Tụ điện là gì? Cấu tạo, công dụng và nguyên lý hoạt động?

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động có vai trò quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Đặc biệt trong vật lý học tụ điện được xem là một vấn đề cần nghiên cứu chuyên sâu. Vậy tụ điện là gì?

1. Tụ điện là gì?

Trong tiếng Anh tụ điện có nghĩa là Capacitor và được viết tắc là chứ “C” trong các công thức tính toán Vật lý. Theo các nhà khoa học định nghĩa thì tụ điện là một linh kiện gồm có 2 cực thụ động lưu trữ lượng điện hay tích tụ điện tích nhờ 2 bề mặt dẫn điện trong cùng 1 điện trường.

Có nhiều cách phân loại tụ điện, cụ thể như sau:

Dựa vào tính chất lí hóa:

Tụ điện phân cực: Đây là tụ điện có 2 đầu, chúng thường là tụ hóa học và tụ tantalium. Loại tụ này thường có trị số lớn hơn và dùng trong các mạch có tần số thấp hoặc dùng để lọc nguồn.

Tụ điện không phân cực: Đây là loại tụ không có quy định cực tính. Tụ này có điện dung nhỏ và dùng nhiều trong mạch điện có tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu.

Tụ điện hạ áp và cao áp

Tụ lọc và tụ liên tầng

Tụ điện tĩnh và tụ điện động

Tụ xoay có khả năng thay đổi giá trị điện dung

Dựa vào dạng thức (chất liệu cách điện giữa bản cực):

Tụ không khí: Lớp cách điện là không khí.

Tụ giấy: Bản cực là lá nhôm, chất liệu cách điện là giấy tẩm dầu cách điện.

Tụ gốm: Lớp điện môi là gốm ta có tụ gốm. Loại tụ này được làm bằng ceramic, phía bên ngoài có bọc keo hoặc nhuộm màu.

Tụ bạc mica: Lớp cách điện là bạc – mica

Tụ giấy, tụ bạc – mica và tụ gốm là tụ không phân cực, dáng dẹt. Điện dung của chúng có giá trị khá  nhỏ, khoảng 0,47 µF, kí hiệu trên thân tụ bằng 3 số như 103J, 223K, 471J. 

Tụ hóa: là tụ điện hình trụ, có phân cực (-), (+) và lớp cách điện là hóa chất. Phần thân của tụ có thể hiện giá trị điện dung và giá trị này thường dao động trong khoảng từ 0,47 µF đến 0,4700 µF.

Tụ gốm đa lớp: Lớp cách điện là nhiều lớp bản cực bẳng gốm, đáp ứng cao tần và điện áp cao, tốt hơn tụ gốm đất thông thường từ 4 – 5 lần.

Tụ mica màng mỏng: Lớp cách điện là mica nhân tạo hoặc nhựa, có cấu tạo màng mỏng như Mylar, Polyester, Polycarbonate, Polystyrene.

Tụ xoay: Tụ này có thể xoay để thay đổi giá trị điện dung

Tụ tantalum: Bản cực làm bằng nhôm và dung môi là gel tantal. Trị số điện dung rất lớn với thể tích nhỏ.

Tụ Lithium ion: Năng lực của tụ rất lớn nên có thể dùng để tích điện 1 chiều.

Tụ siêu hóa: Dung môi cách điện là đất hiếm, có khối lượng năng hơn tụ nhôm hóa học và trị số điện dung lên đến hàng F. Nhờ trị số cực lớn mà ta có thể dùng nó như một nguồn pin cấp cho vi xử lý hoặc các mạch đồng hồ cần phải cung cấp điện liên tục.

Vậy điện dung. Đơn vị đo giá trị tụ điện là gì?

Điện dung: Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực kim loại của tụ điện. Diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữa hai bản cực quyết định điện dung của tụ điện. Điện dung được xác định theo công thức:

C = ξ . S / d

Trong đó:

C: Điện dung tụ điện (Fara).

ξ: Là hằng số điện môi của lớp cách điện của tụ.

d: là chiều dày của lớp cách điện của tụ.

S: là diện tích bản cực của tụ điện của tụ.

Đơn vị của tụ điện là Fara. 1Fara là rất lớn do đó trong thực tế, người ta thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như MicroFara (µF) , NanoFara (nF), PicoFara (pF). Cách quy đổi 1 Fara cụ thể như sau:

1F = 10-6 µF = 10-9 nF = 10-12 pF

Trên thân của mỗi tụ điện đều có ghi các trị số điện áp. Đây là giá trị điện áp tối đa mà các tụ điện có thể chịu được. Nếu sử dụng vượt quá giá trị này thì tụ sẽ bị nổ.

2. Cấu tạo của tụ điện:

Cấu tạo của tụ điện bao gồm:

– Hai bản mặt được đặt song song với nhau. Chúng được ngăn cách bởi một lớp điện môi.

– Điện môi sử dụng trong tụ điện: các chất không dẫn điện như thủy tinh, giấy, giấy tẩm hoá chất, gốm, mica, màng nhựa hoặc không khí….

3. Công dụng của tụ điện:

Tụ điện là thiết bị được biết đến nhiều nhất với khả năng lưu trữ năng lượng điện, lưu trữ điện tích hiệu quả. Nó được so sánh với khả năng lưu trữ như ắc qui. Tuy nhiên, ưu điểm lớn của tụ điện là lưu trữ mà không làm tiêu hao năng lượng điện. Đây cũng là công dụng chính của tụ điện.

