Tụ điện là gì? Các đặc trưng và nguyên lý hoạt động

Là một trong những linh kiện điện tử quan trọng, tụ điện góp mặt trong nhiều thiết bị điện. Tuy nhiên để tìm hiểu rõ hơn về loại linh kiện này, chúng ta hãy cùng theo dõi qua bài viết dưới đây nhé!

1. Tụ điện là gì?

Tên tiếng Anh của loại linh kiện này là Capacitor. Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động, và nó được cấu tạo bởi hai bản cực đặt song song với nhau và ngăn cách bởi lớp điện môi. Đây là loại linh kiện có thể ngăn cách dòng điện một chiều. Nhưng mặt khác nó cũng cho phép dòng điện xoay chiều đi qua bằng nguyên lý phóng nạp. Trong các sơ đồ mạch điện nó được ký hiệu là C.

2. Tụ được cấu tạo như thế nào?

Tụ được cấu tạo bởi ít nhất hai dây dẫn thường ở dạng tấm kim loại. Hai bề mặt đó được đặt song song với nhau. Chúng cũng cần phải được ngăn cách bởi một lớp điện môi.

Điện môi được dùng phải là các chất có khả năng cách điện như: thủy tinh, giấy hoặc giấy tẩm hóa chất hay không khí,…Chúng không có tác dụng giúp tăng khả năng tích trữ năng lượng trong tụ. Và tùy theo chất cấu tạo ở giữa hai bản cực thì tụ sẽ có tên gọi tương ứng.

3. Các đại lượng đặc trưng của tụ điện

Điện dung

Đây là đại lượng đặc trưng của loại linh kiện này, nó cho thấy khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ. Giá trị điện dung của loại linh kiện này phụ thuộc nhiều vào diện tích của hai bản cực. Vật liệu dùng làm điện môi và khoảng cách giữa hai bản cực cũng tác động đến giá trị điện dung. Sự tác động đó có thể được thể hiện qua công thức sau: C = ε. S/d. Và các đại lượng được giải thích là:

• C là giá trị điện dung của tụ, đơn vị đo là Fara (F)
• ε là hằng số điện môi của lớp cách điện
• d là chiều dày của lớp cách điện (khoảng cách giữa hai bản tụ)
• S là điện tích của hai bản cực

Đơn vị của điện dung là gì?

Như đã nói ở trên thì điện dung có đơn vị đo là Fara, ký hiệu là F. Tuy hiên giá trị của 1F rất lớn, nên người ta sử dụng các đơn vị nhỏ hơn như micro fara hay nano fara để đo lường. Cách quy đổi sẽ được thể hiện như dưới đây:

• 1 Fara = 10⁶ micro fara = 10⁹ nano fara = 10¹² pico fara
• 1 micro Fara = 10³ nano Fara

Điện môi

Một trong những đại lượng của quan trọng cũng cần được quan tâm là điện môi. Nó là các chất có khả năng dẫn điện kém và có điện trở suất khá cao ở trong nhiệt độ bình thường. Và các chất điện môi ở đây thường là các chất vô cơ hoặc đôi khi là chất hữu cơ.

4. Công thức tính giá trị điện dung là gì?

Tụ có thể được mắc theo hai cách: cách mắc nối tiếp và cách mắc song song. Với mỗi cách mắc khác nhau cách tính điện dung cũng có sự khác biệt.

Với các tụ được mắc theo cách nối tiếp

Giả sử các tụ được mắc nối tiếp có giá trị điện dung lần lượt là C1, C2, C3,… Điện dung C sẽ được tính theo công thức:

Ctđ = (1/C1) + (1/C2) + (1/C3)

Trong trường hợp chỉ có hai tụ mắc nối tiếp, công thức có thể được biến đổi thành: Ctđ = C1.C2/ (C1+C2)

Điện áp chịu đựng của tụ khi mắc nối tiếp được tính bằng tổng các giá trị điện áp:

Utđ = U1 + U2 + U3

Với các tụ được mắc theo cách song song

Với cách mắc trên giá trị của nó được tính bằng tổng các điện dung của tụ. Công thức tính toán được mô tả:

C = C1 + C2 +C3

Điện áp mà tụ có thể chịu đựng được bằng với điện áp của tụ có điện áp thấp nhất. Nếu đó là các tụ hóa thì các tụ phải được đấu cùng chiều âm dương với nhau.

