Điện một chiều DC, xoay chiều AC và an toàn khi làm việc gần điện 220 V

Điện một chiều và xoay chiều khác nhau thế nào, vì sao điện lưới 220 V có đỉnh 311 V, bộ nguồn đổi 220 V thành 5 V ra sao, vì sao điện giật nguy hiểm, CB, chống giật và quy tắc khi dùng relay 220 V.

Các thí nghiệm điện tử căn bản dùng pin, cổng USB hay nguồn adapter: điện một chiều, điện áp thấp, gần như vô hại. Nhưng ngay cạnh bàn làm việc là ổ cắm 220 V xoay chiều, và sớm muộn người học cũng muốn dùng relay để bật một bóng đèn hay quạt. Bài viết giải thích điện một chiều và điện xoay chiều khác nhau thế nào, vì sao điện lưới là 220 V 50 Hz nhưng đỉnh lên tới 311 V, bộ nguồn biến 220 V thành 5 V ra sao, vì sao điện giật nguy hiểm, các thiết bị bảo vệ trong nhà, và các quy tắc bắt buộc khi làm việc gần điện 220 V.

Lưu ý: bài viết giúp hiểu và tránh nguy hiểm, không phải hướng dẫn tự đấu điện lưới. Việc đấu nối thiết bị 220 V cố định nên do người có chuyên môn thực hiện.

1. Điện một chiều (DC)

• Điện một chiều có cực dương, cực âm cố định và điện áp gần như không đổi theo thời gian. Pin, ắc quy, cổng USB (5 V), adapter (5 V, 9 V, 12 V…) đều cấp điện một chiều.
• Mạch điện tử bên trong gần như mọi thiết bị (điện thoại, tivi, máy tính, ESP32) chạy bằng điện một chiều. Thiết bị cắm điện lưới luôn có một bộ nguồn đổi xoay chiều thành một chiều.
• Vì có cực tính, cắm ngược cực nguồn một chiều có thể làm hỏng mạch. Bài 15 của loạt bài nói về diode chống cắm ngược.

2. Điện xoay chiều (AC) và con số 220 V

• Điện xoay chiều đổi chiều liên tục theo dạng sóng sin. Điện lưới ở Việt Nam là 220 V, tần số 50 Hz: mỗi giây đổi chiều 100 lần, một chu kỳ dài 20 ms.
• 220 V là giá trị hiệu dụng: điện xoay chiều 220 V làm nóng một điện trở bằng đúng điện một chiều 220 V. Đỉnh của sóng sin cao hơn √2 lần: 220 × 1,414 ≈ 311 V. Linh kiện nối vào điện lưới phải chịu được điện áp đỉnh này, cộng thêm các xung nhọn trên lưới.
• Điện xoay chiều được dùng để truyền tải vì đổi điện áp dễ dàng bằng biến áp (bài 13). Truyền ở điện áp cao thì dòng nhỏ, tổn hao trên dây (P = I² × R) nhỏ đi rất nhiều. Điện ba pha cho xưởng, nhà máy có điện áp giữa hai pha là 380 V.
• Trong ổ cắm có dây pha (L, mang điện áp so với đất) và dây trung tính (N, gần với điện thế đất); ổ ba chấu có thêm dây tiếp đất (PE) nối vỏ kim loại của thiết bị.

3. Từ lưới 220 V tới nguồn 5 V một chiều

Một bộ nguồn (adapter, cục sạc, nguồn tổ ong) làm bốn việc: hạ điện áp và cách ly với lưới (bằng biến áp hoặc mạch nguồn xung có biến áp tần số cao), chỉnh lưu thành một chiều bằng diode (bài 15, 17), lọc phẳng bằng tụ điện (bài 11) và ổn định điện áp (bài 24). "Cách ly" nghĩa là phía 5 V không có đường dẫn điện trực tiếp nào về dây pha; chạm vào cực 5 V không bị giật dù phía kia là điện lưới.

Cũng vì vậy, đừng tháo vỏ bộ nguồn khi chưa hiểu rõ: phía sơ cấp có tụ lọc điện áp khoảng 311 V, vẫn còn tích điện một thời gian sau khi rút phích cắm.

