Tụ điện là những linh kiện điện tử quan trọng thường bị bỏ qua nhưng lại rất cần thiết. Chúng lưu trữ và giải phóng năng lượng điện, điều này rất quan trọng trong nhiều mạch điện. Hiểu biết về tụ điện là điều cần thiết đối với những người yêu thích điện tử và học công nghệ. Chúng thực hiện nhiều công việc khác nhau như làm mịn nguồn điện, lọc tín hiệu và lưu trữ năng lượng. Hãy cùng khám phá điều gì làm cho tụ điện trở nên quan trọng trong thế giới công nghệ ngày nay.
Tụ điện là gì?
Tụ điện còn được gọi là tụ. Đây là một trong những linh kiện thụ động như điện trở. Tụ điện thường được sử dụng để lưu trữ điện tích. Trong tụ điện, điện tích được lưu trữ dưới dạng “trường điện”. Tụ điện đóng vai trò quan trọng trong nhiều mạch điện và điện tử.
Thông thường, tụ điện có hai tấm kim loại song song không nối với nhau. Hai tấm trong tụ điện được ngăn cách bởi một môi trường cách điện (môi trường cách điện) thường được gọi là điện môi.
Có nhiều loại và hình dạng tụ điện khác nhau, từ những tụ điện rất nhỏ được sử dụng trong mạch cộng hưởng cho đến những tụ điện lớn để ổn định đường dây HVDC. Nhưng tất cả các tụ điện đều làm cùng một công việc là lưu trữ điện tích.
Hình dạng của tụ điện có thể là hình chữ nhật, hình vuông, hình tròn, hình trụ hoặc hình cầu. Không giống như điện trở, một tụ điện lý tưởng không tiêu tán năng lượng. Vì có nhiều loại tụ điện khác nhau nên có nhiều ký hiệu khác nhau để biểu thị chúng như hình bên dưới.
Tại sao tụ điện lại quan trọng?
Tụ điện có nhiều tính chất như
- Chúng có thể lưu trữ năng lượng và có thể phân tán năng lượng này vào mạch khi cần thiết.
- Chúng có thể chặn dòng điện một chiều và cho phép dòng điện xoay chiều đi qua, điều này có thể ghép nối một phần của mạch với phần khác.
- Mạch có tụ điện phụ thuộc vào tần số, do đó có thể được sử dụng để khuếch đại một số tần số nhất định.
- Khi áp dụng đầu vào AC cho tụ điện, dòng điện dẫn trước điện áp và do đó trong các ứng dụng điện, nó làm tăng công suất tải trả và làm cho nó kinh tế hơn.
- Nó cho phép các tần số cao và do đó có thể được sử dụng làm bộ lọc để lọc các tần số thấp hoặc thu thập các tần số cao.
- Vì phản kháng và tần số của tụ điện tỷ lệ nghịch với nhau, điều này có thể được sử dụng để tăng hoặc giảm trở kháng mạch ở một tần số nhất định và có thể được sử dụng làm bộ lọc.
Tương tự, tụ điện thể hiện nhiều tính chất khi được sử dụng trong mạch AC hoặc DC và do đó chúng đóng vai trò quan trọng trong các mạch điện và điện tử.
Cấu tạo của tụ điện
Như đã nói trước đây, có nhiều loại tụ điện khác nhau. Các loại khác nhau sẽ có cấu tạo khác nhau. Tụ điện tấm song song là tụ điện đơn giản nhất. Hãy cùng tìm hiểu về cấu tạo của tụ điện này.
Nó bao gồm hai tấm kim loại cách nhau một khoảng cách. Khoảng trống giữa hai tấm này được lấp đầy bằng vật liệu điện môi. Hai dây dẫn của tụ điện được lấy từ hai tấm này.
Điện dung của tụ điện phụ thuộc vào khoảng cách giữa các tấm và diện tích của các tấm. Giá trị điện dung có thể thay đổi bằng cách thay đổi bất kỳ thông số nào trong số này.
Tụ điện có thể điều chỉnh được có thể được chế tạo bằng cách làm cho một trong các tấm này cố định và tấm kia di chuyển.
