[ KIẾN THỨC ] Tụ điện là gì? Cấu tạo & nguyên lý – Công thức tụ điện

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 mình tìm hiểu về khái niệm của tụ điện, tụ điện là gì? Công dụng của tụ điện là gì? Cấu tạo cùa tụ điện, công thức tụ điện cũng như ứng dụng về tụ điện nhé!

là một linh kiện điện tử thụ động cấu tạo bởi hai bản cực đặt song song; được ngăn cách bởi lớp 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. Tụ điện có tính chất cách điện 1 chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp. Chúng được sử dụng trong các mạch điện tử; mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động .vv…Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động cấu tạo bởi hai bản cực đặt song song; được ngăn cách bởi lớp 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. Tụ điện có tính chất cách điện 1 chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp. Chúng được sử dụng trong các mạch điện tử; mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động .vv…

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.

Các ký hiệu của tụ điện

• Ký hiệu: Tụ điện có ký hiệu là C viết tắt của Capacitior
• Đơn vị của tụ điện:  là Fara (F), Trong đó : 1 Fara: 1F = 10-6MicroFara = 10-9 Nano Fara = 10-12 Pico Fara
• Tụ điện là một linh kiện có 2 cực thụ động lưu trữ năng lượng điện. Hay tích tụ điện tích bởi 2 bề mặt dẫn điện trong một điện trường.
• 2 bề mặt dẫn điện của tụ điện được ngăn cách bởi điện môi (dielectric) không dẫn điện như: Giấy, giấy tẩm hoá chất, gốm, mica…
• Khi 2 bề mặt có sự chênh lệch về điện thế, nó cho phép dòng điện xoay chiều đi qua. Các bề mặt sẽ có điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.

Đơn vị tụ điện

Trong hệ thống quy chuẩn đo lường quốc tế, đơn vị đo điện dung tụ điện C là Fara. Thực tế, các tụ điện thường có các trị số như:

• 1µF (micro Fara) = 10−6F
• 1nF (nano Fara) = 10−9F
• 1pF (pico Fara) = 10−12F

Công thức tụ điện

Khi nói đến tụ điện, là nói đến điện tích, nói đến khả năng tích trữ điện. Cho nên để biết được công thức tính tụ điện, chúng ta hãy tìm hiểu về công thức tính điện tích trước.

Công thức tính điện tích:

Q = C.U

Điện dung tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu điện môi và khoảng cách giữa hai bản cực.

Từ đó suy ra điện dung tụ điện:

Trong đó:

• εr : Điện thẩm tương đối (so với chân không) của lớp cách điện
• ε0 ≈ 1÷(9*109*4*π)≈8.854187817*10-12 : Hằng số điện thẩm
• S : Diện tích của bản cực [m²]
• d : Khoảng cách giữa 2 bản cực, hay độ dày của lớp cách điện [m]

Xét về mặt lưu trữ, ta có:  1F = 1A x 1V x 1giây = 1A x 1V x 1/3600 giờ = 0.278 mWh

Trong thực tế, năng lượng được lưu trữ ở dạng pin như: pin AA, AAA, pin trong các điện thoại…với các dung lượng như 100 Wh…

Một viên pin của các dòng smartphone hiện nay có dung lượng khoảng 5-10 Wh, của máy tính bảng là khoảng 15 – 30 Wh còn của laptop là khoảng 40-100 Wh.

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.

Được định nghĩa là điện áp làm việc tối đa của tụ điện. Khi vượt quá ngưỡng này, lực điện trường trong tụ điện tăng lên. Lực này sẽ làm các electron từ một bản tụ bức ra, bay xuyên qua lớp điện môi cách điện, đến bản tụ còn lại. Biến lớp điện môi giữa 2 bản tụ trở thành chất dẫn điện. Hiện tượng này được gọi là đánh thủng điện môi hay tụ điện bị đánh thủng.

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.

Cấu tạo của tụ điện là gì?

Cấu tạo của tụ điên bao gồm:

• Cấu tạo của 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 hoá 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

Một tụ điện có hai nguyên lý làm việc cơ bản:

• Nguyên lý phóng nạp
• Nguyên lý nạp xả

Chúng ta đã biết, bản chất của tụ điện là tích trữ năng lượng điện trường bằng cách lưu trữ các electron, nó có khả năng phóng ra các điện tích này để tạo thành dòng điện. Nó tương tự như hoạt động của một ac quy, nhưng tụ điện không tự sinh ra các hạt điện tích.

Nếu điện áp của hai bản mạch 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.

Ý nghĩa của tụ điện
Trên thân vỏ của tụ điện thường có ghi các thông tin như: 100μF 250V. Ý nghĩa của chúng như sau:

• • 100μF : Là giá trị điện dung của tụ điện.
  • 250V : Giới hạn điện áp đặt vào 2 bản của tụ điện, vượt quá giới hạn này tụ điện có thể bị đánh thủng. Làm hỏng tụ điện, không sử dụng được nữa.