4. Vì sao điện giật nguy hiểm

• Thứ gây hại là dòng điện chạy qua cơ thể, nhất là qua tim. Từ khoảng 10 mA, cơ co cứng khiến người bị giật không tự buông tay ra được; từ vài chục mA trở lên, tim có thể rung loạn nhịp và ngừng đập.
• Dòng qua người tính theo định luật Ohm: I = U / R. Điện trở cơ thể thay đổi rất nhiều: da khô có thể tới hàng chục kΩ, nhưng da ướt, mồ hôi hay vết thương hở chỉ còn khoảng 1 kΩ. Với 220 V, dòng có thể lên hàng trăm mA.
• Điện áp dưới khoảng 50 V xoay chiều (hoặc khoảng 120 V một chiều phẳng) được xếp vào loại điện áp cực thấp, rủi ro giật thấp trong điều kiện khô ráo. Các thí nghiệm 3,3 V, 5 V, 12 V trong loạt bài nằm trong vùng này.
• Điện áp thấp vẫn có nguy hiểm khác: pin lithium hay ắc quy bị chập mạch cho dòng hàng chục ampe, làm dây nóng đỏ, cháy, bỏng.

5. Các thiết bị bảo vệ trong nhà

Thiết bị chống giật có nút TEST: nên bấm thử định kỳ, nếu cầu dao không nhảy thì phải thay. Thiết bị bảo vệ chỉ giảm rủi ro, không thay được thói quen làm việc an toàn.

6. Khi dùng relay điều khiển thiết bị 220 V

Relay cách ly ESP32 với tải: cuộn dây ở phía 5 V, tiếp điểm ở phía tải (bài 14). Nhưng khi tải là thiết bị 220 V thì cầu đấu vít, chân relay và đường mạch phía tải đều mang điện lưới. Các quy tắc bắt buộc:

1. Luôn thử với tải điện áp thấp trước: dùng relay bật một đèn LED 12 V hoặc quạt 5 V cho tới khi chương trình chạy đúng.
2. Ngắt aptomat (không chỉ tắt công tắc) trước khi đấu hay tháo dây phía 220 V; kiểm tra lại bằng bút thử điện.
3. Relay chỉ cắt dây pha; dây có tiết diện đủ cho dòng tải; thêm cầu chì phù hợp phía tải.
4. Đặt module trong hộp nhựa kín, không để mặt dưới mạch chạm vật kim loại, không để dây 220 V đi gần dây tín hiệu.
5. Không chạm vào mạch khi đang cắm điện; không làm việc khi tay ướt hoặc đứng chân trần trên nền ẩm.
6. Kiểm tra dòng tiếp điểm của relay so với tải. Tải có dòng khởi động lớn (động cơ, máy bơm, đèn có chấn lưu) cần relay dòng lớn hơn nhiều so với dòng định mức của tải.
7. Nhờ người có chuyên môn kiểm tra trước khi đưa vào dùng lâu dài.

7. Nếu có người bị điện giật

• Không chạm tay trần vào người bị giật khi họ còn dính điện: bạn sẽ thành một phần của mạch điện.
• Ngắt nguồn ngay (aptomat, rút phích). Nếu không ngắt được, dùng vật cách điện khô (gậy gỗ, ghế nhựa) đẩy dây điện ra, đứng trên vật khô cách điện.
• Gọi cấp cứu 115. Nếu nạn nhân ngừng thở, người đã được huấn luyện tiến hành hồi sức tim phổi trong khi chờ cấp cứu.

8. Tự kiểm tra

1. Điện lưới 220 V có điện áp đỉnh bao nhiêu? (Đáp án: khoảng 311 V.)
2. Vì sao aptomat 16 A không bảo vệ được người bị giật? (Đáp án: dòng qua người chỉ vài chục đến vài trăm mA, quá nhỏ so với 16 A; phải dùng thiết bị chống giật 30 mA.)
3. Một chu kỳ điện lưới 50 Hz dài bao lâu? (Đáp án: 1 / 50 = 0,02 s = 20 ms.)

9. Xem thêm

• Hướng dẫn ESP32 điều khiển module relay 4 kênh an toàn.
• Chủ đề relay và điều khiển tải trong Góc kỹ thuật.
• Mạch hạ áp LM2596 và MP1584: hạ điện một chiều 12 V xuống 5 V, 3,3 V.
• Bài tiếp theo của loạt điện tử căn bản: cách đọc sơ đồ nguyên lý.