Điện môi của tụ điện
Điện môi đóng vai trò như một vật liệu cách điện giữa các tấm. Điện môi có thể là bất kỳ vật liệu không dẫn điện nào như gốm, giấy sáp, mica, nhựa hoặc một dạng gel lỏng.
Điện môi cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc quyết định giá trị điện dung. Khi điện môi được đưa vào giữa các tấm của tụ điện, giá trị của nó tăng lên.
Các vật liệu điện môi khác nhau sẽ có các hằng số điện môi khác nhau, tuy nhiên giá trị này lớn hơn 1.
Bảng dưới đây cho giá trị của hằng số điện môi cho mỗi vật liệu điện môi
Điện môi có thể có hai loại
- Điện môi phân cực: Các điện môi này sẽ có chuyển động điện môi cố định
- Điện môi không phân cực: Những điện môi này sẽ có mô-men lưỡng cực tạm thời. Bằng cách đặt chúng trong một điện trường, chúng có thể được cảm ứng các mô-men lưỡng cực.
Hằng số điện môi phức tạp
Tích của độ thẩm thấu tương đối (εr) của vật liệu điện môi và độ thẩm thấu của không gian tự do (εo) được gọi là “hằng số điện môi phức tạp” hoặc “độ thẩm thấu thực tế” của vật liệu điện môi. Biểu thức cho hằng số điện môi phức tạp được đưa ra như sau,
ε = ε0 * εr
Giá trị của hằng số điện môi phức tạp sẽ luôn bằng với hằng số điện môi tương đối, bởi vì độ thẩm thấu của không gian tự do bằng ‘một’. Giá trị của hằng số điện môi hoặc hằng số điện môi phức tạp thay đổi từ vật liệu điện môi này sang vật liệu khác.
Một số giá trị tiêu chuẩn của độ thẩm thấu phức tạp (ε) cho các vật liệu điện môi thông thường là Không khí = 1,0005, Chân không tinh khiết = 1,0000, Mica = 5 đến 7, Giấy = 2,5 đến 3,5, Gỗ = 3 đến 8, Thủy tinh = 3 đến 10 và Bột oxit kim loại = 6 đến 20 và vân vân.
Tụ điện có thể được phân loại theo các tính chất và đặc điểm của vật liệu cách điện hoặc điện môi của chúng, chúng được đưa ra dưới đây như
- Tụ điện có độ ổn định cao & hao hụt thấp — Mica, gốm K thấp và tụ polystyrene là các ví dụ cho loại này.
- Tụ điện có độ ổn định trung bình & hao hụt trung bình – Giấy, màng nhựa và tụ gốm K cao là các ví dụ cho loại này.
- Tụ điện phân cực – Ví dụ cho loại tụ điện này là Electrolytic, Tantalum.
Nguyên lý hoạt động
Như đã nói trước, tụ điện bao gồm hai dây dẫn được ngăn cách bởi một điện môi, khi có bất kỳ hiệu điện thế nào giữa hai dây dẫn thì điện thế sẽ được phát triển. Điều này khiến tụ điện nạp và xả.
Hãy hiểu điều này theo một cách thực tế. Khi tụ điện được kết nối với một pin (nguồn một chiều), dòng điện bắt đầu chảy qua mạch.
Do đó, điện tích âm tích tụ trên một tấm và điện tích dương tích tụ trên tấm kia. Quá trình này liên tục cho đến khi điện áp của tụ điện đạt đến điện áp nguồn cung cấp.
Khi điện áp nạp bằng điện áp nguồn cấp, tụ điện ngừng nạp tiếp ngay cả khi pin vẫn được kết nối. Khi pin được tháo ra, hai tấm sẽ tích tụ các điện tích dương và âm. Vì vậy, điện tích được lưu trữ trong tụ điện.
Nhưng khi điện áp cấp đến từ một nguồn AC, nó sạc và xả liên tục. Tốc độ sạc và xả phụ thuộc vào tần số của nguồn.
