Tin tức

Điện Trở Trong Mạch Điện Xoay Chiều (AC)

Posted on by huuthinh

Mạch Điện Xoay Chiều Chỉ Có Điện Trở【AC Circuits Containing Resistance Only】

Bạn có nhớ những quy tắc về dòng điện, điện áp và điện trở trong mạch điện một chiều (DC) mà chúng ta đã học trong Định luật Ohm và Định luật Kirchhoff không? Tin vui là những quy tắc này vẫn đúng trong mạch điện xoay chiều (AC) nếu mạch điện đó chỉ có điện trở!

Chú Thích

  • (For AC Instantaneous values): Đối với giá trị tức thời trong dòng điện xoay chiều
  • (For AC rms Effective Values): Đối với giá trị hiệu dụng (RMS) trong dòng điện xoay chiều
  • (For AC Peak Values): Đối với các giá trị đỉnh của dòng xoay chiều
  • (For AC Average Values): Đối với giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều
  • (For DC Values): Đối với giá trị dòng điện một chiều

Nhiều mạch điện xoay chiều (AC) bao gồm điện trở thuần, và đối với những mạch như vậy, các quy tắc và định luật tương tự như đối với mạch điện một chiều (DC) được áp dụng. Mạch điện trở thuần được tạo thành từ các thiết bị điện không chứa điện cảm hoặc điện dung. Bạn sẽ tìm hiểu thêm về điện cảm và điện dung sau. Các thiết bị như điện trở, đèn và bộ phận làm nóng có điện cảm và điện dung không đáng kể, và trong thực tế được coi là được tạo thành từ điện trở thuần. Khi chỉ những thiết bị này được sử dụng trong mạch AC, Định luật Ohm, Định luật Kirchhoff và các quy tắc mạch điện cho điện áp, dòng điện và công suất có thể được sử dụng chính xác như trong mạch DC.

Khi sử dụng các định luật và quy tắc mạch điện, bạn phải sử dụng giá trị hiệu dụng (rms) của điện áp và dòng điện AC. Trừ khi có quy định khác, tất cả các giá trị điện áp và dòng điện AC đều được cho dưới dạng giá trị hiệu dụng. Các giá trị khác, chẳng hạn như điện áp đỉnh-đỉnh (peak-to-peak) được đo trên máy hiện sóng, phải được chuyển đổi sang giá trị hiệu dụng trước khi được sử dụng trong các phép tính mạch.

Tất Cả Các Quy Tắc Và Định Luật Của Dòng Điện Một Chiều (DC) Đều Có Thể Áp Dụng Cho Mạch Điện Xoay Chiều (AC) Chỉ Chứa Điện Trở

Dòng điện và Điện áp trong Mạch Có Điện Trở【Current and Voltage in Resistive Circuits】

Khi đặt một điện áp xoay chiều (AC) vào hai đầu điện trở, điện áp sẽ tăng đến giá trị cực đại với một cực tính, giảm xuống không, sau đó tăng đến giá trị cực đại với cực tính ngược lại và lại giảm xuống không. Quá trình này hoàn thành một chu kỳ của điện áp.

Dòng điện chạy qua điện trở sẽ biến thiên hoàn toàn trùng khớp với điện áp: khi điện áp tăng, dòng điện tăng tỉ lệ thuận; khi điện áp giảm, dòng điện giảm tỉ lệ thuận; và tại thời điểm điện áp đổi cực, dòng điện cũng đổi chiều. Do đó, ta nói rằng sóng điện áp và sóng dòng điện đồng pha với nhau.

