Tụ điện là gì? Nguyên lý hoạt động, cấu tạo của tụ điện như thế nào? Ứng dụng của tụ điện trong các thiết bị ngành điện ra sao?… Đây có lẽ là câu hỏi được nhắc đến khá nhiều bởi chúng được sử dụng và ứng dụng rất rất nhiều trong các ngành công nghiệp sản xuất và chế tạo thiết bị điện tử. Hãy cùng AirBlower giải đáp những câu hỏi đó bằng bài viết dưới đây nhé!
1. Tụ điện là gì?
- Tụ điện có tên gọi tiếng anh là Capacitor, ngoài ra còn được viết tắt là chữ “C”.
- Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động, cấu tạo bởi 2 bản đặt song song được ngăn cách bởi lớp điện môi (dielectric) – là những chất không dẫn điện như giấy, giấy tẩm hoá chất, gốm, mica…
- Khi 2 bề mặt có sự chênh lệch điện thế, nó cho phép dòng điện xoay chiều đi qua. Các bề mặt sẽ xuất hiện ra các điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.
Tụ điện
Hình ảnh tụ điện
- Tụ điện có tính chất cách điện 1 chiều nhưng sẽ cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp. Chính vì thế chúng được sử dụng trong các mạch điện tử như mạch lọc nguồn, lọc nhiễu hay mạch truyền tín hiệu xoay quanh chiều mạch.
- Người ta coi tụ điện là một ắc qui mini bởi tụ điện có thể có khả năng lưu trữ năng lượng điện. Tuy nhiên, cấu tạo của tụ điện cũng như nguyên lý làm việc của tụ điện với ắc qui hoàn toàn khách nhau.
- 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.
- Đơn vị của tụ điện là Fara. Cách quy đổi 1 Fara:
1F = 10-6 Micro Fara = 10-9 Nano Fara = 10-12 Pico Fara
- Ký hiệu của tụ điện:
2. Cấu tạo của tụ điện
- Tụ điện được cấu tạo từ hai tấm kim loại, ngăn cách nhau bằng một loại vật liệu cách điện gọi là chất điện môi. Các tấm có tính dẫn điện và chúng thường được làm bằng nhôm, tantali hoặc các kim loại khác.
- 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.
3. Nguyên lý hoạt động của tụ điện
Tụ điện hoạt động theo nguyên lý nạp xả
- Nguyên lý phóng nạp: tụ điện có khả năng tích trữ điện năng tương tự như một ắc quy dưới dạng năng lượng điện trường, lưu trữ hiệu quả các electron (nhưng không có khả năng tạo ra các electron) sau đó phóng ra điện và tạo thành dòng điện.
- Nguyên lý nạp xả của tụ điện: là tính chất đặc trưng và cũng là nguyên lý cơ bản trong hoạt động của tụ điện, nhờ tính chất này nên tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều. Khi điện áp giữa hai bản mạch không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian khi ta cắm nạp hoặc xả tụ thì rất dễ xảy ra tình trạng cháy nổ có tia lửa điện do dòng điện tăng vọt.
- Như hình ảnh trên ta thấy rằng , khi công tắc K1 đóng, dòng điện từ nguồn U đi qua bóng đèn để nạp vào tụ, dòng nạp này làm bóng đèn loé sáng, khi tụ nạp đầy thì dòng nạp giảm bằng 0 vì vậy bóng đèn tắt.
- Khi tụ đã nạp đầy, nếu công tắc K1 mở, công tắc K2 đóng thì dòng điện từ cực dương (+) của tụ phóng qua bóng đền về cực âm (-) làm bóng đèn loé sáng, khi tụ phóng hết điện thì bóng đèn tắt.
- Chính vì thế, nếu điện dung tụ càng lớn thì bóng đèn loé sáng càng lâu hay thời gian phóng nạp càng lâu.
4. Phân loại tụ điện
4.1. Tụ điện phân cực
Tụ hóa
- 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.
