Tụ điện (Capacitor)

1. Tụ điện là gì?

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 luỹ 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 acquy. Mặc dù cách hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện. Acquy 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 acquy.

Hình 1. Các loại tụ điện phổ biến.

2. Cấu tạo của tụ điện

Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi.

Người ta thường dùng giấy, gốm, mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá.

Hình 2. Cấu tạo của tụ điện.

Hình 3. Kí hiệu của tụ điện.

3. Nguyên lý hoạt động của tụ điện

Nguyên lý phóng nạp của tụ điện được hiểu là khả năng tích trữ năng lượng điện như một ắc qui 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.

Hình 4. Nguyên lý phóng nạp của tụ điện.

Tụ điện có cho điện áp xoay chiều đi qua hay không?

Tụ điện cho phép điện áp xoay chiền đi qua. Sở dĩ xảy ra điều này bởi điện áp xoay chiều có tần số lớn hơn 0 vì thế dung kháng của tụ sẽ nhỏ hơn vô cùng. Lúc này tụ sẽ dẫn điện với vai trò như một điện trở. Lưu ý, tần số điện xoay chiều càng cao hay điện dung của tụ càng lớn thì dung kháng càng nhỏ, điện áp đi qua tụ càng dễ dàng.

4. Các thông số chính của tụ điện

4.1. Điện dung

Đặc trưng cho khả năng lưu trữ năng lượng của tụ điện. Đơn vị điện dung của tụ điện là Fara (F). 1 Fara được định nghĩa là điện dung của một tụ điện có thể được nạp đầy bởi dòng điện có hiệu điện thế 1V, cường độ dòng điện 1A trong thời gian 1 giây.

Quy đổi về mặt trữ lượng:

F = 1 A x 1 V x 1 giây = 1A x 1V x 1/3600 giờ = 0.278 mWh.

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.

Trên thực tế những tụ điện có điện dung hàng Fara thường đã được xếp vào loại siêu tụ điện. Đa phần các tụ điện chỉ có điện dung nằm trong hàng từ picofara (pF), nanofara (nF) đến micrôfara (µF), minifara (mF) thì hơi hiếm.

Chú ý: 1 F = 103 mF = 106 µF = 109 nF = 1012 pF

Tóm lại, 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:

{\displaystyle C={\frac {Q}{U}}}

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.

4.2. 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: 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;
  • 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).

Hình 5. 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.

4.4. Điện áp đánh thủng (điện áp làm việc)

Là điện áp làm việc tối đa của tụ điện. Khi điện áp vượt quá ngưỡng giới hạn này, lực điện trường trong tụ điện sẽ đủ mạnh để làm các electron từ một bản tụ bức ra, bay xuyên qua lớp điện môi đến bản tụ còn lại. Quá trình này làm chất điện môi giữa 2 bản tụ trở thành chất dẫn điện, và người ta gọi quá trình đó là đánh thủng điện môi hay tụ điện bị đánh thủng. 

Trên thực tế, điện áp đánh thủng của tụ nên có trị số lớn hơn điện áp mà nó phải chịu lúc làm việc, tốt nhất là gấp 1.5 lần trở lên để đảm bảo an toàn.

Các giá trị phổ biến của điện áp đánh thủng: 5V, 10V, 12V, 16V, 24V, 25V, 35V, 42V, 47V, 56V, 100V, 110V, 160V, 180V, 250V, 280V, 300V, 400V,…

Có một sự thật là mặc dù cùng một mức điện dung nhưng điện áp đánh thủng lại tỉ lệ thuận với kích thước của tụ.

4.5. 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.

Hình 6. Dãy tụ 150 kV bù pha trong truyền tải điện.

5. Các loại tụ điện

  • Tụ điện phân cực.
  • Tụ điện không phân cực.
  • Tụ điện có trị số biến đổi.
  • Siêu tụ điện.

6. Cách đọc trị số của tụ điện

6.1. Tụ hoá:

Giá trị điện dung của tụ hoá được ghi trực tiếp trên thân tụ ⇒ Tụ hoá là tụ có phân cực (-), (+) và luôn luôn có hình trụ.

Hình 7. Giá trị tụ hoá.

6.2. Tụ giấy, tụ gốm

Tụ giấy và tụ gốm có trị số ghi bằng ký hiệu:

Hình 8. Tụ giấy, tụ gốm.

  • Cách đọc : Lấy hai chữ số đầu nhân với 10(Mũ số thứ 3)
  • Ví dụ tụ gốm bên phải hình ảnh trên ghi 474K nghĩa là:
Giá trị = 47 x 104 = 470000 pF (Lấy đơn vị là picô Fara) = 470 nF = 0,47 µF
  • Chữ K hoặc J ở cuối là chỉ sai số 5% hay 10% của tụ điện.

6.3. Thực hành đọc trị số của tụ điện

Tụ giấy và tụ gốm còn có một cách ghi trị số khác là ghi theo số thập phân và lấy đơn vị là MicroFara.

Hình 9. Thực hành đọc trị số của tụ điện.

7. Ứng dụng

Tụ điện được sử dụng rất nhiều trong kỹ thuật điện và điện tử, trong các thiết bị điện tử, tụ điện là một linh kiện không thể thiếu đươc, mỗi mạch điện tụ đều có một công dụng nhất định như truyền dẫn tín hiệu , lọc nhiễu, lọc điện nguồn, tạo dao động ..vv…Dưới đây là một số những hình ảnh minh hoạ về ứng dụng của tụ điện.

7.1. Tụ điện trong mạch lọc nguồn

Hình 10. Tụ điện trong mạch lọc nguồn.

Trong mạch lọc nguồn như hình trên, tụ hoá có tác dụng lọc cho điện áp một chiều sau khi đã chỉnh lưu được bằng phẳng để cung cấp cho tải tiêu thụ, ta thấy nếu không có tụ thì áp DC sau đi ốt là điên áp nhấp nhô, khi có tụ điện áp này được lọc tương đối phẳng, tụ điện càng lớn thì điện áp DC này càng phẳng.

7.2. Tụ điện trong mạch dao động đa hài tạo xung vuông

Hình 11. Tụ điện trong mạch dao động đa hài tạo xung vuông.

Hai đèn báo sáng sử dụng đèn Led dấu song song với cực CE của hai Transistor, chú ý đấu đúng chiều âm dương.

Trần Lê Mân

error: Real Group - Efficiency Projects