Điện dung của một điện trở là bao nhiêu?

Điện dung là khả năng của một vật thể lưu trữ năng lượng điện dưới dạng điện tích (Q). Trong các ứng dụng thực tế, điện trở hầu như luôn thể hiện điện dung như một thuộc tính ký sinh. Tùy thuộc vào ứng dụng, điện dung của điện trở có thể dễ dàng bỏ qua, đặc biệt là trong các mạch DC. Trong một số ứng dụng, chẳng hạn như điện trở dập xung, hiệu ứng ký sinh của điện dung là mong muốn. Ngược lại, điện dung ký sinh của điện trở có thể là một yếu tố đáng kể trong các ứng dụng AC tần số cao, dẫn đến các hiệu ứng không mong muốn. Lý do là trở kháng của điện trở có điện dung ký sinh song song giảm khi tần số áp dụng tăng. Tần số càng cao, trở kháng càng thấp. Điều này có nghĩa là điện trở không còn có thể được coi là một phần tử cố định ở tần số cao và trở thành một phần tử phụ thuộc vào tần số.

Tụ điện và điện trở

Các tải điện có thể được chia thành hai loại: tải thực (hoặc tải điện trở) và tải phản kháng. Tải thực được sử dụng để chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt năng. Một điện trở lý tưởng là một tải điện trở thực sự, có nghĩa là toàn bộ năng lượng điện cung cấp cho điện trở được chuyển đổi thành nhiệt năng. Mặt khác, tải phản kháng chuyển đổi năng lượng điện thành từ trường hoặc điện trường và lưu trữ tạm thời trước khi trả lại cho phần còn lại của mạch. Tải phản kháng có thể là tải cảm kháng hoặc tải dung kháng. Tải cảm kháng lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường, trong khi tải dung kháng lưu trữ năng lượng dưới dạng điện trường.

Sự khác biệt chính giữa điện trở lý tưởng và tụ điện lý tưởng là điện trở tiêu tán năng lượng điện dưới dạng nhiệt, trong khi tụ điện chuyển đổi năng lượng điện thành điện trường. Điện trở lý tưởng có điện kháng bằng không, và do đó cũng có điện dung bằng không. Tuy nhiên, các thiết bị điện thực tế không hoàn hảo, và ngay cả điện trở đơn giản nhất cũng có một lượng điện kháng ký sinh nhỏ.

Khả năng ký sinh

Điện trở được sử dụng khi cần tải thuần trở; do đó, điện dung thường là một tác dụng phụ không mong muốn, và trong ngữ cảnh này, nó được gọi là "điện dung ký sinh". Tất cả các điện trở thực tế đều có một mức điện dung ký sinh nhất định, tùy thuộc vào thiết kế và cấu tạo của chúng. Điện dung ký sinh trong mạch AC có thể gây ra hiện tượng ghép nối không mong muốn giữa các khối hệ thống hoặc có thể là nguyên nhân gây ra hiện tượng trễ phản hồi của mạch ở tần số cao. Có những điện trở được thiết kế đặc biệt để sử dụng ở tần số cao, được quảng cáo là có điện dung thấp; tuy nhiên, các số liệu chính xác về giá trị điện dung này thường khó tìm thấy trong bảng dữ liệu kỹ thuật.

Tính toán điện kháng và điện dung.

Trong mạch điện xoay chiều, trở kháng điện là thước đo điện trở mà mạch thể hiện đối với dòng điện khi có điện áp đặt vào. Vì một tụ điện ký sinh được mắc song song với một điện trở, nên trở kháng phức của điện trở đó được xác định bằng công thức mắc song song:

Trong đó Z là trở kháng phức, R là điện trở, X là điện kháng mạch và j là đơn vị ảo, trong bài viết này, điện kháng ký sinh của một điện trở thực sẽ được giả định là hoàn toàn mang tính dung kháng. Do đó, điện kháng được tính như sau:

Do đó, trở kháng phức của điện trở chỉ chịu ảnh hưởng bởi tụ điện là:

Trong đó ω là tần số góc và C là điện dung ký sinh của điện trở.