Phần nội dung này, chúng ta cùng tìm hiểi về cách đọc trị số của tụ điện, cũng như các cách đo tụ điện bằng đồng hồ đo các bạn nhé!

Cách đọc trị số tụ hóa: Với tụ hoá thì cách đọc giá trị rất đơn giản. Giá trị của tụ hóa được ghi trực tiếp trên thân tụ.

Ví dụ: Tụ hóa có giá trị 1000µF/50V được ghi trên thân tụ

Cách đọc trị số tụ gốm và tụ giấy: Giá trị của hai loại tụ này thường được ký hiệu riêng. Đo đó, chúng có quy ước cách đọc như sau:

• Lấy hai chữ số đầu nhân với 10ˣ. Với x là số thứ 3 trong dãy kí tự.

Ví dụ: Tụ gốm ghi 105, thì được hiểu là: 10 x 105 = 1000000 = 1 µF

Cách đo tụ điện, kiểm tra tụ điện bằng các loại đồng hồ đo tụ điện như: đo tụ điện bằng đồng hồ điện tử, đo tụ điện bằng vom,… thì các bước thực hiện cũng tương tự nhau, chỉ khác ở chỗ điều chỉnh thang đo trên mỗi loại đồng hồ mà thôi. Vì thế, chúng ta cùng đi tìm hiểu các đo tụ điện bằng đồng hồ vạn năng cơ bản nhất nhé!

Để kiểm tra tụ hóa ta thường so sánh độ phóng nạp của tụ với một tụ khác tương đương còn tốt

Các bước kiểm tra tụ hóa như sau:

• Chỉnh thang đo đồng hồ ở thang x1Ω đến x100Ω (điện dung càng lớn thì để thang đo càng thấp)
• Đặt 2 que đo vào lần lượt 2 chân của 2 tụ để so sánh độ phóng nạp của hai tụ, đo nhiều lần và đảo chiều que đo để có được kết quả khách quan nhất.
• Nếu hai tụ phóng nạp như nhau chứng tỏ tụ cần kiểm tra còn hoạt động tốt
• Nếu tụ phóng nạp kém hơn chứng tỏ tụ đã bị khô
• Trong trường hợp kim lên mà không trở về là tụ đã bị rò

Đối với tụ gốm và giấy:

Các bước kiểm tra tụ gốm và giấy như sau:

• Chỉnh đồng hồ vạn năng ở thang đo x1KΩ hoặc x10KΩ
• Đặt 2 que dò vào 2 chân tụ cần kiểm tra (đảo chiều que đo để có kết quả tốt nhất)
• Trường hợp 1: Kim phóng lên 1 chút rồi trở về vị trí cũ => tụ tốt
• Trường hợp 2: Kim di chuyển về vị trí lưng chừng thang đo và dừng lại không trở về vị trí ban đầu => tụ bị dò
• Trường hợp 3: Kim di chuyển lên = 0Ω và không trở lại vị trí ban đầu => Tụ bị chập, đánh thủng

Lưu ý: Với các tụ <1nF thì khi đo sẽ không thấy kim lên

Thực ra việc phân loại tụ điện có rất nhiều cách, hôm nay mình sẽ trình bày cách phân loại dễ hiểu nhất. Giúp các bạn dễ dàng củng cố phần kiến thức về linh kiện thụ động này nhé!

• Tụ cố định: Là loại tụ có trị số điện dung cố định. Trị số này được in cụ thể trên thân vỏ của tụ điện. Chúng có hai dạng:
  • Tụ có cực (polar): Tụ có cực tính dương và âm quy định rõ cho 2 chân tụ, được ký hiệu trên thân tụ. Lưu ý: Không được đấu sai chân cực tụ.
  • Tụ không phân cực (nonpolar): tụ có hai cực như nhau, tức là không phân biệt chân dương và âm. Chúng ta có thể đấu chân tuỳ ý, chỉ quan tâm đến điện áp đánh thủng mà thôi.
• Tụ biến đổi hay tụ điện xoay: là loại tụ có trị số điện dung điều chỉnh thay đổi được, theo mục đích sử dụng.

• Tụ hóa: Có bản cực là những lá nhôm, điện môi là lớp oxit nhôm rất mỏng được tạo bằng phương pháp điện phân. Tụ hoá có điện dung khá lớn và điện áp làm việc <500V. Tụ hoá có phân biệt cực tính dương và âm.

• Tụ hóa tantalum: Là dạng tụ hoá có cấu tạo từ tantalum. Tụ Tantalum có đặc điểm là: kích thước nhỏ, điện dung lớn, điện áp làm việc <100V, cần phân biệt cực khi đấu nối.
• Tụ giấy: Có hai bản cực là những lá nhôm hoặc thiếc, ở giữa có lớp cách điện là giấy tẩm dầu và cuộn lại thành ống. Tụ giấy không phân biệt cực tính.
• Tụ màng: Có chất điện môi là màng chất dẻo như: Polypropylene, polystyrene, polycarbonate,… Có hai loại tụ màng chính:
  • Loại foil
  • Loại được kim loại hóa. Loại này có khả năng tự phục hồi khi bị đánh thủng do quá điện áp mà không bị hư luôn.
• Tụ gốm (tụ sứ ceramic): Có chất điện môi là gốm, tráng trên bề mặt nó lớp bạc để làm bản cực. Là loại tụ không phân cực tính.