Chú Thích

  • (Current And Voltage Are In Phase In Resistive Circuits): Trong mạch điện trở, dòng điện và điện áp đồng pha với nhau
  • (Voltage and Current Wave): Sóng điện áp (E) và sóng dòng điện (I)

Sóng hình sin của điện áp hoặc dòng điện được coi là đồng pha khi chúng có cùng tần số và đi qua điểm không cùng lúc, theo cùng một hướng. Tuy nhiên, biên độ của hai sóng điện áp hoặc hai sóng dòng điện đồng pha không nhất thiết phải bằng nhau. Trong trường hợp sóng dòng điện và sóng điện áp đồng pha, chúng không bằng nhau vì chúng được đo bằng các đơn vị khác nhau. Trong mạch điện được hiển thị bên dưới, điện áp là 6,3 vôn (đỉnh 8,6V), tạo ra dòng điện 2 ampe, và sóng điện áp và dòng điện đồng pha với nhau.

 

Công Suất trong Mạch Điện Xoay Chiều【Power in AC Circuits】

Chú Thích

  • (AC power wave form): Dạng sóng công suất xoay chiều
  • (New power axis): Trục công suất mới

Công suất được sử dụng trong mạch điện xoay chiều (AC) là giá trị trung bình của tất cả các giá trị tức thời của công suất hoặc hiệu ứng nhiệt trong một chu kỳ hoàn chỉnh. Để tìm công suất, tất cả các giá trị tức thời tương ứng của điện áp và dòng điện được nhân với nhau để tìm các giá trị tức thời của công suất, sau đó được vẽ biểu diễn theo thời gian tương ứng để tạo thành đường cong công suất. Giá trị trung bình của đường cong công suất này là công suất thực tế được sử dụng trong mạch.

Đối với sóng điện áp và dòng điện cùng pha, như trong mạch điện trở, tất cả các giá trị công suất tức thời đều nằm trên trục hoành (trục thời gian), và toàn bộ đường cong công suất nằm trên trục hoành. Điều này là do thực tế là bất cứ khi nào hai giá trị dương được nhân với nhau, kết quả là dương, và bất cứ khi nào hai giá trị âm được nhân với nhau, kết quả cũng là dương. Do đó, trong nửa chu kỳ đầu tiên của E và I, đường cong công suất tăng theo hướng dương từ 0 đến giá trị cực đại, sau đó giảm xuống 0 giống như sóng E và I. Trong nửa chu kỳ thứ hai, đường cong công suất lại tăng theo hướng dương từ 0 đến giá trị cực đại, sau đó giảm xuống 0 trong khi cả E và I đều tăng và giảm theo hướng âm. Lưu ý rằng nếu một trục mới được vẽ qua sóng công suất, ở giữa giá trị cực đại và cực tiểu của nó, thì tần số của sóng công suất sẽ gấp đôi tần số của sóng điện áp và dòng điện.

Lưu ý rằng khi hai số (mỗi số nhỏ hơn 1) được nhân với nhau, kết quả sẽ là một số nhỏ hơn bất kỳ số nào trong hai số ban đầu. Ví dụ: 0,5 vôn x 0,5 ampe = 0,25 watt. Vì lý do đó, một số hoặc tất cả các giá trị tức thời của sóng công suất có thể nhỏ hơn giá trị của sóng dòng điện và điện áp.

Công Suất Trong Mạch Điện Trở【Power in Resistive Circuits】

Trong mạch điện trở, đường thẳng được vẽ đi qua chính giữa giá trị cực đại và cực tiểu của sóng công suất được gọi là trục của sóng công suất. Trục này biểu thị giá trị công suất trung bình trong mạch điện trở, vì diện tích phần được tô màu phía trên trục bằng chính xác diện tích phần phía dưới trục. Công suất trung bình là công suất thực tế được sử dụng trong bất kỳ mạch điện xoay chiều (AC) nào.

Do tất cả các giá trị công suất đều dương trong mạch AC chỉ chứa điện trở, nên trục sóng công suất và công suất trung bình cho các mạch như vậy bằng chính xác một nửa giá trị công suất tức thời dương cực đại. Giá trị này cũng có thể được tính bằng cách nhân giá trị hiệu dụng (RMS) của điện áp (E) và dòng điện (I) với nhau đối với mạch AC chỉ chứa điện trở.

Lưu ý: Mạch AC chứa cuộn cảm hoặc tụ điện có thể có giá trị công suất tức thời âm và cần được xử lý khác đi.