4.2. Tụ điện không phân cực
Tụ gốm
- Tụ 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.
4.3. Tụ xoay
Tụ xoay
- Tụ xoay là tụ có thể xoay để thay đổi giá trị điện dung, tụ này thường được lắp trong Radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài.
5. Các loại tụ điện thông dụng
- Tụ điện gốm (tụ đất): loại tụ này được bao bọc bằng 1 lớp vỏ ceramic, vỏ ngoài của tụ thường được bọc keo hoặc nhuộm màu. Các loại gốm thường được sử dụng để sản xuất loại tụ này là COG, X7R, Z5U v.v…
- Tụ gốm đa lớp: là loại tụ gốm có nhiều lớp bản cực cách điện bằng gốm. Tụ này đáp ứng cao tần và có chênh lệch điện áp cao hơn loại tụ gốm khoảng 4 –> 5 lần.
- Tụ mica màng mỏng: cấu tạo với các lớp điện môi là mica nhân tạo hay nhựa có cầu tạo màng mỏng (thin film) như Mylar, Polycarbonate, Polyester, Polystyrene (ổn định nhiệt 150 ppm / C).
- Tụ bạc – mica: là mẫu tụ điện mica với bàn cực bằng bạc, khá nặng. Điện dung từ vài pF tới vài nF, độ ồn nhiệt thấp. Mẫu tụ này thường được sử dụng cho những mạch cao tần.
- Tụ giấy: Là tụ điện có bản cực là các lá nhôm hoặc thiếc cách nhau bằng lớp giấy tầm dầu cách điện làm dung môi.
- Tụ hóa: là tụ có phân cực (-), (+) và luôn có hình trụ. Trên thân tụ được thể hiện giá trị điện dung, điện dung thường từ 0,47 µF đến 4700 µF
- Tụ xoay: Đúng như tên gọi, cấu tạo của tụ điện này giúp nó có thể xoay để đổi giá trị điện dung.
- Tụ Lithium ion: có năng lượng cực cao dùng để tích điện 1 chiều.
6. Các thông số của tụ điện
6.1. Điện dung của tụ 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: hằng số điện môi hay còn gọi là điện thẩm tương đối (so với chân không) của lớp cách điện
- ε0: hằng số điện thẩm (ε0 ≈ 1÷(9*109*4*π) ≈ 8.854187817*10-12)
- d: chiều dày của lớp cách điện
- S: 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).
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. Nó dẫn đến sai lệch hoạt động của mạch điện tử.
6.2. Điện áp làm việc
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.
6.3. Nhiệt độ làm việc
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.
7. Cách mắc nối tụ điện
7.1. 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 sau.
7.2. 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.
8. Phương pháp kiểm tra tụ điện
8.1. Đo kiểm tra tụ giấy và tụ gốm
Tụ giấy và tụ gốm thường hỏng ở dạng bị dò rỉ hoặc bị chập, để phát hiện tụ dò rỉ hoặc bị chập ta quan sát hình ảnh sau đây:
Đo kiểm tra tụ gốm
Ở hình ảnh trên là phép đo kiểm tra tụ gốm, có ba tụ C1, C2 và C3 có điện dung bằng nhau, trong đó C1 là tụ tốt, C2 là tụ bị dò và C3 là tụ bị chập.
- Khi đo tụ C1 ( Tụ tốt ) kim phóng lên 1 chút rồi trở về vị trí cũ. ( Lưu ý các tụ nhỏ quá < 1nF thì kim sẽ không phóng nạp )
- Khi đo tụ C2 ( Tụ bị dò ) ta thấy kim lên lưng chừng thang đo và dừng lại không trở về vị trí cũ.
- Khi đo tụ C3 ( Tụ bị chập ) ta thấy kim lên = 0 Ω và không trở về.
Lưu ý: Khi đo kiểm tra tụ giấy hoặc tụ gốm ta phải để đồng hồ ở thang x1KΩ hoặc x10KΩ, và phải đảo chiều kim đồng hồ vài lần khi đo.
