Hướng dẫn toàn tập cho người mới bắt đầu học điện tử - phần 1 (Giới thiệu về: Điện áp, dòng điện, điện trở)

Bài viết được dịch từ trang web Instructables

Mọi khởi đầu trong bất cứ lĩnh vực nào cũng có rất nhiều khó khăn, nhưng nếu bạn có động lực và quyết tâm mạnh mẽ thì chắc chắn bạn sẽ thành công. Hầu hết các sinh viên kỹ thuật điện tử đều muốn tự tay làm ra một sản phẩm gì đó. Trải nghiệm thực tế khi làm một sản phẩm nào đó là một cách học tuyệt vời. Mặc dù nó là rất quan trọng nhưng hầu hết các sinh viên không được hướng dẫn đúng đắn và họ không biết nên bắt đầu từ đâu. Tôi tin rằng loạt bài hướng dẫn này sẽ giúp cho những ai yêu thích điện tử có thể dễ dàng bắt tay vào làm các dự án của họ.

Giới thiệu về: Điện áp, dòng điện, điện trở

Đây là những điều rất cơ bản của thiết bị điện tử. Mỗi loại vật chất được tạo từ các nguyên tử và một nguyên tử có ba loại hạt. Electron là một loại hạt trong số đó và được tích điện âm. Điện tích là một khái niệm thuộc về electron và proton. Proton mang điện tích dương. Điện tích của một electron được gọi là đơn vị điện tích. Trong một vật liệu dẫn điện (bạc, đồng, vàng, nhôm, v.v...) có rất nhiều các electron tự do chuyển động ngẫu nhiên. Điện áp là một lực ép buộc các electron di chuyển theo một hướng cụ thể. Khi điện áp được đặt vào một vật dẫn điện, các điện tử bắt đầu di chuyển theo một hướng cố định và lưu lượng của các electron trong một hướng cụ thể này được gọi là dòng điện. Khi các electron di chuyển trong một dây dẫn thì sẽ phát sinh ra lực ma sát. Lực ma sát này được gọi là trở kháng. Trở kháng chống lại sự di chuyển tự do của các electron. Vì vậy, chúng ta có thể nói trở kháng làm giảm (cản trở) dòng điện.

Điện áp: Điện áp là lực ép buộc các electron chạy theo một hướng cụ thể trong một dây dẫn. Đơn vị của điện áp là Volt và ký hiệu là V. Pin là một nguồn của điện áp. Các mức điện áp 3V, 3.3V, 3.7V và 5V là phổ biến nhất được dùng trong các mạch điện tử và các thiết bị.

Dòng điện: Dòng điện là dòng dịch chuyển của các electron theo một hướng cụ thể. Chính xác hơn, dòng điện là tỉ lệ thay đổi của electron theo một hướng cụ thể. Đơn vị dòng điện là Ampe và ký hiệu là I. Dòng điện trong các mạch điện tử thường dùng đơn vị là milliampere (1 Ampe = 1000 milliampere). Ví dụ, dòng điện đặc trưng cho một đèn LED là 20mA.

Điện áp là nguyên nhân và dòng điện là kết quả.

Trở kháng: Trở kháng là cản trở sự dịch chuyển của dòng điện tích hay electron. Đơn vị SI của điện trở là ohm (Ω).

Có một mối quan hệ quan trọng giữa ba đại lượng - điện áp, dòng điện, điện trở:

V = IR hoặc I = V/R hoặc R = V/I

Mối quan hệ này được gọi là định luật Ohm. Vôn kế, ampe kế và đồng hồ đo ohm được sử dụng để đo điện áp, dòng điện, điện trở tương ứng.

Giới thiệu về: Nguồn cung cấp

Một pin điện là một nguồn điện áp hay chính xác hơn là nguồn năng lượng điện. Pin (ắc quy) cung cấp năng lượng điện bằng phản ứng hóa học bên trong. Pin là một thiết bị có hai cực. Một cực là cực dương (+V) và một là cực âm (-V) hoặc đất (GND). Thông thường pin có hai loại.