Chú Thích

  • (In ac circuits with resistance only): Trong mạch điện xoay chiều (AC) chỉ có điện trở
  • (Average power): Công suất trung bình
  • (Shaded areas above axis of average power equal those below the axis): Các vùng được tô màu phía trên trục công suất trung bình bằng với các vùng phía dưới trục
  • (NOTE: The power can also be calculated as ( I rome )^ 2 R for any circuit with resistance): Lưu ý, công suất cũng có thể được tính bằng công thức (I hiệu dụng)^2 * R cho bất kỳ mạch nào có điện trở

Hệ Số Công Suất – Vôn Ampe【Power Factor-Volt-Amperes】

Khi dòng điện hiệu dụng (I rms) và điện áp hiệu dụng (E rms) cùng pha, tích của chúng là công suất tính bằng watt, giống như trong mạch điện một chiều (DC). Như bạn sẽ tìm hiểu sau này khi nghiên cứu về cuộn cảm và tụ điện, tích của (I rms) và (E rms) không phải lúc nào cũng là công suất tính bằng watt, mà được gọi là vôn-ampe (VA), thường được viết tắt là VA. Sự phân biệt này là cần thiết trong mạch điện xoay chiều (AC) bởi vì một số dòng điện được tạo ra bởi các mạch có cuộn cảm và/hoặc tụ điện có thể không được sử dụng. Tuy nhiên, công suất thực tế tính bằng watt luôn được tính bằng I2R, E2/R hoặc công suất được sử dụng trong phần tử điện trở của mạch.

Bạn sẽ biết rằng, trong khi một nguồn có thể sử dụng vôn và ampe, công suất tính bằng watt có thể nhỏ hoặc bằng không. Điều này là do pha giữa dòng điện và điện áp có thể không giống nhau khi bổ sung thêm cuộn cảm và/hoặc tụ điện. Tỷ số giữa công suất tính bằng watt trong mạch và vôn ampe trong mạch được gọi là hệ số công suất. Trong mạch điện trở thuần, công suất tính bằng watt bằng (I rms) x (E rms), do đó hệ số công suất trong mạch điện trở thuần bằng công suất tính bằng watt chia cho vôn-ampe, tức là bằng 1. Hệ số công suất cũng được biểu thị bằng phần trăm hoặc số thập phân.

Trong Mạch Điện Trở, Hệ Số Công Suất Bằng 1 Hoặc 100%

Thực nghiệm/Ứng dụng – Công Suất Trong Mạch Điện Trở Xoay Chiều【Experiment/Application-Power in Resistive AC Circuits】

Thử nghiệm đơn giản sau đây cho thấy cách tính công suất trong mạch điện xoay chiều cũng giống như mạch điện một chiều khi sử dụng giá trị hiệu dụng:

Chuẩn bị:

  • Hai ổ cắm đèn được mắc song song với nhau và nối với nguồn điện là một bộ pin 7.5V (ghép từ 5 cục pin 1.5V).
  • Một vôn kế đo điện áp một chiều (0-10V) được mắc song song với hai bóng đèn.
  • Hai bóng đèn 6V, dòng điện định mức 250mA.

Tiến hành:

  • Lắp hai bóng đèn vào hai ổ cắm. Bạn sẽ thấy cả hai đèn sáng đều nhau.
  • Kiểm tra vôn kế, bạn sẽ thấy điện áp vào khoảng 7.5V.
  • Do hai bóng mắc song song và giống nhau nên dòng điện chạy qua mỗi bóng là 250mA, tổng dòng điện của mạch là 500mA (0.5A).

Kết quả:

  • Sử dụng công thức tính công suất P = U x I, ta có: Công suất tiêu thụ bởi mạch là P = 7.5V x 0.5A = 3.75W.

Kết luận:

Thực nghiệm chứng minh rằng ta có thể tính toán công suất trong mạch điện xoay chiều giống như mạch điện một chiều bằng cách sử dụng giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện.

