Là các phần tử lưu trữ năng lượng và phần tử động, cảm kháng (inductance) và dung kháng (capacitance) được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ kỹ thuật, chẳng hạn như lọc và cộng hưởng trong mạch điện tử, bù công suất và truyền tải điện trong hệ thống điện, v.v.
1. Đặc điểm của cảm kháng và dung kháng trong mạch một chiều (DC)
Trong mạch một chiều, đặc tính của cảm kháng và dung kháng rất đơn giản. Nếu bỏ qua điện trở, cuộn cảm (inductor) tương đương với một mạch ngắn mạch (short circuit), trong khi tụ điện (capacitor) tương đương với một mạch hở (open circuit).
Tuy nhiên, trong thực tế, các cuộn cảm và tụ điện đều có tổn hao nhất định, tức là có điện trở. Ví dụ, cuộn dây của động cơ có điện trở dao động từ vài ohm đến hàng chục ohm, trong khi điện trở của tụ điện thường nhỏ hơn.
Nhìn chung, cảm kháng và dung kháng ít được sử dụng trong mạch một chiều. Chẳng hạn, cuộn cảm có thể dùng để kích từ nam châm điện, còn tụ điện có thể dùng để cách ly DC hoặc lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, chúng được sử dụng phổ biến hơn trong mạch xoay chiều (AC). Vậy cảm kháng và dung kháng hoạt động như thế nào trong mạch AC?
2. Mạch xoay chiều hình sin
Mạch xoay chiều là mạch mà điện áp và dòng điện thay đổi tuần hoàn theo thời gian, như minh họa trong Hình 1-2. Các mạch xoay chiều được đề cập ở đây đều là mạch xoay chiều hình sin (sinusoidal AC circuit), trong đó điện áp và dòng điện thay đổi theo quy luật hình sin hoặc cosin. Vì hàm sin và cosin có quy luật biến đổi tương tự nhau, nên sự khác biệt duy nhất giữa chúng là góc pha.
Hơn nữa, mạch xoay chiều hình sin là loại mạch phổ biến trong đời sống và công việc hàng ngày của chúng ta.
Dựa vào dạng sóng của điện áp và dòng điện:
- Khi điện áp và dòng điện trong nửa chu kỳ dương, hướng thực tế của chúng trùng với hướng tham chiếu.
- Khi trong nửa chu kỳ âm, hướng thực tế của điện áp và dòng điện ngược với hướng tham chiếu.
Tuy nhiên, đối với cuộn cảm và tụ điện, điện áp và dòng điện không đồng bộ với nhau mà có một độ lệch pha (phase difference). Độ lệch pha có thể hiểu là sự khác biệt trong xu hướng biến đổi của điện áp và dòng điện.
Ví dụ:
- Trong cuộn cảm, tại thời điểm t=0t = 0, nếu giá trị dòng điện bằng 0 và tăng theo thời gian, thì điện áp sẽ đạt giá trị cực đại và giảm dần.
- Trong tụ điện, khi dòng điện tại t=0t = 0 bằng 0 và tăng theo thời gian, thì điện áp sẽ có giá trị cực tiểu (âm) và tăng dần.
Nguyên nhân gây ra độ lệch pha này là do quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong cuộn cảm và tụ điện không phải là quan hệ tỉ lệ trực tiếp, mà là quan hệ tích phân. Do đó, quan hệ giữa điện áp và dòng điện của cuộn cảm và tụ điện có sự khác biệt đáng kể. Để minh họa rõ hơn, hãy xét trường hợp mắc nối tiếp và song song giữa cuộn cảm và tụ điện.
3. Quan hệ điện áp – dòng điện khi cuộn cảm và tụ điện mắc nối tiếp
Khi cuộn cảm và tụ điện được mắc nối tiếp, dòng điện chạy qua chúng là như nhau. Tuy nhiên, việc mắc nối tiếp không làm thay đổi quan hệ điện áp – dòng điện của từng phần tử riêng lẻ.
Cụ thể, trong mạch LC nối tiếp hình sin, tại mọi thời điểm, điện áp trên cuộn cảm và điện áp trên tụ điện luôn ngược pha nhau.
4. Quan hệ điện áp – dòng điện khi cuộn cảm và tụ điện mắc song song
Khi cuộn cảm và tụ điện mắc song song, điện áp trên hai phần tử là như nhau. Đồng thời, việc mắc song song không làm thay đổi quan hệ điện áp – dòng điện của từng phần tử.
Với cùng một điện áp, dòng điện qua cuộn cảm và dòng điện qua tụ điện sẽ ngược pha nhau. Khi dòng điện qua cuộn cảm và dòng điện qua tụ điện có độ lớn bằng nhau nhưng ngược hướng, tổng dòng điện của chúng bằng 0. Khi đó, tổ hợp song song của cuộn cảm và tụ điện tương đương với một mạch hở đối với bên ngoài, vì không có dòng điện nào đi ra ngoài mạch.
Để dễ hiểu hơn, có thể tưởng tượng như việc nối song song hai pin khô có cùng điện áp theo cực đối nhau, lúc này không có dòng điện nào chạy ra ngoài.
5. Tổng kết
- Khi cuộn cảm và tụ điện mắc nối tiếp, dòng điện của chúng bằng nhau, nhưng điện áp trên hai phần tử ngược pha. Nếu điện áp trên chúng có cùng độ lớn, mạch LC nối tiếp tương đương với một mạch ngắn mạch, hay còn gọi là cộng hưởng nối tiếp.
- Khi cuộn cảm và tụ điện mắc song song, điện áp trên chúng bằng nhau, nhưng dòng điện qua hai phần tử ngược pha. Nếu dòng điện qua chúng có cùng độ lớn, mạch LC song song tương đương với một mạch hở, hay còn gọi là cộng hưởng song song.