Trở kháng là gì? Công thức tính trở kháng

Trở kháng là một đại lượng vật lý quan trọng trong lĩnh vực điện – điện tử, đặc biệt trong các mạch điện xoay chiều. Nó biểu thị mức độ cản trở dòng điện khi có hiệu điện thế đặt vào mạch, đồng thời phản ánh sự lệch pha giữa điện áp và dòng điện. Trở kháng không chỉ bao gồm điện trở thuần mà còn có các thành phần điện kháng do cảm ứng và điện dung, giúp mô tả toàn diện cách mạch điện phản ứng với tín hiệu điện xoay chiều ở các tần số khác nhau. Vậy trở kháng là gì? Công thức tính trở kháng như thế nào?

Trở kháng là gì?

Trở kháng (tiếng Anh là impedance) là một đại lượng vật lý biểu thị sự cản trở của mạch điện đối với dòng điện khi có hiệu điện thế đặt vào. Nói một cách đơn giản, trở kháng chính là điện trở trong dòng điện, với đơn vị đo là Ohm (ký hiệu Ω).

Trở kháng thể hiện mức độ cản trở dòng điện trong mạch điện, bao gồm cả phần điện trở thuần và phần điện kháng do cảm ứng và điện dung gây ra.

Khác với điện trở chỉ áp dụng cho dòng điện một chiều, trở kháng là khái niệm rộng hơn, được sử dụng cho cả dòng điện xoay chiều và một chiều, đồng thời phản ánh sự lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong mạch.

Công thức tính trở kháng

Trở kháng (ký hiệu Z). Trở kháng bao gồm cả phần điện trở thuần (R) và phần điện kháng (X) do cảm ứng và điện dung gây ra, được biểu diễn dưới dạng số phức:

Z = R + jX

Trong đó, R là điện trở thuần, còn X là điện kháng, phụ thuộc vào tần số của dòng điện. Trở kháng không chỉ cản trở dòng điện mà còn gây ra hiện tượng lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong mạch xoay chiều.

Khác với điện trở chỉ áp dụng cho dòng điện một chiều và có giá trị cố định, trở kháng thay đổi theo tần số và là đại lượng quan trọng trong thiết kế, phân tích mạch điện xoay chiều, giúp đánh giá hiệu suất và ổn định của hệ thống điện

Đối với dòng điện một chiều (DC):

Trong mạch điện một chiều, tụ điện có trở kháng rất lớn hoặc gần như vô cùng, vì cấu tạo của tụ gồm hai bản dẫn điện song song được ngăn cách bởi lớp điện môi cách điện, khiến dòng điện không thể trực tiếp đi qua. Do đó, tụ điện thường được coi như một đoạn điện trở rất lớn hoặc như một vật cách điện.

Ngược lại, cuộn cảm trong mạch một chiều có trở kháng rất nhỏ, tương đương như một đoạn dây dẫn bình thường do điện trở thuần của dây rất nhỏ.

Điện trở trong mạch một chiều có giá trị cố định, được xác định bằng thông số kỹ thuật và là một số thực không thay đổi.

Đối với dòng điện xoay chiều (AC):

Dòng điện xoay chiều là loại dòng điện phổ biến trong sinh hoạt và công nghiệp hiện nay. Khi đặt vào mạch một hiệu điện thế xoay chiều có dạng sóng điều hòa theo thời gian hoặc tổng hợp các hàm điều hòa, các thành phần trong mạch sẽ có đặc tính trở kháng khác nhau:

Tụ điện:

Dòng điện qua tụ điện sẽ sớm pha hơn hiệu điện thế một góc π/2 (90 độ). Trở kháng của tụ điện bao gồm điện trở thuần (RC) và điện kháng dung (XC), được tính theo công thức:

ZC=RC+XCZC=RC+XC

Trong đó, điện kháng dung được tính bằng:

XC=1ωCXC=ωC1

với $\omega =2\pi f$ là tần số góc của dòng điện xoay chiều, $C$ là điện dung của tụ.

Cuộn cảm:

Dòng điện qua cuộn cảm sẽ trễ pha hơn hiệu điện thế một góc π/2. Trở kháng của cuộn cảm là tổng của điện trở cuộn dây (RL) và điện kháng cảm (XL):

ZL=RL+XLZL=RL+XL

Trong đó, điện kháng cảm được tính bằng:

XL=ωLXL=ωL

với $L$ là độ tự cảm của cuộn dây.