5. Các loại tụ thường gặp hiện nay

5.1 Tụ hóa (tụ phân cực)

Đây là loại tụ có phân cực âm dương và hình dạng luôn là hình trụ. Các giá trị điện dung được thể hiện trên thân tụ. Giá trị điện của tụ thường có giá trị từ 0,47 micro fara đến 4700 micro fara.

5.2 Tụ cố, tụ giấy, tụ cao áp, tụ sứ (tụ không phân cực)

Loại tụ này có dạng hình dẹp và không phân cực âm dương. Trị số của tụ có ba số và được ký hiệu trên thân tụ. Giá trị điện dung của loại tụ này thường khá thấp, chỉ khoảng 0.47 micro fara.

5.3 Tụ xoay

Đây là loại tụ có thể xoay để thay đổi giá trị điện dung. Loại tụ này phổ biến được lắp trong radio nhằm để thay đổi tần số khi ta dò đài.

6. Cách phân loại theo cấu tạo của nó

Theo cách này, ta có thể tiến hành phân loại như sau:

Tụ gốm đa lớp: loại này có bản cực cách điện được làm bằng gốm. Loại tụ này có thể đáp ứng được điện áp cao, và tần cao hơn gốm thường từ 4 – 5 lần.

Tụ mica màng mỏng: Loại này có cấu tạo lớp điện môi là mica hoặc nhựa màng mỏng.

Tụ bạc: loại này có bản cực bằng bạc nên khá nặng. Đây là loại tụ có điện dung từ vài pF đến vài nF và có độ ổn nhiệt rất thấp.

Tụ hóa sinh: loại này có thể thây thế cho pin khi lưu trữ năng lượng điện trong cách thiết bị điện tử. Lượng điện tích trữ trong điện có giá trị rất lớn và giảm dần 15% sau mỗi lầm sạc.

7. Nguyên lý hoạt động của tụ điện là gì?

Đây là loại vật liệu có khả năng tích trữ năng lượng điện trường bằng cách lưu trữ electron. Và nó cũng có thể phóng ra các điện tích này để tạo thành dòng điện. Đây là tính chất đặc trưng: tính chất phóng nạp của tụ. Nhờ có tính chất này mà tụ có khả năng dẫn được dòng điện xoay chiều.

Nếu điện áp giữa hai bản mạch không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian mà tụ ta cắm tụ hoặc xả tụ rất dễ dẫn đến tình trạng có tia lửa điện nổ do dòng điện tăng vọt. Đây là một lưu ý quan trọng trong nguyên lý nạp xả của tụ.

8. Công dụng của tụ điện là gì?

Tác dụng đầu tiên phải kể đến của tụ là khả năng lưu trữ năng lượng. Nó có thể lưu trứ năng lượng điện, tích trữ điện hiệu quả. Khả năng này của nó còn được so sách với khả năng lưu trữ của các thiết bị khác như ac quy. Ưu điển nổi bật khi dùng tụ là không gây tiêu hao năng lượng điện.

Ngoài ra, như đã nói ở trên tụ có khả năng cho dòng điện xoay chiều đi qua. Từ đó mà nó giúp tụ có thể dãn điện như một điện trở đa năng. Và đặc biệt khi tần số của dòng điện xoay chiều càng lớn thì dung kháng càng nhỏ. Điều này hỗ trợ rất nhiều giúp điện áp lưu thông qua tụ.

Hơn thế nữa, nhờ có nguyên lý hoạt động như một thiết bị nạp xả thông minh ngăn điện áp một chiều, cho dòng điện xoay chiều chạy qua. Vì thế mà nó giúp cho việc truyền tín hiệu giữa các tầng khuếch đại có chênh lệch điện thế. Một công dụng khác của tụ là có thể lọc điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều bằng cách loại bỏ các loại pha âm.

9. Các ứng dụng phổ biến của loại linh kiện này

Đây là thiết bị được sử dụng nhiều trong lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử. Nó được ứng dụng trong hệ thống âm thanh của xe hơi. Lý do là nhờ tác dụng lưu trữ năng lượng cho bộ khuếch đại được sử dụng. Ngoài ra linh kiện này có thể được dùng để xây dựng các bộ nhớ kỹ thuật số động cho các máy tính nhị phân sử dụng trong các ống điện tử. Và trong các máy chế tạo đặc biệt trong các lĩnh vực quân sự, tụ được sử dụng trong các máy phát điện, thí nghiệm,… Ứng dụng lớn nhất được biết đến nhiều của tụ là việc áp dụng thành công nguồn cung cấp năng lượng và tích trữ năng lượng.