Tụ điện là gì ? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chức năng của tụ điện

17-11-2024
5:00 chiều

Nếu bạn mới bắt đầu tìm hiểu về điện lạnh, bạn có thể sẽ thắc mắc tụ điện là gì, công dụng của nó ra sao và nguyên lý hoạt động như thế nào. Để giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về tụ điện, Tân Long xin mời bạn tham khảo bài viết chi tiết về chủ đề này dưới đây.

Tụ điện là gì ? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chức năng của tụ điện

Nội dung

Capacitor tụ điện là gì?

Tụ điện (capacitor) là một thiết bị điện tử dùng để lưu trữ điện tích và năng lượng. Nó được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử để lọc nhiễu, cân bằng điện áp, tạo dao động và nhiều ứng dụng khác. Tụ điện có thể được phân loại theo loại điện cực, loại điện môi, dung lượng, điện áp, tần số, kích thước và hình dạng.

Hình dáng của tụ điện trên thực tế

Cấu tạo tụ điện là gì?

Ngoài khái niệm tụ điện là gì thì không ít người muốn tìm hiểu về cấu tạo của nó. Tụ điện bao gồm ít nhất hai dây dẫn điện, thường ở dạng tấm kim loại, đặt song song và được ngăn cách bởi một lớp điện môi.

Dây dẫn của tụ điện có thể là giấy bạc hoặc màng mỏng. Điện môi là các chất không dẫn điện như thủy tinh, giấy tẩm hóa chất, gốm, mica, màng nhựa hoặc không khí. Điện môi này giúp tăng khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện. Tùy vào loại điện môi, tụ điện có tên gọi tương ứng.

Điện dung , đơn vị và cả ký hiệu của tụ điện

Điện dung là đại lượng thể hiện khả năng tích điện của tụ điện. Điện dung phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữa hai bản cực, được tính theo công thức:

C = ξ . S / d

Trong đó:

C: Điện dung của tụ điện

ξ: Hằng số điện môi lớp cách điện

S: Diện tích bản cực tụ điện

d: Chiều dày lớp cách điện

Đơn vị điện dung của tụ điện: Đơn vị của điện dung là Fara (F), nhưng vì 1 Fara rất lớn, nên thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như:

MicroFara (µF): 1 Fara = 1.000.000 µF
NanoFara (nF): 1 Fara = 1.000.000.000 nF
PicoFara (pF): 1 Fara = 1.000.000.000.000 pF
1 µF = 1.000 nF
1 nF = 1.000 pF

Ký hiệu tụ điện: Tụ điện được ký hiệu là C (Capacitor).

Điện môi: Điện môi là chất dẫn điện kém, có điện trở suất cao (10⁷ ÷ 10¹⁷ Ω.m) ở nhiệt độ bình thường. Chất cách điện bao gồm phần lớn các vật liệu vô cơ và hữu cơ.

Phân loại tụ điện phổ biến

Các loại tụ điện thông dụng

Tụ hóa (Tụ điện phân cực)

Tụ hóa là loại tụ điện có phân cực, nghĩa là khi sử dụng, bạn cần phải cắm đúng chân của tụ với điện áp cung cấp. Chân của tụ hóa thường được đánh dấu bằng ký hiệu (+) hoặc (-).

Có hai dạng tụ hóa:

Tụ hóa có chân tại hai đầu hình trụ tròn
Tụ hóa có hai chân nối ra cùng một đầu trụ

Trên thân tụ hóa thường ghi giá trị điện áp cực đại mà tụ có thể chịu được. Nếu điện áp vượt quá hạn mức này, tụ có thể bị phồng hoặc nổ gây nguy hiểm. Trị số của tụ hóa được ghi trên thân, ví dụ 10µF, 100µF.

Tụ điện không phân cực

Tụ điện không phân cực không quy định cực tính âm hay dương, thường có hình dẹt và điện dung nhỏ từ 0,47µF trở xuống. Loại tụ này có thể thay thế bởi tụ điện phân cực và lắp đặt dễ dàng mà không cần quan tâm đến cực.