• Pin sơ cấp
• Pin thứ cấp

Pin sơ cấp được sử dụng một lần và bỏ đi. Pin thứ cấp có thể được sử dụng và sạc lại nhiều lần. Pin có nhiều hình dạng và kích cỡ. Một số loại pin phổ biến sử dụng trong robot và dự án công nghệ cao. Hai thông số đặc trưng của Pin là điện áp và dòng điện.

1. Pin 1,5 V pin
Chúng có các loại khác nhau về kích thước. Kích thước phổ biến nhất là AA và AAA. Dòng điện có độ lớn từ 500-3000 mAh.

2. Pin Lithium dạng đồng tiền 3V
Pin có hình dạng mỏng dẹt. Pin lithium được cung cấp điện áp danh nghĩa khoảng 3 volt (on-load), với điện áp mở rộng khoảng 3,6 volt. Dòng có thể từ 30-500 mAh. Sử dụng rộng rãi trong các thiết bị kích thước nhỏ.

3. Alkaline
Là loại pin không sạc lại (dùng 1 lần) và có thể được sử dụng trong các robot nhỏ.

4. Nickel-Metal Hydride (NIMH)
Là loại pin có mật độ năng lượng cao, và có thể được sạc một cách nhanh chóng. Pin NIMH có giá rẻ nếu so với kích thước và dung lượng của nó. Đây là loại pin thường được sử dụng trong các ứng dụng robot.

5. Pin 3,7 V Li-ion và Li-polymer
Pin Lithium ion và lithium polymer là những pin có thể sạc lại. Chúng có dung tích xả cao, mật độ năng lượng cao, công suất cao và kích thước nhỏ. Pin Li-polymer được sử dụng rộng rãi trong các robot và dự án RC. Công suất cụ thể của pin Li-poly là 100-265 W·h/kg.

6. Pin 9 V 
Pin 9 volt có hình dạng hình chữ nhật với các cạnh tròn và một jack nối 2 phân cực dạng chụp ở đầu. Kích thước: chiều cao 48,5 mm, chiều dài 26,5 mm, rộng 17,5 mm (hoặc 1,9 "x1.0" x0.68 "). Cả hai cực nằm ở một đầu. Dòng điện khoảng 600 mAh.

7. Pin Acid Chì (Ắc quy)
Ắc quy axit chì là dạng pin phổ biến của ngành công nghiệp. Chúng cực kỳ rẻ, có thể sạc lại, và dễ dàng có sẵn. Pin axít chì được sử dụng trong máy móc, UPS (uninterruptable power supply), robot, và các hệ thống khác, những thiết bị mà cần cung cấp rất nhiều năng lượng, còn kích thước và trọng lượng Pin là không quan trọng. Pin axit chì có đặc trưng tế bào (cell) 2V, nghĩa là bạn có thể có một pin với bội số của 2 volt. Các điện áp phổ biến nhất là 2V, 6V, 12V và 24V.

Dãy chuỗi Pin nối tiếp hoặc song song
Pin có thể được kết nối dạng nối tiếp hoặc song song. Khi chúng được mắc nối tiếp với nhau, thì điện áp cung cấp ở hai đầu của dãy pin tăng lên, khi kết nối song song thì dòng điện tăng lên.

Hai điều quan trọng của pin:

Dung lượng pin: Dung lượng pin là một chỉ số (thường là Ampe/giờ) của điện tích được lưu trữ trong pin, và được xác định bằng khối vật liệu hóa học hoạt động có trong pin. Dung lượng pin đại diện cho năng lượng tối đa có thể được xuất ra từ pin trong điều kiện quy định nhất định. Tuy nhiên, khả năng lưu trữ năng lượng thực tế của pin có thể thay đổi đáng kể so với năng lượng đánh giá "danh nghĩa", như dung lượng pin phụ thuộc nhiều vào tuổi pin và cách sử dụng pin, sạc pin, chế độ xả của pin và nhiệt độ.

