Tụ điện là gì? Khái niệm, phân loại và nguyên lý hoạt động

Tụ điện là gì?

Khái niệm tụ điện

Tụ điện là một linh kiện điện tử có tính chất thụ động. Linh kiện này được cấu từ hai bề mặt dẫn điện và bị ngăn cách bởi một lớp điện môi ở giữa. Khi điện thế ở hai bề mặt dẫn điện có sự chênh lệch thì hai bề mặt này sẽ xuất hiện điện tích với lượng điện năng như nhau nhưng trái dấu.

Tụ điện có tính chất đặc biệt khi không cho phép dòng điện 1 chiều chạy qua nhưng dòng điện xoay chiều vẫn có thể dễ dàng chạy qua nhờ cơ chế phóng nạp. Chính vì vậy mà tụ điện được sử dụng nhiều trong các mạch điện tử như mạch lọc nguồn, mạch lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu, ….

Quá trình phát triển của tụ điện

Phương pháp tích tụ điện năng bằng cách nối máy phát tĩnh điện cao áp với một đoạn dây dẫn đi qua một bình thủy tinh chứa nước có vai trò như chất điện môi lần đầu tiên được phát hiện bởi nhà khoa học Ewald Georg von Kleist. Đây chính là dạng cấu tạo đầu tiên của tụ điện.

Dần dần, qua nhiều nghiên cứu và cải tiến của các nhà khoa học giai đoạn sau, cấu tạo của tụ điện ngày một hoàn thiện. Thay vì sử dụng nước làm dung môi dẫn điện, các nhà khoa học sử dụng các loại dung dịch hóa điện có khả năng tích tụ điện năng. Sau nhiều lần thay đổi và cải tiến, tụ điện có được hình dạng phổ biến như hiện nay.

Điện dung. Công thức tính điện dung của tụ điện

Trong sơ đồ mạch điện, tụ điện thường có kí hiệu là C. Đây là viết tắt của từ Capacitor – tên tiếng Anh của tụ điện.

Đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện được gọi là điện dung. Đơn vị của điện dung là Farad (F). Ta có thể tính được điện dung của một tụ điện bằng công thức sau:

C=r0Sd

Trong đó:

C là điện dung của tụ điện (F)

rlà hằng số điện môi hay còn gọi là điện thẩm tương đối (khi so sánh với môi trường chân không) của chất liệu lớp cách điện

0là hằng số điện thẩm của môi trường chân không có giá trị 0=8,85.10-12

d là độ dày của lớp cách điện tụ điện

S là diện tích bản cực của tụ điện

Cấu tạo của tụ điện

Với mỗi nhu cầu sử dụng khác nhau, thiết kế của tụ điện có thể thay đổi nhưng cấu tạo cơ bản của chúng vẫn được giữ nguyên. Tụ điện thông thường có cấu tạo bởi hai thành phần chính:

• Hai cực dẫn điện được làm từ hai tới nhiều lớp kim loại được xếp song song với nhau. Chúng sẽ được ngăn cách bởi lớp điện môi nằm ở giữa tụ điện
• Lớp điện môi nằm giữa hai cực dẫn điện. Lớp điện môi này có thể được làm từ bất kì vật liệu cách điện nào như thủy tinh, giấy, giấy tẩm hóa chất, … Các điện môi này giúp gia tăng khả năng tích trữ điện năng của tụ điện.

Nguyên lý hoạt động của tụ điện

Quá trình hoạt động của tụ điện được hoạt động theo 2 nguyên lý tương ứng với hai chu kì sử dụng khác nhau của linh kiện này là Nguyên lý phóng nạp và Nguyên lý nạp xả.

Nguyên lý phóng nạp

Nguyên lý này xảy ra trong chu kỳ nạp và lưu trữ điện năng của tụ điện. Nhờ nguyên lý này mà tụ điện có khả năng lưu trữ hiệu quả các dòng electron và phóng các điện tích này vào mạch để tạo nên dòng điện.

Một điểm đáng lưu ý và giúp bạn phân biệt được sự khác nhau giữa tụ điện và ắc quy chính là tụ điện chỉ có khả năng lưu trữ các electron được đưa vào các cực chứ không có khả năng sản sinh các điện tích electron.

Tuy nhiên, một số loại vật liệu của lớp điện môi có tình trạng lão hóa dẫn tới hiệu quả khả năng lưu trữ điện năng của tụ điện.

Nguyên lý nạp xả

Nguyên lý này chính là một trong những tính chất đặc trưng của tụ điện và cũng chính là nguyên nhân mà tụ điện có khả năng dẫn được dòng điện xoay chiều. Nếu xuất hiện sự biến thiên đột ngột của điện áp vốn đang ổn định tại hai cực của tụ, tụ điện sẽ có hiện tượng nổ có tia lửa điện. Đây chính là lúc tụ điện xả điện năng dư thừa để tránh tụ bị quá tải.

Công dụng của tụ điện

Tụ điện là một linh kiện điện tử được sử dụng vô cùng phổ biến bởi những công dụng nổi bật:

• Khả năng lưu trữ điện năng: Tụ điện có khả năng lưu trữ một lượng điện năng nhất định giống như ắc quy. Tuy nhiên, điểm đặc biệt nhất là linh kiện này có thể lưu trữ điện năng mà không hề bị tiêu hao theo thời gian.
• Dẫn dòng điện xoay chiều: Khả năng này biến tụ điện có khả năng hoạt động như một điện trở đa năng. Không chỉ vậy, khi tần số điện xoay chiều của mạch điện lớn thì điện dung của tụ càng lớn. Trong khi đó dung kháng của tụ điện lại tỉ lệ nghịch với hai giá trị kể trên.

