[ KIẾN THỨC] Tụ điện là gì? Nguyên lý làm việc của tụ điện ra sao?

Tụ điện là gì? Nguyên lý hoạt động ra sao ắt hẳn là câu hỏi của khá nhiều người khi thấy hầu hết các thiết bị điện trong gia đình đều có, nhưng vẫn chưa biết công dụng của nó ra sao. Hãy cùng Thế giới điện cơ tìm hiểu nhé.

Tụ điện là gì?

Tụ điện là gì? Trước khi vào nội dung chính thì chúng ta sẽ tìm hiểu sơ lược về loại linh kiện này trước nhé. Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu. Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích lũy điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều.

Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui. Mặc dù các hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện. Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại. Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo ra electron – nó chỉ lưu trữ chúng. Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh. Đây là một ưu thế của nó so với ắc qui.

Tụ điện có ký hiệu là C viết tắt của Capacitior. Đơn vị của tụ điện là Fara (F), có trị số rất lớn và trong thực tế người ta thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như: 1µF=10-6 F; 1ηF=10-9 F; 1pF=10-12 F. Các kí hiệu thường thấy trong bảng mạch là:

Lịch sử hình thành và phát triển của tụ điện

Vào tháng 10 năm 1745, Ewald Georg von Kleist ở Pomerania nước Đức, phát hiện ra điện tích có thể được lưu trữ bằng cách nối máy phát tĩnh điện cao áp với một đoạn dây qua một bình thủy tinh chứa nước. Tay của Von Kleist và nước đóng vai trò là chất dẫn điện, và bình thủy tinh là chất cách điện (mặc dù các chi tiết ở thời điểm đó được xác nhận là miêu tả chưa đúng). Von Kleist phát hiện thấy khi chạm tay vào dây dẫn thì phát ra một tia lửa điện lớn và sau đó ông cảm thấy rất đau, đau hơn cả khi chạm tay vào máy phát tĩnh điện. Sau đó một năm, nhà vật lý người Hà Lan Pieter van Musschenbroek làm việc tại đại học Leiden, phát minh ra một bình tích điện tương tự, được đặt tên là bình Leyden.

Sau đó Daniel Gralath là người đầu tiên kết hợp nhiều bình tích điện song song với nhau thành một quả “pin” để tăng dung lượng lưu trữ. Benjamin Franklin điều tra chiếc bình Leyden và đi đến kết luận rằng điện tích đã được lưu trữ trên chiếc bình thủy tinh, không phải ở trong nước như những người khác đã giả định. Từ đó, thuật ngữ “battery” hay tiếng việt gọi là “pin” được thông qua. Sau đó, nước được thay bằng các dung dịch hóa điện, bên trong và bên ngoài bình layden được phủ bằng lá kim loại. Để lại một khoảng trống ở miệng để tránh tia lửa điện giữa các lá. Bình layden là bình tích điện đầu tiên có điện dung khoảng 1,11 nF (nano Fara).

Cấu tạo của tụ điện là gì?

Một tụ điện thông thường sẽ có cấu tạo bao gồm:

• Tụ điện gồm ít nhất hai dây dẫn điện thường ở dạng tấm kim loại. Hai bề mặt này được đặt song song với nhau và được ngăn cách bởi một lớp điện môi.
• Điện môi sử dụng cho tụ điện là các chất không dẫn điện gồm thủy tinh, giấy, giấy tẩm hóa chất, gốm, mica, màng nhựa hoặc không khí. Các điện môi này không dẫn điện nhằm tăng khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện.

Tùy thuộc vào chất liệu cách điện ở giữa bản cực thì tụ điện có tên gọi tương ứng. Ví dụ như nếu như lớp cách điện là không khí ta có tụ không khí, là giấy ta có tụ giấy, còn là gốm ta có tụ gốm và nếu là lớp hóa chất thì cho ta tụ hóa.

Nguyên lý hoạt động của tụ điện là gì?

Nguyên lý phóng nạp của tụ điện được hiểu là khả năng tích trữ năng lượng điện như một ắc quy nhỏ dưới dạng năng lượng điện trường. Nó lưu trữ hiệu quả các electron và phóng ra các điện tích này để tạo ra dòng điện. Nhưng nó không có khả năng sinh ra các điện tích electron. Đây cũng là điểm khác biệt lớn của tụ điện với ắc qui. Nguyên lý nạp xả của tụ điện là tính chất đặc trưng và cũng là điều cơ bản trong nguyên lý làm việc của tụ điện. Nhờ tính chất này mà tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều. Nếu điện áp của hai bản mạch không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian mà ta cắm nạp hoặc xả tụ rất dễ gây ra hiện tượng nổ có tia lửa điện do dòng điện tăng vọt. Đây là nguyên lý nạp xả của tụ điện khá phổ biến.

Có các loại tụ điện nào?

Có rất nhiều cách thức khác nhau để chúng ta có thể phân loại được tụ điện, trong phần này mình sẽ cố gắng nêu ra chi tiết nhất để các bạn có thể tham khảo nhé.

Các loại tụ điện thông dụng trên thị trường

• Tụ điện gốm: loại tụ điện này sẽ được bao bọc bằng một lớp vỏ ceramic, vỏ ngoài của tụ thường bọc keo hay dán màu. Các loại gốm thường được sử dụng trong loại tụ này bao gồm COG, X7R, Z5U,…
• Tụ gốm đa lớp: đây là loại tụ điện có nhiều lớp cách điện bằng gốm, thường đáp ứng trong các ứng dụng cao tần và điện áp sẽ cao hơn tu gốm thông thường khoảng 4-5 lần.
• Tụ giấy: là loại tụ điện có bản cực là các lá nhôm hoặc thiếc cách nhau bằng một lớp giấy tẩm dầu cách điện làm dung môi.
• Tụ mica màng mỏng: cấu tạo giữa các lớp điện môi là mica nhân tạo hay nhựa có màng mỏng (thin film) như Mylar, Polycarbonat, Polyeste, Polystyren (ổn định nhiệt 150 ppm/C)
• Tụ bạc – mica: là loại tụ điện mica với bản cực bằng bạc và khá nặng, điện dung của loại tụ này từ vài pF cho đến vài nF. Độ ồn nhiệt thấp và thường được sử dung cho các mạch điện cao tần.
• Tụ hóa: là tụ có phân cực (-) (+) và luôn có hình trụ, trên thân tụ sẽ thể hiện giá trị điện dung và thường ở mức 0,47µF đến 4700µF.
• Tụ xoay: loại tụ này thường được ứng dụng trong việc xoay hay thay đổi giá trị điện dung.
• Tụ lithium ion: có khả năng tích điện một chiều.

Các cách phân loại khác

Hầu hết tụ hóa là tụ điện phân cực, tức là nó có cực xác định. Khi đấu nối phải đúng cực âm – dương.

• Thường trên tụ có kích thước đủ lớn thì cực âm phân biệt bằng dấu – trên vạch màu sáng dọc theo thân tụ, khi tụ mới chưa cắt chân thì chân dài hơn sẽ là cực dương.
• Các tụ cỡ nhỏ, tụ dành cho hàn dán SMD thì đánh dấu+ ở cực dương để đảm bảo tính rõ ràng.

Trị số của tụ phân cực vào khoảng 0,47μF – 4.700μF, thường dùng trong các mạch tần số làm việc thấp, dùng lọc nguồn.

Tụ điện không phân cực thì không xác định cực dương âm, như tụ giấy, tụ gốm, tụ mica,… Các tụ có trị số điện dung nhỏ hơn 1 μF thường được sử dụng trong các mạch điện tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu. Các tụ cỡ lớn, từ một vài μF đến cỡ Fara thì dùng trong điện dân dụng (tụ quạt, mô tơ,…) hay dàn tụ bù pha cho lưới điện. Một số tụ hóa không phân cực cũng được chế tạo.

