Dòng Điện Một Chiều – DC Là Gì? Ứng Dụng Thực Tế

Dòng điện DC là gì?

Dòng điện một chiều (DC) là dòng điện có hướng di chuyển của điện tích chỉ theo một chiều duy nhất. Pin điện hóa là ví dụ điển hình về nguồn điện một chiều. Dòng điện một chiều có thể chạy qua dây dẫn như dây kim loại, nhưng cũng có thể chạy qua vật liệu bán dẫn, chất cách điện, hoặc thậm chí trong môi trường chân không, như trong chùm electron hoặc ion. Dòng điện này chảy theo một hướng cố định, điều này phân biệt nó với dòng điện xoay chiều (AC). Trước đây, thuật ngữ “dòng điện Galvanic” từng được sử dụng để chỉ loại dòng điện này.

Các chữ viết tắt AC và DC thường được dùng để chỉ đơn giản là “xoay chiều” và “một chiều”, đặc biệt khi chúng bổ nghĩa cho các đại lượng như dòng điện hoặc điện áp.

Lịch sử phát triển của dòng điện DC

Dòng điện một chiều (DC) được tạo ra vào năm 1800 bởi nhà vật lý người Ý Alessandro Volta thông qua pin Volta của ông, còn được gọi là Voltaic pile.

Khi nhà chế tạo dụng cụ người Pháp Hippolyte Pixii chế tạo máy phát điện động cơ học đầu tiên vào năm 1832, ông phát hiện rằng khi nam châm quay qua các vòng dây, mỗi nửa vòng quay sẽ làm đảo chiều dòng điện, tạo ra dòng điện xoay chiều (AC).

Vào cuối thập niên 1870 và đầu thập niên 1880, điện bắt đầu được phát từ các trạm phát điện.

Đến giữa thập niên 1950, công nghệ truyền tải điện một chiều cao áp được phát triển, và đến nay đã trở thành một lựa chọn thay thế khả thi cho hệ thống truyền tải điện xoay chiều cao áp (HVAC) trên cự ly dài.

Các cách định nghĩa khác nhau của dòng điện DC

Thuật ngữ DC được dùng để chỉ các hệ thống điện sử dụng chỉ một cực tính điện áp hoặc dòng điện duy nhất, và cũng được dùng để chỉ giá trị trung bình địa phương không đổi, tần số bằng 0 hoặc biến thiên chậm theo thời gian của điện áp hoặc dòng điện.

Mặc dù DC là viết tắt của “Direct Current” dòng điện một chiều, nhưng trong nhiều trường hợp, DC được hiểu theo nghĩa “cực tính không đổi”. Theo định nghĩa này, điện áp DC có thể thay đổi theo thời gian, ví dụ như điện áp đầu ra thô của bộ chỉnh lưu hoặc tín hiệu thoại dao động trên đường dây điện thoại.

Một số dạng DC (như điện áp đầu ra từ bộ ổn áp – voltage regulator) có điện áp hầu như không dao động, nhưng công suất và dòng điện đầu ra vẫn có thể thay đổi theo tải.

Tính chất của Dòng điện một chiều 

Dòng chuyển động của electron: Trong dòng điện một chiều, các electron (hạt mang điện âm) di chuyển từ cực âm (cathode) sang cực dương (anode) qua mạch ngoài.

Ứng dụng tải điện: Dòng di chuyển của electron qua mạch cho phép cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị điện khác nhau, chẳng hạn như đèn, động cơ, hoặc các thiết bị điện tử.

Nguyên lý hoạt động của dòng điện một chiều

Nguyên lý cơ bản của việc tạo ra dòng điện một chiều là thiết lập hiệu điện thế (hiệu điện thế giữa hai cực) để kích hoạt sự dịch chuyển liên tục của điện tích.
Điều này có thể đạt được thông qua:

• Phản ứng hóa học trong pin, hoặc

• Chuyển động của phần cảm trong từ trường (như trong máy phát điện một chiều).