Ngoài ra, công dụng tụ điện còn cho phép điện áp xoay chiều đi qua, giúp tụ điện có thể dẫn điện như một điện trở đa năng. Đặc biệt khi tần số điện xoay chiều (điện dung của tụ càng lớn) thì dung kháng càng nhỏ. Vì vậy có thể nói đây là trợ thủ đắc lực cho việc điện áp được lưu thông qua tụ điện.

Thêm nữa đó là, tụ điện hoạt động trên nguyên lý nạp xả thông minh, ngăn điện áp 1 chiều. Cho điện áp xoay chiều lưu thông giúp truyền đi tín hiệu giữa các tầng khuếch đại có chênh lệch điện thế.

Một công dụng nữa đó là tụ điện còn có vai trò lọc điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều bằng phẳng bằng cách loại bỏ pha âm…

4. Nguyên lý hoạt động của tụ điện:

Nguyên lý làm việc của tụ điện sẽ được phân thành hai quy trình phóng nạp và nạp xả của tụ điện. Dưới đây là nguyên lý của tụ điện đơn giản. 

Nguyên lý phóng nạp

Đây là nguyên lý của tụ điện với chức năng tích trữ năng lượng điện theo dạng điện trường. Trong đó, tụ sẽ lưu trữ hiệu quả các electron và phóng điện tích để tạo nên dòng điện. Tuy nhiên, tụ sẽ không có khả năng sản xuất các điện tích electron. 

Nguyên lý nạp xả

Trong nguyên lý làm việc của tụ điện thì quy trình nạp xả cũng là một nguyên lý đặc trưng của tụ điện để dẫn điện xoay chiều. 

Trong trường hợp mức điện áp của hai bạc mạch biến thiên theo thời gian mà nạp hoặc xả tụ sẽ xuất hiện sự cố tia lửa điện bởi dòng điện tăng vọt bất thường.  

5. Ứng dụng của tụ điện:

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử tụ điện được sử dụng rất phổ biến.

Tụ điện được cấu tạo sử dụng trong hệ thống âm thanh của các loại xe hơi cao cấp. Bởi vì tụ có công dụng tích tụ năng lượng điện cho bộ khuếch đại hoạt động được ổn định.

Ngoài ra tụ điện có thể sử dụng để xây dựng bộ nhớ kỹ thuật số cho các máy tính nhị phân.

Tụ điện còn được ứng dụng trong chế tạo các loại: máy phát điện công nghiệp, máy hút bụi công nghiệp…

Đặc biệt ứng dụng thiết thực nhất của máy hút bụi chính là tích trữ năng lượng điện.

Trong vấn đề xử lý thông tin, tín hiệu, khởi động động cơ và mạch điều chỉnh  tụ điện cũng đóng một vai trò quan trọng.

6. Cách đo kiểm tra tụ điện sống chết còn tốt không? 

Đo kiểm tra tụ giấy và tụ gốm.

Tụ giấy và tụ gốm thường hỏng ở dạng bị rò rỉ hoặc bị chập, để phát hiện tụ dò rỉ hoặc bị chập ta quan sát hình ảnh sau đây .

Đo kiểm tra tụ giấy hoặc tụ gốm 

phép đo kiểm tra tụ gốm, có ba tụ C1 , C2 và C3 có điện dung bằng nhau, trong đó C1 là tụ tốt, C2 là tụ bị dò và C3 là tụ bị chập.

Khi đo tụ C1 ( Tụ tốt ) kim phóng lên 1 chút rồi trở về vị trí cũ. ( Lưu ý các tụ nhỏ quá < 1nF thì kim sẽ không phóng nạp )

Khi đo tụ C2 ( Tụ bị dò ) ta thấy kim lên lưng chừng thang đo và dừng lại không trở về vị trí cũ.

Khi đo tụ C3 ( Tụ bị chập ) ta thấy kim lên = 0 Ω và không trở về.

Lưu ý: Khi đo kiểm tra tụ giấy hoặc tụ gốm ta phải để đồng hồ ở thang x1KΩ hoặc x10KΩ, và phải đảo chiều kim đồng hồ vài lần khi đo.

Đo kiểm tra tụ hoá

Tụ hoá ít khi bị dò hay bị chập như tụ giấy, nhưng chúng lại hay hỏng ở dạng bị khô (khô hoá chất bên trong lớp điện môi ) làm điện dung của tụ bị giảm , để kiểm tra tụ hoá , ta thường so sánh độ phóng nạp của tụ với một tụ còn tốt có cùng điện dung, hình ảnh dưới đây minh hoạ các bước kiểm tra tụ hoá.

Để kiểm tra tụ hoá C2 có trị số 100µF có bị giảm điện dung hay không, ta dùng tụ C1 còn mới có cùng điện dung và đo so sánh.

Để đồng hồ ở thang từ x1Ω đến x100Ω ( điện dung càng lớn thì để thang càng thấp )

Đo vào hai tụ và so sánh độ phóng nạp , khi đo ta đảo chiều que đo vài lần.

Nếu hai tụ phóng nạp bằng nhau là tụ cần kiểm tra còn tốt, ở trên ta thấy tụ C2 phóng nạp kém hơn do đó tụ C2 ở trên đã bị khô.

Trường hợp kim lên mà không trở về là tụ bị dò.