Tụ điện có trị số biến đổi, hay còn gọi tụ xoay (cách gọi theo cấu tạo), là tụ có thể thay đổi giá trị điện dung. Tụ này thường được sử dụng trong kỹ thuật Radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài (kênh tần số).

Đó là các tụ có mật độ năng lượng cực cao (supercapacitor) như Tụ điện Li ion (tụ LIC), là tụ phân cực và dùng cho tích điện một chiều. Chúng có thể trữ điện năng cho vài tháng, cấp nguồn thay các pin lưu dữ liệu trong các máy điện tử. Khả năng phóng nạp nhanh và chứa nhiều năng lượng hứa hẹn ứng dụng tụ này trong giao thông để khai thác lại năng lượng hãm phanh (thắng), cung cấp năng lượng đỉnh đột xuất cho ô tô điện, tàu điện, tàu hỏa nhanh,…

Các kiểu tụ điện thường gặp:

1. Tụ điện tích hợp:

• Tụ điện MIS: tụ điện được chế tạo theo công nghệ bán dẫn, gồm 3 lớp kim loại – điện môi – chất bán dẫn (metal-isolator-semiconductor), trong đó điện môi là polyme.
• Tụ điện trench

2. Tụ điện cố định:

• Tụ điện gốm (Ceramic): tụ có điện môi chế tạo theo công nghệ gốm.
• Tụ điện màng (film): tụ có điện môi là màng plastic (plastic film).
• Tụ điện mica: tụ có điện môi là mica (một loại khoáng vật có trong tự nhiên, bóc được thành lá mỏng. Nó khác với tấm polyme quen gọi là mica). Tụ này ổn định cao, tổn hao thấp và thường dùng trong mạch cộng hưởng tần cao.
• Tụ hóa: hay tụ điện điện phân (electrolytic capacitor), dùng chất điện phân phù hợp với kim loại dùng làm anode để tạo ra cathode, nhằm đạt được lớp điện môi mỏng và điện dung cao.
  • Tụ hóa nhôm: có anode (+) làm bằng nhôm.
  • Tụ hóa tantali: có anode (+) làm bằng tantali.
  • Tụ hóa niobi: có anode (+) làm bằng niobi.
• Tụ polyme, tụ OS-CON: dùng điện phân là polyme dẫn điện.
  • Siêu tụ điện (Supercapacitor, Electric double-layer capacitor – EDLS)
    • Siêu tụ điện Nanoionic: chế tạo theo công nghệ lớp kép nano để đạt mật độ điện dung cực cao.
    • Siêu tụ điện Li ion (LIC): chế tạo theo công nghệ lớp kép lai để đạt mật độ điện dung siêu cao.
  • Tụ điện vacuum: điện môi chân không.
• Tụ điện biến đổi: tụ thay đổi được điện dung.
  • Tụ điện tuning: tụ thay đổi dải rộng dùng trong mạch điều hưởng
  • Tụ điện trim: tụ thay đổi dải hẹp để vi chỉnh
  • Tụ điện vacuum biến đổi (đã lỗi thời).
• Tụ điện ứng dụng đặc biệt:
  • Tụ điện filter: tụ lọc nhiễu, có một cực là vỏ nối mát, cực còn lại có dạng trụ 2 đầu nối.
  • Tụ điện motor: tụ dùng để khởi động và tạo từ trường xoay cho motor.
  • Tụ điện photoflash: tụ dùng cho đèn flash như đèn flash máy ảnh, cần đến phóng điện nhanh.
• Dãy tụ điện (network, array): các tụ được nối sẵn thành mảng.
• Varicap: điốt bán dẫn làm việc ở chế độ biến dung.

Các thông số của tụ điện là gì?

Ngoài ra là các tham số tinh tế, dành cho người thiết kế hay sửa chữa thiết bị chính xác cao; Hệ số biến đổi điện dung theo nhiệt độ; độ trôi điện dung theo thời gian; độ rò điện; dải tần số làm việc; tổn hao điện môi; tiếng ồn,… và thường được nêu trong Catalog của linh kiện.