Trong mạch điện DC, dòng điện luôn chảy theo một hướng cố định. Sự chuyển động này tuân theo định luật Ohm:

V=I×RV 

Trong đó:

• $V$: Hiệu điện thế

• $I$: Dòng điện

• $R$: Điện trở

Các loại mạch điện một chiều

Mạch song song

Trong mạch điện DC song song, các linh kiện được sắp xếp trên nhiều nhánh riêng biệt, tạo ra nhiều đường dẫn cho dòng điện.

• Điện áp giữa các linh kiện bằng nhau.

• Tổng dòng điện trong mạch bằng tổng dòng điện qua từng nhánh.

Mạch nối tiếp

Trong mạch điện DC nối tiếp, các linh kiện được nối liền nhau theo một đường duy nhất, tạo ra một dòng điện duy nhất đi qua tất cả các phần tử.

• Dòng điện qua mỗi phần tử là như nhau.

• Tổng điện trở của mạch là tổng các điện trở thành phần.

Mạch nối tiếp – song song

Mạch nối tiếp – song song là sự kết hợp giữa hai dạng mạch trên.

• Một số linh kiện được nối tiếp nhau, trong khi số khác được nối song song.

• Mạch này cho phép dòng điện có nhiều hướng đi khác nhau, đồng thời giữ ổn định điện áp và dòng điện ở các phần quan trọng.

Mạch điện một chiều

Mạch điện một chiều là một mạch điện bao gồm bất kỳ tổ hợp nào của các nguồn điện áp không đổi, dòng điện không đổi và điện trở. Trong trường hợp này, điện áp và dòng điện trong mạch là độc lập với thời gian. Một điện áp hoặc dòng điện cụ thể trong mạch không phụ thuộc vào giá trị trước đó của bất kỳ điện áp hoặc dòng điện nào khác trong mạch. Điều này có nghĩa là hệ phương trình biểu diễn một mạch DC không bao gồm các tích phân hoặc đạo hàm theo thời gian.

Nếu một tụ điện hoặc cuộn cảm được thêm vào mạch DC, mạch thu được sẽ không còn là mạch DC theo đúng nghĩa. Tuy nhiên, hầu hết các mạch như vậy đều có nghiệm DC. Nghiệm này thể hiện điện áp và dòng điện của mạch khi đạt trạng thái ổn định DC. Một mạch như vậy được biểu diễn bằng một hệ phương trình vi phân. 

Trong điện tử học, việc đề cập đến một mạch được cấp nguồn bởi nguồn điện áp DC như pin hoặc đầu ra của bộ nguồn DC là một mạch DC, mặc dù ý nghĩa thực tế là mạch được cấp điện DC.

Trong một mạch DC, một nguồn điện (ví dụ pin, tụ điện, v.v.) có cực dương và cực âm, và tương tự, tải cũng có cực dương và cực âm. Để hoàn thành mạch, các điện tích dương cần di chuyển từ nguồn điện đến tải. Sau đó, điện tích sẽ trở lại cực âm của tải, rồi quay lại cực âm của pin, hoàn tất mạch điện. Nếu một trong hai cực bị ngắt kết nối, mạch sẽ không hoàn chỉnh và các điện tích sẽ không thể di chuyển.

Trong một số ứng dụng DC, cực tính không quan trọng, nghĩa là bạn có thể kết nối ngược cực dương và cực âm và mạch vẫn hoàn chỉnh, tải vẫn hoạt động bình thường. Tuy nhiên, trong hầu hết các ứng dụng DC, cực tính là yếu tố quan trọng, và việc đấu ngược cực sẽ khiến tải không hoạt động đúng hoặc bị hư hỏng.

Cách tạo ra dòng điện một chiều

Dòng điện một chiều  có thể được tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào nguồn năng lượng và ứng dụng cụ thể. Dưới đây là ba cách phổ biến nhất:

Pin và ắc quy 

• Phản ứng hóa học xảy ra bên trong pin tạo ra dòng electron di chuyển một chiều từ cực âm sang cực dương.

• Dòng điện này ổn định và liên tục, thích hợp cho các thiết bị điện tử nhỏ như điện thoại, đồng hồ, đèn pin hoặc điều khiển từ xa.

Pin năng lượng mặt trời 

• Các tế bào quang điện  chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện DC.