Tụ điện không phân cực được dùng trong mạch tần số cao, làm mạch lọc nhiễu và trong các thiết bị dân dụng như máy bơm, motor, và tụ bù pha lưới điện.

Siêu tụ điện

Siêu tụ điện có mật độ năng lượng rất cao (supercapacitor), như tụ điện Li-ion (tụ LIC). Loại tụ này có khả năng tích trữ điện năng trong vài tháng, cung cấp nguồn thay cho pin lưu dữ liệu trong các thiết bị điện tử. Chúng có khả năng phóng nạp nhanh và chứa nhiều năng lượng, được dùng trong giao thông để khai thác năng lượng hãm phanh, cung cấp năng lượng đỉnh đột xuất cho ô tô điện, tàu điện, và tàu hỏa nhanh.

Công dụng mỗi loại tụ điện là gì ?

Tụ điện phân cực (tụ hóa)

Tụ điện phân cực hay tụ hóa thường dùng trong mạch tần số thấp như mạch lọc nguồn. Tụ này chứa điện dung lớn mà không chiếm nhiều diện tích. Tuy nhiên, cần kết nối đúng cực, nếu không tụ sẽ bị hư hỏng. Tuổi thọ của tụ hóa ngắn hơn các loại tụ khác.

Tụ điện không phân cực

Tụ điện không phân cực dùng trong mạch tần số cao và mạch lọc nhiễu. Loại tụ này không yêu cầu kết nối đúng cực và thường có điện dung nhỏ. Tụ không phân cực thường dùng trong thiết bị điện gia dụng như quạt và động cơ.

Tụ xoay

Tụ xoay có thể thay đổi giá trị điện dung và thường dùng trong mạch cần điều chỉnh điện dung như bộ chỉnh tần số. Giá trị của tụ xoay thường từ 100pF đến 500pF.

Siêu tụ điện

Siêu tụ điện có mật độ điện dung rất cao, dùng trong thiết bị yêu cầu nguồn năng lượng tức thời lớn như thang máy, cần cẩu, xe hơi, và các thiết bị di động. Siêu tụ điện lưu trữ nhiều năng lượng, sạc và xả nhanh chóng, tuổi thọ dài hơn pin thông thường, là công nghệ lưu trữ năng lượng tiên tiến.

Công thức chuẩn tính điện dung capacitor

Tụ điện mắc nối tiếp

Khi các tụ điện được mắc nối tiếp, điện dung tương đương $C_{td}$ được tính theo công thức:

$1Ctd=1C1+1C2+1C3frac{1}{C_{td}} = frac{1}{C_1} + frac{1}{C_2} + frac{1}{C_3}$

Trường hợp có 2 tụ mắc nối tiếp:

$Ctd=C1⋅C2C1+C2C_{td} = frac{C_1 cdot C_2}{C_1 + C_2}$

Điện áp chịu đựng của tụ tương đương:
Tổng điện áp bằng tổng điện áp của từng tụ:

$U_{td} = U_1 + U_2 + U_3$

Lưu ý: Khi mắc nối tiếp các tụ hóa, cần đảm bảo cực âm của tụ trước nối với cực dương của tụ sau.

Tụ điện mắc song song

Khi các tụ điện được mắc song song, điện dung tương đương $C_{td}$ được tính bằng tổng điện dung của các tụ:

$C_{td} = C_1 + C_2 + C_3$

Điện áp chịu đựng:
Điện áp tương đương bằng điện áp thấp nhất trong số các tụ.

Lưu ý: Nếu là tụ hóa, cần đấu các tụ cùng chiều âm dương để tránh hư hỏng.

So sánh:

Tụ điện mắc nối tiếp	Tụ điện mắc song song
Điện dung tương đương giảm	Điện dung tương đương tăng
Tổng điện áp tăng	Điện áp tương đương giữ nguyên

Công thức chuẩn tính điện dung capacitor

Cách đọc giá trị điện dung trên tụ điện

Với tụ hoá

Giá trị điện dung của tụ hoá được ghi trực tiếp trên thân tụ.