Vật thể nói chung đều có khả năng tích điện, và khả năng này đặc trưng bởi điện dung C xác định tổng quát qua điện lượng theo biểu thức:

Trong đó:

• C: điện dung, có đơn vị là farad;
• Q: điện lượng, có đơn vị là coulomb, là độ lớn điện tích được tích tụ ở vật thể;
• U: điện áp, có đơn vị là voltage, là điện áp ở vật thể khi tích điện.

Trong tụ điện thì điện dung phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức:

Trong đó:

• C: điện dung, có đơn vị là farad [F];
• εr: Là hằng số điện môi hay còn gọi là điện thẩm tương đối (so với chân không) của lớp cách điện;
• ε0: Là hằng số điện thẩm (ε0 ≈1÷(9*109*4*π)≈8.854187817*10-12);
• d: là chiều dày của lớp cách điện;
• S: là diện tích bản cực của tụ điện.

Đơn vị của đại lượng điện dung là Fara [F]. Trong thực tế đơn vị Fara là trị số rất lớn, do đó thường dùng các đơn vị đo nhỏ hơn như micro Fara (1µF=10−6F), nano Fara (1nF=10−9F), picoFara (1pF=10−12F).

Tụ điện phân cực, tụ hóa. Thông thường do sự lão hóa vật liệu mà nhiều loại tụ có điện dung giảm theo thời gian. Các tụ hóa có mức độ giảm lớn nhất, và thường gọi là “già cỗi”. Nó dẫn đến sai lệch hoạt động của mạch điện tử.

Tụ điện được đặc trưng bới thông số điện áp làm việc cao nhất và được ghi rõ trên tụ nếu có kích thước đủ lớn. Đó là giá trị điện áp thường trực rơi trên tụ điện mà nó chịu đựng được. Giá trị điện áp tức thời có thể cao hơn điện áp này một chút, nhưng nếu quá cao, ví dụ bằng 200% định mức, thì lớp điện môi có thể bị đánh thủng, gây chập tụ.

Trước đây giá thành sản xuất tụ điện cao, nên tụ có khá nhiều mức điện áp làm việc; 5V, 10V, 12V, 16V, 24V, 25V, 35V; 42V, 47V, 56V, 100V, 110V, 160V; 180V, 250V, 280V, 300V, 400V…

Ngày nay các dây chuyền lớn sản xuất và cho ra ít cấp điện áp hơn thế:

• Tụ hoá: 16V, 25V, 35V, 63V, 100V, 150V, 250V, 400V.
• Tụ khác: 63V, 250V, 630V, 1KV.
• Các tụ đặc chủng có mức điện áp cao hơn, như 1.5 kV, 4 kV,… và tuỳ vào hãng sản xuất.

Khi thiết kế hoặc sửa chữa mạch; phải chọn tụ có điện áp làm việc cao hơn điện áp mạch cỡ 30% trở lên. Ví dụ trong mạch lọc nguồn 12V thì chọn tụ hóa 16V; chứ không dùng tụ có điện áp làm việc đúng 12V.

Nhiệt độ làm việc của tụ điện thường được hiểu là nhiệt độ ở vùng đặt tụ điện; khi mạch điện hoạt động. Tụ điện phải được chọn với nhiệt độ làm việc cao nhất cao hơn nhiệt độ này.

Thông thường nhiệt độ được thiết lập do tiêu tán điện năng biến thành nhiệt của mạch; cộng với nhiệt do môi trường ngoài truyền vào nếu nhiệt độ môi trường cao hơn.

Song với các tụ có mức rò điện cao, thì xảy ra sự tiêu tán điện năng biến thành nhiệt trong tụ điện; làm cho nhiệt độ trong tụ điện cao hơn xung quanh. Các hư hỏng nổ tụ thường liên quan đến hiện tượng này. Các tụ hóa thường có rò điện ohmic, còn các tụ tần cao thì có dòng điện xoáy.

Cách mắc tụ điện như thế nào?

