Bài viết được dịch từ trang web Instructables

Giới thiệu về: Tụ điện

Tụ điện có chút gì đó giống như pin, nhưng nó có một chức năng khác. Một pin sử dụng hóa chất để lưu trữ năng lượng điện và xuất ra (nuôi) rất chậm qua một mạch; đôi khi (trong trường hợp của một chiếc đồng hồ thạch anh) nó có thể mất vài năm. Còn một tụ điện thường giải phóng năng lượng của nó rất nhanh chóng, thường trong vài giây hoặc ít hơn. Nếu bạn đang cần một bức ảnh flash, ví dụ, bạn cần máy ảnh của mình tạo ra một chớp ánh sáng trong một phần nhỏ của một giây. Một tụ điện gắn vào đèn flash làm phóng điện trong vài giây sử dụng năng lượng từ pin của máy ảnh. (Cần có thời gian để sạc điện cho tụ và đó là lý do tại sao bạn thường phải chờ một chút.) Sau khi tụ điện được sạc đầy, nó có thể phóng tất cả những năng lượng ngay lập tức thông qua các bóng đèn flash xenon. Nghe tiếng Zap!

Có nhiều loại tụ điện khác nhau có sẵn, từ tụ điện rất nhỏ được sử dụng trong các mạch cộng hưởng đến các tụ điều khiển hệ số công suất lớn hơn, nhưng chúng đều làm chung một chức năng, đó là tích điện. Về cấu tạo cơ bản, một Tụ bao gồm hai hoặc nhiều tấm dẫn (kim loại) song song không được kết nối hoặc chạm vào nhau, được cách ly về điện bằng không khí hoặc bằng một số hình thức của một loại vật liệu cách nhiệt tốt như sáp giấy, mica, gốm sứ, nhựa hoặc một số hình thức của một gel lỏng được sử dụng trong các tụ điện. Các lớp cách điện giữa một  tấm tụ thường được gọi là điện môi. 

Tụ điện và điện dung

Lượng năng lượng điện mà một tụ điện có thể lưu trữ được gọi là điện dung của nó. Điện dung của một tụ điện giống như kích thước của một cái xô: xô càng lớn, nó có thể lưu trữ nước nhiều hơn; điện dung lớn hơn, tụ điện có thể lưu trữ nhiều điện tích hơn. Có ba cách để làm tăng điện dung của một tụ điện. Một là tăng kích thước của các bản cực. Hai là để di chuyển các bản cực gần nhau hơn. Cách thứ ba là làm cho điện môi như một chất cách điện tốt nhất có thể. Tụ điện sử dụng điện môi làm từ tất cả các loại vật liệu. Trong radio bán dẫn, việc điều chỉnh được thực hiện bởi một tụ biến dung với điện môi là không khí giữa các tấm bản cực của nó. Trong hầu hết các mạch điện tử, các tụ điện được niêm đóng kín các thành phần với chất điện môi làm bằng gốm sứ như mica và thủy tinh, giấy tẩm dầu, hoặc nhựa.

Giá trị của một tụ điện được đo bằng đơn vị gọi là farads (F), được đặt tên theo nhà vật lý học người Anh Michael Faraday (1791-1867). Một Fara là một đơn vị rất lớn của điện dung, trong thực tế, hầu hết các tụ chúng ta tìm hiểu chỉ là các phần phân đoạn của một Fara-thường là microfarads (phần triệu của một đơn vị điện dung, viết μF), nanofarads (phần ngàn triệu của một farad, ký hiệu nF), và picofarads (phần triệu triệu của một đơn vị điện dung, viết tắt là pF). Các siêu tụ tích điện có điện dung lớn hơn rất nhiều, đôi khi lên tới hàng ngàn farads.

Các loại tụ điện

Có rất nhiều loại tụ điện khác nhau và tùy theo đặc điểm khác nhau của chúng, mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

Một số loại tụ điện có thể tích điện tới các mức điện áp cao, và do đó, chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng điện áp cao. Một số tụ điện có thể sạc tích điện với dung lượng lớn, chẳng hạn như tụ điện phân nhôm. Một số tụ điện có tỉ lệ rò rỉ rất thấp và cũng có loại có tỷ lệ rò rỉ rất cao. Tùy theo đặc tính của từng loại mà chúng sẽ được đưa vào ứng dụng trong các mạch cụ thể.

Dựa trên thiết kế, tụ điện được phân loại theo các loại khác nhau:

Loại điện phân-(Electrolytic Capacitors):

Đối với hầu hết các ứng dụng, chúng ta đều sử dụng loại tụ điện phân. Chúng rất quan trọng cho một sinh viên điện tử do họ dễ dàng tìm kiếm và sử dụng, và chúng cũng không quá tốn kém.