Đối với các ứng dụng dòng điện một chiều hoặc tần số thấp, chúng ta thường chỉ quan tâm đến độ lớn của trở kháng phức này. Độ lớn của trở kháng có thể được tính bằng phương trình sau:

Ở đâu,

R = Điện trở tính bằng ôm

f = tần số tính bằng Hertz

C = Điện dung tính bằng Farad

Phân tích kỹ hơn phương trình trên cho thấy tổng trở của các điện trở bị ảnh hưởng bởi tụ điện giảm khi tần số điện áp tăng. Sự giảm này thường nhỏ, nhưng trong một số ứng dụng, nó có thể khá đáng kể.

Giá trị điện dung của các loại điện trở khác nhau.

Như đã đề cập trước đó, các nhà sản xuất thường không chỉ định giá trị điện dung điển hình của điện trở. Nói chung, điện trở gắn bề mặt (SMD) có điện dung ký sinh thấp hơn so với điện trở xuyên lỗ. Điều này là do ngay cả các dây dẫn điện cũng có khả năng tích trữ điện dung. Dây dẫn kim loại nối điện trở với phần còn lại của mạch là một ví dụ về dây dẫn như vậy. Dây dẫn càng dài, điện dung tích trữ càng lớn, và điện dung ký sinh càng cao. Do đó, dây dẫn càng ngắn, ảnh hưởng của điện dung ký sinh càng ít. Đây là lý do tại sao điện trở SMD ít bị ảnh hưởng bởi điện dung ký sinh hơn.

Đối với các giá trị điện dung thấp, hãy chọn các điện trở nhỏ nhất và gọn nhất có thể. Nên tránh sử dụng điện trở quấn vì cuộn dây tạo ra điện dung giữa các vòng dây, khiến chúng không phù hợp với tần số trên 50 kHz. Điện trở carbon có thể được sử dụng ở tần số khoảng 1 MHz. Ngược lại, điện trở lá kim loại mang lại các đặc tính vượt trội cho các ứng dụng tần số cao, thường có giá trị điện dung nhỏ hơn 0,05 pF, cho phép chúng hoạt động tốt ở tần số lên đến 100 MHz.

Các ứng dụng trong đó tác động của ký sinh trùng đóng vai trò quan trọng.

Các hiệu ứng ký sinh thể hiện rõ nhất ở tần số cao. Ví dụ, một điện trở tấm 1,0 kΩ với điện dung 0,05 pF ở tần số 100 MHz hoạt động giống như một điện trở 0,9995 kΩ. Xét tất cả các hiệu ứng ký sinh, đây là một ví dụ về đáp ứng tần số tốt của một điện trở.

Để so sánh, một điện trở cuộn dây chỉ có thể hoạt động tối đa 50 kHz do ảnh hưởng của cả điện cảm và điện dung. Ngay cả khi sử dụng cuộn dây hai dây (không có điện cảm), điện dung giữa các cuộn dây vẫn giới hạn tần số sử dụng tối đa.

Một số ứng dụng đặc biệt dễ bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng ký sinh bao gồm bộ khuếch đại tần số cao, bộ tạo xung nhịp gigahertz và mạch vi sóng.

Một ví dụ về mạch sử dụng hiệu ứng điện dung ký sinh là điện trở dập xung, được dùng để bảo vệ các phần tử chuyển mạch (công tắc và thyristor) khỏi các xung điện áp gây ra bởi các tải cảm ứng như động cơ điện trong quá trình ngắt mạch. Các điện trở này thường được chế tạo dưới dạng điện trở cuộn đôi để giảm thiểu độ tự cảm. Đối với các ứng dụng dập xung, điện dung được thiết kế mắc nối tiếp với điện trở, chứ không phải song song với điện dung ký sinh tiêu chuẩn.