8.2. Đo kiểm tra tụ hoá
Tụ hoá ít khi bị dò hay bị chập như tụ giấy, nhưng chúng lại hay hỏng ở dạng bị khô ( khô hoá chất bên trong lớp điện môi ) làm điện dung của tụ bị giảm, để kiểm tra tụ hoá, ta thường so sánh độ phóng nạp của tụ với một tụ còn tốt có cùng điện dung, hình ảnh dưới đây minh hoạ các bước kiểm tra tụ hoá.
Đo kiểm tra tụ hóa
Để kiểm tra tụ hoá C2 có trị số 100µF có bị giảm điện dung hay không, ta dùng tụ C1 còn mới có cùng điện dung và đo so sánh.
- Để đồng hồ ở thang từ x1Ω đến x100Ω ( điện dung càng lớn thì để thang càng thấp )
- Đo vào hai tụ và so sánh độ phóng nạp, khi đo ta đảo chiều que đo vài lần.
- Nếu hai tụ phóng nạp bằng nhau là tụ cần kiểm tra còn tốt, ở trên ta thấy tụ C2 phóng nạp kém hơn do đó tụ C2 ở trên đã bị khô.
- Trường hợp kim lên mà không trở về là tụ bị dò.
Chú ý : Nếu kiểm tra tụ điện trực tiếp ở trên mạch, ta cần phải hút rỗng một chân tụ khỏi mạch in, sau đó kiểm tra như trên.
9. Ứng dụng của tụ điện
- Tụ điện tách (Bypass)
Tụ tách hoặc tụ Bypass thường được sử dụng cùng với các mạch tích hợp và chúng được đặt giữa cực âm và dương của vi mạch.
Nhiệm vụ của nó là lọc bất kỳ tiếng ồn nào trong nguồn điện, chẳng hạn như gợn sóng điện áp xảy ra khi nguồn điện trong một khoảng thời gian rất ngắn giảm điện áp, hoặc khi chuyển mạch gây ra sự dao động trong nguồn điện. Tại thời điểm sụt áp xảy ra, tụ điện sẽ tạm thời hoạt động như một nguồn cung cấp điện, bỏ qua nguồn điện chính.
- Bộ chuyển đổi AC sang DC
Một ví dụ ứng dụng điển hình khác là tụ điện được sử dụng trong bộ điều hợp DC. Để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, người ta thường sử dụng bộ chỉnh lưu diode, nhưng nếu không có sự trợ giúp của tụ điện, nó sẽ không thể thực hiện được công việc.
Đầu ra của bộ chỉnh lưu là một dạng sóng. Vì vậy, khi đầu ra của bộ chỉnh lưu tăng lên và giảm xuống, tụ điện phóng điện và theo cách đó làm phẳng đầu ra của sóng DC.
- Lọc tín hiệu
Lọc tín hiệu là một ví dụ ứng dụng khác của tụ điện. Do thời gian đáp ứng cụ thể của chúng, chúng có thể chặn các tín hiệu tần số thấp trong khi vẫn cho phép các tần số cao hơn đi qua.
Điều này được sử dụng trong máy thu vô tuyến để điều chỉnh các tần số không mong muốn và trong các mạch phân tần bên trong loa, để tách tần số thấp cho loa trầm và tần số cao hơn cho loa tweeter.
- Bộ lưu trữ năng lượng
Một công dụng khá rõ ràng khác của tụ điện là để lưu trữ và cung cấp năng lượng.
Mặc dù chúng có thể lưu trữ năng lượng thấp hơn đáng kể so với pin cùng kích thước, nhưng tuổi thọ của chúng tốt hơn nhiều và chúng có khả năng cung cấp năng lượng nhanh hơn nhiều, điều này làm cho chúng phù hợp hơn cho các ứng dụng cần nguồn năng lượng cao.
Trên đây là một số thông tin và kiến thức cơ bản về Tụ điện. Hy vọng nó sẽ cung cấp cho các bạn những thông tin hữu ích!