Tụ điện loại này được sử dụng khi yêu cầu giá trị điện dung rất lớn, thường trên 1μF. Ở đây thay vì sử dụng một lớp màng kim loại rất mỏng để làm một trong các điện cực, một giải pháp điện phân bán lỏng trong các hình thức đông đặc hoặc dán được sử dụng có chức năng như là điện cực thứ hai (thường là cực âm).

Các điện môi là một lớp rất mỏng của ôxít làm tăng quá trình điện hóa, với độ dày của màng là nhỏ hơn mười micro mét. Lớp cách điện này là quá mỏng nên nó có thể làm cho tụ điện có một giá trị điện dung lớn cho một kích thước vật lý nhỏ như khoảng cách giữa các bản cực, d là rất nhỏ.

Phần lớn các kiểu tụ điện loại điện phân là được phân cực, do đó điện áp một chiều DC khi cung cấp tới các chân tụ có sự phân cực chính xác, tức là nguồn dương nối chân dương tụ, cực âm cho âm tụ, nếu phân cực không chính xác sẽ phá vỡ các lớp oxit cách điện và có thể dẫn đến tổn thương vĩnh viễn. Tất cả các tụ điện điện phân được phân cực đã được đánh dấu rõ ràng với một dấu hiệu âm cực để chỉ cực âm và cực này phải được chú ý. Tụ điện loại điện phân thường được sử dụng trong các mạch điện cung cấp nguồn DC do chúng có kích thước nhỏ nhưng điện dung lớn có thể giúp giảm điện áp gợn sóng (lọc nguồn) hoặc cho các ứng dụng ghép tầng và tách tầng. Một bất lợi chính của loại tụ điện này thông số điện áp tương đối thấp và do sự phân cực của tụ điện, nó không được sử dụng trong nguồn xoay chiều AC. Tụ điện phân thường có hai loại cơ bản: tụ nhôm điện phân và tụ Tantali điện phân.

Một tụ điện thường được dán nhãn với các thông số sau:

  1. Giá trị điện dung
  2. Điện áp tối đa
  3. Nhiệt độ tối đa
  4. Phân cực

Đối với một tụ điện phân, điện dung được đo bằng micro Farad. Dựa trên yêu cầu thích hợp các tụ điện sẽ được chọn. Với điện dung cao hơn, kích thước của tụ điện cũng tăng lên.

Thông số điện áp của Tụ

Tất cả các tụ có một thông số điện áp tối đa và khi lựa chọn một tụ điện phải xem xét lượng điện áp được cung cấp trên tụ điện. Điện áp tối đa có thể được cung cấp cho các tụ điện mà không làm hư hại chất điện môi của nó thường được đưa ra trong bảng dữ liệu như: Điện áp làm việc-WV (điện áp làm việc) hoặc như WV DC (Điện áp làm việc một chiều). Nếu điện áp trên tụ trở nên quá lớn, các chất điện môi sẽ bị phá vỡ (gọi là đánh thủng) và phóng điện hồ quang sẽ xảy ra giữa các tấm bản tụ dẫn đến ngắn mạch. Điện áp làm việc của tụ điện phụ thuộc vào loại vật liệu điện môi được sử dụng và độ dày của nó .

Điện áp làm việc một chiều của một tụ điện là điện áp một chiều tối đa và không phải là điện áp xoay chiều tối đa, ví dụ như một tụ điện với thông số điện áp DC là 100 volt DC không thể an toàn với một điện áp xoay chiều 100 volt. Kể từ khi một điện áp xoay chiều có giá trị 100 volts nhưng một giá trị đỉnh của nó hơn 141 volt !. Sau đó, một tụ điện cần thiết để hoạt động ở 100 volts AC nên có một điện áp làm việc ít nhất là 200 volt. Trong thực tế, một tụ điện phải được lựa chọn sao cho điện áp làm việc của nó hoặc là DC hoặc AC nên lớn hơn điện áp hiệu dụng cao nhất được áp dụng cho nó, ít nhất 50%.

Loại Polyester:

Tụ điện polyester là tụ gồm các tấm bản kim loại với lớp polyester giữa chúng, hoặc một màng kim loại được kết tủa trên các chất cách điện.