Lưu ý: Tụ hoá có phân cực (dấu (-) và (+)) và luôn có dạng hình trụ.

Ví dụ: Tụ hoá có giá trị ghi là 185 µF / 320 V.

Với tụ giấy và tụ gốm

Tụ giấy và tụ gốm ghi trị số điện dung bằng ký hiệu, không phải bằng số trực tiếp.

Cách đọc: Lấy hai chữ số đầu tiên nhân với $10$ mũ số thứ ba.

Ví dụ: Tụ gốm ghi trị số là 474K, có nghĩa là: $10^4 = 470,000 , text{pF} = 470 , text{nF} = 0.47 , mu F$ Chữ K ở cuối biểu thị sai số của tụ, thường là 10%.

Chú ý:

K hoặc J chỉ sai số của tụ điện (K = 10%, J = 5%).
50V là điện áp cực đại mà tụ có thể chịu được.

Cách ghi trị số khác

Tụ giấy và tụ gốm cũng có thể ghi trị số bằng cách sử dụng số thập phân và đơn vị là microfarad (µF).

Mỗi tụ điện đều có giá trị điện áp cực đại được ghi sau giá trị điện dung, đây là mức điện áp mà tụ có thể chịu được. Nếu điện áp vượt quá mức này, tụ có thể bị hỏng hoặc nổ.

Lưu ý khi lắp tụ vào mạch:

Khi lắp tụ vào mạch có điện áp $U$ , thường chọn tụ có giá trị điện áp cực đại cao hơn khoảng 1.4 lần giá trị điện áp mạch.

Ví dụ:

Mạch 12V cần tụ 16V.
Mạch 24V cần tụ 35V.
…và cứ như vậy.

Nguyên lý hoạt động của tụ điện là gì?

Tụ điện có khả năng lưu trữ năng lượng dưới dạng điện trường bằng cách tích tụ các electron. Nó có thể giải phóng các điện tích này để tạo ra dòng điện. Đây chính là tính chất phóng nạp của tụ, giúp tụ điện dẫn điện xoay chiều.

Khi điện áp giữa hai bản mạch thay đổi từ từ theo thời gian, việc nạp hoặc xả tụ có thể gây ra hiện tượng nổ và tia lửa điện do dòng điện tăng mạnh. Đây là nguyên lý nạp-xả của tụ điện, một hiện tượng khá phổ biến.

Hướng dẫn kiểm tra capacitor còn hoạt động hay không?

Để kiểm tra xem tụ điện còn hoạt động tốt hay không, bạn có thể sử dụng đồng hồ vạn năng hoặc LCR clip. Trước khi kiểm tra, hãy đảm bảo tụ điện đã được xả hoàn toàn để tránh nguy cơ giật điện hoặc hư hỏng.

Kiểm tra tụ giấy và tụ gốm

Tụ giấy và tụ gốm thường hư hỏng dưới dạng bị dò rỉ hoặc bị chập. Để phát hiện những hư hỏng này, ta có thể thực hiện phép đo kiểm tra như sau:

Hướng dẫn kiểm tra:

Trong hình ảnh dưới đây, ta có ba tụ C1, C2 và C3 có điện dung bằng nhau, trong đó:
- C1 là tụ tốt
- C2 là tụ bị dò
- C3 là tụ bị chập
Kiểm tra tụ C1 (tụ tốt): Kim đồng hồ sẽ phóng lên một chút rồi trở về vị trí cũ. (Lưu ý: đối với các tụ nhỏ hơn 1nF, kim đồng hồ có thể không phóng nạp).
Kiểm tra tụ C2 (tụ bị dò): Kim đồng hồ sẽ lên một phần thang đo và dừng lại, không trở về vị trí ban đầu.
Kiểm tra tụ C3 (tụ bị chập): Kim đồng hồ sẽ lên bằng 0 Ω và không quay lại.

Lưu ý: Khi đo tụ giấy hoặc tụ gốm, hãy đặt đồng hồ ở thang đo x1KΩ hoặc x10KΩ, và đảo chiều kim đồng hồ vài lần để kiểm tra chính xác.