Dung lượng pin được đo bằng một trong hai đơn vị là watt-giờ (Wh), kilowatt-giờ (kWh) hoặc ampe-giờ (Ahr), milliampere giờ (mAh). Một Watt/giờ là điện áp (V) mà pin cung cấp nhân với dòng điện (Amps) mà pin có thể cung cấp trong một khoảng thời gian (thường tính bằng giờ).

Điện áp * Amps * giờ = Wh.

Kể từ khi điện áp được ấn định cho từng loại pin tùy thuộc vào chất hóa học phân cực có trong nó (kiềm, lithium, chì axit, v.v...), thì thường chỉ có các thông số về  Amps*giờ được in trên bề mặt pin, thể hiện bằng các đơn vị Ah hay mAh (1000mAh = 1Ah). Để có được công suất Wh, nhân dung lượng Ah với điện áp danh định. Ví dụ, chúng ta có một pin cho phép giá trị danh nghĩa 3V với công suất 1amp/giờ, do đó nó có công suất 3 Wh. Pin sẽ tốt hơn khi dòng điện chạy trong nó càng thấp. Để xác định tuổi thọ pin, ta chia công suất cho độ lớn của dòng điện sử dụng thực tế từ pin để có được số giờ tuổi thọ của pin. Ví dụ một mạch mà tiêu hao dòng 10 mA được cung cấp bởi một pin 9 volt hình chữ nhật sẽ hoạt động khoảng 50 giờ: 500 mAh/10 mA = 50 giờ.

Trong nhiều loại pin, năng lượng đầy đủ được lưu trữ trong pin không thể xuất ra (nói cách khác, pin có thể không được xả hoàn toàn) mà không gây ra thiệt hại pin, và thường không thể bù đắp cho pin. Depth of Discharge (DOD) (mức khả năng xả) của một pin xác định phần của năng lượng có thể được xả ra từ pin. Ví dụ, nếu DOD của pin được đưa ra bởi các nhà sản xuất tới 25%, thì nghĩa là chỉ cho phép 25% dung lượng pin có thể được sử dụng bởi tải/1 lần sạc đầy.

Tỷ lệ sạc/xả ảnh hưởng đến đánh giá dung lượng pin. Nếu pin đã được xả ra rất nhanh chóng (ví dụ, việc xả dòng là cao), thì sau đó số lượng năng lượng có thể được cung cấp từ ​​pin giảm và dung lượng pin sẽ bị thấp xuống. Nói cách khác, nếu pin đã được xả ra với tốc độ rất chậm bằng một dòng điện thấp, thì năng lượng có thể được cung cấp từ ​​pin và dung lượng pin cao hơn. Ví dụ, một pin dạng đồng xu có thông số 1 Ah không thể thực sự cung cấp 1 Amp của dòng điện cho một giờ, trong thực tế, nó thậm chí không thể cung cấp 0,1 Amp khi đã tới ngưỡng thấp quá hạn cho phép. Nó giống như nói rằng một con người có khả năng để đi lên đến 30 dặm: tất nhiên chạy 30 dặm là rất nhiều khác biệt so với đi bộ! Tương tự như vậy, một pin dạng tiền xu 1Ah không gặp vấn đề gì khi cung cấp một 1mA cho 1000 giờ, nhưng nếu bạn cố gắng ép nó cấp cho tải 100mA, nó sẽ chỉ đáp ứng ít hơn rất nhiều so với 10 giờ.

Nhiệt độ của pin cũng sẽ ảnh hưởng đến năng lượng có thể được xuất ra từ ​​nó. Ở nhiệt độ cao, dung lượng pin thường cao hơn ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, cố ý nâng cao nhiệt độ pin không phải là một phương pháp hiệu quả để tăng dung lượng pin, vì như thế sẽ làm giảm tuổi thọ pin.