• Tấm pin mặt trời thường tạo ra dòng điện một chiều, sau đó được chuyển đổi sang dòng xoay chiều (AC) bằng bộ biến tần để sử dụng trong nhà ở hoặc doanh nghiệp.

Bộ nguồn DC 

• Thiết bị chỉnh lưu  có thể biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) từ lưới điện thành dòng điện một chiều (DC).

• Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, máy tính, bộ sạc và hệ thống nguồn ổn định, nơi cần cung cấp nguồn DC liên tục và chính xác.

Ứng dụng

Tòa nhà dân dụng và thương mại

Dòng điện một chiều (DC) thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện áp siêu thấp và một số ứng dụng điện áp thấp , đặc biệt là trong các hệ thống được cấp nguồn bằng pin hoặc năng lượng mặt trời, vì cả hai loại nguồn này chỉ tạo ra dòng điện DC.

Hầu hết các mạch điện tử hoặc thiết bị điện tử đều yêu cầu nguồn cấp DC.

Các hệ thống DC dân dụng thường sử dụng ổ cắm, đầu nối, công tắc và phụ kiện có kiểu dáng khác với loại dùng cho dòng điện xoay chiều (AC). Điều này chủ yếu là do điện áp DC thường thấp hơn, dẫn đến dòng điện cao hơn để tạo ra cùng một mức công suất.

Thông thường, khi sử dụng thiết bị DC, việc tuân thủ đúng cực tính là rất quan trọng, trừ khi thiết bị được trang bị cầu diode để tự động hiệu chỉnh cực tính.

Ô tô

Hầu hết các ứng dụng trong ô tô đều sử dụng dòng điện một chiều (DC).Ắc quy ô tô cung cấp năng lượng cho khởi động động cơ, hệ thống chiếu sáng, hệ thống đánh lửa, điều hòa không khí, hệ thống giải trí – thông tin và nhiều bộ phận khác. Máy phát điện là một thiết bị tạo dòng xoay chiều (AC), nhưng nó sử dụng bộ chỉnh lưu để chuyển đổi thành dòng một chiều (DC) nhằm sạc lại ắc quy.

Thiết bị thông tin

Thiết bị thông tin trong tổng đài điện thoại sử dụng nguồn điện một chiều tiêu chuẩn −48 V DC.

Cực âm được tạo ra bằng cách nối đất cực dương của hệ thống nguồn và cụm ắc quy.

Cách làm này nhằm ngăn ngừa hiện tượng điện phân và kết tủa kim loại.

Các hệ thống điện thoại được trang bị ắc quy dự phòng, đảm bảo duy trì nguồn điện cho các đường dây thuê bao trong trường hợp mất điện lưới.

Các thiết bị khác cũng có thể lấy nguồn từ hệ thống DC của viễn thông, thông qua bộ chuyển đổi DC-DC (DC-DC converter) để tạo ra điện áp phù hợp với yêu cầu hoạt động.

Nhiều máy điện thoại được kết nối bằng cặp dây xoắn đôi (twisted pair) và sử dụng mạch tách áp thiên (bias tee) để phân tách tín hiệu xoay chiều (AC) giữa hai dây (tín hiệu thoại) khỏi thành phần một chiều (DC) trên cùng hai dây đó, vốn được dùng để cấp nguồn cho điện thoại.

Truyền tải điện năng cao áp

Hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) sử dụng dòng điện DC để truyền tải điện năng với công suất lớn trên phạm vi dài, trái ngược với hệ thống điện xoay chiều (AC) phổ biến hơn.

Đối với truyền tải điện năng đường dài, hệ thống HVDC có thể tiết kiệm chi phí hơn và tổn hao điện năng thấp hơn so với hệ thống truyền tải AC.

Các ứng dụng

Các ứng dụng sử dụng pin nhiên liệu hoạt động bằng cách kết hợp hydro và oxy với chất xúc tác để tạo ra điện năng, đồng thời sinh ra nước như sản phẩm phụ – cũng chỉ tạo ra dòng điện một chiều (DC).

Hệ thống điện trên máy bay hạng nhẹ thường sử dụng điện áp 12V hoặc 24V DC, tương tự như các hệ thống điện trên ô tô.