Quá Trình Nạp Xả Của Tụ Điện Là Gì? Đặc Tính Của Tụ Điện Trong Mạch Điện Tử

Mạch nạp xả RC

Mạch nạp RC

Khi mắc nguồn điện áp vào đoạn mạch RC thì tụ điện, C tích điện qua điện trở, R Tất cả những mạch hoặc mạng lưới hệ thống Điện hoặc Điện tử đều phải chịu 1 số ít dạng “ trễ thời hạn ” giữa những đầu nối nguồn vào và đầu ra của nó khi một tín hiệu hoặc điện áp, liên tục, ( DC ) hoặc xoay chiều ( AC ), được đặt cho nó .

Bạn đang xem: Quá trình nạp xả của tụ điện

Độ trễ này thường được gọi là độ trễ thời gian của mạch hoặc Hằng số thời gian đại diện cho đáp ứng thời gian của mạch khi điện áp hoặc tín hiệu bước đầu vào được áp dụng. Hằng số thời gian là kết quả của bất kỳ mạch điện tử hoặc hệ thống nào chủ yếu sẽ phụ thuộc vào các thành phần điện trở hoặc điện dung hoặc cảm ứng được kết nối với nó. Hằng số thời gian có đơn vị là, Tau – τ

Khi điện áp một chiều tăng lên được đặt vào Tụ điện xả, tụ điện sẽ tạo ra là “dòng nạp”. Khi giảm điện áp này, tụ điện bắt đầu xả theo hướng ngược lại. Bởi vì tụ điện có thể lưu trữ năng lượng điện, chúng hoạt động theo nhiều cách giống như pin, thiết bị lưu trữ hoặc giải phóng năng lượng trên các bản của chúng theo yêu cầu.

Điện tích được trên các bản của tụ điện là: Q = CV. Năng lượng sạc (tích trữ) và xả (giải phóng) của tụ điện không bao giờ tức thì nhưng cần một khoảng thời gian nhất định để xảy ra với thời gian cần thiết để tụ điện sạc hoặc xả trong một tỷ lệ phần trăm nhất định của giá trị cung cấp tối đa của nó được gọi là Hằng số Thời gian ( τ ).

Nếu mắc nối tiếp một điện trở với tụ điện tạo thành mạch RC thì tụ điện sẽ tích điện tăng dần qua điện trở cho đến khi hiệu điện thế trên nó bằng điện áp nguồn. Thời gian cần thiết để tụ điện được sạc đầy tương đương với khoảng 5 hằng số thời gian hoặc 5T. Do đó, đáp ứng nhất thời hoặc một mạch RC nối tiếp tương đương với 5 hằng số thời gian.

Thời gian phân phối nhất thời T, được đo bằng τ = R x C, tính bằng giây, trong đó R là giá trị của điện trở tính bằng ohms và C là giá trị của tụ điện tính bằng Farads. Điều này tạo thành cơ sở của một Mạch nạp RC là 5T cũng hoàn toàn có thể được coi là “ 5 x RC ”.

Mạch nạp RC

Hình dưới đây cho thấy một tụ điện, ( C ) mắc nối tiếp với một điện trở, ( R ) tạo thành một Mạch nạp RC được kết nối qua nguồn cung cấp pin DC ( Vs ) thông qua một công tắc cơ học. Tại thời điểm không, khi lần đầu tiên đóng công tắc, tụ điện tích điện dần qua điện trở cho đến khi điện áp trên nó bằng điện áp cung cấp của pin. Cách thức mà tụ điện tích điện được hiển thị bên dưới.

Mạch nạp RC

Chúng ta hãy giả sử ở trên, rằng tụ điện, C được “ xả ” trọn vẹn và công tắc nguồn ( S ) mở trọn vẹn. Đây là những điều kiện kèm theo khởi đầu của mạch, khi đó t = 0, i = 0 và q = 0. Khi đóng công tắc nguồn, thời hạn mở màn ở t = 0 và dòng điện khởi đầu chạy vào tụ điện qua điện trở. Kể từ khi điện áp bắt đầu trên tụ điện là zero, ( Vc = 0 ) tại t = 0 tụ có vẻ như là một hiện tượng kỳ lạ đoản mạch để mạch bên ngoài và tối đa dòng điện chạy qua mạch chỉ bị hạn chế bởi những điện trở R. Sau đó, bằng cách sử dụng định luật điện áp Kirchhoff ( KVL ), điện áp rơi xung quanh mạch được cho là :

Dòng điện hiện tại xung quanh mạch được gọi là Dòng sạc và được tìm thấy bằng cách sử dụng luật Ohms như: i = Vs / R .

