Dòng điện xoay chiều AC?, dòng điện một chiều DC? và ứng dụng

Dòng điện là một trong những khái niệm cơ bản chính hình thành nền tảng của điện tử. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta nhận thấy rằng có hai cách dòng điện chạy qua, đó là Dòng điện xoay chiều (AC) và Dòng điện một chiều (DC).  Cùng Điện Tử Số đi tìm hiểu về dòng điện cũng như dòng điện AC và DC để hiểu hơn về chúng cũng như có thể nhận biết về các đặc điểm riêng của mỗi loại dòng điện.

Bạn đã bao giờ tự hỏi sự khác nhau giữa dòng điện xoay chiều (AC) và dòng điện một chiều (DC) là gì? và chúng như thế nào chưa? Hãy cùng tìm hiểu chính xác dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều là gì. Trước hết chúng ta cân hiểu:

Dòng điện là gì

Dòng điện là một dòng các hạt mang điện, chẳng hạn như electron hoặc ion, di chuyển qua vật dẫn điện hoặc không gian. Nó được đo bằng tốc độ thực của dòng điện tích qua một bề mặt hoặc vào một thể tích điều khiển

Dòng điện xoay chiều (AC) và dòng điện một chiều (DC) là gì?

Dòng điện xoay chiều (AC):

Định nghĩa

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều biến thiên tuần hoàn và cường độ biến thiên điều hoà theo thời gian, những thay đổi này thường tuần hoàn theo một chu kỳ nhất định ( Theo wikipedia). 

Dòng điện xoay chiều (AC) là loại dòng điện trong đó hướng chuyển động của dòng điện thay đổi liên tục theo thời gian. Trong dòng điện xoay chiều, dòng điện thay đổi hướng dòng điện đi lùi lại và đi tiến về phía trước theo chu kỳ định kỳ, thường được biểu diễn dưới dạng đồng hồ kim quay theo chiều kim đồng hồ. Tần số của dòng điện xoay chiều thường được đo bằng đơn vị Hertz (Hz), và phổ biến nhất là dòng điện xoay chiều với tần số 50 Hz hoặc 60 Hz.

Tạo dòng AC

Nguyên lý tạo dòng điện xoay chiều (AC) dựa trên nguyên tắc động từ elektromagnecit, trong đó một dòng điện thay đổi theo thời gian được tạo ra từ sự thay đổi của động từ trong cuộn dây quấn.

Một trong những phương pháp phổ biến để tạo dòng điện AC là sử dụng máy phát điện xoay chiều (AC generator) hoặc còn gọi là động cơ đồng bộ. Máy phát điện xoay chiều gồm có một cuộn dây quấn được quay trong một trường từ, tạo ra một điện động (EMF) trong dây quấn theo nguyên tắc động từ Faraday. Khi cuộn dây quấn quay, sự thay đổi của từ trường từ trường từ hoạt động lên dây quấn, tạo ra một điện động theo chiều khác nhau tại các thời điểm khác nhau. Kết quả là, dòng điện trong dây quấn sẽ thay đổi hướng và đi giữa hai chiều, tạo thành dòng điện xoay chiều.

Một số máy phát điện xoay chiều cũng có thêm cấu trúc của bộ phận điều khiển, chẳng hạn như bộ điều khiển điện áp (voltage regulator) hoặc bộ điều khiển tần số (frequency controller), để điều chỉnh điện áp và tần số của dòng điện xoay chiều đầu ra.

Đây là nguyên lý chung để tạo dòng điện AC trong máy phát điện xoay chiều, và nó được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, hệ thống điện lưới, công nghiệp và dân dụng.

Xem thêm: Ổn áp là gì? Tại sao phải sử dụng ổn áp

Dạng sóng AC

Các dạng sóng AC có đặc điểm riêng biệt và được sử dụng tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, ví dụ như sóng sine được sử dụng trong các ứng dụng điện lực thông thường, trong khi sóng vuông được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt như điều khiển động cơ. Dạng sóng AC (dòng điện xoay chiều) có những đặc điểm sau:

1. Sóng sine (sin): Đây là dạng sóng AC phổ biến nhất, có dạng hình sin theo thời gian. Điện áp và dòng điện theo sóng sine có giá trị tăng dần từ giá trị tối thiểu đến giá trị tối đa, sau đó giảm dần từ giá trị tối đa về giá trị tối thiểu và lặp lại chu kỳ này liên tục.