1. Mắc tụ điện nối tiếp:

• 2 tụ mắc nối tiếp: C tđ = C1.C2 / (C1 + C2)
• 3 tụ mắc nối tiếp: 1/C tđ = (1/C1 ) + (1/C2 ) + (1/C3)

Khi mắc nối tiếp thì điện áp chịu đựng của tụ tương đương bằng tổng điện áp của các tụ cộng lại:

U tđ = U1 + U2 + U3

Lưu ý: mắc nối tiếp các tụ điện, nếu là các tụ hoá cần chú ý chiều của tụ điện. Cực âm tụ trước phải nối với cực dương tụ như sơ đồ dưới:

2. Mắc tụ điện song song:

Các tụ điện mắc song song thì có điện dung tương đương bằng tổng điện dung của các tụ cộng lại

C = C1 + C2 + C3

Lưu ý:

• Điện áp chịu đựng của tụ điện tương tương bằng điện áp của tụ có điện áp thấp nhất.
• Nếu là tụ hoá thì các tụ phải được đấu cùng chiều âm dương.

Các công dụng của tụ điện là gì?

Từ phân loại và nguyên lý hoạt động của các loại tụ điện để được áp dụng vào từng công trình điện riêng. Hay nói cách khác nó có nhiều công dung, nhưng có 4 công dụng chính đó là:

• Khả năng lưu trữ năng lượng điện; lưu trữ điện tích hiệu quả là tác dụng được biết đến nhiều nhất. Nó giống công dụng lưu trữ như ắc-qui. Tuy nhiên, ưu điểm lớn của tụ điện là lưu trữ mà không làm tiêu hao năng lượng điện.
• Công dụng tụ điện tiếp theo là cho phép điện áp xoay chiều đi qua; giúp tụ điện có thể dẫn điện như một điện trở đa năng. Đặc biệt khi tần số điện xoay chiều (điện dung của tụ càng lớn) thì dung kháng càng nhỏ. Hỗ trợ đắc lực cho việc điện áp được lưu thông qua tụ điện.
• Với nguyên lý hoạt động của tụ điện là khả năng nạp xả thông minh; ngăn điện áp 1 chiều, cho phép điện áp xoay chiều lưu thông giúp truyền tí hiệu; giữa các tầng khuyếch đại có chênh lệch điện thế.

Công dụng nổi bật thứ 4:

• Là tụ điện có vai trò lọc điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều bằng phẳng bằng cách loại bỏ pha âm.
• Ứng dụng của tụ điện được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật điện và điện tử.
• Ứng dụng trong hệ thống âm thanh xe hơi; bởi tụ điện lưu trữ năng lượng cho bộ khuyếch đại được sử dụng
• Tụ điện có thể để xây dựng các bộ nhớ kỹ thuật số động cho các máy tính nhị phân sử dụng các ống điện tử
• Trong các chế tạo đặc biệt về vấn đề quân sự; ứng dụng của tụ điện dùng trong các máy phát điện, thí nghiệm vật lý, radar, vũ khí hạt nhân,…
• Ứng dụng của tụ điện trong thực tế lớn nhất là; việc áp dụng thành công nguồn cung cấp năng lượng; tích trữ năng lượng
• Xử lý tín hiệu, khởi động động cơ, mạch điều chỉnh,…

Hiện nay, hầu hết các sản phẩm bếp từ đều được trang bị một tụ điện. Nó không chỉ là một trong năm linh kiện quan trọng nhất trong mỗi thiết bị điện từ. Mà còn là linh kiện quan trọng bậc nhất trong bo mạch của bếp từ.

Lời kết:

Trên đây là một số thông tin và kiến thức cơ bản về Tụ điện là gì? vì là kiến thức cá nhân và thu thập được trên các trang mạng; nên không thể tránh khỏi sai sót. Rất mong được sự đóng góp của các bạn để trang chuyendoitinhieu.vn được hoàn hảo hơn.

Đây là bài viết chia sẻ kiến thức, bên mình không kinh doanh mặt hàng này. Xin cám ơn !