Đường cong Mạch nạp RC

Tụ điện ( C ), tích điện với vận tốc được màn biểu diễn bằng đồ thị. Sự ngày càng tăng của đường cong nạp RC lúc đầu dốc hơn nhiều vì vận tốc sạc nhanh nhất khi khởi đầu sạc nhưng sẽ sớm giảm dần theo cấp số nhân khi tụ điện đảm nhiệm điện tích bổ trợ với vận tốc chậm hơn. Khi tụ điện tích điện, hiệu điện thế trên những bản của nó mở màn tăng lên theo thời hạn thực tiễn để điện tích trên tụ điện đạt tới 63 % điện áp tối đa hoàn toàn có thể sạc đầy, trong đường cong là 0,63 Vs, được gọi là hằng số thời hạn ( T ). Tại điểm 0.63 Vs nó sẽ có 1T. Tụ điện liên tục sạc lên và hiệu điện thế giữa Vs và Vc giảm xuống, do đó, dòng điện của mạch cũng vậy. Sau đó, ở điều kiện kèm theo sau cuối của nó lớn hơn năm hằng số thời hạn ( 5T ) khi tụ điện được cho là đã được sạc đầy, t = ∞, i = 0, q = Q = CV. Ở vô cực dòng sạc ở đầu cuối giảm tới zero và tụ điện hoạt động giải trí như một mạch hở với giá trị điện áp cung ứng trọn vẹn trên tụ điện là Vc = Vs. Vì vậy, về mặt toán học, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể nói rằng thời hạn thiết yếu để một tụ điện tích điện đến 1T được cho là :

Hằng số thời gian RC, Tau

Hằng số thời hạn RC này chỉ xác lập vận tốc sạc trong đó R tính bằng Ω và C tính bằng Farads. Vì điện áp V tương quan đến điện tích trên tụ điện được cho bởi phương trình, Vc = Q. / C, điện áp trên tụ điện ( Vc ) tại bất kể thời gian nào trong thời hạn sạc được cho là : Ở đây : Vc là hiệu điện thế trên tụ điệnVs là điện áp cung cấpe là một số ít vô tỉ là : 2,7182 t là thời hạn trôi qua kể từ khi đặt điện áp nguồnRC là hằng số thời hạn của Mạch nạp RC

Sau một khoảng thời gian tương đương với 4 hằng số thời gian, ( 4T ) tụ điện trong Mạch nạp RC này được cho là gần như được sạc đầy vì điện áp phát triển trên các bản tụ điện hiện đã đạt 98% giá trị tối đa, 0,98Vs. Khoảng thời gian để tụ điện đạt đến điểm 4T này được gọi là Khoảng thời gian quá độ .

Sau một thời gian 5T, lúc này tụ điện được cho là đã được sạc đầy với hiệu điện thế trên tụ điện, ( Vc ) gần bằng với điện áp nguồn, ( Vs ). Do đó tụ điện đã được sạc đầy, dòng điện nạp chạy trong mạch không còn nữa nên IC = 0. Khoảng thời gian sau khoảng thời gian 5T này thường được gọi là Khoảng thời gian trạng thái ổn định .

Chúng ta hoàn toàn có thể chỉ ra trong bảng sau giá trị Xác Suất điện áp và dòng điện của tụ điện trong Mạch nạp RC trong một thời hạn không đổi.

Bảng sạc RC

thời giancố định	Giá trị RC	Phần trăm tối đa
Điện áp	Dòng điện
0,5 thời gian không đổi	0,5T = 0,5RC	39,3%	60,7%
0,7 thời gian hằng số	0,7T = 0,7RC	50,3%	49,7%
1,0 thời gian không đổi	1T = 1RC	63,2%	36,8%
2.0 hằng số thời gian	2T = 2RC	86,5%	13,5%
3.0 hằng số thời gian	3T = 3RC	95,0%	5,0%
4.0 hằng số thời gian	4T = 4RC	98,2%	1,8%
5.0 hằng số thời gian	5T = 5RC	99,3%	0,7%

Lưu ý rằng đường cong sạc của Mạch nạp RC là hàm mũ và không phải tuyến tính. Điều này có nghĩa là trong thực tiễn, tụ điện không khi nào được sạc đầy 100 %. Vì vậy, so với tổng thể những mục tiêu thực tiễn, sau năm hằng số thời hạn ( 5T ), nó đạt mức sạc 99,3 %, thế cho nên tại thời gian này, tụ điện được coi là đã được sạc đầy. Khi điện áp trên tụ điện Vc đổi khác theo thời hạn và do đó là một giá trị khác nhau tại mỗi thời gian không đổi lên đến 5T, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể tính giá trị của điện áp tụ điện, Vc tại bất kể điểm nào cho trước.

