1 Kilohertz - 1 Volt và 136 mV, v.v.

Từ đây kết luận tự nó gợi ý: Khi giá trị của tụ điện giảm thì điện trở của nó tăng.

Sử dụng các phép biến đổi vật lý và toán học, các nhà vật lý và toán học đã rút ra được công thức tính điện trở của tụ điện. Hãy yêu thương và trân trọng:

Ở đâu, X C là điện trở của tụ điện, Ohm

P - không đổi và bằng khoảng 3,14

F– tần số, đo bằng Hertz

VỚI– điện dung, đo bằng Farads

Vì vậy, hãy đặt tần số trong công thức này ở mức 0 Hertz. Tần số bằng 0 Hertz là dòng điện một chiều. Chuyện gì sẽ xảy ra? 1/0 = vô cực hoặc điện trở rất cao. Tóm lại là hỏng mạch.

Phần kết luận

Nhìn về phía trước, tôi có thể nói rằng trong thí nghiệm này chúng tôi đã thu được (HPF). Sử dụng một tụ điện và điện trở đơn giản, đồng thời áp dụng bộ lọc như vậy vào loa ở đâu đó trong thiết bị âm thanh, chúng ta sẽ chỉ nghe thấy những âm cao chói tai trong loa. Nhưng tần số âm trầm sẽ bị giảm bớt bởi bộ lọc như vậy. Sự phụ thuộc của điện trở tụ điện vào tần số được sử dụng rất rộng rãi trong thiết bị điện tử vô tuyến, đặc biệt là trong các bộ lọc khác nhau, nơi cần phải triệt tiêu một tần số và truyền qua tần số khác.

Không, nó không cháy.

Nhưng nếu bạn làm trực tiếp, nó sẽ sáng lên:

Điều này dẫn đến kết luận: Dòng điện một chiều không chạy qua tụ điện!

Thành thật mà nói, tại thời điểm đầu tiên đặt điện áp vào, dòng điện vẫn chạy trong tích tắc. Tất cả phụ thuộc vào điện dung của tụ điện.