Điện trở:

Điện trở trong mạch xoay chiều không làm thay đổi pha của dòng điện so với hiệu điện thế. Trở kháng của điện trở bằng đúng giá trị điện trở thuần:

ZR=RZR=R

Tóm lại, trong mạch điện một chiều, tụ điện có trở kháng rất lớn, cuộn cảm gần như là dây dẫn, còn điện trở có giá trị cố định. Trong mạch điện xoay chiều, trở kháng của từng linh kiện phụ thuộc vào tần số và đặc tính vật lý riêng, ảnh hưởng đến pha và biên độ của dòng điện trong mạch.

Phần này dựa trên các kiến thức chuẩn về trở kháng trong dòng điện một chiều và xoay chiều, đồng thời tham khảo các công thức và nguyên lý từ nhiều nguồn kỹ thuật uy tín.

Các phương pháp đo trở kháng

Dưới đây là các phương pháp đo trở kháng phổ biến hiện nay, được sử dụng tùy theo mục đích và tính chất của mạch điện hoặc linh kiện cần đo:

Phương pháp cầu nối (Bridge Method)

Đây là kỹ thuật truyền thống và phổ biến nhất để đo trở kháng với độ chính xác cao.

• Nguyên lý: Sử dụng mạch cầu gồm 4 thành phần, trong đó 3 thành phần có giá trị đã biết, một thành phần cần đo. Khi điện áp giữa hai điểm đầu ra của cầu bằng 0 (cân bằng), giá trị trở kháng chưa biết được tính dựa trên các giá trị đã biết.
• Ưu điểm: Độ chính xác cao, phù hợp đo cả trở kháng nhỏ và lớn.
• Nhược điểm: Cần thiết bị cân bằng chính xác và người thực hiện có kỹ năng kỹ thuật; tốc độ đo không nhanh, khó áp dụng cho đo tốc độ cao.

Phương pháp IV (Current-Voltage Method)

Đo trở kháng bằng cách đồng thời đo điện áp (V) và dòng điện (I) qua linh kiện hoặc mạch điện, sau đó tính theo công thức:

Z = VIZ=IV

• Ưu điểm: Đơn giản, dễ thực hiện, không cần thiết bị phức tạp.
• Nhược điểm: Độ chính xác phụ thuộc vào thiết bị đo điện áp và dòng điện; không phù hợp đo trở kháng rất nhỏ hoặc trong mạch tần số cao.

Phương pháp đo RF-IV (Radio Frequency IV Method)

• Là biến thể của phương pháp IV, dùng để đo trở kháng ở tần số cao hơn.
• Sử dụng mạch và đầu nối đồng trục phù hợp với tần số cao, thường áp dụng cho các mạch có băng rộng.
• Ưu điểm: Đo được trở kháng trong dải tần số cao.
• Nhược điểm: Băng tần đo bị giới hạn bởi thiết bị như máy biến áp đầu thử nghiệm.

Sử dụng máy đo trở kháng chuyên dụng

Máy đo trở kháng tạo ra tín hiệu điện áp xoay chiều và đo dòng điện đi qua linh kiện hoặc mạch điện, từ đó tính trở kháng.

• Ưu điểm: Độ chính xác cao, dễ sử dụng, phù hợp với nhiều loại linh kiện và mạch điện.
• Nhược điểm: Giá thành cao, thiết bị cồng kềnh.

Tóm lại, tùy theo yêu cầu về độ chính xác, tần số làm việc và tính chất mạch điện, người kỹ thuật sẽ lựa chọn phương pháp đo trở kháng phù hợp, từ phương pháp cầu nối truyền thống đến các kỹ thuật đo hiện đại như IV và RF-IV hoặc dùng máy đo chuyên dụng

Trên đây, Cáp điện Việt Nam đã trả lời cho bạn về trở kháng là gì? Trở kháng là đại lượng tổng hợp thể hiện sự cản trở dòng điện xoay chiều trong mạch điện, bao gồm cả điện trở và điện kháng, với giá trị phụ thuộc vào tần số của tín hiệu. Hiểu rõ và tính toán chính xác trở kháng là yếu tố then chốt để thiết kế, phân tích và vận hành hiệu quả các hệ thống điện tử và điện lực, đảm bảo hiệu suất hoạt động và an toàn cho thiết bị.