Tụ điện là gì điện dung tụ điện

Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi. Cùng Toploigiai tìm hiểu về Tụ điện và điện dung tụ điện qua bài viết dưới đây nhé!

Tụ điện là gì ?

Tụ điện là gì ? Trước khi vào nội dung chính thì chúng ta sẽ tìm hiểu sơ lược về loại linh kiện này trước nhé. 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 lũy điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều.

Cấu tạo của tụ điện là gì ?

Một tụ điện thông thường sẽ có cấu tạo bao gồm:

• 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 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.

Nguyên lý hoạt động của tụ điện là gì ?

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

Các kiểu tụ điện thường gặp

Tụ điện tích hợp:

+ Tụ điện MIS: tụ điện được chế tạo theo công nghệ bán dẫn, gồm 3 lớp kim loại – điện môi – chất bán dẫn (metal-isolator-semiconductor), trong đó điện môi là polyme.

+ Tụ điện trench

Tụ điện cố định:

+ Tụ điện gốm (Ceramic): tụ có điện môi chế tạo theo công nghệ gốm.

+ Tụ điện màng (film): tụ có điện môi là màng plastic (plastic film).

+ Tụ điện mica: tụ có điện môi là mica (một loại khoáng vật có trong tự nhiên, bóc được thành lá mỏng. Nó khác với tấm polyme quen gọi là mica). Tụ này ổn định cao, tổn hao thấp và thường dùng trong mạch cộng hưởng tần cao.

+ Tụ hóa: hay tụ điện điện phân (electrolytic capacitor), dùng chất điện phân phù hợp với kim loại dùng làm anode để tạo ra cathode, nhằm đạt được lớp điện môi mỏng và điện dung cao.

Tụ hóa nhôm: có anode (+) làm bằng nhôm.

Tụ hóa tantali: có anode (+) làm bằng tantali.

Tụ hóa niobi: có anode (+) làm bằng niobi.

+ Tụ polyme, tụ OS-CON: dùng điện phân là polyme dẫn điện.

Siêu tụ điện (Supercapacitor, Electric double-layer capacitor – EDLS)

Siêu tụ điện Nanoionic: chế tạo theo công nghệ lớp kép nano để đạt mật độ điện dung cực cao.

Siêu tụ điện Li ion (LIC): chế tạo theo công nghệ lớp kép lai để đạt mật độ điện dung siêu cao.

Tụ điện vacuum: điện môi chân không.

+ Tụ điện biến đổi: tụ thay đổi được điện dung.

Tụ điện tuning: tụ thay đổi dải rộng dùng trong mạch điều hưởng

Tụ điện trim: tụ thay đổi dải hẹp để vi chỉnh

Tụ điện vacuum biến đổi (đã lỗi thời).

+ Tụ điện ứng dụng đặc biệt:

Tụ điện filter: tụ lọc nhiễu, có một cực là vỏ nối mát, cực còn lại có dạng trụ 2 đầu nối.

Tụ điện motor: tụ dùng để khởi động và tạo từ trường xoay cho motor.

Tụ điện photoflash: tụ dùng cho đèn flash như đèn flash máy ảnh, cần đến phóng điện nhanh.

+ Dãy tụ điện (network, array): các tụ được nối sẵn thành mảng.

+ Varicap: điốt bán dẫn làm việc ở chế độ biến dung.

Các thông số của tụ điện là gì ?

Ngoài ra là các tham số tinh tế, dành cho người thiết kế hay sửa chữa thiết bị chính xác cao: Hệ số biến đổi điện dung theo nhiệt độ, độ trôi điện dung theo thời gian, độ rò điện, dải tần số làm việc, tổn hao điện môi, tiếng ồn,… và thường được nêu trong Catalog của linh kiện.

Điện dung:

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:

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.

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];
• ε_r: 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 (ε₀ ≈1÷(9*10⁹*4*π)≈8.854187817*10^-12);
• 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).

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.

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.

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.

Cách mắc tụ điện như thế nào ?

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 như sơ đồ dưới:

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.