C-rate: Các thông số sạc và xả dòng điện của pin được đo bằng tỉ lệ C (C-rate). Hầu hết pin cầm tay, trừ ắc quy axit chì, được đánh giá ở 1C. Việc xả 1C xuất ra một dòng điện bằng với công suất định mức. Ví dụ, một pin được đánh giá ở 1000mAh cung cấp 1000mA một giờ nếu xả tại tỷ lệ 1C. Cùng một bộ pin xả tại 0.5C cung cấp 500mA trong hai giờ. Tại 2C, cùng một bộ pin trên sẽ cung cấp 2000mA cho 30 phút. 1C thường được gọi là sự phóng điện (xả) một giờ; 0.5C sẽ là xả hai giờ, và 0.1C là xả 10 giờ.

Phẩm chất của một pin thường được đo bằng một máy phân tích pin. Phân tích khả năng của pin được hiển thị theo tỷ lệ phần trăm của các thông số  danh nghĩa, thông số 100 phần trăm được hiển thị nếu 1000mA có thể được xuất ra trong một giờ từ một pin được đánh giá có dung lượng 1000mAh. Nếu pin chỉ kéo dài trong 30 phút trước khi ngắt, 50 phần trăm được chỉ định. Một pin mới đôi khi cung cấp dung lượng hơn 100 phần trăm. Trong một trường hợp như vậy, pin được đánh giá kỹ thêm và có thể chịu đựng một thời gian xả dài hơn quy định bởi nhà sản xuất.

Mức sạc thường được ký hiệu là C hoặc tỉ lệ-C và biểu thị việc sạc hoặc xả tỷ lệ tương đương với công suất của pin trong một giờ.

Một bộ sạc pin có thể được quy định trong điều khoản của dung lượng pin hoặc tỷ lệ C; một bộ sạc ghi C/10 sẽ trả lại dung lượng pin trong 10 giờ, một bộ sạc tỉ lệ 4C sẽ sạc pin trong 15 phút. Nếu 1 bộ sạc có tỉ lệ quá nhanh, trong 1 giờ hoặc ít hơn, thường phải theo dõi một cách cẩn thận các thông số như điện áp đầu cuối và nhiệt độ để ngăn ngừa sự quá mức và gây hại cho các tế bào pin.

Làm thế nào để lựa chọn pin 

Kích thước
Có các kích thước tiêu chuẩn, chẳng hạn như AA và 9V. Lựa chọn tùy theo vị trí kích thước hốc chứa nguồn pin của thiết bị.

Khối lượng và mật độ năng lượng
Đây là một vấn đề hiệu suất: Pin có chất lượng cao hơn (và đắt tiền hơn) sẽ có mật độ năng lượng cao hơn. Nếu trọng lượng là một phần quan trọng của dự án của bạn, như bạn muốn dùng một pin nhẹ hơn nhưng pin cần có mật độ cao. Điều này được thể hiện trong bảng thông số Watts-giờ trên mỗi Kilôgam.

Vôn
Điện áp của một tế bào pin được xác định bởi các chất hóa học được sử dụng bên trong. Ví dụ, tất cả các tế bào Alkaline là 1.5V, tất cả các cell của ắc quy axit chì là 2V, và lithiums là 3V. Pin có thể được làm từ nhiều tế bào (khối), ví dụ như, bạn hiếm khi thấy một ắc quy chì-axit 2V. Thông thường chúng được kết nối với nhau bên trong để thành một pin 6V, 12V hoặc 24V. Tương tự như vậy, hầu hết các thiết bị điện tử sử dụng nhiều bình điện kiềm để tạo ra điện áp cần thiết để chạy. Đừng quên rằng điện áp là một thước đo "danh nghĩa", một "1.5V" pin AA thực sự bắt đầu ra tại 1.6V và sau đó nhanh chóng giảm xuống đến 1,5 và sau đó từ từ trôi xuống 1.0V lúc này pin được coi là 'chết'.