• Nguyên lý nạp xả thông minh: Nguyên lý này giúp tụ điện có khả năng ngăn chặn điện áp 1 chiều và chỉ cho phép lưu thông điện áp xoay chiều trong mạch điện. Tín hiệu giữa các tầng khuếch đại có chênh lệch điện thế sẽ được truyền đi một cách ổn định và hiệu quả hơn.
• Lọc điện áp: Tụ điện được sử dụng rất nhiều trong việc lọc điện áp xoay chiều và biến nó thành điện áp 1 chiều thông qua phương pháp loại bỏ pha âm.

Phân loại tụ điện

Dựa theo cấu tạo và chất liệu làm nên tụ điện mà chúng ta sẽ có những tên gọi tương ứng cho tụ điện. Lớp điện môi sử dụng là không khí thì được gọi là tụ không khí và tương tự với các loại điện môi khác. Dưới đây chúng tôi sẽ giới thiệu tới bạn một số loại tụ điện phổ biến:

Tụ điện phân cực

Đa phần các tụ điện thuộc loại này là tụ hóa. Lớp điện môi được sử dụng là các loại dung dịch hóa điện. Tụ này luôn được thiết kế có hình trụ và có phân cực âm dương. Điện dung của loại tụ điện này thường có giá trị trong khoảng 0,47 µF đến 4700 µF. Loại tụ này thường được ứng dụng trong các mạch tần số làm việc thấp hay sử dụng để lọc nguồn.

Tụ điện không phân cực

Các tụ điện không phân cực phổ biến có thể kể đến như tụ giấy, tụ mica và tụ gốm/ Tên gọi của các tụ điện này tương ứng với loại vật liệu được sử dụng cho lớp điện môi. Tụ điện loại này thường có hình dáng dẹt và không phân cực. Đồng thời, giá trị điện dung của tụ điện này tương đối nhỏ chỉ khoảng 0,47 µF và thường được sử dụng trong các mạch điện có tần số cao hoặc là một phần của mạch lọc nhiễu.

Công nghệ hiện nay cũng đã chế tạo ra một số loại tụ điện không phân cực trong đó có một số loại là tụ hóa có điện dung lớn hơn. Những tụ điện này được ứng dụng nhiều trong các thiết bị điện gia dụng và dàn tụ bù pha cho mạng lưới điện.

Tụ điện có trị số biến thiên

Tụ điện có trị số biến thiên hay còn được gọi là tụ xoay. Đây là loại tụ điện duy nhất có khả năng thay đổi được giá trị điện dung. Đặc điểm này được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực thu truyền tín hiệu khi ta có thể sử dụng tụ này trong radio và thay đổi tần số để tiếp cận các kênh phát thông tin khác nhau.

Siêu tụ điện

Siêu tụ điện là những tụ điện có khả năng tích trữ lượng điện năng vô cùng lớn nhờ sở hữu một mật độ năng lượng cực cao. Một trong những ví dụ phổ biến nhất của loại tụ điện này chính là tụ điện Li ion. Các tụ điện này có phân cực và được dùng với mục đích tích điện một chiều khi có khả năng tích trữ lượng điện năng đu để có thể sử dụng trong vài tháng.

Không chỉ vậy, các siêu tụ điện còn có khả năng phóng nạp điện năng nhanh đồng thời có điện dung lớn khiến đây trở thành một giải pháp lý tưởng cho nhiều vấn đề năng lượng trong đời sống. Siêu tụ điện thường được sử dụng thay các pin lưu dữ liệu trong hệ thống điện tử, cung cấp năng lượng đỉnh đốt xuất cho các phương tiện giao thông.

Một số loại tụ điện khác

Ngoài ra chúng ta còn có những loại tụ điện được ứng dụng phổ biến khác trong đời sống như:

• Tụ điện filter: Tụ điện này có khả năng lọc nhiễu. Phần lớn các tụ lọc nhiễu có thiết kế phân cực với một cực là vỏ nối mát và cực còn lại có hình trụ hai đầu nối
• Tụ điện motor: Tụ này có nhiệm vụ khởi động và tạo từ trường xoay khiến cho motor hoạt động
• Tụ điện photoflash: Đây là loại tụ điện dành riêng cho bộ phận đèn flash của máy ảnh với khả năng cung cấp điện năng tức thời vô cùng nhanh.
• Dãy tụ điện: Bao gồm một hệ thống của tụ điện được kết nối với nhau thành một cấu trúc lớn phục vụ nhiều nhu cầu sử dụng khác nhau của mạch điện lớn
• Varicap: Đây được gọi là điốt bán dẫn có khả năng hoạt động ở chế độ biến dung

Ứng dụng của tụ điện

Hiện nay, tụ điện có mặt ở hầu như mọi thiết bị điện gia dụng có trong gia đình của bạn. Đây là một linh kiện không thể thiếu được khi xây dựng các mạch điện tử với các công dụng khác nhau. Một số mạch điện có sử dụng tụ điện có tác dụng như truyền dẫn tín hiệu, lọc nhiễu, lọc điện nguồn,…

Ngoài ra, tụ điện còn có những ứng dụng khác như tích trữ năng lượng cho bộ khuếch đại của hệ thống âm thanh trong ô tô, xây dựng các bộ nhớ kỹ thuật số cho các máy tính nhị phân và những tác dụng nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác như quân sự, vật lý,…

Hy vọng bài viết này của chúng tôi đã giúp bạn hiểu thêm về linh kiện nhỏ bé nhưng lại có vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống của chúng ta. Nếu bạn muốn tìm hiểu về các chủ đề khác, hãy bình luận phía dưới để chúng tôi được biết và viết thêm những bài viết thú vị khác nhé.

Xem thêm: