Trở kháng là gì? Hướng dẫn công thức tính và cách đo

Trở kháng là đại lượng tương đối quan trọng trong vận hành mạch điện, đặc biệt là mạch xoay chiều. Cùng BTB Electric tìm hiểu về đại lượng trở kháng, cách nhận biết, vai trò, phương pháp đo và cách tính toán trong bài viết sau.

Trở kháng là gì?

Trở kháng (tiếng Anh là impedance) là một đại lượng vật lý biểu trưng cho sự cản trở dòng điện của một mạch điện khi được đặt vào một hiệu điện thế. Đại lượng này ký hiệu là chữ Z và đơn vị đo là Ω (ohm). Giá trị này sẽ thay đổi theo tần số dòng điện. 

Khái niệm trở kháng lần đầu được đề cập vào năm 1886 bởi Oliver Heaviside. Trong khoa học vật lý, trở kháng được sử dụng trong nghiên cứu dao động điều hòa và có liên quan tới tần số. 

Trở kháng được biểu thị tổng quát qua công thức:

Trong đó R là điện trở (Resistance) hay trở kháng thuần, X là điện kháng (Reactance) hay phần ảo của trở kháng, phụ thuộc vào tần số của hiệu điện thế và

Vai trò của trở kháng trong mạch điện

Trở kháng là đại lượng quyết định cách thức mà dòng điện và điện áp biến đổi theo thời gian, ảnh hưởng trực tiếp tới công suất tiêu thụ và hiệu suất mạch. Do vậy đại lượng này đóng vai trò quan trọng trong thiết kế mạch điện, đặc biệt là mạch xoay chiều AC. 

Trong đường dây truyền tải điện, trở kháng liên quan tới hiệu suất truyền tải và tổn thất trên đường dây. Sử dụng trở kháng không phù hợp có thể làm tổn thất lượng lớn năng lượng và giảm hiệu quả truyền tải điện.

Công thức tính trở kháng trong dòng điện một chiều

Trở kháng trong dòng điện một chiều có công thức tính như sau:

Trong đó:

• R: Trở kháng (Ω)
• ρ: Điện trở suất của dây dẫn (Ωm)
• L: Chiều dài dây dẫn (m)
• A: Diện tích tiết diện dây dẫn (m²)

Tại trạng thái cân bằng của dòng một chiều:

• Tụ bù điện có trở kháng biến thiên tùy theo điện trở của điện môi, bản cực so với hiệu điện thế biến thiên giữa hai chân của tụ (vô cùng lớn), gần như không dẫn điện.
• Cuộn cảm có điện trở không đáng kể.
• Điện trở có giá trị trở kháng bằng giá trị điện trở.

Công thức tính trở kháng trong dòng điện xoay chiều

Đặt hiệu điện thế là một hàm dao động điều hòa theo thời gian hoặc là tổng các hàm điều hòa, khi đó:

• Tụ điện gây dòng sớm pha π/2 so với hiệu điện thế.
• Cuộn cảm làm dòng trễ pha π/2 so với hiệu điện thế.
• Điện trở không làm lệch pha dòng điện.

Với điện trở

Điện trở sẽ kháng lại dòng điện một trở kháng

Với cuộn cảm

Trở kháng cuộn cảm là tổng của điện trở và điện kháng cuộn cảm:

Trong đó RL là điện trở cuộn dây, XL là điện kháng cuộn dây.

• là pha của dòng điện với
• L là điện cảm cuộn dây

Điện thế của cuộn dây là tổng điện thế trên điện kháng với điện thế trên điện ứng cuộn dây:

Điện thế trên điện ứng cuộn dây sớm pha 1 góc 90 độ so với điện thế trên điện kháng.

Cuộn dây có tần số cảm ứng, tần số bằng R/L khi điện kháng bằng điện ứng và thời gian đạt đến tần số này là L/R.

Với tụ điện

Trở kháng tụ điện là tổng của điện trở và điện kháng của tụ điện:

Trong đó RC là điện trở tụ điện, XC là điện kháng tụ điện.

• là pha của dòng điện với
• C là điện dung tụ điện

Điện thế của tụ điện là tổng điện thế trên điện kháng với điện thế trên điện ứng của tụ điện:

Điện thế trên điện ứng tụ điện chậm pha 1 góc 90 độ so với điện thế trên điện kháng.

Tụ điện có tần số cảm ứng, tần số bằng 1/CR khi điện kháng bằng điện ứng và thời gian đạt đến tần số này là CR.

(tham khảo từ Wikipedia)

Đọc thêm: Điện dung là gì? Công thức tính và ứng dụng

3 phương pháp đo trở kháng

Hiện nay có 3 phương pháp chính dùng để đo trở kháng là Cầu nối, IV và RF IV. Cụ thể các phương pháp này như sau.

Phương pháp đo cầu nối

Phương pháp cầu nối sử dụng mạch cầu để tính toán điện trở trong dòng điện. Với cách này, bạn cần dùng điện kế để chỉnh cân bằng mạch cầu. Tuy khó khăn khi áp dụng với tốc độ đo cao nhưng với tốc độ đo thấp, phương pháp này có tính chính xác khá cao.

Phương pháp đo IV

Phương pháp đo IV có cách thức và yêu cầu tương tự phương pháp cầu nối – sử dụng mạch cầu để tính điện trở và chỉnh cân bằng với điện kế. Phương pháp này được sử dụng nhiều để đo trở kháng mạch nối đất. Tuy nhiên khi vôn kháng tăng lên sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác của phép đo này.

Phương pháp đo RF IV

Phương pháp đo trở kháng FR IV khá giống với phương pháp IV và được dùng cho mạch có tần số cao hơn với mạch và đầu nối đồng trục phù hợp. Phương pháp này được dùng nhiều cho mạch điện có băng rộng nhưng bị hạn chế băng tần bởi máy biến áp của đầu thử nghiệm.

Đọc thêm: Dung kháng tụ điện là gì? Công thức tính và ứng dụng

So sánh trở kháng và điện trở

Trong khi điện trở (R) cũng biểu thị cho sự cản trở đơn thuần của dòng điện thì trở kháng (Z) có thêm thông tin về độ lệch pha. Trở kháng đồng thời áp dụng cho cả dòng điện một chiều DC và dòng điện xoay chiều AC. Trở kháng bao gồm cả điện trở và điện kháng (X).

Trở kháng giúp xác định quá trình điện áp và dòng điện biến đổi trên mạch AC theo thời gian, quyết định tới công suất tiêu thụ và hiệu quả của mạch. Điện trở sẽ dùng để tính toán, thiết kế các mạch điện cơ bản.

Như vậy trở kháng tạo nên mối tương quan mật thiết giữa tần số, điện thế và cường độ dòng điện trong mạch. Sử dụng trở kháng phù hợp sẽ giúp mạch hạn chế hao tổn và tăng hiệu suất truyền tải điện. Bạn có thể tìm đọc thêm kiến thức về các đại lượng tương tự tại: https://btb-electric.com/vi/kien-thuc-nganh-dien/