Ví dụ về Mạch nạp RC Số 1

Tính hằng số thời hạn RC, τ của đoạn mạch sau. Hằng số thời hạn, τ được tìm thấy bằng công thức T = R x C tính bằng giây. Do đó hằng số thời hạn τ được cho là : T = R x C = 47 k x 1000 uF = 47 giây

a) Hiệu điện thế qua các bản tụ điện tại các hằng số thời gian 0,7 sẽ có giá trị nào sau đây?

Xem thêm: Bảng giá

Tại 0,7 hằng số thời hạn ( 0,7 T ) Vc = 0,5 Vs. Do đó, Vc = 0,5 x 5V = 2,5 V

b) Điện áp trên tụ tại 1T sẽ có giá trị nào?

Tại 1 thời gian không đổi ( 1T ) Vc = 0,63 Vs. Do đó, Vc = 0,63 x 5V = 3,15 V

c) Mất bao lâu để “sạc đầy” tụ điện từ nguồn cung cấp?

Chúng ta đã biết rằng tụ điện sẽ được sạc đầy sau 5 hằng số thời hạn, ( 5T ). ( 1T ) = 47 giây. Do đó, 5T = 5 x 47 = 235 giây

d) Hiệu điện thế trên Tụ sau 100 giây?

Công thức điện áp được cho là Vc = V ( 1 – e ^ ( – t / RC ) ) vì thế điều này trở thành : Vc = 5 ( 1 – e ^ ( – 100 / 47 ) ) Trong đó : V = 5 vôn, t = 100 giây và RC = 47 giây. Do đó, Vc = 5 ( 1 – e ^ ( – 100 / 47 ) ) = 5 ( 1 – e ^ – 2.1277 ) = 5 ( 1 – 0.1191 ) = 4.4 volts Ở đây tất cả chúng ta đã thấy rằng điện tích trên tụ điện được cho bởi biểu thức : Q = C.V, trong đó C là giá trị điện dung cố định và thắt chặt của nó và V là điện áp đặt vào. Chúng ta cũng đã học được rằng khi lần tiên phong đặt một điện áp lên những bản của tụ điện, nó sẽ tích điện với vận tốc được xác lập bởi hằng số thời hạn RC τ và sẽ được coi là đã sạc đầy sau năm lần tích góp, hoặc 5T.

Mạch xả RC

Khi lấy nguồn điện áp ra khỏi đoạn mạch RC đã nạp đầy thì tụ điện, C sẽ xả trở lại qua điện trở R Trong hướng dẫn trên về Mạch nạp RC, tất cả chúng ta đã thấy cách một Tụ điện, C sạc qua điện trở cho đến khi nó đạt đến một khoảng chừng thời hạn bằng 5 hằng số thời hạn được gọi là 5T, và sau đó vẫn được sạc đầy miễn là nguồn phân phối không đổi được vận dụng cho nó. Nếu tụ điện đã sạc đầy này giờ đây bị ngắt liên kết khỏi điện áp phân phối DC của nó, thì nguồn năng lượng tích trữ được tích góp trong quy trình sạc sẽ ở lại vô thời hạn trên những bản của nó, ( giả sử là một tụ điện lý tưởng và bỏ lỡ mọi tổn thất bên trong ), giữ cho điện áp được tàng trữ trên những bản ở một giá trị không đổi.

Nếu pin được thay thế bằng một đoạn ngắn mạch, khi công tắc đóng, tụ điện sẽ tự xả trở lại qua điện trở, R như bây giờ chúng ta có một mạch xả RC. Khi tụ điện xả qua điện trở nối tiếp, năng lượng tích trữ bên trong tụ điện được rút ra với điện áp Vc trên tụ điện giảm dần về 0 như hình dưới đây.