Khả năng tái sử dụng (sạc)
Một số pin thường có thể sạc được 100 lần.

Dùng pin nào là hoàn hảo cho dự án của bạn?
Bạn thấy có rất nhiều loại pin và nhiều loại chất hóa học dùng trong pin, vì vậy nó không phải dễ dàng để quyết định chọn giải pháp tốt nhất cho dự án của bạn. Nếu dự án của bạn là rất cần nguồn lớn như hệ thống âm thanh lớn, và các dự án cơ giới, bạn có thể chọn ắc quy axít chì. Nếu bạn muốn xây dựng dự án yêu cầu năng lượng nhỏ, bạn có thể chọn Pin lithium. Đối với bất kỳ dự án có trọng lượng nhẹ xách tay mà cần năng lượng vừa phải, bạn có thể chọn pin lithium-ion. Bạn cũng có thể lựa chọn rẻ hơn như Nickel-Metal Hydride (NIMH), có trọng lượng nặng hơn một ít so với li-ion. Nếu bạn muốn thực hiện cần nguồn mạnh, như RC quad-copter, có lẽ Lithium Ion Polymer (LiPo) sẽ là lựa chọn tốt nhất cho bạn, bởi vì các pin có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ so với các loại pin, có thể được sạc lại rất nhanh chóng, và có một dòng đầu ra cao.

Nếu pin của bạn cần dùng một lần, thì bạn nên chọn loại AA, AAA hoặc pin 9V. Nếu bạn cần pin 5V thì bạn có thể sử dụng 3 pin AAA hoặc AA sẽ có giá trị 1.5V x3 (4.5V) hoặc 4 pin  NiMH thành 1.2V x4 (4.8V). Hãy chắc chắn rằng thiết bị của bạn sẽ chạy ở cấp điện áp thấp hơn một chút.

Muốn pin sạc của bạn sử dụng được một thời gian dài?
Hãy sử dụng một bộ sạc chất lượng cao có bộ cảm biến để duy trì tính sạc phù hợp và sạc nhỏ giọt. Một bộ sạc giá rẻ sẽ giết chết các tế bào pin của bạn

Bài viết liên quan:

• Hướng dẫn toàn tập cho người mới bắt đầu học điện tử - phần 1 (Giới thiệu về: Điện áp, dòng điện, điện trở)
• Hướng dẫn toàn tập cho người mới bắt đầu học điện tử - phần 2 (Giới thiệu về: Điện trở)
• Hướng dẫn toàn tập cho người mới bắt đầu học điện tử - phần 3 (Giá trị điện trở chuẩn hoặc thông thường)
• Hướng dẫn toàn tập cho người mới bắt đầu học điện tử - phần 4 (Dãy điện trở song song)
• Hướng dẫn toàn tập cho người mới bắt đầu học điện tử - phần 5 (Giới thiệu về: Tụ điện)
• Hướng dẫn toàn tập cho người mới bắt đầu học điện tử - phần 6 (Giới thiệu về: Cuộn cảm)
• Hướng dẫn toàn tập cho người mới bắt đầu học điện tử - phần 7 (Giới thiệu về: Diode)
• Hướng dẫn toàn tập cho người mới bắt đầu học điện tử - phần 8 (Giới thiệu về: Đèn LED)
• Hướng dẫn toàn tập cho người mới bắt đầu học điện tử - phần 9 (Giới thiệu về: Transistor)
• Hướng dẫn toàn tập cho người mới bắt đầu học điện tử - phần 10 (Bộ điều chỉnh điện áp)
• Hướng dẫn toàn tập cho người mới bắt đầu học điện tử - phần 11 (Mạch điện tích hợp)