2. Sóng vuông (square): Đây là dạng sóng AC có điện áp và dòng điện giữ nguyên ở giá trị tối đa trong một khoảng thời gian rồi chuyển đột ngột về giá trị tối thiểu, và ngược lại. Sóng vuông thường được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt như trong điều khiển động cơ hoặc trong các thiết bị điện tử.

3. Sóng tam giác (triangle): Đây là dạng sóng AC mà giá trị điện áp và dòng điện tăng dần theo một dạng hình tam giác, sau đó giảm dần đến giá trị tối thiểu, sau đó lại tăng dần lên giá trị tối đa và lặp lại chu kỳ này liên tục.

4. Các dạng sóng AC khác: Ngoài các dạng sóng AC phổ biến như sine, square, và triangle, còn tồn tại nhiều dạng sóng AC khác như sawtooth (hình răng cưa), pulse (xung), và các dạng sóng hỗn hợp khác.

Phép đo tín hiệu AC

• Giá trị đỉnh
• Giá trị đỉnh đến đỉnh
• Giá trị trung bình
• Giá trị hiệu dụng (RMS hay Root mean square)

Các mạch điện gia dụng tiêu chuẩn của chúng ta có điện áp hiệu dụng khoảng 220V tuy nhiên điện áp đỉnh đến đỉnh là từ -380V đến +380V. Tại sao lại như vậy? 

Vì điện áp của tín hiệu xoay chiều thay đổi liên tục, chúng ta sử dụng một phương pháp đơn giản hơn được gọi là giá trị hiệu dụng (RMS) để biểu diễn. Giá trị RMS có thể làm cho việc tính toán công suất điện đối với tín hiệu AC dễ dàng hơn nhiều. 

Giá trị điện áp hiệu dụng của  dạng sóng hình sin là V0 / √2, tương đương, 0,707 * V0. Trong ví dụ này, V0 là 380V do đó giá trị RMS là 220V.

Các ứng dụng của AC

• Hệ thống điện lực: AC là dạng dòng điện chủ đạo được sử dụng trong hệ thống điện lực công nghiệp và dân dụng, bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, đường dây truyền tải, và các thiết bị điện lực khác. AC được chuyển đổi và phân phối trên toàn thế giới để cung cấp điện năng cho các thiết bị sử dụng trong đời sống hàng ngày của con người.

• Công nghiệp: AC được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, bao gồm động cơ điện, máy móc và thiết bị công nghiệp khác. AC có thể được điều khiển để cung cấp các mức điện áp và dòng điện khác nhau để điều khiển động cơ và các thiết bị công nghiệp khác hoạt động hiệu quả.

• Điều hòa không khí và nhiệt: Hệ thống điều hòa không khí và nhiệt trong các công trình xây dựng, tòa nhà, phương tiện vận tải, và các ngành công nghiệp khác thường sử dụng AC để cung cấp điện năng để điều hòa nhiệt độ, độ ẩm, và lưu thông không khí.

• Công nghệ thông tin: AC được sử dụng trong các thiết bị điện tử, viễn thông, mạng máy tính, và các hệ thống liên quan để cung cấp điện năng cho hoạt động của các thiết bị và hệ thống này.

• Điện gia dụng: AC được sử dụng trong nhiều thiết bị điện gia dụng trong đời sống hàng ngày của con người, bao gồm tủ lạnh, máy giặt, máy điều hòa không khí, quạt, đèn chiếu sáng, và nhiều thiết bị khác.

• Y tế: AC được sử dụng trong các thiết bị y tế như máy chữa bệnh, máy xạ trị, và các thiết bị y tế khác để cung cấp điện năng cho các hoạt động chẩn đoán, điều trị, và chăm sóc sức khỏe.

Dòng điện một chiều (DC)

Định nghĩa

Không giống như dòng chảy trong sông, dòng điện có thể chảy đều đặn mà không thay đổi, nó được gọi là dòng điện một chiều hay dòng điện một chiều. Dòng điện một chiều là dòng một chiều của điện tích.

Tạo dòng DC

Dòng điện một chiều (DC) được tạo ra bằng cách sử dụng một nguồn điện hoặc thiết bị đổi nguồn để tạo ra một dòng điện chỉ chạy theo một hướng duy nhất. Nguyên lý tạo dòng điện một chiều (DC) có thể được thực hiện bằng các phương pháp sau:

1. Sử dụng nguồn điện một chiều: Đây là phương pháp đơn giản nhất để tạo dòng điện một chiều (DC). Một nguồn điện một chiều như pin, acquy, hoặc nguồn điện từ một động cơ điện đã được thiết kế để cung cấp dòng điện chỉ chạy theo một hướng duy nhất, tạo thành dòng điện một chiều.