Kiểm tra tụ hoá

Tụ hoá ít khi bị dò hay bị chập như tụ giấy, nhưng chúng thường hư hỏng do khô hóa chất bên trong lớp điện môi, dẫn đến giảm điện dung. Để kiểm tra tụ hoá, ta cần so sánh độ phóng nạp của tụ với một tụ còn tốt cùng điện dung.

Hướng dẫn kiểm tra:

Giả sử ta có tụ C2 với trị số 100µF và muốn kiểm tra xem nó có bị giảm điện dung hay không. Ta sẽ so sánh với tụ C1 còn mới cùng trị số 100µF.
Đặt đồng hồ vạn năng ở thang từ x1Ω đến x100Ω (thang đo thấp hơn cho tụ có điện dung lớn).
Tiến hành đo và so sánh độ phóng nạp của cả hai tụ, đồng thời đảo chiều que đo để có kết quả chính xác.

Đánh giá kết quả:

Nếu cả hai tụ phóng nạp giống nhau, tụ C2 vẫn còn tốt.
Nếu tụ C2 phóng nạp kém hơn, tức là tụ C2 đã bị khô, giảm điện dung.
Nếu kim đồng hồ không trở về sau khi đo, đó là dấu hiệu tụ bị dò.

Công dụng của tụ điện

Tụ điện có tác dụng nổi bật nhất là khả năng lưu trữ năng lượng điện và điện tích một cách hiệu quả, tương tự như ắc-quy. Tuy nhiên, điểm mạnh của tụ điện là khả năng lưu trữ năng lượng mà không tiêu hao điện năng, điều này giúp nó trở thành một lựa chọn ưu việt trong nhiều ứng dụng.

Bên cạnh đó, tụ điện cho phép điện áp xoay chiều (AC) đi qua, biến tụ điện thành một linh kiện dẫn điện như một điện trở đa năng. Đặc biệt, khi tần số của dòng điện xoay chiều tăng lên và điện dung của tụ càng lớn, dung kháng của nó sẽ giảm xuống, hỗ trợ quá trình lưu thông điện áp qua tụ một cách hiệu quả.

Tụ điện hoạt động dựa trên nguyên lý nạp-xả thông minh, giúp ngăn chặn điện áp một chiều (DC) trong khi cho phép điện xoay chiều (AC) lưu thông. Điều này cho phép tụ điện truyền tín hiệu giữa các tầng khuếch đại có sự chênh lệch điện thế.

Thêm vào đó, tụ điện còn có tác dụng quan trọng trong việc lọc điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều ổn định, bằng cách loại bỏ pha âm.

Ứng dụng của tụ điện trong thực tế

Tụ điện được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử:

Hệ thống âm thanh xe hơi: Tụ điện giúp lưu trữ năng lượng cho bộ khuếch đại, đảm bảo cung cấp nguồn năng lượng ổn định khi cần thiết.
Máy tính và bộ nhớ kỹ thuật số: Tụ điện được sử dụng trong các bộ nhớ động của máy tính nhị phân, đặc biệt trong các thiết bị sử dụng ống điện tử.
Ngành quân sự và chế tạo đặc biệt: Tụ điện đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống máy phát điện, thí nghiệm vật lý, radar, vũ khí hạt nhân, và nhiều ứng dụng khác trong ngành quốc phòng.
Nguồn cung cấp năng lượng và tích trữ năng lượng: Ứng dụng phổ biến nhất của tụ điện là trong việc cung cấp và tích trữ năng lượng điện.

Ngoài những ứng dụng chính trên, tụ điện còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như xử lý tín hiệu, khởi động động cơ, mạch điều chỉnh, và nhiều ứng dụng điện tử khác.

Tụ điện có khả năng lưu trữ năng lượng điện hiệu quả

Trên đây là một số thông tin về tụ điện, bao gồm định nghĩa tụ điện là gì, cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động của nó. Hy vọng bài viết hữu ích cho bạn, truy cập Tân Long để tham khảo thêm nhiều thông tin bổ ích khác!