Chú Thích

  • (Comparing Power Used By Resistive Circuits): So Sánh Công Suất Tiêu Thụ Bởi Các Mạch Điện Trở
  • (For a DC resistive circuit P = EI = 3.75 watts): Công suất tiêu thụ bởi một mạch điện trở một chiều được tính bằng công thức P = E x I = 3.75 watt
  • (For an ac resistive circuit P=EI = 3.75 watts): Công suất tiêu thụ bởi một mạch điện trở xoay chiều được tính bằng công thức P = E x I = 3.75 watt

Tiếp tục thí nghiệm, ta thực hiện các bước sau:

  • Ngắt kết nối bộ pin và thay thế vôn kế một chiều bằng vôn kế xoay chiều có cùng dải đo.
  • Thay nguồn điện một chiều bằng nguồn điện xoay chiều là biến áp có điện áp hiệu dụng 7.5V.

Bạn sẽ thấy rằng:

  • Cả hai bóng đèn vẫn sáng như nhau so với khi dùng nguồn điện một chiều.
  • Vôn kế xoay chiều cũng chỉ giá trị gần bằng với vôn kế một chiều trước đó, khoảng 7.5V.

Từ đó, ta có thể tính toán công suất tiêu thụ trong mạch điện xoay chiều:

  • Công suất hiệu dụng P = Điện áp hiệu dụng x Dòng điện hiệu dụng = 7.5V x 0.5A = 3.75W.

Kết quả cho thấy công suất tiêu thụ trong mạch điện xoay chiều bằng với công suất tiêu thụ trong mạch điện một chiều và tạo ra cùng một lượng ánh sáng. Điều này chứng minh rằng ta có thể sử dụng giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện xoay chiều để tính toán công suất cũng như so sánh với mạch điện một chiều một cách chính xác.

 

Thông thường, watt kế có dải đo dưới 75 watt không phổ biến và sẽ khó đọc giá trị 3 hoặc 4 watt trên thang đo 0-75 watt tiêu chuẩn. Do đó, cần sử dụng một lượng công suất lớn hơn để minh họa phép đo công suất bằng watt kế. Để có được lượng công suất lớn hơn, bạn có thể sử dụng nguồn điện xoay chiều 120 vôn thông qua một biến áp tự ngẫu giảm áp, cung cấp điện áp khoảng 60 vôn xoay chiều. Bạn sẽ đo công suất tiêu thụ bởi một điện trở, trước tiên sử dụng vôn kế và miliampe kế, sau đó là watt kế.

Giả sử bạn kết nối công tắc dao động cực kép (DPST) và cầu chì DP trong dây dẫn nguồn, như hình minh họa bên dưới, và lắp cầu chì 1 ampe vào kẹp cầu chì. Với một ampe kế xoay chiều 0-1 ampe được kết nối nối tiếp với một trong các dây dẫn của nó, dây dẫn nguồn được kết nối với một điện trở 150 ohm, 100 watt. Sau đó, một vôn kế xoay chiều 0-150 vôn được kết nối trực tiếp với hai đầu của điện trở để đo điện áp của điện trở. Phích cắm dây nguồn được cắm vào ổ cắm biến áp và khi đóng công tắc, điện áp đường dây được chỉ báo trên vôn kế là khoảng 60 vôn; ngoài ra, điện trở 150 ohm cho phép dòng điện chạy qua khoảng 0,40 ampe, được đo bằng ampe kế. Điện trở nóng lên do công suất được sử dụng, vì vậy hãy mở công tắc ngay sau khi đọc xong. Số đọc dòng điện có thể thay đổi một chút khi điện trở bị đốt nóng thay đổi giá trị điện trở, vì vậy, hãy sử dụng giá trị dòng điện trung bình. Tính toán công suất được sử dụng bởi điện trở, bạn thấy rằng nó xấp xỉ 24 watt. Giả sử điện áp là 60 vôn và dòng điện chính xác là 0,40 ampe, thì công suất lúc này là 60 x 0,40 = 24 watt. Kết quả thực tế có thể hơi khác một chút, tùy thuộc vào số đọc điện áp và dòng điện chính xác thu được. Hệ số công suất cũng bằng 1 vì I2R/VA = 24/24 = 1.