2. Sử dụng thiết bị đổi nguồn: Thiết bị đổi nguồn (còn gọi là biến đổi điện áp) được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Các loại thiết bị đổi nguồn phổ biến như đầu nối điốt (diode), cầu điốt (bridge rectifier), và transistor có thể được sử dụng để chỉ cho dòng điện chạy theo một hướng duy nhất, tạo thành dòng điện một chiều.

3. Sử dụng công nghệ chuyển đổi: Công nghệ chuyển đổi, chẳng hạn như công nghệ điều chế rộng (PWM - Pulse Width Modulation) hoặc công nghệ điều chế tần số (VFM - Variable Frequency Modulation), có thể được sử dụng để điều khiển dòng điện xoay chiều (AC) và tạo ra dòng điện một chiều (DC) với độ điều khiển và điện áp mong muốn.

Các ứng dụng của dòng điện một chiều (DC) bao gồm trong các thiết bị điện tử, đèn LED, các thiết bị năng lượng mặt trời, động cơ điện, hệ thống sạc pin, và nhiều ứng dụng khác trong công nghiệp, giao thông vận tải, y tế, và đời sống hàng ngày của con người.

Dạng sóng DC

Khác với dòng điện xoay chiều (AC) có tín hiệu dao động, dòng điện một chiều (DC) là dòng điện chỉ chạy theo một hướng duy nhất. Đối với tín hiệu DC, giá trị của điện áp và dòng điện có thể thay đổi miễn là hướng dòng chảy không thay đổi. Để đơn giản hóa, ta giả sử mức điện áp là cố định. Do đó, dòng điện một chiều có đặc điểm:

So sánh giữa dòng điện xoay chiều (AC) và dòng điện một chiều (DC)

Chúng ta rút ra được một vài điểm khác nhau như sau:

Định luật Ohm

Định luật Ohm là một nguyên tắc cơ bản trong điện học, nó được đưa ra bởi nhà vật lý học người Đức Georg Simon Ohm. Định luật Ohm nêu ra mối quan hệ giữa điện áp (U), dòng điện (I) và trở kháng (R) trong một mạch điện. Định luật Ohm có dạng công thức toán học sau:

I = U / R

Trong đó:

• I là dòng điện, được đo bằng đơn vị Ampe (A).
• U là điện áp, được đo bằng đơn vị Volt (V).
• R là trở kháng, được đo bằng đơn vị Ohm (Ω).

Nghĩa của định luật Ohm là dòng điện trong một mạch điện sẽ tỉ lệ thuận với điện áp và nghịch biến với trở kháng. Nếu giá trị của trở kháng (R) không đổi, thì dòng điện (I) sẽ tỉ lệ thuận với điện áp (U). Ngược lại, nếu giá trị của điện áp (U) không đổi, thì dòng điện (I) sẽ nghịch biến với trở kháng (R). Định luật Ohm là một nguyên tắc quan trọng trong việc hiểu và phân tích các mạch điện, và được áp dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng của điện học, điện tử và kỹ thuật điện.

Định luật Ohm là một quy tắc cơ bản trong điện học, có hiệu lực cho cả mạch điện một chiều (DC) và mạch điện xoay chiều (AC), tuy nhiên nó thường được áp dụng chủ yếu trong mạch điện một chiều. Cần lưu ý rằng trong mạch điện xoay chiều gồm các phần tử thuần điện trở, dòng điện và hiệu điện thế luôn cùng pha với nhau.

Các công cụ tạo và phân tích cho điện AC và điện DC

Oscilloscope

Oscilloscope là một trong những công cụ quan trọng nhất mà bạn sẽ sử dụng trong các phòng thí nghiệm điện tử. Nó cho phép bạn kiểm tra điện áp mạch khi chúng thay đổi theo thời gian và đo mọi thứ bạn muốn biết về chúng, bao gồm tần số, điện áp đỉnh, điện áp trung bình, dạng sóng, v.v. 

Nguồn cấp

Nguồn điện nhằm mục đích cung cấp năng lượng điện cho tải. 

Tóm lược

Hướng dẫn này giới thiệu một trong những khái niệm cơ bản về điện tử, dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều. Mỗi hai dòng điện này đều có ưu điểm riêng. Để đạt được kết quả tốt hơn, bạn nên cân nhắc mục đích và yêu cầu của dự án khi lựa chọn giữa việc sử dụng DC hoặc AC.