Ví dụ
Nguyên lý hoạt động có thể được hiểu bằng cách sử dụng ví dụ đơn giản ở đây. Mạch dưới đây cho thấy hai công tắc A và B. Khi công tắc 1 đóng, dòng điện bắt đầu chảy từ pin đến tụ điện. Khi điện áp của tụ điện đạt đến điện áp nguồn cấp, nó ngừng sạc tiếp.
Bây giờ kết nối công tắc ở vị trí B. Bây giờ bạn có thể quan sát thấy đèn LED bắt đầu sáng và điều này từ từ mờ dần khi tụ điện đang xả.
Điện dung của tụ điện được tính bằng
C=KεA/d
hoặc
C= εA/4πd
hoặc
C = εo * εr (A/d)
Trong đó,
C – Điện dung của tụ điện
A – Diện tích giữa các tấm
D – Khoảng cách giữa hai tấm
εo – Độ thẩm của không gian tự do
εr – Độ thẩm tương đối.
K- Hằng số điện môi
Điện dung của tụ điện
Điện dung là tính chất của tụ điện xác định lượng điện tích tối đa được lưu trữ trong nó. Nó tồn tại trong tự nhiên ở khắp mọi nơi.
Điện dung có thể thay đổi tùy thuộc vào hình dạng của tụ điện. Điện dung có thể được tính toán bằng cách sử dụng hình học của các dây dẫn và các tính chất của vật liệu điện môi. Hãy xem điện dung của một tụ điện tấm song song.
Điện dung được định nghĩa là tỷ số của điện tích (Q) trên một trong hai tấm với hiệu điện thế (V) giữa chúng,
C =Q/V,
Do đó, dòng điện có thể được tính là
I(t)=C[d(v)/d(t)]
Điều này có thể được biểu thị bằng Farads (F), được đặt tên theo nhà vật lý người Anh Michael Faraday.
Từ định nghĩa trên, chúng ta có thể thấy rằng điện dung tỷ lệ thuận với điện tích (Q) và tỷ lệ nghịch với điện áp (V).
Điện dung của tụ điện có thể được tăng lên bằng cách tăng số lượng các tấm, điều này giúp duy trì cùng một kích thước của tụ điện. Ở đây, diện tích của các tấm được tăng lên.
Đơn vị chuẩn của điện dung
Thông thường Farads là một giá trị cao, vì vậy, điện dung được biểu thị dưới dạng các đơn vị con của tụ điện trong thực tế như micro farads (uF), nano farads (nF) và pico farads (PF).
Hầu hết các ứng dụng điện và điện tử đều được bao gồm bởi các đơn vị tiền t
ố chuẩn (SI) sau đây để tính toán dễ dàng hơn,
- 1 mF (milli farad) = 10−3 F = 1000 μF = 1000000 nF
- 1 μF (microfarad) =10−6 F = 1000 nF = 1000000 pF
- 1 nF (nano farad) = 10−9 F = 1000 pF
- 1 pF (picofarad) = 10−12 F
Để chuyển đổi μF sang nF hoặc pF hoặc sang một loạt các đơn vị khác và ngược lại, chúng ta cần sử dụng Bộ chuyển đổi đơn vị điện dung điện.
Định mức điện áp của tụ điện
Đây không phải là điện áp mà tụ điện nạp đến mà là điện áp tối đa mà tụ điện có thể hoạt động an toàn. Điện áp này được gọi là điện áp làm việc (WV) hoặc điện áp làm việc DC (DC-WV). Hình dưới đây cho thấy định mức điện áp của tụ điện.
Nếu tụ điện được áp dụng với điện áp lớn hơn điện áp này, nó có thể bị hỏng do tạo ra hồ quang giữa các tấm do điện môi bị đánh thủng.
Khi thiết kế các mạch với tụ điện, cần chú ý sao cho điện áp định mức của tụ điện lớn hơn điện áp sử dụng trong mạch. Ví dụ: nếu điện áp hoạt động của mạch là 12V thì cần chọn tụ điện có điện áp định mức từ 12V trở lên.
Điện áp làm việc của tụ điện phụ thuộc vào các yếu tố như vật liệu điện môi sử dụng giữa các tấm tụ điện, độ dày điện môi và cả loại mạch được sử dụng.