Chú Thích

  • (Computing AC power used by a resistor): Tính Toán Công Suất AC Sử Dụng Bởi Một Điện Trở
  • (Autotransformer): Biến áp tự ngẫu
  • (AC milliammeter reads 0.4): Ampe kế xoay chiều chỉ 0,4A
  • (AC voltmeter reads 60 volts): Vôn kế xoay chiều chỉ 60 vôn
  • (150-ohm, 100-watt resistor): Điện trở 150 ohm, công suất 100 watt
  • (For a Resistive Circuit P = EI or 12R Approximate Power Used is 24 Watts): Trong mạch điện trở, công suất có thể được tính bằng công thức P = E x I hoặc P = I² x R. Kết quả tính toán cho thấy công suất sử dụng xấp xỉ 24 watt

Sau khi tính toán công suất gián tiếp thông qua ampe kế và vôn kế, ta sẽ đo trực tiếp công suất tiêu thụ trên điện trở bằng watt kế.

Các bước thực hiện:

Kết nối watt kế:

  • Tháo ampe kế và vôn kế ra khỏi mạch.
  • Nối tắt cực dòng điện và cực điện áp của watt kế bằng một đoạn dây dẫn để tạo thành cực chung.
  • Nối một dây từ cầu chì với cực chung của watt kế.
  • Nối dây còn lại từ cầu chì với cực điện áp (“V”) của watt kế.
  • Nối hai đầu điện trở với hai cực “V” và “A” của watt kế.

Cấp điện và quan sát:

  • Cắm biến áp tự ngẫu vào nguồn điện xoay chiều và đóng công tắc.
  • Quan sát giá trị công suất hiển thị trên watt kế.

Kết quả:

  • Watt kế sẽ chỉ giá trị công suất tiêu thụ trên điện trở, xấp xỉ 24W.
  • Ban đầu, giá trị này có thể biến đổi do nhiệt độ của điện trở thay đổi, nhưng sau đó sẽ ổn định khi đạt đến nhiệt độ tối đa.

Kết luận:

Giá trị công suất đo trực tiếp bằng watt kế tương đương với giá trị tính toán gián tiếp từ số đo của vôn kế và ampe kế. Điều này chứng minh tính chính xác của cả hai phương pháp đo.

Chú Thích

  • (Measuring The Power Used By A Resistor): Đo Công Suất Tiêu Thụ Trên Một Điện Trở
  • (Jumper wire): Dây dẫn nối tắt
  • (Wattmeter reads 24 watts): Watt kế chỉ 24 watt

Tóm Tắt Đánh Giá Lại Điện Trở Trong mạch Điện Xoay Chiều【Review of Resistance in AC Circuits】

  1. Mạch xoay chiều AC chỉ có điện trở (AC CIRCUIT WITH RESISTANCE ONLY) – Một mạch tuân theo tất cả các định luật của Ohm và Kirchhoff mà bạn đã học
  2. Sóng công suất xoay chiều (AC POWER WAVE) – Biểu đồ hình ảnh của tất cả các giá trị công suất tức thời
  3. Công suất trung bình (AVERAGE POWER) – Giá trị bằng trục đối xứng được vẽ qua sóng công suất
  4. Công suất trong mạch điện trở (POWER IN RESISTIVE CIRCUITS) – Công suất trong mạch điện trở được tính bằng tích của dòng điện hiệu dụng và điện áp hiệu dụng, hoặc bình phương dòng điện hiệu dụng nhân với điện trở
  5. Vôn ampe (VOLT-AMPERES) – Là tích số của giá trị điện áp và dòng điện trong mạch
  6. Hệ số công suất (POWER FACTOR) – Tỷ số giữa công suất và Vôn-Ampe (VA)