Như chúng ta đã thấy trong Mạch xả RC, hằng số thời gian ( τ ) vẫn bằng giá trị 63%. Đối với mạch xả RC ban đầu được sạc đầy, điện áp trên tụ sau một thời gian không đổi 1T đã giảm 63% giá trị ban đầu, tương ứng là 1 – 0,63 = 0,37 hay 37% giá trị cuối cùng của nó.

Do đó hằng số thời hạn của mạch được cho là thời hạn thiết yếu để tụ điện xả xuống trong khoảng chừng 63 % giá trị được sạc đầy của nó. Vì vậy, một hằng số thời hạn so với mạch xả RC được đưa ra khi điện áp trên những bản đại diện thay mặt cho 37 % giá trị sau cuối của nó, với giá trị sau cuối của nó là 0 vôn ( xả trọn vẹn ) và trong đường cong của chúng tôi, giá trị này được cho là 0,37 Vs. Khi tụ điện xả, nó không mất điện tích với vận tốc không đổi. Vào lúc khởi đầu của quy trình xả, những điều kiện kèm theo khởi đầu của mạch là : t = 0, i = 0 và q = Q.. Điện áp trên những tấm tụ bằng với điện áp phân phối và VC = VS. Khi điện áp tại t = 0 trên những bản tụ điện có giá trị cao nhất, do đó dòng điện xả cực lớn chạy quanh mạch RC.

Đường cong mạch xả RC

Khi lần tiên phong đóng công tắc nguồn, tụ điện mở màn xả như hình vẽ. Tốc độ phân rã của đường cong xả RC dốc hơn lúc đầu vì vận tốc xả nhanh nhất lúc mở màn, nhưng sau đó giảm dần theo cấp số nhân khi tụ điện mất điện tích với vận tốc chậm hơn. Khi quy trình xả liên tục, VC giảm dẫn đến dòng điện xả ít hơn. Chúng ta đã thấy trong mạch nạp RC ở trên rằng điện áp trên tụ, C bằng 0,5 Vc ở 0,7 T với giá trị xả trọn vẹn ở trạng thái không thay đổi đến 5T. Đối với mạch xả RC, điện áp trên tụ điện ( VC ) như một hàm của thời hạn trong thời hạn xả được xác lập là : Ở đây : VC là hiệu điện thế trên tụVS là điện áp cung cấpt là thời hạn trôi qua kể từ khi vô hiệu điện áp cung cấpRC là hằng số thời hạn của mạch phóng RC

Cũng giống như mạch nạp RC trước đó, chúng ta có thể nói rằng trong Mạch xả RC, thời gian cần thiết để tụ điện tự xả xuống một thời gian không đổi được cho là:

Trong đó, R tính bằng Ω và C tính bằng Farads. Do đó, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể chỉ ra trong bảng sau giá trị Xác Suất điện áp và dòng điện so với tụ điện trong mạch xả RC trong một thời hạn không đổi.

Bảng xả RC

thời giancố định	Giá trị RC	Phần trăm tối đa
Điện áp	Dòng điện
0,5 thời gian không đổi	0,5T = 0,5RC	60,7%	39,3%
0,7 thời gian hằng số	0,7T = 0,7RC	49,7%	50,3%
1,0 thời gian không đổi	1T = 1RC	36,8%	63,2%
2.0 hằng số thời gian	2T = 2RC	13,5%	86,5%
3.0 hằng số thời gian	3T = 3RC	5,0%	95,0%
4.0 hằng số thời gian	4T = 4RC	1,8%	98,2%
5.0 hằng số thời gian	5T = 5RC	0,7%	99,3%

Lưu ý rằng vì đường cong giảm dần đối với mạch xả RC là hàm mũ, đối với tất cả các mục đích thực tế, sau năm hằng số thời gian, điện áp trên các bản của tụ điện nhỏ hơn nhiều so với giá trị ban đầu ban đầu của nó, vì vậy tụ điện được coi là đã xả hoàn toàn. .

Vì vậy hằng số thời hạn của một mạch RC là thước đo vận tốc nó tích điện hoặc xả .Xem thêm : Hạn Sử Dụng Của Xe Bán Tải Được Lưu Hành Bao Nhiêu Năm ? Hạn Sử Dụng Của Xe Bán Tải Là Bao Lâu

Ví dụ về mạch xả RC No1

Một tụ điện được sạc đầy đến 10 vôn. Tính hằng số thời hạn RC, τ của mạch xả RC sau khi đóng công tắc nguồn lần đầu .