• Tụ mica: Được chế tạo gồm nhiều miếng mica mỏng được xếp xen kẻ với các miếng thiếc.
  • Các miếng thiếc lẻ nối với nhau tạo thành một bản cực
  • Các miếng thiếc chẵn nối với nhau tạo thành một bản cực

Thường tụ mica có dạng hình khối chữ nhật, kích thước rất nhỏ.

Về cơ bản, tương tự như linh kiện thụ động điện trở, thì tụ điện cũng có 2 cách mắc là: mắc song song và mắc nối tiếp. Chúng ta cùng đi tìm hiểu từng cách mắc xem có gì đặc biệt không nhé!

Một số đặc điểm của mạch mắc tụ điện nối tiếp mà chúng ta cần quan tâm như:

• Khi mắc nối tiếp, điện dung tương đương được tính theo công thức :

Ví dụ: Trong mạch chỉ có 2 tụ mắc nối tiếp thì ta tính được:

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

Utd = U1 + U2 + U3

• Lưu ý các tụ hoá cần mắc đúng chiều cực tụ.

• Điện dung tương đương trong mạch mắc song song bằng tổng điện dung của các tụ cộng lại:

Ctd = C1 + C2 + C3

• Điện áp bằng điện áp của tụ có điện áp thấp nhất.
• Cần đấu đúng chiều âm dương của tụ hoá.

Cũng như điện trở, tụ điện là một linh kiện điện tử quan trọng và chúng xuất hiện ở hầu hết các mạch điện. Một số tác dụng, chức năng của tụ điện như:

• Chức năng lọc:
  • Lọc nguồn: Lọc nguồn DC giảm méo, ổn định điện áp.
  • Tụ lọc nhiễu cao tần: do đặc tính thay đổi trở kháng theo tần số, nên nó thường được dùng trong các phần lọc nhiễu cao tần
  • Lọc tần số: Tạo ra mạch cắt tần số khi kết hợp với các phần tử: R, L
• Tác dụng cách ly:
  • Cách ly DC trong các tần khuếch đại, chỉ cho AC vượt qua đo đặc tính thay đổi theo tần số cho mục đích nối tầng khuếch đại
• Lưu trữ năng lượng điện, lưu trữ điện tích hiệu quả như ắc qui. Tuy nhiên, ưu điểm của tụ điện là lưu trữ mà không làm tiêu hao năng lượng điện.

Chúng ta đã biết tụ điện là một linh kiện điện tử rất phổ biến, chúng có mặt hầu nh7 ở tất cả các thiết bị điện xung quanh chúng ta. Nhưng nếu nói vậy về ứng dụng của tụ điện thì quá chung chung.

Vậy chúng có những ứng dụng nào là tiêu biểu nhất?

• Lọc nguồn đầu vào, lọc nguồn đầu ra đối với các thiết bị như đầu đĩa DVD, đầu thu kỹ thuật số.
• Tinh chỉnh rà sóng trên các thiết bị đài radio là ứng dụng của tụ điện xoay.
• Tụ điện xoay chiều, tụ điện phẳng, tụ điện cho quạt trần, quạt làm mát, quạt gió,…
• Dùng bảo vệ và ổn định công suất âm thanh cho loa.
• Dùng để hạ áp trong các mạch đơn giản, kích thước nhỏ không lắp được các cuộn cảm như: mạch đèn ngủ, mạch vợt muỗi,…
• Lọc dòng xoay chiều sau khi chỉnh lưu để chuyển đổi dòng điện xoay chiều sang một chiều. Dùng trong các thiết bị chuyển đổi nguồn, chuyển đổi tín hiệu…
• Lọc nhiễu tín hiệu (xung PWM).
• Khử các tia lửa điện trong động cơ điện một chiều.

Ngoài ra, tuỳ theo loại tụ, chúng còn được sử dụng trong các mục đích như:

• Các tụ dùng để liên lạc, lọc nguồn điện, thoát tín hiệu… ngoài ra tụ còn dùng để trữ năng lượng, định thời…
• Dùng để tạo mạch định giờ, mạch phát sóng răng cưa, mạch vi phân, tích phân…dựa trên tính phóng nạp của tụ.

Bài viết đã tổng hợp gần như là đầy đủ kiến thức về tụ điện là gì, phân loại tụ điện, cách mắc tụ điện, cách đo tụ điện và các ứng dụng của tụ điện trong đời sống,…

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? Hy vọng nó sẽ cần thiết cho những bạn đang cần tìm hiểu, 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 bài viết được hoàn hảo hơn.

Đây là bài viết chia sẻ kiến thức, bên thietbidoluong không kinh doanh mặt hàng này. Cảm ơn !