Giá trị của tụ Polyester trong phạm vi từ 1nF đến 15μF, và với điện áp làm việc từ 50V đến 1500V. Phạm vi dung sai 5%, 10%, và 20%. Chúng có hệ số nhiệt độ cao và điện trở cách ly cao, vì vậy chúng được lựa chọn để ghép tầng trong ứng dụng bộ nhớ AND/OR. So với hầu hết các loại khác, tụ điện polyester có điện dung cao cho mỗi đơn vị thể tích. Điều này có nghĩa một tụ có kích thước nhỏ cũng có thể có điện dung lớn.

Các tính năng này, cùng với giá cả tương đối thấp của chúng làm cho tụ điện polyester sử dụng rộng rãi, phổ biến và có giá rẻ.

Tụ điện loại Tantali:

Tụ Tantali là tụ điện được làm bằng tantali pentoxit. Tụ Tantali, giống như nhôm, là tụ điện phân, có nghĩa là chúng được phân cực. Ưu điểm chính của chúng (đặc biệt là trên tụ nhôm) là chúng nhỏ hơn, nhẹ hơn và ổn định hơn. Chúng có tỷ lệ rò rỉ thấp hơn và ít độ tự cảm giữa 2 chân. Tuy nhiên, điểm bất lợi là chúng có điện dung lưu trữ tối đa thấp hơn và điện áp làm việc tối đa thấp hơn so với các loại khác. Chúng cũng dễ bị tổn thương từ gai dòng điện cao. Đối với lý do cuối cùng, tụ điện tantali được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống tín hiệu tương tự, nơi mà ít bị High current-spike nhiễu.

Tụ gốm:

Tụ gốm hay tụ Disc như tên gọi của chúng, được thực hiện bằng cách phủ hai mặt của một miếng sứ nhỏ hoặc đĩa gốm một lớp bạc và sau đó được xếp chồng lên nhau để làm ra một tụ điện. Một đĩa gốm đơn khoảng 3-6mm được sử dụng cho giá trị điện dung rất thấp. Các tụ gốm có một hằng số điện môi cao (High-K) và có thể đạt được điện dung tương đối cao trong một kích thước vật lý nhỏ.

Điện dung của chúng có những biến đổi phi tuyến lớn chống lại nhiệt độ và kết quả là được sử dụng làm tụ tách tầng hoặc tụ by-pass, chúng là tụ không phân cực. Tụ gốm có giá trị khác nhau, từ một vài picofarads đếnmột hoặc hai microfarads, (μF) nhưng thông số điện áp của chúng nói chung là khá thấp. Các loại tụ gốm thường có một mã 3 chữ số in trên vỏ để xác định giá trị điện dung của chúng theo đơn vị pico-farads. Nói chung hai chữ số đầu tiên chỉ ra giá trị tụ điện và các chữ số thứ ba cho biết số lượng các số không được thêm vào. Ví dụ, một tụ đĩa gốm với các thông số 103 sẽ chỉ 10 và 3 số không ở pico-farads tương đương với 10.000 pF hoặc 10nF. Tương tự như vậy, các chữ số 104 sẽ chỉ 10 và 4 số không ở pico-farads tương đương với 100.000 pF hoặc 100nF và như vậy. Vì vậy, trên hình ảnh của các tụ điện gốm trên con số 154 chỉ 15 và 4 số không ở pico-farads tương đương với 150.000 pF hoặc 150nF hoặc 0.15uF. Mã chữ đôi khi được dùng để chỉ ra giá trị dung sai của tụ như: J = 5%, K = 10% hoặc M = 20% v.v...

Ứng dụng chung của tụ

  • Dùng lọc các giá trị không bằng phẳng, đặc biệt là trong các ứng dụng cung cấp nguồn mà cần chuyển đổi tín hiệu từ AC/DC.
  • Lưu trữ năng lượng.
  • Tách và ghép tầng tín hiệu do tụ ghép tầng chặn dòng DC và cho phép dòng AC vượt qua trong mạch.
  • Điều chỉnh (Tuning), như trong hệ thống vô tuyến bằng cách kết nối chúng với mạch dao động LC và điều chỉnh đến tần số mong muốn.
  • Định thời, do thời gian sạc và xả cố định của tụ điện.
  • Để hiệu chỉnh hệ số công suất điện và nhiều ứng dụng khác.

Các bài viết liên quan:

Tham khảo:

Khóa học Điện tử Thực hành tại TechMaster được dạy qua những thí nghiệm, mạch thực tế: nhìn được, đo được. Thiết bị hiện đại, đầy đủ, cho từng học viên. Giảng viên kinh nghiệm, tận tình hướng dẫn. Kiến thức căn bản thực tế áp dụng cho IoT và các kỹ thuật nâng cao... Thông tin chi tiết bạn xem tại đây.